Ⅱ型糖尿病代谢相关信号转导分子机制研究进展

于源志，邹伟

1.武汉大学 生命科学学院，湖北 武汉 430072；2.辽宁师范大学 生命科学学院，辽宁 大连 116029

糖尿病是一种以高血糖为特征的代谢性疾病。目前全球糖尿病患者数量约为4.2亿，我国确诊的糖尿病患者约1.14亿。其中Ⅱ型糖尿病患者约占90%，该病主要由膳食营养不均衡、缺乏运动、作息时间不规律等不良生活习惯诱发的胰岛素抵抗和分泌不足所致。世界卫生组织预测，到2040年，全球糖尿病患者数量将增加至6.42 亿[1-2]。

糖尿病可以分为3大类，即Ⅰ型糖尿病、Ⅱ型糖尿病和妊娠糖尿病。其他特定类型的糖尿病，例如葡萄糖耐量异常和空腹血糖异常也可发生，并作为从健康向Ⅱ型糖尿病过度的中间条件[3]。尽管有不同的类别，但绝大多数糖尿病病例都属于Ⅰ型和Ⅱ型。Ⅰ型糖尿病亦可称为胰岛素依赖性糖尿病，主要是由胰腺细胞介导的自身免疫破坏胰岛β细胞引起的，占糖尿病患者总数的5%～10%。Ⅱ型糖尿病患者数量占总患者的90%～95%。它是由机体缺乏胰岛素以及胰岛素抵抗引起的，这些症状很大程度上是由于肥胖和缺乏运动等不良生活方式引发[1,4]。新近发现，慢性高血糖症可危及生命，导致血管、心脏、视力、肾脏和神经系统的损伤及并发症，与体内多种代谢相关信号转导机制有密切关系[4-5]。通过合理的饮食、适当的体育锻炼、服用降糖药物，可以预防糖尿病相关并发症，有助于改善患者的生活质量[6]。我们简要综述了与Ⅱ型糖尿病代谢相关的信号转导机制研究进展，旨在为糖尿病临床研究和预防提供理论基础。

1 Ⅱ型糖尿病

Ⅱ型糖尿病是糖尿病的常见形式，病因多样，包括对胰岛素作用的抵抗和胰岛素分泌不充足[4]。长期存在这种病症会导致高血糖症，通常不会出现足以引起注意的症状，但会导致很多靶组织在病理和功能上的改变[2]，因为在诊断出糖尿病之前高血糖症可能已经存在很长一段时间了，患者可能多年处于会发展为血管并发症的风险之中[8]。大多数Ⅱ型糖尿病患者也患有肥胖症或腰部脂肪百分比超标。身体肥胖会加重胰岛素抵抗，因此产生葡萄糖摄取缺陷和高血糖症。除了饮食碳水化合物，肝细胞的糖异生作用异常以及胰腺过量分泌胰高血糖素也可以导致血糖升高。这2种情况都可以刺激胰岛β细胞，从而增加胰岛素分泌。然而，血糖水平并没有因为胰岛素分泌而立即降低，如果是在非病理状况下发生的，细胞将分泌更多的胰岛素作为补偿反应，导致后续胰岛β细胞衰竭和死亡[9]。除了高血糖症，胰岛素分泌异常或不足也可引起胰岛β细胞损伤。

多年来已经采用不同的疗法来帮助Ⅱ型糖尿病患者维持葡萄糖稳态，从而避免因胰岛素代谢紊乱和高血糖导致的相关并发症。尽管减肥和采取健康的生活方式可以通过增加胰岛素的敏感性来改善体内葡萄糖平衡，但一般还是要配合药物治疗。最常见的抗糖尿病药物都可以有效预防和减轻高血糖，包括能够对碳水化合物吸收、内源性葡萄糖产生有抑制作用的药物，以及胰岛素敏化剂、胰岛素促分泌素，胰岛素受体激动剂和抑制胰高血糖素释放等药物[10-12]。除了高血糖症，许多科研机构正在从事控制糖尿病相关的由葡萄糖毒性引起的血管并发症的研究。事实上，糖尿病引起关注的主要原因并不是高血糖本身，而是由高血糖引起的葡萄糖毒性和细胞死亡，以及蛋白糖基化和功能障碍，导致相关的危及生命的血管并发症[13-14]。

