Структура, обработка и начин на действие

Описание на кДНК, кодираща адипонектин, е съобщено за първи път през 1995 г. от Scherer et al. (8). Адипонектинът е протеин от 247 аминокиселини, състоящ се от четири домена, амино-терминална сигнална последователност, променлива област, колагенен домен (cAd) и карбокси-терминален глобуларен домен (gAd) (8) (фиг. 1). Въз основа както на неговата първична аминокиселинна последователност, така и на нейната доменна структура на субединицата, адипонектинът е най-подобен на C1q, член на свързаното с комплемента семейство протеини. Въпреки това, рентгеновата кристалография на глобуларния фрагмент на адипонектин също разкрива поразителна структурна хомология с TNF-α, което предполага еволюционна връзка между членовете на семейството TNF-α и адипонектин (23).

адипонектин

Веднъж синтезиран, адипонектинът на бозайник претърпява модификации след транслация на хидроксилиране и гликозилиране, като се получават осем изоформи (24). Шест от изоформите на адипонектин са гликозилирани. О-свързаните места на гликозилиране са картографирани на четири лизинови остатъка, 68, 71, 80 и 104, и един пролинов остатък, 94, разположен в колагеновия домен (24). Освен това има доказателства, че някои от О-свързаните гликани съдържат уникални и специфични за адипоцитите остатъци от дизиалова киселина, нов признат клас сиалилни групи в гликопротеините (25). Функционалният анализ на гликозилирания гликозилиран адипонектин на бозайници разкри, че той е значително по-мощен като инсулинов сенсибилизатор от рекомбинантния негликозилиран бактериален продукт. Тези наблюдения предполагат, че може да са необходими посттрансляционни модификации на адипонектин за оптимална биологична активност.

Основният градивен елемент на адипонектина е тясно свързан тример, който се формира чрез асоцииране между три мономера в глобуларните домейни. Мономерен (30-kDa) адипонектин не е наблюдаван в циркулацията и изглежда е ограничен до адипоцита. Четири до шест тримера се свързват чрез своите колагенови домейни, за да образуват структури от по-висок порядък, или олигомери, които циркулират в плазмата при концентрации 5–30 μg/ml (8,12,23) (Фиг. 2). Без колагеновия домен глобуларният домен на адипонектин все още се тримеризира, но не се асоциира в структури от по-висок ред (23). Въпреки че точните молекулярни механизми, лежащи в основата на тясното свързване на тримерите на адипонектин, не са известни, вероятно е взаимодействията, включващи както глобуларния, така и колагеновите домени, са важни за осигуряване на стабилността и активността на мултимерните форми.

Настоящите методи за измерване на адипонектин в плазмата включват радиоимуноанализ (Linco, St Charles, MO), който измерва мултимерната форма и ензимно-свързан имуносорбентен анализ (B-Bridge International, Сан Хосе, Калифорния), който разпознава денатурираната мономерна форма. Циркулиращите нива, открити с двата метода, изглеждат сходни.

Фармакологичните ефекти на адипонектин са проучени на животински, тъканни и клетъчни нива, като се използват различни рекомбинантни адипонектинови продукти. Проучванията, изследващи биоактивността на адипонектин в пълна дължина спрямо тази на глобуларния домен, са дали смесени резултати. Доказано е, че кълбовидният главен домен на адипонектин е по-мощен от формата в цял ръст при подобряване на хипергликемията и хиперинсулинемията при индуцирани от диетата и генетични форми на затлъстяване при мишки (11) и при намаляване на повишените плазмени свободни мастни киселини при мишки, хранени с високо съдържание -мастно хранене или интравенозни интралипидни инжекции (26). Тези резултати са в контраст с тези на Berg et al. (27), при което инжектирането на бактериално произведен глобуларен адипонектин в миши модели на диабет тип 1 и 2 не предизвиква намаляване на серумната глюкоза, въпреки че формата с пълна дължина го прави. Възможно е адипонектин да съществува като променливи протеинови комплекси, които оказват различни ефекти в различни тъкани.

Механизмите, чрез които адипонектинът упражнява своите действия, са до голяма степен непознати и противоречиви. Доказано е, че приложението на адипонектин при гризачи увеличава индуцираното от инсулин фосфорилиране на тирозин на инсулиновия рецептор в скелетните мускули във връзка с повишена чувствителност към цялото тяло към инсулин (11). Тези резултати бяха потвърдени и в скорошно проучване, проведено при хора (28).

