胰岛素信号转导与糖尿病-于

胰岛素信号转导与糖尿病一、引言二、胰岛素的信号转导通路三、胰岛素抵抗的分子基础一、引言·胰岛素的合成与分泌·胰岛素的生理作用·血糖浓度对胰岛素分泌的调节·糖尿病的概念与分型·糖－脂毒性胰岛素(insulin)·是由胰岛β细胞分泌·是含有51个氨基酸的小分子蛋白·通过二硫键连接A链和B链·是人体内调节糖代谢的重要激素之一，是体内惟一的降血糖的激素。·体循环中胰岛素的半寿期(T1/2)约3~5min·还参与脂肪和蛋白质代谢调节。·是一种促进合成代谢的激素1.1胰岛素的合成与分泌前胰岛素原信号肽胰岛素原胰岛素C肽分泌颗粒门静脉胰岛素灭活靶器官40~45%50~60%胰岛素分泌1.2胰岛素的生理作用胰岛素对糖代谢的作用·加速葡萄糖通过转运体进入细胞·促进糖在体内的利用·促进糖原合成、抑制糖原分解·促进葡萄糖转变为脂肪和蛋白质·抑制糖异生Thefamilyofglucosetransporters(GLUTs1–5)NameTissuedistributionImportantfeaturesGLUT1BrainerythrocytesplacentafetaltissueLowKm(1mM).Allowsrelativelyconstantuptakeofglucoseindependentofthenormalextracellularconcentration(4–6mM).GLUT2LiverKidneyIntestinePancreaticβ-cell.HighKm(15–20mM).Allowsintracellularandextracellularglucosetoequilibrateacrossmembrane.GLUT3BrainLowKm(1mM)comparedwithGLUT2.Allowspreferentialuptakeinhypoglycemia.GLUT4MuscleadiposetissueMediumKm(2.5–5mM).Insulinrecruitstransportersfromintracellularstoresincreasingglucoseuptake.GLUT5JejunumMediumKm(6mM).Responsibleforfructoseuptake.胰岛素对脂肪代谢的作用1.促进脂肪的合成·通过磷酸二酯酶的作用，激活乙酰辅酶A羧化酶,促进肝脏合成脂肪酸。·促进葡萄糖进入脂肪细胞，使其转化成α-磷酸甘油，并与脂肪酸形成甘油三酯贮存于脂肪细胞中。·抑制肉碱脂酰转移酶Ⅰ活性，抑制脂肪酸β-氧化。2.抑制脂肪动员降低脂肪细胞中的cAMP浓度，抑制激素敏感性脂肪酶(HSL)的活性，从而抑制脂肪动员。3.降低血脂增加脂蛋白脂肪酶(LPL)的活性，促进脂肪组织从血中摄取脂肪酸，降低血脂。胰岛素缺乏或胰岛素抵抗时，出现脂肪代谢紊乱。·脂肪大量动员，分解增强·加速脂肪酸在肝内氧化由于糖氧化过程发生障碍，产生的大量乙酰CoA不易进入三羧酸循环彻底氧化。·生成大量酮体，可引起酮血症与酸中毒。胰岛素对蛋白质代谢的作用·促进蛋白质的合成·抑制蛋白质分解胰岛素对于维持机体糖类和脂类的平衡及蛋白质正常的代谢是必需的。胰岛素对靶组织的作用对于维持机体正常功能非常重要。GluconeogenesisModifiedfromSaltielandKahn,Nature414,799-806,2001ActionsofInsulin胰岛素的作用1.3血糖浓度对胰岛素分泌的调节血糖浓度是调节胰岛素分泌最重要的因素•血糖浓度升高，刺激胰岛β细胞分泌胰岛素•血糖浓度持续(30min)升高时，刺激胰岛β细胞合成胰岛素•长时间(1周)血糖浓度升高，刺激胰岛β细胞增生•胰岛β细胞膜上有一种特殊的葡萄糖转运体葡萄糖促进胰岛素分泌葡萄糖对血浆胰岛素水平的影响1.4糖尿病的概念与分型糖尿病（diabetesmellitus,DM）系一组由于胰岛素分泌缺陷和（或）其生物学作用障碍引起的以高血糖为特征的代谢疾病群。