骨鈣素調節糖代謝的研究進展

種珍珍胡玲

骨鈣素調節糖代謝的研究進展

種珍珍①胡玲②

骨鈣素（OC）是由成骨細胞合成并分泌的骨特異性蛋白，是臨床中常用的骨轉換血清學指標。近期研究表明，OC，尤其是羧化不全骨鈣素（ucOC）可通過促進B細胞增殖、胰島素分泌及改善周圍組織對胰島素敏感性等途徑調節糖代謝。GPRC6A是骨鈣素在胰腺的受體，ESP基因與胰島素信號可調節骨鈣素的活性，進而調節血糖水平。臨床研究也證實了OC調節糖代謝的作用。OC有望成為糖尿病和肥胖治療的新靶點。

骨鈣素； 羧化不全骨鈣素； 葡萄糖代謝

First-author's address：Shanxi Medical University，Taiyuan 030001，China

骨鈣素（osteocalcin OC）又稱骨-羧基谷氨酸蛋白（BGP），是由成骨細胞合成和分泌的一種特異的非膠原骨基質蛋白。骨鈣素原在維生素K依賴羧化酶的作用下可羧化成7-羧基化谷氨酸（Gla），其具有很強的結合羥磷灰石的能力［1］。酸性條件下，OC分子中的Gla可以脫羧成為羧化不全骨鈣素（ucOC）［2］。

以往大量研究均證實，OC的主要功能和骨代謝相關，可維持骨的正常礦化速率，抑制生長軟骨礦化的速度，從而維持正常骨量［3］；且證實血糖水平升高可影響骨代謝，降低骨轉換率，導致血清OC水平降低［4］，因此糖尿病患者骨質疏松和骨折風險均明顯增加［5］。而近期動物學研究及細胞學研究發現了骨骼新的生理功能，即骨骼的內分泌功能，證明了骨骼與能量代謝之間的相互作用。

1　骨鈣素對糖代謝調節的基礎研究

1.1動物體內實驗 2007年Lee等［6］首次分析骨鈣素基因敲除的小鼠（OC-/-），觀察到這些基因突變的小鼠內臟脂肪異常增加，推測OC可調節能量代謝。為證實上述猜測，Lee等［6-7］將野生小鼠OC基因敲除，觀察發現OC-/-小鼠與野生型小鼠相比，胰腺B細胞增殖下降了2倍，胰島的大小及B細胞質量、胰腺胰島素含量和胰島素免疫反應性均顯著下降，而血糖水平增加。給OC-/-小鼠中再次注入重組OC后，可糾正他們的葡萄糖不耐受，胰島素分泌減少等癥狀。以上研究表明OC可通過促進誘導胰腺B細胞的增殖，胰島素的合成與分泌等途徑對血糖穩態進行調節。其次Lee又證實了ucOC是骨鈣素的活化形式，在調節糖代謝過程中起主要作用。首先使用骨鈣素羧化抑制劑-華法林與野生小鼠的成骨細胞培養，觀察發現其脂聯素基因表達顯著增加；使用細菌產生的ucOC與成骨細胞培養，可發現與上述實驗一致的現象，并發現了胰島素和細胞周期素D1的表達增加［6］。

1.2體外細胞培養 該實驗證明了骨骼存在內分泌功能，而且是通過分泌OC來調節能量代謝的。將胰島細胞和脂細胞培養于成骨細胞的上清液中進行聯合培養，用過濾器阻止成骨細胞與其接觸，結果可觀察到胰島素和脂聯素基因表達明顯提高，而對照組即成纖維細胞組卻未觀察到上述現象［6-8］。將人胰島細胞高血糖條件下培養，加入ucOC可使SUR1基因表達增加，B細胞質量增加，繼而胰島素分泌顯著增加［9］，進一步證實了骨鈣素調節糖代謝的功能。

1.3胰島細胞移植 將人胰島細胞移植于免疫缺陷的小鼠體內，給予ucOC持續注射30 d，發現高糖刺激下血清胰島素及C肽水平均增高，Ki67標記提示小鼠體內人胰島細胞增殖了20%［9］。這個實驗間接說明ucOC可使人胰島細胞增殖，相應使胰島素分泌增加，這與對小鼠胰島細胞的作用一致。

