胰岛素信号转导通路与_细胞分泌功能的关系及机制.pdf

中日友好医院学报2 0 0 8年第2 2卷第1期J o u r n a l o f C h i n a J a p a nF r i e n d s h i pH o s p i t a l 2 0 0 8F e b V o l 2 2 N o 1 综述 胰岛素信号转导通路与 细胞分泌功能的关系及机制 王冰 李宏亮 杨文英 中日友好医院 内分泌科 北京1 0 0 0 2 9 中图分类号 R 5 8 7 1文献标识码 A文章编号 1 0 0 1 0 0 2 5 2 0 0 8 0 1 0 0 5 4 0 3 多年来 人们一直认为肝脏 肌肉和脂肪是胰岛素作 用的主要靶组织 对这些组织的胰岛素信号通路研究比较 深入 1 9 9 6年 H a r b e c k等 1 首次证明 细胞也存在胰岛素 信号转导通路 经过近1 0年的研究 现已明确胰岛素信号 通路对维持 细胞数量 生长 增殖与存活以及调节胰岛 素的合成和分泌功能起重要作用 本文就胰岛素信号转导 通路与 细胞分泌功能的关系及机制作一综述 1胰岛细胞胰岛素信号转导系统 细胞胰岛素受体信号系统包括胰岛素受体 i n s u l i n r e c e p t o r I R 胰岛素受体底物 i n s u l i nr e c e p t o r s u b s t r a t e I R S 家族 磷脂酰肌醇 3激酶 p h o s p h a t i d y l i n o s i t o l 3 k i n a s e P I 3 K 及其下游的丝氨酸 苏氨酸蛋白激酶 s e r i n e t h r e o n i n ek i n a s e A K T 或蛋白激酶B p r o t e i nk i n a s eB P K B r a s r a f M A P K 丝裂原激活蛋白激酶 等 2 细胞胰 岛素信号转导中 研究得比较深入的主要有两条通路 P I 3 K途径 R a s复合体途径 细胞上I R的活化可激活 I R S 然后激活两条信号转导途径 1 通过P I 3 K激活下游 A K T P K B 调节葡萄糖转运 细胞存活 胰岛素基因转录 等过程 P I 3 K还可以激活下游的哺乳动物雷帕霉素靶蛋 白 分别活化核糖体S 6激酶和真核启动因子4 E结合蛋白 1 也可以调节胰岛素基因转录 细胞增殖 I R S 1 P I 3 K 途径可通过与内质网相互作用使胞内C a 2 升高 激活钙通 道及其相关途径 2 生长因子受体结合蛋白2 信号蛋白 G D P G T P交换因子复合体 激活r a s r a f及M A P K 通过磷 酸化激活下游的转录因子e l k c f o s等 调节胰岛素基因 转录及 细胞增殖 胰岛素信号转导通路非常复杂 其中 P I 3 K激活下游A K T P K B等转导通路研究较多 分述如 下 1 1 I R 胰岛素与受体结合才能发挥多种生理功能 多年来 人们一直认为I R在肝脏 肌肉 脂肪组织广泛存在 近年 发现I R也存在于胰岛细胞 1 I R是由两个 亚基及两个 亚基形成的异四聚体 I R 亚基对 亚基 受体酪氨酸 激酶 起调控 抑制 作用 胰岛素一旦与 亚基特异性结 合 后者的抑制 亚基作用即解除 酪氨酸激酶即活化 酪 氨酸激酶活化系通过 亚基特定部位酪氨酸自身磷酸化 二聚体状态有利于酪氨酸激酶自身磷酸化的进行 值得注 意的是I R除了酪氨酸磷酸化外 并可行丝氨酸 苏氨酸磷 酸化 刺激物可为环磷酸腺苷 高浓度胰岛素等 受体丝氨 酸 苏氨酸磷酸化的作用与酪氨酸磷酸化相反 对I R酪氨 酸激酶活性起负面效应 O t a n i等实验发现 特异性敲除 细胞I R的小鼠表 现为 细胞数量显著减少 胰岛素分泌障碍 葡萄糖激酶 和葡萄糖转运子 g l u c o s e t r a n s p o r t e r G L U T 2基因表达减 少 但 细胞内胰岛素转录与合成水平未受影响 说明 细胞上I R缺乏时主要影响 细胞生长 胰岛素分泌和细 胞内葡萄糖代谢 3 1 2 I R S 细胞所表达的I R S家族主要包括I R S 1 I R S 2及 I R S 3 近几年来对 细胞I R S家族研究较多的是I R S 1 和I R S 2 它们都是调节 细胞功能的重要信号分子 1 2 1 I R S 1 I R S 1在整个胰岛上广泛分布 