Cell子刊：糖尿病治療新突破！科學(xué)家發(fā)現(xiàn)了獨(dú)立于胰島素之外的新降糖途徑
近日來自美國(guó)的索爾克生物研究所、荷蘭的格羅寧根大學(xué)等研究機(jī)構(gòu)的專家驚奇地發(fā)現(xiàn)了第二種降糖分子，它產(chǎn)生于脂肪組織中，與胰島素一樣，也能有效而快速地調(diào)節(jié)血糖。他們的發(fā)現(xiàn)可能導(dǎo)致治療糖尿病的新療法的開發(fā)，也為代謝研究中有前途的新途徑奠定了基礎(chǔ)。
該研究發(fā)表在國(guó)際知名期刊Cell Metabolism上，研究表明一種名為FGF1的激素通過抑制脂肪分解來調(diào)節(jié)血糖。和胰島素一樣，F(xiàn)GF1通過抑制脂肪分解來控制血糖，但這兩種激素的作用方式不同。更重要的是，這種獨(dú)特的差異可以使FGF1能夠安全和成功地降低胰島素抵抗患者的血糖。
在此之前，該團(tuán)隊(duì)研究人員發(fā)現(xiàn)外周給藥FGF1可通過脂肪FGF受體1的介導(dǎo)迅速降低糖尿病小鼠模型的血糖水平，但其作用機(jī)制尚不清楚。在這篇文章中，他們進(jìn)一步探究了這些現(xiàn)象背后的機(jī)制以及它們之間的聯(lián)系。
首先，研究人員為了驗(yàn)證FGF1 誘導(dǎo)的葡萄糖降低依賴于脂肪組織中FGFR1的表達(dá)，F(xiàn)GFR1在成熟脂肪細(xì)胞中被選擇性敲除(adR1KO小鼠)。研究結(jié)果顯示，F(xiàn)GF1迅速降低飲食誘導(dǎo)肥胖(DIO) 野生型(WT)小鼠的血糖水平，但未能影響adR1KO小鼠的血糖，這進(jìn)一步驗(yàn)證了他們之前的研究結(jié)果。
鑒于adR1KO小鼠中胰島素水平的增加，以及肝葡萄糖生成(HGP)和脂肪分解之間的聯(lián)系，研究人員假設(shè)FGF1可能影響脂肪分解。為了探索這一概念，研究人員起初要確定是否FGF1基因敲除(F1KO)小鼠的脂解作用受到干擾。體外脂肪分解實(shí)驗(yàn)顯示，F(xiàn)1KO小鼠的性腺脂肪組織(gWAT)的脂肪分解顯著增加。
此外，F(xiàn)GF1顯著抑制基礎(chǔ)和異丙腎上腺素(ISO)誘導(dǎo)的小鼠和源于脂肪細(xì)胞的人基質(zhì)血管成分(SVF)的脂解反應(yīng)，與脂肪細(xì)胞的內(nèi)在效應(yīng)一致。類似地，F(xiàn)GF1 以劑量依賴性方式抑制3T3-L1脂肪細(xì)胞中ISO誘導(dǎo)的脂解作用，這種作用被FGFR1抑制阻斷。
為了確定外源性FGF1是否可以類似地影響體內(nèi)脂肪分解，研究人員將DIO adR1WT和adR1KO小鼠在注射FGF1之前禁食一夜，以盡量減少胰島素的代償性變化。研究結(jié)果顯示，F(xiàn)GF1將adR1WT小鼠的血清游離脂肪酸水平降低了約 30%，但未能影響adR1KO小鼠。此外，F(xiàn)GF1以脂肪FGFR1依賴性方式抑制體外脂肪分解。作為體內(nèi)脂肪分解的衡量標(biāo)準(zhǔn)，研究人員將FGF1預(yù)處理的adR1WT和 adR1KO小鼠都注射了放射性標(biāo)記的油酸。在 FGF1處理的adR1WT小鼠中，油酸的部分轉(zhuǎn)換率降低，表明基礎(chǔ)脂肪分解較低。相比之下，adR1KO小鼠的油酸轉(zhuǎn)換不受 FGF1預(yù)處理的影響。上述研究數(shù)據(jù)表明，F(xiàn)GF1-FGFR1信號(hào)傳導(dǎo)是一種調(diào)節(jié)脂肪分解的新途徑。
