張 晶，李 昊，師建輝，章衛(wèi)平

（海軍軍醫(yī)大學病理生理學教研室，上海200433）

隨著社會經濟的發(fā)展，肥胖、糖尿病、脂肪肝、高血脂和痛風等代謝性疾病的患病率在全球呈現(xiàn)快速上升趨勢。這些代謝性疾病可進一步發(fā)展為動脈粥樣硬化、高血壓和冠心病等心血管疾病或腎臟疾病，嚴重危害人們的身心健康和社會發(fā)展。因此，代謝性疾病及其相關心血管疾病已經成為我國公共衛(wèi)生領域的重大挑戰(zhàn)。

大量的流行病學資料和實驗研究表明，果糖（fructose）攝入過量可能是代謝性疾病發(fā)病率升高的重要因素［1］。由玉米淀粉加工而成的高果糖玉米糖漿，具有成本低、甜度高等優(yōu)點，作為甜味劑廣泛應用于現(xiàn)代食品工業(yè)，添加于各種加糖飲料和甜點中，成為現(xiàn)代生活方式下果糖攝入的主要來源。果糖與葡萄糖的分子量完全相同，但二者的體內代謝路徑存在很大差別［2］。果糖攝入過量可引起內臟脂肪積聚，導致肥胖、高血脂、高血壓、胰島素抵抗和高尿酸血癥，引起糖尿病、脂肪肝和痛風等代謝性疾?。?-4］。因此，研究并闡明果糖代謝的特征及其調節(jié)機制，不僅具有重要的科學意義，還可望為代謝綜合征的診斷和防治提供理論基礎和分子靶標，具有潛在臨床應用價值。

1 果糖代謝的特點

1.1 果糖代謝的生化特征 果糖在哺乳動物體內的代謝路徑和代謝中間產物與葡萄糖有顯著差異，可產生獨特的代謝效應。細胞內的葡萄糖首先由葡萄糖激酶催化為6-磷酸葡萄糖，經一系列反應后進入糖酵解途徑。而果糖經果糖激酶催化為1-磷酸果糖，然后在醛縮酶B的作用下，直接分解為磷酸二羥丙酮和甘油醛；甘油醛磷酸化為磷酸甘油醛，進行后續(xù)的糖酵解。與葡萄糖激酶不同的是，果糖激酶不受底物的負反饋調節(jié)，因此，細胞攝取的果糖能被快速磷酸化；在果糖攝入過多的情況下，果糖的快速磷酸化可消耗大量ATP和磷酸。磷酸基團的減少會刺激AMP脫氨酶（AMP deaminase，AMPD），催化AMP降解為次黃苷酸，提高嘌呤降解率。在黃嘌呤氧化還原酶（黃嘌呤脫氫酶和黃嘌呤氧化酶）的作用下，次黃嘌呤被氧化為黃嘌呤，最終轉變?yōu)槟蛩帷：蛧X類動物不同，人先天缺乏尿酸酶，因此果糖攝入過量促進尿酸生成，可導致血尿酸水平升高。

1.2 果糖代謝的穩(wěn)態(tài)維持 外周血中的果糖濃度很低，通常維持于0.04 mmol/L左右。經消化道攝入果糖后，血中果糖濃度可升高10倍左右，2 h后降至正常水平。以往認為，肝臟是體內清除果糖的主要器官。最近的小鼠13C示蹤實驗提示小腸在果糖代謝中發(fā)揮重要作用［5］。攝入的低劑量果糖主要在小腸上皮細胞中轉變?yōu)槠咸烟呛陀袡C酸等代謝產物；而過量果糖由于超過小腸的處理能力，可經門靜脈到達肝臟等器官代謝。

