蔡政忠
(莆田學(xué)院,福建莆田 351100)
在生物體中胰島素具有多效性,它在碳水化合物代謝(萄糖運(yùn)輸和利用,糖原合成)、脂類(lèi)(控制肝脂酶水平)和蛋白質(zhì)(氨基酸運(yùn)輸和蛋白質(zhì)合成)中具有合成代謝作用(于繼英等,2018;Tesseraud等,2007)。它還具有促進(jìn)細(xì)胞生長(zhǎng)、分裂,抑制細(xì)胞凋亡的作用。胰島素在雞和其他家禽中的作用尚不清楚,其在某些方面與哺乳動(dòng)物有一定區(qū)別。例如,盡管內(nèi)源性胰島素在“正常”濃度下循環(huán),但雞的血液循環(huán)中仍然存在高血糖濃度(2 g/L,Simon,1989)。此外,雞對(duì)胰島素具有耐藥性,因此需要高劑量的胰島素(多數(shù)用哺乳動(dòng)物胰島素進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)中)才能誘導(dǎo)低血糖效應(yīng)。本文綜述了目前有關(guān)哺乳動(dòng)物胰島素受體信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)的研究進(jìn)展,為了解雞胰島素受體信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)機(jī)制奠定了基礎(chǔ)。本文首先介紹了胰島素受體的結(jié)構(gòu),然后分析胰島素受體底物和兩個(gè)主要的磷脂酰肌醇-3激酶/蛋白激酶(PI3K/Akt)和絲裂原活化蛋白激酶/細(xì)胞外調(diào)節(jié)蛋白激酶(MAPK/ERK1/2)胰島素信號(hào)通路。
和其他激素一樣,胰島素首先通過(guò)與細(xì)胞膜上的特定受體結(jié)合來(lái)發(fā)揮其生物學(xué)作用。哺乳動(dòng)物胰島素受體是一個(gè)四聚物組成的兩個(gè)細(xì)胞外二級(jí)結(jié)構(gòu)和兩個(gè)跨膜結(jié)合的β亞基與酪氨酸激酶(Taha Klip,1999)。胰島素結(jié)合α亞基引發(fā)一個(gè)β亞基,另一個(gè)是特定的酪氨酸殘基,其被磷酸化活化,使受體酪氨酸激酶的催化活性增加。受體還在膜旁區(qū)域和細(xì)胞內(nèi)尾部的其他酪氨酸殘基上進(jìn)行自磷酸化(王珊珊等,2016)。酪氨酸磷酸化的β亞基可以誘導(dǎo)同源蛋白2(SH2)和磷酸酪氨酸結(jié)構(gòu)域綁定的蛋白質(zhì)的,這些結(jié)構(gòu)域可以識(shí)別磷酸化酪氨酸殘基(Taniguchi等,2006)。
雞組織中胰島素受體的結(jié)構(gòu)與其他物種中所描述的非常相似,其α亞基(分子量約135 kDa)完全是在細(xì)胞外室與胰島素結(jié)合,β亞基(分子量約95 kDa)包含大量疏水片段,其穿過(guò)細(xì)胞膜延伸到細(xì)胞內(nèi)室(Simon,1989)。與其他動(dòng)物一樣,家禽腦受體的α亞基小于肌肉,而肝臟受體的α亞基是最大的(Hendricks等,1984)。雞組織胰島素受體酪氨酸激酶活性與其他物種具有相同的特異性(Simon等,1989)。胰島素受體激酶活性已通過(guò)谷氨酸-絡(luò)氨酸聚合物底物和胰島素受體自磷酸化測(cè)定,用于分析雞肝臟、大腦、肌肉和腎臟在各種營(yíng)養(yǎng)或生理狀態(tài)下的胰島素敏感性變化。在禁食或增加飼喂量時(shí),雖然血漿胰島素水平發(fā)生變化,但雞肌肉胰島素受體激酶活性和β亞基酪氨酸磷酸化并不降低(Dupont等,1998)。這與雞肝臟、腎臟(Simon等,1989)和大鼠肌肉(Burant等,1986)的結(jié)果形成鮮明的對(duì)比。