為了確定FGF1對(duì)脂解作用的抑制是否會(huì)顯著降低HGP，研究人員探究了FGF1影響糖異生的能力。研究結(jié)果顯示，用FGF1預(yù)處理的ob / ob小鼠從丙酮酸合成葡萄糖的能力顯著降低(丙酮酸耐受性測(cè)試，PTT)，而當(dāng)甘油是外源性底物時(shí)(甘油耐受性測(cè)試，甘油 TT)，則沒有發(fā)現(xiàn)差異。此外，F(xiàn)GF1抑制丙酮酸利用的能力取決于脂肪細(xì)胞FGFR1 的表達(dá)。
鑒于以上對(duì)丙酮酸和甘油利用的不同差異，使研究人員將目光聚焦到丙酮酸的下游。研究人員通過質(zhì)譜法測(cè)量ob / ob小鼠肝臟中的糖異生中間體水平。丙酮酸下游的中間體，包括葡萄糖 6-磷酸(G6P)、果糖 6-磷酸 (F6P)、磷酸甘油酸 (PG)、磷酸烯醇丙酮酸(PEP)和草酰乙酸(OAA)在注射FGF1的小鼠中減少，而參與三羧酸的代謝物酸循環(huán)(TCA) 循環(huán)不受影響。此外，丙酮酸羧化酶變構(gòu)激活劑乙酰輔酶A的水平降低。這些糖異生底物的減少主要在 adR1WT小鼠中重現(xiàn)，而adR1KO小鼠對(duì)FGF1的處理不敏感。另外，乙酰輔酶A的脂肪FGFR1依賴性降低伴隨著丙酮酸羧化酶活性降低約50%。
研究人員為了探究這些發(fā)現(xiàn)與葡萄糖穩(wěn)態(tài)的相關(guān)性，在短期連續(xù) FGF1 給藥(0.5毫克/千克，每隔一天，一周)后，對(duì)ob/ob小鼠進(jìn)行了高胰島素鉗夾實(shí)驗(yàn)。研究結(jié)果顯示，內(nèi)源性葡萄糖產(chǎn)生 (EGP) 減少了約 25%。在鉗夾條件下，用FGF1處理的小鼠需要更高的外源性葡萄糖輸注率(GIR)來維持葡萄糖設(shè)定點(diǎn)，這種影響主要?dú)w因于 EGP 的減少，因?yàn)槠咸烟谴x清除率(GDR) 未改變。上述研究數(shù)據(jù)表明，F(xiàn)GF1以脂肪FGFR1依賴性方式抑制HGP。
胰島素通過PDE3B的PI3K依賴性激活抑制脂肪分解。由于FGFR1激活也可以通過PI3K途徑發(fā)出信號(hào)，因此研究人員探究了FGF1的抗脂解作用是否受到PI3K抑制劑wortmannin的影響。研究結(jié)果顯示，與胰島素信號(hào)通路相平行，抑制劑wortmannin消除了FGF1誘導(dǎo)的3T3-L1脂肪細(xì)胞中FFA釋放的減少。此外，在基于CRE熒光素酶的報(bào)告基因?qū)嶒?yàn)顯示，F(xiàn)GF1減弱了ISO誘導(dǎo)的cAMP和 cAMP/PKA信號(hào)傳導(dǎo)的增加，暗示可能對(duì)磷酸二酯酶活性產(chǎn)生影響。有趣的是，PDE3B的抑制并未損害FGF1誘導(dǎo)的脂解抑制。相比之下，F(xiàn)GF1的抗脂解活性被3T3-L1脂肪細(xì)胞以及小鼠和人類SVF衍生的脂肪細(xì)胞中的PDE4選擇性抑制劑阻斷。研究人員為了進(jìn)一步確定FGF1誘導(dǎo)的體內(nèi)脂解抑制是否需要PDE4活性，在FGF1注射前1小時(shí)，給DIO小鼠灌胃PDE4抑制劑。研究結(jié)果顯示，PDE4抑制阻斷FGF1的抑制脂肪分解的能力。
