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胰岛13细胞胰岛素信号转导通路
罗怡曹仁贤
【摘要】胰岛S细胞上存在着胰岛素受体(1R)及胰岛素受体底物(IRs),这些蛋白及其下游信号
蛋白构成了复杂的信号转导通路,调控胰岛素的分泌,维持B细胞的生}乇、增殖和存活。其主要途径
是磷脂酰肌醇一3一激酶(P【3K)信号转导途径和钙通道及其相关途径。B细胞IR、ms基周敲除鼠表现m糖耐量异常或糖屎病症状。对这一信号通路的深入研究有利于进一步阐明糖球病的发病机制并为糖
尿病的治疗提供新思路。
【关键词】胰岛G细胞;胰岛索;信号转导通路;2型糖尿病
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(加柳wJ助以灯i删f朋d曲,2006,26:37—39)
近年来,2型糖尿病的发病率呈逐年上升趋势。胰岛素分泌缺陷和胰岛素抵抗是糖尿病的两大主要发病机制。多年以来,人们一直认为只在外周靶组织如肝脏、肌肉、脂肪组织中存在着胰岛素受体(IR),因而强调外周胰岛素抵抗。1995年,}Id—k等通过逆转录.聚合酶链反应(RT-PCR)方法证明了在胰岛B细胞上也有氓和胰岛素受体底物(IRs)一lrnRNA的表达。继而在B细胞上也发现了IR信号转导通路。外周靶组织主要存在的胰岛素信号转导
通路为磷脂酰肌醇.3一激酶(P13K)和Ras途径。而在
外源性胰岛素和(或)葡萄糖刺激产生的胰岛素与胰岛口细胞膜上的IR结合后,激活受体的内源性
酪氨酸激酶活性,导致自身磷酸化和IRs的酪氨酸
磷酸化。活化的IRs迁移到细胞膜,通过磷酸酪氨酸结合域(PTB)将磷酸酪氨酸锚定在ms酪氨酸激酶上。其后,酪氨酸磷酸化的ms通过其sH2结构域招募到H3K的85ku的调节亚单位(P85)。P85
与磷酸肌醇的37磷酸结合,将磷脂酰肌醇一磷酸
(P11))转化为磷脂酰肌醇二磷酸(PIP2)和磷脂酰肌醇三磷酸(P衅3),这些产物是胰岛素和其他生长园子的第二信使,成为下游信号分子的锚定位点。其下游的信号分子为磷酸肌醇依赖的蛋白激酶一1
(PDKl)和(或)蛋白激酶c(PKc)的某一亚型。PDKl
8细胞其主要通路为P13K信号转导途径和钙通道及其相关途径_】J。现简要介绍如下。
l
m.Ⅱ峪.P13K途径
在胰岛B细胞上分布的主要是IRs.1和IRS.2,
接着激活蛋白激酶B(PKB,也称为Akt)和某一非典型PKc亚型。活化的PKB通过丝/苏氨酸磷酸化使糖原合成激酶.3(GsK3)失活,同时激活另一个蛋白激酶——哺乳动物的雷帕霉素靶点(r玎tIDR),导致下游的70ku—s6激酶(p70“)磷酸化而激活”J。而mToR激酶也可以作为“ATP感受器”激活p70“而不需要通过ca2+/cAMP,从而控制蛋白的合成、加强基因的转录、促使8细胞肥大-3J,并产生其他生物效
应【4j。PKB也可以直接使某些转录因子丝/苏氨酸
IRs—l在整个胰岛上广泛分布,Ⅱ玛.2则主要分布在胰岛的外周,二者有不同的生理作用。IRs.1通过P13K和钙通道及其相关途径(见下详述)控制胰岛
素的分泌;IRs.2则至少可以通过P13K和丝裂原活化蛋白激酶(M^PK)两条通路调控口细胞的生长、存
