调控家禽肌肉和肝脏代谢的胰岛素信号

蔡政忠

（莆田学院，福建莆田 351100）

在生物体中胰岛素具有多效性，它在碳水化合物代谢（萄糖运输和利用，糖原合成）、脂类（控制肝脂酶水平）和蛋白质（氨基酸运输和蛋白质合成）中具有合成代谢作用（于继英等，2018；Tesseraud等，2007）。它还具有促进细胞生长、分裂，抑制细胞凋亡的作用。胰岛素在鸡和其他家禽中的作用尚不清楚，其在某些方面与哺乳动物有一定区别。例如，尽管内源性胰岛素在“正常”浓度下循环，但鸡的血液循环中仍然存在高血糖浓度（2 g/L，Simon，1989）。此外，鸡对胰岛素具有耐药性，因此需要高剂量的胰岛素（多数用哺乳动物胰岛素进行的实验中）才能诱导低血糖效应。本文综述了目前有关哺乳动物胰岛素受体信号转导的研究进展，为了解鸡胰岛素受体信号转导机制奠定了基础。本文首先介绍了胰岛素受体的结构，然后分析胰岛素受体底物和两个主要的磷脂酰肌醇-3激酶/蛋白激酶（PI3K/Akt）和丝裂原活化蛋白激酶/细胞外调节蛋白激酶（MAPK/ERK1/2）胰岛素信号通路。

1 胰岛素受体

和其他激素一样，胰岛素首先通过与细胞膜上的特定受体结合来发挥其生物学作用。哺乳动物胰岛素受体是一个四聚物组成的两个细胞外二级结构和两个跨膜结合的β亚基与酪氨酸激酶（Taha Klip，1999）。胰岛素结合α亚基引发一个β亚基，另一个是特定的酪氨酸残基，其被磷酸化活化，使受体酪氨酸激酶的催化活性增加。受体还在膜旁区域和细胞内尾部的其他酪氨酸残基上进行自磷酸化（王珊珊等，2016）。酪氨酸磷酸化的β亚基可以诱导同源蛋白2（SH2）和磷酸酪氨酸结构域绑定的蛋白质的，这些结构域可以识别磷酸化酪氨酸残基（Taniguchi等，2006）。

鸡组织中胰岛素受体的结构与其他物种中所描述的非常相似，其α亚基（分子量约135 kDa）完全是在细胞外室与胰岛素结合，β亚基（分子量约95 kDa）包含大量疏水片段，其穿过细胞膜延伸到细胞内室（Simon，1989）。与其他动物一样，家禽脑受体的α亚基小于肌肉，而肝脏受体的α亚基是最大的（Hendricks等，1984）。鸡组织胰岛素受体酪氨酸激酶活性与其他物种具有相同的特异性（Simon等，1989）。胰岛素受体激酶活性已通过谷氨酸-络氨酸聚合物底物和胰岛素受体自磷酸化测定，用于分析鸡肝脏、大脑、肌肉和肾脏在各种营养或生理状态下的胰岛素敏感性变化。在禁食或增加饲喂量时，虽然血浆胰岛素水平发生变化，但鸡肌肉胰岛素受体激酶活性和β亚基酪氨酸磷酸化并不降低（Dupont等，1998）。这与鸡肝脏、肾脏（Simon等，1989）和大鼠肌肉（Burant等，1986）的结果形成鲜明的对比。

