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日志

 
 

与细胞增殖有关的胰岛素信号通路  

2016-05-14 22:05:15|  分类: 抬头望见北斗星— |  标签: |举报 |字号 订阅

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【关键词】  胰岛素;细胞增殖;胰岛素受体;信号通路

胰岛素的生物效应是通过一系列的蛋白激酶、磷酸酶的级联反应实现的,其信号通路中任何环节异常均可导致胰岛素生物效应下降,产生胰岛素抵抗,由此引发的代谢综合征及2型糖尿病严重危害中、老年人身体健康。近年来有报道胰岛素能促进血管平滑肌细胞增殖〔1,2〕,是动脉粥样硬化发病的主要机制之一,为明确胰岛素与细胞增殖关系的信号通路,本文就与细胞增殖有关的胰岛素信号通路作一综述。与细胞增殖有关的胰岛素信号通路主要有两条:Ras途径和磷脂酰肌醇3激酶(PI3K)通路。这两条通路首先都是由胰岛素和胰岛素受体(INSR)结合而激活酪氨酸激酶活性,磷酸化胰岛素受体底物(IRS),然后通过不同的下游信号分子沿不同路径进行信号传递。

  1 胰岛素受体和胰岛素受体底物

  1.1 INSR INSR是由2个α亚单位和2个β亚单位组成的跨膜糖蛋白,为受体酪氨酸蛋白激酶家族的成员。人类胰岛素受体基因位于第19号染色体短臂,全长约150 kb,由22个外显子和21个内含子组成。α亚单位分子量130 kD,横跨细胞膜,由723个氨基酸残基组成,通过膜外部分肽链N端及富含半胱氨酸残基的结构域与胰岛素结合。β亚单位分子量95 kD,由620个氨基酸残基组成,分为三个结构域:跨膜螺旋区;近膜侧区;C端磷酸化区。其中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亚单位相连。

  α亚单位对β亚单位受体酪氨酸激酶活性起抑制性调节作用。当胰岛素与α亚单位特异结合后,其抑制β亚单位作用被解除,第1 158、1 162、1 163位酪氨酸残基自身磷酸化,从而激活膜内的β亚单位上酪氨酸蛋白激酶活性,使受体底物蛋白上的酪氨酸残基磷酸化。胰岛素受体自身磷酸化涉及β亚单位全部3个结构域的酪氨酸位点。

  1.2 IRS IRS是多种受体信号转导的底物,但主要是作为胰岛素敏感组织中的一组与胰岛素生物效应调节关系密切的信号蛋白。目前已发现至少9种IRS,其中IRS1和IRS2主要介导了胰岛素调节物质代谢和调控细胞生长的作用〔3〕,IRS3 和IRS4作为一种负性调节因子作用于胰岛素信号系统并抑制IRS1和IRS2 的功能〔4〕。

  IRS家族有3个基本的功能区,即N端普列克底物蛋白同源结构域(PH区)、磷酸化酪氨酸结合结构域(PTB区)和C端的多处高度保守磷酸化位点(YXXM/YMXM区)〔5〕。PH区和PTB区介导蛋白/脂质或蛋白/蛋白的相互作用,偶联IRS与INSR;YXXM/YMXM区的多个酪氨酸残基可被INSR酪氨酸激酶磷酸化,作为肉瘤同源区段2(SH2)蛋白的结合位点,由此将信号从IRS蛋白传至下游分子。

  IRS作为一种船坞蛋白,成为下游含SH2信号蛋白的停靠平台,使后者磷酸化,对传入的信号进行整合、放大,调控细胞的生长和代谢。胞质SH2 蛋白包括PI3K的P85亚基,生长因子结合蛋白2等。SH2适配蛋白通常含有SH3区段,识别富含脯氨酸序列中的脯氨酸富集序列(PXXP)基序,将信号由SH2 蛋白传至下游分子〔6〕。

  胰岛素与INSR的α亚单位结合后,β亚单位近膜区Tyr960自身磷酸化后与IRS1结合,使之磷酸化,继而募集下游含有SH2 功能域的信号分子与之结合,激活细胞内与细胞增殖有关的两条信号通路:①通过作为接头蛋白的生长因子结合蛋白2(Grb2)的SH2结构域,与GDPGTP交换因子结合形成复合物,激活Ras,继而激活Raf、MAPKK及丝裂原活化的蛋白激酶(MAPK),最终磷酸化并激活转录因子,调节基因表达〔7〕。②通过与PI3K的P85亚基结合并招募其催化亚基P110而激活PI3K,继而激活蛋白激酶B(PKB),后者通过多条路径调节细胞存活、生长与增殖。

  2 Ras途径

  2.1 Ras Ras是分子量为21 kD的锚定在细胞膜上的蛋白质。当Ras与GTP结合时为有活性的状态,参与信号转导,与GDP结合时为无活性状态,信号传递中止。Ras有数个功能区,包括GTP结合区、含GTP酶区以及激活下游信号蛋白的区域。其GTP酶活性可水解GTP为GDP,使Ras恢复到无活性状态。