活和有丝分裂…。P13K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。
磷酸化,导致细胞有丝分裂。IRs.1主要通过此途径发挥作用。
而IRs.2可通过上述途径控制机体蛋白的合成
作者单位:42】001衡阳.南华大学附属第一医院内分泌科
万方数据
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和p细胞的肥大。此外,其还可以激活Ras途径。Ras可沿两条通路被激活:(1)活化的IR激活IRS_2蛋白,后者将信号传至适配蛋白生长因子受体结合蛋白2(Gd)2),它再与信号蛋白GDP/G即交换因子(rDsos)相互作用,将失活的Ras.GDP转变成活化的
Ras-cr『P,进而激活Ras。(2)m不经过IRs_2蛋白,
直接使信号蛋白shc的酪氨酸磷酸化,shc再与Grb2相结合,经mSOs激活Ras。激活的R日s—G口募集Raf丝氨酸激酶,依次使M舡IK激酶(MAPKK,也
称皿K)、MAPK[细胞外信号调节激酶(ERK).1和.2
亚型]磷酸化。激活的㈣继而激活其他蛋白激
酶,如p90核糖体亚单位(—DRs‘),产生一系列生理效应,如诱导基因转录、参与调控细胞凋亡等。此外,IRs—l/P13K途径可通过与内质网相互作用使胞内ca2+升高L5一,激活钙通道及其相关途径。该途径非常复杂,将在下文单独列出。
8细胞m特异敲除(B蚴)鼠不能充分地对葡
萄糖刺激产生应答,出现年龄依赖的胰岛缩小和B细胞数量减少,表现出进行性加重的葡萄糖不耐
受_6・。而转染了过度表达m的FrC6.F7细胞系小
鼠与正常对照组相比,其基础和葡萄糖刺激的胰岛
素分泌明显增强。Ⅲ的缺失可导致新生鼠的死亡
和人类的妖精貌综合征。B细胞上含杂合无效等位基因lR和IRs鼠(含m基因,不含mS基因,即IR/IRs—l“一)表现出高胰岛素血症和口细胞增生,最终发生糖尿病。缺乏IRS.1的细胞其胰岛素含量和葡萄糖刺激的胰岛素分泌都减少。口细胞IRs.1敲除鼠生长停滞,具有轻度的胰岛素抵抗、高胰岛素血症
和p细胞肥大,无明显的糖尿病症状。而目细胞
ms一2敲除鼠则很早就出现口细胞功能障碍,发生2型糖尿病,且在胰岛萎缩后才表现出B细胞功能衰竭。P13K的p85a-/一调节Ⅱ单位缺失鼠其P13K活
性亦比正常鼠减少了80%。2钙通道及其相关途径
B细胞膜上存在电压门控的钙通道,主要为L型,即慢钙通道。当给予外源性胰岛素和(或)促胰
岛素分泌剂刺激时,可引起胞内A口/ADP比率的改
变,导致钾通道的关闭,进而L型钙通道开放,ca2+
内流引起胞质中钙离子浓度的增加。其中钙通道的陆亚基的作用已经阐明。口细胞岛亚基缺失鼠PIP3的形成以及ca2+从胞内钙库的动员增加,使葡萄糖刺激的胰岛素分泌增加,表现出更有效的糖代谢【7J。同时Ⅱ峪.1/P13K途径的激活,使ca2+从胞内钙库释放,胞质中的ca2+浓度明显增高。增高的ca2+对胰
岛B细胞自分泌胰岛素有重要作用。
增高的ca2+可直接激活胰岛素的胞吐。另外,cf+可活化磷酸二酯酶(P【lE);也可通过钙调素(caM)活化腺苷酸环化酶,使cAMP浓度升高,二者
万方数据
共同调节c埘激酶Ⅳ水平。ca2+/caM可使PDE磷
酸化或脱磷酸化,调节PDE活性,激活远端的蛋白