1.4OC的潛在治療作用 研究發現高脂飲食或食欲亢進誘導的肥胖和糖耐量異常的兩個小鼠模型，給予持續ucOC注射，可觀察到小鼠脂肪墊及體重增加均較少，而能量消耗及胰島素敏感性增加［8］。對正常飲食的小鼠進行間歇的ucOC注射，1次/d，可顯著增加胰島B細胞體積和血清胰島素水平；對于高脂飲食喂養的小鼠，間歇注射ucOC可增加能量消耗，改善胰島素敏感性和糖耐量減低癥狀，并逆轉肝臟脂肪變性［10］。

以上研究結果證實了骨鈣素對能量代謝的調節，OC可通過使胰島B細胞增殖、胰島素敏感性增加、促進胰島素分泌、降低血糖水平，并可增加能量消耗，繼而減少肥胖及糖耐量減低的發生，并且ucOC是OC發揮作用的活性形式。

2　胚胎干細胞的磷酸酶（ESP）基因

腸球菌表面蛋白基因（ESP）特異表達在胚胎干細胞、睪丸支持細胞及成骨細胞中［11］，其編碼產物為骨-睪丸蛋白酪氨酸磷酸酶（OST-PTP）。成骨細胞ESP基因缺失的動物模型（ESP-/-）表現出β細胞增殖，胰島素分泌和敏感性及脂聯素增加，并表現為低血糖，同時血清ucOC水平增加。這種表型類似于骨鈣素基因敲除的小鼠（OC-/-），且敲除一個骨鈣素基因的等位基因后可部分逆轉。選擇性的將小鼠成骨細胞全長Esp的cDNA過表達，可發現與ESP-/-小鼠相反的代謝表型［6］。證明了Esp 和OC通過共同代謝通路來調節糖代謝，且OSTPTP可通過抑制骨鈣素的羧化進而阻斷OC對血糖水平的調節。

3　骨鈣素的胰腺受體：GPRC6A

GPRC6A是G蛋白偶聯受體，為間質細胞的受體，最近被證明表達于胰島細胞及B細胞系［12］。GPRC6A缺乏的小鼠糖代謝表型異常，使他們初步猜測GPRC6A可能是OC的受體。將全長環狀GPRC6A的DNA轉染進入缺乏GPRC6A的小鼠中，觀察到對OC劑量依賴性的反應，這些數據初步表明，GRPC6A為生物相關的骨鈣素受體［13］。近期研究進一步證實了上述觀點，發現GPRC6A缺陷的小鼠與骨鈣素基因缺陷的小鼠表現相同，表現出血糖升高，B細胞面積及質量減少，胰島素分泌減少，并出現糖耐量減低。體外實驗中，將成骨細胞與GPRC6A缺乏的胰島細胞共培養，與對照組比較，并未發現胰島素及脂聯素基因的表達增加。體內實驗通過造模并觀察GPRC6A+/-和OC+/-小鼠模型，發現GPRC6A+/-合并OC+/-的小鼠比單個雜合子小鼠的胰島細胞、胰島素分泌均顯著減少，體內及體外實驗證實了GPRC6A在B細胞中是主要的骨鈣素受體，可通過調節骨鈣素作用進而調節胰島細胞的增殖及胰島素分泌［14］。一項在大鼠中的研究發現，GPRC6A同樣表達于小腸上皮細胞及內分泌細胞，ucOC可作用與GPRC6A，使GLP-1分泌增加，進而促進胰島素的釋放來調節血糖水平［15］。

4　胰島素信號

Fulzele等［16］研究表明，在成骨細胞胰島素受體表達缺陷的小鼠中，血清ucOC濃度較低，成骨細胞及骨形成均減少，繼而導致骨量減少；且隨著年齡的增長，這些小鼠逐漸出現肥胖、高血糖及胰島素抵抗。給予注射重組ucOC治療后，可改善這些代謝異常。Ferron等［2］研究發現，胰島素可與成骨細胞胰島素受體結合，可抑制FoxO1表達，降低骨保護素的表達，減少對RANKI的抑制，增加骨重吸收，進而使骨細胞外基質pH值降低，促使骨鈣素脫羧化，ucOC的濃度增加，通過促進B細胞增殖、胰島素釋放及能量消耗來實現對能量代謝的調節。肥胖小鼠體內飽和脂肪酸增加可產生脂毒性，通過SMURF1途徑阻斷成骨細胞內胰島素信號，同時體內OC活性形式減少，繼而產生骨骼肌胰島素抵抗，因此出現體內血糖水平異常；而在高脂飲食誘導的肥胖小鼠中，將小鼠胰島素受體基因過表達，可使小鼠免于胰島素抵抗及葡萄糖不耐受［17］。以上實驗表明，胰島素受體是骨鈣素發揮作用的重要環節，胰島素可通過胰島素受體直接或間接調節骨鈣素的羧化形式，進一步調節血糖代謝水平。

