PDX-1/MafA與Akt/PKB通路調(diào)控NIDDM發(fā)病機(jī)理

李鳳林，劉靜雪，謝 天，馬 龍，代 嬌

(1.吉林農(nóng)業(yè)科技學(xué)院 食品工程學(xué)院，吉林 吉林 132101；2.吉林省釀造技術(shù)科技創(chuàng)新中心，吉林 吉林 132101)

非胰島素依賴(lài)型糖尿病(NIDDM)是由于不同原因引起胰島素分泌缺陷和(或)胰島素作用缺陷導(dǎo)致糖、蛋白質(zhì)、脂肪代謝異常的內(nèi)分泌疾病，遺傳和環(huán)境因素均參與了該病的發(fā)生，其特征是肝葡萄糖輸出增加，胰島素抵抗(IR)以及胰島素分泌受損[1]。IR從根本上說(shuō)是胰島素結(jié)合到受體后引發(fā)受體缺陷而引起胰島素信號(hào)傳導(dǎo)損傷，其被認(rèn)為是引發(fā)NIDDM的始發(fā)因素，許多原發(fā)的、繼發(fā)的因素可能參與其發(fā)生。IR發(fā)展的程度主要由肥胖、運(yùn)動(dòng)、遺傳、飲食等方面來(lái)決定[2，3]。胰島素是由胰腺β細(xì)胞合成和產(chǎn)生的，是葡萄糖平衡的主要調(diào)節(jié)劑和關(guān)鍵激素，能增加肌肉和脂肪中葡萄糖吸收，并減少肝中葡萄糖合成。胰島素既可以通過(guò)對(duì)肝臟的直接作用，又可以通過(guò)抑制脂肪組織脂解和限制糖原異生底物的傳遞的間接作用來(lái)控制肝臟葡萄糖的產(chǎn)生[4]。正常人肝葡萄糖生成與空腹血糖之間存在相關(guān)性，吸收后的肝葡萄糖生成增加。但是，在NIDDM患者中，由于糖異生作用導(dǎo)致葡萄糖和糖原生成高，糖原分解低；盡管NIDDM患者的胰島素濃度可高于正常，但肝葡萄糖的產(chǎn)生仍超出正常范圍[5]。長(zhǎng)期大量攝入以葡萄糖形式迅速吸收的碳水化合物(CHO)會(huì)增加患NIDDM的風(fēng)險(xiǎn)。在動(dòng)物和人體短期實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，與低血糖指數(shù)(GI)值CHO攝入相比，高GI值CHO的攝入產(chǎn)生IR更大[6]，因此國(guó)際碳水化合物質(zhì)量協(xié)會(huì)(ICQC)在2015年《國(guó)際科學(xué)共識(shí)峰會(huì)》中指出，應(yīng)把低GI值食物考慮為健康飲食，其對(duì)具有IR的個(gè)體特別重要[7]。近年來(lái)，NIDDM的發(fā)病及調(diào)控機(jī)制已被大量研究，目前已揭示的主要包括氧化應(yīng)激作用、PKB途徑、PKC通路、PDX-1/MafA途徑和PPAR激活等[8-11]。本文綜述了MafA/PDX-1、Akt/PKB信號(hào)通路在NIDDM發(fā)病機(jī)理中的作用，以期為在分子水平上篩選治療NIDDM的天然產(chǎn)物(NPs)及低GI值食物的開(kāi)發(fā)提供理論依據(jù)。

1 PDX-1/MafA信號(hào)通路在NIDDM發(fā)病機(jī)理中的作用

1.1 PDX-1/MafA的生物學(xué)特征

胰腺-十二指腸同源框-1(Pancreatic duodenal homeobox-1，PDX-1)，又稱(chēng)為胰島素促進(jìn)因子-1，是一種重要的胰島素轉(zhuǎn)錄因子，最早是在研究胰島的激素基因表達(dá)調(diào)控過(guò)程中被發(fā)現(xiàn)的，其在調(diào)節(jié)胰腺發(fā)育和胰島素基因轉(zhuǎn)錄中起核心作用[12]。PDX-1蛋白由283個(gè)氨基酸組成，分子量為30.64 kD；由于蛋白翻譯后修飾原因，內(nèi)源性PDX-1分子量通常被檢測(cè)為46 kD。PDX-1的N端包含1個(gè)反激活區(qū)域，中間有1個(gè)同源結(jié)構(gòu)域；在這個(gè)同源結(jié)構(gòu)域內(nèi)存在1個(gè)觸角樣蛋白轉(zhuǎn)導(dǎo)結(jié)構(gòu)域(PTD)和核定位信號(hào)(NLS)基序RRMKWKK(197～203 aa)，能使PDX-1能進(jìn)行核導(dǎo)入。在PDX-1的C末端有1個(gè)保守基序介導(dǎo)PDX-1-PCIF1的相互作用，抑制PDX-1的轉(zhuǎn)錄活性[14]。

