浙江大学焦晶晶教授团队发现n-3脂肪酸靶向肌肉GLUT4动态转运改善糖尿病前期患者糖代谢机制

研究背景

2型糖尿病（T2D）已成为全球范围内发病率和死亡率最高的慢性疾病之一。据国际糖尿病联盟（IDF）统计，2021年全球约有5.37亿名成年人患有糖尿病，其中超过90%为T2D患者。此外，美国国家健康与营养调查（NHANES）的最新数据显示，2020年约有38.6%的美国成年人处于糖尿病前期阶段，面临发展为T2D及其相关并发症的高度风险。

尽管已有大量研究证实，饮食因素在T2D的发生与进展中发挥着关键作用，但关于海洋n-3多不饱和脂肪酸如二十二碳五烯酸 （DHA）和二十碳五烯酸（EPA）对糖尿病前期人群是否可降低糖尿病发生风险尚不清楚，相关作用机制也尚未明确。

研究进展

1.糖尿病前期患者习惯性补充鱼油与2型糖尿病（T2D）风险降低有关

研究团队在包含48,358名糖尿病前期人群的队列上开展研究，经过平均7.8年的随访，其中3,835名糖尿病前期人群发展为糖尿病。多变量回归分析模型显示，习惯性补充鱼油可使糖尿病前期人群的T2D发病风险降低9% (HR = 0.91, 95% CI: 0.84-0.99)。同时，鱼油补充与人群GLUT4基因上的变异位点具有显著交互作用。

2.骨骼肌代谢组学揭示DHA和EPA干预促进骨骼肌葡萄糖代谢

为进一步探究其潜在机制，研究团队在糖尿病模型小鼠db/db中进行了为期10周的DHA或EPA干预（膳食中添加1% w/w）,发现DHA与EPA干预均显著提高了骨骼肌中的DHA或EPA含量。随后，团队进行骨骼肌非靶向代谢组学检测分析，筛选出潜在代谢生物标志物，并经KEGG通路富集发现，这些标志物主要处于三羧酸循环和丙酮酸代谢通路中。

在潜在的生物标志物中，丙酮酸和乳酸丰度在不同性别小鼠中均发生显著变化：EPA干预显著降低了雌性小鼠骨骼肌中的丙酮酸含量，而DHA干预则显著升高了雄性小鼠骨骼肌中的丙酮酸水平，提示n-3 PUFA可能加速糖酵解向有氧氧化的转化。与此同时，DHA和EPA均显著提高了雄性小鼠骨骼肌中的乳酸含量，提示无氧糖酵解也被激活。研究团队还发现，DHA和EPA均提升了肌酸和支链氨基酸（BCAAs）水平，这有助于促进葡萄糖代谢。与此同时，人群数据也显示n-3 PUFA与丙酮酸、乳酸呈负相关，与亮氨酸、异亮氨酸呈正相关，进一步支持了n-3 PUFA通过调节骨骼肌能量代谢改善血糖的机制。

3.DHA和EPA促进糖尿病骨骼肌及胰岛素抵抗肌管细胞的有氧糖酵解与糖原合成

代谢组KEGG分析提示DHA和EPA干预富集于糖酵解和TCA循环通路，团队进一步检测了两者的关键酶—丙酮酸脱氢酶（PDH）。结果显示，DHA和EPA显著提高了雄性小鼠骨骼肌中PDH含量，而EPA仅在雌性中显著上调PDH水平。进一步研究发现，DHA通过降低丙酮酸脱氢酶激酶4（PDK4）表达来激活PDH，促进葡萄糖有氧氧化；同时DHA、EPA上调GS表达，增强糖原合成能力。

4.DHA和EPA促进db/db小鼠骨骼肌对葡萄糖的摄取

团队在n-3 PUFA喂养的db/db小鼠骨骼肌中观察到BCAAs水平升高，结合先前研究，推测DHA和EPA可能促进GLUT4囊泡运输。为验证该假设，检测了GLUT4转运相关蛋白变化。蛋白质检测结果显示，在雄性小鼠中，EPA显著促进AKT磷酸化，但GLUT4总蛋白表达无显著变化，说明n-3 PUFA通过促进GLUT4转运而非表达本身改善糖代谢。进一步分析发现，DHA和EPA显著上调Rab8a表达，DHA还显著提高骨骼肌SNARE蛋白SNAP23的表达。在胰岛素刺激下，DHA和EPA组肌肉中膜表面GLUT4水平显著增加，证实GLUT4转运被激活。在雌性小鼠中，DHA和EPA均显著上调GLUT4表达；EPA显著上调Rab8a表达，膜GLUT4水平显著升高，说明DHA和EPA也可在雌性中促进GLUT4转运。与此一致，在糖尿病前期人群中发现鱼油使用与GLUT4基因变异（女性rs5435和男性rs8082645）对T2D风险存在显著交互作用，进一步支持GLUT4转运是n-3 PUFAs防治T2D的关键靶点。

5.DHA和EPA促进肌管中的GLUT4转运

接下来，团队通过棕榈酸诱导的胰岛素抵抗（IR）C2C12肌管模型，系统阐明了DHA和EPA调控GLUT4转运的分子机制。结果显示，DHA和EPA均可改善胰岛素抵抗状态下葡萄糖摄取受损，EPA改善效果更好。EPA显著促进AKT磷酸化和GLUT4表达，而DHA对AKT磷酸化无显著影响。

为验证其对GLUT4囊泡转运的调控，研究进一步检测GLUT4相关基因和蛋白表达：EPA显著上调了snap23、syntaxin4、以及多个Rab GTP酶（包括rab4、rab5、rab8a、rab13、rab14）的mRNA水平，而DHA仅提升syntaxin4、rab5和rab8a表达。蛋白水平分析显示，EPA显著提升了SNAP23、syntaxin4及Rab8a的蛋白表达，而DHA无明显变化。随后将HA–GLUT4–GFP转染至肌母细胞，发现在胰岛素刺激下，DHA和EPA均显著提升细胞膜表面的GLUT4水平，证实了GLUT4囊泡向膜的转运被激活。此外，即使在无胰岛素刺激的基础状态下，DHA和EPA也已开始上调Rabs和t-SNAREs的表达，提示其在胰岛素刺激前即启动调控。

综上，DHA和EPA通过协同上调Rab GTPases和t-SNAREs表达，促进GLUT4囊泡向质膜运输，从而增强葡萄糖摄取并改善血糖稳态。其中EPA表现出更优的调控作用。

未来展望

本研究率先在大规模前瞻性队列中发现鱼油补充可降低糖尿病前期人群的T2D发生风险，进一步开展基础研究系统揭示了DHA和EPA通过增强骨骼肌葡萄糖有氧代谢、糖原合成以及GLUT4囊泡动态转运，改善葡萄糖稳态的机制。其中，EPA表现出更优的效果。研究结果为开发靶向GLUT4动态转运机制的糖尿病防治新方法奠定了分子理论基础，也为糖尿病前期人群的精准营养干预提供了新思路。

原文链接：https://spj.science.org/doi/10.34133/research.0683