胰島素對糖尿病大鼠線粒體合成機(jī)制的研究進(jìn)展

李永光，朱 偉，陸志剛，高美芳(綜述)，魏 盟(審校)

(上海交通大學(xué)附屬第六人民醫(yī)院心血管內(nèi)科，上海 200233)

糖尿病對人們社會生活以及經(jīng)濟(jì)產(chǎn)生重要影響，糖尿病在近年來引起越來越多的關(guān)注[1]。糖尿病的發(fā)病機(jī)制中胰島素是最重要的調(diào)節(jié)因子，也是體內(nèi)糖脂代謝的重要調(diào)節(jié)因子。在對胰島素機(jī)制研究的過程中，越來越多的研究者將目光聚焦在線粒體。線粒體是重要的細(xì)胞器，在線粒體中發(fā)生很多重要的生化反應(yīng)。最近的研究顯示，胰島素可以調(diào)控線粒體蛋白合成并作用于線粒體功能，因此研究胰島素和線粒體的關(guān)系以及相關(guān)信號通路有重要的實(shí)際意義。

1 胰島素信號通路

1.1胰島素調(diào)控營養(yǎng)和能量平衡信號通路 胰島素可以調(diào)控營養(yǎng)和能量平衡，其通過胰島素受體信號(insulin receptor signaling，IRS)、磷脂酰肌醇3-激酶(phosphatidylinositol 3-kinase，PI3K)、蛋白激酶B(protein kinase B，PKB又稱AKT)信號通路作用于雷帕霉素靶蛋白(mammalian target of rapamycin，mTOR)，除此之外，胰島素還可以作用于重組人血紅素加氧酶1(human heme oxygenase 1，HMOX1)，控制煙酰胺腺嘌呤二核苷酸(氧化態(tài))(nicotinamide adenine dinucleotide，NAD)+/煙酰胺腺嘌呤二核苷酸(還原態(tài))(nicotinamide adenine dinucleotide，NADH)比率，進(jìn)而調(diào)控線粒體電子傳遞鏈的完整性以及活性。受其調(diào)控的NAD+/NADH比率可以調(diào)節(jié)sirt1/過氧化物酶體增殖物激活受體γ共激活因子1α(peroxisome proliferator-activated receptor gamma coactivator-1α,PGC-1α)信號通路，從而調(diào)控線粒體合成以及功能。作為胰島素信號下游通路中的重要因子，AKT可以使叉頭轉(zhuǎn)錄因子蛋白O1(forkhead box protein O1，F(xiàn)OXO1)、FOXO3和FOXO4磷酸化，F(xiàn)OXO轉(zhuǎn)錄因子調(diào)控了上百種基因的表達(dá)，其中包括一些參與糖脂代謝以及應(yīng)激抵抗的基因[2]。

