谷物蛋白及多肽調控2型糖尿病靶點研究進展

王 晗，侯殿志，付永霞，趙卿宇，沈 群

（中國農業(yè)大學食品科學與營養(yǎng)工程學院，國家糧食產業(yè)（青稞深加工）技術創(chuàng)新中心，國家果蔬加工工程技術研究中心，北京 100083）

糖尿病是一種常見的慢性代謝疾病，與持續(xù)的高血糖水平密切相關[1]，近年來，患者的年齡范圍不斷擴大，低年齡段患者數(shù)量的不斷增加使人們對糖尿病的關注程度越來越高。根據美國糖尿病協(xié)會公布標準，糖尿病分為4 類，分別是自身免疫1型糖尿病、2型糖尿?。╰ype 2 diabetes mellitus，T2DM）、妊娠期糖尿病、其他特殊原因引起的糖尿病，其中T2DM患者占總患病人數(shù)的90%以上[2]，糖尿病發(fā)病機制如圖1所示。

目前市面上的抗糖尿病藥物針對不同的治療靶點對病情管理有一定幫助作用，但部分藥物起作用的同時也會給人體帶來損傷[3-4]。如二甲雙胍會加重腎衰竭患者的病情，磺脲類藥物刺激胰島素分泌的同時也會導致體質量增加和低血糖等[5]，因此研究人員致力于尋找可行的天然活性物質結合飲食的調節(jié)模式來替代藥物治療。目前功能性活性物質主要為動、植物性食品中的蛋白質、多酚化合物、膳食纖維和脂質等，而動物蛋白的大量攝入與慢性疾病發(fā)病率的升高密切相關，因此研究人員將研究重心逐步轉移到植物性蛋白和多肽[6-8]。

谷物廣泛分布于世界各地，近年來不斷有研究表明谷物的攝入能降低慢性疾病的發(fā)病率[9]。隨著研究的深入，人們發(fā)現(xiàn)谷物中的蛋白質和多肽對糖尿病具有治療作用，如小米蛋白的攝入可能改善了糖尿病的癥狀[10-11]，大麥蛋白的攝入則與血壓的降低可能存在聯(lián)系等[12]。因此，本文重點對近年來谷類作物中蛋白和多肽對T2DM治療靶點的調節(jié)進行了總結。

1 糖尿病治療靶點及相關藥物研究現(xiàn)狀

1.1 糖尿病治療靶點及相關機制

目前常見的糖尿病治療靶點主要包括α-淀粉酶、α-葡萄糖淀粉酶、二肽基肽酶-4（dipeptidyl peptidase-4，DPP-IV）、胰高血糖素樣肽-1（glucagon-like peptide-1，GLP-1）、抑胃肽（gastric inhibitory polypeptide，GIP）、胃腸激素肽（peptide tyrosine tyrosine，PYY）、葡萄糖轉運蛋白（glucose transporters，GLUTs）和鈉依賴性葡萄糖協(xié)同轉運蛋白（sodium-glucose cotransporters，SGLTs），與T2DM相關的治療靶點標志物及其作用如圖2所示。

圖2 與T2DM相關的治療標志物Fig. 2 Therapeutic markers for T2DM

1.2 α-淀粉酶、α-葡萄糖淀粉酶

在人體中，碳水化合物被分解為單糖（葡萄糖）后才可進入血液循環(huán)，α-淀粉酶、α-葡萄糖淀粉酶在此過程中起重要作用。α-淀粉酶（EC3.2.1.1）由胰腺分泌，主要分布于小腸，在淀粉和糖原的消化中起重要作用，它可以通過“多重進攻”機制將直鏈、支鏈淀粉、糖原等大分子的α-1,4-糖苷鍵水解，使這些大分子聚合物分解為分子質量較小的麥芽糊精和寡糖，如麥芽糖、麥芽三糖、鼠李糖、α-(1,4)-極限糊精等[13-15]，這個過程是淀粉分解隨后進入血液循環(huán)全過程的第一步。α-葡萄糖苷酶（EC3.2.1）是人體糖代謝中最重要的酶之一，位于小腸刷狀邊緣[16]，直接參與淀粉和糖原的水解途徑，主要功能是水解葡萄糖苷鍵，使多糖變?yōu)槠咸烟沁M入血液循環(huán)。因此，抑制α-淀粉酶和α-葡萄糖淀粉酶的活性可以有效降低患者餐后血糖水平，對糖尿病患者具有重要的治療意義，這兩種酶對碳水化合物攝入后血糖水平變化過程的影響如圖3所示。

