PDX-1/MafA與Akt/PKB通路調控NIDDM發病機理

李鳳林，劉靜雪，謝 天，馬 龍，代 嬌

(1.吉林農業科技學院 食品工程學院，吉林 吉林 132101；2.吉林省釀造技術科技創新中心，吉林 吉林 132101)

非胰島素依賴型糖尿病(NIDDM)是由于不同原因引起胰島素分泌缺陷和(或)胰島素作用缺陷導致糖、蛋白質、脂肪代謝異常的內分泌疾病，遺傳和環境因素均參與了該病的發生，其特征是肝葡萄糖輸出增加，胰島素抵抗(IR)以及胰島素分泌受損[1]。IR從根本上說是胰島素結合到受體后引發受體缺陷而引起胰島素信號傳導損傷，其被認為是引發NIDDM的始發因素，許多原發的、繼發的因素可能參與其發生。IR發展的程度主要由肥胖、運動、遺傳、飲食等方面來決定[2，3]。胰島素是由胰腺β細胞合成和產生的，是葡萄糖平衡的主要調節劑和關鍵激素，能增加肌肉和脂肪中葡萄糖吸收，并減少肝中葡萄糖合成。胰島素既可以通過對肝臟的直接作用，又可以通過抑制脂肪組織脂解和限制糖原異生底物的傳遞的間接作用來控制肝臟葡萄糖的產生[4]。正常人肝葡萄糖生成與空腹血糖之間存在相關性，吸收后的肝葡萄糖生成增加。但是，在NIDDM患者中，由于糖異生作用導致葡萄糖和糖原生成高，糖原分解低；盡管NIDDM患者的胰島素濃度可高于正常，但肝葡萄糖的產生仍超出正常范圍[5]。長期大量攝入以葡萄糖形式迅速吸收的碳水化合物(CHO)會增加患NIDDM的風險。在動物和人體短期實驗中發現，與低血糖指數(GI)值CHO攝入相比，高GI值CHO的攝入產生IR更大[6]，因此國際碳水化合物質量協會(ICQC)在2015年《國際科學共識峰會》中指出，應把低GI值食物考慮為健康飲食，其對具有IR的個體特別重要[7]。近年來，NIDDM的發病及調控機制已被大量研究，目前已揭示的主要包括氧化應激作用、PKB途徑、PKC通路、PDX-1/MafA途徑和PPAR激活等[8-11]。本文綜述了MafA/PDX-1、Akt/PKB信號通路在NIDDM發病機理中的作用，以期為在分子水平上篩選治療NIDDM的天然產物(NPs)及低GI值食物的開發提供理論依據。

1 PDX-1/MafA信號通路在NIDDM發病機理中的作用

1.1 PDX-1/MafA的生物學特征

胰腺-十二指腸同源框-1(Pancreatic duodenal homeobox-1，PDX-1)，又稱為胰島素促進因子-1，是一種重要的胰島素轉錄因子，最早是在研究胰島的激素基因表達調控過程中被發現的，其在調節胰腺發育和胰島素基因轉錄中起核心作用[12]。PDX-1蛋白由283個氨基酸組成，分子量為30.64 kD；由于蛋白翻譯后修飾原因，內源性PDX-1分子量通常被檢測為46 kD。PDX-1的N端包含1個反激活區域，中間有1個同源結構域；在這個同源結構域內存在1個觸角樣蛋白轉導結構域(PTD)和核定位信號(NLS)基序RRMKWKK(197～203 aa)，能使PDX-1能進行核導入。在PDX-1的C末端有1個保守基序介導PDX-1-PCIF1的相互作用，抑制PDX-1的轉錄活性[14]。

