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G protein-coupled receptors for free fatty acids

游离脂肪酸受体蛋白研究进展



全 文 :生命科学
Chinese Bulletin of Life Sciences
第 20卷 第 3期
2008年 6月
Vol. 20, No. 3
Jun., 2008
游离脂肪酸受体蛋白研究进展
曾军英 1,2,孙志洪1,2,谭支良1*
( 1中国科学院亚热带农业生态研究所,长沙 410125;2 中国科学院研究生院,北京 100039)
摘 要:游离脂肪酸不仅是人和动物体的一种重要能量来源,也是一种重要的信号分子。最近研究表
明,游离脂肪酸受体蛋白在维持机体内的葡萄糖稳衡、脂肪形成、白细胞功能等生理过程中都有重要的
作用,对于调控人或动物的营养代谢及疾病发生具有重要生理意义。
关键词:短链脂肪酸;长链脂肪酸;G 蛋白偶联受体;信号转导
中图分类号:Q 5 7 4 文献标识码:A
G protein-coupled receptors for free fatty acids
ZENG Jun-ying1,2, SUN Zhi-hong1,2, TAN Zhi-liang2*
(1 Institute of Subtropical Agricultural Ecology, Chinese Academy of Sciences, Changsha 410125, China; 2 Graduate
School of Chinese Academy of Sciences, Beijng 100039, China)
Abstract: Free fatty acids (FFAs) are not only an important direct source of energy for human and animal, but
also a kind of key signal molecule in variety of physiological and pathophysiological reponses. The latest
researches indicated that these G protein-coupled receptors(GPCRs)for FFAs played key roles in glucose
homeostasis, adipogenesis, white cell function and regulation of human and animal nutrition and metabolic
syndrome.
Key words: short chain fatty acid; long chain fatty acid; G protein-coupled receptors; signal transduction
文章编号 :1004-0374(2008)03-0472-05
收稿日期:2007-11-16;修回日期:2008-01-23
基金项目:中国科学院知识创新工程重要方向项目
( K S C X 2 - Y W - N - 0 5 1 );国家青年自然科学基金
(30600436) ;国家自然科学基金(30571352)
*通讯作者:E-mail:zltan@isa.ac.cn
游离脂肪酸(free fatty acids,FFAs)是人和动
物体的一种重要能量来源,同时也是一种信号分
子,具有多种生理作用。游离脂肪酸的生理功能及
其对机体内的营养代谢疾病的调控作用长期以来受
到人们的关注,但由于 FFAs的特异性膜受体一直
未被发现,关于其分子机制的认识无法进一步深
入。根据碳链长度的不同,可将脂肪酸分为短链、
中链及长链脂肪酸。依据饱和度的不同,又可分为
饱和脂肪酸、单不饱和脂肪酸及多不饱和脂肪酸。
其中,多不饱和脂肪酸又可分为 n-3系和 n-6系。
亚油酸和亚麻酸分别是 n-6和 n-3脂肪酸系列中的
“母体”,是人和动物所必需的脂肪酸[ 1]。而短链
脂肪酸(short chain fatty acids, SCFAs)是指碳链
中碳原子小于 6个的有机脂肪酸,主要由食物中不
被消化的碳水化合物(如纤维、抗性淀粉等)在
反刍动物的瘤胃、人和单胃动物的结肠内经厌氧菌
