100年前胰島素的發現為數百萬糖尿病患者打開了一扇通往生命和希望的大門。從那時起，由胰腺產生的胰島素一直被認為是治療以高血糖(葡萄糖)為特征的疾病(例如糖尿病)的主要手段。

令人興奮的是，近日來自美國的索爾克生物研究所、荷蘭的格羅寧根大學等研究機構的專家驚奇地發現了第二種降糖分子，它產生于脂肪組織中，與胰島素一樣，也能有效而快速地調節血糖。他們的發現可能導致治療糖尿病的新療法的開發，也為代謝研究中有前途的新途徑奠定了基礎。

該研究發表在國際知名期刊Cell Metabolism上，研究表明一種名為FGF1的激素通過抑制脂肪分解來調節血糖。和胰島素一樣，FGF1通過抑制脂肪分解來控制血糖，但這兩種激素的作用方式不同。更重要的是，這種獨特的差異可以使FGF1能夠安全和成功地降低胰島素抵抗患者的血糖。

研究成果 (圖源：Cell Metabolism)

在此之前，該團隊研究人員發現外周給藥FGF1可通過脂肪FGF受體1的介導迅速降低糖尿病小鼠模型的血糖水平，但其作用機制尚不清楚。在這篇文章中，他們進一步探究了這些現象背后的機制以及它們之間的聯系。

首先，研究人員為了驗證FGF1 誘導的葡萄糖降低依賴于脂肪組織中FGFR1的表達，FGFR1在成熟脂肪細胞中被選擇性敲除(adR1KO小鼠)。研究結果顯示，FGF1迅速降低飲食誘導肥胖(DIO) 野生型(WT)小鼠的血糖水平，但未能影響adR1KO小鼠的血糖，這進一步驗證了他們之前的研究結果。

鑒于adR1KO小鼠中胰島素水平的增加，以及肝葡萄糖生成(HGP)和脂肪分解之間的聯系，研究人員假設FGF1可能影響脂肪分解。為了探索這一概念，研究人員起初要確定是否FGF1基因敲除(F1KO)小鼠的脂解作用受到干擾。體外脂肪分解實驗顯示，F1KO小鼠的性腺脂肪組織(gWAT)的脂肪分解顯著增加。

此外，FGF1顯著抑制基礎和異丙腎上腺素(ISO)誘導的小鼠和源于脂肪細胞的人基質血管成分(SVF)的脂解反應，與脂肪細胞的內在效應一致。類似地，FGF1 以劑量依賴性方式抑制3T3-L1脂肪細胞中ISO誘導的脂解作用，這種作用被FGFR1抑制阻斷。

為了確定外源性FGF1是否可以類似地影響體內脂肪分解，研究人員將DIO adR1WT和adR1KO小鼠在注射FGF1之前禁食一夜，以盡量減少胰島素的代償性變化。研究結果顯示，FGF1將adR1WT小鼠的血清游離脂肪酸水平降低了約 30%，但未能影響adR1KO小鼠。此外，FGF1以脂肪FGFR1依賴性方式抑制體外脂肪分解。作為體內脂肪分解的衡量標準，研究人員將FGF1預處理的adR1WT和 adR1KO小鼠都注射了放射性標記的油酸。在 FGF1處理的adR1WT小鼠中，油酸的部分轉換率降低，表明基礎脂肪分解較低。相比之下，adR1KO小鼠的油酸轉換不受 FGF1預處理的影響。上述研究數據表明，FGF1-FGFR1信號傳導是一種調節脂肪分解的新途徑。

為了確定FGF1對脂解作用的抑制是否會顯著降低HGP，研究人員探究了FGF1影響糖異生的能力。研究結果顯示，用FGF1預處理的ob / ob小鼠從丙酮酸合成葡萄糖的能力顯著降低(丙酮酸耐受性測試，PTT)，而當甘油是外源性底物時(甘油耐受性測試，甘油 TT)，則沒有發現差異。此外，FGF1抑制丙酮酸利用的能力取決于脂肪細胞FGFR1 的表達。

