葡萄糖轉(zhuǎn)運蛋白在血糖穩(wěn)態(tài)調(diào)節(jié)中的功能

張凱藝, 謝 寧, 葉華瓊,2, 楊述林*

1.中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院北京畜牧獸醫(yī)研究所, 北京 100193;2.安徽科技學(xué)院動物科學(xué)學(xué)院, 安徽 滁州 233100

葡萄糖是人體的主要供能物質(zhì)，其代謝過程中產(chǎn)生的各種中間產(chǎn)物也可為其他營養(yǎng)物質(zhì)的代謝提供碳架和前體。機體的血糖水平受到多種因素的精密調(diào)節(jié)，血糖過低會引起中樞神經(jīng)系統(tǒng)損傷；血糖過高則會造成多種組織器官大血管和微血管糖毒性傷害。血糖穩(wěn)態(tài)失衡與肥胖、糖尿病、非酒精性脂肪肝等多種代謝性疾病的發(fā)生密切相關(guān)。國際糖尿病聯(lián)盟2017年底統(tǒng)計結(jié)果顯示，全世界糖尿病患者人數(shù)已達(dá)4.25億[1]，其中以胰島素抵抗(insulin resistance，IR)并伴有胰島素分泌不足為特征的T2DM患者約占90%。T2DM的發(fā)生受遺傳、飲食和生活方式等綜合因素影響，病因多樣，發(fā)病機制復(fù)雜，目前仍缺乏有效治療方案。通過全基因組關(guān)聯(lián)分析，人們已經(jīng)篩選出100多個T2DM易感基因[2]，其中已成功應(yīng)用于基因診斷和藥物開發(fā)的基因包括：鉀離子通道蛋白(KCNJ11)、胰高血糖素樣肽-1受體(GLP-1R)、過氧化物酶體增殖物激活受體γ(PPARγ)等基因[3～5]，它們在胰島素分泌、糖脂代謝和細(xì)胞增殖等關(guān)鍵通路中發(fā)揮重要作用。

血糖穩(wěn)態(tài)的調(diào)控依賴多個組織器官的協(xié)同作用，各組織通過吸收、消耗、儲存葡萄糖或釋放激素及代謝產(chǎn)物來感知或調(diào)節(jié)血糖[6]。葡萄糖轉(zhuǎn)運蛋白(glucose transporter, GluT)由SLC2A(solute linked carrier family 2, subfamily A)基因編碼，包括3組共14個成員，其中Ⅰ組GluT(GluT1、GluT2、GluT3和GluT4)在體內(nèi)分布最廣泛、表達(dá)量最高，發(fā)揮最主要的葡萄糖轉(zhuǎn)運功能[7, 8]。Ⅰ組GluT成員的底物轉(zhuǎn)運特性與其分布組織在血糖穩(wěn)態(tài)調(diào)節(jié)中的功能相適應(yīng)(表1)。GluT1具有與基礎(chǔ)血糖相近的Km值，維持全身各組織器官葡萄糖攝取效率的穩(wěn)定[9]；GluT2對葡萄糖具有低親和力和高轉(zhuǎn)運效率，對高糖環(huán)境敏感，有助于肝臟高效發(fā)揮血糖調(diào)節(jié)的功能，并在神經(jīng)系統(tǒng)的葡萄糖感受中起到關(guān)鍵作用，已成為糖尿病藥物研發(fā)的重要靶標(biāo)[10]；GluT3的底物親和力最高，保證中樞神經(jīng)系統(tǒng)優(yōu)先利用葡萄糖[11]；GluT4是Ⅰ組GluT中唯一胰島素敏感的轉(zhuǎn)運蛋白，骨骼肌和脂肪的胰島素敏感性依賴于GluT4的功能；GluT4表達(dá)與囊泡轉(zhuǎn)位缺陷與T2DM患者外周組織的IR密切相關(guān)，已成為抗T2DM藥物開發(fā)研究的熱點[12]。目前，從機體血糖穩(wěn)態(tài)整體調(diào)節(jié)角度對Ⅰ組GluT功能及作用的系統(tǒng)介紹較少。本文分別對胰島、肝臟、脂肪、骨骼肌、神經(jīng)系統(tǒng)和大腦等關(guān)鍵組織在血糖穩(wěn)態(tài)調(diào)節(jié)中的作用，以及Ⅰ組GluT在這些組織中的功能進行闡述，以期為T2DM及相關(guān)代謝疾病的診斷、治療和動物模型構(gòu)建等提供參考。

表1 Ⅰ組葡萄糖轉(zhuǎn)運蛋白的分布與功能Table 1 Distribution and function of Class Ⅰ of GLUTs.

