PDX-1/MafA与Akt/PKB通路调控NIDDM发病机理

李凤林，刘静雪，谢 天，马 龙，代 娇

(1.吉林农业科技学院 食品工程学院，吉林 吉林 132101；2.吉林省酿造技术科技创新中心，吉林 吉林 132101)

非胰岛素依赖型糖尿病(NIDDM)是由于不同原因引起胰岛素分泌缺陷和(或)胰岛素作用缺陷导致糖、蛋白质、脂肪代谢异常的内分泌疾病，遗传和环境因素均参与了该病的发生，其特征是肝葡萄糖输出增加，胰岛素抵抗(IR)以及胰岛素分泌受损[1]。IR从根本上说是胰岛素结合到受体后引发受体缺陷而引起胰岛素信号传导损伤，其被认为是引发NIDDM的始发因素，许多原发的、继发的因素可能参与其发生。IR发展的程度主要由肥胖、运动、遗传、饮食等方面来决定[2，3]。胰岛素是由胰腺β细胞合成和产生的，是葡萄糖平衡的主要调节剂和关键激素，能增加肌肉和脂肪中葡萄糖吸收，并减少肝中葡萄糖合成。胰岛素既可以通过对肝脏的直接作用，又可以通过抑制脂肪组织脂解和限制糖原异生底物的传递的间接作用来控制肝脏葡萄糖的产生[4]。正常人肝葡萄糖生成与空腹血糖之间存在相关性，吸收后的肝葡萄糖生成增加。但是，在NIDDM患者中，由于糖异生作用导致葡萄糖和糖原生成高，糖原分解低；尽管NIDDM患者的胰岛素浓度可高于正常，但肝葡萄糖的产生仍超出正常范围[5]。长期大量摄入以葡萄糖形式迅速吸收的碳水化合物(CHO)会增加患NIDDM的风险。在动物和人体短期实验中发现，与低血糖指数(GI)值CHO摄入相比，高GI值CHO的摄入产生IR更大[6]，因此国际碳水化合物质量协会(ICQC)在2015年《国际科学共识峰会》中指出，应把低GI值食物考虑为健康饮食，其对具有IR的个体特别重要[7]。近年来，NIDDM的发病及调控机制已被大量研究，目前已揭示的主要包括氧化应激作用、PKB途径、PKC通路、PDX-1/MafA途径和PPAR激活等[8-11]。本文综述了MafA/PDX-1、Akt/PKB信号通路在NIDDM发病机理中的作用，以期为在分子水平上筛选治疗NIDDM的天然产物(NPs)及低GI值食物的开发提供理论依据。

1 PDX-1/MafA信号通路在NIDDM发病机理中的作用

1.1 PDX-1/MafA的生物学特征

胰腺-十二指肠同源框-1(Pancreatic duodenal homeobox-1，PDX-1)，又称为胰岛素促进因子-1，是一种重要的胰岛素转录因子，最早是在研究胰岛的激素基因表达调控过程中被发现的，其在调节胰腺发育和胰岛素基因转录中起核心作用[12]。PDX-1蛋白由283个氨基酸组成，分子量为30.64 kD；由于蛋白翻译后修饰原因，内源性PDX-1分子量通常被检测为46 kD。PDX-1的N端包含1个反激活区域，中间有1个同源结构域；在这个同源结构域内存在1个触角样蛋白转导结构域(PTD)和核定位信号(NLS)基序RRMKWKK(197～203 aa)，能使PDX-1能进行核导入。在PDX-1的C末端有1个保守基序介导PDX-1-PCIF1的相互作用，抑制PDX-1的转录活性[14]。

