肌生成抑制素在2型糖尿病合并動(dòng)脈粥樣硬化中的研究進(jìn)展

董俐 羅曉紅 牛小娟

糖尿病和動(dòng)脈粥樣硬化性心血管疾病的流行已成為現(xiàn)今全球健康問(wèn)題的重中之重。研究表明，肌肉量減少、脂肪增多及胰島素抵抗(IR)均與糖尿病及動(dòng)脈粥樣硬化進(jìn)展有關(guān)[1]。肌生成抑制素(myostatin，Mstn)是在肌肉組織中表達(dá)的一種分泌性生長(zhǎng)因子，對(duì)骨骼肌具有負(fù)調(diào)節(jié)作用[2-3]。Mstn可參與并激活轉(zhuǎn)化生長(zhǎng)因子β(transforming growth factorβ, TGF-β)信號(hào)傳導(dǎo)，通過(guò)調(diào)節(jié)NF-κB、絲裂原活化蛋白激酶(mitogen-activated protein kinase，MAPK)等信號(hào)通路調(diào)控骨骼肌生長(zhǎng)、分化，并參與糖代謝、脂代謝，此過(guò)程涉及多種生理機(jī)制，如內(nèi)皮損傷、氧化應(yīng)激、炎癥反應(yīng)及免疫調(diào)節(jié)[4-5]。近期大量研究表明，Mstn與糖尿病及心血管疾病風(fēng)險(xiǎn)呈正相關(guān)[6]。在動(dòng)物實(shí)驗(yàn)中，破壞小鼠的Mstn基因不僅能夠改善全身胰島素敏感性，而且能夠通過(guò)減少肝動(dòng)脈粥樣硬化性脂蛋白的過(guò)度分泌來(lái)對(duì)抗高脂血癥，延緩動(dòng)脈粥樣硬化的發(fā)展。本文就Mstn在T2DM及動(dòng)脈粥樣硬化中的作用研究進(jìn)行綜述。

1 Mstn的概況

1.1 Mstn的發(fā)現(xiàn)與基因結(jié)構(gòu) Mstn是1997年由Mcphemrn等[2]從小鼠骨骼肌cDNA文庫(kù)中通過(guò)克隆得到的TGF-β超蛋白家族的新成員，又被稱為生長(zhǎng)/分化因子8(growth and differentiation factor 8, GDF-8)。人類Mstn于1998年實(shí)現(xiàn)首次克隆，常以二聚體復(fù)合物的形式出現(xiàn)，基因位于染色體2q33.2，由3個(gè)外顯子和2個(gè)內(nèi)含子組成，全長(zhǎng)約7.7 kb，含375個(gè)氨基酸，蛋白分子量為45～55 ku[7]。受Mstn影響的基因組區(qū)域稱為Callipyge基因座，在人類中也稱為14q32基因座[8]。

Mstn作為TGF-β超家族中的激活素/Mstn亞群，同其他家族成員的成熟結(jié)構(gòu)域信號(hào)約有90%的相同性，但Mstn基因C端氨基酸序列相對(duì)更短。Lee等[9]對(duì)人、鼠、牛等多種動(dòng)物的Mstn基因進(jìn)行克隆測(cè)序后，得出了在進(jìn)化過(guò)程中Mstn呈高度同源保守性的結(jié)論。

1.2 Mstn的調(diào)控及生物學(xué)作用 Mstn主要通過(guò)激活特定的激活素RⅡB受體(activin type ⅡB receptor, ACTRⅡB)來(lái)抑制成肌干細(xì)胞中表達(dá)的蛋白激酶B/哺乳動(dòng)物雷帕霉素靶蛋白(Akt/mTOR)通路并促進(jìn)成肌細(xì)胞增殖而產(chǎn)生生物學(xué)效應(yīng)[10]，其表達(dá)主要受叉頭框轉(zhuǎn)錄因子O(forkhead box transcription factor O, FoxO)的影響。相關(guān)文獻(xiàn)指出，Mstn可通過(guò)抑制IGF-I/P13K/Akt骨骼肌增生通路使肌肉萎縮[11]。在該過(guò)程中，Mstn可通過(guò)抑制Akt的磷酸化提高FoxO的活性，進(jìn)而激活泛素蛋白水解系統(tǒng)，增強(qiáng)肌肉萎縮基因的表達(dá)。另外，F(xiàn)oxO1可通過(guò)結(jié)合Mstn啟動(dòng)子區(qū)域來(lái)增強(qiáng)啟動(dòng)子活性，誘導(dǎo)Mstn表達(dá)量增加，同時(shí)使得連接有Mstn啟動(dòng)子的熒光素酶載體的活性增強(qiáng)，進(jìn)一步抑制成肌細(xì)胞的分化[12]。

