颗粒蛋白前体与胰岛素抵抗及自噬的相关研究进展

， ，，

胰岛素抵抗是2型糖尿病的主要发生机制之一，颗粒蛋白前体(PGRN)是通过抑制自噬引起胰岛素抵抗，具体机制尚未明确，其可能通过激活哺乳动物雷帕霉素靶蛋白(mTOR)通路，该机制的研究有助于减轻胰岛素抵抗，为防治2型糖尿病提供靶向治疗方法。

1 胰岛素抵抗与自噬的关系

1.1 胰岛素抵抗 胰岛素抵抗是指由于单位浓度的胰岛素细胞学效应减低，使正常剂量的胰岛素不能发挥正常的生物学效应，组织及细胞对胰岛素的敏感性下降，是2型糖尿病最重要的发病机制之一。胰岛素信号转导障碍在胰岛素抵抗的发生机制中起着重要的作用[1]。胰岛素主要通过三条途径转导：磷脂酰肌醇-3-激酶(PI3K)通路，腺苷单磷酸激活蛋白激酶(AMPK)通路和钙通道及其相关途径。外周靶组织通过PI3K信号转导通路和AMPK信号通路发挥作用，β细胞则通过PI3K信号转导途径和钙通道及其相关途径发挥作用[2]。目前研究最多的是PI3K信号通路，PI3K是一种脂质激酶，在胰岛素发挥生物学效应中起关键性作用。胰岛素与胰岛β细胞膜上的胰岛素受体(IR)结合，激活酪氨酸激酶，导致胰岛素受体底物(IRS)酪氨酸磷酸化。磷酸化的IRS结合PI3K的P85调节亚基，进而激活PI3K的催化亚基P110，促使磷脂酰肌醇一磷酸(PIP)磷酸化为PIP3。PIP3作用于磷酸肌醇依赖的蛋白激酶-1(PDK1)和磷酸肌醇依赖的蛋白激-2(PDK2)，激活蛋白激酶B(PKB,也称为Akt)。磷酸化的PKB一方面使糖原合成激酶-3(GSK3)失活，促使葡萄糖转运蛋白4(GLUT4)高表达，促进葡萄糖的跨膜转运，另一方面激活哺乳动物的雷帕霉素靶点(mTOR)，磷酸化70 ku-S6激酶(p70S6K)，发挥抑制蛋白合成，加强基因转录，促使β细胞肥大的生物学效应[3]。

1.2 自噬 机体在饥饿、创伤、压力等应激状态下，通过自噬现象清除体内废物，促进真核细胞生长发育，维持体内物质代谢平衡，维持细胞内环境稳态，是真核细胞的一种正常生理现象[4]。自噬参与肿瘤、内分泌、神经、呼吸、消化、循环等多种系统疾病的发生，在恶性肿瘤、糖尿病、亨廷顿病、阿尔茨海默病、帕金森病、慢性阻塞性肺疾病、呼吸衰竭、脂肪肝、心肌病、心脏肥大、缺血性心肌病、心力衰竭等[5]疾病的发生发展中起着关键性作用。依据细胞内物质运送到溶酶体的途径，自噬可分为大自噬、小自噬和分子伴侣介导的自噬，其中研究最多的是大自噬。在饥饿、创伤、压力等条件下，围绕被降解物周围逐渐形成双层分隔膜，待双层分隔膜完全包绕被降解物后形成自噬体。自噬体通过细胞骨架微管网络系统[6]将被降解物运输至溶酶体形成自噬溶酶体，自噬体被溶酶体内的水解酶降解，被降解物在细胞内降解后继续循环利用。与自噬发生密切相关的信号通路有PI3K/AKT/mTOR、NF-κB、AMPK/PKA、JNK等，其中哺乳动物雷帕霉素靶蛋白是调节细胞自噬的多条信号通路的交汇点[7]。在自噬通路中，Atg1首先与Atg13-Atg17复合物结合，促进Beclin结合vps34，同时Atg7诱导LC3-Ⅰ结合磷脂酰乙醇胺形成LC3-Ⅱ，二者共同促进自噬体形成,mTOR一方面阻止Atg1与Atg13-Atg17的结合，抑制Beclin的活性，同时抑制LC3-Ⅱ的表达，抑制自噬体形成。mTOR活性是调节细胞生长、增殖、凋亡、代谢和自噬的关键。在胰岛素抵抗状态下，mTOR的活性增加，抑制自噬通路的活性。自噬对细胞的稳态发挥重要作用，深入研究自噬的功能及作用机制可能为糖尿病的治疗提供新的靶点，具有重要的临床意义。

