Introduction

肥胖引起的糖尿病通常伴有高血糖和高血脂，其發(fā)病機理是：當機體肥胖時，脂肪組織釋放過量的脂肪酸或脂質(zhì)，長期脂質(zhì)堆積引起胰島素抵抗。脂肪組織產(chǎn)熱是改善肥胖誘發(fā)的胰島素抵抗的有效途徑。人體內(nèi)存在一類特殊脂肪組織——棕色脂肪組織（Brown Adipose Tissue，BAT），其線粒體含量豐富，可大量表達產(chǎn)熱蛋白——解偶聯(lián)蛋白1（Uncoupling protein 1，UCP1），引起機體產(chǎn)熱，改善胰島素抵抗；而人體內(nèi)最豐富的是白色脂肪組織（White Adipose Tissue，WAT），其功能是儲存脂質(zhì)，線粒體含量極少，有趣的是，白色脂肪棕色化后也可表達UCP1，促進產(chǎn)熱。

UCP1的產(chǎn)熱功能通過交感神經(jīng)系統(tǒng)調(diào)節(jié)。當冷暴露或攝食后，神經(jīng)末梢釋放去甲腎上腺素（Noreinephrine，NE），激活脂肪細胞膜β3-腎上腺素能受體（β3-adrenoceptors，β3-ARs），進而連續(xù)激活腺苷酸環(huán)化酶-蛋白激酶A（PKA）-脂肪甘油三酯脂肪酶（ATGL）-激素敏感脂肪酶（HSL）。但是，NE在肥胖患者體內(nèi)含量較低且有罹患心血管疾病及胰島素抵抗的風險，生物效應復雜，因此其應用受到限制。

人參皂苷是人參（Panax ginseng C.A. Meyer）中主要活性成分，根據(jù)不同的苷元結(jié)構，人參皂苷主要分為原二醇型（Protodiol-type，PPD-type）和原三醇型（Prototriol-type，PPT-type）人參皂苷。其中PPD-type在C3和C20位連有不同糖殘基，PPT-type在C6和C20位連有不同糖殘基。人參皂苷具有多種生物活性，但其對產(chǎn)熱作用的研究極少，且靶點尚不清晰。東北師范大學糖復合物教育部工程研究中心一直致力于糖復合物結(jié)構與功能研究，取得了豐碩的理論研究和應用轉(zhuǎn)化成果。中心學術骨干范玉瑩教授及其博士生孟煜晗、李葦荔等篩選出人參皂苷F1是UCP1的激活劑，進一步明確了F1的靶分子和胞內(nèi)轉(zhuǎn)導信號通路，從而顯示出F1治療肥胖及其相關代謝疾病的潛在作用。

Results and Discussion

確定人參皂苷F1是一種新型UCP1激活劑

通過UCP1-螢光素酶報告基因分析系統(tǒng)評估了不同結(jié)構的人參皂苷激活UCP1的能力，發(fā)現(xiàn)PPT-type人參皂苷F1能顯著增強UCP1啟動子活性，其激活能力與NE相似。更重要的是，人參皂苷F1能顯著增加原代脂肪細胞及3T3-L1來源的成熟脂肪細胞的UCP1蛋白的表達，這說明人參皂苷F1是一種新型的UCP1激活劑。

圖1 人參皂苷F1是新型的UCP1激活劑

人參皂苷F1作為β3-AR的激動劑，通過PKA/CREB/PGC1α促進UCP1的表達

隨即在細胞水平對F1激活UCP1的機制進行探究，F(xiàn)1處理脂肪細胞后，cAMP水平升高，PKA和CREB磷酸化水平升高，PGC-1α和PPARγ結(jié)合到UCP1的啟動子上，增強其轉(zhuǎn)錄。

利用Pull-down實驗證明F1與β3-AR直接結(jié)合，β3-AR抑制劑SR 59230A或siRNA處理脂肪細胞后，F(xiàn)1對UCP1的激活或PKA的磷酸化作用均受損，這說明F1通過激活脂肪細胞膜受體β3-AR，進而引起細胞內(nèi)PKA/CREB/PGC1α通路激活，促進UCP1表達。

圖2 F1激活β3-AR，通過PKA/CREB/PGC1α促進UCP1的表達

人參皂苷F1增加ob/ob小鼠產(chǎn)熱以降低血糖和血脂

ob/ob小鼠經(jīng)過5周連續(xù)腹腔注射或灌胃F1后，小鼠體重、空腹血糖明顯降低，GTT和ITT得到顯著改善。值得注意的是，F(xiàn)1處理后，ob/ob小鼠的O₂消耗和CO₂生成明顯增加，全身能量消耗顯著增加。取出小鼠的白色脂肪組織進行蛋白質(zhì)組學分析，蛋白高度聚集在產(chǎn)熱和脂質(zhì)代謝通路，F(xiàn)1處理組顯著上調(diào)產(chǎn)熱相關因子，下調(diào)脂肪合成相關因子。因此，人參皂苷F1通過增加WAT的產(chǎn)熱作用降低小鼠體重及血糖。

