張瑞芳，肖 春，吳清平*，謝意珍，陳雪峰，邵威銘

（1 陜西科技大學(xué)食品與生物工程學(xué)院 西安710021 2 廣東省科學(xué)院微生物研究所 華南應(yīng)用微生物國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 廣東省微生物安全與健康重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 廣州510070 3 蕉嶺鐵漢大健康產(chǎn)業(yè)投資有限公司 廣東蕉嶺514100）

近些年來(lái)，多糖的降血糖功能受到廣泛關(guān)注，對(duì)于其機(jī)制的探索也與日俱增。目前對(duì)于多糖降血糖機(jī)制的研究多聚焦在改善胰島素抵抗或糖代謝的相關(guān)蛋白靶點(diǎn)及路徑等4 個(gè)方面：1）抑制α-糖苷酶的活性[7]，使葡萄糖生成及吸收減慢，降低餐后血糖；2）改善胰島素抵抗，如抑制蛋白酪氨酸磷酸酶1B（PTP1B）的活性[8-9]，增強(qiáng)胰島素受體（IR）作用[9-11]，調(diào)節(jié)葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)體4（GLUT4）的功能[12]，加快葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)和代謝；3）通過(guò)改善氧化應(yīng)激，抑制核轉(zhuǎn)錄因子κB（Nuclear factor kappa B）活性[13]，或調(diào)節(jié)免疫[14]，保護(hù)胰島β 細(xì)胞；4）抑制糖異生關(guān)鍵酶，減少糖原分解，降低2 型糖尿病小鼠空腹血糖，如降低磷酸烯醇式丙酮酸羧激酶（PEPCK）、葡萄糖-6-磷酸酶（G6Pase）和肝糖原磷酸化酶（GP）[12，15-16]的表達(dá)等。

隨著代謝組學(xué)的發(fā)展，人們逐漸意識(shí)到小分子代謝物在人體中或也扮演著重要角色，它們分布廣泛，種類繁多，不僅參與糖代謝、脂質(zhì)代謝、氨基酸代謝等生物體必要的生理過(guò)程，為人體提供能量，還與激素等相關(guān)信號(hào)調(diào)節(jié)密切相關(guān)[17]。近年研究發(fā)現(xiàn)，部分氨基酸或可作為糖尿病病理特征標(biāo)志物[18]。值得關(guān)注的是，基于代謝組學(xué)分析時(shí)發(fā)現(xiàn)，經(jīng)多糖干預(yù)后的差異代謝物多會(huì)富集在氨基酸代謝通路上[19-21]，而氨基酸代謝與糖代謝緊密相關(guān)[18]。本篇從氨基酸類代謝物及其參與的代謝途徑角度闡釋多糖降血糖機(jī)制。

1 氨基酸水平異常與2 型糖尿病的病理關(guān)系

1.1 氨基酸類2 型糖尿病潛在生物標(biāo)志物

大量的研究表明，氨基酸含量在糖尿病病人體內(nèi)異常，代謝發(fā)生紊亂，或可作為一種潛在的生物標(biāo)志物輔助糖尿病的診斷[22]。

支鏈氨基酸（BCAAs，亮氨酸、纈氨酸和異亮氨酸）濃度在肥胖人群血液中顯著升高[23]，研究發(fā)現(xiàn)BCAAs 水平升高是2 型糖尿病和胰島素抵抗風(fēng)險(xiǎn)的良好預(yù)測(cè)指標(biāo)[24]。Adeva 等[25]發(fā)現(xiàn)血漿中BCAAs 水平的升高可能發(fā)生在糖尿病確診前，有研究提示至少可追溯到12年前[26]。苯丙氨酸、酪氨酸濃度在肥胖人群血液中顯著升高[23]。研究表明，血漿中芳香族氨基酸（AAAs，苯丙氨酸、酪氨酸、色氨酸）水平較高的研究人群5年新發(fā)糖尿病的風(fēng)險(xiǎn)明顯較高[27]。甘氨酸水平較高的研究人群5年新發(fā)糖尿病的風(fēng)險(xiǎn)明顯較低[27]，這與meta 分析中甘氨酸與2 型糖尿病風(fēng)險(xiǎn)呈負(fù)相關(guān)結(jié)果一致[28]。除此之外，血清中天冬酰胺水平被證明與糖尿病風(fēng)險(xiǎn)高低呈正相關(guān)[29]。

