雞胰島素耐受性及血液葡萄糖穩(wěn)態(tài)調(diào)節(jié)研究進(jìn)展

王子陽(yáng) 陳 文

(河南農(nóng)業(yè)大學(xué)動(dòng)物科技學(xué)院，鄭州 450046)

在正常情況下，人類的胰腺可根據(jù)血液葡萄糖濃度的高低分泌胰島素來(lái)維持機(jī)體血液葡萄糖的平衡，使其空腹血液葡萄糖濃度維持在3.9～6.1 mmol/L的正常值。長(zhǎng)期的慢性高血糖會(huì)對(duì)人體產(chǎn)生嚴(yán)重的損害。糖尿病就是一組以慢性高血糖為特征的終生代謝性疾病[1]。人類等哺乳動(dòng)物存在胰島素耐受，將導(dǎo)致機(jī)體出現(xiàn)諸如高血糖、高胰島素血癥、高血脂等異常癥狀[2]。雞具有普遍的胰島素耐受性，而且其空腹血液葡萄糖濃度長(zhǎng)年高達(dá)8～13 mmol/L(為人類的2倍)，卻不像人類一樣表現(xiàn)慢性高血糖的任何有害效應(yīng)[3-4]；甚至有研究顯示糖尿病患者食用雞肉可有效降低高血糖對(duì)機(jī)體的損害[5-6]。胰腺分泌的胰島素是維持血液葡萄糖穩(wěn)態(tài)的核心，雞的慢性高血糖和胰島素耐受特性使其成為一個(gè)研究糖尿病及其新防治法的理想模型[7-8]。因此，對(duì)雞胰島素耐受性及其血液葡萄糖穩(wěn)態(tài)調(diào)節(jié)方式的研究，有助于解析雞高血糖及其糖代謝機(jī)制，也可為人類糖尿病預(yù)防與治療提供思路。

1 胰島素抵抗

1916年Sharpey-Schaffer深入描述了胰島可以分泌一種能夠控制葡萄糖代謝的物質(zhì)，并命名為胰島素[9]。1921年Banting和Best首次分離出牛胰島素后，人們普遍認(rèn)為糖尿病完全是由于胰島素分泌不足導(dǎo)致。然而，Himsworth[10]在1932年注意到糖尿病患者對(duì)胰島素反應(yīng)的變化，并認(rèn)為許多糖尿病患者的決定性生化缺陷是對(duì)胰島素不敏感，而不是胰島素缺乏。直到1960年Yalow等[11]發(fā)現(xiàn)放射免疫分析法后，觀察到Ⅱ型糖尿病患者的循環(huán)胰島素水平往往高于平均水平，人們才開(kāi)始重視這一結(jié)果。胰島素耐受性亦稱胰島素抵抗，是指正常劑量的胰島素產(chǎn)生低于正常生物學(xué)效應(yīng)的一種狀態(tài)[12-13]，即組織對(duì)胰島素的敏感性下降，代償性引起胰島β細(xì)胞分泌胰島素增加，從而產(chǎn)生高胰島素血癥，其實(shí)質(zhì)為胰島素介導(dǎo)的細(xì)胞糖代謝能力的降低[14]。

2 雞高血糖與胰島素耐受特性

一般情況下，哺乳動(dòng)物的胰島素作用受損會(huì)增加其肝臟葡萄糖生成，降低肌肉葡萄糖攝取，并促進(jìn)胰島素敏感器官如肌肉、肝臟和脂肪中的脂質(zhì)積累[15]。胰島素在哺乳動(dòng)物胰島素敏感器官中起著重要的作用[2]。胰島素敏感靶器官存在胰島素抵抗，是人類糖尿病發(fā)病的關(guān)鍵因素，將導(dǎo)致人類出現(xiàn)如高血糖、高胰島素血癥、高血脂等異常表征，這些表征是人類Ⅱ型糖尿病和代謝綜合征的共有特性[16]。

