中樞神經系統中胰島素受體及其信號傳導的研究進展

馬鄧榮，付雨青，蔡宗晏，程岳，鄧甲蕙，韓雪

1.蘭州大學第一臨床醫學院，甘肅 蘭州 730000；2.蘭州大學第二臨床醫學院，甘肅 蘭州 730000

0 引言

胰島素受體（insulin receptor，IR）是酪氨酸激酶受體家族中的一員，可與胰島素受體家族的胞外配體結合，并傳遞到多個細胞內的信號級聯反應中，從而對機體代謝產生短期與長期影響[1]。研究[2]發現，中樞神經系統中IR及其信號傳導改變是疾病的發生與發展的諸多機制之一，如2型糖尿?。╠iabetes mellitus type 2，T2DM）和阿爾茨海默?。ˋlzheimer disease，AD）等。例如，Manuel等[3]的研究中發現高脂飲食誘導的中樞胰島素信號通路的改變可能會影響新陳代謝以產生酮體，進而在海馬體中可能導致VGlut1的表達降低，進而導致谷氨酸的釋放降低。因此，本文將針對IR及其相關信號通路予以綜述，旨在為研究人員在相關疾病的基礎研究中提供新思路。

1 中樞神經系統的胰島素受體

中樞神經系統中胰島素受體是一種異四聚體蛋白質[4]，該蛋白質由兩個α-亞基和兩個β-亞基組成，不同亞基之間通過二硫鍵連接。與中樞神經系統之外的其他組織中的胰島素受體不同的是，中樞神經系統中的胰島素受體所含有的α-亞基和b-亞基的分子量均較低，目前研究人員尚未對這一差異的產生原因做出可靠的解釋，但根據現有研究結果推測這可能是mRNA剪接和受體糖基化差異的結果。中樞神經系統胰島素受體位于細胞外的α-亞基上還包含有一個配體結合位點，而跨膜β-亞基的胞質部分傳遞酪氨酸激酶活性，這種β-亞基包含酪氨酸殘基，在細胞外胰島素結合后會被自身磷酸化，其酪氨酸磷酸化誘導包含SH2和PTB兩種識別磷酸化酪氨酸殘基結構域的蛋白質的特異性募集。人胰島素受體基因的36個堿基對的外顯子11的選擇性剪接導致合成具有不同功能特征的兩種同工型胰島素受體。其一，IR的長同工型，即B型同工型（IR-B），其主要存在于成年個體的外周組織中[5]；其二，IR的短同工型既同工型A（IRA），其來自于外顯子11的選擇性剪接，其中α亞基羧基末端的12個氨基酸被剪切[5]，而分布于中樞的這種缺少外顯子11的IR-A比含外顯子11的IR-B表現出更高的胰島素結合親和力，更高的內在化率和糖基化的差異性。此外，大腦和外周IR之間的一個顯著功能差異是，腦IR是葡萄糖轉運和代謝的主要和直接調節劑[6-7]。與之不同的是，腦IR發揮著多種功能，這取決于它們所處的大腦區域。大量證據表明腦IR信號傳導的主要功能包括機體能量穩態的中央調節，突觸可塑性，神經元存活和認知的調節以及參與衰老相關的神經變性等[8]。例如，在Schubertet等的研究中，取自NIRKO小鼠的培養神經元對胰島素的治療表現出PKB/Akt磷酸化水平降低，并且對KCL誘導的細胞凋亡的保護作用降低。這些數據證實了胰島素能夠抑制小腦顆粒細胞凋亡的事實，并證明該反應完全取決于IR的存在而不是IGF受體。這與在培養的神經元中發現的結果相反，來自NIRKO小鼠的大腦未表現出發育和結構改變或細胞凋亡增加的跡象。因此，在體內IR的缺乏可以通過NIRKO小鼠中的其他神經營養因子來補償[8]。