酵解生成,主要包括乙酸、丙酸和丁酸等 [ 2 ]。
SCFAs不仅为胃肠道上皮细胞提供了主要的能量来
源,而且还具有重要的生物学功能,如调控细胞增
殖与分化、细胞凋亡、免疫反应、营养物质吸收
和脂类代谢等,是当今人及动物营养学研究领域的
热点 [ 3 ]。G 蛋白偶联受体( G p r o t e i n - c o u p l e d
receptors,GPCRs)是一种含有七个 α螺旋的跨膜蛋
白受体,是细胞表面最大的受体超家族,在信号转
导过程中具有重要作用 [ 4 ]。最近的研究表明,
473第3期 曾军英,等:游离脂肪酸受体蛋白研究进展
GPR40和GPR120是中、长链饱和及非饱和脂肪酸
的内源性受体,而GPR41和GPR43是短链脂肪酸
的受体蛋白。
1 游离脂肪酸受体基因克隆
GPR40、GPR41、GPR42和GPR43是一类最
初在寻找新的促生长激素神经肽(galanin)受体亚
型时,以老鼠相应基因的保守结构域为模板设计简
并引物,对人类基因组DNA进行 PCR扩增后所发
现的孤儿型G蛋白偶联受体。其编码基因定位于人
类第 19 号染色体长臂(19 q1 3 . 1),串联排列于
CD22 基因的下游(图 1)[5]。氨基酸序列比对发
现,GPR41和GPR43的同源性为 43%;GPR40与
GPR41和GPR43之间约有 30%的同源性;GPR41
与GPR42的氨基酸序列长度相等,同源性高达98%。
对人、小鼠及大鼠等物种的相关进化分析表明,这
一类受体的氨基酸序列高度保守。研究表明,
GPR40是中、长链脂肪酸的受体,GPR41是短链
脂肪酸的受体蛋白[6]。Nilsson等[7] 证实短链脂肪酸
的受体是 GPR43,乙酸、丙酸等短链脂肪酸可以
激活该受体。为示区别,将GPR43命名为 FFA2R,
而将 GPR40又被称为 FFA1R。有趣的是,尽管
GPR42与GPR41具有 98%的同源性,但却不能被
SCFAs所激活。分析GPR42氨基酸序列时发现,在
其第二个跨膜区胞外环上 174位的氨基酸由色氨酸
代替了精氨酸,故不能与羧酸配基形成盐桥而丧失
了生物学活性。因此,GPR42可能只是GPR41的
一个基因副本,在复制时发生突变,不具有对
SCFAs的反应性[8]。
值得一提的是,GPR120并不是首先由实验室获
得的,而是由生物信息学研究人员在搜索人类基因
组数据库,通过电子克隆方法得到的。它曾被认为
是视紫质G蛋白受体家族成员,与其他家族的成员
同源性低[9],但随后的功能研究表明,GPR120融合
蛋白能被长链脂肪酸所激活,包括α-亚油酸和二十
二碳六烯酸,并特异性需要羧酸基团的存在,表明
GPR120应该属于游离脂肪酸受体蛋白家族成员。
2 游离脂肪酸受体的组织分布
目前的研究大多认为GPR40主要特异地表达于
人和啮齿类动物的胰岛 β细胞、人胰岛素瘤以及胰
岛素分泌细胞株,并且它在胰岛中的表达水平远远
高于胰腺其他部位[10]。Briscoe等[6]研究认为GPR40
主要在人脑组织中表达。Kotarsky等[11]用Northern
印迹法研究发现,GPR40还在人类的心脏、肝脏以
及骨骼肌中表达,并以中脑黑质和延脑的表达水平
最高,在外周免疫细胞中亦有少量表达。
尽管GPR41和GPR43都是SCFA受体蛋白,但
mRNA表达分析发现它们在组织中的分布差异较大[8]。
GPR43主要在免疫细胞表达,在嗜中性粒细胞中的
表达水平最高,在单核细胞中也有表达 [ 7 ]。而
GPR41的表达较为广泛,在脂肪组织中的表达量最
高,在单核细胞和嗜中性粒细胞中也有表达[12]。利
用 RT-PCR、Western Blotting及免疫组织化学分析
表明,GPR43还在鼠和人的肠内分泌细胞表达[13]。
GPR120主要在肠道、胰脏和肺部高表达,在
肠内分泌细胞株 STC-1中也有表达,而在其他组织
或器官的分布暂时未见报道[14]。
3 游离脂肪酸受体的生物学功能
研究表明,GPR40和 GPR120是中、长链脂
肪酸的G蛋白偶联受体,而GPR41和GPR43是短
链脂肪酸的G蛋白偶联受体。GPCRs对于维持人和
动物体内的葡萄糖稳衡、脂肪形成、白细胞功能以
及其他生理过程都有着极其重要的作用,并存在结
构位置效应。
3.1 结构位置效应 
不同碳链的长度FFAs激活不同GPCRs。Itoh等[10]
为了寻找GPR40的配基,采用检测胞内钙离子变化
的方法在重组表达GPR40的细胞上对超过1 000种化
