胰島β細(xì)胞胰島素分泌的調(diào)節(jié)及其機(jī)制

楊 希 李衛(wèi)華 黃崢嶸

胰島素是機(jī)體內(nèi)促進(jìn)合成代謝的蛋白質(zhì)激素，它由51個氨基酸組成α、β兩條肽鏈，通過兩個二硫鍵連接在一起。主要作用是促進(jìn)葡萄糖的氧化代謝和糖原生成，抑制糖異生，維持血糖濃度的恒定。調(diào)節(jié)胰島素分泌的因素有很多，其中，葡萄糖、內(nèi)分泌激素和細(xì)胞因子是較為重要的調(diào)節(jié)因素。機(jī)體能夠整合這幾大類調(diào)節(jié)因素的信號，使胰島素的分泌量維持在適當(dāng)?shù)乃?。從?xì)胞和分子水平上研究胰島素分泌的調(diào)節(jié)及其機(jī)制有著十分重要的意義。

一、葡萄糖刺激的胰島素分泌(glucose－stimulated insulin secretion，GSIS)

營養(yǎng)物質(zhì)是胰島素分泌的重要調(diào)節(jié)因素，其中葡萄糖是刺激胰島素分泌的最強因子。葡萄糖刺激的胰島素分泌(GSIS)對于血糖濃度的穩(wěn)定起著非常重要的作用。目前，對于GSIS的共識是:胰島β細(xì)胞屬于電可興奮細(xì)胞，葡萄糖通過葡萄糖轉(zhuǎn)運體2 (Glut2)進(jìn)入胰島β細(xì)胞后，被葡萄糖激酶磷酸化代謝生成ATP，從而使ATP敏感的鉀通道(KATP)關(guān)閉，細(xì)胞膜去極化，電壓依賴性鈣通道(VDCC)開放，鈣離子內(nèi)流，細(xì)胞內(nèi)鈣離子濃度升高，從而激活胰島素分泌所需的一系列酶或蛋白，導(dǎo)致胰島素的分泌。

1.KATP通道(ATP敏感的鉀通道)對胰島素分泌的調(diào)節(jié):ATP敏感的鉀通道(KATP)是1個八聚體，它由4個內(nèi)向整流鉀通道亞單位(Kir6.x)和硫脲類藥物受體(SURx)亞單位組成。形成離子通道孔隙的Kir6.x亞單位是鉀通道的內(nèi)向整流家族，它存在2個亞型，即存在于血管平滑肌中的Kir6.1和廣泛分布于各種組織的Kir6.2。SURx是調(diào)節(jié)亞單位，在胰腺中主要是SUR1。ATP敏感型鉀通道(KATP)把細(xì)胞內(nèi)的糖代謝過程和胰島β細(xì)胞膜的電活動相偶聯(lián)，在胰島素分泌和血糖濃度之間扮演著重要的聯(lián)結(jié)角色［1］。Seino等［2］也指出，KATP通過調(diào)節(jié)細(xì)胞膜鉀離子的流量，將細(xì)胞代謝過程和細(xì)胞膜的生物電活動聯(lián)系起來。鉀離子通道有兩個腺苷酸結(jié)合位點。當(dāng)葡萄糖進(jìn)入胰島β細(xì)胞內(nèi)并參與能量代謝后導(dǎo)致細(xì)胞內(nèi)ATP含量增加，ATP/ADP比例發(fā)生變化。ATP或ADP結(jié)合Kir6.2位于細(xì)胞內(nèi)的氨基和羧基末端，就會對通道產(chǎn)生抑制作用，導(dǎo)致KATP通道的關(guān)閉，引起β細(xì)胞膜去極化并導(dǎo)致電壓依賴性鈣通道開放，鈣離子內(nèi)流入β細(xì)胞。細(xì)胞內(nèi)游離鈣離子濃度增加，啟動分泌顆粒和細(xì)胞膜的融合，從而觸發(fā)胰島素分泌顆粒的出胞反應(yīng)。胰島素分泌的此途徑被稱為KATP通道依賴途徑。也有研究報道由Kir6.2和SUR1組成的胰島β細(xì)胞型KATP通道的多因子調(diào)節(jié)機(jī)制，然而，去除KATP通道依賴途徑后并不能完全阻斷葡萄糖刺激的胰島素分泌，這說明存在不依賴于KATP通道的途