在胰島素結(jié)合后,胰島素受體通過(guò)磷酸化多種細(xì)胞底物上的酪氨酸來(lái)啟動(dòng)細(xì)胞內(nèi)胰島素信號(hào)。在哺乳動(dòng)物中已經(jīng)發(fā)現(xiàn)至少11種胰島素受體的細(xì)胞內(nèi)底物(Taniguchi等,2006),其中包括胰島素受體底物蛋白家族(IRS-1-6)和結(jié)構(gòu)域同源蛋白(Src同源膠原蛋白)。IRS蛋白具有類(lèi)似的結(jié)構(gòu)域,包括同源結(jié)構(gòu)域和磷酸酪氨酸結(jié)合結(jié)構(gòu)域,它們含有大量可以被胰島素受體磷酸化的酪氨酸殘基。在哺乳動(dòng)物中已經(jīng)報(bào)道了4種不同的IRS蛋白,在人類(lèi)中還發(fā)現(xiàn)了另外兩種IRS蛋白(IRS5/DOK4和 IRS6/DOK5),這些額外的IRS蛋白參與胰島素信號(hào)傳導(dǎo),但不參與磷脂酰肌醇 3-激酶(PI3K)激活(Cai等,2003)。IRS蛋白分子質(zhì)量在60~180 kDa,表現(xiàn)出不同的組織差異性,IRS-1和IRS-2分布廣泛,IRS-3局限分布于大腦、肝臟、脂肪細(xì)胞和成纖維細(xì)胞中,IRS4主要表達(dá)于胚胎組織和成年肌肉中(Schreyer 等,2003)。IRS蛋白異構(gòu)體在細(xì)胞劃分和活化動(dòng)力學(xué)上也存在差異,胰島素受體下游的IRS活性受刺激和抑制機(jī)制的嚴(yán)格調(diào)控,IRS被酪氨酸磷酸化激活,并受酪氨酸磷酸酶蛋白負(fù)調(diào)控(Gonzalez-Rodriguez 等,2007)。其他抑制機(jī)制包括阻斷它們與胰島素受體的結(jié)合及PI3K介導(dǎo)的絲氨酸磷酸化,該磷酸化通過(guò)MAPK和/或p70S6K通路參與IRS磷酸化。在哺乳動(dòng)物中,Shc也是胰島素受體的底物。Shc有46個(gè)、52個(gè)和66個(gè)kDa亞型,這些亞型來(lái)自于對(duì)原始Shc轉(zhuǎn)錄本的選擇性剪接,在胰島素刺激下,激活的胰島素受體與Shc相互作用(Pelicci等,1992)。胰島素受體酪氨酸殘基-960位點(diǎn)周?chē)奶於0犯彼醁酪氨酸(X是任何氨基酸)基序與Shc的n端PTB結(jié)構(gòu)域結(jié)合,隨后,52 kDa在較小程度上和46 kDa Shc亞型酪氨酸磷酸化,而胰島素主要磷酸化Shc絡(luò)氨酸殘基-317位點(diǎn)(Sasaoka和Kobayashi,2000)。利用胰島素受體對(duì)Shc的磷酸化已在多種轉(zhuǎn)化細(xì)胞模型中得到報(bào)道,其中多數(shù)報(bào)道表明,在哺乳動(dòng)物中,IRS-1是刺激肌肉和脂肪組織葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)的主要底物,而在肝臟中,IRS1和IRS2在胰島素信號(hào)和代謝中具有互補(bǔ)作用,相比之下,Shc似乎并不直接參與胰島素的代謝信號(hào),但在胰島素誘導(dǎo)的有絲分裂形成中起關(guān)鍵作用(Sasaoka 和 Kobayashi,2000)。
IRS-1基因的編碼區(qū)域已從雞中克隆并測(cè)序,推測(cè)的結(jié)果是雞IRS-1蛋白與人、大鼠和小鼠同源蛋白具有高序列一致性(Taouis等,1996)。雞IRS-1存在于肝臟和肌肉中,并與胰島素受體相互作用,有趣的是,IRS-1在肝臟而非肌肉中的酪氨酸磷酸化依賴(lài)于營(yíng)養(yǎng)狀態(tài),表明IRS-1的組織特異性和肌肉中胰島素的相對(duì)耐受性(Dupont等,1998)?;驍?shù)據(jù)庫(kù)中已經(jīng)報(bào)道了雞基因組1號(hào)染色體上的IRS-2同源編碼序列(Ensemble release 47,2007年10月,http://www.bl.org/gallus_gallus/index.html),但 IRS-2 蛋白尚未在雞組織中報(bào)道。