胰岛素信号传导及其调节机制

·综述与讲座·
胰岛素信号传导及其调节机制
南京医科大学第一附属医院内分泌科(210029)　唐　伟　朱　剑　武晓泓　综述　刘　超　审校
1　胰岛素信号传导通路　胰岛素信号传导可大致分为几个步骤:(1)胰岛素首先与细胞表面胰岛素受体(I R)结合,激活其β亚基的酪氨酸蛋白激酶(pro tein Ty rosine kinase, P TK)。

(2)PT K磷酸化I RS而使之激活,导致受体本身磷
·论著摘登·
史≥10年以上的,出现并发症的比率为85%以上,均以视网膜、肾病、周围神经病变等微循环功能障碍病变所致并发症为主,且多为两种或两种以上,联合发病。

心、脑血管病变发病率次之。

讨论　糖尿病所致的各种并发症与以下几种原因有关:①缺乏:糖尿病知识教育;②不能做到专病专医,医生只应付门诊工作量,病人不能定期(至少半月)监测血糖。

有的病人甚至半年到一年测一次血糖,血糖正常或接近正常后即停药,等再次病情加重后再次就诊,如此一来高血糖状态不能得到很好控制;③对胰岛素的认识不足,导致并发症早期阶段血糖得不到严格控制;④虚假广告得不到认真查处,仍有一些药物广告打着“根除糖尿病及永不复发”字样诱惑病人,使病人丧失了及时有效的时机。

以上这些因素造成的后果既是长期高血糖导致高血脂、高血压、高血粘度,进一步引起全身各脏器微循环障碍,血管内皮细胞损伤、纤溶活性的降低、脂蛋白糖基化。

通过本组病例为广大专业糖尿病医生提出这样一个要求:必须让病人长期坚持糖尿病治疗五项原则即:①糖尿病知识教育;
②坚持糖尿病饮食控制;③坚持适当运动;④坚持定期监测血、尿糖;⑤坚持药物治疗,尤其在胰岛素应用问题上更要加大力度。

(2005—01—08收稿)
2型糖尿病与代谢综合征的临床观察辽宁省鞍山市中心医院内分泌科(114000)　李丽颖　冯　悦
代谢综合征是多种代谢成分异常聚集的病理状态,随着我国经济发展,人民生活水平的改善,及西方某些不良生活方式侵入,健康卫生常识重视不足等使该病的患病率日趋上升。

在临床工作中我们发现2型糖尿病与代谢综合征的关系十分密切,下面就将2004年7月～2005年1月我科收治的270例2型糖尿病患者中发生“代谢综合征”的情况分析总结如下:
临床资料及方法　①按照2004年中华医学会糖尿病分会诊断代谢综合征标准,确诊“代谢综合征”;②按照WHO专家委员会报告,1999年糖尿病诊断标准,已确诊为“2型糖尿病”的患者270例,分别测血压,空腹甘油三酯,及体重指数BM I;观察上述270例“2型糖尿病”患者中符合“代谢综合征”的患者例数。

结果　①空腹甘油三酯≥1.7mmol/L的有180例;②血压≥140/90mmHg及已确诊为“高血压”的有150例;③体重指数BM I≥25.0kg/m260例;④符合“代谢综合征”标准中血糖,血压,空腹甘油三酯,及体重指数4项的有24例;符合血糖,血压及空腹甘油三酯升高者有84例,符合“代谢综合征标准”中血糖及其余2项的有24例;⑤综合上述结果,符合“代谢综合征”标准者共132例。

讨论　①综合上述观察结果提示在已确诊的“2型糖尿病”患者中符合“代谢综合征”的约占49.7%;②从上述观察资料中我们看到“2型糖尿病”患者中高甘油三酯症及高血压者的发生率居前,其次为肥胖及其他相关指标;③根据美国国家胆固醇教育方案的资料,“2型糖尿病”伴高甘油三酯血症的发生率>40%,其原因是由于胰岛素不足胰岛素抵抗等所致的V LDL甘油三酯的产生过多和清除缺陷;④许多研究揭示高胰岛素血症胰岛素抵抗与血压水平相关。

