神經酰胺與肥胖相關疾病防治的研究進展

張 敏 綜述， 沈 彤 審校

因增加胰島素抵抗、2型糖尿病、心血管疾病甚至某些癌癥的發病風險，肥胖日益成為全球嚴重的公共衛生問題[1-2]。肥胖主要是機體因熱量攝入多于消耗，多余能量以脂肪的形式在體內儲存，導致脂肪的異位或過度堆積，從而出現血糖水平升高、脂質代謝紊亂等代謝癥狀。肥胖也使得機體處于全身低度慢性炎癥的狀態。鞘脂代謝產物神經酰胺是真核細胞膜的重要組成部分，除了提供細胞結構完整性外，在細胞信號傳遞過程中還起著第二信使的作用[3]。研究[4]發現肥胖患者體內神經酰胺水平較非肥胖者顯著升高，并且神經酰胺在肥胖、胰島素抵抗、動脈粥樣硬化等疾病的發生發展中發揮著重要調節作用。該文就體內神經酰胺的合成及代謝、神經酰胺與肥胖關系，以及神經酰胺在肥胖及其并發癥防治中的作用研究進展進行綜述。

1 神經酰胺的合成及其代謝

神經酰胺是一種具有生物活性的脂質，屬于鞘脂族。結構上，神經酰胺由鞘氨酸通過酰胺鍵連接到一個不同長度的脂肪酸鏈(C14～C36)組成。細胞內神經酰胺可通過從頭合成、神經鞘磷脂水解、補救合成三種途徑產生(圖1)。從頭合成途徑是合成神經酰胺的主要途徑，發生在內質網中。此途徑中，絲氨酸和棕櫚酰輔酶A在絲氨酸棕櫚酰轉移酶(serine palmitoyl transferase，SPT)的作用下縮合成3-酮基鞘氨醇，后者被3-酮基鞘氨醇還原酶還原成鞘氨醇。神經酰胺合成酶(ceramide synthases，CerS)將不同鏈長的乙酰輔酶A羧化酶連接到鞘氨醇形成二氫神經酰胺，然后二氫神經酰胺去飽和酶(dihydroceramide desaturase，DES)將二氫神經酰胺轉化成神經酰胺。目前已知在哺乳動物體內有6種神經酰胺合成酶(CerS1、CerS2、CerS3、CerS4、CerS5和CerS6)，每種CerS合成不同碳鏈長度的神經酰胺，不同碳鏈長度的神經酰胺在組織分布和功能上有差異。

在神經鞘磷脂水解途徑中，鞘磷脂酶(sphingomyelinase，SMase)將鞘磷脂水解為神經酰胺。補救途徑是將復雜的鞘脂轉化為鞘氨醇，然后通過鞘氨醇的再?；铣缮窠涻０?。神經酰胺可以被神經酰胺酶、鞘氨醇激酶、鞘氨醇裂解酶催化分解。細胞通過鞘脂生物合成、分解、再循環來維持鞘脂動態平衡。

圖1 神經酰胺合成途徑

2 神經酰胺與肥胖的關系

肥胖狀態下的代謝紊亂可以升高神經酰胺的水平，這可能由游離脂肪酸(free fatty acids，FFA)、促炎細胞因子、氧化應激等共同作用導致的。神經酰胺的積累會抑制胰島素信號、誘導細胞凋亡和線粒體自噬，導致肥胖相關疾病的發生。

2.1 肥胖升高體內神經酰胺水平在肥胖時，脂肪組織中肥大的脂肪細胞和聚集的巨噬細胞分泌大量的炎性細胞因子，這些炎性細胞因子不僅通過增加鞘磷脂的水解和從頭合成來提高細胞內神經酰胺的含量，還會促進脂肪組織的脂解，從而增加FFA向其他外周組織的輸送。FFA的升高促進胰島素靶器官的脂質積累，激活干擾胰島素信號通路，最終導致脂肪、肌肉和肝臟的胰島素抵抗。升高的FFA還可以激活巨噬細胞中的toll樣受體(toll like receptors，TLRs)，產生各種細胞因子來調節神經酰胺的合成。此外，飽和脂肪酸(saturated fatty acids，SFA)以TLR4依賴性的方式誘導神經酰胺的合成和炎癥反應，而在缺乏TLR4突變小鼠的骨骼肌和肝臟中，神經酰胺水平并未增加[5]。也有研究[6]發現，TLR信號通路中的MyD88可激活SMase來增加神經酰胺的合成。綜上，肥胖狀態下體內神經酰胺的水平升高。

2.2 神經酰胺調控肥胖及相關疾病發生發展機制

2.2.1神經酰胺抑制胰島素信號，阻礙葡萄糖代謝 神經酰胺可對胰島素信號轉導和隨后的葡萄糖代謝產生負面效應。神經酰胺通過兩種途徑阻斷蛋白激酶B(protein kinase B，PKB/Akt)通路的激活，第一種是神經酰胺介導蛋白磷酸酶2A活性上調，使Akt的Ser473和Thr308位點去磷酸化，導致Akt信號通路受損[4]；第二種是神經酰胺激活的非典型性蛋白激酶C(atypical protein kinase C ζ，PKCζ)降低Akt在Thr34處的磷酸化，進而抑制Akt膜易位和隨后的活化[7]。