在雞肝癌細(xì)胞系中IRS-1抑制導(dǎo)致Shc表達(dá)顯著增加,Shc在胰島素作用下也被酪氨酸殘基磷酸化,因此作為額外的胰島素受體底物,在IRS-1缺失的情況下Shc可能為雞組織中胰島素信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)提供另一種途徑(Dupont等,1998)。Shc的酪氨酸磷酸化(52 kDa)依賴(lài)于營(yíng)養(yǎng)狀態(tài):饑餓、禁食后飼喂和注射胰島素后Shc磷酸化增加。在雞肝臟中,Shc主要與52 kDa亞型相互作用,而46 kDa亞型與IRS-1相互作用。Shc亞型的這些優(yōu)先組合在生物學(xué)效應(yīng)方面的結(jié)果仍有待進(jìn)一步確定。52 kDa Shc亞型也與PI3K的p85調(diào)控亞基相互作用,因此,Shc(52 kDa)是雞胰島素受體的關(guān)鍵底物,因?yàn)?,首先它能與PI3K結(jié)合,其次與IRS-1相反,其酪氨酸磷酸化程度取決于胰島素水平。Dupont等(1998)在肝臟中研究了通過(guò)IRS-1或Shc可能存在的不同亞型的胰島素受體復(fù)合物信號(hào),已經(jīng)證明存在一個(gè)涉及胰島素受體、IRS-1、Shc(主要是52 kDa亞型)和PI3K調(diào)控亞基的大型復(fù)合物,而第3個(gè)復(fù)合物包括IRS-1和46 kDa Shc亞型也存在于雞肝中。在哺乳動(dòng)物組織中還沒(méi)有這種相互作用的描述,這些復(fù)合物在雞肝臟中的功能和它們?cè)谄渌M織中是否存在仍有待確定。
哺乳動(dòng)物PI3K是一種雜二聚體,由一個(gè)110 kDa催化亞基和一個(gè)85 kDa含SH2的調(diào)控亞基組成,這兩者是非共價(jià)的,在哺乳動(dòng)物中已經(jīng)描述了8個(gè)不同大小的PI3K調(diào)控亞基和3個(gè)p110亞型(Hirsch等,2007)。IRS 1-4蛋白與所有PI3K調(diào)控亞基相互作用,從而激活催化PI3K亞基,一旦連接到IRS,PI3K磷酸化細(xì)胞膜磷脂形成磷脂酰肌醇4,5-磷酸,從而產(chǎn)生磷脂酰肌醇3,4,5-三磷酸鹽,進(jìn)而作為第二信使來(lái)激活PDK1/2(3-磷酸肌醇-依賴(lài)性激酶-1/2)和3個(gè)已知亞型Akt / PKB(Taniguchi等,2006)。GSK3的失活導(dǎo)致糖原合成酶的去磷酸化和活化,從而加速糖原的合成。Akt在胰島素作用下磷酸化轉(zhuǎn)錄因子,導(dǎo)致轉(zhuǎn)錄因子被排除在細(xì)胞核外,從而阻止轉(zhuǎn)錄因子對(duì)磷酸烯醇丙酮酸羧激酶基因轉(zhuǎn)錄的積極作用。Akt也通過(guò)磷酸化發(fā)揮抗凋亡作用。Akt同時(shí)激活哺乳動(dòng)物雷帕霉素靶蛋白(mTOR),然后,mTOR可能增加啟動(dòng)因子4e結(jié)合蛋白(4E-BP1)和S6K(S6蛋白激酶)的磷酸化。在哺乳動(dòng)物中,PI3K/Akt通路的抑制幾乎阻斷了胰島素的所有代謝活動(dòng),包括刺激葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)、糖原合成和脂質(zhì)合成(Cheatham等,1994)。因此,這種途徑在胰島素代謝過(guò)程有至關(guān)重要的作用。PI3K通路的生物效應(yīng)可以負(fù)調(diào)控PIP3磷脂磷酸酯酶,磷酸酶和SH2脫去磷酸和滅活PIP3(Sleeman等,2005)。