1.2 氨基酸參與的胰島素抵抗機(jī)制

1.2.1 通過(guò)哺乳動(dòng)物雷帕霉素復(fù)合物 1（mTORC1）通路引發(fā)胰島素抵抗 mTORC1 是細(xì)胞信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)的控制中心，通過(guò)影響生長(zhǎng)因子、營(yíng)養(yǎng)、能量供應(yīng)從而控制體內(nèi)蛋白質(zhì)、脂質(zhì)、核苷酸等的合成和分解代謝[30]。氨基酸在mTORC1 的激活中發(fā)揮著重要作用，尤其是亮氨酸、谷氨酰胺和精氨酸[31]。BCAAs、精氨酸、賴氨酸、谷氨酰胺含量過(guò)高會(huì)引發(fā)肝細(xì)胞及脂肪細(xì)胞內(nèi)胰島素抵抗[32]，可能與其持續(xù)地激活mTORC1 通路相關(guān)，通過(guò)核糖體蛋白S6 激酶1（S6K1）的作用使胰島素受體底物（IRS-1）磷酸化而使其活性受到抑制，從而導(dǎo)致胰島素抵抗[32-34]，影響糖代謝。研究表明，mTORC1 過(guò)度活化會(huì)對(duì)胰島素信號(hào)進(jìn)行負(fù)反饋調(diào)節(jié)[31]。此外，部分氨基酸的代謝產(chǎn)物也會(huì)引發(fā)胰島素抵抗，如組氨酸經(jīng)腸道菌群作用產(chǎn)生的咪唑丙酸可通過(guò)激活mTORC1 抑制胰島素受體底物（IRS）發(fā)揮作用[35]，損壞葡萄糖耐受和胰島素信號(hào)傳導(dǎo)，進(jìn)而導(dǎo)致胰島素抵抗。

1.2.2 氨基酸中間代謝產(chǎn)物積聚引發(fā)胰島素抵抗2 型糖尿病患者骨骼肌內(nèi)調(diào)節(jié)BCAAs 代謝的基因表達(dá)量和蛋白含量降低，造成BCAAs 和支鏈酮酸類代謝產(chǎn)物水平升高[36]，氨基酸代謝中間產(chǎn)物在骨骼肌中積累，引發(fā)胰島素抵抗[37]，如骨骼肌中纈氨酸的代謝產(chǎn)物3-羥基異丁酸酯過(guò)多可使不完全氧化的脂質(zhì)在骨骼肌積累而造成胰島素抵抗[38]。過(guò)多支鏈酮酸轉(zhuǎn)運(yùn)進(jìn)入肝臟，產(chǎn)生代謝毒素酰基肉堿，影響TCA 循環(huán)，增加糖異生，造成肝臟胰島素抵抗[37]。色氨酸可經(jīng)5-羥色胺途徑生成褪黑素[39]，研究證明褪黑素與胰島素抵抗相關(guān)[40]。色氨酸還可通過(guò)犬尿氨酸途徑生成吡啶甲酸和硫酸吲哚酚[41]，此路徑失調(diào)也與胰島素抵抗相關(guān)[42]。

從上述分析可看出，氨基酸含量異?？芍苯佑绊憁TORC1 途徑或通過(guò)其代謝物間接調(diào)控脂質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)、TCA 循環(huán)、糖異生等途徑引發(fā)胰島素抵抗，進(jìn)而影響糖代謝。通過(guò)多糖干預(yù)改善體內(nèi)氨基酸及其代謝物的含量，或可減緩胰島素抵抗，進(jìn)而改善糖尿病。

2 氨基酸介導(dǎo)的多糖降血糖機(jī)制

糖尿病是一種全身性系統(tǒng)疾病，多糖對(duì)于糖尿病的調(diào)節(jié)靶點(diǎn)和途徑廣泛[6]。代謝組學(xué)是研究代謝物與生理病理變化的重要手段。目前，基于代謝組學(xué)對(duì)多糖降血糖機(jī)制的研究仍在初步階段，雖然研究者所選取的樣本不同、分析手段也略有差異，但仍然發(fā)現(xiàn)經(jīng)多糖干預(yù)后的氨基酸代謝譜變化（見表1），為降血糖機(jī)制的闡明提供了新的分析角度和方式。

表1 多糖干預(yù)2 型糖尿病對(duì)氨基酸代謝譜的影響Table 1 Effects of polysaccharide on amino acid metabolism in type 2 diabetes mellitus

氨基酸代謝與糖代謝密不可分[18]：一方面，部分氨基酸可通過(guò)促進(jìn)胰島素或者胰高血糖素分泌調(diào)節(jié)血糖；另一方面，生糖氨基酸可通過(guò)糖異生影響血糖水平。

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2.1 多糖干預(yù)對(duì)促胰島素分泌的氨基酸的調(diào)節(jié)

