荜茇生物碱对线粒体代谢的调节和改善胰岛素抵抗的研究

A hallmark of insulin resistance and type 2 diabetes mellitus (T2DM) is mitochondrial dysfunction. The underlying mechanisms to regulate mitochondrial metabolism include mitochondrial dynamics, post-translational modifications and mitochondrial biogenesis by situations of limited nutrient availability or by caloric excess. Recent evidences showed that approaches to target mitochondria are effective with the aim to treat metabolic disease. Alkaloids from Piper longum have been proven to be a promising therapeutic approach against metabolic disorder, but the molecular mechanism was still unexplored. In our preliminary experiment results, we found that piperine, one of main alkaloids of Piper longum, improved insulin sensitivity and glucose tolerance of IR rat model. Piperine also increased the copy number of mitochondrial DNA and expression level of PGC-1α in skeletal muscle of IR rat model. These results suggested that piperine may protect against metabolic damage by mitochondrial function improvement. The goal of this study is molecular mechanism that piperine and piperlonguminine ameliorate insulin resistance through multiple level of mitochondrial regulation. The results will provide a theoretical basis for the proper clinical application of these alkaloids from Piper longum.

胰岛素抵抗或糖尿病状态的一个显著特征是线粒体的功能异常。在不同营养条件下，线粒体受到多种机制的调节，包括线粒体结构和动态，线粒体蛋白修饰和线粒体生物生成。近期研究已证明对线粒体进行调节成为改善代谢相关疾病的有效措施。荜茇生物碱成分已证明具有调节代谢的作用，但机制不明。项目组前期工作中发现荜茇生物碱成分之一胡椒碱改善了胰岛素抵抗模型大鼠的血糖水平和胰岛素敏感指数，同时胡椒碱也增加了大鼠骨骼肌中的线粒体DNA拷贝数和PGC-1α的表达水平，提示胡椒碱有可能通过线粒体相关通路发挥作用。因此本研究围绕线粒体调节的多个层次，探索荜茇生物碱成分胡椒碱和荜茇宁发挥药效的分子机理，研究结果将为荜茇生物碱成分在临床的合理应用提供更多依据。

随着人类生活方式的转变和物质生活水平的提高，胰岛素抵抗、肥胖和糖尿病成为危害人类健康的重要因素。荜茇是一种常用中药，现代研究已经发现其具有多种药理功效，但对胰岛素抵抗的作用和相关药理机制的研究还比较鲜见。本研究以线粒体代谢的调节为基本思路，观察荜茇生物碱成分对线粒体状态、动态变化以及线粒体生物发生的影响，进一步阐明荜茇生物碱成分改善代谢异常的分子机制，为这一药物资源的充分利用提供理论基础。体外研究我们以小鼠成肌细胞C2C12 和人肝细胞HepG2 为作用对象，在过量营养条件下，胡椒碱和荜茇宁能够增加肌肉细胞葡萄糖消耗量，上调AKT、GLUT4、 SIRT1、PGC-1α、p-AMPK/AMPK、MFN2、SIRT3的蛋白表达，下调DRP1的蛋白表达，并且增加细胞mtDNA拷贝数，降低细胞内ROS含量，同时升高ERRα、ATPase、COX5b、CPT-1b的mRNA表达，降低SOD2、CAT的mRNA表达。胡椒碱和荜茇宁能够增加肝细胞葡萄糖消耗量，上调SIRT1、p-AMPK/AMPK的蛋白表达，下调PGC-1α的蛋白表达，增加细胞mtDNA拷贝数，降低细胞内ROS 含量，下调PEPCK、G6Pase的mRNA表达。体内研究我们以饮食诱导大鼠胰岛素抵抗模型和谷氨酸钠诱导大小鼠代谢综合征模型为对象，胡椒碱和荜茇宁均可以改善动物血糖、血脂、糖耐量，升高肌肉组织的p-AMPK、SIRT1、PGC1-α蛋白表达量。.通过本研究，我们发现荜茇生物碱具有调节线粒体的作用，包括增加线粒体的生物生成，增加线粒体融合蛋白的表达，减少线粒体分裂蛋白的表达，同时降低氧化自由基的生成，而这主要是通过调节AMPK-SIRT1信号通路。同时我们证实当抑制AMPK的活性时，荜茇生物碱的作用将被减弱，因此是依赖于AMPK活性的。我们的研究进一步扩展了荜茇的药用范围，为荜茇的应用开发提供了科学依据。