合物进行了筛选。结果发现C12-C16长度的饱和脂
肪酸及C18或C20长度的不饱和脂肪酸能激活GPR40,
而对链长小于6的脂肪酸则不产生激活作用[6]。另外,
对亚油酸甲酯无激活作用的现象也提示了链端的羧基
是配基活性所必需的[11]。构效关系研究表明,位于
链端的羧基是活性所必需的,但当羧基的个数达到两
个或两个以上时,活性也会消失[12]。
FFAs双键的数量和位置也对GPCRs活性有影
响。大量的研究报告表明,多不饱和脂肪酸双键数
量和位置对动物体的免疫和营养代谢功能有着明显
不同的影响。饱和脂肪酸和不饱和脂肪酸同是
GPR120受体的配基,但只有不饱和脂肪酸能促进
胰高血糖样肽 -1(glucagon-like peptide-1,GLP-1)的分
泌,内在的分子机理目前尚不清楚[14]。
图 1 游离脂肪酸受体基因串联排列在19号染色体上
CD22基因的下游区[5]
474 生命科学 第20卷
SCFAs主要包括甲酸、乙酸、丙酸、丁酸和
戊酸等。研究表明,不同的SCFAs及组合对GPR41
和GPR43的活性有不同程度的影响。各 SCFAs对
GPR41活性影响的强弱顺序为:丙酸(C3)=戊酸
(C5)=丁酸(C4)>乙酸(C2)>甲酸(C1) [8] ;而对GPR43
活性影响的强弱顺序则有所不同:乙酸(C2)=丙酸
(C3)=丁酸(C4)>戊酸(C5)>己酸(C6)=甲酸(C1) [7]。
据报道,所有的SCFAs均对炎性反应有一定的治疗
作用,能减少 IL-6蛋白从培养器官中的释放,但
在效能上存在差异。研究发现,丙酸和丁酸具有等
效的作用,而乙酸作用较小[15]。在 SCFA混合物调
控组蛋白乙酰化作用中,丁酸和丙酸存在累加效
应,而乙酸则不具备,说明生理浓度的丙酸和丁酸
比其单独存在具有更加复杂的生物效能[16]。另外的
研究发现,单独使用丁酸不能上调肠上皮高血糖素
原和GLUT2基因的表达,而SCFA混合物可以上调
上述两个基因的表达,表明 SCFA间具有协同调控
作用 [ 1 7 ]。
3.2 生理功能
3.2.1 调控葡萄糖稳衡 机体内葡萄糖稳衡对于维
持人和动物体正常的生理功能具有重要意义。人类
的糖尿病、肥胖症和高产奶牛的酮病[18]、脂肪肝[19]
的发生均与机体内葡萄糖稳衡状态的破坏有关。
GPR40和GPR120通过调控胰岛素或GLP-1的分泌,
对于维持生理葡萄糖稳定具有重要作用[20]。Itoh等[10]
发现油酸、亚油酸、α- 亚麻酸、花生四烯酸以及
二十二碳六烯酸等与GPR40受体结合以后,可诱导
MIN6鼠胰岛细胞瘤细胞内 Ca2+浓度升高,刺激胰
岛素的分泌。并且油酸和亚油酸的刺激活性在高糖
浓度时要比低糖浓度时更强,表明FFAs对MIN6细
胞具有增强胰岛素刺激分泌葡萄糖的功能。进一步
的研究证实,亚油酸和 α- 亚麻酸还可以诱导正常
大鼠胰岛分泌胰岛素。用特异性的GPR40基因RNA
小片段进行 RNA干扰(RNAi)诱发GPR40基因沉
默,结果发现亚油酸和α-亚麻酸增加MIN6细胞胰
岛素分泌的作用被明显消除,而作为对照的GLP-1
刺激的胰岛素分泌则没有影响。分析结果表明是由
于 RNAi作用后,GPR40的mRNA表达减少了 50%
以上,而GLP-1受体的mRNA表达未受到影响。这
说明FFAs增强MIN6细胞的葡萄糖依赖型胰岛素分
泌至少部分是通过GPR40介导的。
FAAs可通过激活GPR120从而促使GLP-1释
放,使人们对GPR120作为潜在代谢疾病的治疗靶
标表现出浓厚兴趣。GLP-1受体主要在胰岛 β细胞
中表达,被证明是一个非常理想的葡萄糖依赖型胰
岛素分泌的调控因子,并且GLP-1及其类似物可一定
程度上通过抑制细胞凋亡来增加胰岛 β 细胞数量[21]。
Hiraswa等[14]研究表明,GPR120的 cDNA转染到胰
腺细胞株系 STC-1中后,发现能够促进GLP-1的分
泌;由 siRNA所诱发的GPR120沉默将导致 α-亚
油所激活 GLP-1的分泌受抑制。在老鼠体内进行
的实验证明,α- 亚油酸能刺激增加门静脉和下腔
静脉血浆胰岛素和GLP-1水平。与硬脂酸相比较,
α-亚油酸对提升血浆中GLP-1的水平更有效。这两
种脂肪酸对于GPR120激活作用差异性的内在分子
机理目前尚不清楚。相关研究提示,在临床上使用
人工合成的特异性GPR120激动剂来促进GLP-1的
分泌,对于调控人和动物体内葡萄糖稳态,减少糖
