今天分享一篇文獻是來自Biochemical and Biophysical Research Communications的題為PKM2 aggravates palmitate-induced insulin resistance in HepG2 cells via STAT3 pathway。文獻主要內容是PKM2通過STAT3途徑加重棕櫚酸引起的HepG2細胞的胰島素抵抗。
首先看研究背景。
糖尿病是由多種環境因素和遺傳因素聯合作用而導致的一種慢性高血糖狀態的全身代謝性疾病，主要表現為胰島素相對或絕對不足，或靶細胞對胰島素敏感性降低，或胰島素本身存在結構上的缺陷而引起的糖、脂肪和蛋白質代謝紊亂。糖尿病分為1型和2型, 隨著生活水平提高以及環境因素的影響，占糖尿病發病主體的2型糖尿病嚴重危害了人類的生活質量及健康水平。
那很早之前，我們就認識到肥胖與2型糖尿病有關，這種聯系的主要依據是肥胖引起胰島素抵抗((insulinresistance, IR)的能力。作為2型糖尿病主要潛在危險因素之一，肥胖增加了其他多種病理狀態的風險，包括血脂異常、高血壓和非酒精性脂肪性肝病(non-alco-holic fatty liver disease, NAFLD)。高脂誘導的脂毒性及相關代謝炎癥對體內脂質代謝和糖代謝產生負面影響。
游離脂肪酸(feee fatty acid, FFA)的增加和炎癥因子的失調與胰島素抵抗的發病機制有關。脂質攝取過多促使各個主要代謝器官產生胰島素抵抗。從脂肪組織到肝臟、肌肉和胰腺的異位脂質沉積產生了脂毒性，損害胰島素敏感性，進而使得葡萄糖穩態失調，導致胰島素抵抗及2型糖尿病。
肝臟為重要的代謝器官，在維持代謝平衡，調節脂肪生成、糖異生和膽固醇代謝過程中起著重要作用。同時，高脂誘導的肝臟IR是2型糖尿病發生發展的關鍵機制之一。然而，它們之間具體機制尚未完全闡明。
有研究表明，高游離脂肪酸誘發的氧化應激是導致肝臟胰島素抵抗的重要原因。這個過程可引起線粒體產生大量活性氧簇(ROS)的異常累積。
而活性氧簇(ROS)能促進pkm2的上調，使其核易位，促進系統組織的炎癥反應。因此，這些發現提示了PKM2可能與肝臟胰島素抵抗有聯系。
PKM2是糖代謝中的限速酶，它在大多數細胞中都有表達。在癌細胞中，PKM2影響缺氧誘導因子(HIF-1α)的表達及活性，促使腫瘤惡性進展。有報道稱，缺氧誘導因子能改善高脂飲食喂養誘導的小鼠肝中胰島素敏感性。在結直腸癌細胞中，PKM2通過STAT3途徑進行調控。同時，研究發現STAT3途徑在游離脂肪酸誘導的肝臟胰島素抵抗中也發揮了重要作用。此外，在高脂飲食后的脂肪組織中，PKM2是升高的。這些研究提示我們PKM2參與游離脂肪酸誘導的胰島素抵抗。但其中的機制并不清楚。
所以，本研究旨在探討PKM2在游離脂肪酸誘導的肝臟胰島素抵抗發生中的作用機理。文章主要從以下4方面進行：首先，PKM2是否參與肝胰島素抵抗；如果有，那它在當中的作用是什么？以及PKM2與肝胰島素抵抗之間的聯系，它們間確切的調節機制又是什么？