1.2胰島素調(diào)控蛋白合成以及細(xì)胞生長信號通路 胰島素還可以促進(jìn)蛋白合成并激活細(xì)胞生長相關(guān)的信號通路。胰島素調(diào)控蛋白合成包括磷酸化/去磷酸化一些轉(zhuǎn)錄因子和核糖體蛋白。在轉(zhuǎn)錄因子中，PKB/AKT是最重要的復(fù)合物，PKB/AKT可以調(diào)控兩個(gè)底物。糖原合成激酶3(glycogen synthase kinase 3，GSK3)和forkhead轉(zhuǎn)錄因子FOXO家族，兩者分別調(diào)控蛋白轉(zhuǎn)錄。GSK3參與調(diào)控蛋白轉(zhuǎn)錄，GSK3使elf-2B磷酸化并失活[3]，通過抑制GSK-3活性，胰島素激活elf-2B，從而促進(jìn)蛋白合成。盡管胰島素、PKB、GSK3以及elf-2B在許多組織中已經(jīng)得到證明，然而相似的研究尚需要在心肌組織中進(jìn)行。相對應(yīng)的是，GSK3參與負(fù)性調(diào)控心肌肥大核轉(zhuǎn)錄因子活性，從而抑制心肌肥大基因表達(dá)[3]。PKB/AKT可以磷酸化從而使G蛋白Rheb的GTP酶激活蛋白、結(jié)節(jié)性硬化癥蛋白2(tuberous sclerosis factor 2，TSC2)失去活性，TSC2激活可以促進(jìn)Rheb與GDP無效結(jié)合。通過TSC2、PKB/AKT引起Rheb活性變化，可以導(dǎo)致mTOR磷酸化和活化，但此機(jī)制尚未明確[3]。胰島素在心肌細(xì)胞中調(diào)控PKB/AKT/TSC2/mTOR信號通路。該通路主要調(diào)控兩個(gè)靶點(diǎn)4E結(jié)合蛋白1(4E-binding protein 1，4E-BP1)以及p70核糖體S6蛋白激酶(p70 ribosomal S6 kinase，p70S6K)，從而調(diào)控蛋白轉(zhuǎn)錄，mTOR參與4E-BP1磷酸化，從而使其對elf-4E的抑制作用降低，允許該因子和mRNA cap結(jié)合，促進(jìn)蛋白合成。激活的p70S6K使S6核糖體蛋白磷酸化，包括調(diào)控5′TOP mRNAs轉(zhuǎn)錄，5′TOP mRNAs編碼部分轉(zhuǎn)錄因子和核糖體蛋白。因此，S6磷酸化促進(jìn)核糖體合成、轉(zhuǎn)錄因子水平增高及活性增加。Eef2(eukaryotic elongation factor 2)激酶是p70S6K的另一個(gè)底物。Eef2激酶是一個(gè)明確的鈣以及鈣調(diào)蛋白依賴激酶，控制Eef2的磷酸化和失活。大量的研究證明，在心肌細(xì)胞中，胰島素參與調(diào)節(jié)4E-BP1、p70S6K/S6和eEF2激酶/eEF2[3]。Atrophy以及和它相關(guān)的蛋白酶，可以認(rèn)為和蛋白合成作用相反。FOXO家族成員包括FOXO1、FOXO3a和FOXO4，最初認(rèn)為促進(jìn)骨骼肌相關(guān)基因轉(zhuǎn)錄活化[4]。更甚，受PKB/AKT調(diào)控的FOXO磷酸化促進(jìn)了它們的胞核轉(zhuǎn)錄，從而抑制atrophy。與骨骼肌發(fā)生情況類似，胰島素通過PKB/AKT信號通路抑制FOXO3a，從而抑制心肌細(xì)胞atrophy。最近研究表明，F(xiàn)OXO1也參與類似調(diào)節(jié)[5]。

1.3胰島素參與調(diào)控糖脂代謝信號通路 在IRS1和IRS2雙剔除小鼠中，一些調(diào)控糖脂代謝的基因明顯下調(diào)，導(dǎo)致葡萄糖耐受降低和脂代謝失調(diào)[6]。當(dāng)在肝臟中剔除IRS1和IRS2，肥胖可引起胰島素抵抗以及FOXO1激活，引起下游血紅素加氧酶1激活，HMOX1可以消耗亞鐵血紅素，從而破壞線粒體電子傳遞鏈緊密性，進(jìn)而影響線粒體功能；肝臟胰島素抵抗激活FOXO1，導(dǎo)致上百種基因(包括HMOX1)表達(dá)，HMOX1酶降解heme，這些導(dǎo)致線粒體電子傳遞鏈功能障礙，因?yàn)楹笳呤菨撛诘拇匐娮觽鬟f，保證電子傳遞鏈組成穩(wěn)定以及功能完整性的結(jié)合因子。隨之，NADH氧化水平障礙以及NAD+/NADH比率降低，導(dǎo)致線粒體sirt1/PGC-1α通路障礙[7]。NAD+是酰基輔酶A脫氫酶潛在的輔助因子，伴隨著NAD+濃度降低，電子傳遞鏈的功能缺陷可以使脂肪酸氧化；當(dāng)剔除FOXO1或HMOX1可以重新上調(diào)線粒體合成相關(guān)的sirt1/PCG-1α信號通路，重新挽救線粒體功能(電子傳遞鏈活性、NAD+/NADH比率以及脂肪酸氧化率)，同時(shí)也使肝臟三酰甘油正?；痆2]。而在胰島素抵抗或缺乏的肝臟和骨骼肌中，AKT/FOXO1級聯(lián)信號抑制了PGC-1α表達(dá)[8]。