糖尿病患者伴有高胰岛素血症和胰岛素抵抗。

胰岛素抵抗可在血管平滑肌细胞水平干扰阳离子交换使细胞内钙离子增加导致血管平滑肌对加压物质反应性增强,同时Na+-H+交换增加,引起细胞内碱化作用,可刺激蛋白质合成和细胞增生,促进管腔狭窄,血压上升;⑤在现代社会中许多“2型糖尿病”患者的高血糖只是患者所患“代谢综合征”的一部分。

或合并“代谢综合征”,故在此类患者的临床诊断中建议应将“代谢综合征”列在其首,并提示地方医院在诊断糖尿病同时应积极进行有关血酯,血压及体重指数等相关检查,从而指导我们在治疗糖尿病过程中应积极以降低高血糖为基础同时进行控制血压,及调脂,减轻体重等综合治疗。

(2004—12—10收稿)
酸化和几种底物蛋白磷酸化。

(3)IR底物主要包括不同类型的胰岛素受体底物(IRS),IRS作为一种船坞蛋白(docking pro tein),与含肉瘤同源区段2(src homology2domain,SH2)结构域的信号分子结合,激活三条信号途径:①PI3K(phos-phatidylinositol-3-kinase)途径;②CAP/Cb1/ Tc10途径;③Ras MAPK途径。

(4)蛋白激酶、磷酸酶级联反应。

蛋白激酶(proteinkinase)使蛋白质底物(酶、信号蛋白)磷酸化,并使其活化或失活,如酪氨酸蛋白激酶(TK)、丝氨酸/苏氨酸(Ser/ Thr)蛋白激酶。

磷酸酶(phosphatase)使蛋白质底物/酶去磷酸化,而将其激活或抑制。

(5)生物学效应:刺激GLUT4转位,促进细胞葡萄糖摄取;刺激糖原合成酶GS调节糖原合成等生物学效应:调节细胞的生长、增殖及分化〔1〕。

胰岛素信号传导的反馈调节与信号传导方向相反,即由最终反应物质到PI3K,再到IRS-1,最后到达信号传导的起始部位I R。

1.1　IR
1.1.1　I R的结构　IR是一种跨膜糖蛋白,具有典型的变构酶性质,广泛分布于全身各组织细胞膜。

I R基因位于第19号染色体短臂上,含22个外显子。

1～11外显子编码α亚基;12～22外显子编码β亚基,其中17～21外显子编码T K活性区。

两个α亚基及两个β亚基,形成α2β2异四聚体。

α亚基分子量130kD,由723个氨基酸残基组成,肽链N端及富含半胱氨酸残基的结构域是胰岛素的结合位点。

β亚基分子量95kD,由620个氨基酸残基组成,分为三个结构区域:①跨膜螺旋区;②近膜侧区;③C端磷酸化区。

194个氨基酸残基组成的N端区域暴露在细胞表面,通过二硫键与α亚基相连。

1.1.2　I R的作用　胰岛素与靶细胞上的I R结合,将胰岛素信号转入膜内〔2〕。

α亚基对β亚基受体T K起抑制性调控作用。

非活化状态下,T K的催化位点被活化袢掩盖,使其不能与A T P及受体底物接触。

当胰岛素与α亚基特异性结合后,其抑制β亚基作用即解除,活化袢上第1158、1162、1163位的酪氨酸残基自身磷酸化,引起构象上的变化,从而使A T P及受体底物能与受体TK的催化位点相接触,而使受体底物蛋白上的酪氨酸残基磷酸化。

IR的α亚基结合胰岛素后发生变构,立即通过疏水跨膜区至β亚基变构和受体寡聚化。

此时β亚基Ty r1146首先进行自身磷酸化而激活受体T K活性并以此扩散其他酪氨酸残基磷酸化,激发I R信号偶联瀑布。

IR自身磷酸化涉及包括跨膜螺旋区、近膜侧区和C末端磷酸化区三个结构域的酪氨酸位点。

IR除了酪氨酸磷酸化外,在近膜结构域(Ser967、Ser968)及C端结构域(Ser1305、Ser1306、T hr1348)的丝氨酸及苏氨酸残基可被P KC磷酸化。