血糖长时间高于正常水平会对细胞和器官产生毒性。晚期糖基化终产物（advanced glycation end products，AGEs）是过量的糖和蛋白质结合的产物，在人体内主要由糖基化作用产生。它会随着年龄的增长在体内积累，它也与肾衰竭和糖尿病紧密相关[15]。高血糖症患者血糖的增加会加速AGEs的形成。甲基乙二醛是葡萄糖的代谢物，是最具反应性的AGE前体。这种高反应性二羰基化合物在糖酵解过程中自发形成，并与蛋白质反应产生AGEs，这种反应是不可逆的[2]。AGEs与其受体被认为与一系列疾病有关，如糖尿病和动脉粥样硬化，也与慢性退行性疾病有关，如阿尔兹海默病、帕金森病、酒精性脑损伤等[16]。

2 Ⅱ型糖尿病与代谢相关酶的研究进展

2.1 Ⅱ型糖尿病与腺苷酸活化蛋白激酶

腺苷酸活化蛋白激酶（AMP-activated protein kinase，AMPK）又称为 5′AMP 活化蛋白激酶或5′腺苷单磷酸激活的蛋白激酶，是在细胞能量稳态中起作用的酶。它属于高度保守的真核蛋白家族，其直向同源物分别是酵母和植物中的SNF1和SnRK1。AMPK由3个亚基组成，它们一起形成从酵母到人类保守的功能性酶。AMPK在肝、脑和骨骼肌等许多组织中表达。AMPK活化后刺激肝脂肪酸氧化、生酮作用；刺激骨骼肌脂肪酸氧化和葡萄糖摄取、抑制胆固醇合成、脂肪生成和甘油三酯合成，并且抑制脂肪细胞脂肪生成以及调节胰腺β细胞分泌胰岛素[17]。

AMPK是由α、β和γ亚基形成的异三聚体蛋白复合物[18]，3个亚基中的每一个都在AMPK的稳定性和活性中发挥特定的作用。γ亚基包括4个特定的胱硫醚β合酶（CBS）结构域，使AMPK可以灵敏地检测AMP与ATP的比例变化。4个CBS结构域为AMP提供2个结合位点，这2个位点通常成为Bateman结构域。一个AMP与Bateman结构域结合后会协同增加第2个AMP对另一个Bateman结构域结合的亲和力[19]。当AMP结合2个Bateman结构域后，γ亚基的构象会发生变化，暴露α亚基上的催化结构域。正是在这个催化结构域中，当上游的AMPK激酶（AMPKK）在苏氨酸-172位点发生磷酸化作用时，AMPK便被激活[20]。α、β和γ亚基也存在不同的亚型：γ亚基可以包含γ1、γ2或γ3亚型，β亚基可以包含β1或β2亚型，α亚基可以包含α1或α2亚型。尽管在大多数细胞中表达的最常见亚型是α1、β1和γ1，但是已经证明α2、β2、γ2和γ3亚型也在心肌和骨骼肌细胞中表达[19,21-22]。

当AMPK磷酸化乙酰辅酶A羧化酶1（ACC1）或固醇调节元件结合蛋白1c（SREBP1c）时，会抑制脂肪酸、胆固醇和甘油三酯的合成，使细胞主动吸收脂肪酸并进行β氧化[23]。

