肿瘤坏死因子α转化酶在胰岛素抵抗中的作用及有关机制*

周 聪 高 峰 张皎月 于丽秀 秦 铀 卢芙蓉△

华中科技大学同济医学院附属协和医院1中西医结合科，2内分泌科，3药剂科，4肿瘤科，武汉 430022

胰岛素抵抗(insulin resistance，IR)是指一定量的胰岛素与其特异性受体结合后所产生的生物效应低于正常，表现为外周组织尤其是肌肉、脂肪组织对葡萄糖的摄取减少及抑制肝脏葡萄糖输出的作用减弱。IR的发生与多种因子有关，如肿瘤坏死因子α(tumor necrosis factor-alpha，TNF-α)、抵抗素、瘦素、IL-6等[1-2]，其中TNF-α在IR中起核心调节作用。人体内TNF-α主要有2种形态：TNF-α胞外段(transmembrane tumor necrosis factor-alpha，TM-TNF-α)和可溶性TNF-α(secretory TNF-alpha，sTNF-α)；TM-TNF-α需要在肿瘤坏死因子α转化酶(tumor necrosis factor-α converting enzyme，TACE)的水解作用下形成sTNF-α，才能进入循环系统，参与各种炎症和免疫反应[3]。现本文就TACE与IR的关系作如下综述。

1 TACE基因结构与功能

Black等[4]于1997年发现了一种新的特异性催化TNF-α前体裂解的金属蛋白酶，命名为TNF-α转化酶(TACE)，并测定了其氨基酸序列；同年，Moss等[5]克隆了TACE基因。TACE属于解整合素金属蛋白酶(a disintegfin and metalloprotease，ADAM)家族成员，是一种在体内广泛分布的Ι型跨膜蛋白[6]。人TACE cDNA由3523个碱基组成，蛋白质由824个氨基酸组成，相对分子量为86 kD，其前结构域可与锌催化位点相结合，只有去掉前结构域才能形成具有活性的TACE，即将26 kD膜结合型TNF-α前体水解为具有生物活性的可溶性17 kD TNF-α。TACE基因的开放阅读框编码824个氨基酸，全长包括N端1～17的信号肽序列，18～214前导肽(包括一个半胱氨酸开关)，215～473为金属蛋白酶活性区，474～572为解整合素区，573～602为EGF样区，603～671为Crambin样区，672～694为跨膜区，695～824为胞浆尾。

2 TNF-α的来源与TACE的关系

TNF-α是一类由组织中巨噬细胞分泌的促炎性细胞因子，成熟的心肌细胞在某些应激状态下也具有产生TNF-α的能力；过量的TNF-α在许多疾病病理过程中起着关键作用，如休克、关节炎、胸膜炎、神经炎、风湿病、艾滋病性痴呆、阿尔兹海默症等。肿瘤坏死因子的发现由来是Carswell等对接种卡介苗的小鼠在注射脂多糖(lipopolysaccharide，LPS)后，小鼠血清中出现一种活性蛋白因子可引起肿瘤出血，且能抑制和杀死肿瘤细胞，遂称之为肿瘤坏死因子(tumor necrosis factor，TNF)，又叫恶病质因子(cachectin)[7]。TNF分为α和β两种，TNF-α由活化的单核巨噬细胞产生，又称恶病质素(cachectin)；TNF-β由活化的淋巴细胞产生，又称淋巴毒素(lymphotoxitin)，二者具有相似的活性。除以上细胞外，平滑肌细胞、成纤维细胞、内皮细胞、表皮细胞、角质细胞、星形细胞、成骨细胞等体内多种细胞均具有产生和释放TNF的能力。巨噬细胞能表达TM-TNF-α和sTNF-α，其中sTNF-α与全身性免疫反应有关，TM-TNF-α则介导寄主体内局部炎症反应[8]。TNF-α以跨膜形式表达于细胞表面，为26 kD的前体分子，即TM-TNF-α；经TACE特异性水解作用，其胞外端被释放，成为具有17 kD的sTNF-α，进入循环系统发挥生物学作用。

3 TNF-α与IR的关系

TNF-α直接作用于细胞内胰岛素信号转导系统，干扰胰岛素受体信号传导而抑制胰岛素的敏感性[9]。细胞在接受到TNF-α刺激后能诱导胰岛素受体底物1(insulin receptor substrate-1，IRS-1)丝氨酸残基的磷酸化，这种磷酸化能阻碍IRS-1正常的酪氨酸磷酸化，降低IRS-1与胰岛素受体的结合能力，从而抑制胰岛素下游信号通路，阻碍胰岛素发挥作用[10]。TNF-α通过抑制葡萄糖转运蛋白4(glucose transporter-4，GLUT4)的产生和转位来降低胰岛素刺激的葡萄糖摄取，导致胰岛素抵抗[11]。有研究[12]表明，TM-TNF-α在IR中可能发挥局部作用：TM-TNF-α在细胞间传导信号的方式比较特殊，它既作为配体与TNF-α受体结合，又作为受体接受细胞外信号传导作用于表达TNF-α的细胞，这种双极性因子模式在IR中的作用还待进一步研究[13]。

