PI3K_AKT信号通路在维持血糖平衡中的作用_王笑.pdf

1、第25卷 第2期2013年2月Vol. 25, No. 2Feb., 2013生命科学Chinese Bulletin of Life Sciences文章编号：1004-0374(2013)02-0133-07收稿日期：2012-12-04基 金 项 目：国家自然科学基金项目(81021002和81130077)*通 信 作 者：E-mail: PI3K /AKT信号通路在维持血糖平衡中的作用王 笑，王甄真，陈 雁*(中国科学院上海生命科学研究院营养科学研究所，营养与代谢重点实验室，上海 200031)摘 要： 近年来，2型糖尿病在全球范围发病率迅速增加，并且有发病时间年轻化的趋势。因此，寻

2、求新的预防和治疗方法成为了亟待解决的问题。胰岛素在维持血糖平衡的过程中起到了不可或缺的作用。胰岛素主要是通过PI3K/AKT信号通路行使其调控血糖的功能。对胰岛素刺激下的PI3K/AKT信号通路的分子机制进行了详细的阐述，分析了在小鼠模型中基因敲除PI3K/AKT信号通路中各个分子以及其负调控因子对糖代谢过程产生的影响，讨论了如何将这些理论研究向临床应用进行转化。另外，还对PAQR3在胰岛素信号通路中的生理功能进行了分析讨论，揭示了一个全新的空间调控胰岛素信号通路的机制。关键词：2型糖尿病；胰岛素信号通路；PI3K；AKT；PAQR3；小鼠模型中图分类号：Q493.4; R587.1 文献标志

3、码：AThe functions of PI3K/AKT signaling pathway in glucose homeostasisWANG Xiao, WANG Zhen-Zhen, CHEN Yan*(Key Laboratory of Nutrition and Metabolism, Institute for Nutritional Sciences, Shanghai Institutes for Biological Sciences, Chinese Academy of Sciences, University of Chinese Academy of Science

4、s, Shanghai 200031, China)Abstract: Type 2 diabetes is a chronic metabolic disease, which is prevalent in nearly all populations in the world and the onset of diabetes is earlier than before. Thus, new therapeutic approaches to counter the increasing threat of type 2 diabetes are in high demand. Ins

5、ulin is an indispensable regulator of glucose homeostasis. The PI3K/AKT signaling pathway is required for insulin-dependent regulation on cellular metabolism. Here we review the mechanisms of signal transduction implicated in PI3K/AKT and their roles in modulating glucose homeostasis including the s

6、tudies using transgenic and knockout mouse models. We also discuss how to translate the knowledge of basic research into clinical practice. In addition, we discuss our recent discovery about the regulation of insulin signaling and function by PAQR3.Key words: type 2 diabetes; insulin signaling pathw

7、ay; PI3K; AKT; PAQR3; mouse models2型糖尿病是一种慢性代谢性疾病，多发于40岁以上的中老年人。近年来，随着人们生活水平的日益提高，2型糖尿病的发病率迅速增加，并且有发病时间年轻化的趋势，已成为严重威胁人类健康的世界性公共卫生问题1。截至2011年，全球大约有 3.66亿人患有糖尿病，预计到2030年，将增加至5.22亿人2。糖尿病患者的高血糖症可以导致非常严重的并发症，例如冠状动脉心脏病、中风和非酒精性脂肪肝3。因此，研究糖尿病的发病机制，寻找有效的治疗方法，成为了亟待解决的问题。胰岛素在维持血糖平衡的过程中起到了不可或缺的作用。2型糖尿病被定义为胰岛素抵抗和

8、胰岛细胞功能的缺失。维持血糖平衡的最基本的机理是胰岛素可以快速地促进葡萄糖的吸收和外周组织对葡萄糖的利用。细胞响应外界的刺激主要是细胞膜上的受体接收刺激，然后通过一系列蛋白激酶的信号转导，将外界的刺激传递到细胞中。胰岛素主要是通过PI3K/AKT (phosphoinositide-3-kinase/protein kinase B)信号通路行使其调控血糖的功能。胰岛素首先和细胞膜外的胰岛素受体(IR)结合，从而导致 评述与综述 DOI:10.13376/j.cbls/2013.02.001生命科学第25卷134胰岛素受体构象发生变化，其细胞膜内的酪氨酸位点发生自磷酸化。这些磷酸化的位点可以吸