受体Ser/T hr磷酸化的作用与酪氨酸磷酸化相反,对IRT K活性起负面调控作用。

1.2　IRS　IRS家族包括4种异构体蛋白,I RS-1～-4。

它们具有共同的结构特征,但拥有不同的组织分布和功能。

I RS蛋白的激活可募集和活化多种信号传导蛋白,介导I RS和IGF-I等多向性细胞信号传导效应,避免了由多种受体直接招募SH2类蛋白到它的自身磷酸化位点,因此是一种经济而有效的细胞信号传导方式。

通过多种受体分享使用I RS蛋白,胰岛素和其他激素、细胞因子之间进行着重要的联系和功能调节。

1.2.1　IRS-1　I RS-1为亲水性蛋白,主要分布在骨骼肌,但在脂肪、肝脏等处也有表达。

I RS-1N端具有普例克底物蛋白同源(plechkstinhomology,PH)结构域,后者能特异结合磷脂及细胞内其它信号蛋白如Sos、PK B、βark 等。

此外I RS-1还含有与磷酸酪氨酸残基结合(P TB)的结构域,后者可与酪氨酸磷酸化的I R结合,传递胰岛素的信号。

I RS-1至少有20个酪氨酸残基可被磷酸化,其中6个在YM XM模体中,3个在Y XXM模体中。

此外IRS-1还含有30个以上的丝氨酸苏氨酸残基,可被Ser/T hr蛋白激酶磷酸化。

胰岛素与I R的n亚基结合后,β亚基自身磷酸化,近膜区与IRS-1的第45-516位氨基酸之间的结构区结合,使得I RS-1与β亚单位的T K接触。

己活化的激酶化I RS—1的Y MX M基元酪氨酸磷酸化。

YM XM 磷酸化后为含有SH2结构的效应蛋白提供了结合部位。

I RS-1介导的胰岛素信号传导障碍,使骨骼肌、肝脏、脂肪三个胰岛素作用的外周靶组织均发生胰岛素抵抗。

1.2.2　IRS-2　I RS-2是一种190kD的蛋白质,在肝脏和胰腺β细胞大量表达,在肝的胰岛素信号传导和胰腺发育中起关键作用。

胰岛素与I R结合后,I R的β亚基近膜区Ty r自身磷酸化并且与IRS-2结合,IR上激活的P TK 催化IRS-2上多个T y r磷酸化,为下游含SH2区的蛋白提供位点,形成信号蛋白复合物,介导进一步的信号传导。

I RS-2还可以将IG F-I、白介素(ILs)、干扰素(IFN)、肿瘤坏死因子(T NF)-α等细胞因子的受体和信号通路连接起来,此信号通路中介IN S/IG F-I刺激的葡萄糖转运、基因表达调节和细胞分裂,从而控制细胞生长分化和新陈代谢。

I RS-2缺陷诱发的胰岛素抵抗主要发生部位是肝脏。

1.2.3　I RS-3及I RS-4　I RS-3分子量仅60kD,含有较少的磷酸化位点,仅分布于脂肪。

I RS-4分子量为160kD,在垂体、胸腺和脑组织表达。

这两种蛋白也可被胰岛素和IGF-I磷酸化,介导胰岛素与IG F-I的信号传导通路。

I RS-3,I RS-4的过度表达可损害I RS-1,I RS-2介导的信号传导系统,减少IRS-2的mRNA和蛋白质表达,抑制IGF-I刺激的IRS-1,I RS-2的酪氨酸磷酸化,降低P I3K的P85调节亚基与I RS-1,IRS-2的结合。

