胰岛素调控葡萄糖转运蛋白4转位的研究进展_于海佳

DOI:10.3969/cmba.j.issn.1673-713X.2015.01.011·综述·胰岛素调控葡萄糖转运蛋白4转位的研究进展于海佳胰岛素抵抗和糖代谢异常是 II 型糖尿病的主要病理特征。

机体在正常情况下通过胰岛素等相关激素能够非常精准地调控血液中的葡萄糖。

伴随着能量摄入，升高的血糖水平会刺激胰岛β细胞分泌胰岛素。

血液中过量的葡萄糖被快速地转运至细胞内，从而使机体维持正常的血糖水平。

胰岛素调控葡萄糖摄取主要是通过葡萄糖转运蛋白4（glucose transporter 4，GLUT4）从细胞内转位到质膜上来实现的。

有关胰岛素是如何介导 GLUT4 转位和葡萄糖摄取的研究对于治疗糖尿病和发展疾病早期诊断方法具有重要的意义。

本文综述了近年来在胰岛素信号调控下 GLUT4 转位方面的相关研究进展。

1 GLUT4 与糖稳态调控GLUT4 是由 SLC2A4 基因编码的糖转运蛋白，能够以不依赖于 ATP、协助运输的方式运送葡萄糖穿过细胞质膜。

GLUT4 具有 12 次跨膜蛋白结构域，广泛分布于骨骼肌和脂肪组织等胰岛素响应性组织中[1-2]。

除了 GLUT4 外，这些组织还表达其他的一些糖转运蛋白，例如 GLUT1。

与其他糖转运蛋白不同的是，GLUT4 在细胞内的分布受到胰岛素的调控。

GLUT1 等其他糖转运蛋白主要在基础状态（血糖水平低）下介导细胞对葡萄糖的摄取，而 GLUT4 在基础状态主要存在于胞内的各种膜结构中，只有少于 5% 的 GLUT4 位于细胞膜上。

当机体进食后血糖水平快速升高，葡萄糖会促进胰岛素分泌增加。

胰岛素促使 GLUT4 从胞内膜结构转移到细胞膜表面上，细胞表面上的 GLUT4 浓度在胰岛素的刺激下可以增加到其在基础状态时的 5 ~ 30 倍[3]。

GLUT4 通过摄取和清除血液中的葡萄糖来维持血糖平衡。

当胰岛素浓度降低时，GLUT4 通过胞吞作用回到细胞内，细胞表面的 GLUT4 重新恢复到基础状态时的水平。

GLUT4 在机体糖稳态调控过程中发挥着重要作用，在II 型糖尿病患者的脂肪组织中，GLUT4 在 mRNA 和蛋白质表达水平上都有明显减少[4]。

在小鼠模型中，GLUT4 蛋白表达水平降低使小鼠产生胰岛素抵抗和糖尿病[5]。

GLUT4 在肌肉组织和脂肪组织中过量表达可以改善小鼠的血糖控制和糖耐受不良[6-7]。

在细胞水平上，肌肉组织和脂肪组织中减少 GLUT4 的表达会引起肌肉细胞和脂肪细胞对葡萄糖的摄取减少并产生胰岛素抵抗[8]。

2 胰岛素调控 GLUT4 转位的信号通路对于胰岛素调控骨骼肌和脂肪组织的葡萄糖摄取，目前研究者们认为主要是通过磷酸肌醇 3 激酶（PI3K）信号通路来实现的（图1）。

胰岛素从胰岛β细胞分泌后，首先结合细胞表面上的跨膜胰岛素受体（IR）并激活胰岛素受体酪氨酸激酶。

这会促使胰岛素受体底物蛋白（IRS）酪氨酸磷酸化，激活 PI3K。

PI3K 与二磷酸肌醇（PIP2）发生作用，使 PIP2 转化为三磷酸肌醇（PIP3）[9]。

PIP3 的水平升高激活了含有 PH 结构域的丝氨酸/苏氨酸激酶 PDK1 和mTORC2，并随后激活蛋白激酶 AKT。

AKT 有 3 个异构体，但是只有 AKT2 在胰岛素刺激GLUT4 转运过程中起关键作用。

George 等[10]报道在胰岛素抵抗和糖尿病中发现了 AKT2 突变。

AS160（又称为TBC1D4，分子量 160 kD）是 AKT2 的一个重要底物，在脂肪和肌肉组织中过量表达 AS160 磷酸化位点突变体能抑制胰岛素依赖的 GLUT4 转位和葡萄糖摄取，敲除 AS160 和其类似功能蛋白 TBC1D1，可显著减少胰岛素刺激的葡萄糖运输[11]。

