高果糖飲食誘導代謝綜合征的分子機制研究進展

甘倩云，孫學謙，宋歌，彭文婷，徐美虹，綦文濤,1?

（1. 上海理工大學 健康科學與工程學院，上海 200093；2. 國家糧食和物資儲備局科學研究院 糧食品質營養研究所，北京 100037；3. 山東西王糖業有限公司技術中心，國家玉米深加工產業技術創新中心，山東 濱州 256209；4. 北京大學 公共衛生學院，北京 100191）

果糖（Fructose）是一種單糖，是葡萄糖的同分異構體，分子式是 C6H12O6。自上世紀五十年代以來，果糖作為甜味劑，廣泛用于食品工業[1]。除了果糖的價格低廉外，其較好的口感也使得果糖的消費量不斷升高。果糖攝入并不能減少胃分泌饑餓素（Ghrelin），所以單獨攝入果糖時，給人帶來的飽腹感很低，導致一次性攝入大量果糖，增加食物的總熱量[2]。

而高劑量的果糖攝入會導致代謝綜合征的發生。如過量的果糖攝入已被證明會促進脂肪生成，在肝臟中囤積脂肪，引發肥胖[3-4]和非酒精性脂肪性肝?。∟on-alcoholic fatty liver disease，NAFLD）[5-6]，導致人體代謝異常，并引起一些并發癥，比如胰島素抵抗和Ⅱ型糖尿病[7]等。高劑量果糖攝入還會在代謝過程中累積大量的中間產物，這些產物也會對機體造成影響。比如，果糖在代謝過程中會快速并大量的消耗三磷酸腺苷（ATP），且這一過程不可逆，最終造成一磷酸腺苷（AMP）在體內積累，刺激 AMP脫氨基酶活性增加，并使 AMP轉化為尿酸，而尿酸的逐漸積累會誘發高尿血酸癥[8]。因此，近年來，果糖的健康效應和安全性得到了大量的關注，與之相關的研究也逐漸成為熱點。

現代營養學要求從分子水平上深入揭示營養物質在體內的作用機制，如信號轉導、基因表達和蛋白修飾等，并用分子生物學技術評價營養的需要量和食物的營養價值。本論文針對果糖影響研究較多的肥胖和非酒精性脂肪型肝炎等代謝綜合征，對其攝入所調控的分子信號通路進行了綜述分析，以期為果糖的合理消費和生物學效應的深入研究提供參考。

1 果糖的吸收和代謝

1.1 果糖的吸收

果糖進入體內后，首先在小腸內被吸收并轉化為葡萄糖和其他代謝物，攝入低劑量果糖時，90%的果糖會被小腸吸收，當果糖劑量≥1 g/kg，超過腸道對果糖的吸收能力，多余的果糖會在肝臟中代謝，甚至到達結腸，作為結腸中微生物的養料，并影響菌群結構[9-10]。當人體攝入 3 000千卡飲食時，若果糖的占比達到40%時會導致腹瀉[11]。果糖和其他單糖如甘露糖和半乳糖從腸道被吸收后，須經肝臟轉化為葡萄糖才能被機體利用。人體中的己糖轉運是由基因家族 SLC2A中的GLUT（Glucose transporters，葡萄糖轉運體）蛋白介導的，而只有GLUT2（Glucose transporters type 2）和 GLUT5（Glucose transporters type 5）這兩個蛋白明顯具有促進果糖轉運的能力。其中GLUT5轉運果糖的能力更突出，GLUT5不需要依賴 Na+轉運子就可以完成果糖運輸。進入體內的果糖首先由腸上皮細胞表面的 GLUT5特異性地通過跨頂膜運輸轉運到細胞質，然后由GLUT2從細胞質運輸到門靜脈血液中[12]，但其流出機制暫不明確[13]。