鑒于上述發(fā)現(xiàn)，研究人員推測(cè)FGF1-PDE4信號(hào)調(diào)節(jié)激素敏感性脂肪酶(HSL)磷酸化。研究結(jié)果顯示，在基礎(chǔ)細(xì)胞和ISO刺激的細(xì)胞中，F(xiàn)GF1抑制HSL 磷酸化的能力在PDE4抑制劑羅氟司特的存在下喪失了。
為了進(jìn)一步監(jiān)測(cè)FGF1在活細(xì)胞中影響pHSL-perilipin相互作用的能力，研究人員使用結(jié)合人脂聯(lián)素啟動(dòng)子/增強(qiáng)子的腺相關(guān)病毒(AAV) 載體來表達(dá)GFP標(biāo)記的 perilipin (perilipin-GFP)和3T3-L1脂肪細(xì)胞中帶有mCherry標(biāo)記的HSL(HSL-mCherry)。研究結(jié)果顯示，F(xiàn)GF1減少了ISO誘導(dǎo)的perilipin-GFP和 HSL-mCherry的共定位，如熒光重疊的時(shí)間監(jiān)測(cè)。在沒有HSL融合的情況下，表達(dá)perilipin-GFP和mCherry的細(xì)胞中沒有看到任何影響。此外，雖然選擇性抑制 PDE4 或PDE3增加了周脂素-HSL共定位，與增加的 cAMP 水平和PKA激活一致，但只有PDE4抑制消除了FGF1效應(yīng)。
基于之前將PDE4D與脂肪分解聯(lián)系起來的研究，接下來研究人員探索了 PDE4D的過度表達(dá)是否足以概括FGF1抑制脂肪分解的能力。研究結(jié)果顯示，3種PDE4D同種型的過表達(dá)以劑量依賴性方式抑制了3T3-L1脂肪細(xì)胞的脂解作用，其中 PDE4D3 同種型顯示出較高的功效。為了繼續(xù)加深對(duì)這一發(fā)現(xiàn)的理解，研究人員構(gòu)建了限制PDE4D3在成熟脂肪細(xì)胞中表達(dá)的adAAV 載體。研究結(jié)果顯示，adAAV-PDE4D3驅(qū)動(dòng)的表達(dá)有力地抑制了ISO誘導(dǎo)的3T3-L1脂肪細(xì)胞中脂解、cAMP 和perilipin-GFP / HSL-mCherry共定位的增加。上述研究數(shù)據(jù)表明，F(xiàn)GF1 通過激活 PDE4 抑制 cAMP-PKA 通路。
FGF1誘導(dǎo)的脂解抑制依賴于PDE4的發(fā)現(xiàn)增加了這一途徑有助于胰島素抵抗小鼠的葡萄糖穩(wěn)態(tài)的可能性。為了探索這一可能性，研究人員用PDE4抑制劑羅氟司特治療隨機(jī)喂養(yǎng)的DIO小鼠。研究結(jié)果顯示，抑制PDE4會(huì)瞬時(shí)增加血糖、血清FFA和胰島素水平。值得注意的是，羅氟司特預(yù)處理ad lib喂養(yǎng)的小鼠后，F(xiàn)GF1降低血糖水平的能力喪失了。相比之下，PDE3的抑制未能影響FGF1調(diào)節(jié)葡萄糖水平的能力。