圖3 涉及α-淀粉酶、α-葡萄糖苷酶的碳水化合物消化過程Fig. 3 Carbohydrate digestion process involving α-amylase and α-glucoamylase

阿卡波糖、伏格列波糖、米格列醇等是目前市場上較常見的相關抑制藥物，它們能夠通過抑制這兩種酶的活性來降低碳水化合物轉變?yōu)槠咸烟堑乃俾省?/p>

膳食營養(yǎng)方面的降糖研究往往會考慮對α-淀粉酶、α-葡萄糖淀粉酶的抑制作用，對谷物組分如蛋白及蛋白水解物的研究也不例外，目前也已發(fā)現(xiàn)大米、藜麥等谷物的蛋白和多肽對這兩種酶具有一定的抑制作用。

1.3 二肽基肽酶-4

DPP-IV是絲氨酸蛋白酶的一種，主要存在于肝、腎、小腸的上皮組織中，具有循環(huán)性以及可溶性[17]，它裂解后產生丙氨酸或脯氨酸殘基，隨后通過底物多肽的N端將二肽除去[18]。DPP-IV可導致趨化因子GLP-1和GIP的降解，使兩者的促胰島素活性喪失[19-21]。GLP-1和GIP都是肽類激素，能刺激胰島β細胞分泌胰島素[22-23]。有報道稱，口服葡萄糖引起的胰島素反應有約60%都是由GLP-1和GIP介導的。此外，GLP-1具有減少胃排空和進食，增加飽腹感和抑制胰高血糖素分泌等作用[24-26]；GIP則具有抑制胃蛋白酶分泌、抑制胃蠕動和排空、刺激小腸液分泌等作用。抑制DPP-IV的活性不僅能延長GLP-1和GIP的半衰期、還能促進兩者的分泌和活性水平，最終達到控制血糖水平的效果。

西格列汀、薩格列汀、維拉格列汀、阿羅格列汀等藥物可作為DPP-IV抑制劑，具有抑制DPP-IV活性和胰高血糖素分泌、促進GLP-1、GIP分泌和減少胃排空等作用，能夠降低血糖水平；而艾塞那肽、利西那肽、杜拉魯肽等藥物則起到胰島素類似物的作用，可以作為GLP-1的受體激動劑促進GLP-1的分泌。

目前的研究發(fā)現(xiàn)多種谷物（大米、小米等）、假谷物（藜麥等）的蛋白及多肽（多數(shù)為短鏈肽）都能對DPP-IV產生抑制作用，抑制強度隨谷物蛋白種類、肽序列組成而變化。

1.4 胃腸激素肽

PYY是除GLP-1外的另一種腸道激素，近年來不斷被證明是治療糖尿病和肥胖的有效靶點。PYY由36 個氨基酸殘基組成[27]，位于回腸和結腸黏膜的L細胞（內分泌細胞）是其主要來源。與GLP-1相同，PYY同樣受DPP-IV的影響，在DPP-IV的作用下，PYY1-36轉變?yōu)樽钬S富的循環(huán)形式——PYY3-36，肽的生物學特性和受體特異性隨之改變[28]。PYY可與3種受體亞型（Y1、Y2、Y5）結合，PYY3-36與位于下丘腦的Y2受體結合后[29-31]，主要產生刺鼠相關肽和神經肽Y，兩者能夠抑制下丘腦神經元的活動進而產生飽腹感和能量支出，同時抑制消化液分泌，減少食物攝入量[32-33]。PYY雖然被認定是一種胃腸激素肽，但胰腺中也發(fā)現(xiàn)了其存在[34]。此外，研究發(fā)現(xiàn)子宮中最初的胰島里也存在PYY的表達，因此PYY與胰腺的相關功能很可能具有潛在的關系，研究發(fā)現(xiàn)將小鼠胰島分離后，其被葡萄糖刺激的胰島素分泌行為可被PYY抑制[35-37]，推測PYY能通過某種途徑抑制胰島β細胞發(fā)揮作用；當有選擇地消除PYY后，機體會出現(xiàn)高血糖現(xiàn)象，胰島素分泌也受到影響[38]。在病情治療方面，目前緩解T2DM最有效的方法是減肥手術[39]，胰島分泌功能的改善是手術后期恢復階段控制血糖和T2DM病理機制的關鍵。PYY被證明在T2DM患者胰島的后期恢復中起作用，有利于患者病情的控制[40-43]。刺激PYY和GLP-1的釋放對T2DM和肥胖相關疾病的治療已經成為人們關注的焦點[44]。