  在胰岛素信号转导过程中,Ras可沿两条通路被激活:①活化的INSR激活IRS,后者将信号传递至适配蛋白Grb2,Grb2再与信号蛋白GDPGTP交换因子相互作用,进而激活Ras。②INSR直接使信号蛋白Shc的酪氨酸磷酸化,Shc再与Grb2相结合,经GDPGTP交换因子激活Ras。Grb2含有一个SH2 区段,与上游的IRS或Shc上的磷酸化酪氨酸结合。胰岛素与INSR结合激活其酪氨酸激酶活性,使Shc活化并迅速与含SH2 的Grb2结合。此外Grb2还含有2个SH3区段,与下游GDPGTP交换因子上的两个富含脯氨酸的部位相互作用,继而GDPGTP交换因子转移至细胞膜处,催化无活性的GDPRas转变为有活性的GTPRas,活性Ras激活Raf。

  2.2 MAPK系统 Raf是胞质的Ser/Thr蛋白激酶,可使MAPK的激酶(MAPKK,也称MEK)上两个丝氨酸磷酸化激活。由3个高度保守的区域即CR组成,命名为CR1、CR2、CR3。CR1是含有Ras结合域的复合结构,有二个作用:①促进RasRaf有效结合;②决定是否传递有丝分裂信号。CR2是富含Ser和Thr的区域,其中一部分是磷酸化位点。CR3是催化区,具有激酶结构域和MEK的结合位点〔8〕,活化状态的Raf具有MEK活性,脱磷酸化失活则从膜上回到胞质。Raf可反馈下调活化的酪氨酸激酶和Ras的功能,上调MEK和MAPK的活性,Raf也可不依赖Ras的方式进行调节。

  MEK是一个双功能蛋白激酶,它可结合MAPK,并使其Tyr185及Thr183同时磷酸化使之激活。MAPK是一组存在于胞浆的蛋白质丝氨酸/苏氨酸激酶,在一系列复杂的细胞程序中起重要作用,如细胞的增殖、分化、发育、转化和凋亡。目前所知MAPK 家族至少包括以下3个成员:细胞外信号调节激酶、应激活化蛋白激酶和p38 MAPK。其中每种成员又含有不同的亚型。在哺乳动物细胞,许多细胞信号(如细胞因子、生长因子及应激刺激)与细胞膜上受体结合后,通过不同的途径激活不同的MAPK家族成员,介导不同的反应。活化的MAPK可激活90 kD的核糖体S6激酶(p90S6K)。MAPK和p90S6K参与转录因子的磷酸化激活过程,例如可激活cAMP应答元件结合蛋白,从而诱导基因转录。

3 PI3K通路

  3.1 PI3K PI3K是胰岛素信号转导过程中处于IRS后的信号分子,由含2个SH2区段的P85亚基和具有酶活性的P110组成。前者与IRS结合,P110可分为三型,即α、β和γ,其中P110α、β与P85结合形成二聚体,与受体酪氨酸激酶偶联。P110亚基上有两个酶的活性,一个为PI3K活性,催化细胞膜上磷脂酰肌醇(PI)3位羟基磷酸化生成PI(3,4,5)三磷酸及PI(3,4)二磷酸〔9〕;一个为丝氨酸蛋白激酶活性,能催化P85及IRS1丝氨酸残基磷酸化,可能在胰岛素信号传递中发挥负反馈调节作用〔10〕。

  静息状态时P85对P110起抑制作用,在胰岛素刺激下,IRS1上特异的酪氨酸残基可与P85亚基结合,进而激活P110亚基。活化的PI3K催化产生的脂类第二信使PIP3直接与下游信号分子PKB结合,使之活化。激活的PKB介导下游一些酶的活化,如蛋白激酶C、糖原合成酶激酶3(GSK3)、S6蛋白激酶(S6K),参与蛋白质合成、细胞增殖等的调节。此外,第二信使还可以直接激活Ras,调节细胞增殖。

  3.2 PKB PKB是反转录病毒癌基因νakt编码的蛋白质产物,因其与蛋白激酶A及蛋白激酶C有同源性(PKC为73%,PKA为68%)而得名〔11〕。

  PKB分子量约为60 kD,N端到C端依次为PH结构域、激酶催化结构域和调节结构域。其PH结构域约有一百个氨基酸残基组成 ,主要介导PKB与PIP3之间的结合。激酶催化结构域与PKA和PKC中的激酶结构域具有相似性,含有两个磷酸化位点:Thr308和Ser473。调节结构域的功能目前尚不清楚。