PDX-1基因位于人類染色體13q12.1，由2個外顯子組成，跨度約為6 kb。在PDX-1的啟動子區域中，有3個高度保守的區域，分別稱為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ區，位于-2 800和-1 600堿基對(bp)之間；第4個遠端增強子元件稱為Ⅳ區，位于-6 500和-6 045 bp之間，其含有肝細胞核因子-1α(HNF-1α)、肝細胞核因子-3β(HNF-3β)、肝細胞核因子-6(HNF-6)、叉頭盒蛋白 A1(FOXA1)、叉頭盒蛋白 A2(FOXA2)、配對盒-6(PAX-6)等多個轉錄因子和轉錄調節因子。Ⅰ區和Ⅱ區賦予內分泌表達，Ⅲ區賦予β細胞特異性，Ⅳ區能使胰腺β細胞特異性基因表達并提高近端增強子活性[15]。PDX-1在不同階段表達的細胞不一致。在發育早期，大多數胰腺細胞都表達PDX-1；但是隨著發育成熟，只有β細胞、d細胞和十二指腸的內分泌細胞中PDX-1高水平表達，而某些導管細胞和腺泡細胞中表達很低[16]。

肌腱膜纖維肉瘤癌基因同系物A(MafA)是唯一在胰島β細胞中表達或在胰島細胞發育過程中以受限方式表達的富含胰島的轉錄因子，屬于巨噬細胞激活因子(Macrophage-activating factor，Maf)家族，是胰島素基因轉錄的有效活化劑[17]。Maf家族由4個大Maf蛋白(MafA/L-Maf，MafB/Kreisler，c-Maf，NRL)和3個小Maf蛋白(MafF，MafG，MafK)組成。4個大Maf蛋白都包含1個基本基序，后接1個亮氨酸鏈，帶有充當轉錄激活域的酸性域[18]。MafA蛋白對于胰島素基因轉錄復合物的組裝和功能至關重要，是通過連接胰島基因啟動區域的順式作用元件RIPE3b來響應由血清葡萄糖水平調節的胰島素轉錄[19]。在MafA蛋白缺乏的小鼠體內，其PDX-1、β細胞E盒轉錄激活因子-2(Beta-2)、神經源性分化蛋白(NeuroD)等轉錄因子的表達明顯降低，β與α細胞比值減弱，從而影響胰島素分泌[20]。

1.2 MafA/PDX-1信號通路與糖尿病治療

PDX-1通過調節許多特異性基因表達來促進胰腺發育、β細胞分化及維持成熟細胞功能；PDX-1還可直接控制胰島素基因，編碼葡萄糖轉運蛋白2(Slc2a2)基因、胰島淀粉樣多肽(IAPP)前體、配對盒-4(PAX-4)、突觸結合蛋白1(syt1)以及PDX-1自身的表達[21]。在胰腺發育過程中，PDX-1在前體細胞中得以表達，隨后限制在β細胞中；在成熟β細胞中，PDX-1調節包括胰島素在內的各種β細胞相關因子的基因表達[22]。PDX-1的活性需要與髓系親嗜性白血病病毒整合位點(MEIS)蛋白等輔助因子協調[23]。

PDX-1本身只能弱激活非β細胞中的胰島素啟動子，但在某些不產生胰島素的胰島細胞中，PDX-1強制表達可以激活內源性胰島素基因[24]。研究證實，PDX-1基因定向破壞的純合小鼠不能發育成胰腺，出生后不久即死亡；而靶向破壞PDX-1基因雜合小鼠正常發育，但是清除葡萄糖能力受損。此外，PDX-1基因選擇性失活會導致β細胞消失和功能障礙，胰島素產生受損以及糖尿病癥狀出現[25]。在高血糖狀態下，PDX-1由組蛋白乙酰轉移酶(HAT)與組蛋白甲基轉移酶(EHMT)介導結合于胰島素啟動子，使胰島素染色體結構發生變化，促進胰島素的轉錄[26]。在小鼠中進行的基因破壞實驗表明，PDX-1在胰島素基因調控及胰島發育和功能中均起著關鍵作用。此外，已在NIDDM患者群體中鑒定出PDX-1基因的突變。

MafA基因獨自作用時，對胰島素轉錄影響很少，但當其與PDX-1、Beta-2聯合作用時，能使非β細胞系中胰島素基因協同轉錄，明顯促進胰島素生成。MafA、PDX-1、Beta 2三者協同作用可造成胰島素基因β細胞的限制性表達，這種協同作用能通過各自順式作用因子和共同激活作用來增強跨因子間親和力，進而穩定DNA蛋白質復合物[27]。