胰島素信號通路作用于糖代謝和蛋白合成，此信號通路可以受環(huán)腺苷酸激活的蛋白激酶(AMP activated protein kinase，AMPK)調(diào)控[3]。AMPK可以促進(jìn)心肌細(xì)胞糖的攝入以及糖酵解，可能是通過葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白4(glucose transporter type 4，GLUT4)易位以及磷酸果糖激酶2活化而達(dá)到[3]。更甚，AMPK可以促進(jìn)長鏈脂肪酸吸收。但是，在最近的研究中顯示，AMPK通過抑制TSC2/mTOR/p70S6K[9]和Eef2信號通路，拮抗胰島素對蛋白合成的促進(jìn)作用[10]。AMPK激活拮抗PKB/AKT參與的p70S6K激活、Eef2磷酸化以及心肌細(xì)胞蛋白合成。盡管如此，AMPK在調(diào)控蛋白合成中的作用仍然需要進(jìn)一步證明。

上調(diào)過氧化物酶增殖體激活受體α(peroxisome proliferation activated receptor-α,PPAR-α)拮抗胰島素活性，降低葡萄糖進(jìn)入細(xì)胞的量，并抑制糖酵解以及線粒體丙酮酸氧化[11]。在嚙齒類動物模型中，當(dāng)心臟剔除PPAR-α，降低部分參與脂肪酸代謝的基因表達(dá)水平，使底物選擇性得到葡萄糖[11]。PPAR-α或PGC-1α過表達(dá)，脂肪酸吸收以及氧化升高，得到和糖尿病心肌肥大類似的表型。研究發(fā)現(xiàn)，PPAR-α在晚期糖尿病中下調(diào)，當(dāng)胰島素活性受到PPAR-α抑制，糖酵解和丙酮酸氧化率在缺氧時(shí)下降最明顯[11]。而糖代謝在心肌當(dāng)中比骨骼肌和其他組織至少高4倍，可能原因是GLUT4在心肌中高表達(dá)。胰島素通過和細(xì)胞膜表面的胰島素受體結(jié)合，促進(jìn)心肌細(xì)胞糖吸收，并激活胞內(nèi)信號通路。其中包括胰島素受體磷酸化、胰島素受體底物IRS酪氨酸磷酸化以及PI3K、磷脂酰肌醇蛋白依賴性激酶1、AKT/PKB以及蛋白激酶C的激活。激活的胰島素信號通路使GLUT4從胞內(nèi)轉(zhuǎn)位到胞膜，從而促進(jìn)糖轉(zhuǎn)移進(jìn)細(xì)胞；在心肌細(xì)胞中胰島素同樣可以使GLUT1從胞內(nèi)轉(zhuǎn)位到胞膜，但是作用較GLUT4小[12]。哺乳動物mTOR是調(diào)控蛋白合成、糖脂代謝以及細(xì)胞生長重要的調(diào)節(jié)因子[12]，是一絲氨酸-蘇氨酸激酶，胰島素激活mTORc1，進(jìn)而引起核糖體S6K1和真核翻譯起始因子4E-BP1磷酸化，從而導(dǎo)致mRNA轉(zhuǎn)錄以及蛋白合成；在心肌中，mTOR還受到鍛煉調(diào)控，高強(qiáng)度的跑步訓(xùn)練，可以激活A(yù)KT信號通路，引起mTOR活性增高，從而促進(jìn)小鼠心肌生理性肥厚[12]。