葡萄糖轉運蛋白 5（glucose transporter 5，GLUT5）是小腸吸收果糖的主要轉運子，主要分布于小腸上皮細胞的刷狀緣［6］。GLUT5是果糖的特異性高親和力受體，而GLUT2作為葡萄糖的主要轉運子，對果糖的親和力要低得多。果糖攝入可誘導小腸上皮細胞表達GLUT5，從而促進果糖的吸收。然而，與葡萄糖不同，腸道對果糖的吸收很容易達到飽和。據(jù)估計，成人每天吸收果糖的飽和劑量為5～50 g。腸道中未被吸收的多余果糖可經糞便排出，也可被腸道細菌水解利用，從而影響到腸道菌群的穩(wěn)態(tài)，并可導致腸道屏障功能受損，誘發(fā)炎癥、腸道脹氣和腹痛腹瀉。同時，小腸壁滲透性升高促進內毒素經門靜脈吸收入血。新生兒的小腸GLUT5表達水平極低，且缺乏正反饋調節(jié)機制，容易出現(xiàn)果糖吸收不良［6］。有研究表明，慢性果糖暴露能通過上調GLUT5提高成年小腸上皮細胞的果糖吸收能力，也能加強小腸上皮的脂質合成［7］。

2 果糖代謝的調節(jié)

機體主要通過激活果糖代謝關鍵酶的基因轉錄來實現(xiàn)對果糖代謝的調節(jié)。大量的實驗證據(jù)表明，碳水化合物反應元件結合蛋白（carbohydrate response element binding protein，ChREBP）是調節(jié)果糖代謝的關鍵性轉錄激活因子。

2.1 ChREBP的生化特征 最初發(fā)現(xiàn)ChREBP是調節(jié)肝型丙酮酸激酶（liver-type pyruvate kinase，LPK）基因的轉錄激活因子，對葡萄糖等碳水化合物具有反應性。通常情況下，ChREBP以與Mlx形成異源二聚體的形式發(fā)揮轉錄調節(jié)作用。二者都屬于HLH家族的成員，含有螺旋-環(huán)-螺旋（helix-loop-helix，HLH）結構域。由于所用啟動子和第1外顯子的差異，ChREBP蛋白有α和β兩種不同的亞型，ChREBP-β與ChREBP-α的mRNA轉錄由完全不同的啟動子控制，兩者的第1個外顯子不同，其它外顯子完全一致。ChREBP-α的N端含有一個低糖抑制區(qū)；而ChREBP-β比ChREBP-α少77個氨基酸殘基，相當于N端截短的ChREBP-α，不含低糖抑制區(qū)。正常細胞中存在的ChREBP主要是α亞型，可以在胞漿與胞核之間穿梭；而β亞型主要分布于核內，蛋白水平非常低，用現(xiàn)有的抗體和常規(guī)方法一般難以檢測到，但是體外的轉錄活性比α亞型要強很多，推測可能是ChREBP的效應形式［8］。在不同飲食條件下，ChREBP-β mRNA表達水平的波動幅度要明顯高于ChREBP-α。ChREBP-β是ChREBP的直接靶基因，其第1個外顯子下游含有一個不典型的ChoRE序列。鑒于ChREBP的基因結構特點，目前還缺乏將ChREBP-β與ChREBP-α的體內功能進行甄別的有效手段。

2.2 ChREBP與果糖耐受 2004年，Uyeta實驗室利用所建立的ChREBP全身性基因敲除小鼠模型，首次發(fā)現(xiàn)該基因的缺陷導致動物對果糖不耐受。該模型小鼠肝臟脂質從頭合成能力明顯受損，同時肝糖原含量升高約3倍，在普食和高淀粉飲食時一般情況良好，血糖血脂水平并無明顯異常；但在高果糖或高蔗糖喂養(yǎng)時，一周內即出現(xiàn)體溫降低，甚至死亡，表明ChREBP是維持機體果糖耐受所必需的關鍵性轉錄因子，在調節(jié)果糖代謝中發(fā)揮重要作用。ChREBP在肝臟、小腸和脂肪等組織中高表達。利用組織特異性基因敲除小鼠研究發(fā)現(xiàn)，腸道ChREBP在調節(jié)GLUT5表達和果糖吸收中發(fā)揮重要作用，是果糖耐受所必需的。