激酶通路∞,包括ca2+和c删依赖的蛋白激酶(c枷K)、蛋白激酶A(PKA)、PKB和PKc。PKA可作
为Ras的下游信号及MAPK/ERK激酶(MKK)的上
游信号,通过磷酸化激活R止l介导ERK.1/2磷酸化。PKA、PKc通路可放大B细胞的兴奋.收缩偶联,加强胰岛素对葡萄糖的应答,二者进一步保证了B细胞完整的双相胰岛素分泌^9J,而第一时相胰岛素
分泌减少或缺失是2型糖尿病的早期表现,故而对
这一途径的干预可以用于糖尿病的早期治疗。
在口细胞上也存在㈨KⅣ及其上游蛋白激酶
(c枷.KK)。ca2+和c枷结合形成复合体,可激活c枷.KK/ca:M—KⅣ级联。c枷激酶Ⅳ定位于细胞核,
可以磷酸化转录因子,如cAMP应答元件结合蛋白
(㈣)和血浆应答因子。磷酸化的cREB通过与
下游的cREB结合蛋白结合而发挥作用。而cREB结合蛋白1是c.Jun氨基末端激酶(JNK)和MAPK的靶目标【I…。它调控着胰岛素基因合成,在胰岛素生
物合成中起着重要作用。
有证据表明,lRs—l和内质网/肌浆网ca2+.A皿
酶(sERcA)都定位在内质网上,二者可直接结
合¨“。sERcA是一内在膜蛋白,是将胞内的ca2+
保留在内质网腔的主要钙泵_12j。在8细胞上有
sERcA2b和3存在。sERcA3与钙的亲和力低于其
他sERcA家族成员,其中sERcA3b和3e与钙的亲
和力低于蜘RcA3a。在信号转导通路中,sERcA作为皿s-1的下游效应子。胰岛素刺激导致IRs.1和sERcA3b的结合增加,从而抑制胞内ca2+一A1P酶,使进入内质网和肌浆网的Ca2+减少,增加了胞内ca2+,增强胰岛素的分泌【8l。sERcA的特异性抑制剂毒胡萝h素町引起B细胞中ca2+浓度的升高以
及葡萄糖刺激的胰岛素的短时分泌增加。过度表达
的Ⅲ和ms_l可升高胞内ca2+水平,促进胰岛素的分泌。缺乏IRs一1能改变日细胞ca2+浓度和sER.cA2b和3的表达。Ⅱ玛基因敲除鼠表现出明显的胞内游离ca2一浓度的短期增加,同时胰岛素的胞吐量减少。胰岛索刺激后胞内正常的ca2+浓度波动和氧耗被破坏。IRs—l调控胰岛素的分泌与ca2+信号及sERcA2b和3基因的表达有关【l…,这说明胰岛素可见,B细胞m、Ⅲs.1和IRs.2及其通路和2型的发现,产生了一个新的概念“胰岛素的自分泌调J,还有的认为不
抵抗与胰岛素分泌缺陷有直接关系。在l型和2型
糖尿病中都存在着胞内ca2+浓度的异常。
糖尿病有密切关系。m、IRs一1和lsR.2在口细胞上控”。有学者认为它对胰岛素的分泌起负反馈作用LI。“f,有的认为起正反馈作用L5起作用[17]。
璺匦囱佥婆垡邈苤查2塑至1旦蔓堑查篁!塑丛婴』g四Q匦趔§熊尘:地Ⅸ型2业§,堡!堑,!!.!通过对这些蛋白及其信号通路的研究,人们逐渐认识到8细胞在糖尿病的发生中起重要作用,它把胰岛素分泌减少和胰岛素抵抗这两个2型糖尿病的主要发病机制直接联系起来_15-…。国内学者提出了“胰岛口细胞自身胰岛素抵抗或中心性胰岛素抵抗”的新说法…J,也使人们研究的重点开始重新聚集到口细胞本身,为阐明糖尿病的发病机制带来了新的认识,也会为糖尿病的防治提供新的思路和方法。
