鳶尾素在運動改善胰島素抵抗中作用的分子機制

林俊杰 趙仁清 周亞蘭 崔威 彭妍 田鑫 朱柏樹 孫龍飛

揚州大學(xué)體育學(xué)院（江蘇揚州225127）

2型糖尿?。╰ype 2 diabetes mellitus，T2DM）及其并發(fā)癥嚴重降低了患者的生活質(zhì)量，是致殘、致死的重要原因之一。胰島素抵抗（insulin resistance，IR）是T2DM 的關(guān)鍵病因，多發(fā)生于脂肪組織、骨骼肌和肝臟中[1]。IR 會導(dǎo)致胰腺β細胞代償性增加胰島素分泌以維持血糖穩(wěn)定，出現(xiàn)高胰島素血癥，當(dāng)胰腺β細胞無法分泌足夠的胰島素以維持血糖代謝平衡時，則出現(xiàn)高血糖[2]。由于脂肪、骨骼肌、肝臟等組織存在IR，導(dǎo)致注射胰島素等藥物治療方案存在局限性；另外，藥物治療不能改善肌肉減少、脂肪增多及提高T2DM 患者的生活質(zhì)量。研究表明，規(guī)律運動可以增加能量消耗，減少脂肪含量，增加肌肉力量，改善組織血液循環(huán)，增加胰島素受體敏感性[3]，成為目前預(yù)防T2DM 的重要措施，然而運動改善IR的分子機制尚不清楚。近些年研究報道，鳶尾素（irisin）在調(diào)節(jié)能量代謝、改善IR 中發(fā)揮重要作用，且鳶尾素的分泌與運動關(guān)系密切。本文采用英文檢索詞irisin，exercise，insulin resistance，diabetes，hyperglycemia，hyperinsulinism，以及中文檢索詞鳶尾素、運動、胰島素抵抗、糖尿病，通過PubMed、Cochran Library、Embase、Wed of Science、中國知網(wǎng)等數(shù)據(jù)庫檢索相關(guān)文獻，對鳶尾素在胰島素抵抗中的作用機制，以及運動通過鳶尾素激活多條信號通路改善胰島素敏感性進行總結(jié)，為制定預(yù)防和治療T2DM的運動處方提供理論依據(jù)。

1 糖尿病胰島素抵抗

胰島素是一種由51個氨基酸組成的多肽，由胰島β細胞產(chǎn)生和分泌。胰島素促進肌肉、肝臟和脂肪組織中的葡萄糖吸收，將其轉(zhuǎn)化為糖原和甘油三酯；胰島素在肝臟組織中抑制糖異生、糖原分解及酮生成作用，同時促進蛋白質(zhì)合成[4]。胰島素受體在機體中廣泛存在，如肌肉、脂肪、肝臟等，當(dāng)這些組織出現(xiàn)炎癥，線粒體功能障礙，糖、脂代謝紊亂等問題后，表現(xiàn)為組織中的胰島素受體對胰島素的敏感性和反應(yīng)降低，出現(xiàn)IR[5]。

胰島素通過酪氨酸激酶受體使胰島素受體底物1（insulin receptor substrate 1，IRS-1）磷酸化，激活磷脂酰肌醇3-激酶（phosphoinositide 3-kinase，PI3K）和蛋白激酶B（protein kinase B，PKB/AKT）[6，7]，進而激活葡萄糖激酶，抑制糖異生[8]，因此，IRS-1/PI3K/AKT 信號通路活性降低是IR 的重要機制之一。另一方面，肥胖可導(dǎo)致炎性細胞因子水平升高，而IR 通常與炎性細胞因子水平升高密切相關(guān)[9]。白細胞介素-6（interleukin-6，IL-6）、腫瘤壞死因子-α（Tumor necrosis factor-α，TNF-α）、白細胞介素-1β（interleukin-1β，IL-1β）等炎性因子的升高會阻礙胰島素信號的傳導(dǎo)，從而引發(fā)IR[10]。p38 絲裂原活化蛋白激酶（p38 mitogen activated protein kinase，p38MAPK）信號系統(tǒng)是另一個調(diào)節(jié)IR的重要分子通路，參與細胞分化、凋亡、免疫調(diào)節(jié)及炎癥反應(yīng)過程[11]。Lawan 等[12]報道，p38/MAPK 在肥胖受試者的骨骼肌中表達降低，且p38/MAPK能夠增加運動中骨骼肌的葡萄糖攝取，可能是降低IR的重要靶點[13]。