1.3 胰岛素抵抗与自噬的关系研究 近几年研究发现自噬在调节胰岛素β细胞和骨骼肌、肝脏和脂肪组织等胰岛素靶组织的功能上发挥重要的作用，研究表明自噬可能参与了糖尿病心肌病、糖尿病肾病等糖尿病相关并发症的发病过程[8]。2010年Ling 等[9]在基因缺陷的ob/ob肥胖小鼠和高脂饮食诱导的肥胖小鼠肝脏组织中均观察到Atg7表达显著降低，随后用shRNA抑制肥胖小鼠肝脏Atg7的表达后， 内质网应激相关指标P-Eif2α、P-PERK、Chop表达显著增高，同时AKT、P-AKT、IR等反映胰岛素PI3K信号转导通路的指标显著降低，解除Atg7的抑制后反映内质网应激和胰岛素PI3K信号通路的相关指标恢复正常，在肝脏细胞株也观察到同样的结果，提示自噬下调促使糖尿病小鼠的胰岛素抵抗程度加深。2015年，Shi等[10]研究发现二氢杨梅素可以通过诱导自噬活跃，使AMPK通路活性增加，进而改善大鼠骨骼肌L6细胞胰岛素抵抗，此后在高脂饮食喂养的糖尿病大鼠进行的体内试验观察到同样的结果，进一步提示自噬活性增加可通过激活AMPK通路减轻胰岛素抵抗。2016年Ying 等[11]发现在shRNA转染敲除胰岛素受体基因的人足细胞胰岛素抵抗模型中检测自噬相关蛋白LC3、Beclin表达降低，足细胞损伤标记蛋白nephrin表达增加，加入mTOR特异性抑制剂雷帕霉素激活自噬后LC3、Beclin表达增加，nephrin表达减少，提示出自噬激活可以减轻胰岛素抵抗所致的足细胞损伤，考虑自噬在糖尿病肾病的发病机制中起着重要的作用。2017年Huige等[12]研究发现Sestrin 2蛋白可以通过抑制mTOR的表达解除棕榈酸酯对C2C12成肌细胞自噬的抑制，自噬活化后通过增强AMPK信号通路的活性恢复了C2C12成肌细胞的胰岛素敏感性，减轻了胰岛素抵抗。再次证实了mTOR的表达受到抑制可以激活自噬，并通过增强AMPK信号通路的活性减轻胰岛素抵抗。

2 颗粒蛋白前体(progr anulin,PGRN)与胰岛素抵抗及自噬的关系研究

2.1 PGRN PGRN又称蛋白-内皮素前体，1990年首次被Anakwe等[13]在豚鼠精子的合成过程中发现，具有生长因子的特性，是一种富含12个半胱氨酸的分泌蛋白，由颗粒蛋白GRN基因编码，分子量为68 kD～88 kD[14-15]，高表达于体内多种细胞如脂肪细胞、神经细胞、上皮细胞、造血系统细胞和免疫细胞[16]，存在于体内各个器官，参与肿瘤细胞的增殖、侵袭和生存，葡萄糖转运，组织损伤修复，炎症反应，胚胎发育，细胞生存、增殖、分裂和转移的调节等生理、病理过程[14]，上述作用主要通过磷脂酰肌醇3-激酶、AMPK和胞外调控激酶(ERK)信号通路发挥作用[17]。已有研究表明PGRN参与乳腺、卵巢、宫颈、胃肠道、肾脏等多种肿瘤[18-22]，肥胖、2型糖尿病、额颞叶痴呆[23-24]、类风湿性关节炎[25]、阿尔茨海默病[26]、慢性肾功能不全[27]、低氧血症、代谢性酸中毒、自闭症等多种疾病的发生发展。近几年国内外研究指出PGRN在调节胰岛素葡萄糖代谢和胰岛素敏感性方面也发挥着重要作用，在2型糖尿病的发生发展中起着至关重要的作用。