1.4胰島素參與調(diào)控線粒體電子傳遞鏈信號通路 胰島素可以調(diào)控線粒體電子傳遞鏈，例如細(xì)胞色素C(電子傳遞鏈中的關(guān)鍵組件，可能參與調(diào)控電子傳遞鏈的速率)。另外，在培養(yǎng)的大鼠腰椎背根神經(jīng)節(jié)神經(jīng)中，胰島素可以激活環(huán)腺苷酸反應(yīng)元件結(jié)合蛋白(cAMP response element-binding protein，CREB)，在被CREB調(diào)控的基因中，1/3和糖代謝相關(guān)[2]。胰島素參與保護(hù)高血糖引起的線粒體氧化磷酸化抑制，可能是由于胰島素編碼氧化呼吸鏈復(fù)合物mRNA。胰島素在鏈脲霉素處理的動物腎臟中，可以調(diào)節(jié)細(xì)胞氧化磷酸化活性。有報(bào)道顯示，胰島素保護(hù)作用是通過激活PI3K/AKT來起作用，且AKT信號通路是一促生存信號通路[2]。此外，Remor等[13]證明，胰島素可以下調(diào)第10號染色體缺失的磷酸酶及張力蛋白同源的基因(phosphatase and tensin homologue deleted on chromosome 10,PTEN)基因以及PTEN磷酸化水平。其中PTEN是一磷酸酶，它可以使PI3K產(chǎn)生的第二信使去磷酸化，從而抑制AKT下游信號。另一方面，活性氧類上調(diào)、線粒體功能障礙或者持續(xù)性高血糖可以上調(diào)PTEN[13]，從而誘導(dǎo)細(xì)胞能量代謝變化。胰島素抵抗肝臟中，胰島素也可以調(diào)控氧化磷酸化相關(guān)基因表達(dá)，從而維護(hù)電子傳遞鏈完整及其活性。胰島素通過抑制FOXO1/HMOX1以及控制NAD+/NADH比率，進(jìn)而調(diào)控線粒體合成相關(guān)的sirt1/PGC-1α信號通路[2]。

2 線粒體蛋白合成

2.1線粒體蛋白改變 在對1型糖尿病嚙齒類動物肝臟和腎臟基因表達(dá)譜的研究中發(fā)現(xiàn)，基因表達(dá)和糖尿病之間存在明顯的相關(guān)關(guān)系[14]。微陣列分析發(fā)現(xiàn)鏈脲霉素誘導(dǎo)的糖尿病大鼠心肌組織，編碼線粒體蛋白的1614個(gè)調(diào)節(jié)基因中約13%發(fā)生變化。值得注意的是，編碼脂肪酸氧化蛋白基因表達(dá)增加[14]。采用雙向凝膠電泳發(fā)現(xiàn)在1型糖尿病OVE26小鼠中，發(fā)生變化的蛋白有12個(gè)來源于線粒體。而在Bugger等[14]心肌線粒體研究中，鑒別出30個(gè)線粒體蛋白發(fā)生變化。在鏈脲霉素誘導(dǎo)的糖尿病大鼠模型中，線粒體脂肪酸氧化蛋白增加，而一些氧化磷酸化蛋白亞基減少。盡管如此，限于凝膠為基礎(chǔ)的比較蛋白質(zhì)組學(xué)研究方法的局限性，許多線粒體蛋白質(zhì)仍未被發(fā)現(xiàn)。Bugger等[14]采用半定量液相色譜/質(zhì)譜法調(diào)查1型糖尿病BB-DP大鼠肝臟和心肌組織全細(xì)胞蛋白表達(dá)譜變化，發(fā)現(xiàn)在糖尿病動物中，受調(diào)控的365個(gè)蛋白，部分是線粒體來源。在Akita小鼠中，除大腦外，線粒體FAO蛋白表達(dá)水平并不平行于FAO基因表達(dá)水平[14]。在肝臟中，F(xiàn)AO基因表達(dá)增加，而線粒體FAO蛋白水平卻減少；在心肌中，F(xiàn)AO基因表達(dá)降低，但是FAO蛋白表達(dá)水平卻上調(diào)；在腎臟中，F(xiàn)AO蛋白水平增加，但是FAO基因表達(dá)水平并沒有發(fā)生改變[14]。

糖尿病大鼠腰椎背根神經(jīng)節(jié)檢測發(fā)現(xiàn)氧化呼吸鏈活動減少，這與線粒體氧化呼吸鏈部分蛋白下調(diào)一致，這也和糖尿病心肌中線粒體呼吸鏈以及酶活性降低一致，另外2型糖尿病患者骨骼肌中，線粒體呼吸鏈功能和檸檬酸合酶活性降低[15]。在另一項(xiàng)研究中，嚴(yán)重肥胖(體質(zhì)量指數(shù)52 kg/m2)與編碼氧化磷酸化的25個(gè)基因中的7個(gè)蛋白表達(dá)降低相一致[15]。這些基因的表達(dá)與肝臟脂質(zhì)積累呈負(fù)相關(guān)，同時(shí)觀察到PGC-1α表達(dá)減少以及受甲狀腺激素調(diào)控的基因表達(dá)下調(diào)。這與2型糖尿病肥胖者中觀察到的變化相一致，同時(shí)在小鼠高脂飲食后也伴隨著氧化呼吸鏈基因表達(dá)下調(diào)[15]。