PDX-1基因位于人類(lèi)染色體13q12.1，由2個(gè)外顯子組成，跨度約為6 kb。在PDX-1的啟動(dòng)子區(qū)域中，有3個(gè)高度保守的區(qū)域，分別稱(chēng)為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ區(qū)，位于-2 800和-1 600堿基對(duì)(bp)之間；第4個(gè)遠(yuǎn)端增強(qiáng)子元件稱(chēng)為Ⅳ區(qū)，位于-6 500和-6 045 bp之間，其含有肝細(xì)胞核因子-1α(HNF-1α)、肝細(xì)胞核因子-3β(HNF-3β)、肝細(xì)胞核因子-6(HNF-6)、叉頭盒蛋白 A1(FOXA1)、叉頭盒蛋白 A2(FOXA2)、配對(duì)盒-6(PAX-6)等多個(gè)轉(zhuǎn)錄因子和轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)因子。Ⅰ區(qū)和Ⅱ區(qū)賦予內(nèi)分泌表達(dá)，Ⅲ區(qū)賦予β細(xì)胞特異性，Ⅳ區(qū)能使胰腺β細(xì)胞特異性基因表達(dá)并提高近端增強(qiáng)子活性[15]。PDX-1在不同階段表達(dá)的細(xì)胞不一致。在發(fā)育早期，大多數(shù)胰腺細(xì)胞都表達(dá)PDX-1；但是隨著發(fā)育成熟，只有β細(xì)胞、d細(xì)胞和十二指腸的內(nèi)分泌細(xì)胞中PDX-1高水平表達(dá)，而某些導(dǎo)管細(xì)胞和腺泡細(xì)胞中表達(dá)很低[16]。

肌腱膜纖維肉瘤癌基因同系物A(MafA)是唯一在胰島β細(xì)胞中表達(dá)或在胰島細(xì)胞發(fā)育過(guò)程中以受限方式表達(dá)的富含胰島的轉(zhuǎn)錄因子，屬于巨噬細(xì)胞激活因子(Macrophage-activating factor，Maf)家族，是胰島素基因轉(zhuǎn)錄的有效活化劑[17]。Maf家族由4個(gè)大Maf蛋白(MafA/L-Maf，MafB/Kreisler，c-Maf，NRL)和3個(gè)小Maf蛋白(MafF，MafG，MafK)組成。4個(gè)大Maf蛋白都包含1個(gè)基本基序，后接1個(gè)亮氨酸鏈，帶有充當(dāng)轉(zhuǎn)錄激活域的酸性域[18]。MafA蛋白對(duì)于胰島素基因轉(zhuǎn)錄復(fù)合物的組裝和功能至關(guān)重要，是通過(guò)連接胰島基因啟動(dòng)區(qū)域的順式作用元件RIPE3b來(lái)響應(yīng)由血清葡萄糖水平調(diào)節(jié)的胰島素轉(zhuǎn)錄[19]。在MafA蛋白缺乏的小鼠體內(nèi)，其PDX-1、β細(xì)胞E盒轉(zhuǎn)錄激活因子-2(Beta-2)、神經(jīng)源性分化蛋白(NeuroD)等轉(zhuǎn)錄因子的表達(dá)明顯降低，β與α細(xì)胞比值減弱，從而影響胰島素分泌[20]。

1.2 MafA/PDX-1信號(hào)通路與糖尿病治療

PDX-1通過(guò)調(diào)節(jié)許多特異性基因表達(dá)來(lái)促進(jìn)胰腺發(fā)育、β細(xì)胞分化及維持成熟細(xì)胞功能；PDX-1還可直接控制胰島素基因，編碼葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白2(Slc2a2)基因、胰島淀粉樣多肽(IAPP)前體、配對(duì)盒-4(PAX-4)、突觸結(jié)合蛋白1(syt1)以及PDX-1自身的表達(dá)[21]。在胰腺發(fā)育過(guò)程中，PDX-1在前體細(xì)胞中得以表達(dá)，隨后限制在β細(xì)胞中；在成熟β細(xì)胞中，PDX-1調(diào)節(jié)包括胰島素在內(nèi)的各種β細(xì)胞相關(guān)因子的基因表達(dá)[22]。PDX-1的活性需要與髓系親嗜性白血病病毒整合位點(diǎn)(MEIS)蛋白等輔助因子協(xié)調(diào)[23]。