1 GluT在胰島β細(xì)胞中的作用

胰島在機體血糖穩(wěn)態(tài)調(diào)控的過程中發(fā)揮核心作用，機體主要的兩大血糖調(diào)節(jié)激素——胰高血糖素和胰島素，分別由胰島α細(xì)胞和胰島β細(xì)胞合成分泌。胰島β細(xì)胞感受血糖升高并分泌胰島素的過程被稱為葡萄糖刺激的胰島素分泌(glucose-stimulate insulin secretion，GSIS)：餐后血糖上升，經(jīng)GluT進入β細(xì)胞的葡萄糖增加，并在葡萄糖激酶(glucose kinase，GK)的作用下迅速轉(zhuǎn)化為6-磷酸葡萄糖(G6P)，其進入線粒體氧化分解，產(chǎn)生大量ATP；ATP/ADP比的升高導(dǎo)致ATP依賴性K+通道關(guān)閉，使膜發(fā)生去極化，引起電壓門控性Ca2+通道開放，Ca2+內(nèi)流，導(dǎo)致胰島素的釋放(圖1)。葡萄糖磷酸化為G6P的過程是GSIS及胰島素釋放的限速步驟，GK基因缺陷會導(dǎo)致青少年患成人型糖尿病(MODY)。雖然葡萄糖轉(zhuǎn)運并不是胰島素分泌的限速步驟，但GluT與高Km的GK共同構(gòu)成了β細(xì)胞對血糖的感受器，起著允許作用[13]，β細(xì)胞的葡萄糖轉(zhuǎn)運過程是GSIS必須的。

圖1 胰島β細(xì)胞GSIS的機制Fig.1 Mechanism of GSIS in islet β-cells.注：GLUT：葡萄糖轉(zhuǎn)運蛋白；GK：葡萄糖激酶；G6P：6-磷酸葡萄糖；PDX-1：胰腺十二指腸同源盒因子1；HNF1α：肝細(xì)胞核因子-1α；HNF1β：肝細(xì)胞核因子-1β。

值得注意的是，嚙齒動物與人類β細(xì)胞表面的GluT種類存在差異，嚙齒動物β細(xì)胞以低底物親和力的GluT2(Km≈16.2mmol/L)為主要葡萄糖載體，而人類β細(xì)胞以較高底物親和力的GluT1(Km≈6.9mmol/L)為主。GluT2敲除的小鼠缺乏GSIS，并且在10～15日齡即表現(xiàn)出胰島素分泌障礙、高血糖、血漿胰高血糖素和游離脂肪酸(free fatty acid, FFA)水平上升等T2DM癥狀，大部分個體在2～3周齡時死亡[14]；而在其β細(xì)胞恢復(fù)表達(dá)GluT1或GluT2后，GSIS都可以得到恢復(fù)[15]；說明β細(xì)胞的GSIS依賴于細(xì)胞膜上GluT的總體葡萄糖轉(zhuǎn)運能力，而非某一特定類型的GluT。

GluT表達(dá)的缺失造成β細(xì)胞葡萄糖攝取的障礙，從而失去GSIS[16]。例如：T2DM患者β細(xì)胞對于葡萄糖的敏感性降低與其GluT1和GluT2表達(dá)下調(diào)相關(guān)[17,18]。Zuker肥胖糖尿病大鼠、自身免疫性糖尿病大鼠等糖尿病動物胰島β細(xì)胞GluT2表達(dá)下降。高脂飲食誘導(dǎo)小鼠的血漿FFA水平上升，GluT2表達(dá)下降，并出現(xiàn)肥胖相關(guān)糖尿病的早期癥狀[19]；在移植健康鼠的胰島后，糖尿病小鼠β細(xì)胞的GluT2表達(dá)和GSIS可以恢復(fù)[20,21]。以上研究表明，依賴于GluT的β細(xì)胞葡萄糖攝取障礙是糖尿病發(fā)生的機制之一。