基于全身性基因敲除小鼠模型的研究顯示，ChREBP通過調節(jié)肝臟葡萄糖-6-磷酸酶催化亞基（glucose-6-phosphatase catalytic subunit，G6PC）基因表達，參與果糖轉變?yōu)槠咸烟沁@一代謝過程，提示ChREBP在調節(jié)肝臟果糖代謝過程中還是發(fā)揮重要作用［9］。然而，肝臟ChREBP在果糖耐受中的作用仍存在很大爭議。利用ChREBP全身性敲除小鼠的研究結果顯示，果糖攝入可引起該模型小鼠的肝臟毒性，并伴有肝臟膽固醇含量增加［10］，提示ChREBP對高果糖損傷的肝臟具有保護作用，其機制可能通過抑制膽固醇合成以及促凋亡的非折疊蛋白反應有關。由于該模型小鼠可能存在腸道果糖吸收障礙及其誘發(fā)的炎癥反應，可能影響實驗結果的解讀。另一項研究報道，ChREBP肝臟特異性敲除小鼠在高果糖飲食時盡管肝臟膽固醇含量降低，肝臟結構并沒有顯著異常，據(jù)此認為肝臟ChREBP與果糖耐受無關。然而，該研究并沒有在正常小鼠中觀察到果糖對ChREBP經典靶基因LPK的激活作用，也許實驗體系欠佳。因此，肝臟ChREBP在果糖耐受和代謝中的確切作用還有待于利用合適的動物模型和實驗體系加以評價和驗證。

2.3 ChREBP的營養(yǎng)感應機制 目前認為，胞漿中的ChREBP-α在碳水化合物營養(yǎng)信號的刺激下，轉位入核，并激活ChREBP-β及其下游糖脂代謝靶基因。有關調節(jié)ChREBP-α核漿轉位及其活性的關鍵性糖代謝產物，目前仍然存在爭議［11］。早期認為，磷酸戊糖途徑的木酮糖-5-磷酸（xylulose-5-phosphate，Xu-5P）是調節(jié)ChREBP入核和轉錄活性的重要信號分子。在低葡萄糖情況下，細胞內cAMP水平升高，活化的蛋白激酶A（protein kinase A，PKA）介導ChREBP-α發(fā)生Ser196磷酸化，導致其N端與14-3-3結合，滯留于胞漿中。在高糖情況下，代謝產物Xu-5P特異性激活蛋白磷酸酶2A（protein phosphatase 2A，PP2A），后者使ChREBP-α在入核信號附近的Ser196發(fā)生去磷酸化，從而促進其入核。然而，在果糖激活ChREBP時，并沒有觀察到肝臟Xu-5P含量的增加［12］。基于胰島細胞瘤和肝母細胞瘤細胞HepG2的體外研究發(fā)現(xiàn)，葡萄糖-6-磷酸（glucose 6-phosphate，G-6-P）可直接激活ChREBP，而不影響Xu-5P含量和PP2A的活性［13］，即G-6-P才是肝臟中對葡萄糖反應性ChREBP激活的必需物。過表達葡萄糖-6-磷酸脫氫酶以提高Xu-5P的含量，反而抑制ChREBP-α的活性，推測與G-6-P過度消耗有關。迄今為止，有關G-6-P激活ChREBP的機制并不清楚，而其作為ChREBP感受營養(yǎng)刺激的信號分子也尚未在體內得到驗證。此后還有研究發(fā)現(xiàn)，酮體和AMP也能結合ChREBP-α，通過變構調節(jié)、促進ChREBP-α與14-3-3的結合，從而抑制其核轉位［14-15］。因此，迄今為止，ChREBP營養(yǎng)感應的確切機制還不清楚。