線粒體功能障礙主要包括線粒體的數(shù)量減少和過氧化物酶體增殖物激活受體γ（peroxisome proliferator-activated receptor γ，PPAR-γ）共激活因子1-α（PGC-1α）、共激活因子1-β（PGC-1β）水平降低，導(dǎo)致胰島素信號減弱和次生脂質(zhì)代謝產(chǎn)物積累[14]。次生脂質(zhì)代謝產(chǎn)物通過激活絲氨酸/蘇氨酸激酶導(dǎo)致絲氨酸磷酸化，使胰島素受體及其底物失活，增加IR[15]。除此之外，因線粒體生物功能障礙和脂毒性產(chǎn)生的活性氧（reactive oxygen species，ROS）也會增加IR[16]。ROS 還會抑制線粒體生物功能，導(dǎo)致細胞內(nèi)脂肪酸積累，形成脂毒性和IR惡性循環(huán)[17]。

2 運動與胰島素抵抗

運動是預(yù)防T2DM 的重要措施。運動可有效增加肌肉力量和骨骼肌的橫截面積，從而增加骨骼肌的糖攝取量，降低血糖，改善IR。Croymans 等[18]的研究發(fā)現(xiàn)，每周3次、持續(xù)12周的抗阻訓(xùn)練能明顯提高男性肥胖受試者骨骼肌的胰島素敏感性，同時受試者的瘦體重及肌肉相對力量也得到顯著提升，另外骨骼肌中的葡萄糖轉(zhuǎn)運蛋白4 （glucose transporter protein 4，GLUT4）的表達也增加。GLUT4可以促進骨骼肌的葡萄糖攝取，從而降低血糖[19]，這提示運動改善IR可能與GLUT4 表達增加有關(guān)。此外，有氧與抗阻相結(jié)合的運動方式改善IR、降低血糖的效果要優(yōu)于單一運動形式[20，21]。規(guī)律運動還會消耗機體過多的脂肪，包括皮下脂肪和內(nèi)臟脂肪，從而降低脂毒性，阻斷脂毒性與IR 的惡性循環(huán)。研究發(fā)現(xiàn)，長期有氧訓(xùn)練后男性肥胖受試者脂肪量和血清IL-6水平減少，與肥胖相關(guān)的IR也得到明顯改善[22]。

在動物實驗中也觀察到類似的結(jié)果，在進行急性運動和長期訓(xùn)練后，小鼠骨骼肌IRS-1的磷酸化水平及葡萄糖攝取量都得到顯著提高[23]。大鼠在進行8周的游泳運動后，其腓腸肌中的PI3K磷酸化水平顯著增加[24]。糖尿病小鼠在進行長期的有氧聯(lián)合抗阻運動訓(xùn)練后，骨骼肌中的AMP 激活蛋白激酶（Adenosine 5’-monophosphate-activated protein kinase，AMPK）活性明顯提高，同時糖耐量水平也得到顯著改善[25]。IRS-1、PI3K、AMPK等蛋白活性與IR密切相關(guān)[26，27]，提示運動改善胰島素敏感性的作用可能與這些蛋白表達有關(guān)。

雖然運動可增加葡萄糖攝取，減少脂毒性及炎癥反應(yīng)，改善胰島素敏感性，但所涉及的分子機制仍然不清楚。肌肉因子irisin其分泌與運動關(guān)系密切，在運動改善胰島素敏感性中可能發(fā)揮重要的作用。