PDX-1基因位于人类染色体13q12.1，由2个外显子组成，跨度约为6 kb。在PDX-1的启动子区域中，有3个高度保守的区域，分别称为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ区，位于-2 800和-1 600碱基对(bp)之间；第4个远端增强子元件称为Ⅳ区，位于-6 500和-6 045 bp之间，其含有肝细胞核因子-1α(HNF-1α)、肝细胞核因子-3β(HNF-3β)、肝细胞核因子-6(HNF-6)、叉头盒蛋白 A1(FOXA1)、叉头盒蛋白 A2(FOXA2)、配对盒-6(PAX-6)等多个转录因子和转录调节因子。Ⅰ区和Ⅱ区赋予内分泌表达，Ⅲ区赋予β细胞特异性，Ⅳ区能使胰腺β细胞特异性基因表达并提高近端增强子活性[15]。PDX-1在不同阶段表达的细胞不一致。在发育早期，大多数胰腺细胞都表达PDX-1；但是随着发育成熟，只有β细胞、d细胞和十二指肠的内分泌细胞中PDX-1高水平表达，而某些导管细胞和腺泡细胞中表达很低[16]。

肌腱膜纤维肉瘤癌基因同系物A(MafA)是唯一在胰岛β细胞中表达或在胰岛细胞发育过程中以受限方式表达的富含胰岛的转录因子，属于巨噬细胞激活因子(Macrophage-activating factor，Maf)家族，是胰岛素基因转录的有效活化剂[17]。Maf家族由4个大Maf蛋白(MafA/L-Maf，MafB/Kreisler，c-Maf，NRL)和3个小Maf蛋白(MafF，MafG，MafK)组成。4个大Maf蛋白都包含1个基本基序，后接1个亮氨酸链，带有充当转录激活域的酸性域[18]。MafA蛋白对于胰岛素基因转录复合物的组装和功能至关重要，是通过连接胰岛基因启动区域的顺式作用元件RIPE3b来响应由血清葡萄糖水平调节的胰岛素转录[19]。在MafA蛋白缺乏的小鼠体内，其PDX-1、β细胞E盒转录激活因子-2(Beta-2)、神经源性分化蛋白(NeuroD)等转录因子的表达明显降低，β与α细胞比值减弱，从而影响胰岛素分泌[20]。

1.2 MafA/PDX-1信号通路与糖尿病治疗

PDX-1通过调节许多特异性基因表达来促进胰腺发育、β细胞分化及维持成熟细胞功能；PDX-1还可直接控制胰岛素基因，编码葡萄糖转运蛋白2(Slc2a2)基因、胰岛淀粉样多肽(IAPP)前体、配对盒-4(PAX-4)、突触结合蛋白1(syt1)以及PDX-1自身的表达[21]。在胰腺发育过程中，PDX-1在前体细胞中得以表达，随后限制在β细胞中；在成熟β细胞中，PDX-1调节包括胰岛素在内的各种β细胞相关因子的基因表达[22]。PDX-1的活性需要与髓系亲嗜性白血病病毒整合位点(MEIS)蛋白等辅助因子协调[23]。

PDX-1本身只能弱激活非β细胞中的胰岛素启动子，但在某些不产生胰岛素的胰岛细胞中，PDX-1强制表达可以激活内源性胰岛素基因[24]。研究证实，PDX-1基因定向破坏的纯合小鼠不能发育成胰腺，出生后不久即死亡；而靶向破坏PDX-1基因杂合小鼠正常发育，但是清除葡萄糖能力受损。此外，PDX-1基因选择性失活会导致β细胞消失和功能障碍，胰岛素产生受损以及糖尿病症状出现[25]。在高血糖状态下，PDX-1由组蛋白乙酰转移酶(HAT)与组蛋白甲基转移酶(EHMT)介导结合于胰岛素启动子，使胰岛素染色体结构发生变化，促进胰岛素的转录[26]。在小鼠中进行的基因破坏实验表明，PDX-1在胰岛素基因调控及胰岛发育和功能中均起着关键作用。此外，已在NIDDM患者群体中鉴定出PDX-1基因的突变。

MafA基因独自作用时，对胰岛素转录影响很少，但当其与PDX-1、Beta-2联合作用时，能使非β细胞系中胰岛素基因协同转录，明显促进胰岛素生成。MafA、PDX-1、Beta 2三者协同作用可造成胰岛素基因β细胞的限制性表达，这种协同作用能通过各自顺式作用因子和共同激活作用来增强跨因子间亲和力，进而稳定DNA蛋白质复合物[27]。