雞與哺乳動(dòng)物一樣，葡萄糖能通過(guò)血流在機(jī)體的不同組織間轉(zhuǎn)運(yùn)，是機(jī)體的一種重要能量來(lái)源形式，但雞似乎具有較哺乳動(dòng)物更為特殊的葡萄糖代謝特性；雞的胰島素循環(huán)濃度與人類、大鼠等哺乳動(dòng)物相似，但其血液葡萄糖濃度比哺乳動(dòng)物高2倍，而且對(duì)外源胰島素敏感性也低[17]。在雞的胰島素相關(guān)敏感組織，大劑量的胰島素才能刺激葡萄糖的吸收；而如此大劑量的胰島素對(duì)哺乳動(dòng)物具致死性，因此雞被認(rèn)為具有胰島素耐受性[18-19]。由此可見(jiàn)，雞的血液葡萄糖調(diào)控方式明顯不同于哺乳動(dòng)物，目前尚未能很好地解析雞的葡萄糖調(diào)控機(jī)制。

3 雞血液葡萄糖穩(wěn)態(tài)調(diào)節(jié)特性

3.1 雞血液葡萄糖穩(wěn)態(tài)調(diào)節(jié)的胰島素信號(hào)傳導(dǎo)通路

哺乳動(dòng)物包含復(fù)雜的胰島素信號(hào)傳導(dǎo)通路，胰島素磷脂酰肌醇3-激酶(phosphatidylin-ositol-3-kinase，PI3K)/絲氨酸/蘇氨酸激酶(serine/threonine kinase，Akt)信號(hào)通路(圖1)是其主要的胰島素信號(hào)級(jí)聯(lián)傳導(dǎo)通路[20]。一些研究顯示，雞具有不同于哺乳動(dòng)物的胰島素信號(hào)傳導(dǎo)通路。目前，僅胰島素PI3K/Akt通路上的部分胰島素信號(hào)傳導(dǎo)分子(圖1，深色標(biāo)示)在雞上得以鑒定[20-22]。雞胰島素的調(diào)控通路也似乎具有明顯的組織特異性。雞的肝臟組織似乎具有與哺乳動(dòng)物相似的胰島素信號(hào)傳導(dǎo)通路，其上游胰島素受體β(insulin receptor，IR-β)、胰島素受體底物-1、Src同源與膠原蛋白家族(Src homology and collagen family，Shc)、PI3K的基因和下游Akt、絲裂原活化蛋白激酶(mitogen-activated protein kinases，MAPK)、細(xì)胞外信號(hào)調(diào)節(jié)激酶-2(extracellular signal-regulated kinase-2，ERK-2)、糖原合酶激酶-3(glycogen synthase kinase-3，GSK-3)、p70核糖體蛋白S6激酶(ribosomal protein S6 kinase,70 ku，P70S6K)以及p90核糖體蛋白S6激酶(ribosomal protein S6 kinase, 90 ku，p90S6K)的基因的調(diào)控都依次依賴于血液胰島素濃度的改變[20]。相反，在雞的肌肉組織，胰島素信號(hào)級(jí)聯(lián)通路中的上游基因似乎對(duì)胰島素不敏感，呈現(xiàn)明顯的胰島素抵抗性，但其下游基因?qū)σ葝u素濃度十分敏感[21]。目前，關(guān)于雞肌肉組織在機(jī)體缺乏胰島素受體水平和上游基因表達(dá)水平變化的情況下，如何調(diào)控胰島素信號(hào)級(jí)聯(lián)通路下游基因的機(jī)制尚未知。胰島素信號(hào)傳導(dǎo)特性在雞脂肪組織更為特殊，胰島素信號(hào)通路上的所有步驟都對(duì)胰島素不敏感，呈現(xiàn)明顯的胰島素抵抗[22]。Shimamoto等[23]近期的研究發(fā)現(xiàn)，高胰島素濃度(1 μmol/L)刺激20 min促進(jìn)了雞脂肪細(xì)胞對(duì)葡萄糖的吸收，增加了Akt蛋白磷酸化。由此可見(jiàn)，胰島素在雞的脂肪組織和肌肉組織的信號(hào)傳導(dǎo)方式明顯不同于哺乳動(dòng)物，這也使雞成為胰島素耐受性研究的理想模型[22]。