研究證實，MafA基因雜合小鼠在出生早期表現為血糖升高、體重減輕、胰島素產生能力下降等[28]。MafA基因缺乏的小鼠出生時胰島形態結構是正常的，但隨著年齡增長，其葡萄糖刺激的胰島素分泌和胰島形態結構逐漸反常，胰島素和葡萄糖轉運蛋白-2(GLUT-2)表達減弱[29]。這表明MafA基因不僅影響胰島素的轉錄，對胰島中β細胞的擴散與存在也具有非常重要的作用。DM實驗動物經MafA基因治療后能有效降低血糖水平[30]。

葡萄糖是胰島素基因表達主要的生理調節劑，其控制轉錄因子、胰島素mRNA穩定性及轉錄速率。β細胞功能惡化會導致NIDDM患者的糖脂毒性，而MafA和PDX-1是影響糖脂毒性機制最重要的轉錄因子[31]。在DM狀態下，PDX-1和MafA在β細胞中表達或活性降低，從而導致胰島素生物合成和分泌受到抑制。研究證實，在PDX-1和Neuro D存在情況下，MafA能改善NIDDM小鼠胰島素基因啟動子活性與葡萄糖耐量[32]。MafA還可以介導GLUT-2和激素原轉化酶-2(PC-2)等關鍵胰島β細胞基因的表達。MafA通過與PDX-1和Beta-2的作用，充當誘導胰島素生產細胞的中央調節劑，因此PDX-1和MafA在誘導替代β細胞中起關鍵作用，并且可能成為NIDDM的治療靶標。最近研究證實，高遷移率族AT Hook蛋白1(HMGA1)是組成染色質結構的核結構因子，可通過調節PDX-1-和MafA誘導的INS基因啟動子的反式激活，在β細胞功能和胰島素產生中起關鍵作用[33]。

2 Akt/PKB信號通路

2.1 Akt/PKB的生物學特征

Akt是一種分子量為57 kD的絲氨酸/蘇氨酸蛋白激酶，屬于蛋白激酶超家族的AGC亞家族。Akt最初是作為逆轉錄病毒致癌基因v-Akt的細胞同源物被發現的，由于其與蛋白激酶 A(PKA)和蛋白激酶 C(PKC)結構相似，故也稱為PKB[34]。

Akt分子約由480個氨基酸殘基組成，在激酶末端包含1個PH結構域(pleckstrin homology domain)、1個中央激酶域、1個富含絲氨酸/蘇氨酸的C末端區域。哺乳動物中的Akt可分為3個亞類，即Akt1(PKBα)、Akt2(PKBβ)和Akt3(PKBγ)，均包括上述3個區域。Akt的3個亞類PH結構域和C末端區域更加多樣化(氨基酸水平上同源性為73%～84%)，這表明PH結構域和C末端區域可能代表Akt1、Akt2、Akt3功能性之間的差異。Akt的3個亞類都位于細胞質中，但激活后可能易位至細胞核。AAkt1基因位于人類染色體14q32上，AAkt2基因位于人類染色體19q13.1～13.2上，AAkt3基因位于人類染色體1q44上[35]。已有的研究已確定Akt3個亞類的獨特作用，其中Akt1與細胞存活有關，Akt2與細胞底物代謝有關，Akt3與腦發育有關[36]。Akt1缺陷小鼠表現為生長延遲，Akt2缺陷小鼠表現為NIDDM綜合征，AKT3缺陷小鼠表現為腦發育受損[37-39]。

2.2 Akt/PKB信號通路與糖尿病治療

Akt/PKB在胰島素信號傳導，細胞存活和轉化中起關鍵作用[40]。胰島素通過增加葡萄糖轉運蛋白-4(GLUT-4))從細胞內區室轉運到質膜(PM)來促進肌肉和脂肪組織中葡萄糖吸收。在響應胰島素激活的蛋白質中，磷脂酰肌醇3-激酶(PI3-K)起關鍵作用，能抑制胰島素刺激的葡萄糖轉運，而Akt/PKB是PI3-K一系列下游靶標中重要的靶激酶[41]。