3 鳶尾素與糖尿病胰島素抵抗

3.1 鳶尾素生物學(xué)特征

Irisin是由纖維連接蛋白Ⅲ型域包含蛋白5（fibronectin type Ⅲdomain containing protein 5，F(xiàn)NDC5）經(jīng)蛋白水解酶剪切而成的含有112 個氨基酸的多肽[28]。鳶尾素高度保守，人和小鼠的鳶尾素氨基酸序列具有100% 同源性。鳶尾素幾乎存在于機體的所有組織和器官中，比如在人的腦脊液、肝臟、胰腺、胃、血清、唾液及尿液中均檢測到鳶尾素存在[29-31]，同樣，在大鼠的腎臟、心臟、大腦、肝臟、肌肉、皮膚、視網(wǎng)膜、松果體和甲狀腺中也檢測到鳶尾素表達[32-35]。在所有組織中，鳶尾素在骨骼肌中表達水平最高，其次是其他肌肉組織，如心臟、舌頭、直腸等[36]。鳶尾素在脂肪組織中也有較高表達，但其含量為在骨骼肌中含量的1/100左右[36]。鳶尾素的分泌受到多種因素的影響，運動、寒冷、飲食、藥物和病理狀況等都會影響其表達[37]。

3.2 鳶尾素與胰島素抵抗

鳶尾素具有促進能量代謝、加速脂肪分解、增加肌肉對葡萄糖攝取、減少肝臟組織糖異生，以及減輕炎癥因子和氧化應(yīng)激等作用，鳶尾素通過改善這些因素促進葡萄糖轉(zhuǎn)化，降低IR，改善T2DM及并發(fā)癥[38]。

人和動物體內(nèi)主要有兩種脂肪細胞，白色脂肪細胞線粒體少、代謝率較低；而棕色脂肪細胞線粒體豐富、代謝率相對較高，通過非耦合呼吸增加產(chǎn)熱，對慢性代謝性疾病有改善作用[39，40]。近些年研究發(fā)現(xiàn)了第三種“米色”脂肪細胞，它可增加解偶聯(lián)蛋白1（uncoupling protein 1，UCP1）的表達和線粒體的生物活性[41-43]。鳶尾素可以通過激活p38/MAPK 和細胞外調(diào)節(jié)蛋白激酶（extracellular- signal regulated kinase，ERK）促進白色脂肪細胞中UCP1 表達[28]，UCP1 可增強線粒體代謝，促進產(chǎn)熱，增加能量消耗，并促進白色脂肪細胞褐變[44]。采用重組irisin處理原代人骨骼肌細胞后，葡萄糖和脂肪酸的攝取量增加了30%～40%，與胰島素作用效果相似。在作用6 h 后，GLUT4、己糖激酶2（hexokinase 2，HK2）和過氧化物酶體增殖物激活 受 體α （peroxisome proliferator activated receptorsα，PPARα） 的 基因表達上調(diào)30%～80%[45]。PPARα、HK2、GLUT4等基因表達增加可促進骨骼肌的葡萄糖攝取、脂肪攝取及代謝。除此之外，鳶尾素還促進解偶聯(lián)蛋白3（uncoupling protein 1，UCP3）的表達，提高線粒體的生物功能，增加糖氧化代謝[46]。鳶尾素不僅可以通過PI3K-Akt-叉頭盒轉(zhuǎn)錄因子O1（forkhead box O1，F(xiàn)oxO1）通路下調(diào)磷酸烯醇丙酮酸羧激酶1 （Phosphoenolpyruvate carboxykinase 1，PCK1） 和葡萄糖-6-磷酸酶催化亞基（glucose-6-phosphatase catalytic subunit，G6PC）表達，降低糖異生，還可以通過PI3K-Akt-糖原合酶激酶3（glycogen synthase kinase 3，GSK3）途徑增強糖原合成，從而降低血糖濃度[47]。除此之外，鳶尾素還可以通過下調(diào)核因子κB（nuclear factor kappa-B，NF-κB）、TNF-α、IL-6等炎性細胞因子抑制ROS合成，減少脂毒性，降低IR[34，48]。

4 運動與鳶尾素

目前普遍認為肌肉也是一種內(nèi)分泌器官，運動促進肌肉分泌上百種因子，并進入循環(huán)系統(tǒng)激活多條信號通路，調(diào)節(jié)機體代謝功能[49]。鳶尾素是其中重要的一種肌肉因子，循環(huán)血中75%的鳶尾素都來自于骨骼肌[36]。運動通過激活A(yù)MPK 上調(diào)PGC-1α表達，促進FNDC5/irisin的合成和分泌[50-52]。

