神经调节蛋白4调节脂代谢的研究进展

王雪冉，田宗源，刘瑞霞

首都医科大学附属北京妇产医院/北京妇幼保健院 中心实验室，北京 100026

神经调节蛋白4(neuregulin 4, NRG4)是神经调节蛋白家族成员之一,在脂肪组织,尤其是棕色脂肪组织中表达最多。NRG4作为新型脂肪因子,可通过自分泌、旁分泌、内分泌的方式与脂肪细胞、肝细胞和胰岛细胞等靶细胞膜上表皮生长因子受体4(epidermal growth factor receptor 4,ErbB4)特异性结合,在调节糖脂代谢及能量代谢中发挥重要作用,与非酒精性脂肪肝、肥胖、糖尿病和动脉粥样硬化等代谢性疾病密切相关。NRG4在巨噬细胞和上皮细胞等靶细胞中, 还有抗感染, 促进细胞增殖,抑制细胞凋亡等不同生物学作用。NRG4对脂代谢的调节多呈现有益影响,可能成为改善血脂及代谢性疾病的潜在靶点。本文综述了NRG4调节脂代谢的作用机制及在疾病中与脂代谢的相关性。

1 NRG4的表达及调控

神经调节蛋白(neuregulin, NRG)家族具有表皮生长因子(epidermal growth factor, EGF)类似区域,在神经系统表达。NRG作为酪氨酸激酶ErbB/HER家族受体的配体,可与ErbB(ErbB1、ErbB2、ErbB3、ErbB4)受体的胞外区域结合,但亲和力不同。NRG4是NRG家族中唯一在神经系统以外的组织表达的配体,首次在人胰腺组织中被发现,其在骨骼肌中有少量表达,而在脑、胎盘、心脏、肺、肝和肾中表达量较低[1]。人NRG4蛋白由NRG4基因编码,其表达的5种产物(NRG4A1、NRG4A2、NRG4B1、NRG4B2、NRG4B3)中,仅NRG4A1和NRG4A2有跨膜区域及生物活性。NRG4的EGF结构域有结合特异性,仅与ErbB4受体结合。NRG4为单跨膜蛋白,其细胞外EGF样结构域和跨膜片段之间存在蛋白水解位点,允许NRG4在一个或多个基质金属蛋白酶的作用下从质膜中脱落,经蛋白水解的胞外片段释放并与表达ErbB4的靶细胞结合。NRG4可引起ErbB4受体二聚化,在细胞质酪氨酸激酶催化下自身磷酸化,引发下游信号级联转导及细胞间信号转导,发挥不同的生物学作用[1]。

2 NRG4调节脂代谢

2.1 NRG4调节肝脏脂代谢

肝脏是NRG4主要的靶器官,NRG4与肝细胞膜上酪氨酸激酶ErbB3和ErbB4受体结合,激活信号转导及转录激活蛋白5(signal transducer and activator of transcription 5, STAT5)磷酸化,STAT5通路以细胞自主方式负性调节肝X受体(liver X receptor, LXR)、固醇元件反应蛋白1(sterol regulatory element binding protein-1c, SREBP-1c)及其靶基因的表达,减弱肝细胞的脂肪从头合成,抑制肝脂质生成及肝脂肪变性[2]。NRG4还促进脂肪酸β-氧化和生酮作用,减轻肝脂肪变性。NRG4转基因小鼠中,高脂喂养引起的肝脂质积累较少,改善肝脂肪变性,且饥饿状态时,血浆中β-羟基丁酸酯及肝脏中辅酶A(coenzyme A, CoA)和乙酰CoA的浓度增加[3]。高脂喂养的NRG4缺乏小鼠体质量明显增加,肝脏出现更明显的脂肪积累,肝脏三酰甘油(triglycerides, TG)含量和血浆丙氨酸氨基转移酶(alanine aminotransferase, ALT)浓度的增加。其血浆TG水平、空腹血糖和血浆胰岛素浓度也均高于野生对照组小鼠[2]。NRG4缺乏使编码葡萄糖激酶(glucokinase,GK)、苹果酸酶(malic enzyme,ME1)、脂肪酸合酶(fatty acid synthase,FASN)、硬脂酰CoA去饱和酶1(stearoyl-CoA desaturase,SCD1)和ELOVL脂肪酸延长酶5(ELOVL fatty acid elongase 5,ELOVL5)等与脂肪从头合成有关的基因表达升高,与肝脂肪变性相关的脂滴蛋白Fsp27和促炎细胞因子的表达增加[2]。因而,NRG4缺乏诱导肝脂肪异常生成,易加重饮食诱导的肝脂肪变性。此外,NRG4还可通过单磷酸腺苷激活的蛋白激酶(AMPK)/哺乳动物雷帕霉素(mTOR)信号通路激活自噬,抑制炎性反应,减弱肝脏脂肪生成信号,减轻肝细胞脂肪变性[4-5]。NRG4主要通过抑制脂质生成和增加脂肪酸氧化及生酮作用,抑制脂质合成及储存,减轻饮食诱导的肝脂肪变性,在肥胖及代谢性疾病中起保护作用。