PI3K在雞肝臟、腿部肌肉和雞肝臟癌細(xì)胞系中均有表達(dá),其中PI3K在肝臟中的激活程度取決于幾種實(shí)驗(yàn)?zāi)P椭械臓I(yíng)養(yǎng)狀態(tài)(Dupont等,1998)。此外,胰島素注射PI3K后活性增加,且在胰島素免疫中和后受到抑制。相反,肌肉中PI3K活動(dòng)和酪氨酸磷酸化的IR和IRS-1完全改變了胰島素敏感性。有趣的是,只有52 kDa Shc亞型的磷酸化通過(guò)限飼減少,通過(guò)再飼喂增加。雞和大鼠對(duì)外源性胰島素反應(yīng)的比較表明,這種現(xiàn)象是雞特有的(Dupont等,2008)。此外,雞腿部肌肉中的PI3K活性大約是大鼠的30倍,這種肌肉中PI3K的高活性可能過(guò)度刺激哺乳動(dòng)物中描述的反饋抑制通路(Dupont等,2008),從而使雞肌肉脫敏。在哺乳動(dòng)物中,PI3K自身的p85調(diào)控亞基可以對(duì)IRS信號(hào)通路起到很強(qiáng)的抑制控制作用,但脂質(zhì)磷酸酶(如磷酸烯醇丙酮酸羧激酶)可能是導(dǎo)致肌肉胰島素信號(hào)早期階段相對(duì)胰島素不敏感的原因之一(Taniguchi等,2006)。
對(duì)雞禁食16h后再飼喂30min,胸肌和腓腸肌的p70S6K活性顯著增加,在單次胰島素注射后禁食的雞也是如此(Bigot等,2003)。同樣,新生雛雞肌肉中p70S6K活性與血漿胰島素濃度相關(guān),提示p70S6K的激活具有很強(qiáng)的胰島素依賴(lài)性(Bigot等,2003)。此外,由于胰島素免疫中和作用,磷酸化作用在腿部肌肉的減少,鑒于雞肌肉對(duì)外源性胰島素的相對(duì)胰島素抵抗,這些發(fā)現(xiàn)和Akt的發(fā)現(xiàn)再次令人驚訝(Dupont等,2008)。但最近發(fā)現(xiàn)p70S6K參與了另一個(gè)反饋回路,削弱了胰島素激活PI3K的能力;有證據(jù)表明,p70S6K通過(guò)增加IRS-1的絲氨酸/蘇氨酸磷酸化來(lái)負(fù)調(diào)控胰島素信號(hào)。但在這些條件下,IRS1在絲氨酸632和絲氨酸635殘基上的磷酸化也被誘導(dǎo)(Dupont等,2008)。在哺乳動(dòng)物中,這些位點(diǎn)的磷酸化會(huì)抑制胰島素信號(hào),因此,AKT/p70S6K可能負(fù)調(diào)控雞肌肉IRS1酪氨酸磷酸化。
在哺乳動(dòng)物中,胰島素刺激PIP3的形成在多個(gè)組織的葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)中起關(guān)鍵作用。已經(jīng)鑒定了13個(gè)編碼葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白的基因,但由于其序列與GLUT1相似,這些基因似乎屬于溶質(zhì)載體2A(SLC2A)家族(Joost和 Thorens,2001)。GLUT4是葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)體家族的成員,其特點(diǎn)是在肌肉和脂肪組織中優(yōu)先表達(dá),負(fù)責(zé)胰島素誘導(dǎo)的葡萄糖攝取。胰島素對(duì)肌肉細(xì)胞的刺激導(dǎo)致細(xì)胞表面GLUT4分子數(shù)量的凈增加,調(diào)節(jié)GLUT4表面凈增加的胰島素衍生信號(hào)通路(包括激活PI3K、PDK1/2、非典型蛋白激酶 C、Akt/PKB(Farese等,2005)。