動物實驗研究表明，不同類型的運動都能促進鳶尾素的分泌。8 周的游泳訓(xùn)練能顯著增加肥胖大鼠血清鳶尾素水平[53]。除了血清外，運動還能增加骨骼肌中鳶尾素的蛋白水平。Kim等[54]報道，糖尿病大鼠在接受12 周的抗阻訓(xùn)練后，肌肉中鳶尾素水平明顯升高。此外，小鼠在進行自主轉(zhuǎn)輪運動后，骨骼肌中的PGC-1α mRNA和FNDC5 mRNA也明顯增加[28]。PGC-1α可以促進FNDC5的合成，并經(jīng)蛋白水解酶剪切形成鳶尾素，這提示運動促進鳶尾素分泌依賴PGC-1α的表達[28]。

在人類實驗中也觀察到相似的結(jié)果。Kraemer 等[55]報道，身體健康的受試者以60% VO2max的強度完成90分鐘的跑步，運動過程中第54分鐘的血清鳶尾素水平增加了20.4%（男性）和20.3%（早期卵泡期女性）以及24.6%（黃體中期女性）。運動也能增加肥胖患者體內(nèi)鳶尾素水平。在接受一年運動和生活方式干預(yù)后，肥胖兒童血清鳶尾素水平明顯升高[56]。Nygaard等[57]進一步研究表明鳶尾素水平的升高依賴于PGC-1α的表達增加，健康受試者在接受單次的力量和耐力練習(xí)后，骨骼肌中PGC-1α的表達分別增加了3.5 ±0.9 倍和2.1 ± 0.8 倍，血漿鳶尾素水平也都明顯升高，且力量訓(xùn)練血漿鳶尾素水平升高的幅度略高于耐力訓(xùn)練。在某些病理情況下，運動能夠緩解鳶尾素分泌不足現(xiàn)象。Norheim 等[50]研究發(fā)現(xiàn)，長期的力量和耐力綜合訓(xùn)練可增加男性骨骼肌中FNDC5 mRNA表達，而相比對照組糖尿病前期組顯示出了更高的FNDC5 mRNA表達。

5 鳶尾素在運動改善胰島素抵抗中的作用機制

5.1 運動-鳶尾素-AMPK與胰島素抵抗

運動可促進鳶尾素的合成與分泌，鳶尾素通過激活A(yù)MPK信號通路改善胰島素敏感性（圖1）。Zhang等[58]研究發(fā)現(xiàn)，肥胖大鼠進行8 周的跑臺運動干預(yù)后，其骨骼肌中PGC-1α mRNA、FNDC5 mRNA、AMPK mRNA 及AMPK 的磷酸化水平均顯著提高。Yang 等[59]對高脂飲食誘導(dǎo)的肥胖大鼠實施運動干預(yù)后，腓腸肌中AMPK的磷酸化水平顯著提高，同時骨骼肌中PGC-1α和鳶尾素蛋白水平也增加，肥胖癥狀改善。鳶尾素通過促進AMPK 磷酸化激活A(yù)MPK 下游信號系統(tǒng)，從而上調(diào)PPARα、HK2、GLUT4 等促進糖、脂分解代謝的基因表達，降低PCK1、肌型糖原磷酸化酶（muscletype glycogen phosphorylase，PYGM）、G6PC 等促進葡萄糖生成的基因表達[45]。因此，鳶尾素/AMPK 通路是運動改善IR的重要分子機制。

圖1 Irisin在運動改善胰島素抵抗中作用的機制

5.2 運動-鳶尾素-p38/MAPK與胰島素抵抗

研究報道，4周的跑臺運動顯著增加大鼠比目魚肌中PGC-1α及FNDC5 蛋白表達水平，并且白色脂肪中的p38/MAPK 蛋白表達也顯著升高[60]。鳶尾素可以通過促進p38/MAPK 磷酸化誘導(dǎo)GLUT4 移至肌細胞膜，提高骨骼肌對葡萄糖的攝取[61]。p38/MAPK 還調(diào)控糖尿病患者的細胞炎癥反應(yīng)過程[11]，從而降低IR，增加骨骼肌的葡萄糖攝取，改善T2DM 癥狀。因此，運動通過增加PGC-1α的表達促進鳶尾素分泌，從而激活p38/MAPK通路，在改善IR中發(fā)揮重要作用。