2 胰岛素受体底物

在胰岛素结合后，胰岛素受体通过磷酸化多种细胞底物上的酪氨酸来启动细胞内胰岛素信号。在哺乳动物中已经发现至少11种胰岛素受体的细胞内底物（Taniguchi等，2006），其中包括胰岛素受体底物蛋白家族（IRS-1-6）和结构域同源蛋白（Src同源胶原蛋白）。IRS蛋白具有类似的结构域，包括同源结构域和磷酸酪氨酸结合结构域，它们含有大量可以被胰岛素受体磷酸化的酪氨酸残基。在哺乳动物中已经报道了4种不同的IRS蛋白，在人类中还发现了另外两种IRS蛋白（IRS5/DOK4和 IRS6/DOK5），这些额外的IRS蛋白参与胰岛素信号传导，但不参与磷脂酰肌醇 3-激酶（PI3K）激活（Cai等，2003）。IRS蛋白分子质量在60～180 kDa，表现出不同的组织差异性，IRS-1和IRS-2分布广泛，IRS-3局限分布于大脑、肝脏、脂肪细胞和成纤维细胞中，IRS4主要表达于胚胎组织和成年肌肉中（Schreyer 等，2003）。IRS蛋白异构体在细胞划分和活化动力学上也存在差异，胰岛素受体下游的IRS活性受刺激和抑制机制的严格调控，IRS被酪氨酸磷酸化激活，并受酪氨酸磷酸酶蛋白负调控（Gonzalez-Rodriguez 等，2007）。其他抑制机制包括阻断它们与胰岛素受体的结合及PI3K介导的丝氨酸磷酸化，该磷酸化通过MAPK和/或p70S6K通路参与IRS磷酸化。在哺乳动物中，Shc也是胰岛素受体的底物。Shc有46个、52个和66个kDa亚型，这些亚型来自于对原始Shc转录本的选择性剪接，在胰岛素刺激下，激活的胰岛素受体与Shc相互作用（Pelicci等，1992）。胰岛素受体酪氨酸残基-960位点周围的天冬酰胺脯氨酸X酪氨酸（X是任何氨基酸）基序与Shc的n端PTB结构域结合，随后，52 kDa在较小程度上和46 kDa Shc亚型酪氨酸磷酸化，而胰岛素主要磷酸化Shc络氨酸残基-317位点（Sasaoka和Kobayashi，2000）。利用胰岛素受体对Shc的磷酸化已在多种转化细胞模型中得到报道，其中多数报道表明，在哺乳动物中，IRS-1是刺激肌肉和脂肪组织葡萄糖转运的主要底物，而在肝脏中，IRS1和IRS2在胰岛素信号和代谢中具有互补作用，相比之下，Shc似乎并不直接参与胰岛素的代谢信号，但在胰岛素诱导的有丝分裂形成中起关键作用（Sasaoka 和 Kobayashi，2000）。

IRS-1基因的编码区域已从鸡中克隆并测序，推测的结果是鸡IRS-1蛋白与人、大鼠和小鼠同源蛋白具有高序列一致性（Taouis等，1996）。鸡IRS-1存在于肝脏和肌肉中，并与胰岛素受体相互作用，有趣的是，IRS-1在肝脏而非肌肉中的酪氨酸磷酸化依赖于营养状态，表明IRS-1的组织特异性和肌肉中胰岛素的相对耐受性（Dupont等，1998）。基因数据库中已经报道了鸡基因组1号染色体上的IRS-2同源编码序列（Ensemble release 47，2007年10月，http：//www.bl.org/gallus_gallus/index.html），但 IRS-2 蛋白尚未在鸡组织中报道。在鸡肝癌细胞系中IRS-1抑制导致Shc表达显著增加，Shc在胰岛素作用下也被酪氨酸残基磷酸化，因此作为额外的胰岛素受体底物，在IRS-1缺失的情况下Shc可能为鸡组织中胰岛素信号转导提供另一种途径（Dupont等，1998）。Shc的酪氨酸磷酸化（52 kDa）依赖于营养状态：饥饿、禁食后饲喂和注射胰岛素后Shc磷酸化增加。在鸡肝脏中，Shc主要与52 kDa亚型相互作用，而46 kDa亚型与IRS-1相互作用。Shc亚型的这些优先组合在生物学效应方面的结果仍有待进一步确定。52 kDa Shc亚型也与PI3K的p85调控亚基相互作用，因此，Shc（52 kDa）是鸡胰岛素受体的关键底物，因为，首先它能与PI3K结合，其次与IRS-1相反，其酪氨酸磷酸化程度取决于胰岛素水平。Dupont等（1998）在肝脏中研究了通过IRS-1或Shc可能存在的不同亚型的胰岛素受体复合物信号，已经证明存在一个涉及胰岛素受体、IRS-1、Shc（主要是52 kDa亚型）和PI3K调控亚基的大型复合物，而第3个复合物包括IRS-1和46 kDa Shc亚型也存在于鸡肝中。在哺乳动物组织中还没有这种相互作用的描述，这些复合物在鸡肝脏中的功能和它们在其他组织中是否存在仍有待确定。

