鳶尾素調(diào)節(jié)糖脂代謝的作用及其在畜禽生產(chǎn)上的應用前景

王 蕾，李 碩，劉 悅，鄒田德*

（1.四川省德陽市人民醫(yī)院，四川德陽 618000；2.江西農(nóng)業(yè)大學動物科學技術(shù)學院，江西省動物營養(yǎng)重點實驗室，江西南昌 330045）

鳶尾素（Irisin）是一個新近發(fā)現(xiàn)的可分泌型代謝調(diào)控因子，由III 型纖連蛋白組件包含蛋白5（Fibronectin Type III Domain-Containing Protein 5，F(xiàn)NDC5）水解產(chǎn)生，主要由骨骼肌、脂肪等組織表達和分泌[1]。FNDC5基因表達具有過氧化物酶體增殖物激活受體γ輔激活因子1α（Peroxisome Proliferator-Activated ReceptorγCoactivator 1α，PGC1α）依賴和運動誘導性[2]。Irisin 可以通過多種途徑改善肥胖和糖脂代謝，是一種有效的機體能量平衡調(diào)節(jié)因子，其促進白色脂肪棕色化，增加能量消耗，并特異性調(diào)節(jié)肌細胞對葡萄糖的攝取和吸收利用，改善胰島素抵抗[2]。Irisin 與脂肪代謝相關(guān)指標（體質(zhì)指數(shù)、體脂水平等）存在顯著相關(guān)性，被認為是一種重要的脂類調(diào)節(jié)劑[3,4]。雖然目前在人醫(yī)和實驗動物上針對Irisin 進行了大量科學研究，但其在畜禽生產(chǎn)上的研究和應用在國內(nèi)外鮮有報道。本文旨在綜述Irisin 調(diào)控機體糖脂代謝的作用及其分子機制，并展望Irisin 在畜禽研究和生產(chǎn)上的應用前景。

1 Irisin 概述

1.1 蛋白結(jié)構(gòu)特點與表達 FNDC5 是一種跨膜蛋白，由1 個信號肽、2 個纖連蛋白結(jié)構(gòu)域和1 個嵌入細胞膜的C-端疏水結(jié)構(gòu)域構(gòu)成，其經(jīng)蛋白酶水解剪切和修飾后生成含有III 型纖連區(qū)域的多肽片段即Irisin，進入血液循環(huán)系統(tǒng)到達外周組織[5]。Irisin 是由約112 個氨基酸殘基組成的高度糖基化的蛋白質(zhì)因子，分子質(zhì)量約為12 ku[6]。Irisin 氨基酸序列具有高度保守性，在不同物種間具有接近100% 同源性[2,7]。這種高度保守性表明Irisin 對生命活動的重要性，并且為目前Irisin 的研究和應用于畜牧生產(chǎn)研究提供了理論基礎(chǔ)。最初研究表明，骨骼肌是FNDC5基因表達和Irisin 分泌及儲存的主要組織[8]，隨后發(fā)現(xiàn)FNDC5mRNA 也表達于視神經(jīng)和腦組織中，少量表達于腎臟、肝臟、胰腺及肺臟中[9]。此外，Irisin 分子還在人的卵巢癌細胞、腦脊液、母乳、唾液及尿液中被發(fā)現(xiàn)[10-12]。有研究發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)NDC5mRNA和Irisin 大量表達于嚙齒類和人的脂肪組織中，因此，Irisin 既是一種新型肌肉因子，同時也被稱為脂肪細胞因子[4,13]。FNDC5 和Irisin 分子在人和嚙齒類動物的血漿和器官組織中廣泛表達和分布，提示其可能對動物機體活動有重要調(diào)控作用，為相關(guān)研究提供了更廣闊的空間。