9、引胰岛素受体底物(IRS)和胰岛素受体结合，促进自身酪氨酸位点被磷酸化，从而吸引下游的信号分子，这样，细胞外的胰岛素信号就通过激活的胰岛素受体传导到细胞内4。1 胰 岛 素 刺 激 下 的 PI3K/AKT信 号 通 路 的 分 子机制PI3K/AKT信号通路是胰岛素调控细胞代谢所必需的关键蛋白。除了胰岛素，很多其他的生长因子，如细胞因子和环境压力等都能激活PI3K/AKT信号通路。PI3K/AKT信号通路在调节细胞的增殖、运动、分化和生存等方面都起了非常重要的作用5。因此，PI3K/AKT信号通路的激活及其调控非常复杂。当细胞外的胰岛素信号通过IR和IRS传递到细胞内以后，磷酸化的IRS和P

10、I3K的调节亚基p85的SH2结构域结合，从而招募并且激活PI3K的催化亚基p110。PI3K根据序列的同源性和底物的特异性可以分为3类。IA类PI3K由p85调节亚基(p85、p85、p55)和p110催化亚基(p110、p110、p110)形成异二聚体。p110和p110表达很广谱，而p110只在造血细胞中表达。在生长激素的刺激下，p110亚基在质膜上将磷脂酰肌醇4，5-二磷酸(phosphatidylinositol (4,5)-bisphosphate, PIP2)催化成磷脂酰肌醇3, 4, 5-三磷酸(phosphoinositide (3,4,5)-triphosphate, PI

11、P3)，PIP3激活AKT和其他下游因子。PIP3和AKT的PH结构域结合，促进AKT被上游的激酶磷酸化。AKT有AKT1、AKT2和AKT3 三种蛋白异形体，是由不同染色体上的不同基因编码的，在氨基酸水平上大约有80%的同源性，有相同的蛋白结构，包括N端PH结构域、催化结构域和C端调节结构域。在胰岛素行使其代谢功能的时候，一般认为AKT2行使了最重要的功能6。首先，磷酸肌醇依赖性蛋白激酶1(3-phosphoinositide-depen-dent protein kinase-1, PDK1)磷酸化AKT 催化结构域Thr308，增加大约10%的AKT激酶活性。然后，哺乳动物雷帕霉素复合物

12、2(mammalian target of rap-amycin complex 2, mTORC2)、DNA依赖蛋白激酶(DNA-dependent protein kinase, DNA-PK)和运动失调性毛细血管扩张症蛋白激酶(ataxia telangiectasia mutated kinase, ATM)磷酸化AKT调节结构域Ser473，从而完全激活AKT的激酶活性。虽然DNA-PK能够在体外实验中促进胰岛素刺激的AKT Ser473磷酸化，但是一般认为DNA-PK在体内主要是响应DNA损伤等压力应激时才磷酸化AKT Ser473 7。被激活的AKT从质膜上释放出来，转移到细胞质

13、、线粒体和细胞核内，磷酸化各种底物。AKT重要的底物有：糖原合成酶激酶3(glycogen synthase kinase 3, GSK3)、叉头框蛋白O1 (forkhead box protein O1, FOXO1)和蛋白激酶B底物160 (AKT substrate 160, AS160)，它们分别调节糖原合成、糖异生和葡萄糖吸收。另外，AKT可以通过抑制结节性硬化复合物蛋白1/2 (tuberous sclerosis complex 1/2, TSC1/2)来激活mTORC1，激活的mTORC1通过调节过氧化物酶体增殖物激活受体 辅激活因子1 (perox-isome prolif