5.3 運動-鳶尾素-UCP1通路與胰島素抵抗

有研究發(fā)現(xiàn)，持續(xù)90 min 的急性游泳運動可促進小鼠骨骼肌中FNDC5 蛋白表達增加，并且皮下脂肪UCP1 的蛋白水平也顯著增加[62]。UCP1 可促進白色脂肪棕色化，改善IR 癥狀[28]。褐變后的棕色脂肪組織（brown adipose tissue，BAT）對葡萄糖的攝取量是白色脂肪組織（white adipose tissue，WAT）的10 倍，葡萄糖攝取量的增加主要是棕色/米色脂肪細胞中GLUT4 表達增加所致[63]。有研究報道，運動可明顯增加小鼠WAT的鳶尾素和UCP1的表達，增加脂肪分解，減少脂毒性，改善IR[28]；而且，鳶尾素還可通過環(huán)磷酸腺苷（cyclic adenosine monophosphate，cAMP）-蛋白激酶A（protein kinase A，PKA）-激素敏感性脂肪酶（hormone sensitive lipase，HSL）/脂滴包被蛋白（perilipin，PLIN）途徑促進脂解作用，減少脂質(zhì)堆積[64]。隨著WAT 的褐變及脂質(zhì)堆積的減少，其脂毒性和線粒體生物功能也得到了改善，進一步提高小鼠的胰島素敏感性[65]。

5.4 運動-鳶尾素-糖異生與炎癥反應(yīng)

運動通過上調(diào)骨骼肌PGC-1α表達促進鳶尾素分泌，并進入循環(huán)系統(tǒng)調(diào)節(jié)其他組織生理功能，肝細胞是其重要靶點之一。鳶尾素對肝細胞有著重要調(diào)節(jié)作用，通過多條信號通路調(diào)節(jié)肝細胞中IR[34，47]。在IR 的小鼠原代肝細胞培養(yǎng)中，鳶尾素可通過PI3K-AKTFoxO1 下調(diào)PCK1 和G6PC 減少糖異生作用；又通過PI3K-AKT-GSK3 刺激糖原合成[47]，從而使血糖水平降低，改善因胰島素受體底物磷酸化受損而抑制的下游通路功能。Irisin還降低TNF-α、IL-1β、IL-6等促炎細胞因子水平，從而減少肝細胞炎癥反應(yīng)[48]（圖1）。有研究報道，肥胖小鼠脂肪組織中TNF-α水平表達增加，并出現(xiàn)IR，而缺乏TNF-α及其受體的肥胖小鼠，其胰島素敏感性顯著升高[66]。研究發(fā)現(xiàn)，IL-6、IL-1β和白細胞介素-1α（interleukin-1α，IL-1α）等促炎細胞因子都參與IR 的發(fā)病機制[67-69]，并且肥胖小鼠在采用抗炎性因子藥物干預(yù)后，胰島素敏感性明顯增加[66]。TNF-α、IL-6、IL-1β等炎性細胞因子主要導(dǎo)致IRS-1磷酸化受損[70]，而IRS-1 的磷酸化受損則會導(dǎo)致PI3K/AKT 下游信號通路抑制，從而引發(fā)IR[14]。因此，運動通過鳶尾素減少細胞炎癥反應(yīng)，從而提高胰島素受體底物的磷酸化水平，減少糖異生，增強胰島素受體敏感性[48，70]。

6 總結(jié)與展望

既往大量研究在揭示運動降低胰島素抵抗的作用方面已取得重要進展，但其中的具體分子機制還不清楚。近些年的研究證據(jù)表明，鳶尾素可誘導(dǎo)多條信號通路改善脂毒性，炎癥，糖、脂代謝及線粒體的生物功能，從而改善IR，這為揭示運動和胰島素抵抗的相關(guān)機制提供了新的視角。然而，由于鳶尾素的受體（αV/β 5 integrin）只在骨組織中有報道，而在其它組織中尚未發(fā)現(xiàn)，因此，鳶尾素調(diào)控分子信號通路改善IR 的機制還有待進一步研究來闡明，此問題的解決將為運動、鳶尾素和胰島素抵抗之間的調(diào)節(jié)機制提供新證據(jù)，可能為治療或預(yù)防IR提供更有效的措施[71]。