雞肌肉胰島素信號(hào)的另一個(gè)特性與葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)體有關(guān)。在雞的基因組中還沒(méi)有發(fā)現(xiàn)GLUT4的序列編碼,盡管并非所有雞基因組都已測(cè)序,但GLUT4是哺乳動(dòng)物中對(duì)胰島素有反應(yīng)的一種形式。到目前為止,只有GLUT1、GLUT2、GLUT3和GLUT8亞型在雞中被鑒定,未能在鳥(niǎo)中發(fā)現(xiàn)典型的GLUT4蛋白可能是針對(duì)哺乳動(dòng)物GLUT4的抗體缺乏交叉反應(yīng)的結(jié)果(Kono等,2005)。
在哺乳動(dòng)物中,MAPK細(xì)胞外信號(hào)調(diào)節(jié)蛋白激酶1/2(ERK1/2)通路被胰島素通過(guò)IRS或Shc酪氨酸磷酸化激活(Taniguchi等,2006),該通路由3個(gè)序列起作用的激酶組成。MAPK激酶的活化導(dǎo)致MAPKK激酶的磷酸化稱(chēng)為MEK1/2,然后刺激ERK1/2 MAPK活性,通過(guò)蘇氨酸和酪氨酸殘基磷酸化ERK1/2 MAPK調(diào)節(jié)基因的表達(dá),包括通過(guò)一些PI3K通路來(lái)控制細(xì)胞生長(zhǎng)和分化(Avruch,1998)。
MAPK ERK已在各種雞組織中被鑒定,其中ERK2是唯一在家禽組織中檢測(cè)到的磷酸化亞型(Duchene等,2008)。U0126是 MAPK ERK通路的抑制劑,其可以在體外完全消除胰島素誘導(dǎo)的雞成肌細(xì)胞S6K1磷酸化和活性,這表明MAPK ERK2在禽類(lèi)細(xì)胞中通過(guò)胰島素控制S6K1(Duchene等,2008),同時(shí)通過(guò)胰島素免疫中和作用,雞肝臟和肌肉中MAPK ERK2磷酸化水平在體內(nèi)被顯著降低。但MAPK ERK2在雞體內(nèi)的胰島素作用的研究尚未見(jiàn)報(bào)道,但這一信號(hào)通路可能對(duì)雞的生長(zhǎng)至關(guān)重要,由于上游的Shc似乎是雞肌肉胰島素受體的關(guān)鍵底物,這一通路可能參與了p70S6K的胰島素依賴(lài)調(diào)控。
本文綜述了目前關(guān)于家禽和哺乳動(dòng)物胰島素信號(hào)傳導(dǎo)的基礎(chǔ)知識(shí),但關(guān)于家禽的數(shù)據(jù)并不完整。在涉及雞胰島素級(jí)聯(lián)反應(yīng)(IRSs、AKT、ERK等)的亞型數(shù)量時(shí)尤為明顯,而這些亞型的數(shù)量尚未被確定。這些亞型在哺乳動(dòng)物中并不多余,但有些基因可能在雞的基因組中缺失。此外,在蛋白質(zhì)水平上的一些研究是困難的,部分原因是缺乏相應(yīng)的抗體與雞蛋白的交叉反應(yīng)。在胰島素結(jié)合激活后,其底物包括IRS(胰島素受體底物)蛋白和Shc(Src同源蛋白)中的酪氨酸殘基被自磷酸化和磷酸化,這些底物中的特定結(jié)構(gòu)域與其他幾種蛋白質(zhì)相互作用。與IRSs相互作用的主要復(fù)合物之一是PI3K。AKT通過(guò)mTOR(哺乳動(dòng)物雷帕霉素靶蛋白)以及隨后激活p70S6K(p70核糖體蛋白S6激酶)和4EBP1(真核翻譯起始因子4e結(jié)合蛋白1)來(lái)控制蛋白的合成。AKT也刺激細(xì)胞生長(zhǎng)分化,通過(guò)磷酸化發(fā)揮抗凋亡作用。最后,PI3K激活非典型蛋白激酶C,后者與AKT協(xié)同作用。在肌肉和脂肪細(xì)胞中,PI3K啟動(dòng)細(xì)胞內(nèi)葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)體4(GLUT4)在細(xì)胞膜上的易位刺激葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)。