心肌胰岛素抵抗和雷帕霉素靶蛋白信号调控的研究进展

杨玉桥(综述)，钱金桥(审校)

(昆明医科大学第一附属医院麻醉科,昆明 650000)

心肌胰岛素抵抗和雷帕霉素靶蛋白信号调控的研究进展

杨玉桥△(综述)，钱金桥※(审校)

(昆明医科大学第一附属医院麻醉科,昆明 650000)

摘要：心肌胰岛素抵抗是一种与营养过剩和心肾代谢综合征有关的代谢异常。营养过剩能激活肾素-血管紧张素-醛固酮系统，引起循环中增多的营养素、胰岛素和血管紧张素Ⅱ长期暴露于心血管组织中，并通过激活心肌组织中的哺乳动物雷帕霉素靶蛋白(mTOR)/p70S6Kinase1(S6K1)信号通路引起心肌胰岛素抵抗。而最新的研究表明，心肌组织中mTOR信号的激活与适应性心肌肥厚有关,同时还参与形成mTOR↔AT2R信号环路，反馈调控过量激活的mTOR信号，介导心脏保护作用。该文就心肌胰岛素抵抗与mTOR信号调控的研究进展予以综述。

关键词：营养过剩；胰岛素抵抗；雷帕霉素靶蛋白信号通路

心肌胰岛素抵抗是机体潜在的代谢异常，与心血管对机体营养过剩、2型糖尿病和高血压等病理状态改变发生适应不良有关；摄入过多富含脂类和糖类的饮食会导致机体肾素-血管紧张素-醛固酮系统的激活以及循环中增加的脂肪酸、葡萄糖、血管紧张素Ⅱ(angiotensinⅡ,AngⅡ)和胰岛素长期暴露在心血管组织中[1-3]。心肌组织内的哺乳动物雷帕霉素靶蛋白(mammalian target for rapamycin,mTOR)是进化上相对保守的能量感受器，mTOR信号的激活可作为一个关键的聚集点，为来自心血管组织中的营养素、胰岛素和AngⅡ等信号分子提供结合位点[4]。一方面，通过激活mTOR/p70S6Kinase1(S6K1)信号通路促进心肌胰岛素抵抗；另一方面，mTOR与表达增加的AngⅡ受体2(AngⅡtype 2 receptor,AT2R)形成mTOR↔AT2R信号环路，介导心脏保护作用，成为探索潜在的、新奇的代谢代偿机制的焦点[5]。现对心肌胰岛素抵抗与mTOR信号调控的研究进展进行综述。

1心肌中胰岛素抵抗及其调控的信号通路

1.1全身胰岛素抵抗胰岛素抵抗是指胰岛素维持正常血糖的能力下降，即一定浓度的胰岛素没有达到预期的生理效应或组织对胰岛素的反应下降现象，临床表现为高胰岛素血症。胰岛素抵抗发生的主要部位是依赖胰岛素的葡萄糖利用组织/器官(如骨骼肌、肝脏、脂肪组织)。虽然胰岛素受体数目减少以及受体结合能力下降均可导致胰岛素抵抗，但有证据显示，这可能是继发于高胰岛素血症的结果，绝大多数胰岛素抵抗是胰岛素和胰岛素受体结合后信号转导过程发生障碍的结果；主要缺陷包括胰岛素受体的酪氨酸激酶活性下降、胰岛素受体底物1(insulin receptor substrate-1,IRS-1)的蛋白表达下降、酪氨酸磷酸化水平降低、葡萄糖转运减少、葡萄糖磷酸化和糖原合成酶活性减弱等；其中,糖原合成酶活性减弱是导致胰岛素抵抗的早期因素，可以在正常血糖或葡萄糖耐量受损的胰岛素抵抗患者的骨骼肌中发现[6-7]。新近的研究表明，糖原合成酶活性降低是胰岛素受体磷酸化IRS-1的能力下降，减弱了IRS-1与磷脂酰肌醇3-激酶(phosphatidyl inositol 3-kinase，PI3K)的调节亚基p85的结合，最终降低PI3K活性的结果；因此，胰岛素信号通路中，形成胰岛素抵抗的关键信号分子是IRS-1[6]。蛋白激酶C、N端激酶,mTOR和S6K1催化IRS-1丝氨酸残基磷酸化是调控IRS-1功能的主要机制[7-9]。IRS-1的丝氨酸残基磷酸化作用减弱了IRS-1酪氨酸残基磷酸化并减弱了其与PI3K调节亚基p85的结合，导致IRS-1的蛋白酶体发生降解；IRS-1蛋白酶体的降解不仅仅只依赖于磷酸化作用机制，细胞因子信号抑制物3同样能介导IRS-1蛋白酶体的降解,导致胰岛素信号异常，出现胰岛素抵抗[8]。酪氨酸、脂质磷酸酯酶、丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶(Akt)、转录因子的异常激活；腺苷酸活化蛋白激酶信号抑制的mTOR/S6K1通路的异常激活；调控IRS-1表达和IRS-1信号元件的微RNA的异常激活；以及调控IRS-1酪氨酸磷酸化和Akt激活的TRIB3基因表达增加均能使胰岛素信号发生异常，导致胰岛素抵抗[9-10]。