AMPK通过磷酸化Rab-GTPase激活蛋白（TBC1D1）来刺激骨骼肌对葡萄糖的摄取，这一过程最终导致葡萄糖转运蛋白4囊泡与质膜的融合。AMPK通过激活6-磷酸果糖-2-激酶/果糖-2，6-二磷酸酶2/3的磷酸化和糖原磷酸化酶的磷酸化来刺激糖酵解，并通过抑制糖原合成酶的磷酸化来抑制糖原合成。在肝脏中，AMPK通过抑制转录因子包括肝细胞核因子4（HNF4）和cAMP反应元件结合蛋白（CREB）调节的转录共激活因子2（CRTC2）抑制糖异生。

2.2 Ⅱ型糖尿病与蛋白质酪氨酸磷酸酶1B

蛋白质酪氨酸磷酸酶是从蛋白质上的磷酸化酪氨酸残基中除去磷酸基团的一类酶。蛋白酪氨酸磷酸化是常见的翻译后修饰，可以产生用于蛋白质相互作用和细胞定位的新识别基序，影响蛋白质稳定性和调节酶活性。因此，保持适当水平的蛋白酪氨酸磷酸化对于许多细胞功能是必需的。酪氨酸特异性蛋白磷酸酶使用半胱氨酰-磷酸酶中间体催化除去连接到酪氨酸残基的磷酸基团。这些酶是信号转导途径（如MAP激酶途径）和细胞周期控制中的关键调节组分，并且在控制细胞生长、增殖、分化、转化和突触可塑性中发挥重要作用[24-27]。

蛋白质酪氨酸磷酸酶（protein tyrosine phosphatase，PTP）1B是胰岛素信号转导的负调节剂，位于肝、肌肉和脂肪组织的内质网膜。对PTP1B细胞作用的研究已经清楚地表明，该酶是胰岛素信号通路中酪氨酸磷酸化级联的一种关键的负调节剂[28]。胰岛素受体（IR）也属于酪氨酸激酶受体。与胰岛素结合后胰岛素受体的结构发生改变，导致细胞中几个酪氨酸残基的磷酸化，并因此激活其下游的信号通路，导致糖摄取达到峰值。由于PTP1B在胰岛素靶组织中普遍存在，以及近些年研究数据表明PTP1B在胰岛素抵抗中的作用，PTP1B被认为是治疗Ⅱ型糖尿病有前景的治疗靶点[28-29]。

锌离子因为具有促进葡萄糖转运、糖原和脂质合成、抑制糖异生作用和脂类分解的作用而被称为胰岛素类似物[30]。已有大量证据表明锌离子确实是PTPs的真正内源性调节剂，一些PTPs如受体酪氨酸蛋白磷酸酶β（receptor tyrosine-protein phosphatase β，RPTPβ）可以被游离的锌离子抑制[31]，而另一些则需要增加细胞溶质锌离子浓度，因为抑制常数高于细胞质游离锌离子浓度。长时间高血糖症、表皮生长因子（EGF）或胰岛素刺激会增加细胞内游离锌离子浓度[32-34]。当内质网附近锌离子浓度足够高时会抑制内质网上的PTP1B，从而增强胰岛素信号通路[35]。

2.3 Ⅱ型糖尿病与葡萄糖转运蛋白4

葡萄糖转运蛋白4（glucose transporter 4，GLUT4）是主要在脂肪组织和横纹肌（骨骼和心脏）中发现的受胰岛素调节的葡萄糖转运蛋白。最近的研究证明GLUT4基因存在于中枢神经系统如海马中，海马中GLUT4的损伤会导致海马神经元的代谢活性和可塑性降低，这导致抑郁样行为和认知功能障碍[36-38]。