PDX-1本身只能弱激活非β細(xì)胞中的胰島素啟動(dòng)子，但在某些不產(chǎn)生胰島素的胰島細(xì)胞中，PDX-1強(qiáng)制表達(dá)可以激活內(nèi)源性胰島素基因[24]。研究證實(shí)，PDX-1基因定向破壞的純合小鼠不能發(fā)育成胰腺，出生后不久即死亡；而靶向破壞PDX-1基因雜合小鼠正常發(fā)育，但是清除葡萄糖能力受損。此外，PDX-1基因選擇性失活會(huì)導(dǎo)致β細(xì)胞消失和功能障礙，胰島素產(chǎn)生受損以及糖尿病癥狀出現(xiàn)[25]。在高血糖狀態(tài)下，PDX-1由組蛋白乙酰轉(zhuǎn)移酶(HAT)與組蛋白甲基轉(zhuǎn)移酶(EHMT)介導(dǎo)結(jié)合于胰島素啟動(dòng)子，使胰島素染色體結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，促進(jìn)胰島素的轉(zhuǎn)錄[26]。在小鼠中進(jìn)行的基因破壞實(shí)驗(yàn)表明，PDX-1在胰島素基因調(diào)控及胰島發(fā)育和功能中均起著關(guān)鍵作用。此外，已在NIDDM患者群體中鑒定出PDX-1基因的突變。

MafA基因獨(dú)自作用時(shí)，對(duì)胰島素轉(zhuǎn)錄影響很少，但當(dāng)其與PDX-1、Beta-2聯(lián)合作用時(shí)，能使非β細(xì)胞系中胰島素基因協(xié)同轉(zhuǎn)錄，明顯促進(jìn)胰島素生成。MafA、PDX-1、Beta 2三者協(xié)同作用可造成胰島素基因β細(xì)胞的限制性表達(dá)，這種協(xié)同作用能通過(guò)各自順式作用因子和共同激活作用來(lái)增強(qiáng)跨因子間親和力，進(jìn)而穩(wěn)定DNA蛋白質(zhì)復(fù)合物[27]。

研究證實(shí)，MafA基因雜合小鼠在出生早期表現(xiàn)為血糖升高、體重減輕、胰島素產(chǎn)生能力下降等[28]。MafA基因缺乏的小鼠出生時(shí)胰島形態(tài)結(jié)構(gòu)是正常的，但隨著年齡增長(zhǎng)，其葡萄糖刺激的胰島素分泌和胰島形態(tài)結(jié)構(gòu)逐漸反常，胰島素和葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白-2(GLUT-2)表達(dá)減弱[29]。這表明MafA基因不僅影響胰島素的轉(zhuǎn)錄，對(duì)胰島中β細(xì)胞的擴(kuò)散與存在也具有非常重要的作用。DM實(shí)驗(yàn)動(dòng)物經(jīng)MafA基因治療后能有效降低血糖水平[30]。

葡萄糖是胰島素基因表達(dá)主要的生理調(diào)節(jié)劑，其控制轉(zhuǎn)錄因子、胰島素mRNA穩(wěn)定性及轉(zhuǎn)錄速率。β細(xì)胞功能惡化會(huì)導(dǎo)致NIDDM患者的糖脂毒性，而MafA和PDX-1是影響糖脂毒性機(jī)制最重要的轉(zhuǎn)錄因子[31]。在DM狀態(tài)下，PDX-1和MafA在β細(xì)胞中表達(dá)或活性降低，從而導(dǎo)致胰島素生物合成和分泌受到抑制。研究證實(shí)，在PDX-1和Neuro D存在情況下，MafA能改善NIDDM小鼠胰島素基因啟動(dòng)子活性與葡萄糖耐量[32]。MafA還可以介導(dǎo)GLUT-2和激素原轉(zhuǎn)化酶-2(PC-2)等關(guān)鍵胰島β細(xì)胞基因的表達(dá)。MafA通過(guò)與PDX-1和Beta-2的作用，充當(dāng)誘導(dǎo)胰島素生產(chǎn)細(xì)胞的中央調(diào)節(jié)劑，因此PDX-1和MafA在誘導(dǎo)替代β細(xì)胞中起關(guān)鍵作用，并且可能成為NIDDM的治療靶標(biāo)。最近研究證實(shí)，高遷移率族AT Hook蛋白1(HMGA1)是組成染色質(zhì)結(jié)構(gòu)的核結(jié)構(gòu)因子，可通過(guò)調(diào)節(jié)PDX-1-和MafA誘導(dǎo)的INS基因啟動(dòng)子的反式激活，在β細(xì)胞功能和胰島素產(chǎn)生中起關(guān)鍵作用[33]。