胰島素是體內(nèi)唯一可以降低血糖的激素，可促進(jìn)全身組織對(duì)葡萄糖的攝取和利用，抑制肝糖原的分解和其它物質(zhì)轉(zhuǎn)換成葡萄糖，從而維持體內(nèi)的血糖平衡[43]。亮氨酸、精氨酸、異亮氨酸、苯丙氨酸、賴氨酸是目前發(fā)現(xiàn)的可促進(jìn)胰島素分泌的氨基酸[32]。亮氨酸、精氨酸促進(jìn)胰島素釋放，其機(jī)制與mTOR-S6K1 信號(hào)途徑相關(guān)。研究表明，限制飲食中的亮氨酸含量可通過(guò)降低此信號(hào)途徑增強(qiáng)胰島素敏感性[44]。亮氨酸、異亮氨酸可促進(jìn)胰高血糖素樣肽-1（GLP-1）的釋放，進(jìn)而刺激胰島素的分泌，改善小鼠的胰島素應(yīng)答，控制2 型糖尿病小鼠的餐后血糖[45]。一般性調(diào)控阻遏蛋白激酶（GCN2）是一種氨基酸缺乏感受器，短期亮氨酸缺乏能夠激活細(xì)胞的胰島素信號(hào)通路，增強(qiáng)全身的胰島素敏感性[46]。多糖對(duì)于此些氨基酸含量的調(diào)節(jié)，意味著其可間接促進(jìn)胰島素的分泌，降低血糖。

常晉霞等[20]對(duì)2 型糖尿病KM 小鼠進(jìn)行為期6 d、劑量100 mg/kg 的刺五加多糖灌胃干預(yù)，隨后進(jìn)行血清代謝組學(xué)分析。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，模型組苯丙氨酸、酪氨酸、絲氨酸水平顯著上調(diào)，亮氨酸、纈氨酸、丙氨酸、谷氨酰胺顯著下調(diào)，刺五加多糖可以使失調(diào)的氨基酸（亮氨酸、苯丙氨酸、谷氨酰胺、纈氨酸）水平不同程度地回歸正常，代謝通路富集分析得到4 條與糖尿病相關(guān)的氨基酸代謝通路，分別為苯丙氨酸-酪氨酸-色氨酸合成路徑、纈氨酸-（異）亮氨酸合成路徑、苯丙氨酸代謝路徑和丙氨酸-天冬氨酸-谷氨酸代謝路徑。羅游[47]和Shang等[48]給2 型糖尿病KM 小鼠灌胃蛹蟲草多糖（CBPS-II）3 周，取血清進(jìn)行代謝組學(xué)分析。結(jié)果顯示，亮氨酸和異亮氨酸、谷氨酰胺、纈氨酸在模型組中水平升高，推測(cè)肝功能失調(diào)，導(dǎo)致氨基酸代謝水平異常。高劑量CBPS-II（100 mg/kg）可有效改善這些氨基酸的濃度，研究認(rèn)為該多糖具有一定程度的肝臟保護(hù)功能。季濤等[49]對(duì)2 型糖尿病ICR 小鼠灌胃桑葉多糖（200 mg/kg）5 d，隨后進(jìn)行血漿代謝組學(xué)研究中發(fā)現(xiàn)亮氨酸、苯丙氨酸、纈氨酸、酪氨酸在糖尿病小鼠體內(nèi)含量降低，灌胃后氨基酸代謝改善，預(yù)測(cè)桑葉多糖發(fā)揮作用與氨基酸代謝密切相關(guān)。Nie 等[50]基于尿液代謝組學(xué)研究發(fā)現(xiàn)，2 型糖尿病Wistar 大鼠亮氨酸、賴氨酸、組氨酸、半胱氨酸、色氨酸含量異常，或可作為潛在生物標(biāo)志物。經(jīng)阿拉伯糖基木聚糖（100，200，400 mg/kg）干預(yù)4 周后，含量異常的氨基酸水平得到改善，提示此多糖可通過(guò)調(diào)節(jié)氨基酸代謝來(lái)調(diào)節(jié)血糖。Jiang[41]等以胡蘆巴半乳甘露聚糖（500 mg/kg）灌胃2 型糖尿病SD 大鼠28 d 后，通過(guò)尿液代謝組學(xué)得到與氨基酸相關(guān)的生物標(biāo)志物：咪唑丙酸、吡啶甲酸、馬尿酸，這些代謝物在糖尿病大鼠體內(nèi)升高。其中，咪唑丙烯酸與組氨酸代謝相關(guān)，其通過(guò)激活mTORC1 抑制IRS 發(fā)揮作用[35]，導(dǎo)致胰島素抵抗；吡啶甲酸和硫酸吲哚酚與色氨酸代謝相關(guān)；馬尿酸與苯丙氨酸代謝相關(guān)[41]。經(jīng)半乳甘露聚糖灌胃后，這些代謝物含量降低，說(shuō)明該多糖可通過(guò)調(diào)節(jié)組氨酸、苯丙氨酸及色氨酸代謝發(fā)揮降糖作用。