近期研究表明，除骨骼肌和心肌外，Mstn也存在于脂肪、心臟及腦等多種組織器官中，并與多種疾病的發(fā)生相關(guān)[1]。目前Mstn的生物學(xué)作用主要涉及以下幾個(gè)方面：(1)參與糖代謝，抑制其表達(dá)對(duì)IR具有改善作用。Mstn可能通過(guò)以下兩種方式參與糖代謝調(diào)節(jié)：一是肌肉質(zhì)量低很可能導(dǎo)致葡萄糖處理能力下降，IR加劇[5-6]；二是通過(guò)TNF-α等炎癥因子影響胰島細(xì)胞和脂質(zhì)代謝干預(yù)血糖[4]。(2)Mstn的缺失可延緩動(dòng)脈粥樣硬化血脂異常和動(dòng)脈粥樣硬化的發(fā)展[1]。有研究表明，心臟器質(zhì)性病變及心力衰竭病人血漿Mstn濃度明顯增高[13]。(3)參與脂質(zhì)代謝[14]。(4)抑制肌肉生長(zhǎng)[2]。

2 Mstn與T2DM

動(dòng)物研究發(fā)現(xiàn)，敲除Mstn基因能夠增加肌肉質(zhì)量，減少脂肪量，并改善IR[15]。后續(xù)研究認(rèn)為，Mstn基因敲除誘導(dǎo)的肌肉增加和脂肪減少與葡萄糖利用率和胰島素敏感性升高有關(guān)[16]。此外，在人類和小鼠模型研究中，肌肉和血漿中的Mstn水平升高與肥胖以及1型糖尿病和T2DM均有關(guān)。但是Mstn對(duì)葡萄糖代謝影響的體外研究結(jié)果是矛盾的。有研究發(fā)現(xiàn)，Mstn可抑制胎盤細(xì)胞系中的葡萄糖攝取，但Antony等[17]發(fā)現(xiàn)使用人胎盤提取物可增加葡萄糖攝取。

T2DM的發(fā)病機(jī)制復(fù)雜，一般認(rèn)為與IR、胰島B細(xì)胞分泌功能受損、肝糖分泌過(guò)多等有關(guān)，前兩者被認(rèn)為是T2DM的病理生理基礎(chǔ)，其中IR與骨骼肌質(zhì)量相關(guān)[18]。導(dǎo)致IR的可能機(jī)制有：(1)炎癥反應(yīng)。“T2DM是一種慢性炎性反應(yīng)性疾病”這一觀點(diǎn)已得到普遍認(rèn)可。(2)胰島素信號(hào)通路受損。具體涉及蛋白激酶C(protein kinase C, PKC)、SH3GL2蛋白(src homlogy 3-donain growth factor receptor or-bound 2-like, SH3GL2)等一系列具有調(diào)控胰島信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)的蛋白[19]。

Mstn影響葡萄糖代謝的機(jī)制可能歸因于以下兩點(diǎn)。一是肌肉組織本身。在正常人群中，骨骼肌對(duì)葡萄糖的清除率可達(dá)80%，且骨骼肌是體內(nèi)最大的糖原儲(chǔ)備庫(kù)和胰島素敏感性組織，故骨骼肌質(zhì)量與T2DM密切相關(guān)[20]。在相關(guān)研究中，僅抑制骨骼肌中的Mstn信號(hào)傳導(dǎo)而不干預(yù)脂肪代謝，胰島素敏感性有明顯改善[21]。Mstn可作為氧化劑，通過(guò)NF-κB和NADPH氧化酶的TNF-α信號(hào)傳導(dǎo)在骨骼肌細(xì)胞中產(chǎn)生活性氧(ROS)誘導(dǎo)氧化應(yīng)激[13]。二是可能通過(guò)炎性因子，比如TNF-α等干預(yù)血糖調(diào)節(jié)。有研究發(fā)現(xiàn)，大量TNF-α可破壞胰島B細(xì)胞直接誘發(fā)IR導(dǎo)致糖尿病，同時(shí)，TNF-α還具有促進(jìn)脂肪分解的作用，進(jìn)而引起血漿游離脂肪酸水平升高，誘發(fā)高胰島素血癥與IR[20]。Wilkes等[13]在研究小鼠Mstn基因表達(dá)與IR的實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，Mstn的產(chǎn)生可能導(dǎo)致TNF-α等炎性反應(yīng)因子增多，促進(jìn)脂質(zhì)在肝臟中儲(chǔ)存并誘導(dǎo)IR。此外，在該實(shí)驗(yàn)中，與對(duì)照小鼠相比，敲除Mstn基因的小鼠肌肉組織中Akt中的絲氨酸473的磷酸化水平顯著增高。Akt是胰島素的許多代謝作用所必需的多效激酶。Akt底物之一的糖原合成酶激酶3(glycogen synthase kinase 3, GSK3)中絲氨酸21/9的磷酸化水平也明顯增高，這一現(xiàn)象進(jìn)一步證實(shí)了Mstn的缺乏可以改善IR[21]。