研究結果顯示，以油棕基因組DNA為模板，PCR擴增獲得的條帶長度為1035 bp，與預期目的條帶長度相符且沒有非特異性擴增(圖1)。分析克隆得到的DGAT2基因啟動子序列，并對其所含的功能元件進行預測，結果表明該序列中含有基礎啟動子元件，包括52個TATA-Box和19個CAAT-Box，符合啟動子的基礎特征；包含大量的光反應元件ACE、G-Box和Sp1及部分光反應元件I-Box、GA-motif等；含有4種激素反應元件，主要包括水楊酸、茉莉酸、赤霉素和脫落酸反應元件，還包括轉錄因子MYB 結合位點和熱應激反應元件等(表2、圖2)。

研究發(fā)現(xiàn)二甲雙胍能夠促進PYY分泌及表達[45]，二甲雙胍起到與GLP-1受體激動劑相似的作用，改善了胰島素抵抗，降低了肝臟葡萄糖輸出和血漿葡萄糖濃度。

現(xiàn)階段有關谷物蛋白、多肽促進PYY活性和分泌的研究還較少，但有上升趨勢，這可能與近年來對PYY影響血糖變化研究受關注程度逐漸升高有關。

1.5 葡萄糖轉運體

葡萄糖轉運體主要分為2 類，分別是SGLTs和GLUTs，前者為依賴鈉的葡萄糖轉運體，逆濃度梯度主動運輸葡萄糖；后者則以易化擴散的方式順濃度梯度轉運葡萄糖。

1.5.1 鈉依賴性葡萄糖協(xié)同轉運蛋白

SGLTs是一種膜蛋白家族，負責運輸葡萄糖、離子、維生素和一些氨基酸，途經腎臟近曲小管以及腸道上皮細胞的刷狀邊界膜[46]。葡萄糖屬于極性化合物，不能直接通過細胞膜，其跨膜運輸需借助位于膜內的載體蛋白。血液中的葡萄糖被腎小球過濾后，SGLTs通過近曲小管上皮細胞的頂膜或管腔膜將過濾后的葡萄糖重新吸收，隨后SGLTs將鈉和葡萄糖的轉運結合起來。

SGLT1和SGLT2屬于SGLTs家族，SGLT2是一種低親和力的轉運蛋白，作用于葡萄糖在腎臟的重吸收環(huán)節(jié)，并起關鍵作用，SGLT2在葡萄糖重吸收過程中的作用占比約為90%，SGLT1則對重吸收后葡萄糖剩余10%左右的部分起作用[47]。在腸細胞中，SGLT1是主要的葡萄糖轉運蛋白且具有高親和力的特點，它以2∶1的化學計量比轉運鈉和葡萄糖。已有研究表明，糖尿病患者的葡萄糖最大轉運值（the glucose transport maximum，TmG）高于非糖尿病患者，而胰島素療法可以降低患者的TmG[48]。此外，SGLT2有助于腎臟葡萄糖重吸收，抑制SGLT2可以降低腎臟葡萄糖排泄閾值，使血糖水平降低。

恩格列凈、達格列凈、卡那格列凈、伊帕格列凈等藥物對SGLT2具有抑制作用，它們主要通過抑制葡萄糖的重吸收來降低血糖水平。

GLUTs屬于膜轉運體的輔助性超家族的主要成員，均由500 個以內的氨基酸組成，由SLC2A基因編碼，其參與作用的跨膜結構域共有12 個[49-50]，包括GLUT1～GLUT14共14種亞型，它們的主要作用是負責人體不同組織器官中葡萄糖的轉運和重吸收。目前對GLUT1～GLUT5的機制研究較為清晰[51]，而GLUT1、GLUT4、GLUT9被證明與胎盤葡萄糖轉運有重要作用，因此與妊娠糖尿病關系密切，其中GLUT4功能異常和胰島素分泌異常是導致T2DM的主要原因之一[52]。