肌肉细胞摄取葡萄糖是降低血糖水平的关键[39]。除了作为葡萄糖摄取和消耗的主要组织，肌肉也是治疗Ⅱ型糖尿病的重要靶组织[40]。在低胰岛素的情况下，大多数GLUT4被螯合在肌肉和脂肪细胞的胞内囊泡中。胰岛素通过诱导GLUT4从这些囊泡转运至质膜，导致葡萄糖的摄取量快速增加。由于囊泡与质膜融合，GLUT4转运蛋白被插入质膜用于转运葡萄糖，从而增加葡萄糖的吸收量[41]。AMPK在需要消耗ATP的代谢过程中起主要作用，AMPK被激活后GLUT4才能发生转位。在局部缺血的情况下，组织缺氧、心脏休克和氧化应激，AMPK通过调节GLUT4的表达来调控糖摄取过程，进而调控ATP的产生[39]。GLUT4表达量的上调与增加肌肉细胞对葡萄糖转运和利用有关，并因此降低血糖水平。

在细胞表面，GLUT4促进葡萄糖沿其浓度梯度向细胞内扩散。葡萄糖进入细胞后，被肝细胞中的葡萄糖激酶和其他组织细胞中的己糖激酶快速磷酸化，形成葡萄糖-6-磷酸，然后其行糖酵解或聚合成糖原。葡萄糖-6-磷酸不能扩散到细胞外，这也有助于保持葡萄糖被动地进入细胞的浓度梯度[42]。

3 Ⅱ型糖尿病相关的血糖调节信号通路

3.1 Ⅱ型糖尿病与胰岛素信号通路

食物被消化后葡萄糖进入血液，之后葡萄糖进入胰腺中的胰岛β细胞内。葡萄糖通过GLUT2囊泡被动地向胰岛β细胞中扩散。在胰岛β细胞内发生以下过程：葡萄糖通过葡萄糖激酶转化为葡萄糖-6-磷酸（G6P），随后G6P被氧化形成ATP。该过程抑制细胞的ATP敏感性钾离子通道，导致钾离子通道关闭，细胞膜去极化而拉伸，膜上的电压门控钙通道开放，Ca2+流入。随着Ca2+的流入，胰岛素囊泡与细胞膜融合，使胰岛素分泌到胰岛β细胞外，从而进入血液。

胰岛素以其二聚体形式与胰岛素受体结合，并激活受体的酪氨酸激酶结构域。之后受体磷酸化并募集胰岛素受体底物或IRS-1，其又通过酶的SH2结构域与IRS的pTyr的结合来结合PI-3激酶。PI-3激酶将膜脂质PIP2转化为PIP3，PIP3被蛋白激酶B（PKB）或AKT的PH结构域特异性识别，与PKB一起定位的PDK1可以磷酸化和激活PKB。一旦磷酸化，PKB处于其活性形式并磷酸化TBC1D4，其抑制GAP结构域或与TBC1D4相关的GTPase激活结构域，允许Rab蛋白从其GDP改变为GTP结合状态。GTPase激活结构域的抑制使级联中的蛋白质以其活性形式留下蛋白质，并刺激GLUT4在质膜上表达。RAC1也是被胰岛素活化的GTP酶。RAC1刺激皮质肌动蛋白细胞骨架的重组[43]，这允许GLUT4囊泡插入质膜。RAC1敲除小鼠肌肉中的葡萄糖摄取量减少[44,45]。

3.2 Ⅱ型糖尿病与胰高血糖素信号通路

胰高血糖素是由胰岛α细胞产生的肽激素，其作用是升高血液中葡萄糖的浓度，与胰岛素的作用相反。在体内，胰高血糖素有肝、肾、肠平滑肌、脑、脂肪组织、心脏、胰岛β细胞和胎盘等靶器官。当血液中葡萄糖的浓度下降到一定程度时，胰岛α细胞就会分泌胰高血糖素。胰高血糖素使肝脏将储存的糖原转化为葡萄糖，并且还会促进非糖类物质向葡萄糖转化并释放到血液中。

葡萄糖以糖原的形式储存在肝脏中，糖原是由葡萄糖分子组成的葡聚糖。肝细胞表面有胰高血糖素受体。当胰高血糖素与胰高血糖素受体结合时，肝细胞将糖原转化为单个葡萄糖分子，并在糖原分解的过程中将其释放到血液中。当肝脏中储存的糖原耗尽时，胰高血糖素会促进肝和肾通过糖原异生作用合成额外的葡萄糖。胰高血糖素也可抑制肝脏中的糖酵解过程，使糖酵解的中间产物进入糖原异生反应中。

