調控家禽肌肉和肝臟代謝的胰島素信號

蔡政忠

（莆田學院，福建莆田 351100）

在生物體中胰島素具有多效性，它在碳水化合物代謝（萄糖運輸和利用，糖原合成）、脂類（控制肝脂酶水平）和蛋白質（氨基酸運輸和蛋白質合成）中具有合成代謝作用（于繼英等，2018；Tesseraud等，2007）。它還具有促進細胞生長、分裂，抑制細胞凋亡的作用。胰島素在雞和其他家禽中的作用尚不清楚，其在某些方面與哺乳動物有一定區別。例如，盡管內源性胰島素在“正常”濃度下循環，但雞的血液循環中仍然存在高血糖濃度（2 g/L，Simon，1989）。此外，雞對胰島素具有耐藥性，因此需要高劑量的胰島素（多數用哺乳動物胰島素進行的實驗中）才能誘導低血糖效應。本文綜述了目前有關哺乳動物胰島素受體信號轉導的研究進展，為了解雞胰島素受體信號轉導機制奠定了基礎。本文首先介紹了胰島素受體的結構，然后分析胰島素受體底物和兩個主要的磷脂酰肌醇-3激酶/蛋白激酶（PI3K/Akt）和絲裂原活化蛋白激酶/細胞外調節蛋白激酶（MAPK/ERK1/2）胰島素信號通路。

1 胰島素受體

和其他激素一樣，胰島素首先通過與細胞膜上的特定受體結合來發揮其生物學作用。哺乳動物胰島素受體是一個四聚物組成的兩個細胞外二級結構和兩個跨膜結合的β亞基與酪氨酸激酶（Taha Klip，1999）。胰島素結合α亞基引發一個β亞基，另一個是特定的酪氨酸殘基，其被磷酸化活化，使受體酪氨酸激酶的催化活性增加。受體還在膜旁區域和細胞內尾部的其他酪氨酸殘基上進行自磷酸化（王珊珊等，2016）。酪氨酸磷酸化的β亞基可以誘導同源蛋白2（SH2）和磷酸酪氨酸結構域綁定的蛋白質的，這些結構域可以識別磷酸化酪氨酸殘基（Taniguchi等，2006）。

雞組織中胰島素受體的結構與其他物種中所描述的非常相似，其α亞基（分子量約135 kDa）完全是在細胞外室與胰島素結合，β亞基（分子量約95 kDa）包含大量疏水片段，其穿過細胞膜延伸到細胞內室（Simon，1989）。與其他動物一樣，家禽腦受體的α亞基小于肌肉，而肝臟受體的α亞基是最大的（Hendricks等，1984）。雞組織胰島素受體酪氨酸激酶活性與其他物種具有相同的特異性（Simon等，1989）。胰島素受體激酶活性已通過谷氨酸-絡氨酸聚合物底物和胰島素受體自磷酸化測定，用于分析雞肝臟、大腦、肌肉和腎臟在各種營養或生理狀態下的胰島素敏感性變化。在禁食或增加飼喂量時，雖然血漿胰島素水平發生變化，但雞肌肉胰島素受體激酶活性和β亞基酪氨酸磷酸化并不降低（Dupont等，1998）。這與雞肝臟、腎臟（Simon等，1989）和大鼠肌肉（Burant等，1986）的結果形成鮮明的對比。