久病可引起多系统损害，导致眼、肾、神经及心血管等组织的慢性进行性病变，引起功能不全和衰竭。糖尿病的分型1型糖尿病（T1DM）是一种自身免疫性疾病，由于抗胰岛细胞的自身抗体进行性的破坏细胞，导致完全丧失分泌胰岛素的功能，而需要终生依赖胰岛素。2型糖尿病（T2DM）是一种明显受环境因素影响的遗传性疾病，如肥胖和衰老。此病被确认为有“双重的缺陷”。胰岛素抵抗胰岛细胞功能障碍肥胖和衰老1.4糖－脂毒性·高糖和高脂影响维持正常糖稳态的主要组织的功能。·胰岛细胞、肝脏、脂肪细胞、肌肉细胞均可发生糖－脂毒性。·糖－脂毒性可在一定程度上解释糖尿病恶化和对治疗药物的反应降低的机制。二、胰岛素的信号转导通路2.1胰岛素受体2.2IR的近端信号2.3包含SH2和SH3结构域的信号分子2.4磷酸化级联反应2.5反馈通路2.6脂类磷酸酶2.7蛋白酪氨酸磷酸酶2.8与GLUT4转位有关的信号通路2.1胰岛素受体·主要分布于肝细胞、脂肪细胞、肌肉细胞、血细胞、性腺细胞、肺脏和肾脏的细胞等·属于细胞膜受体·由2个α亚基和2个β亚基构成的四聚体·β亚基具有酪氨酸蛋白激酶(TPK)活性·不同生理及病理情况下，靶细胞中胰岛素受体的数量和亲和力会发生明显改变胰岛素与其受体的胞外-亚基结合后迅速导致构象的改变，从而激活受体β亚基的酪氨酸激酶结构域。受体的自身磷酸化（Autophosphorylation）当配体与受体结合时，受体中的一个激酶结构域导致另一个激酶结构域活化袢中的酪氨酸残基磷酸化。2.2IR的近端信号Activatedinsulinreceptor[plasmamembrane]BindingofIRStoinsulinreceptorBindingofShctoinsulinreceptorInsulinreceptorsignallingcascade活化的受体通过其磷酸酪氨酸与下游分子的SH2结构域结合。SH2(Srchomology-2)结构域：由约100个氨基酸残基组成。主要作用是识别磷酸酪氨酸(pY)并与含磷酸酪氨酸的蛋白结合。IR的近端信号：IRS-1、IRS-2、IRS-3、IRS-4、Shc(含SH2的接头蛋白)ProteinswithSrcHomologyBindingDomainsSrcPLCGAPGrb2胰岛素受体底物（IRS）IRS家族成员的共同特性:含有2个结构域,即·N端的PH域(Pleckstrinhomologydomains)·磷酸酪氨酸结合域(phosphotyrosinebindingdomains，PTB域)PH(pleckstrinhomology)域：由约120个氨基酸残基组成，广泛存在于从酵母到人类的信号转导蛋白（已知见于500多种）中。某些PH域以高亲和力结合肌醇磷脂(如PI-4,5-P2、PI-3,4-P2、PI-3,4,5-P3）,并重新定位在细胞膜。C-末端的PH域还可与异三聚体G蛋白结合。IRS-1的PH域与膜磷脂结合，稳定IRS-1与IR的相互作用。直到IR使IRS-1的13个酪氨酸残基磷酸化，活化的IRS-1与IR脱离，就可与含SH2结构域的蛋白结合。IRS蛋白的C端存在一些含Tyr的模体，它们被IR磷酸化后可作为含SH2蛋白的结合位点。不同的IRS蛋白之间的磷酸化酪氨酸的模体高度保守，但也存在差异。提示不同IRS家族成员间可能存在交叉功能，但不能完全相互替代。IRS-1的PTB域·与IRβ亚基Tyr972结合·结合模体为Leu-Tyr-Ala-Ser-Ser-Asn-Pro-Glu-pTyrIRS-1基因敲除的小鼠表现出中度的胰岛素抵抗，但不发展成糖尿病。而IRS-2基因敲除小鼠既有胰岛素抵抗又有严重的胰岛β细胞功能障碍，从而导致胰岛素分泌障碍，最终发展成为糖尿病。Shc通过其SH2结构域与IR中磷酸化酪氨酸相互作用，使Shc的Tyr317被IR磷酸化，然后与受体脱离。