主要通过P I 3 K和钙 通道及其相关途径控制胰岛素的分泌 I R S 1调节胰岛素 分泌过程的机制为通过抑制内质网上钙离子A T P酶 使 细胞内钙离子浓度升高 从而激活蛋白激酶C 刺激胰岛 素释放 A s p i n w a l l等 4 敲除小鼠 细胞I R S 1后发现 胰 岛素刺激的细胞内钙离子浓度变化和胰岛素分泌均消失 而高表达I R S 1的 细胞瘤细胞中 胞内钙离子浓度增 加 胰岛素分泌也增加 进一步研究表明 加入P I 3 K抑制 剂可阻断I R S 1增加 细胞胞内钙离子浓度 刺激胰岛素 分泌的作用 说明I R S 1主要通过P I 3 K激活途径发挥作 用 是 细胞胰岛素分泌的重要信号 4 1 2 2 I R S 2 I R S 2则主要分布在胰岛的外周 主要通过P I 3 K和 M A P K两条通路调控 细胞的生长 存活和有丝分裂 研 究表明 I R S 2是维护 细胞功能的关键信号蛋白 K u b o t a 等 5 敲除小鼠I R S 2基因后发现 其 细胞数量显著减少 并 最 终 发 展 为2型 糖 尿 病 t y p e2d i a b e t e sm e l l i t u s T 2 D M H e n n i g e等 6 发现使小鼠 细胞内I R S 2表达增加 可以促进 细胞生长 存活和改善胰岛素分泌功能 进一 步研究显示 I R S 2介导的I G F 1 R信号对 细胞增殖和 凋亡起重要作用 实验发现 和I R S 2 小鼠相比 I G F 基金项目 国家自然科学基金资助 3 0 6 4 0 0 8 1 作者简介 王冰 1 9 7 7 女 住院医师 医学博士 收稿日期 2 0 0 7 0 4 2 8修回日期 2 0 0 7 0 5 3 1 5 4 J o u r n a l o f C h i n a J a p a nF r i e n d s h i pH o s p i t a l 2 0 0 8F e b V o l 2 2 N o 1中日友好医院学报2 0 0 8年第2 2卷第1期 1 R I R S 2 小鼠发展为糖尿病的时间更短 生存时间 缩短 细胞数量减少更严重 表现为糖耐量严重受损 空 腹低胰岛素血症 而I G F 1 R I R S 2 小鼠则表现为糖 耐量轻微减低 空腹血胰岛素水平比野生型小鼠增高 说 明I R S 2介导的I G F 1 R信号对维持 细胞数量起重要 作用 1 3 P I 3 K P I 3 K是一种脂质激酶 在介导胰岛素的代谢效应中 起关键性作用 I R作用于P I 3 K进而激活其下游的A K T P K B通路 活化后的A K T通过不同的下游底物调节 细 胞大小 数量及胞内的基因转录 7 其分子途径涉及 1 磷 酸化促凋亡分子B A D 减少 细胞凋亡 2 磷酸化F o x 基因家族中的F O X O 1转录因子 调节胰十二指肠同源盒 因子的表达 促进细胞增殖和新生 3 通过p 7 0 S 6 K促进 有丝分裂 4 通过c y c l i n依赖性激酶调节细胞进入细胞 周期 敲除A K T 2基因的小鼠表现为严重的糖尿病 伴有 细胞功能衰竭 而提高A K T 1的表达 可使小鼠 细胞 数量和胰岛体积均增加 并明显改善其糖耐量 1 4胰岛素的自分泌调控 随着 细胞上胰岛素信号转导通路的发现和深入研 究 形成了一个全新的概念 胰岛素的自分泌调控 在生 理血糖浓度下 胰岛素通过激活I R S 1 P I 3 K途径使 细 胞内钙离子浓度升高 刺激胰岛素分泌 形成 细胞的胰 岛素自分泌正反馈调节 8 2 细胞分泌功能障碍发生可能机制 细胞胰岛素分泌功能变化的发生机制非常复杂 现 已证实 细胞上的胰岛素信号转导通路对于 细胞胰岛 素分泌有重要意义 但其具体发生机制尚不十分清楚 导 致外周胰岛素信号转导障碍的机制也有可能导致 细胞 分泌功能障碍 2 1氧化应激 o s i d a t i v e s t r e s s O S 近来研究表明 在胰岛素抵抗状态下机体氧化 抗氧 化失衡 大量氧自由基在血清及组织中堆积 胰腺因为缺 乏抗氧化酶类 是所有组织中对氧化应激最为敏感的 9 M a e c h l e r等研究发现 细胞短期暴露于H2O2中 激活 O S 可以使 细胞胰岛素m R N A减少 胞质和线粒体内钙 离子流减少 1 0 另外L o n e等研究发现 人胚肾成纤维细胞 