这
提示IRS-3,IRS-4作为一种负性调节因子作用于胰岛素和IGF-I信号系统并抑制其他IRS蛋白的功能。

I RS -4在胰岛素刺激时可激活PKB/Akt〔3〕,并促进BA D磷酸化。

但与PI3K的结合较弱,且不能激活P70s6K,因此不参与胰岛素的抗凋亡效应。

1.3　胰岛素信号传导三条路径
1.3.1　磷脂酰肌醇3激酶(PI3K)途径　胰岛素的代谢功能主要通过这条途径。

P I3K由110kD(P110)的催化亚基及85kD(P85)的调节亚基构成。

调节亚基P85含2个SH2结构域及1个SH3结构域。

SH2结构域位于C末端,能与含磷酸酪氨酸残基的信号分子如IRS-1结合。

SH3结构域位于P85亚基的N末端,能与富含脯氨酸的各种信号蛋白结合。

P I3K被磷酸化后,催化4,5-二磷酸磷脂酰肌醇(PIP2)的形成,启动肌醇磷脂信号系统,引发细胞的Ca2+动员及蛋白激酶C(PK C)的持续活化。

PI3K活化后还激活Ser/T hr蛋白激酶A kt或蛋白激酶B(PKB),促进葡萄糖转运体GL U T1,G L U T4转位到细胞膜上,摄取葡萄糖。

PI3K的底物分子还包括类PK C的蛋白激酶GT P结合蛋白Rac和cdc42(又称p21活化激酶, PAKs),通过PI3K激活而促进细胞的生长。

非经典的PKCs(aPK C3)也可被PDK激活参与G LU T4的转位及葡萄糖转运。

而aP KCs相互作用蛋白(ASI P)过渡表达可阻碍PK Cζ/λ的信号传导而抑制胰岛素刺激的葡萄糖转运。

此外,PI3K也参与调节胰岛素刺激引起的蛋白质合成过程。

胰岛素通过控制翻译起始及延伸因子的磷酸化程度来调节细胞内蛋白质的合成。

真核生物翻译起始因子elF4E及其特异性结合蛋白PHAS-1的磷酸化都依赖于PI3K的话化。

1.3.2　CAP/Cbl/T c10途径　Cbl为I R底物之一,CA P属于适配蛋白家族,其羧基端含有3个相毗邻的SH3区段, Cb1通过与其中一个SH3相互作用,在基础状态下集聚至IR。

当Cbl的酪氨酸磷酸化,CAP/Cbl复合体即从IR解离,与漂浮因子组成三聚体,直接使CAP/Cb1复合体定位至细胞浆膜上的脂质筏。

转位后的磷酸化Cbl通过与适配蛋白CrkII相互作用使后者也集聚至脂质筏,并与鸟苷酸交换因子C3G组成复合体,一旦转位至脂质筏,C3G即趋近于小G蛋白TC10,催化GT P交换GDP,激活TC10。

活化的T C10为GL U T4的转位提供了与PI3K途径相平行的第二信号。

T C10促进葡萄糖转运的具体机制尚不清楚,可能通过直接调控细胞骨架的重排,促使G LU T4外吐或停靠至细胞膜〔4〕。

1.3.3　Ras M APK途径　另一条通路是由G T P结合蛋白Ras调控的线粒体活化蛋白激酶(mitogen actived proteinki-nase,M A PK)途径。

当胰岛素与I R结合后,通过接头蛋白:生长因子结合蛋白2(G rb2)和Shc蛋白(Srchomology-collagen protein),结合鸟苷酸交换因子Sos和Ras,活化的Ras-G T P与Raf-1Ser/Thr蛋白激酶结合,Raf-1的C 端再与另一个Raf-1Ser/T hr蛋白激酶M EK(M AP及E-BK kinase)相结合,并使之激活。

M EK结合M APK,并使其第185位酪氨酸残基及第183位苏氨酸残基同时磷酸化使之激活。

活化的M APK可使许多靶蛋白磷酸化,M APK靶蛋白可以是M A PK级联放大过程的上游信息蛋白Sos、Raf -1、M EK及IRS-1,也可是其下游蛋白激酶如M A PK活化蛋白激酶(MA PKA PKinase)1和2,还包括核内靶蛋白如Cfos、Cmy c、Creb、EIK I及RNA聚合酶II等、Ras MA PK途径主要参与促进细胞的生长、增殖及分化。