5　骨鈣素對糖代謝調節的臨床研究

5.1OC對健康人糖代謝的調節 有研究表明，健康女性血清OC水平與空腹血糖、BMI、體重呈負相關，是BMI和FBG的獨立預測因子［18］。

5.2OC對代謝綜合征及肥胖患者糖代謝調節 代謝綜合征患者OC水平與空腹血糖水平呈負相關；代謝綜合征與OC的關系表型與骨鈣素缺乏或GPRC6A受體缺乏表型一致，表現出胰島素抵抗、超重、胰島素分泌減少，且血清OC水平與代謝綜合征嚴重程度呈負相關［19］。超重和肥胖兒童中的一項研究表明，體脂百分數及內臟脂肪面積與血清OC水平呈負相關［20］。肥胖患者規律有氧運動，可使血清OC水平增加，繼而減輕體重并改善胰島素敏感性［21］。

5.3OC對2型糖尿病患者糖代謝調節 研究表明，OC水平在2型糖尿病患者中降低，且血清OC水平與2型糖尿病發病風險呈負相關，血清OC與空腹血糖、糖化血紅蛋白、胰島素敏感性呈負相關，與胰島B細胞功能呈正相關［22-25］。研究表明，在2型糖尿病患者中，女性OC水平高于男性，且男性通過增加胰島素分泌改善糖代謝，而女性通過胰島素分泌及改善胰島素抵抗調節血糖水平［23］。有研究表明，2型糖尿病早期OC水平升高，并和瘦素水平呈正相關［26］。

5.4OC對妊娠糖尿病患者糖代謝調節 妊娠糖尿病患者孕中晚期OC水平升高，且OC與胰島素分泌呈正相關，提示妊娠糖尿病患者存在對抗胰島素抵抗的適應機制［27-28］。另一研究發現妊娠糖尿病患者整個孕期血清OC水平均高于正常孕婦，且隨孕周增長骨鈣素水平增加，認為是OC對胰島B細胞功能受損的代償作用［29］。

6　臨床應用前景及展望

骨骼對能量代謝的反饋調節已得到大量實驗的證實。OC可使胰島B細胞增殖，胰島素分泌增加，胰島素敏感性增高，血糖降低且保護小鼠免于肥胖及糖耐量減低，因此OC有望成為糖尿病及肥胖治療的新靶點。臨床大量研究證實，糖尿病患者中血清OC降低，而這與妊娠糖尿病患者的研究卻不一致，其作用機制仍需進一步研究。動物實驗證實OC以ucOC的形式發揮其生物作用；大量臨床實驗也證實了OC的臨床作用，而對于不同羧基化狀態的OC與胰島功能關系的臨床研究仍較少，需進一步研究。

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Research Progress in Regulation of Glucose Metabolism by Osteocalcin

CHONG Zhen-zhen，HU Ling.//Medical Innovation of China，2016，13（14）：137-140

Osteocalcin（OC） is a bone matrix proteins，which is synthesized and secreted by osteoblasts，it is regularly used as the serum marker in the clinical setting.Recent evidence indicated that OC，especially ucOC，can regulate the glucose metabolism by promoting the proliferation of B-cell，enhancing the secretion of insulin and improving the sensitivity of insulin.GPRC6A is the receptor of osteocalcin which expressed in pancreatic islets，while the enterococcal surface protein（ESP） gene and insulin signal can regulate the glucose metabolism through regulate the bioactivity of OC.Clinical observations also confirmed the regulating effect of OC.OC may be a new therapeutic target for the treatment of diabetes and obesity in the future.

Osteocalcin； Undercarboxylated osteocalcin； Glucose metabolism

①山西醫科大學 山西 太原 030001

②山西醫科大學附屬人民醫院

胡玲

10.3969/j.issn.1674-4985.2016.14.036

2015-12-10） （本文編輯：劉蕾）