glut4是一种膜蛋白

GLUT4 与胰岛素抵抗 高璐 综述，于德民 审校 天津医科大学代谢病医院，天津，300070 国外医学内分泌学分册，2002 年 9 月，22(5):308-310 摘要：大量研究证实，葡萄糖转运蛋白 4（GLUT4 ）的表达或活性下降导致 的骨骼肌和脂肪细胞对葡萄糖摄取、利用的减少是胰岛素抵抗的重要分子基础。 对 GLUT4 分子表达的研究有助于进一步阐明胰岛素抵抗的发生机制和发现防治 胰岛素抵抗的新方法。 关键词：葡萄糖转运蛋白 4；胰岛素抵抗；2 型糖尿病 中图分类号：R589.102 文献标识码：A 文章编号：1003-5435(2002)05-0308-03 人类肥胖及 2 型糖尿病（动脉）的一个重要病理特征是对胰岛素刺激的葡 萄糖摄取的抵抗。由于上述过程是由位于细胞外膜上的葡萄糖转运体 4（GLUT4）介导，因此 GLUT4 基因被认为是胰岛素抵抗的一个重要候选基因。 近年来，国内外的大量研究致力于探讨 GLUT4 基因表达和（或）蛋白功能的缺 陷导致胰岛素抵抗的可能机制。对这些缺陷了解的不断加深将对治疗和预防与 胰岛素抵抗有关的疾病具有重要意义。 1 GLUT4 的结构、分布及功能 GLUT4 是一种膜蛋白，分子量约 4555 ku，基本结果有 12 个跨膜片段 （M1 M12）组成。人类与大鼠 GLUT4 约有 95%以上的核苷酸序列是相同的， 提示 GLUT4 在进化上的保守性和功能上的重要性。 GLUT4 仅存在于胰岛素敏感的骨骼肌、心肌和脂肪细胞中。在没有胰岛素 刺激时主要位于细胞内的贮存囊泡内。当胰岛素与受体结合后，激发一系列级 联效应，导致富含 GLUT4 的囊泡向细胞外膜移动，囊泡膜与细胞外膜融合， GLUT4 转位至细胞外膜且活性最佳，与葡萄糖结合并发生结构改变，将葡萄糖 转运至细胞内后恢复原来结构。这一过程很容易被逆转，当循环胰岛素水平下 降时，GLUT4 通过吞饮作用从细胞外膜清除并回到贮存囊泡中。由此胰岛素敏 感组织可迅速对循环胰岛素水平作出反应，保持血糖平衡。 2 GLUT4 的组织特异性调节 啮齿类动物及人类在胰岛素抵抗状态下，GLUT4 的表达显示的组织特异性 调节，即在脂肪细胞中表达下降，但在骨骼肌中则被保护。前者是由于基因转 录障碍所致，而骨骼肌的胰岛素抵抗可能由于 GLUT4 转位或活性的改变。目前 认为导致胰岛素抵抗的潜在缺陷包括：由胰岛素受体起源的信号改变；GLUT4 转位受阻；富含 GLUT4 的囊泡不能与细胞膜融合；隐蔽的 GLUT4 不能暴露与细 胞外环境以及囊泡虽融合但 GLUT4 活性下降等。 对 GLUT4 脂肪组织选择性降低小鼠（G 4A-/-）的研究发现，尽管小鼠肌肉中 GLUT4 的表达正常，但胰岛素刺激的葡萄糖摄取却有显著下降（约下降 40%） 。 此外，肌肉和肝脏的胰岛素刺激 3-羟基磷酸肌醇激酶活性（在许多胰岛素代谢 反应中发挥作用）比正常低 50%60% 。提示脂肪细胞 GLUT4 水平的降低可继 发诱导其它组织的胰岛素抵抗。其可能机制包括长期高胰岛素血症的影响或脂 肪细胞中某些特殊分子释放的改变影响了胰岛素在其它组织中的活性。G 4A-/-小 鼠的胰岛素抵抗程度与 GLUT4 基因肌肉选择性失活（ GLUT4 KO）的小鼠相似， 后者肌肉中胰岛素刺激的葡萄糖摄取下降了 92%，且胰岛素刺激脂肪组织摄取 葡萄糖及抑制肝葡萄糖产生的能力也明显受损。以上研究提示了脂肪组织和骨 骼肌在介导体内葡萄糖处理中独特和互补的作用。 3 GLUT4 与胰岛素抵抗相关疾病的关系 3.1 GLUT4 与 2 型 DM 的关系 Nelson 等研究发现，3T3-L1 脂肪细胞在高 浓度葡萄糖（23 mmol/L）孵育下，基础和胰岛素刺激的葡萄糖转运受损，而细 胞内的 GLUT4 水平及在胰岛素作用下的转位未发生变化，因此推测外周血糖是 通过 GLUT4 蛋白的内在活性或向细胞膜的嵌入来影响其功能的。这与以往 Kahn 等的研究结果一致。Zierath 等研究发现，骨骼肌细胞长期暴露于高浓度 胰岛素中导致 GLUT4 活性降低或转位障碍，且对生理浓度的胰岛素刺激无反应。 另有研究显示，3T3-L1 脂肪细胞在胰岛素长期作用下细胞内 GLUT4 含量下降 40%，且短期胰岛素促进 GLUT4 转位的能力也下降。而细胞内 GLUT4 的减少是 由于 GLUT4 从细胞内贮存囊泡的选择性丢失，这种 GLUT4 的定位错误将引起胰 岛素刺激的 GLUT4 转位减少，并在胰岛素抵抗的发生中起重要作用。