鞘脂代谢异常与肥胖相关的胰岛素抵抗研究进展

卓玉杰综述，杨 光审校

0 引 言

肥胖是机体体重明显超过正常和脂肪在体内过多聚集的一种状态。近来，肥胖在全球广泛流行并呈继续增长趋势。肥胖能引起胰岛素抵抗，而胰岛素抵抗能加重肥胖进展，促进糖尿病、肝脂肪变性、高血脂和高血压等发生发展。这些肥胖引起的疾病显著增加了肾、心脑血管疾病及肿瘤的发病率。因此，理解肥胖和肥胖介导的胰岛素抵抗的发病机制，将为控制肥胖以及防治肥胖相关疾病建立有效方法。然而，尽管目前对肥胖及肥胖介导的胰岛素抵抗已有了深入了解，但具体的分子机制并不清楚。肥胖是由于个体长期摄入高能量食物、体能活动减少、遗传等多因素引起机体脂质代谢紊乱的结果。近期研究发现，肥胖存在鞘脂代谢异常，鞘脂代谢异常与肥胖和胰岛素抵抗病理过程密切相关［1-2］。

1 鞘脂及其代谢途径

鞘脂是一类以鞘氨醇为骨架的复杂化合物，包括简单鞘脂如鞘氨醇、神经酰胺(鞘氨醇与脂肪酸形成的酰胺)和其代谢产物1-磷酸鞘氨醇(sphingosine-1-phosphate，S1P)以及复杂的鞘脂如鞘磷脂、神经节苷脂等糖基化衍生物。鞘脂广泛存在于真核细胞的膜结构如细胞膜和细胞器膜，对细胞稳态起着重要作用，同时鞘脂如神经酰胺、S1P 还是细胞重要的第二信号分子，参与调节细胞代谢、生长、死亡等多种生物学功能［3］。

细胞内鞘脂代谢以神经酰胺为中心，即神经酰胺的产生和分解以及由神经酰胺合成复杂鞘脂。细胞内神经酰胺产生主要有3 条途径:①神经酰胺的从头合成;②磷脂酶水解鞘磷脂;③神经酰胺的补救合成。神经酰胺从头合成主要发生于内质网，是细胞棕榈酸浓度升高时神经酰胺产生的主要途径;起始于限速酶丝氨酸软脂酰转移酶(serine palmitoyltransferase，SPT)缩合丝氨酸和棕榈酰CoA。内质网内合成的神经酰胺主要由神经酰胺转运蛋白运输至高尔基，经过糖基化、磷酸化、或获得极性基团而成为复杂的鞘脂，再由囊泡运输到细胞特定的膜区域，如鞘磷脂被转运到细胞质膜外叶，成为参与细胞信号转导的脂筏的主要结构成分［1］。磷脂酶水解鞘磷脂主要发生在膜结构，而补救途径则是复杂鞘脂在溶酶体降解形成神经酰胺。神经酰胺的分解由神经酰胺酶、鞘氨醇激酶、S1P 裂解酶催化［4］。细胞通过鞘脂生物合成、分解、再循环来维持鞘脂动态平衡，而肥胖及其相关因素可影响鞘脂代谢过程中的多个环节。

2 肥胖及其相关因素对鞘脂代谢的影响

肥胖个体由多种原因引起体内棕榈酸浓度升高，组织细胞鞘脂合成增加，曾被认为是肥胖时鞘脂代谢异常的主要原因。然而，脂肪组织扩张引起缺氧、肠道细菌移位、细菌脂多糖(lipopolysaccharide，LPS)升高、游离脂肪酸增加、氧化应激和内质网应激等，使肥胖个体长期处于低度炎症状态，这种炎症状态是肥胖和肥胖相关疾病之间的重要联系纽带［5］。这些引起肥胖炎症的相关因素均能调节参与鞘脂代谢的酶的活性而导致鞘脂代谢异常，而鞘脂尤其是神经酰胺是肥胖相关病理因子的中间介导分子［6］。

肥胖性炎症的特征是促炎症因子释放增加。肿瘤坏死因子-α(tumor necrosis factor-α，TNF-α)是肥胖的主要促炎症因子，能激活磷脂酶快速产生神经酰胺、上调SPT 等酶基因表达并维持持续的神经酰胺从头合成［7］。白细胞介素1β 能促进磷脂酶活性［8］;LPS 和饱和脂肪酸主要与Toll 样受体4 结合促发炎症，能诱导几乎所有参与神经酰胺从头合成的酶基因表达［9］;内质网应激可引起蛋白激酶样内质网激酶磷酸化和诱发细胞凋亡的C/EBP 同源蛋白表达增加，上调神经酰胺合成酶等基因表达［10］。

