运动对胰岛素抵抗状态下胰岛素PI3K/Akt/GSK-3信号传导通路影响的研究进展

杨运华 (凯里学院体育学院，贵州 凯里 556011)

运动对胰岛素抵抗状态下胰岛素PI3K/Akt/GSK-3信号传导通路影响的研究进展

杨运华 (凯里学院体育学院，贵州 凯里 556011)

目前关于胰岛素抵抗(insulin resistance，IR)为特征的肥胖症和2型糖尿病(T2DM)发病率呈逐年上升的趋势。对胰岛素受体后PI3K/Akt/GSK-3信号传导通路研究表明，该信号通路的信号传导减弱或通路受损是导致发生以上病症的重要原因。运动是改善IR的重要手段，介绍了IR环境下该信号通路中各级联蛋白的活性变化以及运动对各蛋白变化趋势的影响，旨在为揭示其发生机制以及关于重建血糖平衡的措施制定提供参考。

运动；胰岛素抵抗；信号通路；PI3K; Akt；GSK-3;GS

胰岛素信号传导通路中的受体前、受体中及受体后任一环节出现障碍都会导致胰岛素抵抗(IR)的发生[1]。胰岛素受体后抵抗是绝大多数IR发生的主要机制，其研究主要集中在靶细胞内部，其中信号蛋白活性出现异常可能会引起信号减弱或受阻，导致整条信号通路的信号传导障碍[2]。现主要就运动对IR状态下胰岛素受体后PI3K/Akt/GSK-3糖原合成信号传导通路的研究进行综述。

1 肝脏胰岛素PI3K/Akt/GSK-3信号传导通路概述

胰岛素传导通路是由胰岛素与靶组织的细胞膜上受体结合而启动的。生理状态下，胰岛素作用于靶细胞细胞膜上的INSR，与受体α亚基结合，致使自身多个β亚基酪氨酸位点磷酸化，继而与胰岛素受体底物 (IRS-1和IRS-2)结合，使底物蛋白上的酪氨酸被胰岛素受体上的酪氨酸激酶磷酸化。被磷酸化的IRS-1和IRS-2与下游的磷脂酰肌醇3激酶(PI3K)p85亚单位相互作用，促使其靠近质膜，引起PI3K-p110亚单位催化4，5-二磷酸磷脂酰肌醇(PIP2)生成3,4,5-三磷酸磷脂酰肌醇(PIP3)，PIP3激活作为第二信使的蛋白激酶Bβ(PKBβ/Akt2)和丙酮酸脱氢酶激酶1 (PDK1)。二者从胞浆转位到质膜后促使PDK1磷酸化Akt2蛋白上的Ser473和Thr308位点磷酸化并激活它，使下游的GSK-3α(ser21)和GSK-3β(ser9)磷酸化，抑制糖原合成酶激酶-3(GSK-3)的失活，促进糖原合成酶(GS)去磷酸化，提高其活性，促进组织糖原合成，降低外周血糖浓度。

2 IR对胰岛素受体后PI3K/Akt/GSK-3信号传导通路的影响

2.1IR对PI3K蛋白表达及其磷酸化的影响

PI3K在胰岛素信号转导通路中起正性调节作用，在发生IR的大鼠中，肝脏、肌肉组织中PI3K蛋白表达明显减少。Jiang等[3]在对肥胖的Zucker大鼠的研究中发现，肝脏和肌肉中与PI3K相结合的IRS(-1/-2)表达减少，导致PI3K活性明显降低。陈梦华等[4]研究发现，高糖喂养的IR建模成功的Wistar大鼠与正常对照组鼠比较，骨骼肌中PI3K磷酸化水平明显降低。但Christcy等[5]报道肥胖大鼠在7周有氧运动后，分别于末次运动结束后24、96h、7d取材测试肥胖大鼠肝脏PI3K磷酸化水平，结果均无明显变化。说明PI3K的磷酸化水平存在一定程度上的组织差异性。其调节亚基p85对于PI3K的活性起至关重要作用，表现为p85的表达增加或减少与PI3K的活性呈负相关,其机制是过度表达的PI3K-p85亚基能够竞争性抑制p85-p110二聚体与IRS的结合,从而抑制其活性。杨钦河[6]和张梁[7]的研究证明，高脂膳食喂养引发的IR大鼠肝脏及骨骼肌的PI3K-p85的蛋白表达水平明显升高。说明PI3K-p85高水平表达有可能是肥胖诱导IR发病机制中一个早期致病环节。