2　胰岛素信号传导系统的调控　胰岛素信号系统在实现胰岛素生物学效应过程中,在信号传导的多个环节受到调控,根据生理性需要完成其功能。

另外,有些病理性因素通过对胰岛素信号蛋白的影响,导致其活性改变而影响胰岛素信号传递。

2.1　IR的调节　I R编码基因突变可直接导致胰岛素作用的降低。

I R基因及蛋白表达量下调或IR降解增加同样可导致胰岛素抵抗的发生。

研究显示,I R胞内侧Ser/T hr 的被P KC磷酸化后TK活性下降,这是导致胰岛素抵抗的另一个重要原因〔5〕。

此外,蛋白酪氨酸磷酸酶(PT Pase)能够使IR去磷酸化,PT Pase过度表达时,I R自身磷酸化减少,β亚单位的T K活性受抑制,引起胰岛素敏感性降低。

2.2　IRS的调节　IRS-1的20多个T yr和50余个Ser/ T hr磷酸化位点是信号传导调节的重要结构基础。

I RS-1磷酸化的部位不同,其信号传导功能也随之改变。

胰岛素刺激后的T yr磷酸化是I RS-1发挥信号传导作用的前提,即正性调节。

胰岛素刺激同时也使IRS-1的Ser/T hr 磷酸化。

Ser/T hr磷酸化抑制IRS-1的信号传导作用,是负性调节的一部分。

最近的研究发现,I RS-1本身也参与胰岛素信号传导的调节。

I RS—1的Ser磷酸化后,可反馈抑制I Rβ亚单位的T y r磷酸化,进而抑制I R的T K活性。

2.2.1　P T Pase的负向调节　T K在代谢及细胞生长中的作用的重要性被认识后,与其效应相反的PT Pase的研究也得到了重视〔6〕。

有证据显示,肥胖病人和糖尿病模型大鼠的肝脏、骨骼肌和脂肪细胞内PT Pase量和酶活性均增高。

PT Pase可分为两大类,一类与细胞膜结合,另一类则存在于脑浆中。

胞浆中的P T Pase含有2个SH2区段,可与I RS-1尾部的两个酪氨酸磷酸化位点相结合,使IRS-1去磷酸化,降低其与PI3K结合的能力而阻碍信号传导。

2.2.2　蛋白激酶的调节作用
2.2.2.1　P KC　PK C是一种Ser/T hr蛋白激酶,可以使
I R及I RS等胰岛素信号蛋白Ser磷酸化,而T yr残基磷酸化程度降低,使I RS蛋白与I R解离,或对受体T K起抑制作用,或是使IRS-1不能保持于紧靠IR的位置,产生胰岛素抵抗。

下游的一些Ser/T hr激酶,如m TO Rs,p70S6激酶及数种aPK Cs如PKCβ2、θ及也可以使IRβ亚基和IRS 的丝氨酸残基磷酸化从而抑制IRS-1的酪氨酸磷酸化,继而阻碍胰岛素信号传导。

另一些活化的Ser/Thr激酶,如活化的Akt/P KB可使上游的I RS蛋白中PT B区段的丝氨酸磷酸化,保护了I RS 蛋白不受酪氨酸磷酸酶的快速去磷酸作用,有利于酪氨酸磷酸化的I RS蛋白维持其活化构象,对信号传导起正反馈作用。