1.2 果糖的代謝

果糖被果糖激酶（Ketohexokinase，KHK）磷酸化，從而保持腸腔到胞漿的梯度便于果糖的攝取。KHK缺失會降低果糖的轉運率[14]。果糖代謝和葡萄糖代謝有所不同，在葡萄糖代謝過程中，磷酸果糖激酶能夠催化6-磷酸果糖轉化成1,6-二磷酸果糖，但它會被ATP和檸檬酸鹽抑制，因此也被稱作葡萄糖代謝過程中的限速酶，這一過程也是限速步驟。然而在果糖代謝中不需要經過限速酶的作用，完全避開了這一過程，所以果糖代謝比葡萄糖更容易。部分果糖在腸道、肝臟、腎臟和大腦等多種組織中，果糖先被果糖磷酸激酶磷酸化為1-磷酸果糖，然后由醛縮酶催化裂解為磷酸二羥基丙酮和甘油醛。甘油醛可以通過丙糖激酶轉化為3-磷酸甘油醛，然后進入糖酵解代謝過程[11]，同時磷酸二羥基丙酮也會轉化成 3-磷酸甘油醛和3-磷酸甘油，然后3-磷酸甘油在?；o酶A的作用下轉化成?；视?，最后和載脂蛋白結合形成脂蛋白，一般是極低密度脂蛋白[15]。還有部分的果糖被代謝成葡萄糖和乳酸，乳酸也是一種糖異生底物。當果糖增加葡萄糖生成時，大部分葡萄糖被肝臟吸收，通過刺激葡萄糖 K-酶生成葡萄糖-6-磷酸，然后用于產生糖原[16]。因此，果糖也能促進糖異生和糖原積累。

2 果糖調控多個信號通路

2.1 果糖與PI3K/AKT信號通路

磷脂酰肌醇 3-激酶（PI3K）/蛋白激酶 B（AKT）信號通路在控制基本細胞功能中起著至關重要的作用，包括但不限于調控細胞增殖、存活、新陳代謝等[17]。PI3K分為三類，分別是Ⅰ類、Ⅱ類和Ⅲ類PI3K，其中Ⅰ類PI3K的研究最為普遍，它是由p110催化亞基和p85調節亞基組成的異源二聚體，通過激活下游酪氨酸激酶來發揮自身的功能[18]。絲氨酸和蘇氨酸激酶AKT，也稱為蛋白激酶 B，也有三種亞型，AKT1，AKT2和AKT3[19]。其中AKT1和AKT2大多存在于組織中，而 AKT3主要在大腦中表達[20]。PI3K/AKT信號通路的下游信號有很多，比如胰島素受體底物-1（IRS-1）和GLUT1等蛋白，以及線粒體氧化磷酸化（OXPHOS）等通路[21]。

Hsiao Huang Chang等[22]將形成鈣化重要來源的人瓣膜間質細胞（HVICs）與果糖共同孵育24 h，實驗結果表明，高果糖組PI3K P85、AKT、p-AKT和p-IRS1的表達顯著增加，IRS1的表達無顯著變化。同時結果發現高果糖攝入會通過激活PI3K/AKT線粒體OXPHOS通路，使人血管內皮細胞提前鈣化，最終造成主動脈瓣狹窄。Xiaofang Chen等[23]使用10%果糖溶液喂養SD大鼠，試驗結果表明，高果糖飲食組大鼠總PI3K和AKT表達水平顯著增加，GLUT1水平也顯著高于對照組，且大鼠的主動脈厚度明顯增加。因此，通過這些結果我們可以得出如下推論，即高果糖飲食通過誘導PI3K的高表達，從而激活AKT信號，并進一步激發下游GLUT1和線粒體OXPHOS信號通路，導致血管受到損傷，甚至發展為心血管疾病，如圖1所示。

圖1 果糖對PI3K/AKT信號通路的調控Fig.1 Regulation of PI3K/AKT signaling pathway by fructose

2.2 果糖與NF-κB信號通路

核轉錄因子-κB（nuclear factor-kappa，NF-κB），屬于 Rel家族，廣泛存在于各類細胞中。NF-κB家族有 5 個成員，包括 NF-κB1（p50）、NF-κB2（p52）、RelA（p65）、RelB和 c-Rel，通常所說的 NF-κB蛋白，是指 p65/p50亞單位構成的 NF-κB1二聚體蛋白；RelB/p52亞單位形成NF-κB2二聚體蛋白[24-25]。在正常狀態下，NF-κB通常與其抑制蛋白IκB結合，以非活性方式儲存在細胞質中，NF-κB激活信號在有效刺激下激活 IκB 激酶（IKK），誘導IκB磷酸化和釋放，從而消除IκB對NF-κB的抑制作用[26]，活化NF-κB通路，此外，p65的翻譯后修飾，也調節NF-κB通路活性[27]，促進下游炎癥相關基因的轉錄和表達，在機體免疫、組織炎癥、細胞增殖、分化和凋亡等方面發揮調控作用。

