葡萄糖转运蛋白与糖尿病慢性并发症的关系及研究进展.doc

葡萄糖转运蛋白与糖尿病慢性并发症的关系及研究进展【关键词】 糖尿病；葡萄糖转运蛋白；并发症随着糖尿病患者的日趋增多，其慢性并发症已严重危害病人的健康。研究证实，糖尿病患者常见的慢性并发症，如视网膜病变、神经病变、心肌病变等都与这些组织的供氧不足有一定的关系1。组织氧供是由血液中的红细胞来完成的，糖尿病患者的红细胞由于糖代谢的异常，如山梨醇通路的活化和细胞内糖化血红蛋白的增多，而影响红细胞的形态以及胞内血红蛋白与氧的亲和力，从而引起红细胞供氧功能的改变，造成组织缺氧2；此外，细胞的糖代谢取决于细胞对葡萄糖的摄取，葡萄糖无法自由通过细胞膜脂质双层结构进入细胞，细胞对葡萄糖的摄入需要借助细胞膜上的葡萄糖转运蛋白(glucose transporter ，GLUT)来完成3。由此看出GLUT与糖尿病的慢性并发症关系密切，GLUT的功能状态及其调控机制也越来越得到重视。葡萄糖转运蛋白的概述1.葡萄糖转运蛋白的分类及其结构 葡萄糖转运蛋白是一类镶嵌在细胞膜上转运葡萄糖的载体蛋白质，它广泛分布于体内各种组织。根据转运葡萄糖的方式分为两类:一类是钠依赖的葡萄糖转运蛋白(SGLT)，以主动方式逆浓度梯度转运葡萄糖；另一类为易化扩散的葡萄糖转运蛋白(GLUT)，以易化扩散的方式顺浓度梯度转运葡萄糖，其转运过程不消耗能量。到目前为止，GLUT家族共确认有13个成员，包括GLUT112和HMIT，其中GLUT6是假基因产物4。 GLUT结构具有以下共同特点：具有12个跨膜螺旋环；螺旋环上存在7个保守氨基酸残基；胞膜内面存在几个酸性和碱性氨基酸残基；具有两个保守的色氨酸残基；具有两个保守的酪氨酸残基。它们是一组有着高度结构同源性的糖蛋白分子，所有的GLUT都具有12个跨膜节段的结构特征，均含有两个较大的环形结构，其中一个定位于第一、第二跨膜节段的细胞外区域，另一个定位于第六、第七跨膜节段的细胞内区域。其氨基末端及羧基末端均位于细胞膜的胞浆面5。 2.葡萄糖转运蛋白的分布 由于结构的差异，GLUT表现出不同的功能及表达特异性。GLUT1又称脑型、红细胞型葡萄糖转运蛋白，在胚胎和成年组织中广泛低表达，负责组织细胞的基础糖需求。GLUT2分布于肝细胞、胰岛细胞、肠上皮细胞基底外侧膜和肾小管上皮细胞，允许葡萄糖非限制性进入这些细胞中。GLUT3主要于脑神经元细胞、胎盘、肠、心、血小板表达，是神经元葡萄糖转运的主要载体。GLUT4表达于对胰岛素敏感的脂肪细胞和肌肉细胞，对维持机体糖代谢平衡起着至关重要的作用。GLUT5主要分布于小肠，以空肠为主，是体内参与果糖代谢的转运蛋白。GLUT6为一于蛋白水平不表达的假基因。GLUT7是最近发现的由肝细胞克隆得到的葡萄糖转运蛋白，也有人认为它是克隆的人工产物，实际上是不存在于人体及其他哺乳动物。GLUT8表达于睾丸、囊胚、肌肉、脑、脂肪组织。GLUT9表达于肝和肾组织。GLUT10表达于胆囊、胰腺组织。GLUT11表达于心脏和骨骼肌，为果糖转运蛋白，对葡萄糖亲和力低。GLUT12主要存在心肌、骨骼肌、脂肪组织、肾、肺。HMIT为H+/肌醇共同转运载体6。葡萄糖转运蛋白与糖尿病慢性并发症的关系1.葡萄糖转运蛋白与糖尿病视网膜病变 糖尿病视网膜病变(DR)是糖尿病最为常见和严重的微血管并发症之一。目前已证实，糖代谢紊乱在DR的发生、发展中起重要作用，高血糖、细胞糖代谢紊乱是糖尿病导致微血管损伤的基础，细胞内葡萄糖堆积可使山梨醇合成加速，导致内皮细胞和周细胞损伤，使血视网膜屏障遭到破坏，并引起微血管病变。GLUT1是葡萄糖通过血视网膜屏障的唯一载体。视网膜屏障细胞表面GLUT1的活性是DR发生、发展的限速因素，其基因表达及功能状态是决定视网膜是否受累及病变程度的重要因素，所以GLUT1的功能状态及其活性调控机制越来越得到重视。 