2 Akt/PKB信號(hào)通路

2.1 Akt/PKB的生物學(xué)特征

Akt是一種分子量為57 kD的絲氨酸/蘇氨酸蛋白激酶，屬于蛋白激酶超家族的AGC亞家族。Akt最初是作為逆轉(zhuǎn)錄病毒致癌基因v-Akt的細(xì)胞同源物被發(fā)現(xiàn)的，由于其與蛋白激酶 A(PKA)和蛋白激酶 C(PKC)結(jié)構(gòu)相似，故也稱(chēng)為PKB[34]。

Akt分子約由480個(gè)氨基酸殘基組成，在激酶末端包含1個(gè)PH結(jié)構(gòu)域(pleckstrin homology domain)、1個(gè)中央激酶域、1個(gè)富含絲氨酸/蘇氨酸的C末端區(qū)域。哺乳動(dòng)物中的Akt可分為3個(gè)亞類(lèi)，即Akt1(PKBα)、Akt2(PKBβ)和Akt3(PKBγ)，均包括上述3個(gè)區(qū)域。Akt的3個(gè)亞類(lèi)PH結(jié)構(gòu)域和C末端區(qū)域更加多樣化(氨基酸水平上同源性為73%～84%)，這表明PH結(jié)構(gòu)域和C末端區(qū)域可能代表Akt1、Akt2、Akt3功能性之間的差異。Akt的3個(gè)亞類(lèi)都位于細(xì)胞質(zhì)中，但激活后可能易位至細(xì)胞核。AAkt1基因位于人類(lèi)染色體14q32上，AAkt2基因位于人類(lèi)染色體19q13.1～13.2上，AAkt3基因位于人類(lèi)染色體1q44上[35]。已有的研究已確定Akt3個(gè)亞類(lèi)的獨(dú)特作用，其中Akt1與細(xì)胞存活有關(guān)，Akt2與細(xì)胞底物代謝有關(guān)，Akt3與腦發(fā)育有關(guān)[36]。Akt1缺陷小鼠表現(xiàn)為生長(zhǎng)延遲，Akt2缺陷小鼠表現(xiàn)為NIDDM綜合征，AKT3缺陷小鼠表現(xiàn)為腦發(fā)育受損[37-39]。

2.2 Akt/PKB信號(hào)通路與糖尿病治療

Akt/PKB在胰島素信號(hào)傳導(dǎo)，細(xì)胞存活和轉(zhuǎn)化中起關(guān)鍵作用[40]。胰島素通過(guò)增加葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白-4(GLUT-4))從細(xì)胞內(nèi)區(qū)室轉(zhuǎn)運(yùn)到質(zhì)膜(PM)來(lái)促進(jìn)肌肉和脂肪組織中葡萄糖吸收。在響應(yīng)胰島素激活的蛋白質(zhì)中，磷脂酰肌醇3-激酶(PI3-K)起關(guān)鍵作用，能抑制胰島素刺激的葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)，而Akt/PKB是PI3-K一系列下游靶標(biāo)中重要的靶激酶[41]。

PI3-K的酶活性產(chǎn)生D-3磷酸肌醇，包括磷脂酰肌醇3磷酸(PI3P)和磷脂酰肌醇2磷酸(PI2P)。PI(3，4，5)P3被認(rèn)為是觸發(fā)Akt磷酸化最重要的第二信使。Akt有Thr308和Ser473兩個(gè)調(diào)節(jié)性磷酸化位點(diǎn)，有助于其完整活性[42]。Akt以一種不活躍的構(gòu)象存在于細(xì)胞質(zhì)中，直到細(xì)胞受到刺激并轉(zhuǎn)移到質(zhì)膜上。Akt-PH結(jié)構(gòu)域?qū)I3P有很高的親和力，比其他磷酸肌醇優(yōu)先結(jié)合，因此PI3-K活性對(duì)于Akt轉(zhuǎn)運(yùn)至膜至關(guān)重要。與PI3P的相互作用會(huì)導(dǎo)致構(gòu)象變化以及激酶結(jié)構(gòu)域中磷酸化位點(diǎn)Thr308與C端結(jié)構(gòu)域中的Ser473的暴露。Akt可被Thr308磷酸化部分激活，而完全激活需要Ser473的磷酸化。Ser473可被磷酸肌醇依賴(lài)性激酶2(PDK2)、整合素連接激酶(ILK)、雷帕霉素靶蛋白復(fù)合物(mTORC)、DNA依賴(lài)性蛋白激酶(DNA-PK)等多種蛋白質(zhì)催化[43]。盡管PI3-K是Akt激活的主要方式，但已顯示Akt可以通過(guò)Ca2+/鈣調(diào)蛋白依賴(lài)性蛋白激酶(CAMKK)響應(yīng)熱休克或細(xì)胞Ca2+濃度增加而被激活[44]。

