中樞神經(jīng)系統(tǒng)中胰島素受體及其信號傳導(dǎo)的研究進(jìn)展

馬鄧榮，付雨青，蔡宗晏，程岳，鄧甲蕙，韓雪

1.蘭州大學(xué)第一臨床醫(yī)學(xué)院，甘肅 蘭州 730000；2.蘭州大學(xué)第二臨床醫(yī)學(xué)院，甘肅 蘭州 730000

0 引言

胰島素受體（insulin receptor，IR）是酪氨酸激酶受體家族中的一員，可與胰島素受體家族的胞外配體結(jié)合，并傳遞到多個細(xì)胞內(nèi)的信號級聯(lián)反應(yīng)中，從而對機(jī)體代謝產(chǎn)生短期與長期影響[1]。研究[2]發(fā)現(xiàn)，中樞神經(jīng)系統(tǒng)中IR及其信號傳導(dǎo)改變是疾病的發(fā)生與發(fā)展的諸多機(jī)制之一，如2型糖尿?。╠iabetes mellitus type 2，T2DM）和阿爾茨海默?。ˋlzheimer disease，AD）等。例如，Manuel等[3]的研究中發(fā)現(xiàn)高脂飲食誘導(dǎo)的中樞胰島素信號通路的改變可能會影響新陳代謝以產(chǎn)生酮體，進(jìn)而在海馬體中可能導(dǎo)致VGlut1的表達(dá)降低，進(jìn)而導(dǎo)致谷氨酸的釋放降低。因此，本文將針對IR及其相關(guān)信號通路予以綜述，旨在為研究人員在相關(guān)疾病的基礎(chǔ)研究中提供新思路。

1 中樞神經(jīng)系統(tǒng)的胰島素受體

中樞神經(jīng)系統(tǒng)中胰島素受體是一種異四聚體蛋白質(zhì)[4]，該蛋白質(zhì)由兩個α-亞基和兩個β-亞基組成，不同亞基之間通過二硫鍵連接。與中樞神經(jīng)系統(tǒng)之外的其他組織中的胰島素受體不同的是，中樞神經(jīng)系統(tǒng)中的胰島素受體所含有的α-亞基和b-亞基的分子量均較低，目前研究人員尚未對這一差異的產(chǎn)生原因做出可靠的解釋，但根據(jù)現(xiàn)有研究結(jié)果推測這可能是mRNA剪接和受體糖基化差異的結(jié)果。中樞神經(jīng)系統(tǒng)胰島素受體位于細(xì)胞外的α-亞基上還包含有一個配體結(jié)合位點，而跨膜β-亞基的胞質(zhì)部分傳遞酪氨酸激酶活性，這種β-亞基包含酪氨酸殘基，在細(xì)胞外胰島素結(jié)合后會被自身磷酸化，其酪氨酸磷酸化誘導(dǎo)包含SH2和PTB兩種識別磷酸化酪氨酸殘基結(jié)構(gòu)域的蛋白質(zhì)的特異性募集。人胰島素受體基因的36個堿基對的外顯子11的選擇性剪接導(dǎo)致合成具有不同功能特征的兩種同工型胰島素受體。其一，IR的長同工型，即B型同工型（IR-B），其主要存在于成年個體的外周組織中[5]；其二，IR的短同工型既同工型A（IRA），其來自于外顯子11的選擇性剪接，其中α亞基羧基末端的12個氨基酸被剪切[5]，而分布于中樞的這種缺少外顯子11的IR-A比含外顯子11的IR-B表現(xiàn)出更高的胰島素結(jié)合親和力，更高的內(nèi)在化率和糖基化的差異性。此外，大腦和外周IR之間的一個顯著功能差異是，腦IR是葡萄糖轉(zhuǎn)運和代謝的主要和直接調(diào)節(jié)劑[6-7]。與之不同的是，腦IR發(fā)揮著多種功能，這取決于它們所處的大腦區(qū)域。大量證據(jù)表明腦IR信號傳導(dǎo)的主要功能包括機(jī)體能量穩(wěn)態(tài)的中央調(diào)節(jié)，突觸可塑性，神經(jīng)元存活和認(rèn)知的調(diào)節(jié)以及參與衰老相關(guān)的神經(jīng)變性等[8]。例如，在Schubertet等的研究中，取自NIRKO小鼠的培養(yǎng)神經(jīng)元對胰島素的治療表現(xiàn)出PKB/Akt磷酸化水平降低，并且對KCL誘導(dǎo)的細(xì)胞凋亡的保護(hù)作用降低。這些數(shù)據(jù)證實了胰島素能夠抑制小腦顆粒細(xì)胞凋亡的事實，并證明該反應(yīng)完全取決于IR的存在而不是IGF受體。這與在培養(yǎng)的神經(jīng)元中發(fā)現(xiàn)的結(jié)果相反，來自NIRKO小鼠的大腦未表現(xiàn)出發(fā)育和結(jié)構(gòu)改變或細(xì)胞凋亡增加的跡象。因此，在體內(nèi)IR的缺乏可以通過NIRKO小鼠中的其他神經(jīng)營養(yǎng)因子來補(bǔ)償[8]。