Insulin：胰島素；IR：胰島素受體 insulin receptor；Grb2：生長(zhǎng)激素受體連接蛋白2 growth factor receptor binding protein-2；Sos：鳥(niǎo)嘌呤核苷酸交換因子 son of sevenless；Ras：Ras原癌基因 Ras proto-oncogene；Raf-1：絲蘇氨酸蛋白激酶 Raf-1 proto-oncogene, serine/threonine kinase；MEK1/2：絲裂原活化蛋白激酶激酶1/2 mitogen-activated protein kinases kinase 1/2；ERK1/2：細(xì)胞外信號(hào)調(diào)節(jié)激酶1/2 extracellular signal-regulated kinase 1/2；Elk1：轉(zhuǎn)錄激活因子ETS樣蛋白1 ETS-like 1 transcription factor；Fos：Fos原癌基因 Fos proto-oncogene；AMPK：腺苷酸活化蛋白激酶 AMP-activated protein kinase；PTEN：人第10號(hào)染色體缺失的磷酸酶 phosphatase and tensin homolog deleted on chromosome ten；PDK1/2：磷酸肌醇依賴性激酶1/2 phosphoinositide dependent kinase-1/2；PIP3：質(zhì)膜固有蛋白3 plasma membrane intrinsic protein 3；PKC：蛋白激酶C protein kinase C；AS160：160 ku的絲氨酸/蘇氨酸激酶底物 a 160 ku substrate of the serine/threonine kinase；TSC1/2：TSC復(fù)合體亞基1/2 TSC complex subunit 1/2；mTor：哺乳動(dòng)物雷帕霉素靶蛋白 mammalian target of rapamycin；S6：蛋白質(zhì)S6 protein S6；4EBP1：4E結(jié)合蛋白1 4E-binding protein 1；PDE3B：磷酸二酯酶3B phosphodiesterase 3B；PKA：環(huán)磷酸腺苷依賴性蛋白激酶 cAMP dependent protein kinase；Bad：細(xì)胞死亡的BCL2相關(guān)激動(dòng)劑 BCL2 associated agonist of cell death；Foxo1：叉頭盒轉(zhuǎn)錄因子O1 forkhead box O1；GS：糖原合酶激酶 glycogen synthase kinase；Nucleus：細(xì)胞核；Cell growth differentiation：細(xì)胞增殖分化；Lipogenesis 脂肪生成；Protein synthesis：蛋白質(zhì)合成；Lipolysis：脂肪分解；Apoptosis：細(xì)胞凋亡；Gluconeogenesis：糖異生；Glucogen synthesis：葡萄糖合成；Stimulation：刺激作用；Inhibition：抑制作用；GLUT4 vesicles：GLUT4囊泡；Glucose uptake：葡萄糖攝取。

3.2 維持機(jī)體血液葡萄糖穩(wěn)態(tài)的雞葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)體(GLUT)