鑒于以上對丙酮酸和甘油利用的不同差異，使研究人員將目光聚焦到丙酮酸的下游。研究人員通過質譜法測量ob / ob小鼠肝臟中的糖異生中間體水平。丙酮酸下游的中間體，包括葡萄糖 6-磷酸(G6P)、果糖 6-磷酸 (F6P)、磷酸甘油酸 (PG)、磷酸烯醇丙酮酸(PEP)和草酰乙酸(OAA)在注射FGF1的小鼠中減少，而參與三羧酸的代謝物酸循環(TCA) 循環不受影響。此外，丙酮酸羧化酶變構激活劑乙酰輔酶A的水平降低。這些糖異生底物的減少主要在 adR1WT小鼠中重現，而adR1KO小鼠對FGF1的處理不敏感。另外，乙酰輔酶A的脂肪FGFR1依賴性降低伴隨著丙酮酸羧化酶活性降低約50%。

研究人員為了探究這些發現與葡萄糖穩態的相關性，在短期連續 FGF1 給藥(0.5毫克/千克，每隔一天，一周)后，對ob/ob小鼠進行了高胰島素鉗夾實驗。研究結果顯示，內源性葡萄糖產生 (EGP) 減少了約 25%。在鉗夾條件下，用FGF1處理的小鼠需要更高的外源性葡萄糖輸注率(GIR)來維持葡萄糖設定點，這種影響主要歸因于 EGP 的減少，因為葡萄糖代謝清除率(GDR) 未改變。上述研究數據表明，FGF1以脂肪FGFR1依賴性方式抑制HGP。

FGF1以脂肪FGFR1依賴性方式抑制HGP (圖源：Cell Metabolism)

胰島素通過PDE3B的PI3K依賴性激活抑制脂肪分解。由于FGFR1激活也可以通過PI3K途徑發出信號，因此研究人員探究了FGF1的抗脂解作用是否受到PI3K抑制劑wortmannin的影響。研究結果顯示，與胰島素信號通路相平行，抑制劑wortmannin消除了FGF1誘導的3T3-L1脂肪細胞中FFA釋放的減少。此外，在基于CRE熒光素酶的報告基因實驗顯示，FGF1減弱了ISO誘導的cAMP和 cAMP/PKA信號傳導的增加，暗示可能對磷酸二酯酶活性產生影響。有趣的是，PDE3B的抑制并未損害FGF1誘導的脂解抑制。相比之下，FGF1的抗脂解活性被3T3-L1脂肪細胞以及小鼠和人類SVF衍生的脂肪細胞中的PDE4選擇性抑制劑阻斷。研究人員為了進一步確定FGF1誘導的體內脂解抑制是否需要PDE4活性，在FGF1注射前1小時，給DIO小鼠灌胃PDE4抑制劑。研究結果顯示，PDE4抑制阻斷FGF1的抑制脂肪分解的能力。

鑒于上述發現，研究人員推測FGF1-PDE4信號調節激素敏感性脂肪酶(HSL)磷酸化。研究結果顯示，在基礎細胞和ISO刺激的細胞中，FGF1抑制HSL 磷酸化的能力在PDE4抑制劑羅氟司特的存在下喪失了。

為了進一步監測FGF1在活細胞中影響pHSL-perilipin相互作用的能力，研究人員使用結合人脂聯素啟動子/增強子的腺相關病毒(AAV) 載體來表達GFP標記的 perilipin (perilipin-GFP)和3T3-L1脂肪細胞中帶有mCherry標記的HSL(HSL-mCherry)。研究結果顯示，FGF1減少了ISO誘導的perilipin-GFP和 HSL-mCherry的共定位，如熒光重疊的時間監測。在沒有HSL融合的情況下，表達perilipin-GFP和mCherry的細胞中沒有看到任何影響。此外，雖然選擇性抑制 PDE4 或PDE3增加了周脂素-HSL共定位，與增加的 cAMP 水平和PKA激活一致，但只有PDE4抑制消除了FGF1效應。

基于之前將PDE4D與脂肪分解聯系起來的研究，接下來研究人員探索了 PDE4D的過度表達是否足以概括FGF1抑制脂肪分解的能力。研究結果顯示，3種PDE4D同種型的過表達以劑量依賴性方式抑制了3T3-L1脂肪細胞的脂解作用，其中 PDE4D3 同種型顯示出最高的功效。為了繼續加深對這一發現的理解，研究人員構建了限制PDE4D3在成熟脂肪細胞中表達的adAAV 載體。研究結果顯示，adAAV-PDE4D3驅動的表達有力地抑制了ISO誘導的3T3-L1脂肪細胞中脂解、cAMP 和perilipin-GFP / HSL-mCherry共定位的增加。上述研究數據表明，FGF1 通過激活 PDE4 抑制 cAMP-PKA 通路。