2 GluT在肝臟中的作用

肝臟是血糖穩(wěn)態(tài)調(diào)節(jié)的關(guān)鍵組織。正常情況下，肝臟的糖原合成、分解以及糖異生在維持血糖濃度穩(wěn)定的過程中發(fā)揮主要作用。肝臟在餐后血糖升高和胰島素升高條件下快速攝取葡萄糖并以肝糖原形式儲存，而饑餓、運動及其他胰島素與抗胰島素因子比例降低時將葡萄糖釋放到血液循環(huán)。肝臟表面最主要的GluT是GluT2，葡萄糖的流向取決于其在肝細(xì)胞內(nèi)外的濃度差。肝細(xì)胞表面的GluT2具有高Km值，因而在餐后高血糖時具有很高的葡萄糖攝取效率。通過GluT2進入肝細(xì)胞的葡萄糖在GK的作用下迅速轉(zhuǎn)化為G-6-P，維持細(xì)胞內(nèi)較低的葡萄糖濃度，使血液中的葡萄糖得以持續(xù)流入肝細(xì)胞并儲存。肝細(xì)胞中升高的葡萄糖通過磷酸戊糖途徑產(chǎn)生的5-磷酸木糖激活蛋白磷酸酶2，使碳水化合物反應(yīng)元件結(jié)合蛋白(ChREBP)去磷酸化[22,23]并進入細(xì)胞核，激活丙酮酸激酶、乙酰CoA羧激酶和脂肪酸合酶等基因的轉(zhuǎn)錄，從而加強肝細(xì)胞的糖酵解和脂合成。同時，胰島素信號通過Akt通路促進叉頭樣轉(zhuǎn)錄因子O1(FOXO1)的磷酸化，使葡糖異生相關(guān)酶表達(dá)水平下調(diào)，降低糖異生和肝糖輸出，并增加肝臟的糖原合成與儲存[10]?？崭?fàn)顟B(tài)下，血液循環(huán)中低血糖、低胰島素和高胰高血糖素的環(huán)境使肝臟葡萄糖激酶活性降低，糖原分解和糖異生相關(guān)酶活性升高，導(dǎo)致肝細(xì)胞葡萄糖濃度的升高，并由GluT2順濃度梯度擴散入血竇。

在小鼠肝臟中特異性敲除GluT2(LG2KO)后[24]，肝臟的糖攝取受阻，但LG2KO鼠的骨骼肌葡萄糖攝取能力升高，從而代償性地維持餐后血糖平衡；同時，由于LG2KO鼠缺乏依賴GluT2的肝臟糖輸出過程，空腹?fàn)顟B(tài)下肝細(xì)胞內(nèi)葡萄糖和G-6-P濃度升高，并通過ChREBP激活糖酵解和脂合成相關(guān)基因的表達(dá)；另外，LG2KO鼠血液和糞便膽汁酸水平下降，并逐漸表現(xiàn)出β細(xì)胞功能障礙和葡萄糖不耐受。以上研究結(jié)果說明，GluT2在肝臟糖代謝相關(guān)基因的表達(dá)調(diào)控中發(fā)揮了重要的作用，并可以進一步通過膽汁酸-Fxr-KATP途徑調(diào)節(jié)β細(xì)胞的GSIS效應(yīng)[25,26]。雖然肝臟GluT2基因的缺失不會直接影響血糖穩(wěn)態(tài)，但肝臟GluT2缺失引起的葡萄糖代謝的改變可以影響β細(xì)胞的功能，最終導(dǎo)致血糖穩(wěn)態(tài)調(diào)節(jié)障礙。

3 GluT在脂肪中的作用

脂肪作為高容量的能量儲存庫，在維持機體血糖穩(wěn)態(tài)過程中發(fā)揮著重要作用。脂肪組織是最重要的胰島素敏感組織之一，胰島素可以促進其成脂分化、葡萄糖攝取以及甘油三酯合成。脂肪也是重要內(nèi)分泌器官，最早發(fā)現(xiàn)的瘦素[14]具有抑制食欲和抵抗肥胖功能；脂肪組織還可分泌脂聯(lián)素、抵抗素和腫瘤壞死因子α(TNF-α)等細(xì)胞因子，在肥胖介導(dǎo)的胰島素敏感性下降和慢性炎癥中起著至關(guān)重要的作用。脂代謝紊亂引起的甘油三酯和FFA水平升高是T2DM的典型臨床癥狀。

