Introduction

肥胖引起的糖尿病通常伴有高血糖和高血脂，其发病机理是：当机体肥胖时，脂肪组织释放过量的脂肪酸或脂质，长期脂质堆积引起胰岛素抵抗。脂肪组织产热是改善肥胖诱发的胰岛素抵抗的有效途径。人体内存在一类特殊脂肪组织——棕色脂肪组织（Brown Adipose Tissue，BAT），其线粒体含量丰富，可大量表达产热蛋白——解偶联蛋白1（Uncoupling protein 1，UCP1），引起机体产热，改善胰岛素抵抗；而人体内最丰富的是白色脂肪组织（White Adipose Tissue，WAT），其功能是储存脂质，线粒体含量极少，有趣的是，白色脂肪棕色化后也可表达UCP1，促进产热。

UCP1的产热功能通过交感神经系统调节。当冷暴露或摄食后，神经末梢释放去甲肾上腺素（Noreinephrine，NE），激活脂肪细胞膜β3-肾上腺素能受体（β3-adrenoceptors，β3-ARs），进而连续激活腺苷酸环化酶-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在肥胖患者体内含量较低且有罹患心血管疾病及胰岛素抵抗的风险，生物效应复杂，因此其应用受到限制。

人参皂苷是人参（Panax ginseng C.A. Meyer）中主要活性成分，根据不同的苷元结构，人参皂苷主要分为原二醇型（Protodiol-type，PPD-type）和原三醇型（Prototriol-type，PPT-type）人参皂苷。其中PPD-type在C3和C20位连有不同糖残基，PPT-type在C6和C20位连有不同糖残基。人参皂苷具有多种生物活性，但其对产热作用的研究极少，且靶点尚不清晰。东北师范大学糖复合物教育部工程研究中心一直致力于糖复合物结构与功能研究，取得了丰硕的理论研究和应用转化成果。中心学术骨干范玉莹教授及其博士生孟煜晗、李苇荔等筛选出人参皂苷F1是UCP1的激活剂，进一步明确了F1的靶分子和胞内转导信号通路，从而显示出F1治疗肥胖及其相关代谢疾病的潜在作用。

Results and Discussion

确定人参皂苷F1是一种新型UCP1激活剂

通过UCP1-萤光素酶报告基因分析系统评估了不同结构的人参皂苷激活UCP1的能力，发现PPT-type人参皂苷F1能显著增强UCP1启动子活性，其激活能力与NE相似。更重要的是，人参皂苷F1能显著增加原代脂肪细胞及3T3-L1来源的成熟脂肪细胞的UCP1蛋白的表达，这说明人参皂苷F1是一种新型的UCP1激活剂。

图1 人参皂苷F1是新型的UCP1激活剂

人参皂苷F1作为β3-AR的激动剂，通过PKA/CREB/PGC1α促进UCP1的表达

随即在细胞水平对F1激活UCP1的机制进行探究，F1处理脂肪细胞后，cAMP水平升高，PKA和CREB磷酸化水平升高，PGC-1α和PPARγ结合到UCP1的启动子上，增强其转录。

利用Pull-down实验证明F1与β3-AR直接结合，β3-AR抑制剂SR 59230A或siRNA处理脂肪细胞后，F1对UCP1的激活或PKA的磷酸化作用均受损，这说明F1通过激活脂肪细胞膜受体β3-AR，进而引起细胞内PKA/CREB/PGC1α通路激活，促进UCP1表达。

图2 F1激活β3-AR，通过PKA/CREB/PGC1α促进UCP1的表达

人参皂苷F1增加ob/ob小鼠产热以降低血糖和血脂

ob/ob小鼠经过5周连续腹腔注射或灌胃F1后，小鼠体重、空腹血糖明显降低，GTT和ITT得到显著改善。值得注意的是，F1处理后，ob/ob小鼠的O₂消耗和CO₂生成明显增加，全身能量消耗显著增加。取出小鼠的白色脂肪组织进行蛋白质组学分析，蛋白高度聚集在产热和脂质代谢通路，F1处理组显著上调产热相关因子，下调脂肪合成相关因子。因此，人参皂苷F1通过增加WAT的产热作用降低小鼠体重及血糖。

图3 人参皂苷F1增加产热降低ob/ob小鼠体重及血糖

人参皂苷F1促进WAT棕色化以改善胰岛素抵抗

人参皂苷F1能增加性腺脂肪组织（gWAT）和皮下脂肪组织（iWAT）的棕色化，增加线粒体含量，改善iWAT、gWAT、肝脏、肌肉的胰岛素抵抗。

图4 人参皂苷F1促进WAT棕色化改善胰岛素抵抗

Conclusion

人参皂苷F1结合β3-AR后，激活cAMP/PKA/CREB信号通路，增加白色脂肪细胞UCP1蛋白表达，通过白色脂肪棕色化增加肥胖小鼠的产热和能量消耗，显著降低小鼠的体重、空腹血糖和血脂水平，改善小鼠葡萄糖和胰岛素耐量。

第一作者

孟煜晗，女，东北师范大学生命科学学院在读博士，主要研究方向是糖复合物调节血糖作用及机制。

第一作者

李苇荔，女，东北师范大学生命科学学院在读博士，主要研究方向是糖复合物调节血糖作用及机制。

通信作者

范玉莹，女，东北师范大学生命科学学院，副院长，教授，博士生导师，东北师范大学糖复合物教育部工程研究中心学术骨干，吉林省生物化学与分子生物学学会理事。

主要从事糖复合物的结构与功能研究，曾在新加坡国立大学和美国西北大学交流访学。先后主持国家自然科学基金面上、教育部博士点基金、吉林省科技厅医药产业发展专项等7项科研项目；在Autophagy, PLoS Genetics, Carbohydrate Polymers等国际主流期刊上发表SCI论文27篇；获东北师范大学教学新星奖、吉林省自然科学一等奖、吉林省自然科学学术成果三等奖；获授权国家发明专利5项。

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.