Chao Wang等[28]研究發現，SD大鼠喂食35%的果糖飲食 4、8、12 周后，NF-κB 通路中的 IKKβ、IκB和 NF-κB/p65等蛋白的表達水平上調，且以時間依賴性的方式顯著激活，并引起大鼠血清中的脂質增加、肝臟中脂質積累以及胰島素抵抗。Jaiswal N.等[29]使用不同濃度的果糖（5～25 mmol/L）分別培養樹突狀細胞（DC）24、48和72 h，發現細胞中IκB-α磷酸化使蛋白質泛素化并導致NF-κB激活和p65蛋白易位到細胞核，導致 DC細胞發生炎癥反應。Veli?kovi?等[30]使用 20%果糖飼料喂養Wistar 大鼠9周后發現，NF-κB通路的激活以及肝臟內炎癥因子IL-1β和TNF-α等的表達升高。還有研究證明妊娠和哺乳期間過量攝入果糖會抑制神經元PPARγ（過氧化物酶體增殖物激活受體 γ）的核表達，進而誘導膠質細胞NF-κB的表達增加，導致促炎細胞因子的積累和脂質的過氧化，最終引起成年雌性后代的CA1、CA3和DG出現輕度海馬神經炎癥，即母體高果糖飲食會通過抑制成年雌性后代的 PPARγ表達來觸發NF-κB相關的神經炎癥和氧化應激[31]。通過上述結果的分析可以推斷，高果糖飲食會通過誘導 IKK活性或抑制 PPARγ表達，提高機體NF-κB表達活性，從而誘發脂質積累和胰島素抵抗，NF-κB的活化還會導致下游炎癥信號通路的激活，產生更多的炎癥因子和相關并發癥，如圖2所示。

圖2 果糖對NF-κB信號通路的調控Fig.2 Regulation of the NF-κB signaling pathway by fructose

2.3 果糖與JAK-STAT信號通路

JAK（Janus kinase，Janus激酶）-STAT（signaling transducer and activator of transcription，信號轉導和轉錄激活劑）信號通路是近年來發現的一種簡單的膜到核信號通路，也是一條由細胞因子刺激的信號轉導通路[32]。它主要由酪氨酸激酶相關受體（接收信號）、酪氨酸激酶 JAK（傳遞信號）和轉錄因子 STAT（產生效應通路）這三個成分組成。JAK激酶家族有4種非受體酪氨酸激酶，分別是：JAK1、JAK2、JAK3和 TYK2。STAT蛋白家族則包括7個結構和功能相關的蛋白，主要的有STAT1、STAT2和STAT3[33]。當細胞因子配體與受體結合后可以磷酸化激活JAK，并磷酸化下游靶蛋白 STAT，然后使其二聚體化后，易位到細胞核內與特定的 DNA序列結合，激活或者抑制下游基因的轉錄[34]，以此來調節細胞的分化、增殖、凋亡和炎癥反應等許多重要的生物學過程[35]。

Guang-YaoZhou等[36]用10%的果糖水溶液喂養SD大鼠5周，發現果糖上調了大鼠肝臟中p-JAK2、p-STAT3及下游 Bcl-xL、Cyto-c、Caspase-9和Caspase-3等蛋白的表達，并導致大鼠肝炎的發生。Chao Wang等[28]研究發現，果糖攝入誘導了JAK/STAT通路中的JAK2和STAT3蛋白水平的上調，激活炎癥通路并導致全身性鐵缺乏和肝臟鐵蓄積。Yan-zi Yang等[37]喂養SD大鼠10%果糖溶液連續17周，結果發現高劑量果糖攝入在激活了 JAK2/STAT3信號通路的同時，還激活了TGF-β1/Smad信號傳導，導致大鼠肝纖維化的產生。通過上述結果的分析可以推斷，高劑量的果糖可以直接或通過細胞因子誘導JAK2/STAT3信號通路的活性，激活炎癥通路，引起肝臟炎癥；或通過激活TGF-β1/Smad通路，誘發肝臟炎癥甚至肝纖維化的發生，從而引起肝臟病變，如圖3所示。

圖3 果糖對JAK-STAT信號通路的調控Fig.3 Regulation of the JAK-STAT signaling pathway by fructose

2.4 果糖與AMPK信號通路

AMPK（AMP-activated protein kinase，AMPK，AMP激活蛋白激酶）是絲/蘇氨酸蛋白激酶，對調節真核生物細胞和機體代謝的能量平衡起關鍵作用[38]，幾乎包含生命體的整個生理代謝活動。當細胞內二磷酸腺苷/三磷酸腺苷（ADP/ATP）的比率升高，會導致 AMP/ATP的比率更大程度升高，此時代表著細胞能量不足，AMPK被磷酸化激活[39-40]。AMPK激活可以阻止胰島素抵抗和肝臟炎癥[41]，從而恢復糖尿病患者肝臟和其他組織的正常功能[42]。鈣/鈣調素依賴蛋白激酶（CaMKK）β和肝激酶 B1（LKB1）是級聯中的兩個上游激酶，當CaMKK被鈣離子激活，或LKB1與其輔助因子STRAD和MO25組成異源三聚體時，使AMPK信號通路被激活[43]。