研究证实，MafA基因杂合小鼠在出生早期表现为血糖升高、体重减轻、胰岛素产生能力下降等[28]。MafA基因缺乏的小鼠出生时胰岛形态结构是正常的，但随着年龄增长，其葡萄糖刺激的胰岛素分泌和胰岛形态结构逐渐反常，胰岛素和葡萄糖转运蛋白-2(GLUT-2)表达减弱[29]。这表明MafA基因不仅影响胰岛素的转录，对胰岛中β细胞的扩散与存在也具有非常重要的作用。DM实验动物经MafA基因治疗后能有效降低血糖水平[30]。

葡萄糖是胰岛素基因表达主要的生理调节剂，其控制转录因子、胰岛素mRNA稳定性及转录速率。β细胞功能恶化会导致NIDDM患者的糖脂毒性，而MafA和PDX-1是影响糖脂毒性机制最重要的转录因子[31]。在DM状态下，PDX-1和MafA在β细胞中表达或活性降低，从而导致胰岛素生物合成和分泌受到抑制。研究证实，在PDX-1和Neuro D存在情况下，MafA能改善NIDDM小鼠胰岛素基因启动子活性与葡萄糖耐量[32]。MafA还可以介导GLUT-2和激素原转化酶-2(PC-2)等关键胰岛β细胞基因的表达。MafA通过与PDX-1和Beta-2的作用，充当诱导胰岛素生产细胞的中央调节剂，因此PDX-1和MafA在诱导替代β细胞中起关键作用，并且可能成为NIDDM的治疗靶标。最近研究证实，高迁移率族AT Hook蛋白1(HMGA1)是组成染色质结构的核结构因子，可通过调节PDX-1-和MafA诱导的INS基因启动子的反式激活，在β细胞功能和胰岛素产生中起关键作用[33]。

2 Akt/PKB信号通路

2.1 Akt/PKB的生物学特征

Akt是一种分子量为57 kD的丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶，属于蛋白激酶超家族的AGC亚家族。Akt最初是作为逆转录病毒致癌基因v-Akt的细胞同源物被发现的，由于其与蛋白激酶 A(PKA)和蛋白激酶 C(PKC)结构相似，故也称为PKB[34]。

Akt分子约由480个氨基酸残基组成，在激酶末端包含1个PH结构域(pleckstrin homology domain)、1个中央激酶域、1个富含丝氨酸/苏氨酸的C末端区域。哺乳动物中的Akt可分为3个亚类，即Akt1(PKBα)、Akt2(PKBβ)和Akt3(PKBγ)，均包括上述3个区域。Akt的3个亚类PH结构域和C末端区域更加多样化(氨基酸水平上同源性为73%～84%)，这表明PH结构域和C末端区域可能代表Akt1、Akt2、Akt3功能性之间的差异。Akt的3个亚类都位于细胞质中，但激活后可能易位至细胞核。AAkt1基因位于人类染色体14q32上，AAkt2基因位于人类染色体19q13.1～13.2上，AAkt3基因位于人类染色体1q44上[35]。已有的研究已确定Akt3个亚类的独特作用，其中Akt1与细胞存活有关，Akt2与细胞底物代谢有关，Akt3与脑发育有关[36]。Akt1缺陷小鼠表现为生长延迟，Akt2缺陷小鼠表现为NIDDM综合征，AKT3缺陷小鼠表现为脑发育受损[37-39]。

2.2 Akt/PKB信号通路与糖尿病治疗

Akt/PKB在胰岛素信号传导，细胞存活和转化中起关键作用[40]。胰岛素通过增加葡萄糖转运蛋白-4(GLUT-4))从细胞内区室转运到质膜(PM)来促进肌肉和脂肪组织中葡萄糖吸收。在响应胰岛素激活的蛋白质中，磷脂酰肌醇3-激酶(PI3-K)起关键作用，能抑制胰岛素刺激的葡萄糖转运，而Akt/PKB是PI3-K一系列下游靶标中重要的靶激酶[41]。