一份最新的报道发现格陵兰人近年来持续升高的 II 型糖尿病发生率正是由于 AS160 发生了突变。

研究人员证实了在 2575 个调查个体中有 17% 的 AS160 等位基因存在 p.Arg684Ter 突变，同时伴随有胰岛素抵抗和血糖升高[12]。

AS160 含有一个 GTP 酶激活蛋白（GAP）结构域，其能特异地作用于 G 蛋白 Rab。

Rab 是一类能促进囊泡运输的 GTP 结合蛋白，通过与 GDP 结合的失活状态向其活化状态转化来催化膜运输。

作为一个负调控因子，AS160 在基础状态下处于去磷酸化状态，能通过 GTP 酶将 GTP 转化成 GDP。

这使 Rab 蛋白处于失活状态，从而抑制了 GLUT4 囊泡在细胞内的运输。

在胰岛素刺激下，AS160 的五个氨基酸残基 Ser318、Ser570、Ser588、Thr642 和 Ser751 被 AKT2 磷酸化而丧失了 GAP 活性[13]，使Rab 蛋白可以与 GTP 结合，促进 GLUT4 囊泡运输和GLUT4 的膜转位。

在基础状态下的脂肪细胞中敲低 AS160 的表达，会使部分 GLUT4 囊泡运输至细胞表面，从而增加了细胞表面的 GLUT4 水平[14]。

Rab10 是 AS160 一个重要下游结合 Rab 蛋白。

在脂肪细胞中敲低 Rab10 的表达会抑制胰岛素引起的 GLUT4 转位。

在敲低 AS160 的同作者单位：80309 美国，科罗拉多大学博尔德分校分子细胞发育生物学系，Email：haijia@收稿日期：2014-08-18胰岛素胰岛素受体受体底物蛋白 APS 受体底物蛋白 IRS Munc18cc-Cb1/CAP 复合物磷酸肌醇 3 激酶SNARE复合物CrkII丝氨酸/苏氨酸激酶C3G蛋白激酶 AKTTC10 Synip AS160CDP138SNARE复合物Rab 蛋白GLUT4转运图 1胰岛素调控 GLUT4 转运的分子机制时敲低 Rab10 则会减弱基础状态时由于 AS160 缺失所引起的表面 GLUT4 增多现象[15]。

另外，文献报道的 AS160 的下游 Rab 蛋白除 Rab10 外，还有 Rab8、Rab13 和Rab14 等[16-17]。

除 PI3K 信号通路外，胰岛素还能激活 c-Cbl/CAP 和G 蛋白 TC10 通路（图1）。

胰岛素受体酪氨酸激酶被激活后，原癌基因 c-Cbl 与 Cbl 复合蛋白（CAP）形成的复合物与另一个胰岛素受体底物蛋白 APS 结合，可以促使c-Cbl 酪氨酸磷酸化[18]。