蛋白翻譯后修飾狀態(tài)不僅影響ChREBP-α的核漿穿梭，還與其轉錄活性密切相關，是研究ChREBP-α活性調節(jié)的重要切入點。Xu-5P與PP2A還可通過介導ChREBP-α蛋白Thr666的去磷酸化，激活ChREBP-α的轉錄活性。此外，乙?；蚈連接的N-乙酰葡萄糖胺（O-linkedN-acetylglucosamine，OGlcNAc）糖基化也是調節(jié)ChREBP-α轉錄活性的重要方式，抑制小鼠體內這兩種修飾可防止發(fā)生肥胖誘導的脂肪肝［16-17］。乙酰轉移酶p300介導的Lys672乙?；稍鰪奀hREBP-α的轉錄活性，但這種乙酰化修飾又可被鹽誘導激酶（salt-inducible kinase，SIK）介導的Ser89磷酸化所抑制［16］。葡萄糖刺激和O連接的N-乙酰葡萄糖胺基轉移酶（O-linkedN-acetylglucosaminyl transferase，OGT）介導的O-GlcNAc糖基化修飾可增強ChREBP-α的轉錄活性，推測可能與其蛋白穩(wěn)定性有關。轉錄因子FoxO1對該糖基化修飾具有抑制作用，推測可能與其抑制糖代謝有關［11］。目前，對ChREBP糖基化修飾的確切Ser/Thr位點還不清楚，對其蛋白降解機制的了解也很少。最新研究表明，miR-1322可以通過結合ChREBP的3’非翻譯區(qū)（3’-untranslated region，3’-UTR）來調節(jié)其表達［18］。

2.4 ChREBP的效應機制 盡管高果糖飲食可激活腸道ChREBP及其GLUT5等靶基因，然而ChREBP感受果糖刺激和激活下游靶基因的調節(jié)機制尚不清楚。在ChREBP的效應機制中，ChREBP-β的激活表達是一個重要的標志性事件。ChREBP-β在肝臟等組織中的表達很低，內源性蛋白很難檢測到，目前認為，ChREBP通路的激活模式是，葡萄糖刺激首先導致ChREBP-α/Mlx復合物激活入核，后者激活ChREBP-β的表達，然后由ChREBP-β和ChREBP-α共同激活下游的靶基因［8］。因此ChREBP-β的表達上調是ChREBP通路激活的重要標志。有關ChREBP-β在代謝調節(jié)和代謝性疾病中的作用正日益受到重視。

與固醇反應元件結合蛋白（sterol response element binding protein，SREBP）不同，ChREBP調控的靶基因要廣得多。已明確的ChREBP靶基因包括：糖代謝相關基因如LPK、G6PC、GLUT4、三磷酸甘油脫氫酶（glycerol-3-phosphate dehydrogenase，GPDH）和葡萄糖激酶調節(jié)蛋白（glucokinase regulatory protein，GKRP），脂代謝相關基因如脂肪酸合成酶（fatty acid synthase，F(xiàn)AS）、乙酰輔酶A羧化酶（acetyl coenzyme A carboxylase，ACC）、極長鏈脂肪酸延伸酶6（very-long-chain fatty acid elongase 6，Elovl6）、硬酯酰輔酶A去飽和酶1（stearoyl coenzyme A desaturase 1，SCD1）和微粒體甘油三酯轉運蛋白（microsomal triglyceride transfer protein，MTTP），以及具有重要糖脂代謝調節(jié)作用的成纖維細胞生長因子21（fibroblast growth factor 21，F(xiàn)GF21）和甲狀腺素反應性蛋白S14等［11］。部分靶基因主要是基于體外細胞株的生化分析，其生理意義尚未得到驗證。然而，這些靶基因中，僅LPK和S14啟動子含有由2個間隔5個核苷酸的E盒串聯(lián)而成（5’-CACGTGnnnnnCACGTG-3’）的典型ChoER序列，其它靶基因含有若干個散在的E盒序列。這種E盒最初其實是上游刺激因子（upstream stimulatory factor，USF）的識別元件。很早就有研究者提出，可能有另外的輔助因子（accessary factor）參與ChREBP識別并激活靶基因。然而，迄今為止，還不清楚ChREBP是如何識別這么多的靶基因。盡管LPK啟動子中存在ChREBP識別的特征性串聯(lián)E盒序列，然而，在GLUT5等大多數(shù)靶基因中沒有發(fā)現(xiàn)這種典型的順式作用序列，提示存在未知的ChREBP識別DNA模式。鑒于ChREBP-α和ChREBP-β在結構和活性方面的差異，兩者調控的靶基因是否可能存在差異也有待深入研究。因此，結合組織和細胞的轉錄組分析，利用全基因組的染色質免疫沉淀測序、電泳遷移率變動分析（electrophoretic mobility shift assay，EMSA）和啟動子報告基因活性等手段，綜合鑒定ChREBP靶基因，發(fā)現(xiàn)新的靶基因，闡釋靶基因介導的生物學功能，是深入揭示ChREBP效應機制的重要研究內容。有意思的是，盡管高果糖飲食可激活腸道ChREBP及其GLUT5等靶基因，然而ChREBP感受果糖刺激和激活下游靶基因的調節(jié)機制尚不清楚。