1.2心肌胰岛素抵抗心肌胰岛素抵抗是一种与肥胖和(或)心肾代谢综合征相关的代谢功能紊乱。心肾代谢综合征是一组由高血压、肥胖、胰岛素抵抗、代谢性血脂异常、微量蛋白尿和(或)肾功能损害共同组成的代谢紊乱；而心肾代谢综合征的发生与机体食用过多富含糖类、脂肪类以及过度加工的食物所引起的营养过剩直接相关[5]。机体长期处于营养过剩状态下，会引起循环中过量的营养素、葡萄糖和胰岛素慢性暴露在心血管组织中，进而减弱了胰岛素正常代谢信号，促进胰岛素抵抗的发生(如心肌细胞中积累的脂质分子可通过激活导致IRS-1丝氨酸磷酸化的激酶促进心肌胰岛素抵抗；高血糖症引起的氧化应激反应也能激活氧化还原敏感性激酶，增加IRS-1的丝氨酸磷酸化)[1,11]。营养过剩还能导致循环中非酯化脂肪酸释放增加、脂肪细胞功能紊乱以及巨噬细胞的激活，致使细胞因子(肿瘤坏死因子α、白细胞介素6)以及脂肪因子(抵抗素)分泌增加，改善胰岛素抵抗的脂联素分泌减少；肿瘤坏死因子α和白细胞介素6是通过激活丝裂原活化蛋白激酶、 蛋白激酶C、mTOR和细胞因子信号抑制物3，介导IRS-1蛋白酶体降解引起胰岛素抵抗；而抵抗素则是通过促进炎症反应引起胰岛素抵抗[12-13]。此外，营养过剩还会引起肾素-血管紧张素-醛固酮系统激活，导致循环和组织中一种强效血管收缩剂和促炎激素——AngⅡ的升高及醛固酮释放增加；AngⅡ介导激活AngⅡ受体1，可以促进胰岛素抵抗和心血管疾病，反馈抑制AngⅡ的产生；阻断AngⅡ受体1信号，被证明在治疗胰岛素抵抗方面是有益的[14-16]。醛固酮和AngⅡ都能激活血管平滑肌细胞、心肌细胞以及骨骼肌细胞中的膜结合还原型烟酰胺嘌呤二核苷酸磷酸氧化酶复合体，进而导致活性氧类的生成；活性氧类可以激活氧化还原反应激酶(如蛋白激酶S6K、蛋白激酶C、同工酶和丝裂原活化蛋白激酶)，进而引起IRS-1丝氨酸磷酸化，导致胰岛素抵抗[6]。心肌胰岛素抵抗的进展不依赖于全身胰岛素抵抗，但是全身胰岛素抵抗能明显促进心肌胰岛素抵抗，这一作用仅次于循环中增多的营养素、氧化应激以及失衡的神经激素类和细胞因子所引起的心肌胰岛素抵抗[5]。