中加入H2O2以后 P I 3 K活性被抑制达5 7 而丝裂原活 化蛋白激酶活性仅被抑制7 由此我们推测 氧化应激产 物增加可能导致胰岛细胞P I 3 K活性降低 胰岛素信号通 路受阻 进而导致胰岛细胞分泌功能障碍 解耦联蛋白2 u n c o u p l i n gp r o t e i n2 U C P 2 在线粒体 内膜上广泛存在 通过使线粒体的氧化磷酸化过程解耦 联 A T P产生减少 影响胰岛素分泌 但同时U C P 2可使线 粒体内膜电势下降 限制活性氧族的产生 是机体对抗氧 化应激的一种保护机制 1 1 我们研究发现 高脂喂养大鼠 胰岛细胞I R S 2 P I 3 K m R N A表达下降的同时 U C P 2表达 比对照组增加2 2 4 提示 U C P 2基因表达的变化可能与 细胞胰岛素信号转导通路障碍相关 有关胰岛细胞分泌 功能紊乱与氧化应激及其下游胰岛素信号通路的关系研 究是个十分广阔的领域 2 2炎症反应 近年来的研究显示 I R后的信号通路与炎症因子的 信号传导存在交叉作用 非特异性炎症所产生的炎症因子 干扰胰岛素I R S P I 3 K信号通路 是炎症导致胰岛素抵抗 的主要分子机制 1 2 M i n s h e n g Y u a n等研究发现肿瘤坏死 因子 t u m o r n e c r o s i s f a c t o r T N F 游离脂肪酸 f r e e f a t t ya c i d F F A 等可引起细胞 如3 T 3 L 1 F A O细胞 胰岛 素抵抗 表现为I R S 2 I R S 1的丝氨酸磷酸化 而水杨酸 类药物通过与I k k I B激酶 结合 抑制N F B 核转录 因子 B 诱导转录 抑制I R S 2的降解和I R S 1的丝氨酸 磷酸化 逆转胰岛素抵抗 1 3 目前已证实N F B是一种核 转录因子 在炎症和细胞增殖中起了重要作用 可能参与 了外周胰岛素抵抗的发生 因此可以推测 在胰岛素抵抗 状态下血T N F F F A等升高同样可能导致胰岛细胞N F B激活 抑制I R S 2 I R S 1的丝氨酸磷酸化 导致胰岛素 信号转导系统受阻 1 4 有关在胰岛素抵抗状态下血T N F F F A介导的炎症反应与胰岛细胞胰岛素信号通路之间更 多的潜在机制尚有待进一步研究 2 3内质网应激 内质网是哺乳动物细胞重要的C a 2 贮存器 同时也是 蛋白质合成与翻译后修饰 多肽链正确折叠与装配的重要 场所 多种因素如高血糖低氧 化学毒物等使内质网腔 C a 2 耗竭 内质网蛋白质糖基化抑制 二硫键错配 内质网 蛋白质向高尔基体转运减少 导致未折叠或错误折叠蛋白 质在内质网腔蓄积等 均可使内质网功能发生改变 统称 内质网应激 e n d o p l a s m i c r e t i c u l u ms t r e s s E R S E R S可促 进内质网对蓄积在网腔内的错误折叠或未折叠蛋白质的 处理 从而有利于维持细胞的正常功能并使之存活 但是 时间过长的E R S可引起细胞凋亡 内质网与T 2 D M发病密切相关 O z c a n等 1 5 研究显 示 内质网应激通过I R E 1 和C J u n氨基端激酶依赖的 蛋白激酶级联通路促进I R S 1的丝氨酸磷酸化 进而影响 胰岛素的信号转导 导致外周组织胰岛素抵抗 胰岛 细 胞具有高度发达的内质网 是对内质网应激最为敏感的组 织之一 E R S可导致 细胞分泌功能下降 1 6 但是否与 细胞胰岛素信号转导通路受阻有关 尚不十分清楚 3改善胰岛细胞分泌功能的药物研究 目前改善 细胞分泌功能的研究较多 胰岛素增敏剂 研究备受关注 研究发现罗格列酮确能改善胰岛 细胞早 相分泌功能 1 7 但其是否与改善 细胞胰岛素信号转导通 路有关 尚未见报道 抗氧化及抗炎治疗在动物模型中取 得了良好效果 能否应用于临床有待于进一步研究 我们 我们的实验也证明高脂饲养大鼠应用抗氧化剂N 乙酰半 5 5 中日友好医院学报2 0 0 8年第2 2卷第1期J o u r n a l o f C h i n a J a p a nF r i e n d s h i pH o s p i t a l 2 0 0 8F e b V o l 2 2 N o 1 胱氨酸后 细胞胰岛素信号转导通路分子基因表达增 加 细胞胰岛素分泌功能改善 总之 胰岛细胞胰岛素信号转导通路障碍与 细胞功 