通過大量驗證，IR被證明具有內(nèi)在的酪氨酸激酶活性。胰島素與受體的胞外α亞基結(jié)合后，導(dǎo)致胞質(zhì)部分β亞基的激酶域激活環(huán)中的三個酪氨酸殘基自磷酸化。基于以上過程，受體酪氨酸激酶活性增高。酪氨酸激酶的磷酸化被認(rèn)為是IR激活的主要機(jī)制，觸發(fā)隨后的磷酸化介導(dǎo)胰島素的一系列細(xì)胞效應(yīng)[9]。對非磷酸化和磷酸化形式的紅外晶體結(jié)構(gòu)的分析表明，存在一種自抑制機(jī)制，既活化環(huán)限制蛋白質(zhì)底物和ATP結(jié)合到活性位點。在自磷酸化過程中，活化環(huán)會發(fā)生主要的構(gòu)象變化，導(dǎo)致ATP和蛋白質(zhì)底物不受限制地進(jìn)入活化位點[10]。胰島素或IGF-2的結(jié)合是IR激活的必要條件，它們在大腦中的有效性對IR功能至關(guān)重要。

2 胰島素受體的信號傳導(dǎo)

胰島素受體大部分位于神經(jīng)元中，在膠質(zhì)細(xì)胞中則較少。胰島素介導(dǎo)的中樞神經(jīng)系統(tǒng)（CNS）信號最近已成為一個嶄新且有希望的研究領(lǐng)域。作用于IR的胰島素來源有二，其一是外周的胰腺B細(xì)胞合成分泌的胰島素通過腦脊液（CSF）轉(zhuǎn)并跨過血腦屏障（BBB）轉(zhuǎn)運至腦內(nèi)；其二是海馬、小腦等部位的神經(jīng)元細(xì)胞也能合成分泌胰島素直接發(fā)揮作用。以上生理過程可使胰島素于CNS中穩(wěn)定在一定水平區(qū)間，保證胰島素及其下游信號傳導(dǎo)正常進(jìn)行。實驗發(fā)現(xiàn)，血胰島素水平快速升高可使腦脊液中的胰島素含量升高，但長期或者慢性的高胰島素血癥卻可導(dǎo)致中樞胰島素水平下降，這可能是BBB胰島素受體表達(dá)降低的緣故，這可能對胰島素的信號傳導(dǎo)造成不良的影響[2]。當(dāng)胰島素與其受體結(jié)合時，它會激發(fā)細(xì)胞內(nèi)信號傳導(dǎo)級聯(lián)，從而激活胰島素受體底物1/2（IRS1，IRS2）[11]。IRS-1/2在大腦皮層和海馬有大量分布，其多處位點的磷酸化在胰島素和胰島素樣生長因子-1/2（IGF-1/2）的信號傳導(dǎo)起重要的傳遞作用。胰島素信號轉(zhuǎn)導(dǎo)主要通路：既磷脂酰肌醇3激酶（phosphoinositide3-kinase，PI3K）途徑[12]，PI3K是一類特定催化磷脂酰肌醇（PI），是參與細(xì)胞內(nèi)信號轉(zhuǎn)導(dǎo)的重要激酶，正常狀態(tài)下直接接受IRS調(diào)節(jié)，其參與并介導(dǎo)機(jī)體的生長、繁殖和蛋白質(zhì)合成等。其通過p85和p110兩個調(diào)節(jié)和催化亞基共同組成的一個異源二聚體，稱為PI3Ks家族。p85亞基有一個SH3結(jié)構(gòu)區(qū)，其具有特異性結(jié)合功能；兩個SH2結(jié)構(gòu)區(qū)，可誘導(dǎo)磷脂酰肌醇的磷酸化；同時，還有一個中間激活p110的非編碼區(qū)。