以上仅简要介绍了胰岛口细胞胰岛素信号转导的主要通路。它和其他信号转导通路一样,错综复杂,彼此互相联系形成“交谈”,而非孤立的作用。这些信号转导通路对胰岛素的分泌,口细胞的生长、增殖、存活起着至关重要的作用。对通路的进一步深入的研究,使人们对糖尿病的发病机制有了更深入
的理解,为糖尿病的防治提供新思路。
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(上接第36页)
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近年来,2型糖尿病的发病率呈逐年上升趋势。胰岛素分泌缺陷和胰岛素抵抗是糖尿病的两大主要发病机制。多年以来,人们一直认为只在外周靶组织如肝脏、肌肉、脂肪组织中存在着胰岛素受体(IR),因而强调外周胰岛素抵抗。1995年,}Id—k等通过逆转录.聚合酶链反应(RT-PCR)方法证明了在胰岛B细胞上也有氓和胰岛素受体底物(IRs)一lrnRNA的表达。继而在B细胞上也发现了IR信号转导通路。外周靶组织主要存在的胰岛素信号转导
通路为磷脂酰肌醇.3一激酶(P13K)和Ras途径。而在
外源性胰岛素和(或)葡萄糖刺激产生的胰岛素与胰岛口细胞膜上的IR结合后,激活受体的内源性
酪氨酸激酶活性,导致自身磷酸化和IRs的酪氨酸
磷酸化。活化的IRs迁移到细胞膜,通过磷酸酪氨酸结合域(PTB)将磷酸酪氨酸锚定在ms酪氨酸激酶上。其后,酪氨酸磷酸化的ms通过其sH2结构域招募到H3K的85ku的调节亚单位(P85)。P85
与磷酸肌醇的37磷酸结合,将磷脂酰肌醇一磷酸
(P11))转化为磷脂酰肌醇二磷酸(PIP2)和磷脂酰肌醇三磷酸(P衅3),这些产物是胰岛素和其他生长园子的第二信使,成为下游信号分子的锚定位点。其下游的信号分子为磷酸肌醇依赖的蛋白激酶一1
(PDKl)和(或)蛋白激酶c(PKc)的某一亚型。PDKl
8细胞其主要通路为P13K信号转导途径和钙通道及其相关途径_】J。现简要介绍如下。
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m.Ⅱ峪.P13K途径
在胰岛B细胞上分布的主要是IRs.1和IRS.2,
接着激活蛋白激酶B(PKB,也称为Akt)和某一非典型PKc亚型。活化的PKB通过丝/苏氨酸磷酸化使糖原合成激酶.3(GsK3)失活,同时激活另一个蛋白激酶——哺乳动物的雷帕霉素靶点(r玎tIDR),导致下游的70ku—s6激酶(p70“)磷酸化而激活”J。而mToR激酶也可以作为“ATP感受器”激活p70“而不需要通过ca2+/cAMP,从而控制蛋白的合成、加强基因的转录、促使8细胞肥大-3J,并产生其他生物效
应【4j。PKB也可以直接使某些转录因子丝/苏氨酸
IRs—l在整个胰岛上广泛分布,Ⅱ玛.2则主要分布在胰岛的外周,二者有不同的生理作用。IRs.1通过P13K和钙通道及其相关途径(见下详述)控制胰岛
素的分泌;IRs.2则至少可以通过P13K和丝裂原活化蛋白激酶(M^PK)两条通路调控口细胞的生长、存
活和有丝分裂…。P13K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。
磷酸化,导致细胞有丝分裂。IRs.1主要通过此途径发挥作用。
而IRs.2可通过上述途径控制机体蛋白的合成
作者单位:42】001衡阳.南华大学附属第一医院内分泌科