胰高血糖素受体是一种有着7次跨膜结构的G蛋白偶联受体，可与胰高血糖素特异性结合。胰高血糖素受体中的G蛋白是具有α、β和γ亚基的异源三聚体蛋白。当G蛋白受体与配体相互作用时，其构象发生变化，使GTP分子替换原来与α亚基结合的GDP分子，这种代替导致α亚基从异源三聚体中游离出来。α亚基可以特异性地激活腺苷酸环化酶。

当胰高血糖素受体被激活后会激活腺苷酸环化酶和磷脂酶C（phospholipase C，PLC），腺苷酸环化酶被激活后产生环腺苷一磷酸（cAMP），产生的cAMP和IP3分别激活蛋白激酶A（proteinkinase A，PKA）和IP3R[46]。PKA会激活其下游的CREB和PFKFB1。磷酸化的PFKFB1会激活IP3R。CREB是一种细胞转录因子[47]，它结合到称为cAMP反应元件（CRE）的某些DNA序列，从而增加或减少下游基因的转录。受CREB调节的基因包括c-fos、BDNF、酪氨酸羟化酶、许多神经肽（如生长激素抑制素、脑啡肽、VGF、促肾上腺皮质激素释放激素）和参与哺乳动物昼夜节律钟的基因（如PER1、PER2）[48]。CRTC2是CREB的转录辅激活剂，在肝细胞中，p-CREB与CRTC2共同调节G6PC和PEPCK的转录，进而调节糖原异生作用[49-50]。肌醇三磷酸受体（IP3R）是一种膜糖蛋白复合物，存在与内质网上。IP3R被激活后会释放出 Ca2+激活 CRTC2[46]。

糖原异生是以丙酸、乳酸、甘油、丙酮酸或氨基酸等非糖类物质合成葡萄糖的作用，是糖酵解作用间接迂回的逆反应。肝脏中通过调控果糖-2，6-二磷酸酶的磷酸化状态来协调控制糖酵解和糖原异生，果糖-2，6-二磷酸酶是催化糖酵解反应的酶[51]。糖原异生与糖酵解有着非常密切的相互协调关系，如果一方活跃，那么另一方必然受到抑制，因为每条途径中的酶浓度都是受到调控的，所以2条途径中不同酶的活性和浓度是制约或协调2条途径的关键，而且2条途径可同时进行。

4 结语

在健康人中，胰腺、肝脏、肠、肾和大脑构成一个激素网络，共同调控葡萄糖代谢。但在Ⅱ型糖尿病患者中，空腹血糖会异常地升高，这主要是由于胰岛素抵抗引起的。虽然二甲双胍可以增强患者的胰岛素敏感性[52]，并且应用于糖尿病的治疗已有百余年，其在降血糖、降血脂和糖尿病并发症的治疗上显著疗效，但二甲双胍在细胞内的作用靶点仍旧不是很清楚，且有较多的副作用。通过研究Ⅱ型糖尿病代谢相关信号通路，开发调节血糖代谢相关信号通路抑制剂或激活剂，对临床研究具有重要意义。近年发现，小檗碱也具有增强胰岛素敏感性的作用，并且在降血糖和降血脂方面也有显著疗效，口服小檗碱一般无不良反应，而且以往研究表明小檗碱也会通过激活细胞内AMPK来增加糖消耗[53]。虽然小檗碱没有作为降糖药物上市，但有望成为取代二甲双胍的糖尿病治疗药物，研究小檗碱的降糖机制就显得尤为重要。总之，探究和学习治疗糖尿病药物的分子机制，对于治疗糖尿病，预防或延缓其并发症都具有十分重要的意义。