徑［3，4］。

2.Ca2+通道在胰島素分泌中的作用:胰島β細(xì)胞分泌胰島素是一個相當(dāng)復(fù)雜的過程，受到一個分子網(wǎng)絡(luò)的精密調(diào)控，而電壓依賴性鈣通道(VDCC)在這一網(wǎng)絡(luò)中則處于中心地位［5］。在胰島β細(xì)胞膜上，VDCC主要包括L型鈣通道和非L型鈣通道，而以前者為主［6］。在葡萄糖刺激的胰島素分泌過程中需要有細(xì)胞外Ca2+的存在，并且可以分別被Cav通道(電壓依賴性鈣通道)的激動劑和拮抗劑易化和阻斷。這表明，Cav通道在β細(xì)胞的刺激－分泌偶聯(lián)中起著非常重要的作用。在Ca2+觸發(fā)的胰島素分泌過程中，Cav1通道是起主要作用的Cav通道亞型。

3.AMPK［單磷酸腺苷(AMP)激活的蛋白激酶］在GSIS中的作用:(1)AMPK簡介:單磷酸腺苷(AMP)激活的蛋白激酶(AMPK)是由α、β、γ3個亞基組成的異源三聚體，3個亞基各有不同的亞型，在不同的細(xì)胞中，AMPK以不同亞型的組合存在，胰島β細(xì)胞中以α1表達(dá)為主。AMPK的活性是由其上游的AMPK激酶(AMPKK)進(jìn)行磷酸化的調(diào)節(jié)，從而組成了1個蛋白激酶級聯(lián)系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以被AMP激活。對于AMPK來說，其α亞基172位蘇氨酸的磷酸化對于它的活性是至關(guān)重要的。AMPK可以感受細(xì)胞內(nèi)AMP/ATP的變化，當(dāng)AMP/ATP比值升高，可以啟動AMPK級聯(lián)系統(tǒng)，導(dǎo)致消耗ATP的路徑關(guān)閉，ATP再生途徑開啟，從而調(diào)節(jié)胰島素的分泌。(2) AMPK與胰島素的分泌:有關(guān)AMPK在胰島素分泌調(diào)控中的作用說法不一。在大多數(shù)的細(xì)胞類型中，AMPK的磷酸化水平和活性較低。有研究顯示，隨著β細(xì)胞外葡萄糖濃度的升高，胰島素分泌量逐漸增加，AMPK的磷酸化程度逐漸降低，即活性降低，因此，AMPK活性和胰島素分泌呈負(fù)相關(guān)。但 Park等［7］的研究表明，在胰島β細(xì)胞中，磷酸化的AMPK能夠抑制KATP通道電流，從而觸發(fā)葡萄糖刺激的胰島素分泌。在葡萄糖依賴性途徑中，細(xì)胞外的胰島素可以通過胰島素受體底物－1(insulin receptor substrate－1，IRS－1)調(diào)節(jié)AMPK的磷酸化狀態(tài)，從而進(jìn)一步調(diào)節(jié)胰島素的分泌。細(xì)胞的能量代謝狀態(tài)可以通過AMPK來調(diào)節(jié)KATP通道的關(guān)閉與開放，這種機(jī)制在低能量代謝狀態(tài)下抑制胰島素的分泌作用中可能扮演關(guān)鍵性的角色［8］。Okazaki等［9］也認(rèn)為抑制β細(xì)胞中AMPK的活性可以抑制葡萄糖刺激的胰島素分泌。