GLUT4是最重要的胰島素調節(jié)葡萄糖轉運蛋白之一，在脂肪細胞、骨骼肌和心肌細胞中表達最明顯[53]，其因在這些細胞中起到特定作用而被稱為胰島素應答性葡萄糖轉運蛋白[54]。人體攝入碳水化合物后，體內胰島素水平上升，位于細胞內的GLUT4被重新分配到質膜，相應組織對葡萄糖的攝取和代謝隨之增加，血糖水平隨之得到控制。這種由胰島素引起的GLUT4轉移到質膜的缺陷稱為外周胰島素抵抗，T2DM由胰島β細胞分泌胰島素異常、肝臟胰島素抵抗和外周胰島素抵抗共同引發(fā)[55]，且胰島素水平升高的情況下，血液中大部分葡萄糖是被骨骼肌吸收的，因此GLUT4對人體葡萄糖穩(wěn)態(tài)的調節(jié)起到關鍵作用。GLUT4表達水平的提高能解除外周胰島素抵抗，使血糖轉移、吸收和利用過程加快，有利于調節(jié)患者的血糖水平。

研究發(fā)現(xiàn)豆類如綠豆和大豆的蛋白、多肽對SGLT1、GLUT-4具有調節(jié)作用[56-58]，而有關谷物蛋白和多肽對葡萄糖轉運體的研究還較少。

2 谷物蛋白及多肽調節(jié)T2DM相關靶點

眾多研究表明，植物中提取的蛋白質及生物活性肽（bioactive peptides，BAPS）具有抗癌、抗氧化、抗炎、抗糖尿病和調節(jié)脂代謝等生物學特性[59-60]，故植物性蛋白質和多肽的具體功能逐漸成為人們研究的焦點。谷類、假谷類是植物性食品中蛋白和BAPS的重要來源[9]，常見的谷物主要包括大米、小麥、玉米、小米、燕麥等，假谷物則包括莧菜籽、藜麥等。假谷物與谷物功能相似，都含有對人體有益的蛋白質和多肽，其蛋白質主要儲存于球蛋白和白蛋白部分，且具有一定的抗糖尿病活性[2,59]。此外，藜麥、莧菜籽、奇亞籽的蛋白質含量（10%～25%）優(yōu)于常見谷物（10%～15%），氨基酸種類齊全且必需氨基酸含量均衡，可以成為谷物蛋白和BAPS的理想來源[61-62]。

2.1 谷物蛋白調節(jié)T2DM治療靶點

近年來的研究顯示谷物蛋白及其提取物具有降低血糖、緩解T2DM的作用，具體作用主要是通過抑制或促進DPP-IV、GLP-1、GIP、相關酶等糖尿病治療靶點的表達水平實現(xiàn)的，谷物蛋白干預T2DM治療靶點部分實驗如表1所示。

表1 谷物蛋白干預T2DM治療靶點Table 1 Cereal protein intervention in therapeutic targets for T2DM

2.2 谷物多肽調節(jié)T2DM治療靶點

谷物多肽是通過水解谷物蛋白得到的，研究人員在進行谷物蛋白相關體外、動物實驗時，對蛋白水解產生的多肽也進行了相關的測序和功能研究，結果發(fā)現(xiàn)谷物多肽對T2DM治療靶點同樣具有抑制作用，干預強度與肽段長度和序列組成密切相關，谷物多肽干預T2DM治療靶點部分實驗如表2所示。

表2 谷物多肽干預T2DM治療靶點Table 2 Cereal peptides intervention in therapeutic targets for T2DM

續(xù)表2

BAPS一般由2～20 個氨基酸組成，其中二、三肽即小分子肽具備更顯著的DPP-IV抑制活性，且相關實驗結果表明谷物的大分子肽對糖尿病治療靶點的調節(jié)作用并不明顯。此外，多肽組成中，P（脯氨酸）、V（纈氨酸）、A（丙氨酸）、F（苯丙氨酸）等氨基酸出現(xiàn)的次數(shù)較多，推測這些特定氨基酸可能在多肽的抑制活性中起重要作用。

3 結 語

通過總結眾多研究成果，發(fā)現(xiàn)谷物中的蛋白質和多肽不僅可以作為生產T2DM藥物的天然來源，而且與市場上流行的化學藥物相比更加溫和、更具有安全性。現(xiàn)階段還有一些方面的問題需要深入研究：1）目前對谷物蛋白和多肽的臨床研究主要集中在降壓和降脂方面，降糖方面的研究還未得出有效成果；2）近年來，抗糖尿病、抗氧化、抗炎等研究與腸道菌群豐度聯(lián)系緊密，谷物蛋白、多肽對腸道微生物的影響研究較少；3）谷物BAPS的利用價值和治療潛力高，口服后起作用的是多肽本身還是代謝后產物等問題需進一步明確；4）高純度BAPS的獲取方法不夠成熟、成本高、獲取率低等問題使其難以進行大規(guī)模提取，進而導致其相關產品的開發(fā)受到影響，這類工程化問題應引起研究人員的重視。