骨骼肌是哺乳動(dòng)物最大的胰島素敏感器官，是從血流中攝取和利用葡萄糖的主要部位，在維持全身葡萄糖穩(wěn)態(tài)中起著至關(guān)重要的作用[25-26]。關(guān)于哺乳動(dòng)物食后葡萄糖的吸收調(diào)控機(jī)制已經(jīng)得到了很好的鑒定。攝取血流中的葡萄糖是全身葡萄糖利用中的限速步驟，這一過(guò)程由GLUT家族調(diào)節(jié)，GLUT由溶質(zhì)載體家族2亞族A(solute linked carrier family 2 subfamily A，SLC2A)基因編碼[27]。至今為止，已經(jīng)從哺乳動(dòng)物中鑒定了14種GLUT，它們以易化擴(kuò)散方式轉(zhuǎn)運(yùn)葡萄糖(其轉(zhuǎn)運(yùn)過(guò)程不消耗能量)，在維持機(jī)體葡萄糖穩(wěn)態(tài)上發(fā)揮著重要作用[28]。GLUT在底物特異性、分布和調(diào)節(jié)機(jī)制方面有所不同[29]，根據(jù)氨基酸序列相似性可分為3類，第1類有GLUT1、GLUT2、GLUT3、GLUT4和GLUT14；第2類有GLUT5、GLUT7、GLUT9和GLUT11；第3類有GLUT6、GLUT8、GLUT10、GLUT12和GLUT13[30-32]。GLUT的表達(dá)水平和蛋白質(zhì)活性對(duì)維持機(jī)體葡萄糖穩(wěn)態(tài)和提供營(yíng)養(yǎng)底物具有重要的意義[33]。而其中GLUT2和GLUT4在通過(guò)胰島素信號(hào)通路維持哺乳動(dòng)物的葡萄糖穩(wěn)態(tài)上發(fā)揮著關(guān)鍵作用，GLUT2在胰島β細(xì)胞中發(fā)揮著傳遞葡萄糖信號(hào)的作用[34]；葡萄糖氧化會(huì)通過(guò)GLUT2引起胰島分泌胰島素[35]；在腎臟，GLUT2與鈉-葡萄糖協(xié)同轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白2(SGLT2)參與完成了腎臟90%葡萄糖的重吸收[35]。GLUT4是哺乳動(dòng)物主要的胰島素依賴型的GLUT，優(yōu)勢(shì)表達(dá)于哺乳動(dòng)物的骨骼肌和脂肪細(xì)胞，在胰島素刺激下GLUT4從胞內(nèi)轉(zhuǎn)移到漿膜，進(jìn)行葡萄糖的轉(zhuǎn)運(yùn)[36]。干擾GLUT4的功能可導(dǎo)致肥胖和糖尿病[37-38]。GLUT9是尿酸和葡萄糖的雙重轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白[39-40]。GLUT12可能影響生理和肥胖等病理狀態(tài)下小鼠脂肪組織對(duì)葡萄糖的吸收[41]。

雞的骨骼肌葡萄糖攝取和利用機(jī)制仍不清楚。Sweazea等[42]用GLUT抑制劑phloretin處理英國(guó)麻雀的趾總伸肌后，顯著減少了其對(duì)葡萄糖的吸收，支持了“禽類肌肉組織存在功能性的GLUT”這一設(shè)想。目前人類對(duì)雞GLUT的了解還比較碎片化。在雞的基因組計(jì)劃實(shí)施過(guò)程中，雞的GLUT1、GLUT2、GLUT3、GLUT5、GLUT8、GLUT9得以鑒定[43]。雞GLUT9被認(rèn)為介導(dǎo)尿酸吸收，但其特異性的底物尚未被鑒定[44]。Coudert等[45]從雞的骨骼肌和心肌組織中鑒定了雞GLUT12，并發(fā)現(xiàn)空腹和胰島素免疫中和均可降低雞胸肌GLUT1、GLUT8和GLUT12基因的表達(dá)，而腿肌中只有GLUT12基因的表達(dá)受到胰島素免疫中和的影響[46]。強(qiáng)胰島素刺激增加了雞脂肪細(xì)胞質(zhì)膜上GLUT1的蛋白水平，但不影響雞脂肪細(xì)胞質(zhì)膜上GLUT12的蛋白水平[23]。目前一些雞GLUT的精確生理功能尚未知，甚至一些GLUT的組織表達(dá)特性也還不清楚。近期有研究成功克隆了雞GLUT13基因，并發(fā)現(xiàn)其在大腦和腎臟優(yōu)勢(shì)表達(dá)[47]，并初步進(jìn)行了GLUT2和GLUT12基因的表達(dá)研究[48]，發(fā)現(xiàn)不同的GLUT基因有不同的優(yōu)勢(shì)表達(dá)部位，推測(cè)與其功能有關(guān)。Coudert等[45]發(fā)現(xiàn)雞GLUT12基因在雞骨骼肌中優(yōu)勢(shì)表達(dá)，且GLUT12基因在雞骨骼肌中的表達(dá)受胰島素的調(diào)節(jié)[44-45]。