鑒于PDE4D在體內(nèi)調(diào)節(jié)脂解的能力，研究人員進(jìn)一步探索了該P(yáng)DE家族在FGF1代謝活動(dòng)中的作用。研究結(jié)果顯示，來自 PDE4DKO 小鼠的脂肪外植體顯示出更高的基礎(chǔ)和 ISO 刺激的脂解作用，而PDE4DKO SVF 來源的脂肪細(xì)胞對(duì) FGF1處理不敏感。更重要的是，F(xiàn)GF1未能降低這些喂食 HFD 的PDE4DKO小鼠的血糖，而這一缺陷通過脂肪組織中由 adAAV 驅(qū)動(dòng)的PDE4D3 表達(dá)得以恢復(fù)。上述研究數(shù)據(jù)表明，F(xiàn)GF1誘導(dǎo)的脂解和血糖抑制依賴于體內(nèi)PDE4D。
接下來，研究人員又通過一系列實(shí)驗(yàn)證明了FGF1/PDE4D通路的抗脂解活性需要 PDE4D在S44處的特異性磷酸化，從而發(fā)揮作用。為了證實(shí)這一發(fā)現(xiàn)的體內(nèi)相關(guān)性，研究人員向ob/ob小鼠注射了adAAV-GFP、adAAV-PDE4D3或 adAAV-PDE4D3 S44A。研究結(jié)果顯示，PDE4D3的過表達(dá)導(dǎo)致了較低的即興喂食和過夜禁食血糖和血清FFA水平，以及在進(jìn)食狀態(tài)向低胰島素水平的趨勢(shì)。相比之下，S44A 突變體的過度表達(dá)未能影響這些代謝參數(shù)。重要的是，F(xiàn)GF1 在過度表達(dá) PDE4D3 的小鼠中誘導(dǎo)了更大的葡萄糖水平降低，而表達(dá) S44A 突變體的小鼠的反應(yīng)與對(duì)照小鼠的反應(yīng)沒有區(qū)別。
研究人員為了將內(nèi)源性FGF1信號(hào)與S44磷酸化聯(lián)系起來，在隔夜禁食和再喂養(yǎng)條件下從食物和HFD喂養(yǎng)的小鼠中收集gWAT庫(kù)。研究結(jié)果顯示，重新喂養(yǎng)的小鼠的pS44水平幾乎翻了一倍。有趣的是，HFD顯著降低了禁食和進(jìn)食狀態(tài)下的 S44 磷酸化，表明 PDE4D 在胰島素抵抗高脂血癥中的作用。上述研究數(shù)據(jù)支持外源性FGF1通過以PDE4D3依賴的方式抑制脂肪分解來降低血糖水平的機(jī)制，并且這種機(jī)制與攝食的生理反應(yīng)有關(guān)。
總之，研究人員報(bào)告了FGF1通過抑制脂肪脂解而顯著降低HGP。胰島素通過脂肪PDE3B抑制脂解，而FGF1依賴PDE4D，使FGF1/PDE4D通路在胰島素抵抗下保持功能。終末他們進(jìn)一步確定了Ser44是FGF1誘導(dǎo)PDE4D磷酸化的調(diào)節(jié)位點(diǎn)，受飽食-空腹循環(huán)的調(diào)節(jié)。
文章作者Gencer Sancar表示，這種機(jī)制基本上是第二個(gè)循環(huán)，具有平行胰島素途徑的所有優(yōu)點(diǎn)。在胰島素抵抗中胰島素信號(hào)會(huì)受損，然而如果有不同的信號(hào)級(jí)聯(lián)，假如其中一個(gè)不起作用，則另一個(gè)還可以。這樣你仍然可以控制脂肪分解和血糖調(diào)節(jié)。
該研究的聯(lián)合資深作者M(jìn)ichael Downes說：“FGF1在胰島素抵抗糖尿病小鼠中誘導(dǎo)持續(xù)降低血糖的獨(dú)特能力是糖尿病患者的一種有前途的治療途徑。我們希望了解這一途徑將為糖尿病患者帶來更好的治療。”
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