在未進(jìn)行激活時，p85亞基抑制p110亞基的生物活性。PI3K可分為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ共3種亞型: 其中Ⅰ型在胰島素信號通路中作用最為重要，可激活4、5－二磷酸肌醇（PIP2）使其轉(zhuǎn)化成為3、4、5－三磷酸肌醇（PIP3）進(jìn)行下游信號轉(zhuǎn)導(dǎo)[13]。PI3K/AKT通路的作用機(jī)制大致如下：IRS-1酪氨酸磷酸化后，酪氨酸激酶和G蛋白偶聯(lián)受體的信號會激活PI3K的亞基并使其轉(zhuǎn)移與結(jié)合，這將使PI3K活化。而PI3K激活會使PIP2在質(zhì)膜上轉(zhuǎn)化為PIP3，PIP3與細(xì)胞內(nèi)有PH結(jié)構(gòu)域的信號蛋白Akt和3-磷酸肌醇依賴性蛋白激酶1（PDK1）結(jié)合，使Akt從胞質(zhì)轉(zhuǎn)移到胞膜上，并在PDK1的輔助下，通過使Akt蛋白上的蘇氨酸磷酸化位點（Thr308）和絲氨酸磷酸化位點（Ser473）磷酸化而使其激活。Akt又稱蛋白激酶B（PKB），是PI3K信號的下游分子，其與細(xì)胞周期調(diào)控和蛋白質(zhì)合成等過程密切相關(guān)?；罨蟮腁kt可繼續(xù)在下游對許多靶蛋白等進(jìn)行調(diào)節(jié)，例如其可通過直接和間接兩種途徑激活其底物雷帕霉素靶蛋白（mTOR），通過磷酸化作用激活或抑制其下游靶蛋白，進(jìn)而對靶標(biāo)和相關(guān)生理病理活動進(jìn)行調(diào)節(jié)。另外，絲裂原激活的蛋白質(zhì)激酶（MAPK）途徑也是胰島素信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑之一[14]。該途徑的激活似乎促進(jìn)了參與細(xì)胞和突觸生長以及細(xì)胞修復(fù)和維持中的基因表達(dá)。有趣的是，一些研究表明，兩種胰島素信號傳導(dǎo)途徑之間的相互干擾，通過一定程度影響磷酸化，可能發(fā)揮抗凋亡作用。因此，PI3K/Akt和MAPK途徑都是胰島素潛在的神經(jīng)營養(yǎng)作用和神經(jīng)保護(hù)作用的基礎(chǔ)。

3 中樞神經(jīng)系統(tǒng)內(nèi)葡萄糖代謝的意義

葡萄糖穩(wěn)態(tài)需要激素和神經(jīng)介導(dǎo)的調(diào)節(jié)作用，這些調(diào)節(jié)作用有助于神經(jīng)中樞和外周組織的正常生理功能[14]。同時，葡萄糖不僅是維持神經(jīng)和非神經(jīng)細(xì)胞活動的主要能量來源，它也充當(dāng)信號分子參與信號轉(zhuǎn)導(dǎo)。因此，葡萄糖調(diào)節(jié)機(jī)制是確保適當(dāng)?shù)钠咸烟枪?yīng)以滿足中樞神經(jīng)系統(tǒng)以及周圍組織的代謝需求的關(guān)鍵[15]。

