文献阅读：PKM2通过STAT3途径加重棕榈酸引起的HepG2细胞的胰岛素抵抗
今天分享一篇文献是来自Biochemical and Biophysical Research Communications的题为PKM2 aggravates palmitate-induced insulin resistance in HepG2 cells via STAT3 pathway。文献主要内容是PKM2通过STAT3途径加重棕榈酸引起的HepG2细胞的胰岛素抵抗。
首先看研究背景。
糖尿病是由多种环境因素和遗传因素联合作用而导致的一种慢性高血糖状态的全身代谢性疾病，主要表现为胰岛素相对或绝对不足，或靶细胞对胰岛素敏感性降低，或胰岛素本身存在结构上的缺陷而引起的糖、脂肪和蛋白质代谢紊乱。糖尿病分为1型和2型, 随着生活水平提高以及环境因素的影响，占糖尿病发病主体的2型糖尿病严重危害了人类的生活质量及健康水平。
那很早之前，我们就认识到肥胖与2型糖尿病有关，这种联系的主要依据是肥胖引起胰岛素抵抗((insulinresistance, IR)的能力。作为2型糖尿病主要潜在危险因素之一，肥胖增加了其他多种病理状态的风险，包括血脂异常、高血压和非酒精性脂肪性肝病(non-alco-holic fatty liver disease, NAFLD)。高脂诱导的脂毒性及相关代谢炎症对体内脂质代谢和糖代谢产生负面影响。
游离脂肪酸(feee fatty acid, FFA)的增加和炎症因子的失调与胰岛素抵抗的发病机制有关。脂质摄取过多促使各个主要代谢器官产生胰岛素抵抗。从脂肪组织到肝脏、肌肉和胰腺的异位脂质沉积产生了脂毒性，损害胰岛素敏感性，进而使得葡萄糖稳态失调，导致胰岛素抵抗及2型糖尿病。
肝脏为重要的代谢器官，在维持代谢平衡，调节脂肪生成、糖异生和胆固醇代谢过程中起着重要作用。同时，高脂诱导的肝脏IR是2型糖尿病发生发展的关键机制之一。然而，它们之间具体机制尚未完全阐明。
有研究表明，高游离脂肪酸诱发的氧化应激是导致肝脏胰岛素抵抗的重要原因。这个过程可引起线粒体产生大量活性氧簇(ROS)的异常累积。
而活性氧簇(ROS)能促进pkm2的上调，使其核易位，促进系统组织的炎症反应。因此，这些发现提示了PKM2可能与肝脏胰岛素抵抗有联系。
PKM2是糖代谢中的限速酶，它在大多数细胞中都有表达。在癌细胞中，PKM2影响缺氧诱导因子(HIF-1α)的表达及活性，促使肿瘤恶性进展。有报道称，缺氧诱导因子能改善高脂饮食喂养诱导的小鼠肝中胰岛素敏感性。在结直肠癌细胞中，PKM2通过STAT3途径进行调控。同时，研究发现STAT3途径在游离脂肪酸诱导的肝脏胰岛素抵抗中也发挥了重要作用。此外，在高脂饮食后的脂肪组织中，PKM2是升高的。这些研究提示我们PKM2参与游离脂肪酸诱导的胰岛素抵抗。但其中的机制并不清楚。
所以，本研究旨在探讨PKM2在游离脂肪酸诱导的肝脏胰岛素抵抗发生中的作用机理。文章主要从以下4方面进行：首先，PKM2是否参与肝胰岛素抵抗；如果有，那它在当中的作用是什么？以及PKM2与肝胰岛素抵抗之间的联系，它们间确切的调节机制又是什么？