3 果糖攝入過量與代謝性疾病

3.1 代謝綜合征 盡管領域內對果糖攝入過量是否是當前代謝綜合征流行的主要原因還存在爭議，但是人群的橫斷面和前瞻性研究均顯示食用加糖飲料是代謝綜合征的獨立危險因素［19］。動物實驗和人群的干預研究證明，果糖攝入過量可導致脂肪肝、高甘油三酯血癥、血清低密度脂蛋白膽固醇（low-density lipoprotein chesterol，LDL-C）和載脂蛋白B升高以及高密度脂蛋白膽固醇（high-density lipoprotein chesterol，HDL-C）減低［7，20］。但是，很多干預研究都是短期的（少于4周），缺乏長期果糖攝入對心血管疾病影響的評估資料。另一方面，減少果糖攝入可以顯著緩解肥胖兒童的脂肪肝，抑制內源性脂質合成，改善胰島素敏感性［21］。

果糖能提供大量磷酸丙糖作為脂肪酸合成的促發(fā)物，從而高度促進脂肪合成；促進肝臟脂肪合成的主要轉錄因子SREBP-1c表達，而且這一效應不受胰島素水平的影響；激活肝臟轉錄因子ChREBP，上調肝臟FAS和ACC［22］。在糖耐量受損的2型糖尿病患者中，ChREBP在脂肪組織中表達降低而在肝臟中升高［23］。短時間攝入大量果糖還會升高餐后血漿甘油三酯，由于損害了富含甘油三酯的脂蛋白的清除率，長時間攝入果糖也能觀察到類似效應，導致高脂血癥。而且，嘌呤降解過程中會引起線粒體氧化應激［24］，從而誘發(fā)三羧酸循環(huán)中順烏頭酸酶的抑制，使檸檬酸鹽蓄積，刺激ATP檸檬酸鹽裂解酶和脂肪酸合酶，最終發(fā)生脂質的從頭合成和肝臟脂肪堆積。在膽固醇代謝方面，有臨床研究顯示，果糖攝入過多可影響血中的LDL-C和HDL-C水平［7，25］；最近的實驗室研究顯示，高果糖喂養(yǎng)可升高肝臟膽固醇含量，而肝臟ChREBP敲除則可阻斷這種效應，降低血清甘油三酯并升高外周胰島素敏感性［26］。這些資料都提示ChREBP可能介導了果糖對膽固醇代謝的調節(jié)作用。然而，該方面的研究沒有受到足夠重視，相關機制不清，也沒有將膽固醇代謝與ChREBP的營養(yǎng)感應機制聯(lián)系起來。鑒于膽固醇代謝涉及多器官參與的吸收、合成、轉運、清除和生物轉化等環(huán)節(jié)［27-31］，闡明ChREBP調節(jié)果糖相關的膽固醇代謝的細胞分子機制，可望揭示果糖攝入過量導致膽固醇代謝紊亂的病理機制，為代謝性疾病的防治提供理論基礎和新的策略。

果糖攝入過量也會使腸道滲透性增加，腸道菌群改變，導致血漿內細菌脂多糖（內毒素）升高。內毒素血癥反過來會激活炎癥信號通路，損害胰島素活動，導致胰島素抵抗［32］。在胰島素抵抗的情況下，異位脂肪蓄積更嚴重，這會產生脂質來源的毒性代謝物，如甘油二脂、脂肪乙酰輔酶A和神經酰胺。這些代謝物的存在會導致胰島素受體底物1（insulin receptor substrate-1，IRS-1）絲/蘇氨酸磷酸化的增強，從而削弱胰島素信號轉導。高果糖飲食的小鼠在進行抗生素治療后不會再有內毒素血癥或脂肪肝，表明果糖的部分代謝效應是受腸道菌群介導的［33］。