3 Mstn與動(dòng)脈粥樣硬化

Joshua等[1]在驗(yàn)證Mstn缺失引起體質(zhì)量增加、改善心臟性能和血管功能的假說(shuō)時(shí)發(fā)現(xiàn)，Mstn的減少導(dǎo)致小鼠體內(nèi)β-腎上腺素水平增高，冠狀動(dòng)脈和肌肉微循環(huán)中的小動(dòng)脈擴(kuò)張，而主動(dòng)脈則不受影響。該研究認(rèn)為Mstn的缺失部分模擬了運(yùn)動(dòng)對(duì)心血管功能的影響，顯著增加了瘦肌肉的質(zhì)量，并導(dǎo)致骨骼肌血管內(nèi)皮依賴性的舒張?jiān)鰪?qiáng)[16]。這表明，肌肉質(zhì)量增加可以充當(dāng)針對(duì)心臟功能、β-腎上腺素能系統(tǒng)和血管內(nèi)皮一氧化氮生物利用度導(dǎo)致的動(dòng)脈粥樣硬化的病理狀態(tài)的緩沖。該研究確定了Mstn缺失對(duì)心血管系統(tǒng)的影響[1]，關(guān)鍵發(fā)現(xiàn)是：(1)Mstn缺失對(duì)基礎(chǔ)代謝沒(méi)有明顯作用；(2)Mstn的缺失增加了左室短軸縮短率；(3)血管反應(yīng)性增加，尤其是在肌肉發(fā)達(dá)者中，對(duì)血管內(nèi)皮的刺激作用更顯著。在探索急性心肌梗死(AMI)后GDF8與肌鈣蛋白I峰值水平之間關(guān)系的過(guò)程中，Alexandre等[21]認(rèn)為GDF8水平可以反映AMI期間的心肌損害程度，且GDF8失活是預(yù)防與缺血性心血管疾病發(fā)展相關(guān)的危險(xiǎn)因素的潛在目標(biāo)。

動(dòng)脈粥樣硬化是一種慢性炎性反應(yīng)性疾病，特點(diǎn)是受累動(dòng)脈的病變從血管平滑肌細(xì)胞(vascular smooth muscle cell，VSMC)增殖并遷移形成新的內(nèi)膜開(kāi)始，先后有多種病變合并存在，VSMC、巨噬細(xì)胞等多種細(xì)胞參與該過(guò)程[22]。Mstn不僅在心肌細(xì)胞表達(dá)，而且在VSMC中表達(dá)，Eveline等[8]進(jìn)一步證明，直接抑制Mstn基因區(qū)域的14q32 microRNA的表達(dá)，可減少血管內(nèi)膜增生以及巨噬細(xì)胞浸潤(rùn)和粥樣斑塊形成，且可刺激新生血管形成。

Mstn與多種心血管危險(xiǎn)因素相關(guān)，而高血壓是動(dòng)脈粥樣硬化的主要危險(xiǎn)因素之一[23]。在代謝綜合征小鼠模型中，GDF8缺失導(dǎo)致肌肉量增加并阻止了血壓升高，肌肉質(zhì)量下降是肥胖引起心血管功能障礙的一種新的危險(xiǎn)因素[24]。高脂血癥是動(dòng)脈粥樣硬化的獨(dú)立危險(xiǎn)因素，Mstn的活性與載脂蛋白B100(ApoB100)、總膽固醇水平等呈正相關(guān)，破壞Mstn不僅改善了高脂飲食引起的脂肪積累，而且減少了肝動(dòng)脈粥樣硬化性脂蛋白的分泌，保護(hù)肝臟，對(duì)抗促動(dòng)脈粥樣硬化性血脂異常的發(fā)展[14-15,22]。