FGF1誘導的脂解抑制依賴于PDE4的發現增加了這一途徑有助于胰島素抵抗小鼠的葡萄糖穩態的可能性。為了探索這一可能性，研究人員用PDE4抑制劑羅氟司特治療隨機喂養的DIO小鼠。研究結果顯示，抑制PDE4會瞬時增加血糖、血清FFA和胰島素水平。值得注意的是，羅氟司特預處理ad lib喂養的小鼠后，FGF1降低血糖水平的能力喪失了。相比之下，PDE3的抑制未能影響FGF1調節葡萄糖水平的能力。

鑒于PDE4D在體內調節脂解的能力，研究人員進一步探索了該PDE家族在FGF1代謝活動中的作用。研究結果顯示，來自 PDE4DKO 小鼠的脂肪外植體顯示出更高的基礎和 ISO 刺激的脂解作用，而PDE4DKO SVF 來源的脂肪細胞對 FGF1處理不敏感。更重要的是，FGF1未能降低這些喂食 HFD 的PDE4DKO小鼠的血糖，而這一缺陷通過脂肪組織中由 adAAV 驅動的PDE4D3 表達得以恢復。上述研究數據表明，FGF1誘導的脂解和血糖抑制依賴于體內PDE4D。

FGF1誘導的脂解和血糖抑制依賴于PDE4D (圖源：Cell Metabolism)

接下來，研究人員又通過一系列實驗證明了FGF1/PDE4D通路的抗脂解活性需要 PDE4D在S44處的特異性磷酸化，從而發揮作用。為了證實這一發現的體內相關性，研究人員向ob/ob小鼠注射了adAAV-GFP、adAAV-PDE4D3或 adAAV-PDE4D3 S44A。研究結果顯示，PDE4D3的過表達導致了較低的即興喂食和過夜禁食血糖和血清FFA水平，以及在進食狀態向低胰島素水平的趨勢。相比之下，S44A 突變體的過度表達未能影響這些代謝參數。重要的是，FGF1 在過度表達 PDE4D3 的小鼠中誘導了更大的葡萄糖水平降低，而表達 S44A 突變體的小鼠的反應與對照小鼠的反應沒有區別。

研究人員為了將內源性FGF1信號與S44磷酸化聯系起來，在隔夜禁食和再喂養條件下從食物和HFD喂養的小鼠中收集gWAT庫。研究結果顯示，重新喂養的小鼠的pS44水平幾乎翻了一倍。有趣的是，HFD顯著降低了禁食和進食狀態下的 S44 磷酸化，表明 PDE4D 在胰島素抵抗高脂血癥中的作用。上述研究數據支持外源性FGF1通過以PDE4D3依賴的方式抑制脂肪分解來降低血糖水平的機制，并且這種機制與攝食的生理反應有關。

PDE4D3-S44磷酸化是PDE4D3代謝作用所必需 (圖源：Cell Metabolism)

總之，研究人員報告了FGF1通過抑制脂肪脂解而顯著降低HGP。胰島素通過脂肪PDE3B抑制脂解，而FGF1依賴PDE4D，使FGF1/PDE4D通路在胰島素抵抗下保持功能。最后他們進一步確定了Ser44是FGF1誘導PDE4D磷酸化的調節位點，受飽食-空腹循環的調節。

文章作者Gencer Sancar表示，這種機制基本上是第二個循環，具有平行胰島素途徑的所有優點。在胰島素抵抗中胰島素信號會受損，然而如果有不同的信號級聯，假如其中一個不起作用，則另一個還可以。這樣你仍然可以控制脂肪分解和血糖調節。

該研究的聯合資深作者Michael Downes說：“FGF1在胰島素抵抗糖尿病小鼠中誘導持續降低血糖的獨特能力是糖尿病患者的一種有前途的治療途徑。我們希望了解這一途徑將為糖尿病患者帶來更好的治療。”

[1]Sancar G, Liu SH, Gasser E, et al. FGF1 and insulincontrol lipolysis by convergent pathways [J]. Cell Metabolism 2021, 34,171-183. DOI: 10.1016/j.cmet.2021.12.004。