2.2.2.2　PI3K依赖的蛋白激酶　从T2DM患者肌肉活检观察到,尽管过夜空腹P85αm RN A基础的水平和控制组相比没有显著差异,但胰岛素刺激的P85α表达却显著降低。

提示在T2DM发病机制中PI3K表达扮演一定的作用。

另一项对P85基因缺失的杂合子小鼠的研究发现, P85α蛋白数量的降低导致对胰岛素的敏感性升高。

这些研究揭示了PI3K及其异构体在葡萄糖代谢调节的重要性。

PI3K的活性还与基础状态骨骼肌细胞浆和胞膜上的葡萄糖转运体数量密切相关,对葡萄糖的摄取具有重要影响。

此外,PI3K对胰岛素刺激的细胞摄取氨基酸过程也有一定的调节作用。

PI3K具有反馈抑制IRS-1作用,当与I RS-1结合后其Ser激酶活性增高,促使IRS-1的Ser磷酸化,进而抑制磷酸酪氨酸形成。

另外,持续激活的P I3K磷酸化I RS -1的Ser/T hr残基,还可导致I RS-1、IRS-2降解,从而对胰岛素信号传导过程进行负调节。

与此相似的是,下游激酶包括G SK3、m TO R和非典型P KCζ(αPKCζ),也通过IRS-1磷酸化而发挥其负向调节作用〔7〕。

2.2.2.3　M APK　尽管三种主要的M APK信号瀑布: Erk1/2,p38和jun氨基端激酶(JN K)均被胰岛素活化,但是它们并不促进胰岛素介导的代谢反应,而是发挥了反馈调节作用。

研究发现,Erk1/2MA PK s参与了IRS-1功能调节,增加的Erk1/2MA PKs活性能够导致胰岛素敏感性的下降。

对JN K-1基因敲除的小鼠模型研究显示,JN K -靶点磷酸化的降低与胰岛素敏感性相关联〔8〕。

JN K介导了I RS-1的P TB区段S307磷酸化。

许多证据显示S307作为一个重要磷酸化靶点,参与I RS-1的负向调节〔9〕。

此外,在对3T3-L1脂肪细胞研究中,通过腺病毒介导M KK6激酶的过表达,结果发现P38也参与了导致胰岛素抵抗的发生。

p38活化适度地抑制I RS-1/2表达似乎与PI3K活性相关,但并没有影响I R的表达及活性。

另一项研究认为,p38逆转了胰岛素诱导G L U T4蛋白表达的降低,对I RS-1表达没有影响。

因此,与Erk1/2和JN K 不同的是,p38没有显示对胰岛素作用的负向调控。

相反, p38的活化直接增加了脑浆膜侧的G LU T4转运体葡萄糖转运能力。

2.2.2.4　AM P K(5′-monophosphate-activated proteinki-nase)　是一个重要的代谢开关,通过对靶蛋白的磷酸化的调节控制代谢通骼,增加骨骼肌脂肪酸氧化、抑制甘油三酯合成和脂肪生成。

此外,AM P K通过非P I3K依赖机制介导了葡萄糖的摄取。

A M PK通过对IRS-1的磷酸化影响胰岛素信号瀑布,该磷酸化与胰岛素刺激后增加的I RS -1相关的PI3K活性相一致。

一项最近研究显示,一种脂肪特异性A M PK相关蛋白激酶SIK2(盐可诱导的激酶)可使小鼠I RS-1的S789(人S794)磷酸化并削弱它的作用。

从而证明脂肪组织中SIK2的表达和催化活性增加,下调了胰岛素作用。

2.2.2.5　I KK(inhibito r kappa kinase)　胰岛素抵抗与IK K的活性也有一定的相关性。

证据一:大剂量的水杨酸可作为I KK的抑制剂,用以处理肥胖啮齿动物模型,增加了胰岛素信号的敏感性;证据二:遗传性肥胖小鼠和高脂喂养的小鼠中,具有I KK-β亚单位基因缺失杂合体的动物受到保护而避免发生胰岛素抵抗〔10〕。

一项研究中,大鼠经高剂量水杨酸预处理后继予脂质滴注,再进行高胰岛素血-正常血糖钳夹试验。

结果显示,脂质滴注降低了胰岛素作用,而给予水杨酸预处理能防止脂质产生的负面影响。

在相同的实验设计中,经脂质输注的IKK-β亚单位基因缺失的小鼠没有表现出胰岛素作用的降低。

2.2.2.6　GSK-3(glycogen sy nthase kinase-3)　2型糖尿病病人的GSK-3活性是非糖尿病者的两倍。

研究发现,高血糖、高胰岛素血症可引起GSK-3升高,后者通过促使I RS-1的Ser磷酸化而抑制骨骼肌组织的胰岛素信号传导,导致进一步的葡萄糖利用障碍。

2.3　S OC S(suppressor of cytokine signaling)　是一个蛋白家族,包括8种蛋白:CIS和SOCS-1到7。

引人注目的是SOCS蛋白作为细胞因子信号的负调节因子,SOCS-1至3能够抑制IL-6介导的M l细胞分化〔11〕。

虽然SOCS蛋白起初是被认为具有负向调节细胞因子作用,进来研究显示它们还参与了胰岛素信号的负向调节。

SOCS蛋白在三种不同水平发挥它的抑制作用:①经由它们的SH2区,结合并失活酪氨酸磷酸化Janus激酶(JAK s);②SOCS SH2区与其他信号转到蛋白如ST AT s和SHP2竞争酪氨酸磷酸化受体合位点;③SO CS盒作为接头蛋白能够促进遍在蛋白化作用并降解下游信号蛋白。