14、erator-activated receptor gamma coactivator 1, PGC1)、unc-51 样激酶1(unc-51-like kinase 1, ULK1)、核糖体蛋白质S6激酶(ribosomal protein S6 kinase, S6K)、真核细胞翻译起始因子4E结合蛋白1(eIF4E-binding protein 1, 4E-BP1)上调线粒体的活性，抑制自噬和促进蛋白质的合成。PDK1也能够激活蛋白激酶C的异形体(PKC/)，从而激活葡萄糖转运蛋白4(Glut4)依赖的葡萄糖吸收。另外，AKT和PKC/通过调节固醇调控元件结合转录因子1 (sterol

15、 regulatory element-binding transcription factor 1, SREBP1C)和过氧化物酶体增殖物活化受体(peroxisome proliferator-activated receptor , PPAR)的活性控制脂肪酸的从头合成8-9。胰岛素激活的PI3K/AKT信号通路在不同层面上受到负调节。各种磷酸酶，例如蛋白酪氨酸磷酸酶-1B(protein tyrosine phosphatase nonreceptor type 1, PTP1B)、同源性磷酸酶-张力蛋白(phosphatase and tensin homologue, PTEN)和

16、蛋白磷酸酶2A(protein phosphatase 2A, PP2A)，可以分别将IR、IRS1/2、PIP3和AKT去磷酸化10。另外，PI3K/AKT信号通路也受到下游信号的负反馈调节。GSK3、mTORC1和S6K可以磷酸化IRS的丝氨酸残基，从而促进其泛素化降解11。2 在 2型糖尿病患者中发现的基因突变科研人员对2型糖尿病患者基因的突变进行了大量研究，这可以帮助我们了解胰岛素信号通路的分子机制。大多数2型糖尿病是多基因突变和环境共同导致的。单基因突变导致的糖尿病仅占所有病例的1%5%，这些基因主要是编码胰岛素信号通王 笑，等：PI3K /AKT信号通路在维持血糖平衡中的作用第2期

17、135路的重要分子、转录因子、葡萄糖代谢的限速酶和一些线粒体基因，如肝细胞核因子4 (HNF4)、葡萄糖激酶(GK)等12。发生IR功能缺失突变的患者通常出现严重的胰岛素抵抗、高血糖和高胰岛素血症，这提示我们IR在胰岛素发挥功能中起到了重要的作用。通过对这些患者的IR序列分析发现了一些点突变，如996位甘氨酸突变为缬氨酸(G996V)，1131位谷酰胺突变为精氨酸(Q1131R)，而体外的实验也证明，这些点突变确实能够降低IR酪氨酸激酶的活性，减少IRS1/2的磷酸化，从而阻断胰岛素信号通路13-14。在人类中，现在仅发现了一些胰岛素受体下游的基因发生突变引起严重的胰岛素抵抗。在患者中发现了一

18、些IRS1和IRS2的突变可以引起胰岛素抵抗。例如，两个IRS1的多态性：G972R和T608R分别与男性肥胖患者中胰岛素敏感性下降以及严重的胰岛素抵抗具有相关性15-16。细胞实验表明，IRS的这些突变都发生在和PI3K结合以及降低胰岛素刺激的PI3K功能的区域16-17。在已知的p85的多态性中，只有R409Q会影响PI3K的功能。另外，在AKT2中发现了一个R274H的突变，这个突变发生在AKT2的激酶活性区域，该突变和严重的胰岛素抵抗具有相关性，并且是常染色体显性遗传的。3 在 小 鼠 中 敲 除 PI3K/AKT信 号 通 路 关 键 分 子对代谢的影响在小鼠模型中对胰岛素信号通路的

19、重要分子进行基因敲除，观察小鼠在代谢方面是否存在异常，这种方法可以帮助我们更好地了解胰岛素信号通路以及其中各个分子的功能。IR基因缺失的小鼠在出生后几个小时就出现严重的高血糖症，几天后即死于酮症酸中毒18-19。IRS1基因缺失的小鼠呈现严重的外周组织胰岛素抵抗，但是只出现轻微的高血糖症，这可能是因为其血液中的胰岛素含量也显著性地增高了20-21。IRS2基因缺失的小鼠呈现出更加严重的代谢表型，它们出现胰岛素抵抗、高血糖症以及胰岛细胞数量减少22。在小鼠全身敲除p110或者p110会胚胎致死23-24。最近很多实验表明，p110是PI3K家族中调节胰岛素信号通路最重要的分子。在小鼠中将p110