2.2胰島素調(diào)控的線粒體蛋白 比較蛋白質(zhì)組學(xué)分析表明，線粒體蛋白質(zhì)組在1型糖尿病心肌中重構(gòu)[16]。Bugger等[16]報(bào)道，在鏈脲霉素誘導(dǎo)的糖尿病大鼠線粒體中，參與線粒體脂肪酸氧化的幾種蛋白豐度增加，而部分氧化磷酸化亞基選擇性下調(diào)。線粒體脂肪酸氧化蛋白水平在Akita小鼠心肌中也增高。線粒體蛋白質(zhì)組表達(dá)譜分析發(fā)現(xiàn)，在野生型和1型糖尿病小鼠心肌中，針對123個(gè)線粒體蛋白的檢測報(bào)告指出，23%的蛋白在不同群體之間有顯著不同[16]。另外，糖尿病心肌線粒體幾個(gè)氧化磷酸化亞基以及三羧酸循環(huán)酶也下調(diào)，這和調(diào)控線粒體合成的基因PGC-1α、PGC-1β、氧化磷酸化基因表達(dá)減少有關(guān)。因此，心臟脂肪酸氧化率增加，線粒體呼吸功能降低，可以基于脂肪酸氧化蛋白水平的增加以及糖尿病線粒體氧化磷酸化亞基豐度的降低。在Akita小鼠心臟中，線粒體氧化磷酸化亞基減少可能與PGC-1信號通路轉(zhuǎn)錄活性降低有關(guān)，雖然不能排除其他機(jī)制，如增加蛋白折疊以及降低線粒體蛋白進(jìn)入線粒體等可能。同時(shí)在2型糖尿病模型中，線粒體蛋白質(zhì)組的變化仍然需要進(jìn)行深入研究。

胰島素在肝、肌肉、脂肪組織中可以調(diào)節(jié)糖代謝以及相關(guān)蛋白轉(zhuǎn)錄翻譯，胰島素可以直接調(diào)控一組與糖異生和糖酵解活動相關(guān)的代謝酶。胰島素可以增加糖酵解酶葡萄糖激酶，丙酮酸激酶和乙酰輔酶A羧化酶轉(zhuǎn)錄，同時(shí)胰島素可以調(diào)節(jié)己糖激酶、細(xì)胞色素C以及葡萄糖代謝相關(guān)蛋白[17]。研究發(fā)現(xiàn)，2型糖尿病患者骨骼肌和同齡人相比，線粒體含量較少[2]。相對應(yīng)的是，胰島素可以促進(jìn)線粒體蛋白合成并提高線粒體氧化能力[2]，但是持久的胰島素并不能促進(jìn)糖尿病患者骨骼肌中編碼線粒體的關(guān)鍵轉(zhuǎn)錄因子mRNA表達(dá)[2]。

3 胰島素的線粒體功能調(diào)控

心臟是一個(gè)耗能器官，需要恒定的燃料和氧氣供應(yīng)，以維持胞內(nèi)ATP水平，這是不間斷的心肌收縮/舒張必不可少的。為了維持心肌正常生理活動，人的心臟每日生產(chǎn)3.5～5 kg ATP[3]。生理?xiàng)l件下，ATP的產(chǎn)生來自線粒體氧化底物，其中長鏈脂肪酸60%～70%，葡萄糖20%，乳酸10%。該優(yōu)選長鏈脂肪酸是由于長鏈脂肪酸氧化通過蘭德爾周期抑制葡萄糖的攝取和代謝，在可控情況下，酮體循環(huán)水平較低，然在饑餓情況下上調(diào)，當(dāng)血液中存在較高水平長鏈脂肪酸(如慢性心臟衰竭或糖尿病時(shí))控制效果不佳[3]。當(dāng)葡萄糖和胰島素水平上升，葡萄糖成為心臟更容易氧化的底物，參與信號轉(zhuǎn)導(dǎo)的胰島素誘導(dǎo)底物利用機(jī)制是復(fù)雜的，研究發(fā)現(xiàn)胰島素可以作用于胞內(nèi)一些靶點(diǎn)，這其中包括葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)因子GLUT4、長鏈脂肪酸轉(zhuǎn)運(yùn)因子/CD36和糖酵解酶6-磷酸果糖激酶[3]。

