Cell子刊：糖尿病治療新突破！科學家發(fā)現了獨立于胰島素之外的新降糖途徑
近日來自美國的索爾克生物研究所、荷蘭的格羅寧根大學等研究機構的專家驚奇地發(fā)現了第二種降糖分子，它產生于脂肪組織中，與胰島素一樣，也能有效而快速地調節(jié)血糖。他們的發(fā)現可能導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。
該研究發(fā)表在國際知名期刊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節(jié)血糖。和胰島素一樣，FGF1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，該團隊研究人員發(fā)現外周給藥FGF1可通過脂肪FGF受體1的介導迅速降低糖尿病小鼠模型的血糖水平，但其作用機制尚不清楚。在這篇文章中，他們進一步探究了這些現象背后的機制以及它們之間的聯系。
首先，研究人員為了驗證FGF1 誘導的葡萄糖降低依賴于脂肪組織中FGFR1的表達，FGFR1在成熟脂肪細胞中被選擇性敲除(adR1KO小鼠)。研究結果顯示，FGF1迅速降低飲食誘導肥胖(DIO) 野生型(WT)小鼠的血糖水平，但未能影響adR1KO小鼠的血糖，這進一步驗證了他們之前的研究結果。
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系，研究人員假設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。體外脂肪分解實驗顯示，F1KO小鼠的性腺脂肪組織(gWAT)的脂肪分解顯著增加。
此外，FGF1顯著抑制基礎和異丙腎上腺素(ISO)誘導的小鼠和源于脂肪細胞的人基質血管成分(SVF)的脂解反應，與脂肪細胞的內在效應一致。類似地，FGF1 以劑量依賴性方式抑制3T3-L1脂肪細胞中ISO誘導的脂解作用，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。研究結果顯示，FGF1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，FGF1以脂肪FGFR1依賴性方式抑制體外脂肪分解。作為體內脂肪分解的衡量標準，研究人員將FGF1預處理的adR1WT和 adR1KO小鼠都注射了放射性標記的油酸。在 FGF1處理的adR1WT小鼠中，油酸的部分轉換率降低，表明基礎脂肪分解較低。相比之下，adR1KO小鼠的油酸轉換不受 FGF1預處理的影響。上述研究數據表明，FGF1-FGFR1信號傳導是一種調節(jié)脂肪分解的新途徑。
為了確定FGF1對脂解作用的抑制是否會顯著降低HGP，研究人員探究了FGF1影響糖異生的能力。研究結果顯示，用FGF1預處理的ob / ob小鼠從丙酮酸合成葡萄糖的能力顯著降低(丙酮酸耐受性測試，PTT)，而當甘油是外源性底物時(甘油耐受性測試，甘油 TT)，則沒有發(fā)現差異。此外，FGF1抑制丙酮酸利用的能力取決于脂肪細胞FGFR1 的表達。
鑒于以上對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。研究人員通過質譜法測量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，而adR1KO小鼠對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)現與葡萄糖穩(wěn)態(tài)的相關性，在短期連續(xù) FGF1 給藥(0.5毫克/千克，每隔一天，一周)后，對ob/ob小鼠進行了高胰島素鉗夾實驗。研究結果顯示，內源性葡萄糖產生 (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)來維持葡萄糖設定點，這種影響主要歸因于 EGP 的減少，因為葡萄糖代謝清除率(GDR) 未改變。上述研究數據表明，FGF1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，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。研究結果顯示，與胰島素信號通路相平行，抑制劑wortmannin消除了FGF1誘導的3T3-L1脂肪細胞中FFA釋放的減少。此外，在基于CRE熒光素酶的報告基因實驗顯示，FGF1減弱了ISO誘導的cAMP和 cAMP/PKA信號傳導的增加，暗示可能對磷酸二酯酶活性產生影響。有趣的是，PDE3B的抑制并未損害FGF1誘導的脂解抑制。相比之下，FGF1的抗脂解活性被3T3-L1脂肪細胞以及小鼠和人類SVF衍生的脂肪細胞中的PDE4選擇性抑制劑阻斷。研究人員為了進一步確定FGF1誘導的體內脂解抑制是否需要PDE4活性，在FGF1注射前1小時，給DIO小鼠灌胃PDE4抑制劑。研究結果顯示，PDE4抑制阻斷FGF1的抑制脂肪分解的能力。
