胰岛β细胞胰岛素分泌的调节及其机制

杨 希 李卫华 黄峥嵘

胰岛素是机体内促进合成代谢的蛋白质激素，它由51个氨基酸组成α、β两条肽链，通过两个二硫键连接在一起。主要作用是促进葡萄糖的氧化代谢和糖原生成，抑制糖异生，维持血糖浓度的恒定。调节胰岛素分泌的因素有很多，其中，葡萄糖、内分泌激素和细胞因子是较为重要的调节因素。机体能够整合这几大类调节因素的信号，使胰岛素的分泌量维持在适当的水平。从细胞和分子水平上研究胰岛素分泌的调节及其机制有着十分重要的意义。

一、葡萄糖刺激的胰岛素分泌(glucose－stimulated insulin secretion，GSIS)

营养物质是胰岛素分泌的重要调节因素，其中葡萄糖是刺激胰岛素分泌的最强因子。葡萄糖刺激的胰岛素分泌(GSIS)对于血糖浓度的稳定起着非常重要的作用。目前，对于GSIS的共识是:胰岛β细胞属于电可兴奋细胞，葡萄糖通过葡萄糖转运体2 (Glut2)进入胰岛β细胞后，被葡萄糖激酶磷酸化代谢生成ATP，从而使ATP敏感的钾通道(KATP)关闭，细胞膜去极化，电压依赖性钙通道(VDCC)开放，钙离子内流，细胞内钙离子浓度升高，从而激活胰岛素分泌所需的一系列酶或蛋白，导致胰岛素的分泌。

1.KATP通道(ATP敏感的钾通道)对胰岛素分泌的调节:ATP敏感的钾通道(KATP)是1个八聚体，它由4个内向整流钾通道亚单位(Kir6.x)和硫脲类药物受体(SURx)亚单位组成。形成离子通道孔隙的Kir6.x亚单位是钾通道的内向整流家族，它存在2个亚型，即存在于血管平滑肌中的Kir6.1和广泛分布于各种组织的Kir6.2。SURx是调节亚单位，在胰腺中主要是SUR1。ATP敏感型钾通道(KATP)把细胞内的糖代谢过程和胰岛β细胞膜的电活动相偶联，在胰岛素分泌和血糖浓度之间扮演着重要的联结角色［1］。Seino等［2］也指出，KATP通过调节细胞膜钾离子的流量，将细胞代谢过程和细胞膜的生物电活动联系起来。钾离子通道有两个腺苷酸结合位点。当葡萄糖进入胰岛β细胞内并参与能量代谢后导致细胞内ATP含量增加，ATP/ADP比例发生变化。ATP或ADP结合Kir6.2位于细胞内的氨基和羧基末端，就会对通道产生抑制作用，导致KATP通道的关闭，引起β细胞膜去极化并导致电压依赖性钙通道开放，钙离子内流入β细胞。细胞内游离钙离子浓度增加，启动分泌颗粒和细胞膜的融合，从而触发胰岛素分泌颗粒的出胞反应。胰岛素分泌的此途径被称为KATP通道依赖途径。也有研究报道由Kir6.2和SUR1组成的胰岛β细胞型KATP通道的多因子调节机制，然而，去除KATP通道依赖途径后并不能完全阻断葡萄糖刺激的胰岛素分泌，这说明存在不依赖于KATP通道的途

径［3，4］。

2.Ca2+通道在胰岛素分泌中的作用:胰岛β细胞分泌胰岛素是一个相当复杂的过程，受到一个分子网络的精密调控，而电压依赖性钙通道(VDCC)在这一网络中则处于中心地位［5］。在胰岛β细胞膜上，VDCC主要包括L型钙通道和非L型钙通道，而以前者为主［6］。在葡萄糖刺激的胰岛素分泌过程中需要有细胞外Ca2+的存在，并且可以分别被Cav通道(电压依赖性钙通道)的激动剂和拮抗剂易化和阻断。这表明，Cav通道在β细胞的刺激－分泌偶联中起着非常重要的作用。在Ca2+触发的胰岛素分泌过程中，Cav1通道是起主要作用的Cav通道亚型。