下面我们来看它的实验结果。首先，要了解PKM2是否参与肝胰岛素抵抗，作者以C57BL/6J雄性小鼠构建动物模型，将小鼠分为正常饮食组(NCD)或高脂饮食组(HFD)，喂养16周。图A是小鼠体重的测量：可以看到与正常饮食组相比，高脂饮食组小鼠体重在8周后呈急速上升趋势。图B是空腹血糖的检测，可以看到其趋势与小鼠体重增长是相一致的。从图C和图D可以看到，PKM2的表达在高脂饮食组中较正常饮食组的要高。
下面，为进一步证明PKM2是否可能参与胰岛素抵抗，于是他们又分析了在胰岛素抵抗的肝细胞中PKM2的表达。从图E和F看到：胰岛素诱导的磷酸化Akt与糖原合成酶-3β经PA处理HepG2细胞中是减少的，而PKM2的蛋白水平在胰岛素抵抗的肝细胞中表达明显升高。图G是PKM2在细胞质中的荧光定位，发现PKM2主要分布在HepG2细胞的细胞质中。这些数据表明：在胰岛素抵抗的肝组织和肝细胞中，PKM2表达是上调的。
然后，他们研究了PKM2在肝细胞胰岛素抵抗中的作用。用HA-PKM2或HA转染HepG2细胞，分析PKM2表达对Akt和GSK3β的磷酸化影响。图A和图B可以看到：转染HA-PKM2的HepG2细胞，PKM2的表达增加。图C和D反映出：PKM2过表达会下调磷酸化Akt和GSK3β。
肝脏脂质的积累在肝脏胰岛素抵抗中占有重要地位。因此，他们用油红O染色法测定细胞内脂质的情况。如图E所示：与对照组相比，HA-PKM2会加重HepG2细胞中的脂滴的累集。图F反映的是：PKM2过表达能降低胰岛素诱导的葡萄糖摄取水平。然而，图G却显示：PKM2过表达会增加PEPCK和G6Pase的mRNA水平。根据这些结果，认为PKM2对肝脏胰岛素敏感性具有负调节作用。
接下来，探究PKM2与肝胰岛素抵抗的相关性。用PKM2-siRNA下调HepG2细胞中PKM2的表达，再进行转染。图A与图B可以看到：PKM2蛋白水平几乎被抑制，同时，磷酸化Akt和GSK3β被激活。图C可以看到：PKM2的表达下调会提高葡萄糖摄取水平。图D可以看到：PKM2下调逆转了棕榈酸(PA)诱导的细胞内糖异生(上调)。这些结果表明，干扰PKM2能保护经棕榈酸(PA)诱导的胰岛素抵抗的肝细胞。
最后，作者试图从STAT3途径来探究PKM2在胰岛素抵抗中的作用机理。从这两幅图可以看到：PKM2过表达增强了磷酸化STAT3的蛋白水平。
接着又利用免疫沉淀法(IP)对PKM2和STAT3之间的内源性相互作用进行了探讨。从图C可以看到：在HepG2细胞中，STAT3被特定的PKM2抗体沉淀；反之，PKM2被特定的STAT3抗体沉淀。图D是HA-PKM2与STAT3蛋白的免免疫共沉淀实验，得到的结果与之前是一致的。
综上所述，我们可以得到以上4点内容：1. 在肝胰岛素抵抗中，PKM2表达增高；2.过表达的PKM2加重肝细胞胰岛素抵抗，抑制葡萄糖摄取和细胞内脂质沉积；3. 干扰PKM2改善肝脏胰岛素敏感性；4.在HepG2细胞中，PKM2过表达改变STAT3活性负性调节胰岛素抵抗。最后，总结一下：本文研究了PKM2通过STAT3途径调节肝内胰岛素抵抗。当然，这不是唯一调节通路，PKM2也能通过其他信号途径参与胰岛素抵抗，如有研究报道过的NF-kB或mTOR通路，等等。这些都还需要我们进行更深入的研究去认识它。这篇文章的内容只是为阐明肝胰岛素抵抗的发病机制提供了新的思路，告诉我们PKM2可能通过STAT3途径促进肝胰岛素抵抗。