4 雞胰島素耐受性具有品種間差異

肥胖是Ⅱ型糖尿病的主要危險(xiǎn)因素，Ⅱ型糖尿病患病率與肥胖率呈正相關(guān)[49]。雖然肥胖導(dǎo)致胰島素抵抗的機(jī)制尚不清楚，但炎癥與局部和全身胰島素抵抗的發(fā)展有關(guān)，特別是當(dāng)炎癥發(fā)生在白色脂肪組織時(shí)[50-51]。Sumners等[52]采用大體重肉雞和小體重肉雞進(jìn)行胰島素耐受性試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)大體重肉雞的胰島素敏感性受損更嚴(yán)重；胰腺結(jié)構(gòu)特性分析表明，大體重肉雞比小體重肉雞的胰島更大，但相對(duì)胰島重更小；熒光定量PCR進(jìn)行4個(gè)葡萄糖調(diào)控相關(guān)基因在胰腺組織的表達(dá)研究表明，小體重肉雞比大體重肉雞的表達(dá)量更高。

烏雞較肉雞有更強(qiáng)的葡萄糖耐受性和血液葡萄糖穩(wěn)態(tài)調(diào)節(jié)能力[53]。多次獨(dú)立的胰島素敏感性試驗(yàn)均發(fā)現(xiàn)烏雞具有比肉雞更強(qiáng)的胰島素耐受性和更好的血液葡萄糖恢復(fù)能力[53-55]。進(jìn)一步的研究發(fā)現(xiàn)外源胰島素對(duì)雞只血清胰島素含量的影響具有顯著的品種和時(shí)間的互作效應(yīng)，烏雞展示了更強(qiáng)的維持血清胰島素穩(wěn)態(tài)的能力[54]。胰島素注射使GLUT2和GLUT12基因的表達(dá)呈現(xiàn)明顯的組織和品種依賴性變化[54]，但烏雞強(qiáng)胰島素耐受性和血液葡萄糖穩(wěn)態(tài)調(diào)節(jié)能力的機(jī)制尚未明確，2個(gè)品種之間血液葡萄糖穩(wěn)態(tài)調(diào)節(jié)的差異可能與其基礎(chǔ)狀態(tài)下的胰腺胰島素抵抗和空腹胰島素濃度以及對(duì)外源性胰島素的不同動(dòng)態(tài)反應(yīng)有關(guān)[48]。

5 小結(jié)與展望

隨著人類科技的進(jìn)步與發(fā)展以及人們對(duì)糖尿病研究的深入，糖尿病得到了較為系統(tǒng)的認(rèn)識(shí)。然而，預(yù)防與治療糖尿病依然存在困難。目前，雞作為研究糖尿病及其防治新方法的理想模型，人們主要從雞的葡萄糖調(diào)控機(jī)制來(lái)研究其血液葡萄糖穩(wěn)態(tài)調(diào)節(jié)，但對(duì)雞胰島素信號(hào)傳導(dǎo)通徑的研究還不夠深入。GLUT在哺乳動(dòng)物上研究較為普遍，對(duì)其維持機(jī)體葡萄糖穩(wěn)態(tài)和提供營(yíng)養(yǎng)底物具有重要的作用，而在雞上的精確生理功能尚不明晰。此外，烏雞比肉雞具有更強(qiáng)的胰島素耐受性和血液葡萄糖穩(wěn)態(tài)調(diào)節(jié)能力，其發(fā)生機(jī)制尚不清楚，值得進(jìn)一步研究。對(duì)雞胰島素耐受性以及血液葡萄糖穩(wěn)態(tài)調(diào)節(jié)的研究，可為進(jìn)一步進(jìn)行禽類葡萄糖利用的精準(zhǔn)調(diào)控打下基礎(chǔ)，同時(shí)也為人類糖尿病的預(yù)防和治療提供新的視野。