脂肪組織的胰島素敏感性依賴于GluT4。無胰島素作用時，GluT4主要儲存在儲存囊泡中，并通過循環(huán)囊泡實現(xiàn)細(xì)胞膜表面與胞內(nèi)GluT4的動態(tài)平衡。胰島素信號作用于胰島素受體，通過Akt等通路激活GluT4的囊泡運輸，使GluT4迅速大量分布于細(xì)胞膜表面，從而激活脂肪的葡萄糖攝取[27]。在胰島素作用下，雖然進入脂肪組織的葡萄糖只占10%[6]，但脂肪特異性敲除GluT4的小鼠出現(xiàn)骨骼肌和肝臟IR、高血糖以及高胰島素血癥，與GluT4全身敲除小鼠相似[28～30]。在骨骼肌敲除GluT4的小鼠的脂肪中特異性過表達(dá)GluT4后，小鼠的脂肪沉積和血液FFA水平略有上升，但卻改善了小鼠的糖耐量和全身胰島素的敏感性[31]。這些研究結(jié)果證明脂肪組織在血糖穩(wěn)態(tài)中能夠起到關(guān)鍵的調(diào)控作用，而這一作用依賴于GluT4的功能。T2DM患者持續(xù)的高胰島素導(dǎo)致脂肪組織GluT4表達(dá)下調(diào)，并抑制GluT4囊泡對胰島素的響應(yīng)[32]，這可能造成T2DM患者進一步的胰島素抵抗。

4 GluT在骨骼肌中的作用

骨骼肌是機體最大的能量消耗場所和胰島素敏感組織，其能量代謝方式復(fù)雜，并受到精細(xì)的調(diào)節(jié)。休息狀態(tài)下，骨骼肌的主要能量來源是FFA；餐后或運動后，骨骼肌可以攝取葡萄糖并合成肌糖原儲存；運動或饑餓時，肌糖原反應(yīng)性分解供能。餐后胰島素作用下，由骨骼肌處理的葡萄糖約占70%～85%[33]。骨骼肌也是機體最大的糖原儲存器官，但由于缺乏葡萄糖-6-磷酸酶，肌糖原只能分解供能，無法再產(chǎn)生葡萄糖進入血液。

葡萄糖轉(zhuǎn)運是骨骼肌吸收利用葡萄糖的限速步驟。骨骼肌細(xì)胞表面的GluT也是胰島素敏感的GluT4，在受到胰島素刺激或肌肉收縮刺激時可以迅速激活，將大量葡萄糖轉(zhuǎn)運至細(xì)胞內(nèi)。骨骼肌過表達(dá)GluT4的小鼠具有更強的血糖處理能力[34]。骨骼肌特異性敲除GluT4則阻斷了小鼠骨骼肌的葡萄糖攝取，導(dǎo)致糖耐量受損和IR[35,36]。骨骼肌特異性敲除胰島素受體的小鼠喪失骨骼肌胰島素響應(yīng)，但其脂肪胰島素敏感性代償性提高、脂沉積增加、血漿甘油三酯和FFA水平升高，小鼠具有正常的葡萄糖耐量[37,38]。這說明骨骼肌中還存在不依賴于胰島素的葡萄糖攝取信號通路。進一步研究發(fā)現(xiàn)，肌肉收縮刺激可以通過Ca2+濃度或腺苷酸活化蛋白激酶(AMP-activated protein kinase, AMPK)通路激活GluT4向膜的轉(zhuǎn)位[27]。

肌糖原缺乏是T2DM患者骨骼肌的特征之一，糖原合成的減少是由葡萄糖轉(zhuǎn)運效率下降和GK活性的改變造成的。T2DM患者的骨骼肌GluT4總蛋白水平和運動介導(dǎo)的葡萄糖攝取能力正常，而胰島素介導(dǎo)的葡萄糖攝取能力降低，這說明可能是其胰島素信號轉(zhuǎn)導(dǎo)系統(tǒng)的缺陷導(dǎo)致了GluT4轉(zhuǎn)位受阻，從而影響了骨骼肌葡萄糖攝取及糖原合成。研究表明，適度鍛煉可以提高骨骼肌的胰島素敏感性[39]，從而緩解部分早期T2DM癥狀。