在视网膜组织中GLUT1表达于视网膜内屏障的血管内皮细胞和外屏障的色素上皮细胞，其功能是将血循环中的葡萄糖转运至组织。视网膜中GLUT1过度表达，导致葡萄糖摄取增加，通过增加糖基化终末产物、蛋白质非酶糖基化等途径可使ROS产物增加，PKC活化，进而加重氧化应激，促进视网膜局部生长因子的增加等，从而参与了糖尿病视网膜病变的发生、发展7。关于GLUT1在糖尿病病程中的表达变化，目前的研究结果尚未达成一致。1996年，Kmagai等应用免疫荧光染色法发现，3个长期患糖尿病但无临床DR证据的患者，死后视网膜标本中视网膜血管内皮细胞中GLUT1表达上调，比非糖尿病患者增加了20倍，并据此认为，高糖环境下视网膜血管内皮细胞GLUT1的表达和葡萄糖转运人血管内皮细胞增多，为导致DR的过程提供了底物，从而促进了DR的发生、发展。而Badr等发现病程8周时雄性SD大鼠糖尿病组视网膜微血管内皮中的GLUT1含量明显降低，较正常对照组降低了60；色素上皮细胞的GLUT1表达并不受糖尿病的影响。Femandes等8用免疫荧光染色法检测发现，糖尿病病程1年的GK大鼠视网膜的GLUT1表达水平与相当年龄的对照组Wistar大鼠比较，无明显差别。但在另一实验中，应用Western印迹法测定表明，糖尿病病程1年的GK大鼠及病程4个月的四氧嘧啶致糖尿病大鼠视网膜GLUT1蛋白水平分别明显低于各自相当年龄的对照组Wistar大鼠9。上述实验结果的不一致可能与实验标本的种属差异、糖尿病的病程长短、GLUT1含量检测方法等因素的不同有关。李军10等用氧化钴作为刺激缺氧反应基因的试剂，检测缺氧条件下大鼠视网膜糖载体蛋白GLUT1的表达，结果发现：缺氧增加糖载体蛋白GLUT1的表达，并由此推测：在糖尿病时，由于血糖升高引起视网膜血管的损害导致组织缺血，继之产生的缺氧，引起糖载体蛋白GLUT1增加，增强组织和细胞对糖的再摄入，导致组织和细胞的代谢异常，引起临床的眼底病变；同时，糖载体蛋白GLUT1的增加和血管内皮生成因子(VEGF)可能也有相应的联系，导致视网膜内新生血管的形成。这些推测将需要进一步的研究，以便了解DR的发病机制及探索新的治疗途径，寻找更佳的治疗方案。 2.葡萄糖转运蛋白与糖尿病心肌病变 早期研究表明，糖尿病心肌病变是原发于DM而引起的心肌组织代谢和结构紊乱，而非继发于冠状动脉供血不足，以心肌细胞和微血管病理改变为主，主要表现为心脏舒张和收缩功能障碍，为DM患者易发心功能不全的病理生理基础。糖尿病心肌病与代谢异常密切关联，在有氧状态，通过摄取和有比例氧化游离脂肪酸进入血液循环为心脏提供主要能量来源，但当心脏负荷加重时游离脂肪酸已不能满足心脏能量需要，而是通过加速葡萄糖转运和糖原分解，增加葡萄糖氧化以及糖异生提供能量；在缺血情况下糖原储存12 h消耗完毕，心肌不能进行脂肪酸氧化，细胞依靠无氧葡萄糖代谢提供能量，葡萄糖转运系统缺陷可直接影响心肌葡萄糖的摄取和利用，从而损害心肌功能。 参与糖尿病心肌病变发生的因素很多，目前对GLUT1和GLUT4在糖尿病心肌病变发生中的作用已引起人们越来越广泛的重视。心肌维持正常的舒缩活动需要很高的能量，因此心肌GLUT表达水平很高，主要表达GLUT1和GLUT4。心肌GLUT1主要定位于心肌细胞膜，少量存在于细胞内膜，研究表明胰岛素可使GLUT1从细胞内膜转位至肌膜，通过添充肌膜GLUT1数量协助心肌葡萄糖摄取。而GLUT4在基础状态下绝大多数定位于细胞内储存膜上，极少数存在于细胞膜表面。心肌GLUT4在胰岛素诱导下可迅速转位至细胞膜，通过增加细胞膜GLUT4数量易化葡萄糖转运。罗佳11等人利用NaN3制作心肌细胞缺氧模型，并通过与胰岛素的对比来研究缺氧刺激对细胞GLUTs表达的影响。其实验数据表明，胰岛素和叠氮钠模拟的化学性缺氧均使H9C2心肌细胞膜表面GLUT1和GLUT4表达量增加。