2.2 NRG4调节脂肪组织脂代谢

NRG4在健康脂肪细胞中高表达,而在肥胖者脂肪细胞中表达显着降低。小鼠和人类肥胖中,脂肪组织NRG4表达明显下降[2]。NRG4可调控脂肪组织基因的表达,NRG4下调的基因簇包括参与免疫和炎性反应的基因,而上调的基因簇包括与线粒体功能和能量代谢有关的基因[3]。肿瘤坏死因子-α(tumor necrosis factor-α, TNF-α)和白介素-1β(interleukin-1β, IL-1β)可促使棕色和白色脂肪细胞中NRG4表达下降。NRG4参与脂质的合成与分解。NRG4的基因表达与棕色/米色脂肪基因(UCP1、UCP3、TMEM26)正相关,对脂质分解有促进作用,与脂肪合成基因(FASN、PPARG、SLC2A4)呈负相关[6]。NRG4不足加剧了饮食诱导的肥胖及代谢性疾病的发展,在严重肥胖受试者全外显子测序及外显子基因分型中发现,NRG4的EGF样结构域中存在两个罕见的错义突变p.R44H和p.E47Q[7]。NRG4还可以降低脂肪细胞的胰岛素抵抗[8],NRG4与人胰岛素敏感性负相关,这与NRG4增加磷酸烯醇丙酮酸羧激酶和葡萄糖-6-磷酸酶的表达,增加肝脏葡萄糖的产生和外周组织对葡萄糖的利用[3,9],刺激胰岛β细胞,促进胰岛素的分泌有关[10]。因此,NRG4对脂肪组织的有利影响,有助于改善与肥胖相关的代谢性紊乱。

此外,NRG4作为一种促神经细胞增殖的脂肪因子,在棕色脂肪生成过程中大量表达,通过刺激交感神经元神经突起生长,加强组织中交感神经支配,驱动神经血管重塑,激活交感神经,进而引起儿茶酚胺释放增加,诱导白色脂肪棕色样变,进一步激活棕色脂肪组织,增强脂肪组织抗寒能力。NRG4在体外和体内激活内皮血管生成,调节脂肪组织中血管重塑,改善了肥胖状态下的脂肪组织缺氧[11]。NRG4的遗传缺失导致棕色和白色脂肪组织血管减少,即使在正常饮食时也会引起超重、肥胖等相关代谢紊乱。研究表明,棕色脂肪来源的NRG4可减轻雄性小鼠的内皮炎性反应和动脉粥样硬化,主要通过减轻血管炎性反应和黏附反应,减弱白细胞归巢并减少内皮损伤实现的。NRG4与ErbB4结合,可激活丝氨酸/苏氨酸激酶/磷脂酰肌醇三激酶通路(AKT/PI3K),抑制内皮细胞凋亡并防止动脉粥样硬化的进展。在内皮细胞中,NRG4还可以减少氧化低密度脂蛋白(low-density lipoprotein, LDL-C)诱导的细胞凋亡、炎性反应和黏附反应,有益于心血管疾病的改善[12]。

3 NRG4在代谢性疾病中与血脂的相关性

NRG4参与机体的脂代谢,其在非酒精性脂肪性肝病(non-alcoholic fatty liver disease, NAFLD)、代谢综合征(metabolic syndrome, MS)、2型糖尿病(diabetes mellitus type 2, T2DM)、心血管疾病和甲状腺疾病等代谢性疾病中多表现为保护作用,与脂质水平呈负相关,维持脂代谢平衡,但结论不一,具体作用机制仍有待探究。