下面我們來看它的實驗結果。首先，要了解PKM2是否參與肝胰島素抵抗，作者以C57BL/6J雄性小鼠構建動物模型，將小鼠分為正常飲食組(NCD)或高脂飲食組(HFD)，喂養16周。圖A是小鼠體重的測量：可以看到與正常飲食組相比，高脂飲食組小鼠體重在8周后呈急速上升趨勢。圖B是空腹血糖的檢測，可以看到其趨勢與小鼠體重增長是相一致的。從圖C和圖D可以看到，PKM2的表達在高脂飲食組中較正常飲食組的要高。
下面，為進一步證明PKM2是否可能參與胰島素抵抗，于是他們又分析了在胰島素抵抗的肝細胞中PKM2的表達。從圖E和F看到：胰島素誘導的磷酸化Akt與糖原合成酶-3β經PA處理HepG2細胞中是減少的，而PKM2的蛋白水平在胰島素抵抗的肝細胞中表達明顯升高。圖G是PKM2在細胞質中的熒光定位，發現PKM2主要分布在HepG2細胞的細胞質中。這些數據表明：在胰島素抵抗的肝組織和肝細胞中，PKM2表達是上調的。
然后，他們研究了PKM2在肝細胞胰島素抵抗中的作用。用HA-PKM2或HA轉染HepG2細胞，分析PKM2表達對Akt和GSK3β的磷酸化影響。圖A和圖B可以看到：轉染HA-PKM2的HepG2細胞，PKM2的表達增加。圖C和D反映出：PKM2過表達會下調磷酸化Akt和GSK3β。
肝臟脂質的積累在肝臟胰島素抵抗中占有重要地位。因此，他們用油紅O染色法測定細胞內脂質的情況。如圖E所示：與對照組相比，HA-PKM2會加重HepG2細胞中的脂滴的累集。圖F反映的是：PKM2過表達能降低胰島素誘導的葡萄糖攝取水平。然而，圖G卻顯示：PKM2過表達會增加PEPCK和G6Pase的mRNA水平。根據這些結果，認為PKM2對肝臟胰島素敏感性具有負調節作用。
接下來，探究PKM2與肝胰島素抵抗的相關性。用PKM2-siRNA下調HepG2細胞中PKM2的表達，再進行轉染。圖A與圖B可以看到：PKM2蛋白水平幾乎被抑制，同時，磷酸化Akt和GSK3β被激活。圖C可以看到：PKM2的表達下調會提高葡萄糖攝取水平。圖D可以看到：PKM2下調逆轉了棕櫚酸(PA)誘導的細胞內糖異生(上調)。這些結果表明，干擾PKM2能保護經棕櫚酸(PA)誘導的胰島素抵抗的肝細胞。
最后，作者試圖從STAT3途徑來探究PKM2在胰島素抵抗中的作用機理。從這兩幅圖可以看到：PKM2過表達增強了磷酸化STAT3的蛋白水平。
接著又利用免疫沉淀法(IP)對PKM2和STAT3之間的內源性相互作用進行了探討。從圖C可以看到：在HepG2細胞中，STAT3被特定的PKM2抗體沉淀；反之，PKM2被特定的STAT3抗體沉淀。圖D是HA-PKM2與STAT3蛋白的免免疫共沉淀實驗，得到的結果與之前是一致的。
綜上所述，我們可以得到以上4點內容：1. 在肝胰島素抵抗中，PKM2表達增高；2.過表達的PKM2加重肝細胞胰島素抵抗，抑制葡萄糖攝取和細胞內脂質沉積；3. 干擾PKM2改善肝臟胰島素敏感性；4.在HepG2細胞中，PKM2過表達改變STAT3活性負性調節胰島素抵抗。最后，總結一下：本文研究了PKM2通過STAT3途徑調節肝內胰島素抵抗。當然，這不是唯一調節通路，PKM2也能通過其他信號途徑參與胰島素抵抗，如有研究報道過的NF-kB或mTOR通路，等等。這些都還需要我們進行更深入的研究去認識它。這篇文章的內容只是為闡明肝胰島素抵抗的發病機制提供了新的思路，告訴我們PKM2可能通過STAT3途徑促進肝胰島素抵抗。