由上所述,可见胰岛素信号系统经不同机制在多个层面受到调控,并可与其他激素(生长因子、细胞因子)的信号系统交叉联系,相互调制,从而保证胰岛素效应按生理需要有序进行。

如信号传导系统的某些环节受到阻碍,则出现不同程度的胰岛素抵抗。

3　胰岛素抵抗诱导因素　2型糖尿病病人及一些肥胖症患者存在严重的胰岛素抵抗,胰岛素抵抗发生的相关因素可分为遗传及环境两类〔12〕。

前者与胰岛素信号传导的各个环节、调控糖脂代谢的多种基因多态性和基因突变有关。

2型糖尿病及代谢综合征中的胰岛素抵抗目前认为是多基因细微变化叠加效应的结果。

环境因素主要是摄食过多,尤其脂肪过多,体力活动过少所引起的一系列代谢变化及一些细胞因子的表达异常〔13〕。

胰岛素信号传递受阻或减弱是导致胰岛素抵抗的根本原因。

当胰岛素信号与细胞表面的IR结合到作用于最后靶分子的过程中,任
何一个环节受损,皆有可能引起胰岛素抵抗。

3.1　代谢异常
3.1.1　葡萄糖毒性　在生理状态下,细胞内一部分葡萄糖通过酶催化作用转变为葡糖胺,用于蛋白质翻译后的修饰,形成糖蛋白。

在高血糖状态下此代谢途径被强化,组织内尿嘧啶二磷酸N-乙酰葡糖胺(UDP-GlcNA c)增多,升高的U DP-GlcNA c可使胰岛素信号传导系统中的信号蛋白或转录因子的Ser/T hr磷酸化位点糖基化,从而使信号传导受阻〔14〕。

在链脲霉素所致糖尿病大鼠的骨骼肌中,胰岛素刺激的2-脱氧葡萄糖的摄取及葡萄糖氧化显著低于正常对照组,胰岛素引发的A kt/PKB磷酸化及葡萄糖转运子G L UT -4的转位严重受阻。

对Zucker糖尿病大鼠肝脏的研究中也观察到类似的结果。

这些研究提示长期高血糖可损害胰岛素信号由PI3K到Akt/PK B之间的传递,为高血糖诱导骨骼肌产生胰岛素抵抗的重要原因之一。

此外,高血糖还可以促使二酰基甘油(DAG)合成而激活PK Cε和δ,导致IRS-1Ser/T hr磷酸化,通过抑制I RS-1与P85亚基接头蛋白而损害胰岛素信号传导通路的代谢支。

3.1.2　脂毒性作用　2型糖尿病及肥胖症患者空腹血浆
F FA较正常人高,而在葡萄糖钳夹试验中也观察到胰岛素抵抗常伴有FFA的上升。

研究表明,高F FA在以下水平引起胰岛素效应的缺陷:①I RS-1酪氨酸磷酸化减少; PI3K活性上升受抑制〔15〕;I RT K活性显著降低;PKBα、PKCλ/ζ、P KCθ和GSK-3α、GSK-3β活化。

②促进I RS 蛋白丝氨酸磷酸化。

③骨骼肌GL U T4转位下调,葡萄糖转运障碍。

④抑制磷酸果糖激酶的活性,葡萄糖转变为6 -磷酸葡萄糖增加,细胞摄取葡萄糖减少。

⑤糖原合成减少。

⑥抑制代偿性的β细胞的体积增大和β细胞有丝分裂的发生。

尽管高浓度的脂肪酸对胰岛素作用有负向影响,但是非饱和脂肪酸是有益的。

近来对高脂喂养的大鼠研究提示,食物中加入3-多不饱和脂肪酸尽管不能防止高胰岛素血症、高血糖和肝脏胰岛素抵抗的发生,但能够使得肌肉保持正常的胰岛素的敏感性。

3.1.3　高胰岛素血症　胰岛素抵抗特征之一是高胰岛素血症,高胰岛素血症介导的胰岛素作用的减弱发生在胰岛素信号传导通路的多个环节:①损害I R的T yr激酶活性;
②减少I RS-1及I RS-2蛋白含量〔16〕;④抑制PK B活性;
④影响骨骼肌GL U T4的表达和转位。