尿病、脂肪肝等代谢疾病的发生具有重要意义。
3.2.2 影响脂肪形成 GPCRs能够调控脂肪组织的
形成和瘦素的分泌。在中、长链脂肪酸的受体中,
GPR120的mRNA在四种脂肪组织中高表达,并且
在饲喂高脂肪食物时出现显著上调,而GPR40在这
些脂肪组织中未见表达。GPR120调控脂肪形成的
过程,包括脂肪细胞的发育和分化[22]。
瘦素是由白色脂肪组织分泌的一种激素,能调
控多种生理过程,包括饮食、代谢和交感神经功能
等。瘦素的水平与体内能量代谢平衡紧密相关,虽
然在脂肪细胞中瘦素产生的机制尚待阐明,但参与
能量代谢内分泌调节的GPCR可能在其中发挥重要
作用。有报道表明,GPR41的配基 C2- C6长度
的 SCFA能刺激小鼠脂肪细胞株及原代培养的脂肪
组织产生瘦素;给小鼠短期口服丙酸盐可增加外周
瘦素的水平。刺激瘦素分泌的 SCFA浓度均在生理
范围内, 提示由GPR41介导的瘦素分泌途径可能是
体内所固有的[23]。瘦素还是一种潜在减少食欲的内
分泌激素,它可通过相应的信号转导途径来减少进
食量。通过动物营养实验研究表明,丙酸能够刺激
脂肪组织瘦素的释放,并降低进食量。事实上,无
论是丙酸做为添加剂还是直接灌注,都能减少鸡和羊
的进食量,但具体的作用机制目前尚不清楚[24,25]。
3.2.3 影响白细胞功能 SCFAs对白细胞,特别是
对嗜中性粒细胞发挥多种作用,如改变胞质 pH值[26]、
调节胞内钙离子浓度[27]及影响细胞增殖[28]等,最终
结果是调控免疫系统的功能。SCFAs还具有调节多
种炎症细胞反应的功能,其特异性受体GPR43的发
475第3期 曾军英,等:游离脂肪酸受体蛋白研究进展
现,特别对嗜中性粒细胞生物效应的阐明,将大大
深化人们对各种急慢性炎症反应和SCFAs营养免疫
的认识。有趣的是,SCFA趋化性药理作用及钙离
子的动员与GPR43具有很好的平行性,表明GPR43
有可能参加了 SCFA依赖型的中性粒细胞的活化。
进一步实验证明,GPR43的mRNA在被诱导活化的
单核细胞和多形核细胞表现高表达,提示该受体在
白细胞激活和分化过程中扮演重要的角色[29]。SCFA主
要是由人和动物肠道内微生物对不能消化的碳水化
合物厌氧发酵所产生的,通常具有很高的生理浓
度。Sanderson[30]研究表明,肠道内环境中 SCFAs
的改变将调控上皮细胞内的基因表达,从而激发免
疫细胞的相应信号转导通路,增加了中性粒细胞和
淋巴细胞在小肠上皮细胞的附集。因此,GPR43调
节剂有望作为一种新的靶标来提高机体免疫功能。
3.2.4 介导信号传导 游离脂肪酸参与细胞间信号
转导主要依赖于GPR40、GPR41、GPR43和GPR120
受体蛋白。它们所介导的信号转导过程具有一定的
共性,即被诱导后均能引起肌醇三磷酸(IP3)水
平上升,cAMP含量下降,并且引发细胞分裂素原
活化蛋白激酶(MAPK)活化及钙离子的释放。
Yonezawa等[31]研究表明,GRP43和 41被 SCFAs激
活后,可诱导细胞内钙离子浓度的上升,且不受百
日咳毒素(PTX)的阻断作用;能显著消除福斯高
林所诱导的 cAMP水平,增加细胞内MAPK的磷酸
化水平。当用 siRNA干扰技术沉默GPR43基因表达
后,SCFAs所诱导的细胞内钙离子水平上升和 p38
的磷酸化显著受到抑制。
人和动物的肠道上皮细胞,特别是结肠细胞,
在受到 α- 亚油酸等不饱和脂肪酸刺激后,能激活
GPR120信号转导通路,促进GLP-1的释放(图2)[32]。
首先是FFAs肠道上皮表面的GPR120结合,引发细
胞内的钙动员,从而促进肠上皮细胞GLP-1的合成
和释放。GLP-1通过血液循环进入胰脏,与胰岛细
胞表面的GLP-1受体结合。GLP-1受体促进葡萄糖
依赖型胰岛素的分泌并产生浓度剂量依赖方式。
GLP-1可被二肽基肽酶 -Ⅳ(DPP-Ⅳ)分解失活。
因此,GPR120通过此信号转导过程,级联放大促
进胰岛素的分泌。
4 小结
脂肪酸作为膳食和日粮中的一种必需营养素,
是人和动物体内能量的重要来源,在机体代谢中发
挥着重要的作用。随着游离脂肪酸G蛋白偶联受体
研究的深入,理解其分子作用机理,通过影响其信
号通路来将调控人和动物的营养代谢,维持内环境
稳态,提高机体免疫功能,以及在畜禽生产中提高
动物生产性能有着深远的意义。
[参 考 文 献]
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