1.2 Irisin 的表達調(diào)控FNDC5/Irisin基因表達調(diào)控具有PGC-1α依賴性和運動誘導性。骨骼肌中特異性敲除PGC-1α基因小鼠的血漿Irisin 濃度降低72%，而自由跑輪運動3 周后血漿Irisin 含量提高65%[2]。研究表明，運動誘導的FNDC5/Irisin 表達效果受不同運動類型及受試個體差異的影響[9]。在患阿爾茲海默癥小鼠模型中，大腦FNDC5/Irisin 表達能夠被有氧運動誘導增加[14-15]。有氧運動顯著提高肥胖女性血漿Irisin 含量[16]。中老年人的血清Irisin 含量顯著低于健康年輕人，經(jīng)過8 周的耐力訓練后，中老年人血清Irisin 含量被誘導增加，但在年輕人中沒有應答[17]。也有不同研究發(fā)現(xiàn)，高強度間歇訓練能夠增加年輕人骨骼肌中FNDC5mRNA 表達[18]。在經(jīng)受血液透析治療的慢性腎臟患者中，高強度訓練并不能提高血漿Irisin 濃度[19]。此外，受試者膳食類型和結(jié)構(gòu)對血清鳶尾素水平的影響效果還存在爭議[20-21]，其相關(guān)調(diào)控機理有待進一步研究。

2 Irisin 的生理功能

2.1 Irisin 調(diào)節(jié)糖代謝的作用及其機制

2.1.1 抑制糖異生，促進糖原合成 肝臟通過維持糖異生作用和糖原分解，并以糖原形式將多余的葡萄糖儲存于肝臟，從而維持糖代謝的動態(tài)平衡，在血糖控制中發(fā)揮重要作用。磷酸烯醇丙酮酸激酶（Phosphoenolpyruvate Carboxylase Kinase，PEPCK）和葡萄糖6 磷酸酶（Glucose-6-Phosphatase，G6Pase）是肝臟糖異生途徑的2 個關(guān)鍵酶，也是Irisin 抑制肝臟糖異生作用的重要靶點。近期研究發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)NDC5基因表達下調(diào)可顯著提高人HepG2和小鼠原代肝細胞中PEPCKmRNA 表達[22]。在糖尿病小鼠和人原代肝細胞上的研究進一步表明，Irisin通過AMP 依賴的蛋白激酶（AMP-Activated Protein Kinase，AMPK）通路下調(diào)PEPCK和G6PasemRNA的表達，抑制糖異生作用[23-24]。此外，Compound C（AMPK 抑制劑）可降低Irisin 對小鼠肝細胞PEPCK和G6Pase 表達的抑制效果，說明AMPK 信號通路介導Irisin 對糖異生關(guān)鍵酶基因表達的調(diào)控[24]。近期研究也表明，Irisin 可通過誘導AMPKα和細胞外信號調(diào)節(jié)激 酶1/2（Extracellular Signal-Regulated Kinases 1/2，ERK1/2）磷酸化以提高C2C12 細胞和小鼠肌肉組織糖原合成量[25]。此外，有研究發(fā)現(xiàn)，在人HepG2 和原代小鼠肝細胞胰島素抵抗模型中，Irisin 通過激活磷脂酰肌醇3 激酶（Phosphatidylinositol-3-Kinase，PI3K）/蛋白質(zhì)絲氨酸蘇氨酸激酶（Protein-Serine-Threonine Kinase，Akt）信號通路降低PEPCK 和G6Pase 活性，同時上調(diào)糖原合成酶（Glycogen Synthase，GS）活性以促進糖原合成，發(fā)揮其維持機體葡萄糖代謝平衡的效應[26]。

2.1.2 特異性調(diào)節(jié)骨骼肌細胞的葡萄糖攝取和利用 葡萄糖轉(zhuǎn)運是限制糖原合成速率的關(guān)鍵步驟，在糖代謝中起重要作用。Irisin 可增強骨骼肌細胞對葡萄糖的轉(zhuǎn)運和攝取，加速葡萄糖的利用，進而調(diào)控糖代謝。在L6 肌細胞上的研究表明，Irisin 可通過誘導活性氧自由基產(chǎn)生和激活AMPK 信號通路以增強葡萄糖攝取[27]。研究發(fā)現(xiàn)，Irisin 促進骨骼肌葡萄糖的攝取和轉(zhuǎn)運是通過葡萄糖轉(zhuǎn)運蛋白4（Glucose Transporter 4，GLUT4）遷移實現(xiàn)的，而抑制AMPK 則會阻斷Irisin 促葡萄糖攝取的效果，說明Irisin 對骨骼肌細胞葡萄糖攝取能力的調(diào)控是依賴AMPK 的[24,28]。近期研究也進一步證實，AMPKα信號途徑介導Irisin 對C2C12 肌細胞葡萄糖攝取的調(diào)控[25]。