能密切相关 对其分子机理深入研究 可揭示在T 2 D M发 病中胰岛素抵抗与胰岛细胞分泌功能缺陷的尚未被认识 的重要联系 将对今后T 2 D M发生机制和防治研究带来 深远的影响 4参考文献 1 H a r b e c kM C L o u i eD C H o w l a n dJ e ta l E x p r e s s i o no fi n s u l i nr e c e p t o rm R N A a n di n s u l i nr e c e p t o rs u b s t r a t e1i n p a n c r e a t i ci s l e t b e t a c e l l s J D i a b e t e s 1 9 9 6 4 5 6 7 1 1 7 1 7 2 A l a n R S a l t i e lC R o n a l d K a h n I n s u l i n s i g n a l i n g a n d t h e r e g u l a t i o no fg l u c o s ea n dl i p i dm e t a b o l i s m J N a t u r e 2 0 0 1 d e c 4 1 4 7 9 9 8 0 6 3 O t a n iK K u l k a r n iR N B a l d w i nA C e ta l R e d u c e db e t ac e l l m a s sa n da l t e r e dg l u c o s es e n s i n gi m p a i ri n s u l i n s e c r e t o r y f u n c t i o ni nb e t aI R K O m i c e J A m JP h y s i o lE n d o c r i n o l M e t a b 2 0 0 4 2 8 6 E 4 1 E 4 9 4 A s p i n w a l l C A Q i a nWJ R o p e rM G e t a l R o l e so f i n s u l i nr e c e p t o rs u b s t r a t e 1 p h o s p h a t i d y l i n o s i t o l3 k i n a s e a n d r e l e a s eo fi n t r a c e l l u l a rC a 2 s t o r e si ni n s u l i ns t i m u l a t e di n s u l i ns e c r e t i o ni n c e l l s J JB i o lC h e m 2 0 0 0 2 7 5 2 2 3 3 1 2 2 3 3 8 5 K u b o t aN T o b eK T e r a u c h i Y e t a l D i s r u p t i o no f i n s u l i nr e c e p t o rs u b s t r a t e2c a u s e st y p e2d i a b e t e sb e c a u s eo fl i v e r i n s u l i nr e s i s t a n c ea n dl a c ko fc o m p e n s a t o r y c e l lh y p e r p l a s i a J D i a b e t e s 2 0 0 0 4 9 1 8 8 0 1 8 8 9 6 H e n n i g eA M B u r k sD J O z c a nU e ta l U p r e g u l a t i o n o fi n s u l i nr e c e p t o rs u b s t r a t e 2i np a n c r e a t i c c e l l sp r e v e n t sd i a b e t e s J JC l i nI n v e s t 2 0 0 3 1 1 2 1 5 2 1 1 5 3 2 7 G a r o f a l oR S O r e n aS J R a f i d iK e ta l S e v e r ed i a b e t e s a g e d e