2mTOR信号通路

mTOR是一种非典型Akt，为磷脂酰肌醇激酶相关激酶蛋白质家族成员；mTOR进化上相对保守，可整合营养、能量及生长因子等多种细胞外信号，参与基因转录、蛋白质翻译、核糖体合成等生物过程,在控制细胞生长和代谢等方面起重要作用；mTOR以两种不同的功能复合物形式存在：mTOR-raptor和mTOR-rictor，前者对雷帕霉素抑制敏感，即mTOR复合物1(mTOR complex 1,mTORC1)，后者对雷帕霉素的抑制不敏感，即mTOR复合物2(mTOR complex 2，mTORC2)[17]。激活经典的PI3K/Akt信号通路的信号分子都能引起mTOR的激活，即生长因子受体、AngⅡ和胰岛素都是通过激活经典的PI3K/Akt信号通路而介导发挥生物学作用，引起mTOR的激活[17-18]。其激活机制是：Akt通过直接磷酸化mTOR上的丝氨酸激活mTOR，或者通过磷酸化raptor/mTORC1的负调节因子——40 000的脯氨酸丰富区域的Akt基质并使其失活，间接促进mTORC1的形成，进而促进mTORC1与下游底物S6K1和真核生物翻译起始因子4E结合蛋白自由结合[19-20]。Akt还能减轻结节硬化复合物2对mTOR信号通路的负调控[21]。

3胰岛素抵抗与mTOR信号通路

依赖PI3K/Akt途径的胰岛素信号转导，信号通路中任何一个环节发生障碍均可诱发胰岛素抵抗。mTOR作为机体细胞营养成分的一个重要感受器，它的激活或抑制，在胰岛素抵抗的发生、发展中均起着不可忽视的作用。结节硬化复合物是mTOR信号通路重要的负调控因子，其缺失可以导致mTOR信号通路高度激活[18,21]。孟艳[22]在研究PI3K-Akt-mTOR信号通路对胰岛素信号通路的调控机制中发现，在结节硬化复合物缺失的细胞中，mTOR高度激活，而血小板衍生生长因子受体(platelet-derived growth factor receptor，PDGF-R)的表达下调；进一步研究发现，PDGF-R对IRS的表达起重要的调节作用，当PDGF-R缺失时，细胞中IRS-1的蛋白水平表达下调，细胞出现胰岛素抵抗；相反，PDGF-R能上调结节硬化复合物缺失细胞中IRS-1的表达，恢复结节硬化复合物缺失细胞的胰岛素反应性。PDGF-R对IRS-1的调控是在转录水平上实现的；IRS-1作为胰岛素受体重要的底物蛋白，对胰岛素信号通路的传递起着重要的作用，它在转录、翻译、磷酸化修饰或降解过程中，无论哪个环节发生障碍，都可以引起胰岛素信号传递阻滞，发生胰岛素抵抗[23-24]。PDGF-R通过对IRS-1的正向调控，对胰岛素信号通路起重要的调控作用；而在机体营养过剩状态下，循环中过量的胰岛素通过PI3K/Akt/mTOR信号通路激活mTOR，mTOR的持续激活会导致PDGF-R表达下调，通过下调IRS-1的表达减弱细胞胰岛素信号通路，发生胰岛素抵抗[25]。在机体营养过剩的状态下，循环中增多的营养素、胰岛素和AngⅡ能与mTOR结合，激活心肌组织中的mTOR；活化的mTOR激活底物S6K1—— 一种Akt，它能使IRS-1发生丝氨酸磷酸化，减弱IRS-1酪氨酸磷酸化和胰岛素代谢信号，形成胰岛素抵抗；因此，mTOR的激活可以促进心肌胰岛素抵抗[5]。另一方面，活化的mTORC1同时还参与适应性心肌肥大、左心室重构、肥厚性心肌病的发生、发展，在增加心肌细胞蛋白质合成的信号通路中起重要作用[26]。Shende等[27]发现，消融破坏小鼠心脏中的raptor/mTORC1后，在建立增大心脏后负荷模型后，与对照组相比，缺失mTORC1的小鼠未出现适应性心肌肥大，较早出现心力衰竭，且病死率增加。过表达心肌细胞中mTOR能减少病理性心肌肥厚过程中炎性细胞因子(白细胞介素1和白细胞介素6)的分泌，减轻炎症反应，防止发生心功能紊乱；在心肌肥厚左心室重构的进展过程中，心脏过表达mTOR还能抑制细胞间质纤维化[28]。以上证据都体现了mTOR的心脏保护作用。而在营养过剩相关的心肌胰岛素抵抗的起始阶段，心肌组织中许多代偿机制被激活以保护心脏的功能(如产生适应性代偿信号促进心肌重构)；其中，在营养过剩的条件下，心肌组织中激活最明显的就是营养素感受器激酶——mTOR[29]。从生理学角度来讲，许多研究者认为，在营养过剩条件下，心肌组织中mTOR的激活是一种能促进胰岛素抵抗的适应性代谢转换阶段，以保护心肌细胞免受循环中过量胰岛素和营养物质产生信号的损害；而这种适应性代偿机制是通过mTOR↔AT2R信号环路实现的[30]。Pulakat等[31]观察ZO大鼠左心室中mTORC1的激活情况发现，mTORC1激活的同时，AT2R蛋白表达也增加；进一步研究发现，AT2R表达水平的增加是mTORC1增加蛋白表达的结果；而用AT2R激动剂激活ZO大鼠心肌组织中的AT2R，发现能减弱活化的mTORC1信号，改善大鼠心肌功能，因此提出AT2R也能反馈调控mTORC1信号。而越来越多的证据表明，AT2R是心脏病理学的调控分子[32]。在人类衰竭的心肌组织[33]、糖尿病患者的脉管系统[34]以及胰岛素抵抗、心肌梗死、衰老和高胰岛素血症的动物模型中[32-33,35]都发现AT2R的表达上调。AT2R能介导阻断AngⅡ受体1效应,具有抗心肌肥厚和抗纤维化作用；其还可激活过氧化物酶增殖物激活受体γ，减少成纤维细胞的增长，减轻心肌肥厚，具有心脏保护作用[36-37]。由于AT2R能反馈抑制过量激活的mTOR信号，而且还具有抑制细胞生长和心脏保护作用，因此可以认为机体在营养过剩、高胰岛素血症条件下，活化的mTOR可形成mTOR↔AT2R信号回路，作为一种保护性反馈机制来平衡营养过剩和肾素-血管紧张素-醛固酮系统激活所产生的过量的mTOR信号。有趣的是，Pulakat等[30]还发现，mTOR信号的激活和mTOR↔AT2R信号回路仅出现在胰岛素抵抗阶段的ZO大鼠中，在有明显糖尿病和极度胰岛素抵抗的ZDF大鼠中却未发现这一代偿机制。