3.AMPK［单磷酸腺苷(AMP)激活的蛋白激酶］在GSIS中的作用:(1)AMPK简介:单磷酸腺苷(AMP)激活的蛋白激酶(AMPK)是由α、β、γ3个亚基组成的异源三聚体，3个亚基各有不同的亚型，在不同的细胞中，AMPK以不同亚型的组合存在，胰岛β细胞中以α1表达为主。AMPK的活性是由其上游的AMPK激酶(AMPKK)进行磷酸化的调节，从而组成了1个蛋白激酶级联系统，该系统可以被AMP激活。对于AMPK来说，其α亚基172位苏氨酸的磷酸化对于它的活性是至关重要的。AMPK可以感受细胞内AMP/ATP的变化，当AMP/ATP比值升高，可以启动AMPK级联系统，导致消耗ATP的路径关闭，ATP再生途径开启，从而调节胰岛素的分泌。(2) AMPK与胰岛素的分泌:有关AMPK在胰岛素分泌调控中的作用说法不一。在大多数的细胞类型中，AMPK的磷酸化水平和活性较低。有研究显示，随着β细胞外葡萄糖浓度的升高，胰岛素分泌量逐渐增加，AMPK的磷酸化程度逐渐降低，即活性降低，因此，AMPK活性和胰岛素分泌呈负相关。但 Park等［7］的研究表明，在胰岛β细胞中，磷酸化的AMPK能够抑制KATP通道电流，从而触发葡萄糖刺激的胰岛素分泌。在葡萄糖依赖性途径中，细胞外的胰岛素可以通过胰岛素受体底物－1(insulin receptor substrate－1，IRS－1)调节AMPK的磷酸化状态，从而进一步调节胰岛素的分泌。细胞的能量代谢状态可以通过AMPK来调节KATP通道的关闭与开放，这种机制在低能量代谢状态下抑制胰岛素的分泌作用中可能扮演关键性的角色［8］。Okazaki等［9］也认为抑制β细胞中AMPK的活性可以抑制葡萄糖刺激的胰岛素分泌。

4.胰岛素分泌的双相模型:1968年，在大鼠胰腺灌流实验中发现葡萄糖刺激的胰岛素分泌存在双相分泌，在随后的大鼠胰岛灌流试验中得到证实。当葡萄糖浓度从亚刺激水平突然升高并维持在刺激水平时，可出现胰岛素的双相分泌。在这一过程的起始阶段，胰岛素快速释放并上升达到峰值，此为第1相，大约持续10min，紧接着是一个最低点;随后是一个逐步升高的第2相，再经过25～30min后达到一个平台期［10］。小鼠的第2相呈缓慢的稳定的分泌，而大鼠和人类的第2相呈进行性增加的分泌［11］。有文献报道胰岛素分泌的第一相与KATP通道依赖途径有关，而第2相分泌与KATP通道非依赖途径有关两者都需要胞内Ca2+的调控，以维持胰岛素的正常分泌［12，13］。

二、内分泌激素对胰岛素分泌的调节

多种激素参与胰岛β细胞功能的调节，如胰高血糖素、生长激素、糖皮质激素等。肠－胰岛和脂肪－胰岛内分泌轴的发现，使胰高血糖素样肽－1(GLP－1)和瘦素对胰岛β细胞功能的调节作用备受关注。

1.胰高血糖素样肽－1(GLP－1)对胰岛素分泌的调节:GLP－1是由肠黏膜内分泌L细胞受营养刺激而合成和分泌的多肽类激素。临床研究显示，GLP－1及其类似物可以增加胰岛素的分泌和抑制胰高血糖素的释放，调节营养代谢，在2型糖尿病的治疗中具有潜在的应用价值［14］。

GLP－1的功能由GLP－1受体(GLP－1R)介导。GLP－1R属于7次跨膜G蛋白偶联受体亚家族，含有463个氨基酸残基，广泛分布在胰岛β细胞、肾脏、心脏等的多个区域。GLP－1与GLP－1R特异性结合以后，可以激活腺苷酸环化酶(AC)，引起细胞内环磷酸腺苷(cAMP)增加，cAMP的增加可以进一步激活下游的效应蛋白，包括蛋白激酶A(PKA)以及直接被cAMP活化的交换蛋白(EPAC)。但有研究显示，生理浓度的GLP－1(1pmol/L)刺激胰岛素的分泌并未经cAMP依赖的PKA途径［15］。