鑒于上述發(fā)現，研究人員推測FGF1-PDE4信號調節(jié)激素敏感性脂肪酶(HSL)磷酸化。研究結果顯示，在基礎細胞和ISO刺激的細胞中，FGF1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。
為了進一步監(jiān)測FGF1在活細胞中影響pHSL-perilipin相互作用的能力，研究人員使用結合人脂聯素啟動子/增強子的腺相關病毒(AAV) 載體來表達GFP標記的 perilipin (perilipin-GFP)和3T3-L1脂肪細胞中帶有mCherry標記的HSL(HSL-mCherry)。研究結果顯示，FGF1減少了ISO誘導的perilipin-GFP和 HSL-mCherry的共定位，如熒光重疊的時間監(jiān)測。在沒有HSL融合的情況下，表達perilipin-GFP和mCherry的細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。
基于之前將PDE4D與脂肪分解聯系起來的研究，接下來研究人員探索了 PDE4D的過度表達是否足以概括FGF1抑制脂肪分解的能力。研究結果顯示，3種PDE4D同種型的過表達以劑量依賴性方式抑制了3T3-L1脂肪細胞的脂解作用，其中 PDE4D3 同種型顯示出較高的功效。為了繼續(xù)加深對這一發(fā)現的理解，研究人員構建了限制PDE4D3在成熟脂肪細胞中表達的adAAV 載體。研究結果顯示，adAAV-PDE4D3驅動的表達有力地抑制了ISO誘導的3T3-L1脂肪細胞中脂解、cAMP 和perilipin-GFP / HSL-mCherry共定位的增加。上述研究數據表明，FGF1 通過激活 PDE4 抑制 cAMP-PKA 通路。
FGF1誘導的脂解抑制依賴于PDE4的發(fā)現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喂養(yǎng)的DIO小鼠。研究結果顯示，抑制PDE4會瞬時增加血糖、血清FFA和胰島素水平。值得注意的是，羅氟司特預處理ad lib喂養(yǎng)的小鼠后，FGF1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調節(jié)葡萄糖水平的能力。
鑒于PDE4D在體內調節(jié)脂解的能力，研究人員進一步探索了該PDE家族在FGF1代謝活動中的作用。研究結果顯示，來自 PDE4DKO 小鼠的脂肪外植體顯示出更高的基礎和 ISO 刺激的脂解作用，而PDE4DKO SVF 來源的脂肪細胞對 FGF1處理不敏感。更重要的是，FGF1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 驅動的PDE4D3 表達得以恢復。上述研究數據表明，FGF1誘導的脂解和血糖抑制依賴于體內PDE4D。
接下來，研究人員又通過一系列實驗證明了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。為了證實這一發(fā)現的體內相關性，研究人員向ob/ob小鼠注射了adAAV-GFP、adAAV-PDE4D3或 adAAV-PDE4D3 S44A。研究結果顯示，PDE4D3的過表達導致了較低的即興喂食和過夜禁食血糖和血清FFA水平，以及在進食狀態(tài)向低胰島素水平的趨勢。相比之下，S44A 突變體的過度表達未能影響這些代謝參數。重要的是，FGF1 在過度表達 PDE4D3 的小鼠中誘導了更大的葡萄糖水平降低，而表達 S44A 突變體的小鼠的反應與對照小鼠的反應沒有區(qū)別。
研究人員為了將內源性FGF1信號與S44磷酸化聯系起來，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。研究結果顯示，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。上述研究數據支持外源性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制，并且這種機制與攝食的生理反應有關。
總之，研究人員報告了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。終末他們進一步確定了Ser44是FGF1誘導PDE4D磷酸化的調節(jié)位點，受飽食-空腹循環(huán)的調節(jié)。
文章作者Gencer Sancar表示，這種機制基本上是第二個循環(huán)，具有平行胰島素途徑的所有優(yōu)點。在胰島素抵抗中胰島素信號會受損，然而如果有不同的信號級聯，假如其中一個不起作用，則另一個還可以。這樣你仍然可以控制脂肪分解和血糖調節(jié)。
該研究的聯合資深作者Michael Downes說：“FGF1在胰島素抵抗糖尿病小鼠中誘導持續(xù)降低血糖的獨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?！?/span>
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