Стимулиране на използването на глюкоза и окисляването на мастните киселини в скелетните мускули и черния дроб от адипонектин може също да се случи чрез активиране на 5'-AMP киназа. Счита се, че 5'-AMP-активираната протеинкиназа играе решаваща роля в регулирането на енергийния разход и метаболизма на глюкозата и липидите. Тъканно-специфичният ефект на адипонектин върху 5'-AMP киназа наскоро беше демонстриран при мишки. В тези проучвания както глобуларната, така и пълната форма на адипонектин активират 5′-AMP киназа в скелетните мускули, но само формата с пълна дължина стимулира фосфорилирането и активирането на AMP киназата в черния дроб (29).

Следователно остава да се определи единна тема за метода и мястото на действие на адипонектин (Фиг. 3).

Епидемиология

Въпреки че адипонектинът се секретира само от мастната тъкан, неговите нива са парадоксално по-ниски при затлъстелите, отколкото при слабите хора (12). Това е за разлика от повечето други адипоцитокини, чиито нива са повишени при затлъстяване пропорционално на увеличената обща телесна мастна маса. Възможно е, въпреки че експресията на адипонектин се активира по време на адипогенеза, инхибиране на обратната връзка за неговото производство може да възникне по време на развитието на затлъстяване. Например, е доказано, че експресията на адипоцити и секрецията на адипонектин са намалени от TNF-α (31). Следователно може да е разумно да се предположи, че повишеният TNF-α и евентуално други адипоцитокини, които се експресират в увеличени количества в състояние на затлъстяване, могат да бъдат поне частично отговорни за намаленото производство на адипонектин при затлъстяване.

Метаболитни роли на адипонектин

Адипонектин като медиатор на инсулиновото действие/резистентност

Силна корелация между адипонектин и системна инсулинова чувствителност е добре установена както in vivo, така и in vitro при мишки, други животни и хора (11,17,27,36–42).

Други изследователи са представили данни за потенциалната обратна връзка между адипонектина и действието на инсулина. Изследванията на евгликемично-хиперинсулинемична скоба при хора и плъхове (45) показват, че инфузията на инсулин води до намалени нива на циркулиращ адипонектин, в съответствие с тълкуването, че инсулинът оказва остър ефект върху адипоцитите, за да намали производството и/или секрецията на този адипоцитокин.

Fasshauer et al. (38) са публикували данни, подкрепящи възможната роля на адипонектина в индуцираната от катехоламин инсулинова резистентност. Те откриха, че лечението на 3T3-L1 адипоцити с β-адренергичния агонист изопротеренол намалява нивото на адипонектин иРНК с ~ 75% in vitro. Този инхибиторен ефект на изопротеренола е почти напълно обърнат чрез предварителна обработка на клетките с β-адренергичния антагонист пропранолол и инхибитора на протеин киназа А (PKA) H-89. Авторите заключават, че катехоламините могат да индуцират инсулинова резистентност поне отчасти чрез понижаване на експресията на гена на адипонектин и че този инхибиторен ефект се медиира чрез β-адренергични рецептори чрез Gs протеин (стимулиращо свързване на гуанин нуклеотид) -PKA-зависим път. Доказано е, че хомозиготни (адипо -/-) мишки с дефицит на адипонектин имат значително повишена инсулинова резистентност в сравнение с диви и хетерозиготни (адипо +/-) мишки с дефицит на адипонектин в проучвания, проведени от Kubota et al. (39). Този експеримент със загуба на функция предоставя допълнителни доказателства, че адипонектин наистина е необходим за нормално регулиране на инсулиновата чувствителност и хомеостазата на глюкозата in vivo.

Адипонектин също е предложен от някои изследователи като надежден маркер за инсулинова резистентност при диабет тип 2. Tajiri et al. (40) използва хиперинсулинемично-евгликемичната скоба за количествено определяне на скоростта на инфузия на глюкоза (GIR) като индекс за инсулинова чувствителност при 16 пациенти с диабет тип 2. GIR е най-силно корелиран с циркулиращите нива на адипонектин и плазмената глюкоза на гладно.

Ролята на адипонектин за смекчаване на инсулиновата резистентност е допълнително обоснована от проучвания при хора и мишки с липодистрофия (11,41,42). Липодистрофиите се характеризират със селективна, но променлива загуба на телесни мазнини и инсулинова резистентност. Серумните нива на адипонектин са изключително ниски при пациенти с генерализирана липодистрофия и могат да бъдат свързани с общото отсъствие на мастна тъкан и/или свързана тежка инсулинова резистентност. Yamauchi et al. (11) показа, че лечението на липоатрофични мишки с физиологични дози адипонектин значително, но не напълно подобрява хипергликемията и хиперинсулинемията. Установено е също, че експресията на мастна тъкан и циркулиращите концентрации на адипонектин са значително намалени при HIV-позитивни пациенти с липодистрофия, лекувани с високоактивна антиретровирусна терапия. Установено е, че както концентрациите на адипонектин в серума, така и в иРНК тясно корелират с характеристиките на инсулиновата резистентност, включително съдържанието на чернодробна мазнина (50). По този начин може да бъде разумно да се предположи, че намаленото производство на адипонектин в липоатрофична мастна тъкан може да допринесе за развитието на инсулинова резистентност при тези пациенти.