目前有多個研究發現，通過調控AMPK信號通路扭轉高果糖引起的脂肪積累過程。LiXin Tan等[44]用60%的果糖飼料（HFD）喂養大鼠6周后注射吡格列酮（PPARγ的激活劑），結果發現吡格列酮通過增加 p-AMPK基因的表達，降低了HFD大鼠的體重增加速度和內臟脂肪重量。果糖在代謝過程中會快速并大量消耗ATP，有研究發現，高果糖產生大量 6P-葡萄糖，導致胰島素抵抗和 ATP耗竭，而安特羅丹(Antrodan)可通過刺激 AMPK磷酸化誘導 Sirt1的表達，Sirt1與pAMPK一起抑制高果糖誘導的脂肪酸合成酶（FAS）活性和總甘油三酯（TG）水平，減輕或改善非酒精性脂肪肝疾病[45]，即 AMPK磷酸化是抑制高果糖誘導的脂質積累的關鍵途徑。另有研究發現，C57BL/6型小鼠在含有35%果糖的飲食下飼養8周后，AMPK、p-AMPK和p-胰島素受體1（pIRS1）表達量降低，并導致更高的胰島素抵抗和胰島素信號傳導失敗。高果糖飲食還被發現能夠抑制痩素（Leptin）和脂聯素（Adiponectin）的表達[46]。而兩者可分別通過痩素受體（Ob-Rb）和脂連素受體（AdipoR）誘導CaMKK通路活性，從而激活AMPK通路。因此，我們可以推斷，高劑量果糖的攝入會通過兩條途徑抑制 AMPK信號通路活性，一是通過能量失衡降低 ADP/ATP比率，抑制AMPK磷酸化水平，進而誘發胰島素抵抗或肝臟炎癥；二是通過抑制瘦素和脂聯素表達水平，阻止CaMKK被鈣離子激活，抑制AMPK磷酸化水平，促進肝臟脂肪的積累從而導致NAFLD的高風險，如圖4所示。

圖4 果糖對AMPK信號通路的調控Fig.4 Regulation of the AMPK signaling pathway by fructose

2.5 果糖與MAPK信號通路

MAPK（絲裂原活化蛋白激酶）級聯在將細胞外信號轉導到細胞核內的過程中起著關鍵作用，MAPK位于蛋白激酶級聯反應中，有三級的信號傳遞過程：MAPK，MAPK激酶（MAPKK）以及 MAPK激酶激酶（MAPKKK）[47]。這三種激酶能依次激活，共同調節著細胞的生長、分化、應激、炎癥反應等多種重要的生理和病理效應[48]。至少有三種不同的 MAPK信號通路：細胞外信號調節激酶（ERK MAPK），c-Jun NH2-末端激酶或應激激活蛋白激酶（JNK或SAPK）和 p38MAPK[49]。

Wei Wang等[50]發現高果糖喂養的大鼠腎小球內，活性氧ROS增加，并進一步誘導了p38MAPK的磷酸化和硫氧還蛋白互作蛋白（TXNIP）的表達，從而激活了 NLRP3結節樣受體炎性小體產生 IL-1β。這一系列過程促進了果糖誘導的腎小球足細胞損傷過程中的氧化應激和炎癥反應。Steve Leu等[51]發現，MFE（母體果糖暴露）的孕期和哺乳期大鼠減少了血管形成活性。進一步的蛋白表達分析表明大鼠循環外周血單核細胞中p38MAPK、JNK 和 ERK等的磷酸化水平被MFE上調。即孕期和哺乳期的母體果糖攝入過高會調節EPC（內皮阻細胞）的數量和血管生成活性，并導致由血流恢復不佳引起的缺血性損傷。因此，上述結果分析表明，果糖對MAPK信號通路的調節主要通過誘導關鍵酶p38MAPK、JNK和ERK的磷酸化水平，從而引起一系列的反應誘發炎癥和血管損傷，如圖5所示。這也是過量果糖攝入誘發心血管疾病風險的內在機制。