近年研究 发现，2 型 DM 患者骨骼肌与脂肪细胞均表现出富含 GLUT4 囊泡的亚细胞分布 及转位正常，即 GLUT4 主要分布于高密度膜部分，且在胰岛素刺激下向细胞外 膜的转位减少。 3.2 GLUT4 与妊娠糖尿病（GDM）的关系 目前认为导致 GDM 胰岛素抵 抗的机制与 2 型 DM 相似。此外，Xing 等研究发现，GLUT4 存在于人类胎盘绒 毛膜基质细胞中，而胎盘中 GLUT4 基因和蛋白水平在妊娠合并 DM 时不发生变 化。由于目前认为胎盘与胰岛素刺激的葡萄糖转运无关，胎盘中 GLUT4 的高水 平表达的意义有待进一步研究。 3.3 GLUT4 与高血压的关系 以往研究报道，Milan 高血压大鼠离体骨骼 肌细胞膜上的 GLUT4 水平与对照组比较明显下降，而脂肪细胞的 GLUT4 水平正 常。James 等研究发现，SHRSP 大鼠（一种自发性高血压、胰岛素抵抗模型） 骨骼肌细胞中胰岛素刺激的葡萄糖转运下降，而细胞中 GLUT4 的水平无变化， 这与对人类的研究结果相似，提示可能存在 GLUT4 运输或胰岛素信号通路中某 些关键分子的改变。由于连续传代后的成肌细胞仍然存在胰岛素抵抗，因此 SHRSP 大鼠骨骼肌的胰岛素抵抗可能与遗传有关。 3.4 GLUT4 与肿瘤的关系 胰岛素抵抗在癌症恶病质中起重要作用，但有 关机制尚未阐明。Yoshikawa 等研究显示，胰岛素刺激下肿瘤耐受小鼠（ TBR） 脂肪细胞的葡萄糖转运活性较对照组明显降低。基础状态下 TBR 的 GLUT4 在低 密度微粒体中的数量及胰岛素刺激下细胞外膜上的数量均较对照组降低，提示 TBR 脂肪细胞的胰岛素抵抗部分是由于基础状态下 GLUT4 的数量减少及在胰岛 素作用下的转位减弱所致。Noguchi 等发现胃肠道癌症患者腹直肌中 GLUT4 mRNA 水平与外周组织葡萄糖摄取的下降正相关，表明其胰岛素抵抗部分是由 于 GLUT4 mRNA 的下调引起。 3.5 GLUT4 与胎儿宫内发育迟缓（IUGR ）的关系 Jaquet 等的研究表明， 有 IUGR 病史的个体与年龄相匹配的正常对照组相比，早在 25 岁未出现胰岛素 分泌缺陷时就已表现出胰岛素抵抗。进一步研究发现其由胰岛素调节的 GLUT4 mRNA 表达缺陷，该缺陷程度与胰岛素抵抗水平相关。因此，IUGR 个体的胰岛 素抵抗可能是由于胰岛素诱导的 GLUT4 表达调节受损所致。 4 治疗干预 4.1 饮食和运动 现已知高脂饮食可下调白色脂肪组织中的 GLUT 水平， 并明显减弱由胰岛素刺激的脂肪细胞 GLUT4 的转位及葡萄糖摄取。但这种作用 随饮食中 n-3 多不饱和脂肪酸的增加而减弱。研究显示，运动可以增加骨骼肌 中 GLUT4 的表达，并伴有糖耐量的中度改善。因此，低脂肪饮食、增加膳食中 多不饱和脂肪酸含量以及运动通过增加 GLUT4 的表达有助于提高对胰岛素抵抗 的敏感性，减轻或预防胰岛素抵抗。 4.2 药物治疗 研究证明，二甲双胍可以阻止脂肪细胞由高血糖和高胰岛 素血症诱导的 GLUT4 的下调，并促进 GLUT4 的转位；与胰岛素联合应用可提高 GLUT4 对葡萄糖的亲和力而维持血糖平衡。噻唑烷二酮类药物可以提高胰岛素 抵抗小鼠骨骼肌和脂肪细胞中的 GLUT4 mRNA 及蛋白水平，促进骨骼肌中 GLUT4 的转位。Dal Ponte 等研究发现开博通治疗可改善 Zucker 大鼠的糖耐量， 与维拉帕米合用时作用更加明显，并与肌肉中 GLUT4 活性的增加相关联。 4.3 转基因治疗 Tsao 等研究证明，特异地在快速肌内过度表达 GLUT4 的 MLC-GLUT4 转基因小鼠与 GLUT4 的一种等位基因摘除的小鼠相比，胰岛素 敏感性增加，高血糖、高胰岛素血症及 DM 性心肌肥大均被纠正。Brozinick 等 研究发现，与非转基因小鼠相比，低龄 db/db 转基因小鼠 GLUT4 的过度表达伴 随葡萄糖耐受力的改善。尽管这种改善随年龄的增加而减弱，但在高水平表达 GLUT4 的转基因小鼠中这种下降速度会有所减慢，且高龄转基因小鼠在体内外 试验中对胰岛素刺激仍有反应。因此，通过转基因疗法使 GLUT4 在肌肉和（或） 脂肪细胞中过度表达可以在细胞水平增加胰岛素敏感性，防止胰岛素抵抗。 提高机体胰岛素敏感性的另一种方法是改变 GLUT4 的亚细胞分布，即使更 多的 GLUT4 从细胞内转移至细胞外并处于活性状态。将脂肪特异的 aP2 启动子 /增强子与人类野生型 Ha-ras 基因序列连接，导致 ras 在脂肪组织的过度表达。 当胰岛素与受体结合后 ras 即被激活并启动一系列磷酸化过程。ras 过度表达小 鼠的葡萄糖耐受力及胰岛素敏感性均升高。研究证明这是由于 ras 通路可提高 GLUT4 的