Въпреки че причинно-следствената връзка не е установена категорично, наличните данни показват, че висцералната мастна тъкан е важна връзка между много аспекти на метаболитния синдром, включително непоносимост към глюкоза, хипертония, дислипидемия и инсулинова резистентност (51). Висцералното затлъстяване се характеризира с усилена липолиза (1) и увеличен плазмен FFA поток, особено в порталната циркулация. Счита се, че увеличеният приток на FFA в черния дроб от порталната циркулация забавя инсулиновия клирънс и засилва синтеза на липиди, което може да доведе до периферна хиперинсулинемия и хиперлипидемия. Доказано е също, че FFAs индуцират чернодробна инсулинова резистентност чрез инхибиране на инсулиновото потискане на гликогенолизата по време на проучвания на еугликемично-хиперинсулинемична скоба (52) и директно стимулират гликогенолизата и глюконеогенезата, като по този начин допринасят за лека хипергликемия на гладно при пациенти с евгликемични инфузии (53).

Установено е, че нивата на адипонектин иРНК и протеини са намалени в мастната тъкан в сравнение с подкожните мазнини (54). Висцералната мастна тъкан също може да произведе все още неидентифициран фактор, който дестабилизира адипонектиновата иРНК (55). Силната обратна корелация между серумните нива на адипонектин и интраабдоминалната мастна маса може отчасти да е в основата на връзката между висцералната мастна тъкан и инсулиновата резистентност.

Въпреки че тези епидемиологични и експериментални проучвания предполагат ролята на адипонектина в инсулиновата чувствителност и твърдо установяват връзка между инсулиновата резистентност и ниските плазмени нива на адипонектин, все още не е установено дали намалените нива на адипонектин са причина или ефект от това нарушено метаболитно състояние.

Адипонектин и атеросклероза

Високочувствителният С-реактивен протеин (hs-CRP) е добре познат маркер и рисков фактор за коронарна артериална болест. Наскоро беше показано, че CRP иРНК се експресира в човешката мастна тъкан (59). Наблюдавана е значителна обратна корелация между нивата на CRP и иРНК на адипонектин в подкожната мастна тъкан на хора с ангиографски доказана коронарна атеросклероза (59). Същата отрицателна корелация съществува между плазмените hs-CRP и нивата на адипонектин. Тази реципрочна връзка между нивата на адипонектин и CRP в човешката мастна тъкан и плазмата подкрепя ролята на адипонектин срещу развитието на атеросклероза и съдово възпаление.

Клинично значение на адипонектин

Диабетът тип 2 е резултат от взаимодействие между генетични и екологични фактори. Сканирането в целия геном е картографирало локуса на чувствителност към диабет тип 2, метаболитен синдром и коронарна болест на сърцето към хромозома 3q27, където се намира гена, кодиращ адипонектин (60–63). Хара и сътр. (64) установиха, че генетичните вариации, водещи до намалени серумни нива на адипонектин, са свързани с повишен риск от диабет тип 2 в японската популация. В друго проучване японски субекти, носещи мисенс мутация в гена на адипонектин, свързан с хипоадипонектинемия, показват фенотипа на метаболитния синдром, включително инсулинова резистентност и коронарна артериална болест (65). По този начин генетичните полиморфизми на гена на адипонектин, които водят до по-ниско производство и секреция на адипонектин, могат да бъдат отговорни, поне отчасти, за патогенезата на синдрома на инсулинова резистентност и диабет. И обратно, повишените изходни концентрации на адипонектин могат да бъдат свързани с намален риск от развитие на диабет тип 2 (66).

Попълването на адипонектин може да представлява нова стратегия за лечение на инсулинова резистентност и диабет тип 2. Адипонектин може да има няколко терапевтични предимства пред антидиабетните лекарства, които сега се използват клинично. Първо, в допълнение към хиполипидемичните и антидиабетните ефекти, адипонектинът има потенциални противовъзпалителни свойства, които могат да предотвратят или забавят атерогенезата. Второ, изглежда, че адипонектинът оказва тези ефекти, без да увеличава телесното тегло (11).