PI3-K的酶活性产生D-3磷酸肌醇，包括磷脂酰肌醇3磷酸(PI3P)和磷脂酰肌醇2磷酸(PI2P)。PI(3，4，5)P3被认为是触发Akt磷酸化最重要的第二信使。Akt有Thr308和Ser473两个调节性磷酸化位点，有助于其完整活性[42]。Akt以一种不活跃的构象存在于细胞质中，直到细胞受到刺激并转移到质膜上。Akt-PH结构域对PI3P有很高的亲和力，比其他磷酸肌醇优先结合，因此PI3-K活性对于Akt转运至膜至关重要。与PI3P的相互作用会导致构象变化以及激酶结构域中磷酸化位点Thr308与C端结构域中的Ser473的暴露。Akt可被Thr308磷酸化部分激活，而完全激活需要Ser473的磷酸化。Ser473可被磷酸肌醇依赖性激酶2(PDK2)、整合素连接激酶(ILK)、雷帕霉素靶蛋白复合物(mTORC)、DNA依赖性蛋白激酶(DNA-PK)等多种蛋白质催化[43]。尽管PI3-K是Akt激活的主要方式，但已显示Akt可以通过Ca2+/钙调蛋白依赖性蛋白激酶(CAMKK)响应热休克或细胞Ca2+浓度增加而被激活[44]。

Akt/PKB信号传导在胰岛素刺激肌肉和脂肪组织中的的葡萄糖摄取时起关键作用，同时抑制肝细胞释放葡萄糖；该信号传导包括配体(胰岛素或其他生长激素)诱导受体酪氨酸激酶自磷酸化后被激活，刺激G蛋白偶联受体(GPCRs)，激活整联蛋白信号传导[45]。胰岛素与其细胞表面蛋白受体的结合产生酪氨酸磷酸化，从而导致特定酪氨酸残基上的胰岛素受体底物发生磷酸化，并激活PI3-K及其下游靶标Akt/PKB[46]。AS160(又称TBC1D4)是分子量为160 kD的Akt底物，能调节胰岛素刺激的葡萄糖转运蛋白-4(GLUT-4)转运。AS160通过作用鸟苷-50-二磷酸使Rab-GTPase激活蛋白(Rab-GAPs)处于非活性状态，从而将GLUT-4保留在GLUT储存囊泡中。激活后，Akt/PKB使AS160磷酸化导致Rab-GAPs活性降低，促进GLUT-4易位和葡萄糖摄取。PI3-K/Akt/AS160转导途径中的任何缺陷将最终减少骨骼肌中葡萄糖摄取[47]。研究已经证实，Akt2(PKBβ)亚型基因敲除的小鼠及其啮齿动物中会引起高血糖、高胰岛素血症、糖耐量异常、肌葡萄糖摄取受损以及IR；人类Akt2(PKBβ)的基因中突变会导致严重的IR[48]。

IR缺陷也与Akt/PKB上游和下游靶点密切相关，表现为胰岛素受体底物上蛋白质侧链的去磷酸化以及胰岛素受体底物从细胞表面膜上完全丧失，降低NIDDM骨骼肌中PI3激酶活性并削弱Akt/PKB底物AS160的磷酸化[49]。由于Akt/PKB在胰岛β细胞生存与功能以及葡萄糖代谢调节方面起到非常重要的作用，近年来已成为NIDDM治疗研究的一个新靶点。

3 结语

NIDDM是一种非常复杂和多因素的代谢性疾病，治疗NIDDM的策略是营养干预、适度运动、化学药物与胰岛素。尽管药物治疗NIDDM具有益处，但大多数化学合成药物会产生一些不良副作用。随着PDX-1/MafA与Akt/PKB信号通路在NIDDM发病机理中的作用被逐渐阐明，天然产物(NPs)已经成为治疗NIDDM的重要资源。此外，营养干预是治疗与预防NIDDM及其并发症的基础。高GI碳水化合物饮食已被证明是NIDDM发作的独立危险因素，而在肥胖的IR患者中，低GI饮食可有效降低体重，改善葡萄糖耐量，减轻其炎症和代谢反应。因此，开发具有降糖作用的NPs，并将其作为强化剂在低GI食物中制成低GI-NPs食物，这有可能成为未来NIDDM患者食物生产的一种重要方向。