5 GluT在腸道中的作用

消化道中的葡萄糖主要依靠鈉葡萄糖同向轉(zhuǎn)運體(sodium glucose cotransporter，SGLT)的主動運輸進入小腸黏膜上皮細(xì)胞，經(jīng)過細(xì)胞內(nèi)運輸后，再借助于基底膜上GluT2的協(xié)助擴散作用被動地運送到全身[40]。當(dāng)小腸中的葡萄糖濃度超過SGLT的最大轉(zhuǎn)運能力后，小腸黏膜上皮細(xì)胞的GluT2也可以分布至頂膜，參與葡萄糖的吸收[41]；腸腔內(nèi)升高的葡萄糖通過甜味受體亞基(T1R3)、α-味轉(zhuǎn)導(dǎo)素(α-gustducin)以及AMPK信號通路調(diào)節(jié)GluT2的表達(dá)和囊泡運輸[42]。

小腸GluT2的功能除介導(dǎo)葡萄糖的吸收和擴散外，還在調(diào)節(jié)小腸微絨毛長度、L細(xì)胞功能、腸道通透性和炎癥反應(yīng)中發(fā)揮作用[43]。首先，GluT2小腸特異性敲除減弱了近端小腸對葡萄糖的吸收、延遲葡萄糖向腸道周圍組織的分布、減少微絨毛的長度，從而模擬營養(yǎng)吸收不良的狀態(tài)。其次，近端葡萄糖吸收的減少會增加葡萄糖向遠(yuǎn)端腸道的輸送，從而為遠(yuǎn)端腸道微生物群提供新的可發(fā)酵能量來源；這些細(xì)菌可通過產(chǎn)生丁酸鹽減少促炎細(xì)胞因子的表達(dá)，降低腸道通透性，對維持腸道穩(wěn)態(tài)發(fā)揮積極作用。另外，GluT2的缺失雖然使腸道L細(xì)胞密度降低，但同時加強了L細(xì)胞胰高血糖素樣肽-1(GLP-1)的分泌，因而不影響血液中GLP-1的含量。因此，通過藥物特異性地阻斷小腸GluT2活性或可為防止體重增加和代謝紊亂提供新思路。

6 GluT在神經(jīng)系統(tǒng)與大腦中的作用

大腦不儲存糖原和甘油三酯等能量，但需要持續(xù)的能量供應(yīng)。大腦能夠直接利用葡萄糖，但不能直接利用FFA。早期饑餓狀態(tài)下，肝糖原分解和糖異生產(chǎn)生葡萄糖入血，并優(yōu)先保證大腦的利用，此時葡萄糖仍是中樞神經(jīng)系統(tǒng)的唯一燃料；其他組織葡萄糖氧化利用減少，轉(zhuǎn)而利用FFA供能。長期饑餓狀態(tài)下，大腦則可以利用由FFA轉(zhuǎn)化而來的酮體提供能量。

動物大腦的葡萄糖攝取主要依靠GluT1和GluT3。GluT1在構(gòu)成血腦屏障的微血管內(nèi)皮細(xì)胞和除神經(jīng)元外的腦實質(zhì)表達(dá)[11]，Km值約為6.9 mmol/L，與基礎(chǔ)血糖相近。GluT1負(fù)責(zé)控制葡萄糖由血液循環(huán)穩(wěn)定地通過血腦屏障進入腦脊液，以保證大腦充足、穩(wěn)定的葡萄糖流量。GluT1缺陷綜合癥患者由于大腦的葡萄糖供應(yīng)不足，會出現(xiàn)包括小兒耐藥性癲癇、發(fā)育遲緩、痙攣、共濟失調(diào)、復(fù)雜運動障礙等[44]。GluT3主要在神經(jīng)元表達(dá)，相較于其他3個Ⅰ組GluT成員具有最高的底物親和力(Km≈1.4 mmol/L)和較大的轉(zhuǎn)運效率[11]。腦脊液的葡萄糖濃度平均只有1～2 mmol/L，遠(yuǎn)低于循環(huán)系統(tǒng)中的平均葡萄糖濃度，因此，GluT1和GluT3的精妙組合既能消除循環(huán)系統(tǒng)血糖瞬時升高對大腦的沖擊，又可以確保神經(jīng)元對于葡萄糖的優(yōu)先使用權(quán)，且始終有充足的能量供應(yīng)。