p e n d e n tl o s so fa d i p o s et i s s u e a n dm i l dg r o w t hd e f i c i e n c yi n m i c el a c k i n gA k t 2 P K B J JC l i n I n v e s t 2 0 0 3 1 1 2 1 9 7 2 0 8 8 R o p e rM G Q i a nWJ Z h a n gB B e ta l E f f e c to ft h ei n s u l i n m i m e t i cL 2 7 8 3 2 8 1o ni n t r a c e l l u l a r C a 2 a n di n s u l i ns e c r e t i o nf r o m p a n c r e a t i c c e l l s J D i a b e t e s 2 0 0 2 5 1 S 4 3 S 4 9 9 M c G a r r yJ D D y s r e g u l a t i o no ff a t t ya c i dm e t a b o l i s m i nt h e e t i o l o g yo f t y p e2d i a b e t e s J D i a b e t e s 2 0 0 2 5 1 7 1 8 1 0 M a e c h l e r P A n t i n o z z i P A Wo l l h e i mC B M o d u l a t i o n o f g l u t a m a t e g e n e r a t i o n i n m i t o c h o n d r i a a f f e c t s h o r m o n e s e c r e t i o ni nI N S 1 Eb e t ac e l l s J I U B M BL i f e 2 0 0 0 5 0 1 2 7 3 1 1 1 J a m i eW J o s e p h V a s i l i jK o s h k i n M o n i q u eC S l e h e ta l F r e e f a t t y a c i d i n d u c e d c e l ld e f e c t s a r e d e p e n d e n to n u n c o u p l i n gp r o t e i n2e x p r e s s i o n J JB i o l C h e m 2 0 0 4 2 7 9 5 1 0 4 9 5 1 0 5 6 1 2 K a t h r y nE We l l e n G o k h a nS H o t a m i s l i g i l I n f l a m m a t i o ns t r e s s a n dd i a b e t e s J JC l i nI n v e s 2 0 0 5 1 1 5 1 1 1 1 1 1 1 9 1 3 M i n s h e n gY u a n N i c k yK o n s t a n t o p o u l o s J o n g s o o nL e e e ta l R e v e r s a lo fo b e s i t y a n dd i e t i n d u c e di n s u l i nr e s i s t a n c e w i t hs a l i c y l a t e so rt a r g e t e dd i s r u p t i o no fI k k J S c i e n c e 2 0 0 1 2 9 3 1 6 7 3 1 6 7 7 1 4 H a t a d aE N K r a p p m a n n D S c h e i d e r e i tC N F k a p p a B a n d t h e i n n a t e i m m u n e r e s p o n s e J C u r r O p i n I m m u n o l 2 0 0 0 1 2 5 2 5 8 1 5 O z c a n U C a o Q Y i j m a z E e ta l E n d o p l a s m i