FSHW | 海参甾醇通过促进糖异生及减少糖原合成来改变健康小鼠的糖代谢

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Introduction

研究表明，海参甾醇主要由硫酸化24-亚甲基胆固醇和硫酸胆固醇组成，由于其在C-3位具有硫酸基，因此其具有与植物甾醇不同的生物活性。有趣的是，与仅灌胃葡萄糖相比，同时灌胃葡萄糖和海参甾醇而不是硫酸胆固醇显著增加了健康小鼠的血糖水平。并且改变给药方式，腹腔注射海参甾醇后也能达到同样的效果。然而，海参甾醇对健康小鼠血糖稳态调节作用的机制尚不清楚。因此，有必要对其潜在机制进行探究。

Results and discussion

葡萄糖和海参甾醇（SS）的混合物灌胃后，小鼠的血糖水平比仅给予葡萄糖的小鼠显著升高。由于硫酸胆固醇（CS）是海参甾醇的2 种主要成分之一，因此本研究为SS引起的血糖水平升高是否与硫酸胆固醇有关。 口服硫酸胆固醇后，CS组小鼠血糖水平无明显变化。口服结果表明，能够起到升高血糖作用的是SS，而不是硫酸胆固醇。与只灌胃葡萄糖的小鼠相比，腹腔注射海参甾醇并口服葡萄糖后，小鼠血糖也是显著升高。上述结果表明，在口服葡萄糖的前提下，海参甾醇能显著升高健康小鼠的血糖水平（图1）。

图1 干预海参甾醇和硫酸胆固醇后对小鼠血糖水平的影响

综合上述结果，腹腔注射海参硫酸酯甾醇对健康小鼠血糖水平的升高作用更为显著，因此在同时给予葡萄糖和SS 30 min后将小鼠安乐死并采血测定血糖浓度，以探讨海参硫酸化甾醇对小鼠葡萄糖代谢的影响。从图中可以看出，海参甾醇以剂量依赖性方式进一步提高了小鼠的血糖水平。另外，干预葡萄糖和海参甾醇的小鼠胰岛素水平与只灌胃葡萄糖组小鼠相比没有显著变化。 胰高血糖素测定结果同样如此，表明海参硫酸固醇不能改变体内胰高血糖素水平（图2）。

图2 海参甾醇对小鼠糖耐量、血清胰岛素和胰高血糖素水平的影响

在体内，葡萄糖以糖原的形式储存在肝脏和肌肉中。 而且胰岛素能刺激肝糖原和肌糖原的合成。 因此，测定了小鼠肝脏组织和肌肉组织中的糖原含量。 结果发现海参甾醇干预后，小鼠体内肝糖原和肌糖原的含量显著降低。进一步对与糖原合成相关的蛋白质的表达进行探究发现，各组之间的GSK3β水平没有显著差异。 值得注意的是，与N组相比，Glu组p-GSK3β的表达显著升高，而给予海参甾醇的小鼠与Glu组相比，p-GSK3β的表达显著下降。 这些结果表明，海参甾醇通过以剂量依赖性方式抑制糖原合成来升高血糖水平（图3）。

图3 海参甾醇对小鼠糖原含量及相关蛋白表达的影响

上述结果表明，海参硫酸酯甾醇通过抑制小鼠灌胃葡萄糖后的糖原生成，始终使小鼠血糖维持在较高水平。 此外，血糖水平也受到胰岛素信号通路的调节。已知胰岛素介导的磷酸肌醇依赖性丝氨酸-苏氨酸蛋白激酶（AKT）的激活通过多种不同途径在控制葡萄糖稳态中发挥重要作用，包括促进肝脏和肌肉中的糖原生成、抑制肝脏糖异生和增加肌肉中的葡萄糖摄取。Western blotting结果表明，各组之间InsR的蛋白表达没有显著差异。但与N组相比，Glu组肝脏中p-InsR蛋白表达显著升高，干预海参甾醇后p-InsR蛋白表达显著降低且具有剂量效应。AKT 的表达结果与 InsR 的表达结果相似（图4）。

图4 海参甾醇对小鼠肝胰岛素信号蛋白表达水平的影响

FOXO1不仅是胰岛素和胰高血糖素对糖异生所需基因表达的反调节作用的核心，也是特异性结合磷酸烯醇丙酮酸羧激酶（PEPCK）和葡萄糖-6-磷酸酶启动子区域的关键因子 （G6Pase），从而调节糖异生。作者检测了肝脏糖异生关键酶PEPCK的酶活性水平。Glu组的PEPCK酶活性水平较N组显著下降，而给予海参甾醇的小鼠酶活性水平显著增加。 此外，PEPCK和G6Pase基因表达水平可以反映肝脏糖异生水平。Glu组G6Pase基因表达量较N组显著降低。而与Glu组相比，干预海参甾醇组的G6Pase表达量分别显著增加。PEPCK的表达趋势与G6Pase相似。与N组相比，Glu组p-FOXO1表达量明显下降，但海参甾醇干预显著增加了该蛋白表达量。据此，认为海参甾醇可以提高糖异生水平。