通過大量驗證，IR被證明具有內在的酪氨酸激酶活性。胰島素與受體的胞外α亞基結合后，導致胞質部分β亞基的激酶域激活環中的三個酪氨酸殘基自磷酸化?；谝陨线^程，受體酪氨酸激酶活性增高。酪氨酸激酶的磷酸化被認為是IR激活的主要機制，觸發隨后的磷酸化介導胰島素的一系列細胞效應[9]。對非磷酸化和磷酸化形式的紅外晶體結構的分析表明，存在一種自抑制機制，既活化環限制蛋白質底物和ATP結合到活性位點。在自磷酸化過程中，活化環會發生主要的構象變化，導致ATP和蛋白質底物不受限制地進入活化位點[10]。胰島素或IGF-2的結合是IR激活的必要條件，它們在大腦中的有效性對IR功能至關重要。

2 胰島素受體的信號傳導

胰島素受體大部分位于神經元中，在膠質細胞中則較少。胰島素介導的中樞神經系統（CNS）信號最近已成為一個嶄新且有希望的研究領域。作用于IR的胰島素來源有二，其一是外周的胰腺B細胞合成分泌的胰島素通過腦脊液（CSF）轉并跨過血腦屏障（BBB）轉運至腦內；其二是海馬、小腦等部位的神經元細胞也能合成分泌胰島素直接發揮作用。以上生理過程可使胰島素于CNS中穩定在一定水平區間，保證胰島素及其下游信號傳導正常進行。實驗發現，血胰島素水平快速升高可使腦脊液中的胰島素含量升高，但長期或者慢性的高胰島素血癥卻可導致中樞胰島素水平下降，這可能是BBB胰島素受體表達降低的緣故，這可能對胰島素的信號傳導造成不良的影響[2]。當胰島素與其受體結合時，它會激發細胞內信號傳導級聯，從而激活胰島素受體底物1/2（IRS1，IRS2）[11]。IRS-1/2在大腦皮層和海馬有大量分布，其多處位點的磷酸化在胰島素和胰島素樣生長因子-1/2（IGF-1/2）的信號傳導起重要的傳遞作用。胰島素信號轉導主要通路：既磷脂酰肌醇3激酶（phosphoinositide3-kinase，PI3K）途徑[12]，PI3K是一類特定催化磷脂酰肌醇（PI），是參與細胞內信號轉導的重要激酶，正常狀態下直接接受IRS調節，其參與并介導機體的生長、繁殖和蛋白質合成等。其通過p85和p110兩個調節和催化亞基共同組成的一個異源二聚體，稱為PI3Ks家族。p85亞基有一個SH3結構區，其具有特異性結合功能；兩個SH2結構區，可誘導磷脂酰肌醇的磷酸化；同時，還有一個中間激活p110的非編碼區。在未進行激活時，p85亞基抑制p110亞基的生物活性。PI3K可分為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ共3種亞型: 其中Ⅰ型在胰島素信號通路中作用最為重要，可激活4、5－二磷酸肌醇（PIP2）使其轉化成為3、4、5－三磷酸肌醇（PIP3）進行下游信號轉導[13]。PI3K/AKT通路的作用機制大致如下：IRS-1酪氨酸磷酸化后，酪氨酸激酶和G蛋白偶聯受體的信號會激活PI3K的亞基并使其轉移與結合，這將使PI3K活化。而PI3K激活會使PIP2在質膜上轉化為PIP3，PIP3與細胞內有PH結構域的信號蛋白Akt和3-磷酸肌醇依賴性蛋白激酶1（PDK1）結合，使Akt從胞質轉移到胞膜上，并在PDK1的輔助下，通過使Akt蛋白上的蘇氨酸磷酸化位點（Thr308）和絲氨酸磷酸化位點（Ser473）磷酸化而使其激活。Akt又稱蛋白激酶B（PKB），是PI3K信號的下游分子，其與細胞周期調控和蛋白質合成等過程密切相關?；罨蟮腁kt可繼續在下游對許多靶蛋白等進行調節，例如其可通過直接和間接兩種途徑激活其底物雷帕霉素靶蛋白（mTOR），通過磷酸化作用激活或抑制其下游靶蛋白，進而對靶標和相關生理病理活動進行調節。另外，絲裂原激活的蛋白質激酶（MAPK）途徑也是胰島素信號轉導途徑之一[14]。該途徑的激活似乎促進了參與細胞和突觸生長以及細胞修復和維持中的基因表達。有趣的是，一些研究表明，兩種胰島素信號傳導途徑之間的相互干擾，通過一定程度影響磷酸化，可能發揮抗凋亡作用。因此，PI3K/Akt和MAPK途徑都是胰島素潛在的神經營養作用和神經保護作用的基礎。