磷酸化的 c-Cbl/CAP 复合物从胰岛素受体脱离并转移到脂筏区域，与蛋白 CrkII 和 C3G 作用。

C3G 激活 Rho 家族的小 G 蛋白 TC10，TC10 通过与其下游蛋白之间的相互作用来调控 GLUT4 的转位过程[1-2]。

3 GLUT4 的胞内循环与运输受血糖水平和胰岛素浓度的影响，胰岛素响应组织通过胞吐和胞吞来调节 GLUT4 在胞内和细胞膜上的分布。

研究胰岛素调控下 GLUT4 在细胞内各膜结构与质膜之间的穿梭过程对我们认识胰岛素功能有重要的意义。

在基础状态下，GLUT4 主要分布在反式高尔基网、GLUT4 囊泡等胞内区隔中，在内体中只检测到少量的GLUT4 存在[19]。

在胰岛素的刺激下，可检测到的 GLUT4 囊泡数量明显减少，而 GLUT4 在内体中的含量则迅速提高[20]。

这说明 GLUT4 在这些胞内膜结构以及细胞质膜之间的循环受胰岛素信号的调控而不停地重新分布。

在胰岛素信号消失后，大量的 GLUT4 通过分选过程从内体与质膜的循环中分离出来形成 GLUT4 囊泡或者通过内体逆向运输到反式高尔基网。

反式高尔基网上的 GLUT4 会进一步的生成 GLUT4 囊泡滞留在细胞内从而脱离再循环。

在胰岛素信号的刺激下，滞留的 GLUT4 囊泡迅速运动到细胞皮层，通过与质膜直接融合使 GLUT4 到达细胞表面[3]。

那么 GLUT4 囊泡是如何到达细胞皮层并拴系到细胞膜上的呢？有报道认为在脂肪组织中，大量存在的微管网络结构能通过驱动蛋白 KIF5B 运送 GLUT4 囊泡[21-22]。

到达皮层附近的 GLUT4 囊泡通过一些大的多蛋白复合物或伸长的杆状分子将囊泡拴系到质膜上。

Exocyst 复合物是一个由八个亚蛋白（Sec3、Sec5、Sec6、Sec8、Sec10、Sec15、Exo70 和 Exo84）组成的拴系分子，其中的四个亚蛋白含有伸长的杆状结构，将囊泡与质膜可以在相对远的距离下连接起来[23]。

在 3T3L-1 脂肪细胞中过量表达 Exo70 突变体，能抑制胰岛素刺激的 GLUT4 上膜和葡萄糖摄取，但是并不影响 GLUT4 到质膜的运输[24]。

电镜结果显示Exocyst 可以形成一个“Y”形结构，“Y”形的每一端通过不同的小 G 蛋白（如 Rab10、TC10、RalA 等）与质膜和运输囊泡相互作用，将 GLUT4 囊泡拴系到细胞质膜上[23, 25]。

Exocyst 的拴系作用只可以发生在约 15 nm 的距离内，所以人们相信肌动蛋白（actin）有可能是另一个在远距离下作用的拴系因子。

在脂肪细胞中，肌动蛋白主要分布在细胞皮层附近，其聚合和稳定性影响胰岛素刺激下的GLUT4 囊泡运输。

GLUT4 囊泡上的肌球蛋白马达 MYO5 和 MYO1C 可以结合肌动蛋白，通过肌动蛋白将 GLUT4 囊泡与质膜拴系在一起[3]。

MYO5 和 MYO1C 与小 G 蛋白（如 Rab10、RAL 等）也相互作用，这将肌动蛋白、Exocyst 复合物、AS160 与 GLUT4 囊泡联系在一起，它们之间的相互作用构成了胰岛素调控下的 GLUT4 囊泡运输与拴系网络[26]。

4 GLUT4 的胞吐过程胰岛素调控 GLUT4 转运的最后一个重要步骤是GLUT4 的胞吐。

GLUT4 囊泡被拴系因子连接到质膜上后，通过蛋白质调控下的锚定和膜融合过程将 GLUT4 释放到细胞膜表面。

与胰岛素分泌、神经递质释放等其他胞吐过程一样，GLUT4 胞吐也需要其特定的可溶性 N-乙基马来亚胺敏感蛋白受体（soluble N-ethylmaleimide-sensitive factorattachment protein receptor，SNARE）蛋白以及 SM （Sec-1/Munc18）蛋白等 SNARE 调控因子的作用。

通过全内反射荧光显微镜（total internal reflection fluorescence microscope，TIRF）等方法发现膜融合是胰岛素作用于GLUT4 转运的一个关键步骤[27]。

一些 SNARE 调控蛋白如Munc18c、Synip 等可以直接作为胰岛素信号作用的终端分子来调控 GLUT4 转位（图1）。

近年来，有关胰岛素调控GLUT4 胞吐的分子机制逐渐引起了人们的重视，研究GLUT4 胞吐过程有可能为胰岛素抵抗和 II 型糖尿病治疗开辟新的药物作用靶点。