4小结

近年来，对心肌胰岛素抵抗的分子机制和调控网络的研究取得重要进展，PI3K/Akt/mTOR信号通路在胰岛素抵抗的发生、发展中起到了重要的作用。循环中过量的营养素、胰岛素和AngⅡ等多种信号分子可以激活mTOR；同时，在胰岛素抵抗进展过程中，mTOR受多种反馈机制调控，对这些代偿反馈机制的研究为寻找防治糖尿病、延缓心力衰竭、治疗心肾代谢综合征的方法提供了新的思路。但在胰岛素抵抗的心肌组织中，mTOR参与多条信号通路，同时又被多种信号分子调控。mTOR的激活只有处于一种微妙的平衡中才体现出心脏的保护作用，其功能和调控的复杂性为研究增加了难度，因此还需要科研人员不懈努力进一步研究探索。

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Cardiac Insulin Resistance and Mammalian Target for Rapamycin Signaling Pathway

YANGYu-qiao,QIANJin-qiao.

(DepartmentofAnesthesiology,theFirstAffiliatedHospitalofKunmingMedicalUniversity，Kunming650000，China)

Abstract：Cardiac insulin resistance is a metabolic and function disorder often associated with overnutrition and cardiorenal metabolic syndrome(CRS).Overnutrition induces activation of rennin angiotensin aldosterone system(RAAS)and results in chronic exposure of increased nutrients,insulin and angiotensinⅡ(AngⅡ) in cardiovascular tissues and circulation,which can mediate activation of mammalian target of rapamycin(mTOR)/p70S6 kinase/(S6K1) signaling and cause insulin resistance.Recent studies indicate that the activation of mTOR is involved in adaptive hypertrophy and also exerts cardioprotection effect via forming mTOR AT2R signaling loop which can balance the enhanced mTOR signaling in cardiac tissue in conditions of overnutrition-induced insulin resistance.Here is to make a review of the research progress in cardiac insulin resistance and mTOR signaling regulation.

Key words：Overnutrition; Insulin resistance; mammalian target for rapamycin signaling pathway

收稿日期：2014-04-08修回日期：2014-08-07编辑：郑雪

基金项目：国家自然科学基金(81160035)

doi：10.3969/j.issn.1006-2084.2015.04.002

中图分类号：R542.2

文献标识码：A

文章编号：1006-2084(2015)04-0579-04