胰島素和胰高血糖素的拮抗作用以及下丘腦—垂體—腎上腺軸的活性和自主神經(jīng)系統(tǒng)的成分有助于根據(jù)生物體的能量狀態(tài)將血糖水平維持在正常生理范圍內(nèi)。生理血糖水平的改變具有嚴(yán)重的后果，會導(dǎo)致部分疾病發(fā)病率和死亡率的增加[16-20]。因此為了防止明顯的血糖波動，胰島素受體可以準(zhǔn)確地感知細(xì)胞外空間中的葡萄糖濃度，并啟動維持葡萄糖穩(wěn)態(tài)所需的調(diào)節(jié)機(jī)制。

在正常生理情況下，胰高血糖素樣肽-1（GLP-1）被證明在下丘腦和腦干中以選擇性和時間方式顯著降低葡萄糖代謝，這些區(qū)域參與控制食物攝入和葡萄糖傳感[21-22]。這些觀察結(jié)果表明，這些中樞神經(jīng)系統(tǒng)中可逆和短暫的葡萄糖代謝低代謝可能會誘發(fā)重要的生物學(xué)效應(yīng)。

而中樞神經(jīng)系統(tǒng)中葡萄糖代謝的改變是導(dǎo)致多種中樞神經(jīng)系統(tǒng)疾病的直接原因，例如在AD患者中已經(jīng)報道了使用幾種技術(shù)方法檢測到的腦葡萄糖代謝的變化。目前，功能性神經(jīng)成像技術(shù)（如正電子發(fā)射斷層掃描PET）以非常高的靈敏度提供葡萄糖代謝的體內(nèi)測量。這種成像方法使我們能夠在臨床癥狀出現(xiàn)之前識別大腦代謝活動的功能變化。目前，用于PET成像的F-FDG在歐洲和美國被批準(zhǔn)用于研究某些心血管、神經(jīng)和腫瘤疾病的葡萄糖代謝檢測[23]。

4 結(jié)論

IR在介導(dǎo)胰島素家族底物，IRS1/2以及IGF-1等功能體現(xiàn)方面具有重要調(diào)控作用，是相關(guān)信號傳導(dǎo)的關(guān)鍵節(jié)點，其下游傳導(dǎo)的信號通路主要有PI3K/Akt和MAPK/ERK，參與增殖分化以及代謝方面的生物調(diào)控作用。故在未來的研究中，可深入探索信號通路下游傳導(dǎo)及其相互作用，明確內(nèi)在且深層的作用機(jī)制。已知在阿爾茨海默病中，胰島素傳導(dǎo)受損，下游信號傳導(dǎo)以及蛋白表達(dá)受損。BATISTA等的研究發(fā)現(xiàn)利拉魯肽是一種IR敏化劑，可對大腦中特定區(qū)域的AD相關(guān)胰島素受體，突觸和Tau蛋白等的病理損傷等起到保護(hù)作用。同時，我們也關(guān)注到艾塞那肽也有類似作用，通過艾塞那肽可以預(yù)防體外觀察到的包括低聚物誘導(dǎo)的神經(jīng)元病理和軸突運輸受損等。作為一種廣泛分布的受體家族，IR受體相關(guān)藥物的研發(fā)將會給包括糖尿病和阿爾茨海默病在內(nèi)的臨床治療帶來更多的希望，從而給臨床醫(yī)藥的發(fā)展及患者及其家庭帶來可觀的受益。因此，研究者在著力于胰島素相關(guān)受體的基礎(chǔ)研究的同時也可將部分工作著力于IR相關(guān)藥物的研究，為IR相關(guān)疾病患者的治療中提供新的研究思路。