4.胰島素分泌的雙相模型:1968年，在大鼠胰腺灌流實驗中發(fā)現(xiàn)葡萄糖刺激的胰島素分泌存在雙相分泌，在隨后的大鼠胰島灌流試驗中得到證實。當(dāng)葡萄糖濃度從亞刺激水平突然升高并維持在刺激水平時，可出現(xiàn)胰島素的雙相分泌。在這一過程的起始階段，胰島素快速釋放并上升達(dá)到峰值，此為第1相，大約持續(xù)10min，緊接著是一個最低點;隨后是一個逐步升高的第2相，再經(jīng)過25～30min后達(dá)到一個平臺期［10］。小鼠的第2相呈緩慢的穩(wěn)定的分泌，而大鼠和人類的第2相呈進(jìn)行性增加的分泌［11］。有文獻(xiàn)報道胰島素分泌的第一相與KATP通道依賴途徑有關(guān)，而第2相分泌與KATP通道非依賴途徑有關(guān)兩者都需要胞內(nèi)Ca2+的調(diào)控，以維持胰島素的正常分泌［12，13］。

二、內(nèi)分泌激素對胰島素分泌的調(diào)節(jié)

多種激素參與胰島β細(xì)胞功能的調(diào)節(jié)，如胰高血糖素、生長激素、糖皮質(zhì)激素等。腸－胰島和脂肪－胰島內(nèi)分泌軸的發(fā)現(xiàn)，使胰高血糖素樣肽－1(GLP－1)和瘦素對胰島β細(xì)胞功能的調(diào)節(jié)作用備受關(guān)注。

1.胰高血糖素樣肽－1(GLP－1)對胰島素分泌的調(diào)節(jié):GLP－1是由腸黏膜內(nèi)分泌L細(xì)胞受營養(yǎng)刺激而合成和分泌的多肽類激素。臨床研究顯示，GLP－1及其類似物可以增加胰島素的分泌和抑制胰高血糖素的釋放，調(diào)節(jié)營養(yǎng)代謝，在2型糖尿病的治療中具有潛在的應(yīng)用價值［14］。

GLP－1的功能由GLP－1受體(GLP－1R)介導(dǎo)。GLP－1R屬于7次跨膜G蛋白偶聯(lián)受體亞家族，含有463個氨基酸殘基，廣泛分布在胰島β細(xì)胞、腎臟、心臟等的多個區(qū)域。GLP－1與GLP－1R特異性結(jié)合以后，可以激活腺苷酸環(huán)化酶(AC)，引起細(xì)胞內(nèi)環(huán)磷酸腺苷(cAMP)增加，cAMP的增加可以進(jìn)一步激活下游的效應(yīng)蛋白，包括蛋白激酶A(PKA)以及直接被cAMP活化的交換蛋白(EPAC)。但有研究顯示，生理濃度的GLP－1(1pmol/L)刺激胰島素的分泌并未經(jīng)cAMP依賴的PKA途徑［15］。

2.瘦素對胰島素分泌的調(diào)節(jié):瘦素(leptin)是由肥胖相關(guān)基因ob基因編碼的、脂肪細(xì)胞分泌的蛋白質(zhì)激素，在機(jī)體的新陳代謝和能量平衡中起著非常重要的作用。leptin是一種循環(huán)激素，通過其不同表達(dá)組織的多種形式的leptin受體(OB－R)發(fā)揮廣泛的生物學(xué)效應(yīng)。leptin被證實可以抑制脂肪的異位堆積，從而預(yù)防β細(xì)胞功能紊亂，保護(hù)β細(xì)胞免受細(xì)胞因子和脂肪酸誘導(dǎo)的細(xì)胞凋亡［16］。