2.1.3 改善胰島素抵抗 胰島素抵抗表現(xiàn)為胰島素作用于靶細胞吸收利用葡萄糖的生理效應下降。FNDC5/Irisin 表達和分泌升高有利于能量消耗，增加機體產(chǎn)熱，從而抑制肥胖和提高胰島素敏感性。給2 型糖尿病小鼠長期皮下注射Irisin 可顯著降低饑餓血糖濃度，提高肝臟Akt 磷酸化水平，改善高血糖癥和胰島素抵抗；在人HepG2 和原代小鼠肝細胞胰島素抵抗模型中，Irisin 通過提高PI3K 表達和Akt 磷酸化水平，改善胰島素抵抗[26]。而在抑制PI3K 或Akt 表達活性后，Irisin 的代謝調(diào)控效應被抵消，說明在胰島素抵抗模型中，PI3K/Akt 信號途徑可能介導Irisin 改善胰島素敏感性[26]。在人和小鼠胰島細胞上的研究發(fā)現(xiàn)，Irisin 可以促進胰島素合成和分泌，并通過激活Akt 通路改善胰腺β細胞功能和活性，抑制飽和脂肪酸誘導的細胞凋亡[29]。高脂飲食誘導的肥胖小鼠脂肪組織FNDC5/Irisin表達下調(diào)與循環(huán)Irisin 水平降低存在顯著相關(guān)性，同時導致骨骼肌中胰島素信號通路相關(guān)分子的磷酸化水平降低，誘發(fā)胰島素抵抗。體外試驗發(fā)現(xiàn)，Irisin 可通過提高Akt 和ERK 磷酸化水平，改善棕櫚酸誘導的小鼠C2C12 肌細胞胰島素抵抗[30]。肌肉生長抑制素（Myostatin，MSTN）活性抑制誘導產(chǎn)生的Irisin 是改善高脂飲食飼養(yǎng)小鼠胰島素敏感性的關(guān)鍵調(diào)控因子，這種胰島素敏感性改善與顯著降低肌肉和脂肪組織炎癥因子表達以及增加肌肉脂肪酸氧化和促進白色脂肪組織褐變有關(guān)[31]。此外，MSTN-/-梅山豬血清Irisin 濃度和肌肉FNDC5 表達顯著增加，胰島素敏感性得到顯著提高[32]。近期研究發(fā)現(xiàn)，Irisin可增強C2C12 細胞線粒體功能，并通過p38 絲裂原活化蛋白激酶38（p38 Mitogen Activated Protein Kinase，p38 MAPK）/PGC-1α信號通路促進細胞自噬，顯著降低胰島素抵抗[33]。

上述研究結(jié)果表明，Irisin 主要通過AMPK 和PI3K/Akt 信號通路參與調(diào)節(jié)機體葡萄糖代謝穩(wěn)態(tài)，同時改善胰腺β細胞功能和活性，進而調(diào)控糖代謝。

