PI-3K信号转导途径与Ⅱ型糖尿病.doc

PI-3K信号转导途径与型糖尿病 08中西医结合七年制 柯镇文 20080105035 摘要 胰岛细胞功能减退和胰岛素抵抗是II型糖尿病(T2DM)发病的两个关键因素，其中, 胰岛素信号转导异常特别是PI-3K通路异常在T2DM发病机制中起着重要作用，PI-3K信号转导途径与型糖尿病有着密切的关系。关键词 PI-3K信号转导途径，型糖尿病，胰岛素抵抗 PI-3K Signal Access and Type 2 diabetes MellitusAbstruct Islet beta cell function decline and Insulin resistance are the two key factors of type II diabetes (high-risk T2DM), among which, Insulin-signaling transmission abnormal especially PI-3K signal pathways plays an important role in the pathogenesis of abnormal high-risk T2DM,and PI-3K Signal Access have a close relationship with Type 2 diabetes Mellitus.Key words PI-3K Signal Access ; Type 2 diabetes Mellitus;Insulin Resistance;型糖尿病(type 2 diabetes Mellitus,T2DM),又名非胰岛素依赖型糖尿病(NIDDM)。特点是人体自身能够产生胰岛素，但细胞无法对其作出反应，使胰岛素的效果大打折扣。II型糖尿病好发于成年人，世界各地的糖尿病患者中有90%的人患有二型糖尿病，主要是因体重过重和缺乏身体活动所致。多次糖尿病流行病学研究结果都表明，II型糖尿病发病的的年龄多在40-60岁，从40岁起，患病率逐渐增加，在老年期达到高峰。而胰岛细胞功能减退和胰岛素抵抗是II型糖尿病(T2DM)发病的两个关键因素。其中, 胰岛素信号转导异常在发病机制中起着重要作用。目前认为磷脂酰肌醇-3激酶(PI-3K)作为一个传递PTK活性到调节丝/苏氨酸蛋白激酶（AKT）的级联反应的分子开关，在胰岛素受体后信号转导中起作用。因此磷脂酰肌醇-3激酶(PI-3K)信号转导途径与型糖尿病有着密切的关系。本文就该途径的结构功能特点以及其与型糖尿病的关系作以下综述。 1、PI-3K信号转导途径概述1.1 PI-3K是由 p85调节亚单位和p110催化亚单位组成的异二聚体，是一种脂质激酶，因可催化磷脂酰肌醇3位的磷酸化而得名。根据其作用底物不同，可以分为三种亚型，I型(又分为IA型和IB型)、II型、III型，均具有磷酸酶活性，I型、III型具有内源性蛋白激酶活性，可是其自身或调节蛋白磷酸化，IA型可通过自磷酸化水平来影响磷脂激酶的活性。 PI-3K的 p85与受体磷酸化的酪氨酸相结合，调节p110催化亚单位的活性，后者是磷酸肌醇（Ptdins,PI）肌醇环上的D-3位点磷酸化，从而激活第二信使：磷酸肌醇（3、4）P2和磷酸肌醇（3、4、5）P3。PIP3使PKB/AKT聚集到细胞膜，并发生构象变化，从而促进底物蛋白磷酸化。细胞胰岛素受体信号系统包括胰岛素受体（Insulin receptor，IR）、胰岛素受体底物(Insulin receptor substrate，IRS)家族、磷脂酰肌醇-3激酶(PI-3K)及其下游的丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶(AKT)或蛋白激酶B(PKB)，ras，raf，MAPK（丝裂原激活蛋白激酶）等1。IR作用于PI-3K进而激活其下游的AKT/PKB通路，活化后的AKT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2。PI-3K调节AKT/PKB的活化，使其磷酸化而激活。AKT有两个磷酸化位点，分别位于催化域和调节域，只有两个位点的磷酸化才能使ATK充分活化，从而达到最大活化状态。当PI3K收到细胞外胰岛素样生长因子等的作用下激活并在磷酸酰肌醇依赖激酶（PDK）的变构激活剂。活化的AKT/PKB由细胞膜上释放出来，使其得以到胞浆内引起信号转导通路的级联反应。1.2 PI3K信号转导途径 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：PI-3K途径，Ras复合体途径。胰岛素的代谢功能主要通过PI-3K途径。PI3K信号转导途径，包括了其上游和下游的一系列的酶以、各种作用相关的因子以及它们之间的信号传导行为。近来研究显示磷脂酰肌醇3激酶-蛋白激酶B/Akt(PI3K-Akt/PKB)信号通路是介导细胞生长、生存的通路。其分子途径涉及：(1)磷酸化促凋亡分子BAD，减少细胞凋亡。(2)磷酸化Fox基因家族中的FOXO-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p70S6K促进有丝分裂。(4)通过cyclin依赖性激酶调节细胞进入细胞周期。