2.瘦素对胰岛素分泌的调节:瘦素(leptin)是由肥胖相关基因ob基因编码的、脂肪细胞分泌的蛋白质激素，在机体的新陈代谢和能量平衡中起着非常重要的作用。leptin是一种循环激素，通过其不同表达组织的多种形式的leptin受体(OB－R)发挥广泛的生物学效应。leptin被证实可以抑制脂肪的异位堆积，从而预防β细胞功能紊乱，保护β细胞免受细胞因子和脂肪酸诱导的细胞凋亡［16］。

在胰岛β细胞中有leptin受体的表达，提示leptin在胰岛内分泌中具有一定的生理作用。胰岛素能刺激leptin分泌，增加leptin mRNA的表达，同时leptin又能直接抑制胰岛素的分泌。有关瘦素抑制胰岛素分泌的机制尚未完全清楚。有研究发现瘦素可以通过激活KATP通道使胰岛β细胞膜超级化而抑制胰岛素的分泌。另有研究则认为瘦素是通过影响cAMP水平而抑制胰岛素的分泌。瘦素可以抑制胰岛素基因的表达和胰岛素的分泌，也可以抑制葡萄糖向β细胞内的转运。最近的1项研究显示，瘦素可以下调INS－1胰岛β细胞中蛋白磷酸酶－1(protein phosphatase 1，PP－1)的催化亚单位PP－1α的mRNA和蛋白的表达。已证实在人类的胰腺中也有PP－1α的表达。此外，PP－1的核抑制剂可以抑制葡萄糖诱导的胰岛素分泌，抑制INS－1胰岛β细胞中PP－1可以在一定程度上减少PP－1依赖的钙离子内流［17］。

三、细胞因子对胰岛素分泌的影响

1.白细胞介素－6(IL－6):研究表明，某些细胞因子会影响胰岛素的分泌过程。其中白细胞介素－6 (IL－6)对葡萄糖代谢有着显著地影响。然而，IL－6对胰岛β细胞胰岛素分泌的影响尚有争议。有研究表明不同浓度的白细胞介素－6(IL－6)作用于胰岛会产生不同的结果，低浓度的IL－6促进胰岛素的分泌，高浓度的IL－6则抑制胰岛素的分泌。IL－6对胰岛素分泌的影响主要是通过JAK/细胞因子信号转导分子途径发挥作用，与瘦素有着相同的信号转导通路。Suzuki等［18］进行的小鼠体内和体外实验均表明，IL－6可以直接作用于胰岛β细胞从而增强葡萄糖刺激的胰岛素分泌(GSIS)。磷脂酶C－三磷酸肌醇(PLC－IP3)信号通路可能参与IL－6介导的GSIS的增强过程。最近的研究显示，IL－6可以通过增加肠黏膜L细胞和胰腺α细胞GLP－1的分泌，从而增加胰岛素的分泌［19］。

2.转化生长因子－β(TGF－β):是由二硫键连接的二聚体结构，由两条含112个氨基酸残基的肽链组成。TGF－β通过其受体发挥作用，免疫组化显示，TGF－β受体存在于胰腺内外分泌组织中。TGF－β能以葡萄糖依赖和剂量依赖的方式刺激胰岛素基因的表达，使胰岛素合成和分泌增加。转基因技术研究证明，TGF－β受体基因突变会造成胰岛发育不良，胰岛β细胞对葡萄糖刺激的胰岛素分泌功能缺陷。TGF－β对胰岛素分泌的影响，其作用机制是TGF－β能够增加胰岛素基因转录因子PDX－1与顺式作用元件A3的亲和力，同时，也可以提高细胞核内PDX－1的浓度。

四、展 望

胰岛β细胞胰岛素分泌的调节是一个复杂的过程，受到营养物质、激素、细胞因子等的共同调控。目前，对胰岛素分泌调节的部分机制还不是很明了，特别是β细胞的分泌功能和脂肪代谢之间的相互关系未完全阐明，需要更进一步的研究探讨。深入了解胰岛β细胞的调节特性，将有利于加深对糖尿病发病机制的认识，为糖尿病的治疗提供很好的基础资料，也将开阔糖尿病治疗的新视野。