2.2 Irisin 調(diào)節(jié)脂肪代謝的作用及其機制

2.2.1 促進脂肪酸氧化，抑制脂肪合成 除在糖代謝中發(fā)揮重要作用外，Irisin 可調(diào)節(jié)細胞脂肪酸氧化能力，抑制白色脂肪沉積。過氧化物酶體增殖物激活受體α（Peroxisome Proliferator-Activated Receptor-α，PPARα）是調(diào)控脂質(zhì)代謝和脂肪酸氧化的關(guān)鍵轉(zhuǎn)錄因子[34]，同時也是FNDC5/Irisin 的下游靶分子[2]。AMPK 可通過上調(diào)PPARα促進脂肪酸氧化[35]。FNDC5-/-小鼠肝臟基礎(chǔ)和禁食誘導的脂肪酸氧化相關(guān)基因表達和AMPK活性顯著降低，而AICAR（AMPK 激動劑）可緩解FNDC5基因缺失引起的肝臟脂肪酸氧化功能受損，降低甘油三酯含量。同時，WY14643（PPARα激動劑）可上調(diào)FNDC5-/-小鼠肝臟PPARα靶基因的表達，而體外試驗也發(fā)現(xiàn)，WY14643 可有效抑制棕櫚酸誘導的肝細胞脂質(zhì)沉積，說明FNDC5 對脂肪酸氧化的調(diào)控是依賴AMPK/PPARα通路的[36]。在高糖高脂干預肌細胞模擬糖尿病體外模型中，Irisin 通過激活AMPK 信號途徑促進細胞的脂肪酸氧化[24]。在進食和饑餓條件下，F(xiàn)NDC5-/-小鼠肝臟脂肪從頭合成基因表達上調(diào)和哺乳動物雷帕霉素靶蛋白復合物1（Mammalian Target of Rapamycin Complex 1，mTORC1）活性通路激活，肝臟脂肪變性加強，而雷帕霉素（mTORC1 特異性抑制劑）可改善FNDC5-/-小鼠肝臟異常增高的脂肪合成，說明FNDC5 可能是通過mTORC1 通路抑制脂肪合成[36]。此外，Irisin 可抑制人皮下和內(nèi)臟前體脂肪細胞成脂分化，降低脂質(zhì)沉積[3,37]。近期研究表明，Wnt 信號通路介導FNDC5/Irisin 對3T3-L1 前脂肪細胞成脂分化的負調(diào)控[38]。

2.2.2 促進白色脂肪組織棕色化 已有研究表明，Irisin是促進白色脂肪向棕色脂肪轉(zhuǎn)變并啟動機體適應性產(chǎn)熱作用的重要代謝調(diào)控因子[2]。Irisin 作用于人和小鼠皮下及內(nèi)臟前體脂肪細胞顯著提高解偶聯(lián)蛋白1（Uncoupling Protein 1，UCP1）基因表達，誘導白色脂肪組織褐變，其棕色化效應依賴于p38 MAPK/ERK信號通路[3,37,39]。此外，Irisin 是脂聯(lián)素表達的上游信號，其通過誘導脂肪組織細胞特異性表達和分泌脂聯(lián)素，進而調(diào)控UCP1表達[40]。進一步研究發(fā)現(xiàn)，Irisin 可通過激活血紅素氧合酶1（Heme Oxygenase-1，HO-1）/脂聯(lián)素信號軸改善高脂飲食肥胖小鼠血管周圍脂肪組織功能紊亂，誘導其發(fā)生棕色化[41]。而樹莓多酚可誘導高脂飲食小鼠白色脂肪組織FNDC5/Irisin 表達，促進棕色化效應，增強機體能量消耗，其作用機制可能與AMPK/Sirtuin 1（Sirt1）信號通路有關(guān)[42]。FNDC5基因功能缺失顯著減弱運動誘導的小鼠白色脂肪棕色化效應[43]。近期研究表明，Irisin 呈劑量依賴性地上調(diào)肥胖小鼠脂肪、肝臟、腎臟、心臟和大腦等器官組織的UCP1基因表達，說明其產(chǎn)生的生理效應是全身性的[44]。

上述結(jié)果表明，Irisin 可抑制脂肪從頭合成，促進脂肪酸氧化和白色脂肪棕色化，增加能量消耗，進而調(diào)控脂肪代謝，其作用機制與AMPK/mTORC1 和p38 MAPK/ERK 信號通路有關(guān)。