由于長期暴露于高血糖，之前研究認(rèn)為心肌胰島素抵抗發(fā)生于2型糖尿病，目前已知胰島素抵抗往往預(yù)示著高血糖[11]，其也發(fā)生在1型糖尿病中[11]。然而，細(xì)胞機(jī)制仍然未完全明了。研究證明，胰島素受體和相關(guān)的胰島素樣生長因子1受體信號通過兩個(gè)基本途徑，一個(gè)通過促分裂原活化的蛋白激酶，另一個(gè)通過PI3K/AKT代謝途徑[11]。每種途徑都有自己的骨架蛋白受體介導(dǎo)信號。在有絲分裂通路中，支架蛋白Shc和內(nèi)源性的激活受體結(jié)合，通過級聯(lián)反應(yīng)最終激活促分裂原活化的蛋白激酶。

在持續(xù)高血糖影響下，胰島素可以防止1型糖尿病大鼠感覺神經(jīng)元線粒體內(nèi)膜除極。胰島素缺乏可誘發(fā)糖尿病神經(jīng)病變感覺神經(jīng)元中線粒體功能障礙。使用胰島素治療，細(xì)胞線粒體功能可以得到挽救[17]。細(xì)胞線粒體功能受損往往伴隨著與年齡相關(guān)的胰島素抵抗，功能受損往往通過降低肌肉葡萄糖攝取、代謝以及線粒體氧化磷酸化活性來達(dá)到[2]。在對糖尿病患者骨骼肌的研究中發(fā)現(xiàn)，編碼氧化磷酸化的酶基因下調(diào)、ATP合酶蛋白β-亞單位下調(diào)以及線粒體氧化呼吸功能下調(diào)，同時(shí)研究發(fā)現(xiàn)，NADH氧化酶以及NADH氧化酶/ATP檸檬酸裂合酶活性降低，同時(shí)研究發(fā)現(xiàn)NADH氧化酶/β-羥酰輔酶A脫氫酶比率是在2型糖尿病和肥胖患者中的1/3～1/2倍[18]。然而在2型糖尿病研究中，線粒體相對缺失并不導(dǎo)致胰島素抵抗，相反上調(diào)了胰島素敏感性[19]，具體機(jī)制需要繼續(xù)研究。

在最近的研究中發(fā)現(xiàn)，胰島素在大鼠大腦中降低線粒體來源活性氧類[20]。在飲食誘導(dǎo)的糖尿病中，促進(jìn)胰島素分泌時(shí)可以增強(qiáng)線粒體功能，降低脂肪酸氧化[21]。而在Goodpaster[22]的研究中，線粒體缺失和胰島素抵抗相關(guān)，其中線粒體氧化磷酸化和胰島素抵抗關(guān)系最為密切[23]。

4 結(jié) 語

胰島素在糖尿病治療中起到了非常重要的作用。胰島素以及其相關(guān)信號通路在線粒體蛋白合成以及維系線粒體功能完整中扮演了重要角色。其中PI3K信號通路尤為重要；除此之外，胰島素信號通路和其他信號通路緊密聯(lián)系，如AMPK信號通路現(xiàn)在被認(rèn)為是治療胰島素信號通路障礙的途徑之一；線粒體功能及代謝障礙在糖尿病進(jìn)展中起到非常重要的作用。胰島素及其信號通路和代謝與線粒體氧化呼吸鏈相關(guān)，然而胰島素在線粒體蛋白合成，功能調(diào)控中的作用和機(jī)制尚不明確，需要在以后的研究中進(jìn)一步深入研究。

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