  PKB为PIP3的下游靶蛋白之一。活化的PI3K在膜上生成PIP3,后者通过与PKB的PH结构域相互作用,在膜上聚集PKB,并改变它的构像。然后位于膜上的磷酸肌醇依赖性蛋白激酶(PDK1)行使激酶功能,将PKB的Thr308残基磷酸化。PKB调控细胞存活、生长和增殖的作用主要通过如下路径实现:①通过磷酸化雷帕霉素靶蛋白(mammalian target of rapamycin,mTOR)调节蛋白质合成②通过磷酸化GSK3使其失活,而增加周期蛋白D的积累〔7〕,磷酸化p21蛋白,促进细胞周期的形成〔12〕,通过磷酸化并激活泛素连接酶Mdm2,间接导致p53降解,调控细胞周期〔13〕;③直接磷酸化多种转录因子,通过调控这些转录因子,抑制凋亡基因的表达,促进抗凋亡基因的表达,从而促进细胞的存活。

  3.3 mTOR mTOR是雷帕霉素的靶分子,是一种丝氨酸/苏氨酸激酶,是PI3K/PKB信号通路下游的一个效应蛋白,其底物主要控制与细胞生长和增殖密切相关的蛋白质的合成,从而在感受营养信号、调节细胞生长与增殖中起关键性作用。

  mTOR是PI3K蛋白质家族成员,分子量为280 kD,由2 549个氨基酸残基组成〔14〕,C末端有一个含234个氨基酸的激酶结构域。激酶结构域的N端是FAT结构域(约568个氨基酸)和FRB结构域(约100个氨基酸),C端是FATC结构域(约33个氨基酸),FATC/FAT以相互结合的形式在分子内协同作用调节mTOR激酶活性。FAT的N末端存在20个串联重复HEAT模体,每一个模体包含2个由40个氨基酸残基组成的α螺旋,每个螺旋都有一个亲水基团和一个疏水基团。这种重复结构介导蛋白质之间的相互作用〔15〕,并有利于mTOR定位于质膜。蛋白激酶域的上游是FRB域,为FKBP12雷帕霉素复合物与mTOR相互作用的区域。

  mTOR主要通过两种信号通路调控细胞的生长和增殖:①PI3K/PKB/mTOR通路。PKB可直接磷酸化mTOR的Ser2448位点,激活mTOR和它的下游途径,控制着细胞增殖和转化所需特殊蛋白质的翻译。②PKB/TSC1TSC2/mTOR/S6K通路。TSC1TSC2复合物是mTOR的抑制因子。胰岛素启动INSR酪氨酸磷酸化后,PI3K合成增加,PKB被激活,加速TSC1TSC2复合物的磷酸化降解,mTOR活化,导致细胞内蛋白质合成增加〔14〕。

  mTOR被磷酸化激活后,通过调控翻译起始因子4E结合蛋白和p70S6K两条不同的下游通路,分别控制特定亚组mRNA的翻译。mTOR可直接磷酸化翻译起始因子4E(eukaryotic translation initiation factor 4E,eIF4E)结合蛋白的第37和46位氨基酸使其失活,引起与eIF4E的解离,游离的eIF4E可以结合到mRNA 5′末端的帽子结构上,促进帽子结构依赖性翻译起始。mTOR还可以直接磷酸化磷酸肌醇依赖性蛋白激酶 ,并与其共同活化p70S6K。p70S6K是核糖体40S小亚基S6蛋白激酶,它通过磷酸化S6蛋白,调控许多翻译元件成分如核糖体蛋白、延伸因子EF1α、EF2 和poly(A)结合蛋白等的合成〔14〕。因此,mTOR调控着翻译元件的生物合成,是蛋白质生物合成的基础。

  3.4 糖原合成酶激酶3(GSK3) GSK3是分布于各组织的丝/苏氨酸蛋白激酶〔16〕。在糖代谢、蛋白质合成、细胞分化与增殖等方面有重要作用〔17〕。

  胰岛素、生长因子等信号分子可通过PI3K/PKB途径灭活GSK3。激活的PKB可引起GSK3丝氨酸位点磷酸化,阻止其与底物结合,以致失活。GSK3也可被MAPK下游激酶磷酸化Ser9/Ser21而失活。Wnt信号途径是另一个抑制GSK3的重要机制〔18〕。

  受GSK3调节的与细胞增殖有关的底物有多种,包括IRS1等信号蛋白,tau、神经细丝等结构蛋白和热休克因子1、cAMP反应元件结合蛋白等转录因子。GSK3可提高IRS1及IRS2的丝/苏氨酸磷酸化水平,抑制胰岛素受体对IRS1及IRS2的酪氨酸磷酸化〔19〕,阻断胰岛素信号传递过程。GSK3也可磷酸化真核细胞蛋白合成启动因子2B,抑制胰岛素介导的蛋白合成,使蛋白分解代谢相对增加。

  上述胰岛素信号转导途径中的信号蛋白遗传变异、功能变化以及其他细胞因子和代谢因素的影响均能导致信号转导异常,成为胰岛素抵抗的核心环节,而这些异常也是药物治疗的作用靶点,对胰岛素信号转导的研究将为胰岛素抵抗及相关疾病的治疗提供重要的指导。

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