Akt/PKB信號(hào)傳導(dǎo)在胰島素刺激肌肉和脂肪組織中的的葡萄糖攝取時(shí)起關(guān)鍵作用，同時(shí)抑制肝細(xì)胞釋放葡萄糖；該信號(hào)傳導(dǎo)包括配體(胰島素或其他生長(zhǎng)激素)誘導(dǎo)受體酪氨酸激酶自磷酸化后被激活，刺激G蛋白偶聯(lián)受體(GPCRs)，激活整聯(lián)蛋白信號(hào)傳導(dǎo)[45]。胰島素與其細(xì)胞表面蛋白受體的結(jié)合產(chǎn)生酪氨酸磷酸化，從而導(dǎo)致特定酪氨酸殘基上的胰島素受體底物發(fā)生磷酸化，并激活PI3-K及其下游靶標(biāo)Akt/PKB[46]。AS160(又稱(chēng)TBC1D4)是分子量為160 kD的Akt底物，能調(diào)節(jié)胰島素刺激的葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白-4(GLUT-4)轉(zhuǎn)運(yùn)。AS160通過(guò)作用鳥(niǎo)苷-50-二磷酸使Rab-GTPase激活蛋白(Rab-GAPs)處于非活性狀態(tài)，從而將GLUT-4保留在GLUT儲(chǔ)存囊泡中。激活后，Akt/PKB使AS160磷酸化導(dǎo)致Rab-GAPs活性降低，促進(jìn)GLUT-4易位和葡萄糖攝取。PI3-K/Akt/AS160轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑中的任何缺陷將最終減少骨骼肌中葡萄糖攝取[47]。研究已經(jīng)證實(shí)，Akt2(PKBβ)亞型基因敲除的小鼠及其嚙齒動(dòng)物中會(huì)引起高血糖、高胰島素血癥、糖耐量異常、肌葡萄糖攝取受損以及IR；人類(lèi)Akt2(PKBβ)的基因中突變會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的IR[48]。

IR缺陷也與Akt/PKB上游和下游靶點(diǎn)密切相關(guān)，表現(xiàn)為胰島素受體底物上蛋白質(zhì)側(cè)鏈的去磷酸化以及胰島素受體底物從細(xì)胞表面膜上完全喪失，降低NIDDM骨骼肌中PI3激酶活性并削弱Akt/PKB底物AS160的磷酸化[49]。由于Akt/PKB在胰島β細(xì)胞生存與功能以及葡萄糖代謝調(diào)節(jié)方面起到非常重要的作用，近年來(lái)已成為NIDDM治療研究的一個(gè)新靶點(diǎn)。

3 結(jié)語(yǔ)

NIDDM是一種非常復(fù)雜和多因素的代謝性疾病，治療NIDDM的策略是營(yíng)養(yǎng)干預(yù)、適度運(yùn)動(dòng)、化學(xué)藥物與胰島素。盡管藥物治療NIDDM具有益處，但大多數(shù)化學(xué)合成藥物會(huì)產(chǎn)生一些不良副作用。隨著PDX-1/MafA與Akt/PKB信號(hào)通路在NIDDM發(fā)病機(jī)理中的作用被逐漸闡明，天然產(chǎn)物(NPs)已經(jīng)成為治療NIDDM的重要資源。此外，營(yíng)養(yǎng)干預(yù)是治療與預(yù)防NIDDM及其并發(fā)癥的基礎(chǔ)。高GI碳水化合物飲食已被證明是NIDDM發(fā)作的獨(dú)立危險(xiǎn)因素，而在肥胖的IR患者中，低GI飲食可有效降低體重，改善葡萄糖耐量，減輕其炎癥和代謝反應(yīng)。因此，開(kāi)發(fā)具有降糖作用的NPs，并將其作為強(qiáng)化劑在低GI食物中制成低GI-NPs食物，這有可能成為未來(lái)NIDDM患者食物生產(chǎn)的一種重要方向。