2.2 PGRN与IR的研究 2009年Youn 等[28]观察到2型糖尿病病人血清PGRN浓度显著高于糖耐量正常者，并且内脏脂肪堆积为主的中心性肥胖者血清PGRN浓度显著高于消瘦者，同时发现PGRN与体重指数(BMI)、大网膜脂肪组织巨噬细胞浸润、C反应蛋白(CRP)水平、糖化血红蛋白值及总胆固醇含量呈正相关，2型糖尿病受试者经过4周的体能训练后，血清PGRN浓度显著降低，首次提及PGRN与2型糖尿病发病有关。2014年Li等[29]研究发现PGRN水平在代谢综合征(MS)病人中显著增高，与体重指数、腰围、空腹胰岛素水平、空腹血糖、糖化血红蛋白及三酰甘油呈正相关，与高密度脂蛋白呈负相关，进一步证实PGRN水平升高与2型糖尿病相关的代谢综合征的发生相关。Todoric 等[30]研究发现妊娠期糖尿病病人体内PGRN浓度与糖化血红蛋白及空腹胰岛素呈正相关，与口服葡萄糖胰岛素敏感指数(OGIS)呈负相关，提示PGRN在妊娠期糖尿病的发生发展中同样起着重要的作用。2012年Matsubara 等[31]研究发现肥胖大鼠的血液及脂肪组织中PGRN的浓度显著升高，加用胰岛素增敏剂吡格列酮处理后PGRN浓度可恢复至正常水平。同时发现敲除PGRN基因的大鼠给予高糖高脂饮食饲养不能诱导出胰岛素抵抗的模型，进一步从基因水平证实了PGRN在形成胰岛素抵抗中发挥至关重要的作用。2015年Li等[32]用PGRN蛋白干预小鼠21 d，发现肝脏和脂肪组织出现显著的胰岛素抵抗和内质网应激，用减轻内质网应激的分子伴侣苯基丁酸干预后胰岛素敏感性恢复，提示PGRN可能是通过PERK-Eif2α依赖的途径引起内质网应激，调节胰岛素抵抗。2017年Guo等[33]研究发现PGRN干预小鼠可能通过降低IRS-1酪氨酸磷酸化影响胰岛素PI3K信号通路，导致胰岛素抵抗，PGRN在2型糖尿病和肥胖的发病中起着至关重要的作用，抑制PGRN的表达已成为治疗2型糖尿病和肥胖的一个新的研究方向。

2.3 PGRN与胰岛素抵抗及自噬关系的研究 2015年Liu等[34]研究发现用PGRN蛋白干预3周的小鼠出现糖耐量减低，肝脏自噬失衡，用TNFR1封闭肽-Fc融合蛋白竞争性阻断PGRN与TNFR1的相互作用，胰岛素敏感性和肝脏自噬恢复正常，证实PGRN通过抑制自噬引起胰岛素抵抗。 Zhou等[35]通过小鼠和鼠3T3-L1脂肪细胞试验首次提出，PGRN引起胰岛素敏感性降低和自噬失衡是通过激活哺乳动物雷帕霉素靶蛋白(mTOR)通路发挥作用。2014年Li 等[36]研究结果提示自噬缺陷会触发内质网应激和胰岛素信号通路障碍，自噬障碍和内质网应激在2型糖尿病的发生发展中起了至关重要的作用。