3.2 高尿酸血癥和痛風 人群的橫斷面研究顯示，食用加糖飲料能顯著增加高尿酸血癥和痛風的風險。大部分哺乳類動物能在尿酸酶作用下，將尿酸降解為尿囊素，后者又進一步轉變?yōu)槟蛩?，因而體內尿酸水平較低（0.5～2.0 mg/dL）。不同于其他哺乳類動物，人類和類人猿的尿酸酶基因缺陷，因而不能將尿酸轉變?yōu)槟蚰宜兀瑢е缕溲蛩崴奖绕渌溉轭悇游锔?0倍以上，易發(fā)高尿酸血癥［34］。細胞內尿酸的升高之后，由于肝臟中尿酸的釋放，循環(huán)血中尿酸會急劇升高［35］，長期的果糖攝入也會抑制腎臟中尿酸的分泌，導致血漿中尿酸水平升高。尿酸結晶是痛風的主要危險因素［36］。而且，越來越多的研究表明，高尿酸血癥也與心血管疾病發(fā)生發(fā)展密切相關［37］。

血清中尿酸濃度也被認為是2型糖尿病的危險因素之一［38］，但胰島素抵抗和高尿酸血癥之間的聯(lián)系還不太清晰。胰島素可以激活內皮一氧化氮合成酶（endothelial nitric oxide synthase，eNOS），從而使對胰島素敏感的組織如骨骼肌血流量增加，營養(yǎng)增加。在糖尿病患者體內，胰島素這一能力受損，這可能通過受體前胰島素抵抗機制導致糖穩(wěn)態(tài)的紊亂。由于eNOS可能受尿酸抑制，所以胰島素對血管的效應受到尿酸的抑制，這可能參與果糖誘發(fā)胰島素抵抗的過程。有研究表明，高果糖飲食的小鼠會同時發(fā)生高尿酸血癥和胰島素抵抗。而且，在用排尿酸藥治療降低尿酸濃度后，胰島素抵抗得以緩解。

3.3 非酒精性脂肪肝 最近一項研究中，受試者進行了6個月的高果糖飲料的飲用后，脂肪肝程度較對照組明顯加重［19，39］。果糖不僅會改變血脂水平，還會造成肝細胞脂肪沉積。在小鼠體內，果糖飲食一周會加重肝細胞內脂肪沉積。在分子水平，相關機制可能包括肝細胞內過氧化物酶體增殖物激活受體 α（peroxisome proliferator-activated receptor α，PPARα）的抑制，肝臟內源性脂肪合成的刺激，肝臟脂質氧化的減少。有研究發(fā)現(xiàn)，果糖反應性肝臟內脂肪沉積需要PPARγ輔激活因子1β（PPARγ coactivator-1β，PGC-1β）作為SREBP-1c的共作用因子。小鼠內PGC-1β的敲除可以抑制肝臟脂肪沉積和高果糖飲食引起的胰島素抵抗［40］，而其具體參與調節(jié)脂肪沉積和胰島素抵抗的機制尚不清楚。另外，尿酸引起的內質網應激［41］，反過來激活 SREBP-1c，也會刺激肝臟中的脂肪蓄積［42］。

4 展望

果糖攝入過量是代謝性疾病的獨立危險因素。果糖體內代謝路徑與葡萄糖有著顯著差異，ChREBP是調節(jié)果糖代謝的關鍵性轉錄因子。深入剖析體內果糖營養(yǎng)感應通路的細胞分子機制，解析ChREBP調控果糖代謝的生化分子機制，是當前研究果糖代謝的重要課題和前沿熱點，可望為果糖相關代謝性疾病的防治提供理論依據(jù)與和分子靶標。