在胰島β細(xì)胞中有l(wèi)eptin受體的表達(dá)，提示leptin在胰島內(nèi)分泌中具有一定的生理作用。胰島素能刺激leptin分泌，增加leptin mRNA的表達(dá)，同時leptin又能直接抑制胰島素的分泌。有關(guān)瘦素抑制胰島素分泌的機(jī)制尚未完全清楚。有研究發(fā)現(xiàn)瘦素可以通過激活KATP通道使胰島β細(xì)胞膜超級化而抑制胰島素的分泌。另有研究則認(rèn)為瘦素是通過影響cAMP水平而抑制胰島素的分泌。瘦素可以抑制胰島素基因的表達(dá)和胰島素的分泌，也可以抑制葡萄糖向β細(xì)胞內(nèi)的轉(zhuǎn)運。最近的1項研究顯示，瘦素可以下調(diào)INS－1胰島β細(xì)胞中蛋白磷酸酶－1(protein phosphatase 1，PP－1)的催化亞單位PP－1α的mRNA和蛋白的表達(dá)。已證實在人類的胰腺中也有PP－1α的表達(dá)。此外，PP－1的核抑制劑可以抑制葡萄糖誘導(dǎo)的胰島素分泌，抑制INS－1胰島β細(xì)胞中PP－1可以在一定程度上減少PP－1依賴的鈣離子內(nèi)流［17］。

三、細(xì)胞因子對胰島素分泌的影響

1.白細(xì)胞介素－6(IL－6):研究表明，某些細(xì)胞因子會影響胰島素的分泌過程。其中白細(xì)胞介素－6 (IL－6)對葡萄糖代謝有著顯著地影響。然而，IL－6對胰島β細(xì)胞胰島素分泌的影響尚有爭議。有研究表明不同濃度的白細(xì)胞介素－6(IL－6)作用于胰島會產(chǎn)生不同的結(jié)果，低濃度的IL－6促進(jìn)胰島素的分泌，高濃度的IL－6則抑制胰島素的分泌。IL－6對胰島素分泌的影響主要是通過JAK/細(xì)胞因子信號轉(zhuǎn)導(dǎo)分子途徑發(fā)揮作用，與瘦素有著相同的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路。Suzuki等［18］進(jìn)行的小鼠體內(nèi)和體外實驗均表明，IL－6可以直接作用于胰島β細(xì)胞從而增強葡萄糖刺激的胰島素分泌(GSIS)。磷脂酶C－三磷酸肌醇(PLC－IP3)信號通路可能參與IL－6介導(dǎo)的GSIS的增強過程。最近的研究顯示，IL－6可以通過增加腸黏膜L細(xì)胞和胰腺α細(xì)胞GLP－1的分泌，從而增加胰島素的分泌［19］。

2.轉(zhuǎn)化生長因子－β(TGF－β):是由二硫鍵連接的二聚體結(jié)構(gòu)，由兩條含112個氨基酸殘基的肽鏈組成。TGF－β通過其受體發(fā)揮作用，免疫組化顯示，TGF－β受體存在于胰腺內(nèi)外分泌組織中。TGF－β能以葡萄糖依賴和劑量依賴的方式刺激胰島素基因的表達(dá)，使胰島素合成和分泌增加。轉(zhuǎn)基因技術(shù)研究證明，TGF－β受體基因突變會造成胰島發(fā)育不良，胰島β細(xì)胞對葡萄糖刺激的胰島素分泌功能缺陷。TGF－β對胰島素分泌的影響，其作用機(jī)制是TGF－β能夠增加胰島素基因轉(zhuǎn)錄因子PDX－1與順式作用元件A3的親和力，同時，也可以提高細(xì)胞核內(nèi)PDX－1的濃度。

四、展 望

胰島β細(xì)胞胰島素分泌的調(diào)節(jié)是一個復(fù)雜的過程，受到營養(yǎng)物質(zhì)、激素、細(xì)胞因子等的共同調(diào)控。目前，對胰島素分泌調(diào)節(jié)的部分機(jī)制還不是很明了，特別是β細(xì)胞的分泌功能和脂肪代謝之間的相互關(guān)系未完全闡明，需要更進(jìn)一步的研究探討。深入了解胰島β細(xì)胞的調(diào)節(jié)特性，將有利于加深對糖尿病發(fā)病機(jī)制的認(rèn)識，為糖尿病的治療提供很好的基礎(chǔ)資料，也將開闊糖尿病治療的新視野。

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