圖5 果糖對MAPK信號通路的調控Fig.5 Regulation of MAPK signaling pathway by fructose

2.6 果糖與Toll樣受體信號通路

Toll樣受體（Toll-like Receptors，TLRs）是一種跨膜蛋白，通過識別來自不同微生物的病原體相關分子模式，在自然免疫系統中發揮著重要作用[52]。TLRs信號通路有兩種途徑：髓細胞分化因子 88（MyD88）依賴性信號通路和 MyD88非依賴性信號通路[53]。TLRs家族成員有11個，除TLR3是通過TRIF（MyD88適配體樣蛋白）來介導下游信號外，所有的 TLRs都可以通過MyD88 介導下游的信號（MyD88依賴性信號通路）。而TLR4比較特別，它是唯一一個可以同時利用MyD88和TRIF作為信號接頭分子啟動下游TRAF 信號[54]。

Khalid等[55]研究發現，使用15%的果糖水溶液喂養GK大鼠（成年期會發展為Ⅱ型糖尿病的非肥胖品系大鼠）14周，其心臟和主動脈中的TLR4蛋白表達量顯著增加，并且發現炎癥標志物和TLR4信號轉導的特定下游靶標信號NF-κB蛋白表達量也顯著增加，這表明高劑量果糖會通過心臟與血管組織中的TLR4過度激活，來誘發炎癥并進一步損害糖尿病大鼠的心血管功能，增加血壓。Junxia Zhang等[56]用高果糖飲食誘導大鼠高尿酸血癥，發現尿酸可以上調大鼠脂肪細胞中TLR2和TLR4 mRNA的表達量，進一步地增加炎性細胞因子并上調組織中的腎素–血管緊張素（RAS），引起收縮壓（SBP）升高。通過上述結果分析我們可以推測，高劑量果糖攝入可通過Toll樣受體信號通路導致炎癥反應，并誘導NF-κB和RAS等的表達，從而影響心血管功能并誘發高血壓等疾病，如圖6所示。

圖6 果糖對Toll樣受體信號通路的調控Fig.6 Regulation of Toll-like receptor signaling pathway by fructose

3 結論與展望

果糖與健康的關系一直是學術爭論的熱點。一致的數據表明，過量的果糖攝入是不健康生活方式的重要因素，也是誘導多種代謝綜合征發生的危險因素?，F代科學的發展，使我們從分子水平更深入地認識到了這一點。本文通過繪制信號通路簡圖的方式，綜述了果糖攝入調控的信號通路變化及可能導致的健康效應。通過分析可以發現，高果糖誘發的心血管疾病主要是其激活了AKT、MAPK和Toll樣受體等信號通路，進一步激發下游GLUT1和線粒體OXPHOS信號通路，以及NF-κB等通路，并引起一系列的炎癥反應，導致血管受到損傷，從而影響心血管功能并誘發高血壓等疾病。高果糖誘導脂肪積累、炎癥和NAFLD主要是通過誘導NF-κB、JAK2/STAT3和AMPK等通路的表達活性，并進一步地通過JAK2/STAT3信號通路的調控誘發肝臟纖維化和胰島素抵抗等相關疾病。同時，通過分析這些通路的變化也可以發現，在高果糖誘導代謝綜合征相關疾病時，幾乎都伴隨著炎癥反應的發生，因此，炎癥可能是抑制高果糖引起的代謝綜合征的有效靶點。

此外，果糖對健康的影響還與其攝入劑量密切相關，上述對健康的不利影響多發生在高果糖攝入的情況下。根據我們之前的調查研究發現，當人果糖攝入劑量＞100 g/d時，會增加血漿總甘油三酯（TG）、總膽固醇（TC）和低密度脂蛋白膽固醇（LDL-C）水平；而等熱量的果糖替代其他碳水化物則有利于血糖及糖化血紅蛋白的控制；果糖攝入劑量＜90 g/d時，與糖尿病的發病無關；膳食果糖供能比在5.9%～9.4%之間時有益于血壓控制，超過 9.4%則會增加高血壓的發病風險[57-59]。

總之，關于果糖與健康之間的關系，已深入到分子水平研究其對機體的作用機制。然而，目前關于果糖對信號通路的調控多集中在其對一個或兩個通路的影響研究，及其引起的機體健康反應。果糖對這些通路影響的關聯和互作機制研究還不多見。此外，近年來，隨著腸道菌群研究的展開，越來越多的研究還發現，高劑量的果糖會通過改變腸道菌群結構并減少結腸的粘膜厚度[60]，從而增加腸道的通透性，這使得腸腔微生物更容易進入結腸粘膜，誘發結腸炎等疾病。因此，在未來的研究中，可以將已知通路作為果糖的研究靶點，研究不同通路之間的關聯性及其與腸道菌群之間的關系；或通過基因組學、轉錄組學和代謝組學等新方法對果糖可能調控的未知通路進行篩查和調控，從而為科學合理的攝入果糖提供有效支撐。