2 胰島素受體底物

在胰島素結合后，胰島素受體通過磷酸化多種細胞底物上的酪氨酸來啟動細胞內胰島素信號。在哺乳動物中已經發現至少11種胰島素受體的細胞內底物（Taniguchi等，2006），其中包括胰島素受體底物蛋白家族（IRS-1-6）和結構域同源蛋白（Src同源膠原蛋白）。IRS蛋白具有類似的結構域，包括同源結構域和磷酸酪氨酸結合結構域，它們含有大量可以被胰島素受體磷酸化的酪氨酸殘基。在哺乳動物中已經報道了4種不同的IRS蛋白，在人類中還發現了另外兩種IRS蛋白（IRS5/DOK4和 IRS6/DOK5），這些額外的IRS蛋白參與胰島素信號傳導，但不參與磷脂酰肌醇 3-激酶（PI3K）激活（Cai等，2003）。IRS蛋白分子質量在60～180 kDa，表現出不同的組織差異性，IRS-1和IRS-2分布廣泛，IRS-3局限分布于大腦、肝臟、脂肪細胞和成纖維細胞中，IRS4主要表達于胚胎組織和成年肌肉中（Schreyer 等，2003）。IRS蛋白異構體在細胞劃分和活化動力學上也存在差異，胰島素受體下游的IRS活性受刺激和抑制機制的嚴格調控，IRS被酪氨酸磷酸化激活，并受酪氨酸磷酸酶蛋白負調控（Gonzalez-Rodriguez 等，2007）。其他抑制機制包括阻斷它們與胰島素受體的結合及PI3K介導的絲氨酸磷酸化，該磷酸化通過MAPK和/或p70S6K通路參與IRS磷酸化。在哺乳動物中，Shc也是胰島素受體的底物。Shc有46個、52個和66個kDa亞型，這些亞型來自于對原始Shc轉錄本的選擇性剪接，在胰島素刺激下，激活的胰島素受體與Shc相互作用（Pelicci等，1992）。胰島素受體酪氨酸殘基-960位點周圍的天冬酰胺脯氨酸X酪氨酸（X是任何氨基酸）基序與Shc的n端PTB結構域結合，隨后，52 kDa在較小程度上和46 kDa Shc亞型酪氨酸磷酸化，而胰島素主要磷酸化Shc絡氨酸殘基-317位點（Sasaoka和Kobayashi，2000）。利用胰島素受體對Shc的磷酸化已在多種轉化細胞模型中得到報道，其中多數報道表明，在哺乳動物中，IRS-1是刺激肌肉和脂肪組織葡萄糖轉運的主要底物，而在肝臟中，IRS1和IRS2在胰島素信號和代謝中具有互補作用，相比之下，Shc似乎并不直接參與胰島素的代謝信號，但在胰島素誘導的有絲分裂形成中起關鍵作用（Sasaoka 和 Kobayashi，2000）。

IRS-1基因的編碼區域已從雞中克隆并測序，推測的結果是雞IRS-1蛋白與人、大鼠和小鼠同源蛋白具有高序列一致性（Taouis等，1996）。雞IRS-1存在于肝臟和肌肉中，并與胰島素受體相互作用，有趣的是，IRS-1在肝臟而非肌肉中的酪氨酸磷酸化依賴于營養狀態，表明IRS-1的組織特異性和肌肉中胰島素的相對耐受性（Dupont等，1998）。基因數據庫中已經報道了雞基因組1號染色體上的IRS-2同源編碼序列（Ensemble release 47，2007年10月，http：//www.bl.org/gallus_gallus/index.html），但 IRS-2 蛋白尚未在雞組織中報道。在雞肝癌細胞系中IRS-1抑制導致Shc表達顯著增加，Shc在胰島素作用下也被酪氨酸殘基磷酸化，因此作為額外的胰島素受體底物，在IRS-1缺失的情況下Shc可能為雞組織中胰島素信號轉導提供另一種途徑（Dupont等，1998）。Shc的酪氨酸磷酸化（52 kDa）依賴于營養狀態：饑餓、禁食后飼喂和注射胰島素后Shc磷酸化增加。在雞肝臟中，Shc主要與52 kDa亞型相互作用，而46 kDa亞型與IRS-1相互作用。Shc亞型的這些優先組合在生物學效應方面的結果仍有待進一步確定。52 kDa Shc亞型也與PI3K的p85調控亞基相互作用，因此，Shc（52 kDa）是雞胰島素受體的關鍵底物，因為，首先它能與PI3K結合，其次與IRS-1相反，其酪氨酸磷酸化程度取決于胰島素水平。Dupont等（1998）在肝臟中研究了通過IRS-1或Shc可能存在的不同亞型的胰島素受體復合物信號，已經證明存在一個涉及胰島素受體、IRS-1、Shc（主要是52 kDa亞型）和PI3K調控亞基的大型復合物，而第3個復合物包括IRS-1和46 kDa Shc亞型也存在于雞肝中。在哺乳動物組織中還沒有這種相互作用的描述，這些復合物在雞肝臟中的功能和它們在其他組織中是否存在仍有待確定。