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和p细胞的肥大。此外,其还可以激活Ras途径。Ras可沿两条通路被激活:(1)活化的IR激活IRS_2蛋白,后者将信号传至适配蛋白生长因子受体结合蛋白2(Gd)2),它再与信号蛋白GDP/G即交换因子(rDsos)相互作用,将失活的Ras.GDP转变成活化的
Ras-cr『P,进而激活Ras。(2)m不经过IRs_2蛋白,
直接使信号蛋白shc的酪氨酸磷酸化,shc再与Grb2相结合,经mSOs激活Ras。激活的R日s—G口募集Raf丝氨酸激酶,依次使M舡IK激酶(MAPKK,也
称皿K)、MAPK[细胞外信号调节激酶(ERK).1和.2
亚型]磷酸化。激活的㈣继而激活其他蛋白激
酶,如p90核糖体亚单位(—DRs‘),产生一系列生理效应,如诱导基因转录、参与调控细胞凋亡等。此外,IRs—l/P13K途径可通过与内质网相互作用使胞内ca2+升高L5一,激活钙通道及其相关途径。该途径非常复杂,将在下文单独列出。
8细胞m特异敲除(B蚴)鼠不能充分地对葡
萄糖刺激产生应答,出现年龄依赖的胰岛缩小和B细胞数量减少,表现出进行性加重的葡萄糖不耐
受_6・。而转染了过度表达m的FrC6.F7细胞系小
鼠与正常对照组相比,其基础和葡萄糖刺激的胰岛
素分泌明显增强。Ⅲ的缺失可导致新生鼠的死亡
和人类的妖精貌综合征。B细胞上含杂合无效等位基因lR和IRs鼠(含m基因,不含mS基因,即IR/IRs—l“一)表现出高胰岛素血症和口细胞增生,最终发生糖尿病。缺乏IRS.1的细胞其胰岛素含量和葡萄糖刺激的胰岛素分泌都减少。口细胞IRs.1敲除鼠生长停滞,具有轻度的胰岛素抵抗、高胰岛素血症
和p细胞肥大,无明显的糖尿病症状。而目细胞
ms一2敲除鼠则很早就出现口细胞功能障碍,发生2型糖尿病,且在胰岛萎缩后才表现出B细胞功能衰竭。P13K的p85a-/一调节Ⅱ单位缺失鼠其P13K活
性亦比正常鼠减少了80%。2钙通道及其相关途径
B细胞膜上存在电压门控的钙通道,主要为L型,即慢钙通道。当给予外源性胰岛素和(或)促胰
岛素分泌剂刺激时,可引起胞内A口/ADP比率的改
变,导致钾通道的关闭,进而L型钙通道开放,ca2+
内流引起胞质中钙离子浓度的增加。其中钙通道的陆亚基的作用已经阐明。口细胞岛亚基缺失鼠PIP3的形成以及ca2+从胞内钙库的动员增加,使葡萄糖刺激的胰岛素分泌增加,表现出更有效的糖代谢【7J。同时Ⅱ峪.1/P13K途径的激活,使ca2+从胞内钙库释放,胞质中的ca2+浓度明显增高。增高的ca2+对胰
岛B细胞自分泌胰岛素有重要作用。
增高的ca2+可直接激活胰岛素的胞吐。另外,cf+可活化磷酸二酯酶(P【lE);也可通过钙调素(caM)活化腺苷酸环化酶,使cAMP浓度升高,二者
万方数据
共同调节c埘激酶Ⅳ水平。ca2+/caM可使PDE磷
酸化或脱磷酸化,调节PDE活性,激活远端的蛋白
激酶通路∞,包括ca2+和c删依赖的蛋白激酶(c枷K)、蛋白激酶A(PKA)、PKB和PKc。PKA可作
为Ras的下游信号及MAPK/ERK激酶(MKK)的上
游信号,通过磷酸化激活R止l介导ERK.1/2磷酸化。PKA、PKc通路可放大B细胞的兴奋.收缩偶联,加强胰岛素对葡萄糖的应答,二者进一步保证了B细胞完整的双相胰岛素分泌^9J,而第一时相胰岛素