图5 海参甾醇对肝脏糖异生的影响

位于肌肉组织细胞质和细胞膜中的GLUT4的表达可以反映小鼠对葡萄糖的摄取情况。 当血糖水平升高时，胰岛素含量升高会激活胰岛素信号通路，导致肌肉组织中GLUT4从细胞质易位至细胞膜。 此外，GLUT4在不同位置的比例可以反映其转位情况，比例越高，肌肉摄入的葡萄糖就越多。因此，作者测定了肌肉组织中GLUT4的总量，发现没有显著差异。 然而，与N组相比，Glu组肌肉组织中GLUT4的易位明显过多，而海参甾醇的干预可明显减少。 这说明海参甾醇能够显著降低GLUT4对葡萄糖的摄取（图6）。

图6 海参甾醇对小鼠肌肉内GLUT4蛋白表达的影响

Conclusion

总之，本研究通过测量口服或腹腔给药后的血糖变化，发现海参甾醇在灌胃葡萄糖的情况下显著增加血糖水平，而硫酸胆固醇则没有这种作用。 据此，作者推测海参甾醇之所以能够提高健康小鼠的血糖水平，可能是由于甾醇侧链上存在额外的烷基。 此外，海参甾醇的干预可以抑制胰岛素与胰岛素受体的结合和AKT磷酸化，从而进一步抑制糖原合成并促进糖异生。 此外，还发现海参甾醇可以减少肌肉组织中GLUT4对葡萄糖的摄取。结果表明，SS 通过促进糖异生和减少健康小鼠的糖原生成来改变葡萄糖代谢。

第一作者简介

于善云，工学硕士生，主要研究方向为海洋食品特征性结构脂质防治慢性疾病及预防不良妊娠结局的构效关系及分子机制；海洋营养健康食品研究与开发。

通信作者简介

张恬恬，女，博士，副教授，硕导，中国海洋大学“青年英才工程”人才。目前主持国家自然科学基金、国家重点研发计划子课题、山东省自然科学基金等多项科研项目。主要研究方向：海洋食品营养，具体内容包括（1）海洋食品功能因子分离纯化与结构鉴定、消化吸收与代谢规律、构效关系及作用机制，为促进健康和防治相关疾病营养策略的提出提供理论依据；（2）营养功效因子的稳态化保持和递送；（3）海洋营养健康食品研究与开发。

王玉明，男，博士，教授，博导，日本佐贺大学学士、硕士，日本鹿儿岛大学联合农学研究科的博士，日本学术振兴会（JSPS）博士后（2003－2005年）。2013年获教育部“新世纪人才支持计划”支持。现主持国家重点研发计划“蓝色粮仓科技创新”重点专项《水产品营养功效因子结构表征与功能解析（2018YFD0901100）》项目。主要研究方向为水产食品营养健康及营养保持技术。

Sea cucumber derived sulfated sterols alter glucose metabolism by promoting gluconeogenesis and reducing glycogenesis in healthy mice

Shanyun Yua, Teng Wanga, Yingcai Zhaoa, Xiaoyue Lia, Changhu Xuea, Yuming Wanga,b,*, Tiantian Zhanga,*

a SKL of Marine Food Processing & Safety Control, College of Food Science and Engineering, Ocean University of China, Qingdao 266404, China

b Sanya Institute of Oceanography, Ocean University of China, Sanya 572024, China

*Corresponding author.

Abstract

Sea cucumber derived sulfated sterols significantly ameliorated insulin resistance and decreased lipid accumulation compared to plant sterols. Interestingly, our recent study found that intervention with sea cucumber sulfated sterols could significantly increase blood glucose levels of healthy mice in the presence of glucose, while cholesterol sulfate, as one of sulfated sterols, did not have the same effect. However, the exact mechanism of sulfated sterols on glucose metabolism is still unknown. In the present study, we investigated the potential mechanism by which sulfated sterols influenced blood glucose homeostasis in healthy mice. Results showed that intervention with sea cucumber sulfated sterols did not affect the levels of hormones related to glucose metabolism, while led to a significant decrease in the synthesis of liver glycogen and muscle glycogen. Besides, the expression of proteins associated with the promotion of gluconeogenesis dramatically increased in the mice intervened with sea cucumber sulfated sterols. These findings suggested that sea cucumber sulfated sterols might change blood glucose metabolism in healthy mice by reducing glycogenesis and promoting gluconeogenesis.

Reference:

YU S Y, WANG T, ZHAO Y C, et al. Sea cucumber derived sulfated sterols alter glucose metabolism by promoting gluconeogenesis and reducing glycogenesis in healthy mice[J]. Food Science and Human Wellness, 2025, 14(2): 9250046. DOI:10.26599/FSHW.2024.9250046.

文章翻译由作者提供

编辑：王佳红；责任编辑：孙勇

封面图片：图虫创意