实验表明，敲除AKT2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AKT1的表达,可使小鼠细胞数量和胰岛体积均增加,并明显改善糖耐量。胰岛素的代谢功能主要通过这条途径。PI3K作为一种脂质激酶,在介导胰岛素的代谢效应中起关键性作用3。PI3K的两个亚基：调节亚基(P85)和催化亚基(P110),前者与IRS结合,后者催化细胞膜上磷脂酰肌醇(PI)的磷酸化。静息状态时P85对P110起抑制作用,在胰岛素刺激下,IRS与P85相结合,其抑制作用解除,P110即活化。PI3K激活后,促使PIP、PIP2或磷脂酰肌醇三磷酸(PIP3)的生成，这些产物被认为是胰岛素和其它生长因子的第二信使,与含有PH区段的下游分子结合,将信号下传。PIP3尤为重要,是介导胰岛素PI3K依赖的生物学效应的主要介质。PIP3可直接与PI3K的下游信号分子结合,通过多种机制介导此处的信号转导,如调节它们的催化活性；通过构象的改变,使磷酸化位点暴露，促使靶分子向细胞膜集聚形成特异性信号复合体。PI3K下游的信号分子为三磷酸肌醇依赖的蛋白激酶(PDK)(有PDK1及PDK2两种)以及蛋白激酶B(PKB)。PKB可被PDK1及PDK2磷酸化而激活，为PI3K通路中的关键分子4,可产生多种生物学效应,如糖原合成、蛋白合成、葡萄糖转运、抗脂解、抑制细胞凋亡等5-6，并介导细胞的生存通路，与细胞生长、增殖、分化、凋亡等密切相关7。现知非经典的蛋白激酶C(aPKCs) 也可被PDK激活并参与葡萄糖转运及蛋白合成。2、PI-3K与胰岛素抵抗胰岛素通过与胰岛素受体的相互作用影响其靶细胞，PI-3K通路异常在胰岛素抵抗过程中起到了重要作用。胰岛素受体为两个胞外亚基（135kDa）和两个跨膜亚基（95kDa）组成的异四聚体糖蛋白。胰岛素与亚基结合，激活亚基上与亚基并列的激酶结构域的酪氨酸激酶活性，从而导致1158、1162、1163位酪氨酸被磷酸化。胰岛素受体的自体磷酸化、以及它能磷酸化几个胞内底物的能力决定了它介导细胞对胰岛素的反应。胰岛素受体能转而磷酸化以下几种底物: 胰岛素受体底物（IRS）蛋白1-4，Shc，Grb-2 Associated binder-1，APS adapter protein，这些底物为具有SH2结构域的其他信号蛋白分子提供了定位位点。这些细胞事件的发生最终导致包括PI 3激酶(PI 3-K)在内的下游信号分子的激活。活化的PI 3-K特异性磷酸化PI底物产生PIP2和PIP3，从而将PI 3-K依赖型激酶(PDK1)和Akt从胞质中引到质膜；Akt构象变化，在PDK1作用下其308位Thr、473位Ser被磷酸化，从而被激活；活化的Akt磷酸化GSK-3，使其失活；糖原合成酶被激活，糖原合成开始。Akt的激活将葡糖转运蛋白4（GLUT4）小泡转移至细胞膜，在那里GLUT4参与葡萄糖的转运。IR的内化也在胰岛素信号转导中起重要作用，激活的胰岛素胰岛素受体复合物内化至内涵体（endosome）中，此过程具酪氨酸磷酸化依赖性。内化的IR的酪氨酸激酶活性可以随之磷酸化几种胞质底物。内体内腔的酸性环境导致胰岛素与其受体解离，削弱了进一步的系列磷酸化事件。胰岛素被内体中的胰岛素酶降解，IR则被内体相连的酪氨酸蛋白磷酸酶去磷酸化，可回到细胞表面重新参与循环。细胞上IR的活化可激活IRS，然后激活两条信号转导途径：(1)通过PI3K激活下游AKT/PKB，调节葡萄糖转运、细胞存活、胰岛素基因转录等过程；PI3K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S6激酶和真核启动因子4E结合蛋白1，也可以调节胰岛素基因转录、细胞增殖。IRS-1/PI3K途径可通过与内质网相互作用使胞内Ca2+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GDP-GTP交换因子复合体，激活ras、raf及MAPK，通过磷酸化激活下游的转录因子elk、c-fos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，而PI3K途径在胰岛素信号转导过程中非常重要，因此以上任何环节受到干扰或影响，均会影响胰岛素的信号转导，从而导致胰岛素的抵抗。3、PI-3K的影响因素胰岛素抵抗可以先于糖尿病发生,在其作用下，疾病早期胰岛素代偿性分泌增加以保持正常糖耐量。当胰岛素抵抗增强、胰岛素代偿性分泌减少或二者共同出现时，疾病逐渐向糖耐量减退和糖尿病进展，血糖开始升高。高血糖和高游离脂肪酸（Free Fatty Acids，FFA）共同导致ROS大量生成和氧化应激，也激活应激敏感信号途径，从而重胰岛素抵抗。在严重的创伤、应激、感染时，大量产生的应激激素和细胞因子等可干扰胰岛素受体后的信号转导途径、细胞内的代谢以及影响PI3K的活性或活性程度，导致组织和细胞对胰岛素的抵抗。磷脂酰肌醇-3激酶(PI-3K)作为一个传递PTK活性到调节丝/苏氨酸蛋白激酶的级联反应的分子开关，若其活性受到影响，胰岛素信号转导亦会受到很大的影响，目前研究较多的影响因素有：氧化应激，炎症反应，内质网应激。3.1 氧化应激（OS）对 PI-3K途径的影响 氧化应激是指活性氧簇（ROS）产生与内源性抗氧化防御系统对其的消除能力失去平衡，则过多的ROS氧化生物大分子，并最终导致细胞损伤。