20、激酶失活，其杂合子出现高胰岛素血症、葡萄糖不耐受和肥胖增加的表型25。在肝脏中敲除p110导致胰岛素敏感性和葡萄糖耐受降低，敲除p110对PI3K和AKT激活的影响不能通过过表达p110来回复26。通过筛选PI3K不同催化亚基特异性抑制剂，发现p110是PI3K家族中响应胰岛素信号的最重要的分子27。关于p110在胰岛素和代谢方面功能的研究还存在争议。在肝脏中敲除p110导致一定程度的胰岛素抵抗，但是并不影响AKT的磷酸化水平，这提示p110可能通过不依赖激酶活性的机制来影响代谢28。另外，由于p110仅在造血细胞中表达，因此一般认为p110在免疫细胞的发育和激活中起作用29-30。然而，也有

21、敲除胰岛素信号通路的基因导致胰岛素敏感性增强的例子。脂肪组织特异性敲除IR的小鼠抵抗肥胖以及肥胖导致的胰岛素抵抗31。敲除编码p85的基因Pik3r1的小鼠出现低血糖症以及更强的葡萄糖耐受32。有实验表明，敲除p85可以互补性地增加p50的表达，从而增加胰岛素刺激下PIP3产生的量32。但是，很有可能存在其他的机理，因为将编码Pik3r1三个基因(p85、p55、p50)全部敲除的小鼠依然出现低血糖症33。AKT在胰岛素信号通路中起到了非常重要的作用，因此，对AKT各个蛋白异形体的研究已经非常详细了。AKT1和AKT2在各个组织中几乎都有表达，在肝脏、骨骼肌和脂肪组织等胰岛素敏感的组织中都有较

22、高的表达34-35。而AKT3的表达比较局限，主要集中在脑、睾丸、脂肪和胰岛中34-35。与人群结果一致，小鼠敲除AKT2会导致胰岛素抵抗、高血糖症和高胰岛素血症34, 36-37。敲除AKT3没有出现代谢异常。然后，敲除AKT1在小鼠中出现的表型是有争议的。有研究报道，敲除AKT1，小鼠没有代谢异常；而另外一个研究则报道敲除AKT1可以增加胰岛素敏感性，然而，其中的分子机理并没有得到很好的解释34, 38-39。虽然AKT的蛋白异形体具有很高的结构相似性，但是敲除各个异形体出现了不同的表型，这说明AKT蛋白异形体的功能是非冗余的。出现这种情况一部分原因是AKT蛋白异形体表达谱不同，但是更加详

23、细深入的分子机制还有待于进一步研究40。 通过构建AKT下游分子基因敲除小鼠的模型发现，AKT对胰岛素信号通路的作用是不同的，并且具有组织特异性。AKT负调节GSK3的活性，而GSK3磷酸化糖原合成酶1 (glycogen synthase1, GYS1)，从而抑制糖原的合成。在骨骼肌中特异性敲除GSK3可以增强小鼠的葡萄糖耐受，这主要是因为增强了GYS1的活性，从而增加了糖原储存。然而，在肝脏中特异性敲除GSK3对小鼠的葡萄生命科学第25卷136糖耐受没有影响41。另外，在胰岛细胞中特异性敲除GSK3可以增加胰岛细胞的数量，增强葡萄糖耐受，抵抗基因突变和高脂饮食诱导的糖尿病，其中增加胰岛细胞

24、数量有可能是因为敲除GSK3后，GSK3调节的对胰岛素信号通路的负反馈作用缺失，从而促进了细胞的增殖42-43。AKT2可以间接激活mTORC1和它的下游分子S6K。在小鼠胰岛细胞中敲除TSC1或者TSC2可以激活mTORC1，该小鼠表现出细胞变大，增殖加快和胰岛素分泌增加。因此，在小鼠的细胞特异性激活mTORC1增加葡萄糖刺激的胰岛素分泌以及小鼠的葡萄糖耐受能力44-45。在小鼠全身性敲除S6K减少细胞的数量以及胰岛素的分泌46。在小鼠骨骼肌中敲除mTORC1的活性导致小鼠线粒体合成的降低，在代谢上，该小鼠肌糖原含量增加，可能是因为过度激活的AKT抑制了GSK3的活性，从而增加了糖原的合成。