BCAAs 含量異常會(huì)引發(fā)胰島素抵抗，而多糖干預(yù)后能改善BCAAs 的水平。研究表明，靶向調(diào)節(jié)BCAAs 代謝可有效減緩糖尿病病人體內(nèi)脂質(zhì)和葡萄糖代謝紊亂[51]。多糖通過(guò)調(diào)節(jié)BCAAs 代謝改善糖代謝的潛在路徑可能是：多糖可能通過(guò)激活BCAAs 的關(guān)鍵代謝酶——支鏈α 酮酸脫氫酶（BCKD），使BCAAs 的中間有毒代謝產(chǎn)物徹底氧化供能[52]；也可能通過(guò)抑制相關(guān)蛋白質(zhì)的分解，緩解了胰島素抵抗，從而降低血糖，然而其具體機(jī)制仍不清楚。

2.2 多糖干預(yù)對(duì)促胰高血糖素分泌的氨基酸的調(diào)節(jié)

胰高血糖素與胰島素之間互為拮抗作用，其通過(guò)促進(jìn)糖異生、增加肝糖原分解維持血糖[53]。促進(jìn)胰高血糖素分泌的氨基酸包括甘氨酸、丙氨酸、天冬氨酸、絲氨酸[32]。在胰島素抵抗條件下，胰高血糖素分泌增多，進(jìn)一步導(dǎo)致血糖升高[54]；低血糖時(shí)，胰高血糖素分泌減少[55]，重則引發(fā)生命危險(xiǎn)。由于近些年研究發(fā)現(xiàn)胰高血糖素分泌異常也可參與2 型糖尿病發(fā)病[53，56]，因此多糖通過(guò)調(diào)節(jié)氨基酸含量從而調(diào)控胰高血糖素分泌可能成為研究降血糖機(jī)理的新方向，同時(shí)亦可避免現(xiàn)有糖尿病藥物所引發(fā)的低血糖副作用，具有良好的應(yīng)用前景。

蘇氨酸、異亮氨酸、纈氨酸水平在2 型糖尿病SD 大鼠血清樣本中升高，丙氨酸、甘氨酸、賴氨酸水平降低，唐華麗等[57]灌胃枸杞多糖（200 mg/kg）1個(gè)月后，發(fā)現(xiàn)丙氨酸水平回調(diào)。Xia 等[19]將枸杞多糖（200 mg/kg）灌胃糖尿病SD 大鼠30 d 后，發(fā)現(xiàn)該多糖可通過(guò)調(diào)節(jié)丙氨酸、天冬氨酸和谷氨酸、精氨酸和脯氨酸代謝，進(jìn)而降低血糖。2 型糖尿病ICR 小鼠經(jīng)牡蠣多糖（800 mg/kg）處理21 d 后，發(fā)現(xiàn)氨基酸代謝產(chǎn)物3-羥基鄰氨基苯甲酸、2-羥基苯乙酸、丙酰甘氨酸和苯乙酰甘氨酸在糖尿病小鼠模型體內(nèi)濃度異常，這與甘氨酸代謝紊亂相關(guān)[58]，牡蠣多糖干預(yù)后可使這些氨基酸代謝物的濃度趨于正常。

2.3 多糖干預(yù)對(duì)糖異生氨基酸的調(diào)節(jié)

生糖氨基酸可通過(guò)糖異生作用生成內(nèi)源性葡萄糖，在正常生理?xiàng)l件下維持體內(nèi)血糖水平[59]。季濤等[49]基于血漿代謝組學(xué)分析發(fā)現(xiàn)，桑葉多糖可對(duì)糖異生氨基酸如纈氨酸、亮氨酸、苯丙氨酸、異亮氨酸進(jìn)行調(diào)節(jié)，提示其可通過(guò)抑制糖異生，改善血糖。