目前神經酰胺介導的抑制胰島素信號的研究[8]主要集中在特定的神經酰胺種類及其亞細胞定位。據報道，肥胖小鼠骨骼肌中CerS1衍生的C18:0神經酰胺水平升高可促進肥胖引起的胰島素抵抗[8]。一項利用亞細胞定位的研究[9]發現，肌膜C18:1、C18:0和C18:2神經酰胺與胰島素敏感性呈負相關，其中C18:0神經酰胺與胰島素敏感性呈顯著相關。然而，另一項肌肉活檢研究[10]發現，僅C16:0和C18:1神經酰胺與胰島素抵抗指數有很強的相關性。C18:0神經酰胺由于其飽和?；?，或許能降低膜流動性來削弱胰島素作用，但尚未被直接驗證。Turpin et al[11]研究結果顯示，C16:0神經酰胺是抑制肥胖癥中胰島素敏感度、脂肪酸氧化和能量消耗的關鍵神經酰胺。

2.2.2神經酰胺誘導細胞凋亡 肥胖產生的應激因子可以導致內質網(endoplasmic reticulum，ER)內穩態失衡，影響內質網中的蛋白生物合成，形成ER應激。ER應激常發生在胰島β細胞中，導致胰島素分子錯誤折疊的積累。錯誤折疊蛋白質的積累會產生一個復雜的反應稱為未折疊蛋白反應，進而誘導細胞凋亡。有研究[12]表明，2型糖尿病患者的免疫細胞中也存在ER應激。過量的SFA積累常被認為是ER應激的原因，SFA也可以誘導細胞產生細胞毒性神經酰胺。此外，ER應激和未折疊蛋白反應促進活性氧(reactive oxygen species，ROS)的生成，ROS反過來促進神經酰胺在細胞內的積累。

Contreras et al[13]認為下丘腦ER應激是導致肥胖的重要機制。神經酰胺誘導的脂肪毒性和下丘腦ER應激，會抑制交感神經，減少棕色脂肪組織的產熱，導致體質量增加。下丘腦腹內側核中葡萄糖調節蛋白78的過表達，可通過降低下丘腦ER應激，消除神經酰胺的作用，增加棕色脂肪組織產熱，從而達到減肥和改善葡萄糖穩態的目的。

最近，Liu et al[14]發現了一種新的機制，酵母蛋白Nvj2p促進神經酰胺從ER到高爾基體的非囊泡轉移。Nvj2p通常位于ER和其他細胞器之間的接觸點，但在ER應激時，它會重新轉移至ER與高爾基體的接觸點并增加兩者的接觸。缺乏Nvj2p的細胞在ER應激時不能形成內質網接觸。Senkal et al[15]認為神經酰胺轉化為?；窠涻０穬Υ嬖谥沃?，防止神經酰胺毒性的集聚，但這也可能會成為其介導的細胞凋亡的導火索。

2.2.3神經酰胺損傷線粒體功能，誘導線粒體自噬 胰島素抵抗的肥胖個體存在線粒體結構和能量產生異常，這與神經酰胺密切相關。細胞內神經酰胺含量的增加通過干擾線粒體呼吸而損害線粒體功能。神經酰胺能直接抑制線粒體呼吸鏈酶復合物功能，中斷電子傳遞，增加ROS水平[16]。最近的研究[17]也提示神經酰胺介導的線粒體功能障礙包含線粒體分裂，如補充牛血清脂質成分或C16:0神經酰胺可部分修復絲氨酸剝奪所致的細胞增殖和線粒體分裂缺陷。

神經酰胺還可以調控線粒體自噬，清除受損的線粒體。Sentelle et al[18]在探索C18：0神經酰胺的自噬誘導潛能時，發現了神經酰胺與線粒體自噬之間的信號通路，即C18：0神經酰胺選擇性地將線粒體和自噬溶酶體膜上的LC3B-Ⅱ靶向結合，誘導線粒體自噬。Dany et al[19]發現在FMS樣的酪氨酸激酶3內部串聯重復突變介導的急性髓細胞白血病中，C18：0神經酰胺會選擇性地誘導線粒體自噬。抑制FMS樣的酪氨酸激酶3內部串聯重復突變信號可激活線粒體動力相關蛋白1，促進線粒體CerS1合成C18：0神經酰胺。此外，C18：0神經酰胺還可以通過其神經酰胺結合域的I35/F52殘基與LC3B-Ⅱ相互作用，招募自噬體到線粒體，誘發線粒體自噬。Panda et al[20]報道p53上調凋亡調控因子在膠質母細胞瘤細胞誘導線粒體自噬的作用。相思子凝集素通過激活CerS1促進神經酰胺的合成，導致內質網應激和ROS的積累，從而引起線粒體損傷。接著，p53上調凋亡調控因子通過其c端LC3相互作用區域(LIR)與LC3相互作用，導致線粒體自噬。目前，神經酰胺介導線粒體自噬主要用于抗癌的靶向治療[21]。