25、因此，这些小鼠呈现出渐进性的肌营养不良以及葡萄糖不耐受47。在小鼠脂肪中特异性敲除mTORC1以及全身性敲除S6K可以保护高脂诱导的肥胖和胰岛素抵抗。这种保护作用可能是因为增加能量消耗以及在脂肪组织中负反馈调节缺失，胰岛素信号通路增强导致的48。最近有研究表明，在小鼠肝脏中敲除TSC1导致mTORC1激活会降低小鼠的葡萄糖耐受，但是可以保护高脂饮食诱导的肝纤维化。该研究还发现使用雷帕霉素抑制mTOR并不能影响高脂诱导的肝脂肪积累。这说明mTORC1在肝脂的形成过程中既不是充分条件，也不是必要条件。mTORC1可能是通过增加脂肪的消耗和糖异生来保护高脂诱导的肝纤维化49。以上研究结果表明，AKT

26、以及其下游的分子在调节葡萄糖稳态中起到了不同的作用。这主要是因为不同分子作用的靶器官不同。因此，组织特异性敲除技术而不是全身性敲除能更好帮助我们了解各个分子在胰岛素信号通路中起到的作用，这将为以后针对个体需要的治疗提供理论依据。大部分实验中，胰岛素信号通路中的基因功能缺失会导致胰岛素敏感性降低。这些结果进一步证明了这些基因在胰岛素信号通路以及糖尿病的发生中的重要作用。4 在 小 鼠 中 敲 除 PI3K/AKT信 号 的 负 调 控 因 子对代谢的 影响PTP1B和PTEN是PI3K/AKT信号通路两个重要的负调控因子。PTP1B催化IR和IRS1/2的去磷酸化，从而抑制胰岛素刺激的PI3K/

27、AKT信号通路，而PTEN通过催化PIP3的去磷酸化来起到负调控作用。在小鼠中，PTP1B和PTEN的缺失都能够增强葡萄糖耐受和胰岛素敏感性50-51。在小鼠的肌肉或者肝脏中敲除PTP1B，在肌肉、肝脏或者脂肪中敲除PTEN都得到相似的表型52-57。另外，全身敲除或者肌肉特异性敲除PTP1B，在肌肉或者胰腺中敲除PTEN可以抵抗高脂诱导的胰岛素抵抗50, 52, 54, 58。然而，PTP1B全身敲除小鼠、PTEN全身敲除杂合小鼠以及肝中特异性敲除小鼠会发生肿瘤56-57, 59。这说明PTP1B和PTEN在肿瘤的发生中起到了重要的作用。另外，PTEN在细胞核中还有不依赖磷酸酶的肿瘤抑制功能

28、60。以上研究结果可以发现，抑制PI3K/AKT信号通路的负调控因子会导致PI3K/AKT信号通路的全面激活，这将出现非常严重的副作用，如肝纤维化以及肿瘤。因此，我们需要更加深入详细地了解胰岛素激活的PI3K/AKT信号通路，寻找特异性的抑制靶点。5 PAQR3对 PI3K/AKT信号通路的调节作用我们研究组对孕酮和脂联素受体家族中的一个成员PAQR3(progesterone and AdipoQ receptor 3)在近年来进行了一系列的研究。孕酮和脂联素受体家族包含脂联素受体1和 脂联素受体2 (AdipoR1和AdipoR2)。脂联素(adiponectin)是脂肪细胞分泌的细胞因子

29、，在调节血糖和脂质代谢中起到了重要的作用61-63。AdipoR1和AdipoR2在肥胖和胰岛素抵抗的模型中表达量显著性降低，而且伴随着脂联素敏感性的下降64-65。脂联素通过在细胞膜上AdipoR1和AdipoR2，激活腺苷酸活化蛋白激酶(AMP-activated protein kinase, AMPK)、钙离子、神经酰胺酶(ceramidase)活性和过氧化酶体增殖剂激活受体 (peroxisome proliferator-activated receptor , PPAR-)，抑制糖异生，促进脂肪酸氧化61, 65-67。小鼠敲除AdipoR1出现肥胖，能量消耗降低，糖异生增加以及