1 Taneja TK，Mankouri J，Karnik R，et al.Sarl－GTPase－dependent ER exit of KATP channels revealed by amutation causing congenital hyperinsulinism［J］.Hum Mol Genet，2009，18(13):2400－2413

2 Seino S，Miki T.Gene targeting approach to clarification of ion channel function:studies of Kir6.x nullmice［J］.JPhysiol，2004，554 (Pt2):295－300

3 Tarasov A，Dusonchet J，Ashcroft F.Metabolic regulation of the pancreatic beta－cell ATP－sensitive K+channel:a pas de deux［J］.Diabetes，2004，53(Suppl3):S113－122

4 Nichols CG.KATP channels asmolecular sensors of cellularmetabolism［J］.Nature，2006，440(7083):470－476

5 Yang SN，Berggren PO.Beta－cell CaV channel regulation in physiology and pathophysiology［J］.Am J Physiol Endocrinol Metab，2005，288(1):E16－E28

6 Gilbert M，Jung SR，Reed BJ，et al.Islet oxygen consumption and insulin secretion tightly coupled to calcium derived from L－type calcium channels but not from the endoplasmic reticulum［J］.J Biol Chem，2008，283(36):24334－24342

7 Park SH，Kim SY，Baek WK，et al.Regulation of glucose－dependent insulin secretion by insulin:possible role of AMP－activated protein kinase［J］.Life Sci，2009，85(3－4):178－183

8 Lim A，Park SH，Sohn JW，et al.Glucose deprivation regulates KATP channel trafficking via AMP－activated protein kinase in pancreatic beta－cells［J］.Diabetes，2009，58(12):2813－2819

9 Okazaki Y，Eto K，Yamashita T，et al.Decreased insulin secretion and accumulation of triglyceride in beta cells overexpressing a dominant－negative form of AMP－activated protein kinase［J］.Endocr J，2010，57(2):141－152

10 Yang SN，Berggren PO.CaV2.3 channel and PKCλ:new players in insulin secretion［J］.JClin Invest，2005，115(1):16－20

11 Henquin JC，Nenquin M，Stiernet P，et al.In vivo and in vitro glucose－induced biphasic insulin secretion in the mouse:pattern and role of cytoplasmic Ca2+and amplification signals in beta－cells［J］.Diabetes，2006，55(2):441－451

12 Thams P，Anwar MR，Capito K.Glucose triggers protein kinase A－dependent insulin secretion in mouse pancreatic islets through activation of the K+ATP channel－dependent pathway［J］.Eur JEndocrinol，2005，152(4):671－677

13 Hatakeyama H，Kishimoto T，Nemoto T，etal.Rapid glucose sensing by protein kinase A for insulin exocytosis in mouse pancreatic islets［J］.JPhysiol，2006，570(Pt2):271－282

14 Holst JJ，Orskov C.The incretin approach for diabetes treatment: modulation of islet hormone release by GLP－1 agonism［J］.Diabetes，2004，53(Suppl 3):S197－S204

15 Shigeto M，Katsura M，Matsuda M，et al.Low，but physiological，concentration of GLP－1 stimulates insulin secretion independent of the cAMP－dependent protein kinase pathway［J］.JPharmacol Sci，2008，108(3):274－279

16 Lee YH，Magkos F，Mantzoros CS，et al.Effects of leptin and adiponectin on pancreaticβ－cell function［J］.Metabolism，2011，60 (12):1664－1672

17 Kuehnen P，Laubner K，Raile K，etal.Protein phosphatase1(PP－1)－dependent inhibition of insulin secretion by leptin in INS－1 pancreaticβ－cells and human pancreatic islets［J］.Endocrinology，2011，152(5):1800－1808

18 Suzuki T，Imai J，Yamada T，et al.Interleukin－6 enhances glucose－stimulated insulin secretion from pancreatic beta－cells:potential involvement of the PLC－IP3－dependent pathway［J］.Diabetes，2011，60(2):537－547

19 Ellingsgaard H，Hauselmann I，Schuler B，et al.Interleukin－6 enhances insulin secretion by increasing glucagon－like peptide－1 secretion from L cells and alpha cells［J］.Nat Med，2011，17(11): 1481－1489