GluT除具有維持大腦和神經(jīng)系統(tǒng)能量供應(yīng)的功能之外，還在神經(jīng)系統(tǒng)的葡萄糖感受中起到重要的作用。GluT2在下丘腦、腦干、腦室內(nèi)神經(jīng)元、星形膠質(zhì)細(xì)胞以及肝門靜脈內(nèi)葡萄糖感受器中都有表達(dá)。GluT2依賴的葡萄糖敏感神經(jīng)元可以通過迷走神經(jīng)和交感神經(jīng)控制動物的采食、體溫調(diào)節(jié)以及胰島的增殖與功能。首先，中樞葡萄糖感受器的作用依賴GluT2的表達(dá)[45, 46]。下丘腦弓狀核能感知葡萄糖濃度的升高，并通過分泌神經(jīng)肽Y(NPY)調(diào)節(jié)食欲、產(chǎn)熱和胰島素釋放。進一步研究發(fā)現(xiàn)，雖然NPY神經(jīng)元不表達(dá)GluT2，但與表達(dá)GluT2的神經(jīng)元存在突觸連接。中樞中GluT2依賴的葡萄糖感受器通過黑皮質(zhì)素途徑影響NPY神經(jīng)元對于瘦素的敏感性，調(diào)控采食和產(chǎn)熱[47]。其次，GluT2也參與植物性神經(jīng)對于胰島功能的調(diào)控。神經(jīng)特異性GluT2敲除小鼠(NG2KO)的副交感神經(jīng)放電頻率下降，且腹腔葡萄糖注射無法引起副交感神經(jīng)的激活或交感神經(jīng)的抑制。NG2KO小鼠哺乳期的β細(xì)胞增殖相對于對照組減少了一半，并造成成年后的β細(xì)胞數(shù)減少了30%，說明副交感神經(jīng)在促進細(xì)胞增殖及維持成年β細(xì)胞數(shù)量方面具有重要的作用，而GluT2的功能在其中是不可或缺的[48, 49]。最后，肝門靜脈存在豐富的迷走神經(jīng)傳入支，當(dāng)肝門靜脈葡萄糖濃度升高時，其中的葡萄糖感受器被激活，引起第一相胰島素分泌，抑制胰高血糖素分泌，并引起食欲抑制和骨骼肌與脂肪的糖攝取增強[50]。GluT2敲除鼠失去血糖對胰高血糖素分泌的調(diào)控，通過神經(jīng)節(jié)阻滯可以恢復(fù)胰高血糖素的水平[14]，表明門靜脈葡萄糖感受器的功能依賴于GluT2的表達(dá)。

7 展望

綜上所述，Ⅰ組GluT成員對于機體血糖的穩(wěn)態(tài)調(diào)節(jié)至關(guān)重要，它們的異常表達(dá)會導(dǎo)致器官或組織的功能紊亂，與T2DM等代謝疾病甚至腫瘤的發(fā)生密切相關(guān)。當(dāng)下，科學(xué)家們正致力于分析疾病發(fā)生過程中GluT表達(dá)模式的變化，將其運用于疾病診斷，并開發(fā)相應(yīng)的治療方法；在針對GluT開發(fā)藥物時，不能忽視GluT在各類組織中所發(fā)揮的獨特作用，以及GluT之間可能存在的相互代償表達(dá)的關(guān)系。另外，目前仍缺少理想的大動物模型用于T2DM等慢性代謝疾病的臨床研究；GluT作為糖代謝過程中的關(guān)鍵蛋白，可能成為構(gòu)建代謝疾病大動物模型時的重要基因修飾位點。從調(diào)控血糖穩(wěn)態(tài)關(guān)鍵組織的功能出發(fā)解析GluT在其中發(fā)揮的作用，有助于我們更直觀地了解GluT家族各成員的特性與其分布組織器官的關(guān)系，以及相關(guān)代謝通路在血糖穩(wěn)態(tài)調(diào)控中的作用。GluT及其相關(guān)生物學(xué)過程作為已知或潛在的藥物靶點，為T2DM等代謝疾病的診斷和治療提供了新的思路，值得進行更深入的研究和探討。