此外，肥胖个体脂肪组织激素分泌异常也能影响鞘脂代谢。脂联素能激活神经酰胺酶而促进神经酰胺降解［11］，而肥胖及相关病理状态下脂联素水平显著下降［12］;瘦素抑制摄食作用与小鼠摄食中枢神经酰胺水平下降有关［13］。

3 鞘脂代谢异常与肥胖和胰岛素抵抗

肥胖个体存在鞘脂代谢紊乱，表现在神经酰胺等鞘脂在组织堆积以及循环中水平升高。鞘脂水平升高还可见于肥胖相关的多种病理过程，与胰岛素敏感性呈负相关。Kolak 等［14］发现肥胖个体肝脂质沉积的程度，与肝鞘脂含量和肝参与鞘脂代谢酶基因转录水平升高成正比。有研究者利用高脂食物诱导的肥胖小鼠模型发现脂肪组织中鞘脂合成和分解代谢均增加，可能使鞘脂“外溢”出脂肪组织，引起循环及非脂肪组织如肝及肌肉中鞘脂含量增加［15-16］。随后，多个细胞及动物实验发现，神经酰胺及其类似物积聚能够抑制胰岛素作用，而减少神经酰胺、葡萄糖酰基神经酰胺的合成，能够预防胰岛β 细胞凋亡，增加胰岛素敏感性，减缓或预防啮齿类动物糖尿病、动脉粥样硬化、脂肪肝等多种代谢性疾病的发生发展［17］。如前所述，肥胖者促炎症因子、游离脂肪酸增多能够促进鞘脂尤其是神经酰胺的合成，越来越多的证据表明神经酰胺可能是过度营养及炎症因子导致肥胖相关代谢性疾病的重要介导分子［15］。而抑制神经酰胺的合成、促进神经酰胺的降解可能成为肥胖、糖尿病等代谢性疾病有效的治疗方法。

4 鞘脂促进肥胖及胰岛素抵抗发生发展的可能机制

肥胖个体脂肪和具有生物活性的脂质代谢产物溢出到非脂肪储存器官如肝、肌肉、胰腺等，可导致细胞损伤，并对胰岛素的反应降低或无反应(即胰岛素抵抗)。在众多有生物活性的脂毒性代谢产物中，神经酰胺、葡萄糖酰基神经酰胺等鞘脂与胰岛素抵抗密切相关，尤其是神经酰胺能从多方面诱导胰岛素抵抗。

4.1 神经酰胺诱导胰岛素抵抗的可能机制

4.1.1 神经酰胺抑制胰岛素信号通路中的信号分子 神经酰胺在细胞堆积能引起膜结构显著变化和细胞信号传导改变［18］。在体外培养的多种细胞系中加入神经酰胺同类物或棕榈酸，能导致体外培养细胞蛋白激酶B(protein kinase B，PKB)的失活、降低细胞对葡萄糖的摄取并促进细胞凋亡［19］;而过表达活化的PKB 能够逆转神经酰胺对细胞摄取葡萄糖的抑制作用［20］。

进一步研究发现，鞘脂代谢异常可导致膜局部神经酰胺水平升高，疏水的神经酰胺能诱导膜脂域聚集而形成富含神经酰胺的大脂域，促进神经酰胺与非典型蛋白激酶C(atypical protein kinase C，aPKC)和蛋白磷酸酶2A(protein phosphatase 2A，PP2A)相互作用并激活，激活的aPKC 磷酸化PKB，降低其与磷脂酰肌醇3 磷酸的亲和力，导致PKB 不能正常富集到质膜［21］，而激活的PP2A 能使活化的PKB 去磷酸化，诱导胰岛素抵抗［22］。神经酰胺是通过aPKC 还是PP2A 调节PKB 的活性，主要取决于细胞膜脂筏的亚类caveolae 数量［23］。

神经酰胺还能直接抑制PKB 下游的葡萄糖转运蛋白4(glucose transporter type 4，GLUT4)向细胞膜转位和降低其基因表达［24-26］。GLUT4 是胰岛素信号的下游效应蛋白，主要参与脂肪细胞和骨骼肌细胞摄取葡萄糖，激活的PKB 促进细胞内贮存GLUT4 的囊泡转运至细胞膜并与之融合，从而将GLUT4 转移至细胞膜，发挥其葡萄糖转运的作用［27］。

此外，体内外实验都表明，神经酰胺还能通过激活应激活化的蛋白激酶如c-Jun 氨基末端激酶，磷酸化胰岛素受体底物(insulin receptor substrate，IRS)-1 上特异的丝氨酸，从而抑制胰岛素信号传导所需的IRS 酪氨酸磷酸化。神经酰胺还通过细胞IKK-NF-κB 途径调节胰岛素信号传导［28］。