2.2IR对Akt2蛋白表达及其磷酸化水平的影响

Akt被认为是胰岛素调节肝脏、肌肉和脂肪代谢糖脂最关键的信号分子之一。在IR环境下，胰岛素刺激引起的PI3K/Akt信号传导途径的作用下降， Akt2在胰岛素信号转导中参与了胰岛素介导的糖代谢调节,PI3K活化受抑导致Akt2蛋白表达及其磷酸化水平下降。Joanne等[8]研究表明，在胰岛素信号传导途径中，PI3K下游分子Akt2基因敲除小鼠的肝脏及骨骼肌等组织对胰岛素的反应较正常小鼠有不同程度的减弱，说明Akt2是生理状态下糖代谢平衡的必需因子，尤其在肝脏中表现为对肝糖原的合成减少及葡萄糖生成增多,葡萄糖耐量受损。连韩[9]的研究结果显示，采用高脂饮食喂养大鼠，培养成IR大鼠模型，其肝细胞内Akt2的蛋白表达及其磷酸化水平明显低于正常对照组。

2.3IR对GSK-3蛋白表达及其磷酸化水平的影响

GSK-3是一种丝/苏氨酸类蛋白激酶，其活性受自身磷酸化水平影响，它负反馈调节胰岛素介导的葡萄糖内稳态和糖原合成。它普遍存在于哺乳动物细胞内，有两个亚型，分别是GSK-3α、GSK-3β。二者虽结构相似，但功能各异[10]，且具有一定组织特异性。GSK-3α主要负责调节肝糖原合成[11-12]，而GSK-3β在胰岛素敏感组织中具有一定的调节功能。IR时，表现为肝细胞GSK-3α活性升高，磷酸化水平降低[11]；骨骼肌GSK-3β活性升高，磷酸化水平降低[11，13-14]。

2.4IR对GS蛋白表达及其磷酸化水平的影响

GS是糖原合成的限速酶，生理状态下GS在磷酸酶作用下导致其去磷酸化,提高自身的活性,促进组织糖原合成；IR存在时，上游的GSK-3表达异常增高，促使GS去磷酸化失活，导致糖原合成受阻。Kida[15]和王艳荣[16]在实验中都发现IR大鼠骨骼肌和肝脏GS活性下降，糖原合成受损，并指出胰岛素反应缺损可能与GS磷酸酶受限有关。Gannon等[17]研究发现T2DM大鼠的肝内GS含量较正常对照组活性升高，而酶蛋白减少,mRNA的表达明显减少，引起肝GS的合成减少，同时证实了糖原合成酶磷酸酶活性与胰岛素靶细胞反应之间存在高度相关性。

3 运动对胰岛素受体后PI3K/Akt/GSK-3信号传导通路的影响

3.1运动对PI3K蛋白表达及其磷酸化水平的影响

Saengsirisuwan等[18]对肥胖Zucker鼠进行60min/d跑台训练，连续15d，发现比目鱼肌的PI3K活性显著增加。Eliete[19]和Arias[20]报道,长期耐力训练的大鼠，发现PI3K磷酸化水平明显升高。说明有规律的长期运动可改善胰岛素在骨骼肌细胞中的作用，提高PI3K的活性和磷酸化水平。Frфsig等[21]通过人体实验，急性运动后4h,经胰岛素处理骨骼肌吸收葡萄糖增加80%，PI3K 活性明显高于运动前。Chis等[22]研究也发现，3h大强度运动可以有效增加肝脏细胞细胞质内PI3K的活性。说明单次大强度运动对PI3K的活性也有一定的影响。曹师承[23]在研究中发现，长期游泳大鼠可以增加骨骼肌对胰岛素的敏感性，在比较不同运动强度和取材时间PI3K磷酸化和蛋白表达中发现，相同运动强度运动lh后24h取材组PI3K磷酸化水平高于lh运动48h取材组，得出结论如强度相同取材时间越短PI3K蛋白含量越高。说明取材时间距离末次运动时间越近，PI3K蛋白表达含量变化越明显。