Адипонектин може да има терапевтични последици и като лекарство против затлъстяване, въпреки че досега няма проучвания при хора. В изследването на Yamauchi et al. (11), приложение на адипонектин леко, но не значително намалено наддаване на тегло, предизвикано от диета с високо съдържание на мазнини при мишки. В проучвания на Fruebis et al. (26), ежедневното приложение на много ниска доза gAd на мишки, консумиращи диета с високо съдържание на мазнини/захароза, е довело до дълбоко и устойчиво намаляване на теглото, без това да повлияе на приема на храна. Ефектът на gAd върху намаляването на теглото може да отразява способността му да стимулира липидното окисление или някакъв друг все още не описан механизъм. Остава да се определи дали адипонектинът може ефективно и безопасно да се използва като фармакологично средство за лечение на затлъстяване при хора. Също така е важно да се отбележи, че въпреки че се наблюдават ниски концентрации на плазмен адипонектин при индивиди със затлъстяване, проспективно проучване, направено при индианци от Пима, установи, че нивата на циркулиращ адипонектин не предсказват бъдещо наддаване на тегло и по този начин изглежда не играят етиологична роля в развитието на затлъстяването при тези индивиди (67).

Съобщава се, че подобряването на инсулиновата чувствителност чрез намаляване на теглото при пациенти със затлъстяване с операция на стомашен байпас (68,69) повишава нивата на адипонектин. Има обаче противоречиви данни за това дали подобряването на чувствителността към инсулин при тренировъчни тренировки е свързано с повишени нива на адипонектин. Едно проучване установи корелация между постепенното увеличение на скоростта на инфузия на глюкоза (мярка за инсулинова чувствителност) по време на проучвания с еугликемично-хиперинсулинемична скоба и нивата на адипонектин с интензивно аеробно упражнение (70), докато друга група изследователи не откриват повишаване на нивата на адипонектин дори след 6 месеци тренировки, въпреки че действието на инсулина значително се подобрява (71). Разликите в тези наблюдения отчасти могат да се дължат на факта, че при първото проучване е имало подобрение в телесния състав, докато при последното няма загуба на телесна маса. С оглед на потенциалните му полезни ефекти, всяка мярка, която повишава нивата на адипонектин, вероятно ще има някакво клинично значение. Дали това подобрение в инсулиновата чувствителност чрез горните мерки или чрез лечение с PPAR гама агонисти се медиира изцяло или частично от адипонектин, все още не е установено.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Представата за адипоцита като просто за съхранение на мазнини вече не може да се поддържа. Сред различните „адипоцитокини“ адипонектинът, който е изобилен циркулиращ протеин, синтезиран единствено в мастната тъкан, изглежда играе много важна роля в метаболизма на въглехидратите и липидите и съдовата биология. Адипонектинът изглежда е основен модулатор на инсулиновото действие и неговите нива са намалени при диабет тип 2, което може да допринесе за периферна инсулинова резистентност при това състояние. Той има значителни сенсибилизиращи инсулина, както и противовъзпалителни свойства, които включват потискане на фагоцитозата на макрофагите и секрецията на TNF-α и блокиране на адхезията на моноцити към ендотелните клетки in vitro. Към днешна дата обаче предполагаемият антиатерогенен потенциал на адипонектин при хората остава значително по-слаб и по-слабо проучен от неговите сенсибилизиращи инсулина ефекти.

Въпреки че са необходими допълнителни изследвания, приложението на адипонектин, както и регулирането на пътищата, контролиращи неговото производство, представлява обещаваща цел за управление на затлъстяването, хиперлипидемията, инсулиновата резистентност, диабет тип 2 и съдовите възпаления.

Многобройни важни въпроси за адипонектина очакват допълнително проучване. Механизмите, чрез които се синтезира и секретира адипонектин, трябва да бъдат изяснени, както и сигналите, които намаляват експресията на адипонектин в адипоцитите с нарастваща адипозност. По същия начин трябва да се определят ролята и регулирането на олигомеризацията на адипонектин. Молекулните механизми, чрез които адипонектинът упражнява своите множество функции и дали действията му са медиирани от рецептори, все още остават загадка. Дали основната активност на адипонектина е антиатеросклеротична или по принцип е модулатор на липидния метаболизъм и регулатор на инсулиновата чувствителност - или всичко това по-горе? Отговорите на тези и други интригуващи въпроси несъмнено ще дадат допълнителна представа за метаболитните роли на този нов адипоцитен хормон.