3 结 语

胰岛素抵抗与自噬是2型糖尿病发生发展的重要机制，明确胰岛素抵抗与自噬的信号转导通路对人类疾病的发生发展具有重要作用。研究发现PGRN与胰岛素抵抗与自噬具有明确相关性，但是作用机制尚不明确，需要进一步研究明确PGRN对胰岛素抵抗和自噬具体作用机制，这有可能为2型糖尿病的治疗与预防提供新的靶点。

参考文献：

[1] Brazil DP,Hemmings BA.The years of protein kinase B signalling:a hard Akt to follow[J].Trends Biochem Sci,2001,26(11):657- 664.

[2] Araujo EP,Amarala,ME Souza CT,et al.Blockade of IRS-1 in isolated rat pancreatic islets improves glucose-induced insulin secretion[J].FEBS Lett,2002,531:437-442.

[3] Pende M,Kozma SC,Jaquet M,et al.Hypoinsulinaemia,glucose intoler-ance and diminished beta-cell size in S6K1-deficient mice[J].Nature,2000,408:994-997.

[4] Zhang Z,Shao Z,Xiong L,et al.Expression of Beclinl in osteosarcoma and the effects of down regulation of autophagy on the chemotherapeutic sensitivity[J].J Huazhong Univ Sci Technolog Med Sci,2009 29(6):737-740.

[5] 刘艳,刘中洋,袭荣刚,等.自噬与人类疾病最新研究进展[J].临床与实验病理学杂志 2014,30(7): 771-773.

[6] Wang CW,Klionsky DJ.The molecular mechanism of autophagy[J] .Mol Med,2003,9(3/4):65-76.

[7] Glick D,Barth S,Marth S,et al.Autophagy:cellular and molecular mechanisms[J].J Pathol,2010,221(1):3-12.

[8] Adam D,Barlow DC.Autophagy in diabetes:B-cell dysfunction,insulin resistance,and complications[J].DNA and Cell Biology,2015,34(4):252-260.

[9] Yang L,Li P,Fu S,et al.Defective hepatic autophagy in obesity promotes ER stress and causes insulin resistance[J].Cell Metabolism,2010,55(11): 467-478.

[10] Shi LY,Zhang T,LiangXY,et al.Dihydromyricetin improves skeletal muscle insulin resistance by inducing autophagy via the AMPK signaling pathway[J].Molecular and Cellular Endocrinology,2015,409(2):92-102.

[11] Ying Xu,Qi Zhou,Wei Xin,et al.Autophagy downregulation contributes to insulin resistance mediated injury in insulin receptor knockout podocytes in vitro[J].Peer J,2016,10(3):9-20.

[12] Huige L,Sujuan L,Hairui Y,et al.Sestrin 2 induces autophagy and attenuates insulin resistance by regulating AMPK signaling in C2C12 myotubes[J].Experimental Cell Research,2017,301(5):24-30.

[13] Anakwe OO,Gerton GL.Acrosome biogenesis begins during meiosis: evidence from the synthesis and distribution of an acrosomal glycoprotein,acrogranin,during guinea pig spermatogenesis [J].Biol Reprod,1990,42(2):317-328.

[14] He ZH,Bateman A.Progranulin (granulin-epithelin precursor,PC-cell derived growth factor,acrogranin) mediates tissue repair and tumorigenesis[J].J Mol Med (Berl),2003,81:600-612.

[15] Zhou J,Gao G,Crabb JW,et al.Purifcation of an autocrine growth factor homologous with mouse epithelin precursor from a highly tumorigenic cell-line[J].J Biol Chem,1993,268:10863-10869.

[16] Nguyen AD,Nguyen TA,Marten LH,et al.Progranulin:at the interface of neurodegenerative and metabolic diseases[J].Trends Endocrinol Metab,2013,24:597-606.

[17] Bateman A,Bennett HP.The granulin gene family: from cancer to dementia[J].Bioessays,2009,31:1245-1254.