现认为T2DM时高血糖症诱导了氧化应激，而后者参与了外周组织胰岛素抵抗的发生发展。检测糖调节受损患者和新诊断T2DM患者血浆中丙二醛、还原型谷胱苷肽（GSH）及超氧化物歧化酶（SOD）的浓度，发现在糖尿病前驱期-糖耐量受损阶段时高血糖诱导了氧化应激，超过了体内抗氧化防御系统的能力，导致了外周胰岛素抵抗的发生。氧化应激时，核因子-B（NF-B）、磷脂酰肌醇(-3)激酶（PI-3K）、p38丝裂原活化蛋白激酶（MAPK）及J NK通路等均受到活性氧簇（ROS）的氧化作用而使得其通路中部分蛋白酶活性受到影响。研究发现，人胚肾成纤维细胞中加入H2O2以后，PI3K活性被抑制达57%，而MAPK活性仅被抑制7%8。氧化应激产物增加能导致胰岛细胞PI3K活性降低，氧化应激通过使作用在PI-3K上游的酪氨酸磷酸酶，及作为PI-3K信号通路调节因子的脂质磷酸酶（PIEN）氧化失活，从而抑制糖尿病骨骼肌胰岛素信号转导中的PI-3K通路9。胰岛素信号通路受阻，进而导致胰岛细胞分泌功能障碍。3.2 炎症反应对 PI-3K途径的影响近年研究显示，IR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IRS/PI3K信号通路，是炎症导致胰岛素抵抗的主要分子机制12。研究发现肿瘤坏死因子（TNF）、游离脂肪酸（FFA）等可引起细胞（如3T3L1，FAO细胞）胰岛素抵抗，表现为IRS-2/IRS-1的丝氨酸磷酸化。目前已证实NF-B（核转录因子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。可以推测，在胰岛素抵抗状态下血TNF、FFA等升高可能导致胰岛细胞NF-B激活，抑制IRS-2/IRS-1的丝氨酸磷酸化，干扰IRS/PI3K信号通路，导致胰岛素信号转导系统受阻10。有关在胰岛素抵抗状态下血TNF、FFA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11。3.3 内质网应激对 PI-3K途径的影响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，是哺乳动物细胞重要的Ca2+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Ca2+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（endoplasmic reticulum stress，ERS）。ERS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ERS可引起细胞凋亡。内质网作为代谢性应激的感受器，与T2DM发病密切相关。研究显示，内质网应激通过IRE1和JNK依赖的蛋白激酶级联通路促进IRS-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。c-jun氨基端激酶（JNK）是丝裂原激活蛋白激酶(MAPK)的家族成员，而丝裂原激活蛋白激酶(MAPK)是PI-3K通路下游的蛋白，因此JNK受到影响，PI3K通路也必然受到影响。上述各种因素使PI3K通路受到影响，那么也必然会影响到胰岛素信号转导，导致胰岛素抵抗。4、 展望 综上所述，PI-3K信号转导途径与型糖尿病有着密切的关系，PI-3K途径在胰岛素信号转导过程中起到了非常重要的作用，PI-3K途径的异常与胰岛素抵抗有重要的联系。进一步的研究胰岛素的PI-3K转导途径，将有助于揭示胰岛素抵抗的确切机理，因而也将对型糖尿病的临床治疗起到积极的作用，有很高的价值和应用前景。 参考文献： 1.Alan R Saltiel C Ronald Kahn.Insulin signaling and the regulation of glucose and lipid metabolism.Nature, 2001,dec(414):799-806. 2.Garofalo RS,Orena SJ,Rafidi K,et al.Severe diabetes,age-dependent loss of adipose tissue, and mild growth deficiency in mice lacking Akt2/PKB.J Clin Invest,2003,112:197-208. 3.Cohen P,Alessi DR,Cross DA.PDK1,one of the missing links in insulin signal transductionJ.Febs Lett,1997,(410):3-10. 4.Stephens L,Anderson K,Stokoe D,et al.Protein kinase B kinases that mediate phosphatidylinositol 3,4,5-trisphos-phate-dependent activation of protein kinase BJ.Science,1998,(279):710-714. 5.Cross DAE,Alessi DR,Cohen P,et al.Inhib