3 PI3K/Akt信號通路

哺乳動物PI3K是一種雜二聚體，由一個110 kDa催化亞基和一個85 kDa含SH2的調控亞基組成，這兩者是非共價的，在哺乳動物中已經描述了8個不同大小的PI3K調控亞基和3個p110亞型（Hirsch等，2007）。IRS 1-4蛋白與所有PI3K調控亞基相互作用，從而激活催化PI3K亞基，一旦連接到IRS，PI3K磷酸化細胞膜磷脂形成磷脂酰肌醇4，5-磷酸，從而產生磷脂酰肌醇3，4，5-三磷酸鹽，進而作為第二信使來激活PDK1/2（3-磷酸肌醇-依賴性激酶-1/2）和3個已知亞型Akt / PKB（Taniguchi等，2006）。GSK3的失活導致糖原合成酶的去磷酸化和活化，從而加速糖原的合成。Akt在胰島素作用下磷酸化轉錄因子，導致轉錄因子被排除在細胞核外，從而阻止轉錄因子對磷酸烯醇丙酮酸羧激酶基因轉錄的積極作用。Akt也通過磷酸化發揮抗凋亡作用。Akt同時激活哺乳動物雷帕霉素靶蛋白（mTOR），然后，mTOR可能增加啟動因子4e結合蛋白（4E-BP1）和S6K（S6蛋白激酶）的磷酸化。在哺乳動物中，PI3K/Akt通路的抑制幾乎阻斷了胰島素的所有代謝活動，包括刺激葡萄糖轉運、糖原合成和脂質合成（Cheatham等，1994）。因此，這種途徑在胰島素代謝過程有至關重要的作用。PI3K通路的生物效應可以負調控PIP3磷脂磷酸酯酶，磷酸酶和SH2脫去磷酸和滅活PIP3（Sleeman等，2005）。

PI3K在雞肝臟、腿部肌肉和雞肝臟癌細胞系中均有表達，其中PI3K在肝臟中的激活程度取決于幾種實驗模型中的營養狀態（Dupont等，1998）。此外，胰島素注射PI3K后活性增加，且在胰島素免疫中和后受到抑制。相反，肌肉中PI3K活動和酪氨酸磷酸化的IR和IRS-1完全改變了胰島素敏感性。有趣的是，只有52 kDa Shc亞型的磷酸化通過限飼減少，通過再飼喂增加。雞和大鼠對外源性胰島素反應的比較表明，這種現象是雞特有的（Dupont等，2008）。此外，雞腿部肌肉中的PI3K活性大約是大鼠的30倍，這種肌肉中PI3K的高活性可能過度刺激哺乳動物中描述的反饋抑制通路（Dupont等，2008），從而使雞肌肉脫敏。在哺乳動物中，PI3K自身的p85調控亞基可以對IRS信號通路起到很強的抑制控制作用，但脂質磷酸酶（如磷酸烯醇丙酮酸羧激酶）可能是導致肌肉胰島素信號早期階段相對胰島素不敏感的原因之一（Taniguchi等，2006）。

對雞禁食16h后再飼喂30min，胸肌和腓腸肌的p70S6K活性顯著增加，在單次胰島素注射后禁食的雞也是如此（Bigot等，2003）。同樣，新生雛雞肌肉中p70S6K活性與血漿胰島素濃度相關，提示p70S6K的激活具有很強的胰島素依賴性（Bigot等，2003）。此外，由于胰島素免疫中和作用，磷酸化作用在腿部肌肉的減少，鑒于雞肌肉對外源性胰島素的相對胰島素抵抗，這些發現和Akt的發現再次令人驚訝（Dupont等，2008）。但最近發現p70S6K參與了另一個反饋回路，削弱了胰島素激活PI3K的能力；有證據表明，p70S6K通過增加IRS-1的絲氨酸/蘇氨酸磷酸化來負調控胰島素信號。但在這些條件下，IRS1在絲氨酸632和絲氨酸635殘基上的磷酸化也被誘導（Dupont等，2008）。在哺乳動物中，這些位點的磷酸化會抑制胰島素信號，因此，AKT/p70S6K可能負調控雞肌肉IRS1酪氨酸磷酸化。