PI3-K的酶活性產生D-3磷酸肌醇，包括磷脂酰肌醇3磷酸(PI3P)和磷脂酰肌醇2磷酸(PI2P)。PI(3，4，5)P3被認為是觸發Akt磷酸化最重要的第二信使。Akt有Thr308和Ser473兩個調節性磷酸化位點，有助于其完整活性[42]。Akt以一種不活躍的構象存在于細胞質中，直到細胞受到刺激并轉移到質膜上。Akt-PH結構域對PI3P有很高的親和力，比其他磷酸肌醇優先結合，因此PI3-K活性對于Akt轉運至膜至關重要。與PI3P的相互作用會導致構象變化以及激酶結構域中磷酸化位點Thr308與C端結構域中的Ser473的暴露。Akt可被Thr308磷酸化部分激活，而完全激活需要Ser473的磷酸化。Ser473可被磷酸肌醇依賴性激酶2(PDK2)、整合素連接激酶(ILK)、雷帕霉素靶蛋白復合物(mTORC)、DNA依賴性蛋白激酶(DNA-PK)等多種蛋白質催化[43]。盡管PI3-K是Akt激活的主要方式，但已顯示Akt可以通過Ca2+/鈣調蛋白依賴性蛋白激酶(CAMKK)響應熱休克或細胞Ca2+濃度增加而被激活[44]。

Akt/PKB信號傳導在胰島素刺激肌肉和脂肪組織中的的葡萄糖攝取時起關鍵作用，同時抑制肝細胞釋放葡萄糖；該信號傳導包括配體(胰島素或其他生長激素)誘導受體酪氨酸激酶自磷酸化后被激活，刺激G蛋白偶聯受體(GPCRs)，激活整聯蛋白信號傳導[45]。胰島素與其細胞表面蛋白受體的結合產生酪氨酸磷酸化，從而導致特定酪氨酸殘基上的胰島素受體底物發生磷酸化，并激活PI3-K及其下游靶標Akt/PKB[46]。AS160(又稱TBC1D4)是分子量為160 kD的Akt底物，能調節胰島素刺激的葡萄糖轉運蛋白-4(GLUT-4)轉運。AS160通過作用鳥苷-50-二磷酸使Rab-GTPase激活蛋白(Rab-GAPs)處于非活性狀態，從而將GLUT-4保留在GLUT儲存囊泡中。激活后，Akt/PKB使AS160磷酸化導致Rab-GAPs活性降低，促進GLUT-4易位和葡萄糖攝取。PI3-K/Akt/AS160轉導途徑中的任何缺陷將最終減少骨骼肌中葡萄糖攝取[47]。研究已經證實，Akt2(PKBβ)亞型基因敲除的小鼠及其嚙齒動物中會引起高血糖、高胰島素血癥、糖耐量異常、肌葡萄糖攝取受損以及IR；人類Akt2(PKBβ)的基因中突變會導致嚴重的IR[48]。

IR缺陷也與Akt/PKB上游和下游靶點密切相關，表現為胰島素受體底物上蛋白質側鏈的去磷酸化以及胰島素受體底物從細胞表面膜上完全喪失，降低NIDDM骨骼肌中PI3激酶活性并削弱Akt/PKB底物AS160的磷酸化[49]。由于Akt/PKB在胰島β細胞生存與功能以及葡萄糖代謝調節方面起到非常重要的作用，近年來已成為NIDDM治療研究的一個新靶點。

3 結語

NIDDM是一種非常復雜和多因素的代謝性疾病，治療NIDDM的策略是營養干預、適度運動、化學藥物與胰島素。盡管藥物治療NIDDM具有益處，但大多數化學合成藥物會產生一些不良副作用。隨著PDX-1/MafA與Akt/PKB信號通路在NIDDM發病機理中的作用被逐漸闡明，天然產物(NPs)已經成為治療NIDDM的重要資源。此外，營養干預是治療與預防NIDDM及其并發癥的基礎。高GI碳水化合物飲食已被證明是NIDDM發作的獨立危險因素，而在肥胖的IR患者中，低GI飲食可有效降低體重，改善葡萄糖耐量，減輕其炎癥和代謝反應。因此，開發具有降糖作用的NPs，并將其作為強化劑在低GI食物中制成低GI-NPs食物，這有可能成為未來NIDDM患者食物生產的一種重要方向。