4.1.2 神经酰胺损伤线粒体而引起葡萄糖利用障碍 胰岛素抵抗的肥胖个体存在线粒体结构及能量产生异常，这与神经酰胺密切相关。线粒体不仅含有神经酰胺等多种鞘脂，其本身还带有神经酰胺合成所需的多种酶［29］。神经酰胺能直接抑制线粒体呼吸链酶复合物功能，如抑制呼吸链酶复合物I 的电子传递和降低酶复合物III 的活性［30］，导致活性氧族和活性氮族产生增加［31］。在体外，短链的神经酰胺能使分离的线粒体膜通透性增加，形成神经酰胺通道，促进离子、蛋白等分子的释放［32］。因此，线粒体内营养物质过多，能导致脂质不完全氧化，引起神经酰胺等有毒脂质代谢产物在线粒体内堆积［33］，损伤线粒体结构和呼吸链功能，进而引起糖的利用障碍［34］。

4.1.3 神经酰胺诱导细胞凋亡和降低胰岛素分泌肥胖相关细胞凋亡可能是胰岛素抵抗的最初表现，而神经酰胺是调控细胞凋亡的关键分子。神经酰胺主要通过调节Bax、组织蛋白酶D 等蛋白功能，改变线粒体膜的通透性，使线粒体内可引起细胞凋亡的细胞色素C 释放，而促发线粒体介导的细胞凋亡途径［32］。此外，神经酰胺还能抑制脂肪酸转移酶和钠离子关联的氨基酸转运子的功能，使细胞因缺乏营养物质而难以存活［31］。

由神经酰胺介导的胰腺β 细胞凋亡，是肥胖个体胰岛素分泌功能不足或功能下降的重要原因。且神经酰胺在β 细胞堆积还能抑制β 细胞前胰岛素mRNA 表达、降低胰岛素分泌。体内外抑制神经酰胺从头合成，或促进神经酰胺向S1P 转化，均能逆转神经酰胺介导的β 细胞凋亡和功能损伤［17］。

4.2 葡萄糖酰基神经酰胺对胰岛素的抑制作用葡萄糖酰基神经酰胺是合成细胞膜结构成分神经节苷脂的前体，也参与调节细胞对胰岛素的敏感性。葡萄糖酰基神经酰胺降解障碍的遗传性疾病，如Gaucher's 病，葡萄糖酰基神经酰胺聚集于细胞膜，阻碍胰岛素信号传导，降低胰岛素作用下的葡萄糖摄取。而抑制葡萄糖酰基神经酰胺的生物合成或促进其降解，以及敲除其生物合成酶基因都能逆转胰岛素抵抗［35］。研究还发现，葡萄糖酰基神经酰胺对胰岛素信号通路的影响可能主要发生在胰岛素受体水平及其相关蛋白。如神经节苷脂3(ganglioside monosialo 3，GM3)能抑制IRS-1 的活化［36］。此外，TNF-α 能诱导GM3 在脂筏聚集，导致胰岛素受体与微囊蛋白-1 分离［37-39］。

5 调控鞘脂代谢在肥胖及其相关胰岛素抵抗中的治疗作用

肥胖个体鞘脂类分子在组织细胞异常堆积、循环中水平异常增高，与肥胖及肥胖介导的胰岛素抵抗发生发展有着明确的相关性，这提示抑制神经酰胺合成或促进神经酰胺分解可能是防治肥胖和肥胖介导的胰岛素抵抗等相关疾病的有效方法。研究发现，通过基因修饰或药物干预抑制神经酰胺合成或促进神经酰胺分解，能降低高脂肪食物喂养动物的体重，逆转和阻止胰岛素抵抗发生发展［40］，并且能够降低肥胖患者体重和改善胰岛素抵抗的其他方法如体能锻炼和胃改道手术，也伴随着体内神经酰胺等鞘脂水平的降低［41-43］。

多球壳菌素是SPT 的特异性抑制剂，通过给予ob/ob 肥胖小鼠和高脂肪食物诱导的肥胖小鼠多球壳菌素可显著降低神经酰胺等鞘脂水平、减轻体重、改善胰岛素抵抗等肥胖相关的多种病理状态［44］。该研究提示，鞘脂代谢酶靶向治疗是潜在的防治肥胖和肥胖介导的胰岛素抵抗及相关疾病的有效方法。

6 结 语

异常增多的鞘脂类分子通过直接作用于胰岛素信号通路中的信号分子，或者损害线粒体结构和功能以及促进细胞凋亡等机制诱导胰岛素抵抗，引起肥胖和肥胖相关疾病的发生发展。随着脂质组学发展，尤其是软电离质谱技术以及新的分离技术的发展和应用，已经能够快速、高通量和精确地进行脂类的测定及定量，这将增加对肥胖及肥胖相关疾病机制的认识，并从调节鞘脂代谢异常的角度，为预防肥胖和防治肥胖相关的代谢性疾病提供有效方法。

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