4 Mstn與T2DM合并動(dòng)脈粥樣硬化

目前已明確Mstn與糖尿病和動(dòng)脈粥樣硬化均相關(guān)，但與糖尿病合并心血管疾病的相關(guān)研究較少，其機(jī)制尚未闡明。Tu等[6]認(rèn)為血脂異常發(fā)揮了重要作用。一方面，Mstn可能直接參與脂肪代謝，加快內(nèi)皮細(xì)胞脂質(zhì)沉積，同時(shí)可能會(huì)促使機(jī)體釋放炎癥因子損傷內(nèi)皮，增加T2DM和動(dòng)脈粥樣硬化風(fēng)險(xiǎn)[1,14]。另一方面，胰島素可以作為脂肪分解和肝臟極低密度脂蛋白(very low-density lipoprotein，VLDL)產(chǎn)生的重要調(diào)節(jié)劑[23]。當(dāng)發(fā)生胰島代謝功能紊亂時(shí)，血脂代謝出現(xiàn)異常，并導(dǎo)致高脂飲食的小鼠出現(xiàn)動(dòng)脈粥樣硬化[22]。肥胖的IR小鼠模型在出生后用中和抗體阻斷Mstn，可顯著改善葡萄糖波動(dòng)，降低循環(huán)中的甘油三酯，并增加脂肪組織來(lái)源的細(xì)胞因子脂聯(lián)素(adiponectin，APN)的循環(huán)濃度[25]。已知APN是唯一被證明與心血管疾病、代謝綜合征及糖尿病呈負(fù)相關(guān)的脂肪因子[26]。LDL受體/Mstn雙敲除小鼠的VLDL生成減少，脂質(zhì)分布得到改善，表明缺乏Mstn似乎也可以保護(hù)LDL受體無(wú)效的小鼠免于血脂異常和動(dòng)脈粥樣硬化形成[15]。

糖尿病和動(dòng)脈粥樣硬化都可視為代謝綜合征的表現(xiàn)，Mstn可作用于兩種疾病發(fā)病機(jī)制的多個(gè)環(huán)節(jié)，其中與胰島素代謝紊亂和炎癥反應(yīng)引起的內(nèi)皮損傷關(guān)系密切，且高脂血癥的作用越來(lái)越受到重視。提示Mstn與T2DM合并動(dòng)脈粥樣硬化的發(fā)病密切相關(guān)。

5 臨床意義與展望

有多項(xiàng)研究表明，拮抗Mstn策略在肌少癥、肥胖癥等疾病中發(fā)揮作用。Mstn抑制劑在治療老年人肌肉衰減綜合征方面有重要作用，甚至有研究稱Mstn抑制劑可以改變進(jìn)行性假肥大性肌營(yíng)養(yǎng)不良(progressive pseudo-hypertrophic muscular dystrophy，DMD)的表型[27]。使用Mstn抗體對(duì)肩袖撕裂后的肌萎縮、纖維化、脂肪浸潤(rùn)等肌肉退變有一定的抑制作用[28]。目前，對(duì)人使用Mstn抑制劑已顯示出其在增加肌肉量和減少脂肪量方面的特異性、安全性和有效性[29-30]。

Mstn對(duì)T2DM及動(dòng)脈粥樣硬化的預(yù)防以及新的治療方向上有著積極的意義。Mstn不僅可以抵抗皮下和內(nèi)臟脂肪的蓄積及IR，還可以防止血脂異常以及延緩動(dòng)脈粥樣硬化的發(fā)展。這些研究展示了Mstn抑制劑可作為預(yù)防或治療T2DM及動(dòng)脈粥樣硬化的有效藥物的可能性。通過(guò)檢測(cè)糖脂代謝異常病人血中的 Mstn水平，可以早期預(yù)測(cè)、識(shí)別心血管事件發(fā)生的高危病人，把 T2DM的干預(yù)提前到糖耐量減低(impaired glucose tolerance，IGT)階段，同時(shí)為防治T2DM及糖尿病血管病變提供新的藥物治療靶向。因此，研究Mstn對(duì)人類的生理健康意義重大，可能有助于揭示糖尿病及動(dòng)脈粥樣硬化形成的機(jī)制，并可為防治糖尿病并發(fā)癥及嚴(yán)重心血管事件提供新的方案?？赏ㄟ^(guò)檢測(cè)肥胖人群Mstn水平，預(yù)測(cè)及預(yù)防T2DM及動(dòng)脈粥樣硬化，幫助肥胖病人找到有效的減肥方式，同時(shí)，Mstn抑制劑可能作為能夠改善IR和阻止脂肪積累及延緩動(dòng)脈粥樣硬化進(jìn)展的新型藥物被廣泛使用。雖然理論上Mstn應(yīng)用前景廣闊，但由于其作用機(jī)制尚不明確，且其抑制劑對(duì)人體的安全性尚有爭(zhēng)議，故仍需進(jìn)行進(jìn)一步的研究來(lái)闡明及證實(shí)。