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1、1与细胞增殖有关的胰岛素信号通路【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
2、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 亚单位和 2 个 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。 亚单位分子量 130 kD，横跨细胞膜，由 723 个2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。 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
3、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 亚单位相连。 亚单位对 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 亚单位特异结合后，其抑制 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 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 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 IRS1 和 IRS2 主要介导
4、了胰岛素调节物质代谢和调控细胞生长的作用3 ， IRS3 和 IRS4 作为一种负性调节因子作用于胰岛素信号系统并抑制 IRS1 和 IRS2 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3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
5、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 亚单位结合后， 亚单位近膜区 Tyr960自身磷酸化后与 IRS1 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：通过作为接头蛋白的生长因子结合蛋白 2(Grb2)的 SH2结构
6、域，与 GDPGTP 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 。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。42 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
7、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：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 GDPGTP 交换因子相互作用，进而激活 Ras。INSR直接使信号蛋白 Shc 的酪氨酸磷酸化，Shc 再与 Grb2 相结合，经GDPGTP 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
8、 还含有 2 个 SH3 区段，与下游 GDPGTP 交换因子上的两个富含脯氨酸的部位相互作用，继而 GDPGTP 交换因子转移至细胞膜处，催化无活性的 GDPRas 转变为有活性的 GTPRas，活性Ras 激活 Raf。2.2 MAPK 系统 Raf 是胞质的 Ser/Thr 蛋白激酶，可使5MAPK 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：促进 RasRaf 有效结合; 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
9、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
10、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63.1 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
11、三型，即 、 和 ，其中P110、 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 IRS1 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，IRS1 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
12、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(GSK3)、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 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 。7PKB 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
13、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：通过磷酸化雷帕霉素靶蛋白(mammalian target of rapamycin,mTOR)调节蛋白质合成通过磷酸化 GSK3 使其失活，而增加周期蛋白 D 的积累7
14、 ，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;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。8mTOR 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 23
15、4 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 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
16、两种信号通路调控细胞的生长和增殖：PI3K/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。PKB/TSC1TSC2/mTOR/S6K 通路。TSC1TSC2 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 TSC1TSC2 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9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 fact