4 TACE与IR的关系

已经证实IR与慢性炎症状态相关，并且已经鉴定出从各种细胞类型(包括免疫细胞和脂肪细胞)释放的多种炎性介质参与IR的发生发展[14]。炎性细胞因子，如胰岛素受体途径的主要负调节因子TNF-α，与IR的发生高度相关[15]。研究[16]发现，胰岛素抵抗啮齿动物模型的脂肪组织中TNF-α表达增加。TACE被认为是人体内最主要的TNF-α裂解蛋白酶，体内90%TNF-α的裂解需要依靠其发挥作用。TACE能特异性水解TM-TNF-α前体，使其成为可溶性的sTNF-α进入循环系统。研究报道，高脂饮食模型小鼠脂肪组织中TACE活性显著增加，TACE过表达显著抑制AKT、GSK3和FoxO1的磷酸化，导致胰岛素抵抗和糖尿病的发生[17]。TACE缺失(TACEMx1)转基因小鼠表现为葡萄糖耐量和胰岛素敏感性的改善，并伴随TNF-α和巨噬细胞浸润减弱[18]。TACE杂合子(TACE+/-)缺失的小鼠脂肪组织中sTNF-α降低，胰岛素抵抗指数和游离脂肪酸显著下降[19]。游离脂肪酸可影响胰岛素信号转导通路的蛋白，如抑制IRS-1的表达与酪氨酸磷酸化，降低组织器官对胰岛素的敏感性，参与IR的发生。TACE/TNF-α平衡在胰岛素抵抗和糖尿病发病中的作用已经非常明确：其主要通过多种途径导致胰岛素受体底物(insulin receptor substrate，IRS)的丝氨酸磷酸化增加，阻碍正常的IRS酪氨酸磷酸化，导致IRS和胰岛素受体结合能力降低，IRS激活下游磷脂减弱，干扰胰岛素信号传导的磷酸肌醇-3激酶(phosphatidylinositide 3-kinase，PI3K)磷酸化，最终导致胰岛素信号通路受阻[20]。抑制TACE的活性，可抑制sTNF-α分泌，抑制IRS-1丝氨酸残基磷酸化，增加GLUT4表达，增加葡萄糖的利用率及IRS-1酪氨酸残基磷酸化，有效改善胰岛素抵抗症状[21-22]。血管紧张素转换酶2(angiotensin converting enzyme 2，ACE2)是一种主要催化血管紧张素-Ⅱ(angiotensin-Ⅱ)转化为血管紧张素1-7(angiotensin1-7，Ang1-7)的酶，ACE2通过将血管紧张素II水解成Ang1-7而作为内源性ACE抑制剂[23]。最新研究[24]发现，在糖尿病小鼠胰腺β细胞中，细胞ACE2水平下降和TACE过度表达。以往的研究证实，ACE2基因敲除小鼠表现出葡萄糖耐受不良和选择性降低第一相胰岛素分泌[25]。ACE2基因治疗可改善db/db小鼠的葡萄糖耐量，增强胰岛功能，增加β细胞增殖和胰岛素含量，并阻止β细胞凋亡[26]。因此，TACE/ACE2可能通过水解胰岛β细胞膜上的ACE2并使其脱落而导致胰岛β细胞功能障碍，从而导致糖尿病和胰岛素抵抗的发生。

5 前景与展望

由前所述，TACE是ADAM家族中的一员，能特异性的水解TM-TNF-α前体，使其成为可溶性的sTNF-α。sTNF-α与全身性免疫反应有关，它通过不同的途径干扰胰岛素信号的转导，促进IR的发生，通过各种手段抑制TNF-α有可能改善IR。因此TNF-α拮抗作用似乎对糖尿病的治疗有效。但迄今为止，TNF-α拮抗作用尚未在人类2型糖尿病中发挥明显疗效[27]。因此，TACE作为治疗IR的主要靶点之一，越来越受到学者的推崇，由此可以预测抑制TACE在治疗2型糖尿病中具有潜在优势。

近年来广泛研究表明抑制TACE可能在改善IR方面起关键作用。组织金属蛋白酶组织抑制剂3(tissue inhibitor of matrix metalloproteinase 3，TIMP3)现在被认为是TACE的天然抑制剂[28]。TIMP3纯合子缺失(TIMP3-/-)在高脂肪饮食诱导下表现出TACE活性增强，并显示为空腹、餐后葡萄糖和胰岛素水平显著增加，葡萄糖耐受性、胰岛素敏感性变差。葫芦巴种子历来被用于烹饪和作为草药，具有良好的抗糖尿病作用。研究[29]表明，葫芦巴有效活性成分4-羟基异亮氨酸(4-hydroxyisoleucine，4-HIL)具有促进胰岛素分泌并降低空腹血糖、改善糖耐量的作用。进一步研究[30]发现，4-HIL通过增强TIMP3、抑制TACE的活性来改善IR状态。一项临床研究[31]发现，非糖尿病患者接受葫芦巴种子治疗后，葡萄糖耐量改善20%以上。在另一项试验[32]中，24名糖尿病患者接受了胡芦巴种子治疗8周，结果发现患者空腹血糖、甘油三酯和极低密度脂蛋白胆固醇显著降低。未来中药葫芦巴应用于糖尿病及胰岛素抵抗的治疗，还需进一步大规模的临床及基础研究加以验证、开发。