3 調節神經酰胺代謝，治療或預防肥胖相關疾病

神經酰胺代謝異常與肥胖狀態下的代謝紊亂密切相關，并且神經酰胺的積累會對正常細胞功能產生一系列有害影響。調節神經酰胺代謝或可成為防治肥胖和肥胖相關疾病的新方向。

3.1 CerS抑制劑阻斷神經酰胺的從頭合成神經酰胺從頭合成的增多，會促進肥胖及代謝綜合征的發生。Turner et al[22]發現選擇性CerS抑制劑P053可以特異且有效地抑制CerS1，降低細胞和小鼠骨骼肌中C18：0神經酰胺的水平。每天給高脂飲食喂養(HFD)小鼠服用P053，會增加骨骼肌的脂肪酸氧化，阻礙肌肉甘油三酯和脂肪的增加，但不能防止HFD誘導的胰島素抵抗。而Turpin-Nolan et al[8]的研究發現CerS1缺失的小鼠通過增加肌肉衍生的循環中成纖維細胞生長因子21濃度，促進全身葡萄糖代謝，可以預防由飲食引起的肥胖和胰島素抵抗。

3.2 SPT抑制劑阻斷神經酰胺的合成SPT是神經酰胺從頭合成的關鍵酶之一，抑制SPT活性可以阻斷神經酰胺的從頭合成。多球殼菌素是一種經典的SPT抑制劑，可以降低細胞內神經酰胺和鞘磷脂的含量。Campana et al[23]用多球殼菌素治療肥胖Zucker大鼠，發現在大鼠腦室內灌注多球殼菌素可降低下丘腦神經酰胺水平，提高下丘腦對胰島素的敏感性。

3.3 調節FFA水平，減少神經酰胺合成FFA可以通過多種通路，促進神經酰胺在細胞和組織中的積累，誘導胰島素抵抗。調節FFA水平，可能會成為一種干預胰島素抵抗的潛在的治療方法。最近有報道示，過量的SFA可以通過脂肪酸結合蛋白誘導肥胖小鼠骨髓來源的巨噬細胞產生細胞毒性神經酰胺，導致巨噬細胞死亡。在巨噬細胞中抑制脂肪酸結合蛋白可降低飽和脂肪酸誘導的神經酰胺的產生，從而減少細胞死亡[24]。

3.4 干預相關蛋白的表達和活性，促進神經酰胺代謝酸性神經酰胺酶可以使神經酰胺去?；?，促進其代謝。Xia et al[25]誘導了一種特異性表達酸性神經酰胺酶的小鼠，揭示神經酰胺水平的下降使得PKCζ的活性下調，進而減少肝脂肪變性，改善胰島素抵抗。

脂聯素是一種由脂肪組織分泌的抗糖尿病和保護心臟的分子。Holland et al[26]發現脂聯素受體在肝臟的過表達也可以降低神經酰胺在肝臟和血清中的水平。最近對純化的脂聯素受體的研究[27]證實了這一機制。脂聯素受體具有配體激活的神經酰胺酶活性，其晶體結構與神經酰胺酶非常相似。Obata et al[28]通過細胞實驗發現脂聯素/T-鈣黏蛋白系統可以增強外泌體的合成和分泌，下調細胞神經酰胺的含量。

3.5 形成健康行為，抑制神經酰胺的合成并促進其代謝健康行為的養成也可逆轉肥胖狀態引起的神經酰胺的升高。一項地中海飲食干預的病例-隊列研究[29]中，研究者發現血漿神經酰胺濃度與心血管疾病風險有很強的正相關，并且地中海飲食干預可能減輕血漿神經酰胺含量升高帶來的潛在的心血管危害。另一項多中心隨機飲食干預研究[30]顯示健康的北歐飲食也可以降低神經酰胺水平，改善心臟代謝。Shepherd et al[31]發現在連續運動訓練后的的肥胖男性的肌肉中，總神經酰胺的水平是降低的，短期短跑間歇運動總神經酰胺水平降低10%，中等強度持續運動可降低7%，并且發現運動可顯著降低C18:0神經酰胺水平。

4 展望

神經酰胺可以通過抑制胰島素信號傳導、促進細胞凋亡、損害線粒體功能和調節炎癥反應等機制，誘導胰島素抵抗，促進肥胖和肥胖相關疾病的發生發展。神經酰胺的代謝途徑為調控神經酰胺水平提供了可能的靶點，如SPT，這也可能會成為治療肥胖癥的有效手段。雖然神經酰胺介導的眾多通路已被闡明，但仍有許多問題尚不清楚。首先，不同種類的神經酰胺的具體功能仍沒有明確；其次，神經酰胺在脂肪組織中的功能是否與上述作用一致，這還尚未完全清楚；再者，目前關于神經酰胺的定性與定量的研究較少，還需要進一步深入研究。