30、胰岛素抵抗62-63。小鼠敲除AdipoR2也出现胰岛素抵抗，但是可以抵抗高脂诱导的肥胖62。虽然PAQR3与AdipoR1 和AdipoR2在序列上有很高的同源性，但是PAQR3并不定位在细胞膜上，因此，不太可能是脂联素的受体。PAQR3具有七次跨膜的结构，在哺乳动物细胞中特异性定位在高尔基体上，N端朝向细胞质，C端在高尔基体王 笑，等：PI3K /AKT信号通路在维持血糖平衡中的作用第2期137内腔68-69。我们发现了PAQR3可以空间调控PI3K的p110催化亚基。PAQR3和p110相互结合，过表达PAQR3增加p110在高尔基体上的定位，而敲减PAQR3则降低p110在高尔基体上的

31、分布。另外，我们还精细定位了PAQR3和p110相互结合的功能域。我们发现PAQR3与p110亚基中的p85结合域相互作用，过表达PAQR3剂量依赖性地降低PI3K调节亚基p85和p110的结合。因此，我们推断PAQR3通过影响胰岛素刺激下PI3K p85和p110亚基形成异二聚体，进而抑制胰岛素信号通路的激活。我们在肝原代细胞、小鼠肝脏和骨骼肌中验证了这一假设。我们发现敲除和过表达PAQR3分别能够增加和降低胰岛素刺激的AKT和GSK3的磷酸化，而对IR和IRS-1的磷酸化没有影响。另外，敲除PAQR3增加胰岛素刺激的PIP3的产生和PI3K的酶活；过表达PAQR3则降低胰岛素诱导地PIP3

32、的产生和PI3K的酶活70。在这个研究中，我们首次报道了PAQR3在胰岛素信号通路中的生理功能，揭示了一个全新的空间调控胰岛素信号通路的机制。 调控PAQR3的表达量以及与p110的相互作用提供了一个新的调控PI3K活性以及胰岛素抵抗的机制，可能成为一个新的治疗胰岛素抵抗和肥胖的靶点。6 总结胰岛素信号通路的转导以及其中各个分子的生物学特性都被进行了详细的研究，尤其是对其中关键分子的转基因以及基因敲除小鼠的研究，发现了很多可以增强葡萄糖耐受，保护高脂诱导的肥胖和胰岛素抵抗的小鼠模型，但是几乎没有实验成果成功转化到临床试验的例子。这主要是因为调控葡萄糖转运、脂肪合成、糖原合成和糖异生这些代谢过程

33、的关键蛋白并不仅仅在胰岛素信号通路中起作用，它们还能调控其他重要的信号通路，如细胞增殖和凋亡。这也就是敲除PTEN会引起严重副作用的原因。因此，我们需要更加深入地了解细胞在接受外界不同的刺激后，信号通路网是如何精确地调控的。另外，由于各个激酶的催化结构域的结构相似性非常高，因此要设计特异性抑制剂的难度非常大。在肿瘤的治疗中，降低抑制剂的特异性可以导致抑制剂作用于多个靶点，这样能增加抑制剂对肿瘤细胞的毒性；然而，由于糖尿病这种代谢疾病需要长期治疗，我们需要的是特异性极高的抑制剂，这样才能把副作用降到最低。激酶在非活化形式下具有更高的结构多样性，因此，针对非活化的激酶设计抑制剂可能会增加特异性71

34、-73。另外，组织靶向性，针对组织特异的蛋白异形体以及寻找各下游的分子可能提供了增加药物特异性和降低副作用的思路。参 考 文 献Song SH, Hardisty CA. Early-onset type 2 diabetes 1 mellitus: An increasing phenomenon of elevated cardiovascular risk. Expert Rev Cardiovasc Ther, 2008, 6(3): 315-22Whiting DR, Guariguata L, Weil C, et al. Idf diabetes 2 atlas: Global

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