活化的Shc通过SH2结构域与GRB-2结合。Shc的PTB域·长约195个氨基酸残基·由3个α-螺旋和7个β-折叠组成·结合模体为：His-Ile-Ile-Glu-Asn-Pro-Gln-pTyr2.3含SH2、SH3结构域的信号分子RTK直接下游的信号分子及它们的底物通常都含有SH2和/或SH3结构域。SH2结构域特异性地与磷酸化的酪氨酸模体相互作用。SH3结构域与特定的含脯氨酸序列有较高的亲和力。如SHP-2和PLC-等是具有催化活性的蛋白，其酶活性的调节是通过其SH2域与其他蛋白质(IRS-1)的磷酸酪氨酸模体作用而实现的。另一些含有SH2/SH3结构域的蛋白质如Grb-2、Nck和PI-3K中的p85调节亚基，没有催化活性，仅作为接头蛋白。在RTK(包括IR)激活的通路中主要有两种效应分子：RasPI3KGRB2:SOSbindstoIRS-PSOSmediatednucleotideexchangeofRasGRB2:SOSbindstoShc-PSOSmediatednucleotideexchangeofRas活化的IRS与PI3K的调节亚基p85的SH2结构域结合，从而激活PI3K的催化亚基p110。PI3K的激活2.4磷酸化级联反应RTK信号通路的末端部分很难分开，因为多个分支通路从单个效应器发出，而且多种上游信号输入又集中于单个分支点。但是许多末端信号转导机制，如磷酸化的级联反应，为包括胰岛素在内的许多生长因子所共有。Transientdissociationof14-3-3uponRASbindingRaf的磷酸化:已知与Raf1激活的磷酸化位点是由Src、PAK、PKC等催化。其他的磷酸化位点—Ser259和Ser621参与Raf1与14-3-3蛋白的结合，稳定其活性。不过，14-3-3蛋白也可能抑制Raf活性。抑制性的磷酸化位点则是由Akt和PKA催化的。StabilizationofRAS:RAFby14-3-3StabilizationofRAFbyfurtherphosphorylation·ActivatedRAFcomplexbindsMEK·RAFphosphorylatesMEK·MEK1/2bindsERK-1/2·MEK1/2phosphorylatesERK-1/2·Dissociationofphospho-ERK-1/2:MEK1/2·Dimerisationofphospho-ERK-1/2andnucleartranslocationofphospho-ERK-1/2dimer·调节基因表达PI3K–AKTsignallingaffectstranslationandtranscriptionPI3K通路与膜结合的PIP3激活PDK1PKBPDE3BcAMP5'AMPPKB-PPDE3B-P磷酸二酯酶（phosphodiesterase，PDE）•cAMP和cGMP信号灭活的关键酶•哺乳类环核苷酸PDE超家族已知有12个亚型•各亚型之间具有完全不同的调控模式、组织内分布、相对活性与Km•每个亚型的结构、功能相似，有1-6个成员相对活性与Km：•cGMP特异性PDE(cGMP－PDE)PDE-5、PDE-6、PDE-9•cAMP特异性PDE(cAMP－PDE)PDE-3、PDE-4、PDE-7、PDE-8•非特异型(cAMP，cGMP－PDE)cAMP糖原分解抑制糖原合成加强脂肪动员抑制糖异生抑制糖酵解/有氧氧化加强2.5反馈通路负反馈现象：胰岛素信号通路上许多下游的激酶（如Akt、GSK3和PKCζ）也可以磷酸化上游的信号复合物，如IRS-1的丝氨酸残基被Akt和PKCζ磷酸化后，对胰岛素引起的IRS-1结合、激活PI3K功能均降低。正反馈现象：Akt引起的IRS-1某些残基的磷酸化可以增强IRS-1的信号转导。另外，Akt使PTP1B的Ser50磷酸化，导致PTP1B对IR的脱磷酸能力降低。多种正反馈和负反馈机制的存在有助于使胰岛素