3 Irisin 在畜禽生產(chǎn)上的應用前景

從2012 年首次被發(fā)現(xiàn)至今，Irisin 調(diào)控能量代謝的作用得到了生命科學和醫(yī)學研究人員的廣泛關(guān)注，被認為是預防和治療肥胖及相關(guān)代謝性疾病的潛在靶點。雖然目前尚缺乏Irisin 在畜禽生產(chǎn)上的研究，其應用方案及效果、使用劑量和成本等問題還不清楚，但已有研究報道了FNDC5 在豬[45]、雞[46]和牛[47]不同器官組織中的表達，其中在肌肉組織中的表達最為豐富。進一步研究發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)NDC5 可刺激豬原代脂肪細胞增殖并促進棕色化標志基因表達[45]。上述研究結(jié)果提示，Irisin 完全有可能在畜禽試驗研究和生產(chǎn)的某些領(lǐng)域中得到應用，從而達到改善動物健康，提高養(yǎng)殖效率的目的。

3.1 在畜禽肉品質(zhì)調(diào)控研究方面 肌纖維發(fā)育和肌內(nèi)脂肪沉積是肌肉生長過程中的2 個既獨立又相互聯(lián)系的生物學過程，兩者共同影響畜禽的肉品質(zhì)。肌纖維類型組成直接影響肌肉的肉色、嫩度、pH、系水力、肌內(nèi)脂肪含量和風味口感等肉品質(zhì)性狀，顯示出其在調(diào)控畜禽肉品質(zhì)中的重要性。已有研究表明，PGC-1α參與調(diào)節(jié)骨骼肌的發(fā)育和代謝，是促進骨骼肌纖維類型轉(zhuǎn)化（特別是氧化型肌纖維生成）的關(guān)鍵調(diào)控因子[48]，其主要生理功能表現(xiàn)為改善運動功能、緩解肌肉萎縮、改善衰老性肌肉丟失、修復線粒體功能、促進糖原合成和脂肪酸氧化及提高胰島素敏感性等[49]，已成為干預和治療相關(guān)代謝疾病的重要靶標，這為理解PGC-1α關(guān)聯(lián)Irisin 途徑與氧化型肌纖維生成提供了理論基礎(chǔ)。研究發(fā)現(xiàn)，運動訓練一方面促進FNDC5基因表達和Irisin分泌[14]，另一方面增加肌肉非酵解型纖維比例，減少酵解型纖維比例[50]。此外，線粒體含量增加是氧化型肌纖維生成的重要標志，也是Irisin 調(diào)控作用的結(jié)果。這些研究提示，Irisin 途徑可能與骨骼肌纖維類型轉(zhuǎn)化存在顯著相關(guān)性，其直接參與調(diào)控氧化型肌纖維生成相關(guān)基因表達的作用機制還需深入研究。由于Irisin 與氧化型肌纖維生成相互關(guān)聯(lián)，其必將在調(diào)控畜禽肌肉生物學特性中發(fā)揮重要作用。一方面，可能成為肉質(zhì)性狀的重要分子標記，并為遺傳選育提供新的靶點。研究表明，F(xiàn)NDC5/Irisin基因多態(tài)性與2 型糖尿病患者脂類分布和頸動脈粥樣硬化易感性相關(guān)[51-52]。另一方面，為畜禽肉品質(zhì)營養(yǎng)調(diào)控技術(shù)研發(fā)提供新依據(jù)。由于Irisin 具有糖脂代謝調(diào)節(jié)功能，且omega-3 脂肪酸、視黃酸、樹莓多酚和綠豆蔻等營養(yǎng)物質(zhì)可誘導FNDC5/Irisin 表達和分泌[42,53-55]，這為利用營養(yǎng)手段影響FNDC5/Irisin 表達進而調(diào)控畜禽健康和肉品質(zhì)提供了可能。雖然FNDC5/Irisin 信號通路直接介導營養(yǎng)物質(zhì)調(diào)控肉質(zhì)研究尚未見報道，但FNDC5/Irisin 受上游PGC-1α調(diào)控，PGC-1α的營養(yǎng)調(diào)控研究可提供相關(guān)參考。