綜上所述，同一種氨基酸在不同的2 型糖尿病動(dòng)物中會(huì)顯示不同的結(jié)果，含量有的升高有的降低，而多糖對(duì)于它們的調(diào)節(jié)趨勢(shì)也會(huì)有所差異。這些不同的結(jié)果可能是由于不同的干預(yù)措施所造成的[60]，如飼料成分不同、研究樣本的差異、所選動(dòng)物種類和疾病進(jìn)程的不統(tǒng)一等。另外，糖尿病本身也是由胰島素分泌不足或者胰島素抵抗所引起[1]，2 型糖尿病動(dòng)物體內(nèi)過(guò)多的促胰島素分泌的氨基酸會(huì)引發(fā)胰島素抵抗，過(guò)少的促胰島素分泌的氨基酸卻會(huì)導(dǎo)致胰島素分泌不足。動(dòng)物樣本量的擴(kuò)大以及各種影響因素的統(tǒng)一對(duì)于可信結(jié)果的獲得是必要的。另外，因?yàn)橥环N氨基酸既可以發(fā)揮促胰島素或促胰高血糖素分泌功能，同時(shí)也屬于糖異生底物，所以氨基酸在2 型糖尿病動(dòng)物體內(nèi)到底是發(fā)揮著怎樣的作用，經(jīng)多糖干預(yù)之后又通過(guò)什么途徑改善血糖仍然需要進(jìn)一步驗(yàn)證。Wang 等[26]提出單一生物標(biāo)志物對(duì)于疾病的預(yù)測(cè)作用有限，用多種標(biāo)志物組合對(duì)于疾病的預(yù)測(cè)更具說(shuō)服性。因此，將某些氨基酸的比例作為多糖調(diào)節(jié)的指標(biāo)可能更為準(zhǔn)確，這需要進(jìn)一步探索。

綜上所述，多糖通過(guò)調(diào)節(jié)氨基酸代謝譜進(jìn)而改善糖代謝的可能途徑有3 條（圖1）：1）調(diào)節(jié)胰島素分泌，改善胰島素抵抗；2）調(diào)節(jié)胰高血糖素分泌；3）調(diào)節(jié)糖異生。由此可見，通過(guò)調(diào)節(jié)氨基酸改善糖代謝或可成為2 型糖尿病治療新策略。

圖1 多糖調(diào)節(jié)氨基酸代謝譜的潛在機(jī)制Fig.1 Potential mechanism of polysaccharides regulating amino acids metabolism profile

3 結(jié)語(yǔ)

基于代謝組學(xué)研究多糖降血糖機(jī)制還處于初步階段。大量研究表明氨基酸作為一種潛在生物標(biāo)志物或可用于糖尿病的前期診斷。多糖干預(yù)后，氨基酸及其代謝物水平得到調(diào)節(jié)，體內(nèi)代謝物指標(biāo)趨向正常，提示多糖可降低糖尿病的發(fā)病風(fēng)險(xiǎn)。目前，探究多糖降血糖機(jī)制多基于傳統(tǒng)的分子生物學(xué)手段，此種方法較為單一，無(wú)法對(duì)生物體代謝進(jìn)行系統(tǒng)闡述，而代謝組學(xué)可以實(shí)現(xiàn)高通量檢測(cè)，省時(shí)而全面，有利于對(duì)代謝物的系統(tǒng)挖掘。當(dāng)然，僅通過(guò)代謝組學(xué)技術(shù)來(lái)研究確切的降血糖機(jī)制仍然有限，若能將多組學(xué)聯(lián)合，同時(shí)通過(guò)分子生物學(xué)驗(yàn)證，或可大大推進(jìn)其機(jī)制的闡釋。本團(tuán)隊(duì)已經(jīng)開展了靈芝多糖F31 的肝臟代謝組學(xué)研究，發(fā)掘了其調(diào)控2 型糖尿病小鼠代謝的多條氨基酸相關(guān)路徑：精氨酸和脯氨酸代謝、酪氨酸代謝、精氨酸生物合成等，后續(xù)擬結(jié)合多組學(xué)技術(shù)及分子生物學(xué)手段，對(duì)F31 降血糖機(jī)制進(jìn)行深入挖掘。

糖尿病是一種全身性、系統(tǒng)性疾病，除本綜述重點(diǎn)關(guān)注的氨基酸代謝外，多糖干預(yù)2 型糖尿病后的差異代謝物也會(huì)富集在脂肪酸代謝、糖代謝等路徑上，可將這些代謝物與糖尿病生理病理指標(biāo)（血糖、胰島素、血脂等）建立相關(guān)性網(wǎng)絡(luò)，尋找與調(diào)節(jié)這些指標(biāo)密切關(guān)聯(lián)的代謝物及相關(guān)靶點(diǎn)路徑。多種組學(xué)的發(fā)展以及多組學(xué)聯(lián)合手段的應(yīng)用為糖尿病發(fā)病機(jī)制和多糖降血糖路徑的研究提供了契機(jī)，活性多糖降血糖機(jī)制的闡明指日可待。