在胰岛素抵抗状态下,I RS蛋白的降低不依赖I RS-1 m RNA转录的缺陷,也不是蛋白合成受损,而是通过蛋白酶体(pro teasome)通路IRS-2降解的发生。

PI3K-mT O R 介导Ser/T hr磷酸化是驱动I RS-1至蛋白酶体降解所必需的。

3.2　细胞因子　近年来研究提示,肥胖时脂肪组织产生的某些细胞因子可引起全身性胰岛素抵抗及β细胞分泌胰岛素功能障碍〔17〕。

如T NF-α、IL-1β和I L-6循环水平的升高与发生T2DM风险性增加相关,因此可作为胰岛素抵抗的预测因子。

此外,还有一些细胞因子也参与了胰岛素抵抗的发生,如瘦素和单核细胞趋化蛋白(monocyte chemoatbaCtanant protein,MCP)-1等。

3.2.1　T NF-α　T NF-α在胰岛素抵抗的患者以及肥胖动物模型的脂肪组织中过渡表达。

用中和抗体的方法阻止T N F-α的作用可改善动物胰岛素敏感性。

剔除T NF -α或T NF-α受体基因可使某些肥胖动物的胰岛素敏感性增加,这些均提示T N F-α浓度升高与胰岛素抵抗相关。

T N F-α可通过改变多种蛋白激酶,如PK C、PK A、M APK 及M A PKK等活性,直接影响胰岛素信号的传导,如使IRβ亚基丝氨酸和苏氨酸残基的磷酸化,降低受体TK的活性;损害IRS分子的酪氨酸磷酸化,并使I RS蛋白表达及与IR 结合能力均显著降低;ErbB2/ErbB3活化和转录因子C/ EBPα基因转录的下调〔18〕。

T N F-α引起胰岛素抵抗的间接机制涉及其它细胞因子及代谢因素。

T NF-α可刺激脂肪组织P PA的产生,通过FPA的作用可间接产生胰岛素抵抗。

此外,T NF-α还可以刺激脂肪细胞分泌瘦素,后者也能引起胰岛素抵抗。

3.2.2　瘦素　肥胖患者瘦素水平与空腹胰岛素水平及体脂百分数密切相关,因而被视为胰岛素抵抗及肥胖的标志物之一。

独立于抑制食欲、降低体重功能之外,瘦素还具有调节脂、糖代谢的作用。

瘦素信号通路和胰岛素信号传导途径之间存在着交叉。

其代谢效应与胰岛素的作用相拮抗,即促进脂肪分解、抑制合成,刺激糖原异生等。

瘦素对胰岛素信号传导具有显著的影响。

生理浓度的瘦素能够使人肝细胞及HepG2细胞株的IRS。

1酪氨酸磷酸化减弱,并使适配蛋白生长因子受体结合蛋白G rb2与IRS-1的结合能力降低。

瘦素可通过激活其受体使Janus酪氨酸激酶2(JA K2)活化,后者激活信号传导和转录激活因子(signal transduction activating transcription factor, ST AT)再将信号下传。

除了对胰岛素效应的影响外,瘦素还可通过多种机制削弱胰岛β细胞分泌胰岛素的功能,从而可能将肥胖及β细胞功能缺陷联系起来。

β细胞上有瘦素受体表达。

瘦素激活A TP敏感的钾通道抑制胰岛素的释放,又可通过激活磷酸二酯酶3B(P DE3B)而抑制肠道激素类高糖素肽-1(G LP-1)刺激胰岛素分泌的效能。

3.3　糖化蛋白和糖基化终末产物(Advanced glycation end pro ducts,AGEs)　葡萄糖和其他还原糖与胞内及胞外蛋白的游离氨基酸基团形成早期糖基化产物(Schiff bases),再经过重排形成酮氨类糖基化产物(Amadori产物)。

这些糖化蛋白进一步通过脱水、环化、氧化、降解为AG E。

A GEs 的形成速度与血糖的浓度和持续的时间长短成比例,反应非可逆性。

增加的A GE与各种糖尿病并发症相关,包括糖尿病视网膜病变,神经病变和肾病,以及白内障形成和糖尿病动脉硬化〔19〕。

然而,仍然不知道AG E聚积是否直。