3 中樞神經系統內葡萄糖代謝的意義

葡萄糖穩態需要激素和神經介導的調節作用，這些調節作用有助于神經中樞和外周組織的正常生理功能[14]。同時，葡萄糖不僅是維持神經和非神經細胞活動的主要能量來源，它也充當信號分子參與信號轉導。因此，葡萄糖調節機制是確保適當的葡萄糖供應以滿足中樞神經系統以及周圍組織的代謝需求的關鍵[15]。

胰島素和胰高血糖素的拮抗作用以及下丘腦—垂體—腎上腺軸的活性和自主神經系統的成分有助于根據生物體的能量狀態將血糖水平維持在正常生理范圍內。生理血糖水平的改變具有嚴重的后果，會導致部分疾病發病率和死亡率的增加[16-20]。因此為了防止明顯的血糖波動，胰島素受體可以準確地感知細胞外空間中的葡萄糖濃度，并啟動維持葡萄糖穩態所需的調節機制。

在正常生理情況下，胰高血糖素樣肽-1（GLP-1）被證明在下丘腦和腦干中以選擇性和時間方式顯著降低葡萄糖代謝，這些區域參與控制食物攝入和葡萄糖傳感[21-22]。這些觀察結果表明，這些中樞神經系統中可逆和短暫的葡萄糖代謝低代謝可能會誘發重要的生物學效應。

而中樞神經系統中葡萄糖代謝的改變是導致多種中樞神經系統疾病的直接原因，例如在AD患者中已經報道了使用幾種技術方法檢測到的腦葡萄糖代謝的變化。目前，功能性神經成像技術（如正電子發射斷層掃描PET）以非常高的靈敏度提供葡萄糖代謝的體內測量。這種成像方法使我們能夠在臨床癥狀出現之前識別大腦代謝活動的功能變化。目前，用于PET成像的F-FDG在歐洲和美國被批準用于研究某些心血管、神經和腫瘤疾病的葡萄糖代謝檢測[23]。

4 結論

IR在介導胰島素家族底物，IRS1/2以及IGF-1等功能體現方面具有重要調控作用，是相關信號傳導的關鍵節點，其下游傳導的信號通路主要有PI3K/Akt和MAPK/ERK，參與增殖分化以及代謝方面的生物調控作用。故在未來的研究中，可深入探索信號通路下游傳導及其相互作用，明確內在且深層的作用機制。已知在阿爾茨海默病中，胰島素傳導受損，下游信號傳導以及蛋白表達受損。BATISTA等的研究發現利拉魯肽是一種IR敏化劑，可對大腦中特定區域的AD相關胰島素受體，突觸和Tau蛋白等的病理損傷等起到保護作用。同時，我們也關注到艾塞那肽也有類似作用，通過艾塞那肽可以預防體外觀察到的包括低聚物誘導的神經元病理和軸突運輸受損等。作為一種廣泛分布的受體家族，IR受體相關藥物的研發將會給包括糖尿病和阿爾茨海默病在內的臨床治療帶來更多的希望，從而給臨床醫藥的發展及患者及其家庭帶來可觀的受益。因此，研究者在著力于胰島素相關受體的基礎研究的同時也可將部分工作著力于IR相關藥物的研究，為IR相關疾病患者的治療中提供新的研究思路。