[18] Monami G,Emiliozzi V,Bitto A,et al.Proepithelin regulates prostate cancer cell biology by promoting cell growth,migration,and anchorage-independent growth[J].Am Pathol,2009,174:1037-1047.

[19] Koo DH,Park CY,Lee ES,et al.Progranulin as a prognostic biomarker for breast cancer recurrence in patients who had hormone receptor-positive tumors: a cohort study[J].PLoS One,2012,7:e39880.

[20] Han JJ,Yu M,Houston N,et al.Progranulin is a potential prognostic biomarker in advanced epithelial ovarian cancers[J].Gynecol Oncol,2011,120:5-10.

[21] Lu Y,Zheng L,Zhang W,et al.Growth factor progranulin contributes to cervical cancer cell proliferation and transformation in vivo and in vitro[J].Gynecol Oncol,2014,134:364-371.

[22] Demorrow S.Progranulin:a novel regulator of gastrointestinal cancer progression[J].Transl Gastrointest Cancer,2013,2:145-151.

[23] Ghidoni R,Benussi L,Glionna M,et al.Low plasma progranulin levels predict progranulin mutations in frontotemporal lobar degeneration[J].Neurology,2008,71(16):1235-1239.

[24] Finch N,Baker M,Crook R,et al.Plasma progranulin levels predict progranulin mutation status in frontotemporal dementia patients and asymptomatic family members [J].Brain,2009,132(Pt 3):583-591.

[25] Tang W,Lu Y,Tian QY,et al.The growth factor progranulin binds to TNF receptors and is therapeutic against inflammatory arthritis in mice[J].Science,2011,332(6028):478-484.

[26] Sleegers K,Brouwers N,Van Broeckhoven C.Role of progranulin as a biomarker for Alzheimer's disease [J].Biomark Med,2010,4(1):37-50.

[27] Richter J,Focke D,Ebert T,et al.Serum levels of the adipokine progranulin depend on renal function [J].Diabetes Care,2013,36(6):410-441.

[28] Youn BS,Bang SI,Kloting N,et al.Serum progranulin concentrations may be associated with macrophage infiltration into omental adipose tissue[J].Diabetes,2009,58(3):627-636.

[29] Li HX,Zhou B,Lin X,et al.Circulating PGRN is significantly associated with systemic insulin sensitivity and autophagic activity in metabolic syndrome[J].Endocrinology,2014,155(9): 3493-3507.

[30] Todoric J,Handisurya A,Perkmann T,et al.Circulating progranulin levels in women with gestational diabetes mellitus and healthy controls during and after pregnancy [J].Eur J Endocrinol,2012,167(4):561-567.

[31] Matsubara T,Mita A,Minami K,et al.PGRN is a key adipokine mediating high fat diet-induced insulin resistance and obesity through IL-6 in adipose tissue [J].Cell Metab,2012,15(1):38-50.

[32] Li HX,Zhou B,Liu JL,et al.Administration of progranulin (PGRN) triggers ER stress and impairs insulin sensitivity via PERK-eIF2a-dependent manner[J].Cell Cycle,2015,14(12):1893-1907.

[33] Guo QY,Lin X,Liu HX,et al.Progranulin causes adipose insulin resistance via increased autophagy resulting from activated oxidative stress and endoplasmic reticulum stress[J].Lipids in Health and Disease,2017,16(1):25-32.

[34] Liu JL,Li HX,Zhou B,et al.PGRN induces impaired insulin sensitivity and defective autophagy in hepatic insulin resistance[J].Molecular Endocrinology,2015,29(4):528-541.

[35] Zhou B,Li HX,Liu JL,et al.Progranulin induces adipose insulin resistance and autophagic imbalance via TNFR1 in mice [J].Journal of Molecular Endocrinology,2015,55(3):231-243.

[36] Li HX,Zhou B,Xu L,et al.The reciprocal interaction between autophagic dysfunction and ER stress in adipose insulin resistance [J].Cell Cycle,2014,13(5):565-579.