胰岛素使细胞膜GLUTs表达量增加程度大于缺氧的作用，提示两者是通过不同的信号机制增加细胞膜上GLUTs表达的12。王彬13等研究发现，中药治疗能增强缺血再灌注损伤大鼠心肌细胞总GLUT1的表达，并促进其向细胞膜转位，从而增加缺血心肌对葡萄糖的摄取及利用，在一定程度上起到保护缺血再灌注损伤心肌的作用。国外的研究表明，GLUT4在糖尿病模型大鼠心肌细胞中的表达下调，减少了葡萄糖的跨膜转运，影响心肌细胞的能量代谢过程，最终引起糖尿病心肌病。糖尿病大鼠心肌细胞GLUT4mRNA表达量明显减少，采用基因敲除方法在小鼠心肌中去除GLUT4的表达，结果导致了心脏肥大及心脏的形态学改变。缺氧作用下心肌细胞膜GLUTs数量增加有着重要临床意义，在缺血缺氧期间，尽管葡萄糖运输下降，间质葡萄糖浓度降低，但细胞膜GLUTs表达量的增加促进了葡萄糖的摄取，因此增加了缺氧心肌利用细胞外葡萄糖的能力，可对细胞起到保护作用。以上研究结果提示，从心肌局部GLUT1和GLUT4对葡萄糖转运的变化入手来研究其病理生理机制，对防治糖尿病心肌病变具有重要意义。 3.葡萄糖转运蛋白与糖尿病肾病 糖尿病肾病的确切发病机制至今未被阐明，目前大多数人认为高血糖、细胞代谢紊乱是糖尿病导致组织器官损伤的一个基本病理生理改变。在体外培养的系膜细胞中证实GLUT1是系膜细胞摄取葡萄糖的主要转运蛋白，GLUT1功能状态是肾小球系膜细胞葡萄糖摄取的关键，与糖尿病肾病进展关系密切。大量研究证实GLUT1是体外培养的系膜细胞最主要的葡萄糖转运蛋白类型，且随着细胞外糖浓度升高其表达增加。利用基因转染技术将GLUT1基因转入体外培养的大鼠系膜细胞中，使其大量表达，细胞对糖的摄取增加。即使将转染后的细胞培养在正常生理糖浓度下，系膜细胞仍然出现了细胞内糖代谢增加、细胞肥大及细胞外基质(ECM)合成增多的改变，这表明肾小球系膜细胞合成过多的细胞外基质及糖尿病肾小球硬化的进展是由于GLUT1表达或活性增强引起葡萄糖摄取增多所致，GLUT1是DN发病中独立于高血糖外的危险因素14。 另外，胰岛素可通过GLUT4的易位来增加葡萄糖的摄取从而达到稳定血糖的作用。正常肾小球系膜细胞有GLUT4表达15，在肾脏组织中，GLUT4主要分布在血管平滑肌细胞、肾小球系膜细胞、肾小管髓袢升支粗段等。在2型DM的肾小球系膜细胞中，由于GLUT4的表达受抑或易位障碍可能加重了葡萄糖摄取障碍，导致高血糖。高糖可致系膜细胞肥大，细胞外基质增多，肾小球基底膜增厚，出现蛋白尿，使DN病程进入不可逆阶段。胰岛素显著增加系膜细胞GLUT4的表达，高糖则显著抑制GLUT4在系膜细胞上的表达，黄颂敏16的研究表明，不同浓度的胰岛素诱导GLUT4易位的时间有相似性，均发生在较短时间内。胰岛素呈剂量依赖性引起GLUT4易位。证实了GLUT4易位的时间效应。并且胰岛素可部分拮抗高糖导致的GLUT4下调，增加葡萄糖的利用。研究结果说明DN时系膜细胞GLUT4表达受抑可以导致细胞对葡萄糖转运障碍，加重高糖血症。另有研究表明，运动可通过增加GLUT4的表达来增加胰岛素的敏感性17，18；缬沙坦和罗格列酮则通过增加GLUT4易位来增加胰岛素的敏感性19，20。因此，推测任何能增加系膜细胞中GLUT4表达、促进GLUT4易位的因素均对糖尿病的肾脏有保护作用。 综上所述，糖尿病慢性并发症主要由微血管和大血管病变引起，其危害较大，故引起人们的广泛关注和研究。目前的研究发现，与糖尿病慢性并发症关系密切的主要是GLUT1和GLUT4。GLUT1表达的调节因素有高糖、缺氧、胰岛素、血管紧张素、TGF1、IGF1及药物作用等；其中，高糖可导致GLUT1表达下调，其他因素则促进GLUT1的表达上调。GLUT4表达的调节主要与高脂饮食、运动、胰岛素、胰岛素增敏剂噻唑烷二酮类药物及TNF等有关；高脂饮食和TNF可下调