NRG4通过抑制脂质的从头合成,限制NAFLD进展为非酒精性脂肪性肝炎(non-alcoholic steatohepatitis, NASH),在NAFLD中起保护作用。肝脏中的NRG4可以通过阻断细胞死亡负调节蛋白的泛素化和蛋白酶体降解,以细胞自主方式减轻肝细胞死亡,通过激活细胞存活途径来抑制饮食诱导的NASH[13]。NRG4表达降低被认为是NAFLD的独立危险因素。血清NRG4水平降低在NAFLD受试者中普遍存在,且随NRG4水平逐渐降低,NAFLD的患病率逐渐升高。但也发现NRG4水平在NAFLD病人及正常健康人中无差异,与NRG4-ErbB4通路相关的82个基因在肝和内脏脂肪组织中的表达谱在NAFLD、NASH及肥胖对照组中也均无显著差异[14]。NRG4水平降低与NAFLD患者TG负相关,与高密度脂蛋白胆固醇(high-density lipoprotein, HDL-C)正相关[15]。

NRG4水平降低也是MS发展的危险因素。在肥胖成年患者中,MS患者NRG4水平较健康对照组低,且NRG4与MS风险呈负相关[16]。在MS中,NRG4与血脂的相关性不一,在311例T2DM合并MS的患者中发现,NRG4与HDL-C、载脂蛋白A正相关,与TG、高灵敏度C反应蛋白呈负相关[17]。在肥胖成年人中则发现,NRG4水平降低与三酰甘油(triglyceride,TG)水平升高及HDL-C水平降低无关[18]。

NRG4参与甲状腺相关激素对脂代谢的调节。甲状腺激素(thyroxine, T4)及促甲状腺激素(thyroid-stimulating hormone, TSH)水平异常也是血脂异常的重要因素。甲亢疾病中,NRG4水平升高,在人群、动物及细胞水平均被证实[19]。甲亢患者血清NRG4水平与血清总胆固醇(total cholesterol, TC)、LDL-C、HDL-C、TSH水平负相关[20],而与T4、三碘甲状腺原氨酸(3,3’,5-triiodo-L-thyronine, T3)正相关。亚甲亢患者血清NRG4仅与HDL-C、TSH水平负相关,没有发现与其他血脂指标的相关性[20]。甲亢患者经T3治疗后,血清NRG4水平下降,TC及HDL-C水平上升。T3治疗的甲亢小鼠,其白色脂肪组织及原代肝细胞内NRG4 mRNA含量也有所上升[19]。但目前,NRG4在甲减、亚甲减等其他甲状腺疾病中的作用及与脂代谢的相关性仍缺乏研究。

NRG4在妊娠期的变化及对脂代谢的调节并不明确,目前仅在妊娠期糖尿病(gestational diabetes mellitus, GDM)中有所研究。NRG4水平降低被认为是GDM的重要危险因素,与胰岛素抵抗相关[21]。而妊娠期,NRG4对GDM孕妇脂代谢调节的病理生理机制尚缺乏,与血脂的相关性结论不一。与正常妊娠相比,GDM孕妇血清NRG4降低,而产后NRG4水平无差异[22]。GDM孕妇降低的NRG4与TC、TG、LDL-C水平呈负相关,与HDL-C相关性不一致[23-24]。但也有发现,GDM孕妇血清NRG4水平异常升高,与TC, TG水平均呈正相关,尤其与TG升高的血脂异常密切相关,可作为GDM 的生物标志物[25]。

4 问题与展望

NRG4是棕色脂肪组织分泌的新型脂肪因子,在提高棕色脂肪活性,增加产热,减少脂质生成基因的表达,促进脂肪组织中血管重塑及神经分布,促进糖异生,改善胰岛素抵抗等方面发挥作用。NRG4抑制脂质的合成,减轻肝脂肪变性,可作为预防和治疗肥胖相关代谢紊乱的有效靶点。多项研究也证实,NRG4在肥胖、NAFLD、T2DM、动脉粥样硬化、冠状动脉疾病等脂代谢相关疾病中具有保护性作用,可能成为相关疾病的预测因素及潜在的新治疗靶点,有必要进行前瞻性队列研究进一步证实。但在代谢性疾病中,NRG4调控脂代谢的作用机制仍不明确,且目前研究仅局限于部分疾病。妊娠期疾病目前也仅局限于GDM,NRG4调控妊娠期脂代谢的病理生理机制,与非妊娠期的异同尚不明确。有关NRG4对脂代谢调节的基础研究也有待于深入进行。因此,NRG4是否能成为临床相关的代谢标志物或作为代谢性疾病治疗的评判目标,需要进一步探讨。