圖3 人參皂苷F1增加產(chǎn)熱降低ob/ob小鼠體重及血糖

人參皂苷F1促進WAT棕色化以改善胰島素抵抗

人參皂苷F1能增加性腺脂肪組織（gWAT）和皮下脂肪組織（iWAT）的棕色化，增加線粒體含量，改善iWAT、gWAT、肝臟、肌肉的胰島素抵抗。

圖4 人參皂苷F1促進WAT棕色化改善胰島素抵抗

Conclusion

人參皂苷F1結(jié)合β3-AR后，激活cAMP/PKA/CREB信號通路，增加白色脂肪細胞UCP1蛋白表達，通過白色脂肪棕色化增加肥胖小鼠的產(chǎn)熱和能量消耗，顯著降低小鼠的體重、空腹血糖和血脂水平，改善小鼠葡萄糖和胰島素耐量。

第一作者

孟煜晗，女，東北師范大學生命科學學院在讀博士，主要研究方向是糖復合物調(diào)節(jié)血糖作用及機制。

第一作者

李葦荔，女，東北師范大學生命科學學院在讀博士，主要研究方向是糖復合物調(diào)節(jié)血糖作用及機制。

通信作者

范玉瑩，女，東北師范大學生命科學學院，副院長，教授，博士生導師，東北師范大學糖復合物教育部工程研究中心學術骨干，吉林省生物化學與分子生物學學會理事。

主要從事糖復合物的結(jié)構與功能研究，曾在新加坡國立大學和美國西北大學交流訪學。先后主持國家自然科學基金面上、教育部博士點基金、吉林省科技廳醫(yī)藥產(chǎn)業(yè)發(fā)展專項等7項科研項目；在Autophagy, PLoS Genetics, Carbohydrate Polymers等國際主流期刊上發(fā)表SCI論文27篇；獲東北師范大學教學新星獎、吉林省自然科學一等獎、吉林省自然科學學術成果三等獎；獲授權國家發(fā)明專利5項。

Ginsenoside F1 administration promotes UCP1-dependent fat browning and ameliorates obesity-associated insulin resistance

Yuhan Meng¹, Weili Li¹, Chenxing Hu, Si Chen, Haiyang Li, Feifei Bai, Lujuan Zheng, Ye Yuan, Yuying Fan*, Yifa Zhou*

Engineering Research Center of Glycoconjugates of Ministry of Education, Jilin Provincial Key Laboratory of Chemistry and Biology of Changbai Mountain Natural Drugs, School of Life Sciences, Northeast Normal University, Changchun 130024, China

¹ Both authors contributed equally.

*Corresponding authors.

Abstract

Obesity-induced type 2 diabetes is mainly due to excessive free fatty acids leading to insulin resistance. Increasing thermogenesis is regarded as an effective strategy for hypolipidemia and hypoglycemia. Ginsenoside is a natural active component in Panax ginseng C.A. Meyer, and some of them enhance thermogenesis. However, there are few studies on the mechanism and target of ginsenosides enhancing thermogenesis. Using thermogenic protein uncoupling protein 1 (UCP1)-luciferase reporter assay, we identified ginsenoside F1 as a novel UCP1 activator in the ginsenosides library. Using pull down assay and inhibitor interference, we found F1 binds to β3-adrenergic receptors (β3-AR) to enhance UCP1 expression via cAMP/PKA/CREB pathway. We also investigated the ability of F1 on energy metabolism in obesity-induced diabetic mice, including body weight, body composition and energy expenditure. The results of proteomics showed that F1 significantly up-regulated thermogenesis proteins and lipolytic proteins, but down-regulated fatty acid synthesis proteins. Ginsenoside F1 increased thermogenesis and ameliorated insulin resistance specifically by promoting the browning of white adipose tissue in obese mice. Additionally, ginsenoside F1 improves norepinephrine-induced insulin resistance in adipocytes and hepatocytes, and shows a stronger mitochondria respiration ability than norepinephrine. These findings suggest that ginsenoside F1 is a promising lead compound in the improvement of insulin resistance.

Reference:

MENG Y H, LI W L, HU C X, et al. Ginsenoside F1 administration promotes UCP1-dependent fat browning and ameliorates obesity-associated insulin resistance[J]. Food Science and Human Wellness, 2023, 12(6): 2061-2072. DOI:10.1016/j.fshw.2023.03.025.