分泌减少或缺失是2型糖尿病的早期表现,故而对
这一途径的干预可以用于糖尿病的早期治疗。
在口细胞上也存在㈨KⅣ及其上游蛋白激酶
(c枷.KK)。ca2+和c枷结合形成复合体,可激活c枷.KK/ca:M—KⅣ级联。c枷激酶Ⅳ定位于细胞核,
可以磷酸化转录因子,如cAMP应答元件结合蛋白
(㈣)和血浆应答因子。磷酸化的cREB通过与
下游的cREB结合蛋白结合而发挥作用。而cREB结合蛋白1是c.Jun氨基末端激酶(JNK)和MAPK的靶目标【I…。它调控着胰岛素基因合成,在胰岛素生
物合成中起着重要作用。
有证据表明,lRs—l和内质网/肌浆网ca2+.A皿
酶(sERcA)都定位在内质网上,二者可直接结
合¨“。sERcA是一内在膜蛋白,是将胞内的ca2+
保留在内质网腔的主要钙泵_12j。在8细胞上有
sERcA2b和3存在。sERcA3与钙的亲和力低于其
他sERcA家族成员,其中sERcA3b和3e与钙的亲
和力低于蜘RcA3a。在信号转导通路中,sERcA作为皿s-1的下游效应子。胰岛素刺激导致IRs.1和sERcA3b的结合增加,从而抑制胞内ca2+一A1P酶,使进入内质网和肌浆网的Ca2+减少,增加了胞内ca2+,增强胰岛素的分泌【8l。sERcA的特异性抑制剂毒胡萝h素町引起B细胞中ca2+浓度的升高以
及葡萄糖刺激的胰岛素的短时分泌增加。过度表达
的Ⅲ和ms_l可升高胞内ca2+水平,促进胰岛素的分泌。缺乏IRs一1能改变日细胞ca2+浓度和sER.cA2b和3的表达。Ⅱ玛基因敲除鼠表现出明显的胞内游离ca2一浓度的短期增加,同时胰岛素的胞吐量减少。胰岛索刺激后胞内正常的ca2+浓度波动和氧耗被破坏。IRs—l调控胰岛素的分泌与ca2+信号及sERcA2b和3基因的表达有关【l…,这说明胰岛素可见,B细胞m、Ⅲs.1和IRs.2及其通路和2型的发现,产生了一个新的概念“胰岛素的自分泌调J,还有的认为不
抵抗与胰岛素分泌缺陷有直接关系。在l型和2型
糖尿病中都存在着胞内ca2+浓度的异常。
糖尿病有密切关系。m、IRs一1和lsR.2在口细胞上控”。有学者认为它对胰岛素的分泌起负反馈作用LI。“f,有的认为起正反馈作用L5起作用[17]。
璺匦囱佥婆垡邈苤查2塑至1旦蔓堑查篁!塑丛婴』g四Q匦趔§熊尘:地Ⅸ型2业§,堡!堑,!!.!通过对这些蛋白及其信号通路的研究,人们逐渐认识到8细胞在糖尿病的发生中起重要作用,它把胰岛素分泌减少和胰岛素抵抗这两个2型糖尿病的主要发病机制直接联系起来_15-…。国内学者提出了“胰岛口细胞自身胰岛素抵抗或中心性胰岛素抵抗”的新说法…J,也使人们研究的重点开始重新聚集到口细胞本身,为阐明糖尿病的发病机制带来了新的认识,也会为糖尿病的防治提供新的思路和方法。
以上仅简要介绍了胰岛口细胞胰岛素信号转导的主要通路。它和其他信号转导通路一样,错综复杂,彼此互相联系形成“交谈”,而非孤立的作用。这些信号转导通路对胰岛素的分泌,口细胞的生长、增殖、存活起着至关重要的作用。对通路的进一步深入的研究,使人们对糖尿病的发病机制有了更深入
的理解,为糖尿病的防治提供新思路。
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