此外，肉的嫩度和多汁性主要取決于肌內(nèi)脂肪含量，如何在保證瘦肉率和降低外周脂肪沉積的同時提高肌內(nèi)脂肪含量已成為改善畜禽肉品質(zhì)的另一研究熱點。在豬原代脂肪細胞上，F(xiàn)NDC5 能夠促進細胞增殖和分化，并增強脂肪棕色化標志基因表達[45]。MSTN-/-梅山豬骨骼肌質(zhì)量、血清Irisin 濃度和肌肉FNDC5 表達增加，且通過激活PGC-1α誘導皮下白色脂肪發(fā)生棕色化[32]。由于Irisin 在脂質(zhì)代謝方面具有重要調(diào)節(jié)功能，充分發(fā)揮其抑制白色脂肪從頭合成并促進前脂肪細胞棕色化效應可能是調(diào)控畜禽肌內(nèi)脂肪發(fā)育的重要途徑之一。

3.2 在家禽脂肪肝變性研究方面 家禽脂肪肝綜合征是以肝臟脂肪變性為特征的營養(yǎng)代謝性疾病，主要發(fā)生于蛋雞產(chǎn)蛋高峰期，直接影響?zhàn)B禽業(yè)生產(chǎn)效率。Irisin具有抑制脂肪合成，促進脂肪酸氧化的作用，其可能成為預防和治療家禽脂肪肝變性的重要靶點。研究發(fā)現(xiàn)，在棕櫚酸誘導的小鼠脂肪變性肝細胞上，Irisin通過抑制蛋白精氨酸甲基轉(zhuǎn)移酶3（Protein Arginine Methyltransferase 3，PRMT3）下調(diào)脂肪生成基因（如ACC、FAS、SREBP-1c等）的mRNA 表達和轉(zhuǎn)錄活性，同時降低炎癥因子（如NFκB、COX-2、p38等）和過氧化物的表達，從而緩解肝細胞氧化應激，促進脂肪利用[56]。近期研究表明，Irisin 作用于肥胖小鼠顯著降低血液脂質(zhì)濃度，改善肝臟和外周胰島素敏感性，并通過提高肝臟UCP1基因表達增加能量消耗[44]。禁食顯著提高了FNDC5-/-小鼠血清甘油三酯和游離脂肪酸濃度，導致肝臟異位脂肪沉積；在進食條件下，F(xiàn)NDC5 通過激活AMPK 顯著降低高脂飲食小鼠肝臟和血清甘油三酯、游離脂肪酸和總膽固醇水平，抑制肝臟脂肪生成基因的表達，從而有效改善肝臟脂肪變性[36]。因此，F(xiàn)NDC5/Irisin 為家禽脂肪肝變性機制研究提供了新的途徑。由于Irisin 的分泌及其前體蛋白FNDC5 的表達受飼糧營養(yǎng)素調(diào)節(jié)，通過營養(yǎng)手段促進Irisin 表達，可以改善家禽脂質(zhì)代謝紊亂誘導的肝臟脂肪變性，降低或消除脂肪肝及其相關(guān)疾病對養(yǎng)禽業(yè)生產(chǎn)效率的不利影響。

4 小 結(jié)

綜上所述，Irisin 是一種新發(fā)現(xiàn)的糖脂代謝調(diào)控因子，充分發(fā)揮其在抑制肝臟糖異生、增加骨骼肌細胞對葡萄糖的攝取和利用、改善胰島素抵抗、減少脂肪合成以及促進脂肪酸氧化和白色脂肪棕色化等方面的作用，學術(shù)和實踐意義重大。目前Irisin 的研究更多集中在人類醫(yī)學和實驗動物方面，缺乏在畜禽上的試驗和應用，僅有的研究主要報道了FNDC5/Irisin 在豬、雞和牛不同組織中的表達規(guī)律。深入研究FNDC5/Irisin 通路在畜禽肉品質(zhì)性狀形成和肝臟脂質(zhì)代謝調(diào)控中的介導作用，將為優(yōu)質(zhì)、健康和高效的畜禽生產(chǎn)提供新的科學依據(jù)。