关于运动对于PI3K-p85的影响，有研究报道称，运动干预可提高胰岛素的敏感性，增强PI3K的功能，但却不影响骨骼肌PI3K-p85和其他亚单位基团的蛋白表达[20,24]。至于运动对于其他胰岛素敏感组织中PI3K-p85活性影响未见报道。

3.2运动对Akt2蛋白表达及其磷酸化水平的影响

运动可提高骨骼肌和肝脏中Akt2蛋白含量、活性及其磷酸化水平，改善胰岛素在靶细胞中的敏感性。Sakamoto[25]研究表明，运动可以提高人体股四头肌Akt2的活性。胡瑞平等[26]研究显示，运动组大鼠游泳8周后骨骼肌中蛋白激酶B蛋白表达及磷酸化程度增加，增强了骨骼肌的胰岛素敏感性。Reynolds等[27]报道，20月龄小鼠跑台训练6周，与对照组比较，骨骼肌Akt2磷酸化水平升高45%，蛋白含量升高50%。但曹师承[23]研究发现，相同动物模型、训练强度的大鼠，取材时间不同，Akt的活性不同，证明了运动可以改善肥胖大鼠Akt蛋白含量，但有时间限制。

3.3运动对GSK-3蛋白表达及其磷酸化水平的影响

陈丹等[28]研究表明，运动训练可降低IR大鼠骨骼肌GSK-3蛋白表达水平，提高骨骼肌对胰岛素敏感性。这与有关的研究[25,30-31]结论一致。廖八根[31]研究结果显示，雄性SD大鼠通过慢性长期耐力运动后，致使EDL基础胞质GSK-3蛋白活性下降,GSK-3磷酸化明显增加。运动干预会引起GSK-3总量磷酸化水平升高,致使其活性降低，改善IR。该激酶磷酸化过程即是使自身失活的过程。

运动对GSK-3亚型变化的影响表现为其亚型磷酸化水平升高，蛋白表达下降及活化受抑。Markuns[32]研究结果显示，雄性大鼠通过跑台训练后检测后肢大腿骨骼肌GSK-3蛋白含量，发现GSK-3α磷酸化水平升高导致GSK-3α和GSK-3β蛋白表达下降了40%～60%。Aschenbach[30]研究发现，大鼠急性跑台运动后骨骼肌GSK-3β(Ser9)磷酸化显著增加,活性显著下降。运动对GSK-3亚型变化的影响与总量的变化趋势一致。

3.4运动对GS蛋白表达及其磷酸化水平的影响

GS可通过去磷酸化解除GSK-3对它的抑制作用，从而活化，刺激糖原合成。运动对于GS活性的影响，目前有争议。运动可以促进IR环境下GS的活化。Ryan[33]研究证实通过运动和合理膳食可以改善绝经后肥胖妇女的糖耐量，提高胰岛素的敏感性和GS的活性。但运动对于基础状态下的GS活性影响则结论不一。魏守刚等[34]研究发现，耐力性运动大鼠糖原耗竭运动后1h，总GS活性和被磷酸化的GS活性显著升高；耗竭运动后6h，去磷酸化的GS活性显著升高；运动后24h，总GS活性和被磷酸化的GS活性又显著升高。而全凯[35]的研究结果表明，2月龄SD大鼠采用大小两种强度进行训练，取材时间分别为1、6h和12h，发现骨骼肌中GS的含量变化没有统计学差异，结论为GS含量对血糖及肌糖原影响不大，大强度运动后GS含量较小强度运动后在相同恢复时间的对应点上略高。

4 结语

目前众多实验研究已表明可通过运动改善IR状态下胰岛素信号通路蛋白磷酸化和蛋白表达,增加对葡萄糖的吸收与利用，同时也针对IR发生时胰岛素信号传导途径中各级联蛋白对于胰岛素靶细胞反应受损作出各种解释。但关于运动对胰岛素PI3K/Akt/GSK-3信号通路影响的整体研究不多，目前针对通路中目标蛋白的研究结论出现部分差异，推测运动引起组织糖原含量增加可能还受其它生物学机制的调控，在一定程度上造成了研究运动对此条信号通路影响的难度。若针对运动对整条通路的影响展开系统的研究，将可为揭示运动防治IR的机制及其挖掘更多有效的作用靶点提供科学依据。

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[编辑] 一 凡

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A

1673-1409(2013)21-0142-03

2013-04-13

杨运华(1979-)，男，讲师，硕士，主要从事运动生理学教学与研究工作。