4 葡萄糖轉運蛋白4（GLUT4）信號通路

在哺乳動物中，胰島素刺激PIP3的形成在多個組織的葡萄糖轉運中起關鍵作用。已經鑒定了13個編碼葡萄糖轉運蛋白的基因，但由于其序列與GLUT1相似，這些基因似乎屬于溶質載體2A（SLC2A）家族（Joost和 Thorens，2001）。GLUT4是葡萄糖轉運體家族的成員，其特點是在肌肉和脂肪組織中優先表達，負責胰島素誘導的葡萄糖攝取。胰島素對肌肉細胞的刺激導致細胞表面GLUT4分子數量的凈增加，調節GLUT4表面凈增加的胰島素衍生信號通路（包括激活PI3K、PDK1/2、非典型蛋白激酶 C、Akt/PKB（Farese等，2005）。

雞肌肉胰島素信號的另一個特性與葡萄糖轉運體有關。在雞的基因組中還沒有發現GLUT4的序列編碼，盡管并非所有雞基因組都已測序，但GLUT4是哺乳動物中對胰島素有反應的一種形式。到目前為止，只有GLUT1、GLUT2、GLUT3和GLUT8亞型在雞中被鑒定，未能在鳥中發現典型的GLUT4蛋白可能是針對哺乳動物GLUT4的抗體缺乏交叉反應的結果（Kono等，2005）。

5 MAPK ERK1/2信號通路

在哺乳動物中，MAPK細胞外信號調節蛋白激酶1/2（ERK1/2）通路被胰島素通過IRS或Shc酪氨酸磷酸化激活（Taniguchi等，2006），該通路由3個序列起作用的激酶組成。MAPK激酶的活化導致MAPKK激酶的磷酸化稱為MEK1/2，然后刺激ERK1/2 MAPK活性，通過蘇氨酸和酪氨酸殘基磷酸化ERK1/2 MAPK調節基因的表達，包括通過一些PI3K通路來控制細胞生長和分化（Avruch，1998）。

MAPK ERK已在各種雞組織中被鑒定，其中ERK2是唯一在家禽組織中檢測到的磷酸化亞型（Duchene等，2008）。U0126是 MAPK ERK通路的抑制劑，其可以在體外完全消除胰島素誘導的雞成肌細胞S6K1磷酸化和活性，這表明MAPK ERK2在禽類細胞中通過胰島素控制S6K1（Duchene等，2008），同時通過胰島素免疫中和作用，雞肝臟和肌肉中MAPK ERK2磷酸化水平在體內被顯著降低。但MAPK ERK2在雞體內的胰島素作用的研究尚未見報道，但這一信號通路可能對雞的生長至關重要，由于上游的Shc似乎是雞肌肉胰島素受體的關鍵底物，這一通路可能參與了p70S6K的胰島素依賴調控。

6 結論與展望

本文綜述了目前關于家禽和哺乳動物胰島素信號傳導的基礎知識，但關于家禽的數據并不完整。在涉及雞胰島素級聯反應（IRSs、AKT、ERK等）的亞型數量時尤為明顯，而這些亞型的數量尚未被確定。這些亞型在哺乳動物中并不多余，但有些基因可能在雞的基因組中缺失。此外，在蛋白質水平上的一些研究是困難的，部分原因是缺乏相應的抗體與雞蛋白的交叉反應。在胰島素結合激活后，其底物包括IRS（胰島素受體底物）蛋白和Shc（Src同源蛋白）中的酪氨酸殘基被自磷酸化和磷酸化，這些底物中的特定結構域與其他幾種蛋白質相互作用。與IRSs相互作用的主要復合物之一是PI3K。AKT通過mTOR（哺乳動物雷帕霉素靶蛋白）以及隨后激活p70S6K（p70核糖體蛋白S6激酶）和4EBP1（真核翻譯起始因子4e結合蛋白1）來控制蛋白的合成。AKT也刺激細胞生長分化，通過磷酸化發揮抗凋亡作用。最后，PI3K激活非典型蛋白激酶C，后者與AKT協同作用。在肌肉和脂肪細胞中，PI3K啟動細胞內葡萄糖轉運體4（GLUT4）在細胞膜上的易位刺激葡萄糖轉運。