3 PI3K/Akt信号通路

哺乳动物PI3K是一种杂二聚体，由一个110 kDa催化亚基和一个85 kDa含SH2的调控亚基组成，这两者是非共价的，在哺乳动物中已经描述了8个不同大小的PI3K调控亚基和3个p110亚型（Hirsch等，2007）。IRS 1-4蛋白与所有PI3K调控亚基相互作用，从而激活催化PI3K亚基，一旦连接到IRS，PI3K磷酸化细胞膜磷脂形成磷脂酰肌醇4，5-磷酸，从而产生磷脂酰肌醇3，4，5-三磷酸盐，进而作为第二信使来激活PDK1/2（3-磷酸肌醇-依赖性激酶-1/2）和3个已知亚型Akt / PKB（Taniguchi等，2006）。GSK3的失活导致糖原合成酶的去磷酸化和活化，从而加速糖原的合成。Akt在胰岛素作用下磷酸化转录因子，导致转录因子被排除在细胞核外，从而阻止转录因子对磷酸烯醇丙酮酸羧激酶基因转录的积极作用。Akt也通过磷酸化发挥抗凋亡作用。Akt同时激活哺乳动物雷帕霉素靶蛋白（mTOR），然后，mTOR可能增加启动因子4e结合蛋白（4E-BP1）和S6K（S6蛋白激酶）的磷酸化。在哺乳动物中，PI3K/Akt通路的抑制几乎阻断了胰岛素的所有代谢活动，包括刺激葡萄糖转运、糖原合成和脂质合成（Cheatham等，1994）。因此，这种途径在胰岛素代谢过程有至关重要的作用。PI3K通路的生物效应可以负调控PIP3磷脂磷酸酯酶，磷酸酶和SH2脱去磷酸和灭活PIP3（Sleeman等，2005）。

PI3K在鸡肝脏、腿部肌肉和鸡肝脏癌细胞系中均有表达，其中PI3K在肝脏中的激活程度取决于几种实验模型中的营养状态（Dupont等，1998）。此外，胰岛素注射PI3K后活性增加，且在胰岛素免疫中和后受到抑制。相反，肌肉中PI3K活动和酪氨酸磷酸化的IR和IRS-1完全改变了胰岛素敏感性。有趣的是，只有52 kDa Shc亚型的磷酸化通过限饲减少，通过再饲喂增加。鸡和大鼠对外源性胰岛素反应的比较表明，这种现象是鸡特有的（Dupont等，2008）。此外，鸡腿部肌肉中的PI3K活性大约是大鼠的30倍，这种肌肉中PI3K的高活性可能过度刺激哺乳动物中描述的反馈抑制通路（Dupont等，2008），从而使鸡肌肉脱敏。在哺乳动物中，PI3K自身的p85调控亚基可以对IRS信号通路起到很强的抑制控制作用，但脂质磷酸酶（如磷酸烯醇丙酮酸羧激酶）可能是导致肌肉胰岛素信号早期阶段相对胰岛素不敏感的原因之一（Taniguchi等，2006）。

对鸡禁食16h后再饲喂30min，胸肌和腓肠肌的p70S6K活性显著增加，在单次胰岛素注射后禁食的鸡也是如此（Bigot等，2003）。同样，新生雏鸡肌肉中p70S6K活性与血浆胰岛素浓度相关，提示p70S6K的激活具有很强的胰岛素依赖性（Bigot等，2003）。此外，由于胰岛素免疫中和作用，磷酸化作用在腿部肌肉的减少，鉴于鸡肌肉对外源性胰岛素的相对胰岛素抵抗，这些发现和Akt的发现再次令人惊讶（Dupont等，2008）。但最近发现p70S6K参与了另一个反馈回路，削弱了胰岛素激活PI3K的能力；有证据表明，p70S6K通过增加IRS-1的丝氨酸/苏氨酸磷酸化来负调控胰岛素信号。但在这些条件下，IRS1在丝氨酸632和丝氨酸635残基上的磷酸化也被诱导（Dupont等，2008）。在哺乳动物中，这些位点的磷酸化会抑制胰岛素信号，因此，AKT/p70S6K可能负调控鸡肌肉IRS1酪氨酸磷酸化。

4 葡萄糖转运蛋白4（GLUT4）信号通路

在哺乳动物中，胰岛素刺激PIP3的形成在多个组织的葡萄糖转运中起关键作用。已经鉴定了13个编码葡萄糖转运蛋白的基因，但由于其序列与GLUT1相似，这些基因似乎属于溶质载体2A（SLC2A）家族（Joost和 Thorens，2001）。GLUT4是葡萄糖转运体家族的成员，其特点是在肌肉和脂肪组织中优先表达，负责胰岛素诱导的葡萄糖摄取。胰岛素对肌肉细胞的刺激导致细胞表面GLUT4分子数量的净增加，调节GLUT4表面净增加的胰岛素衍生信号通路（包括激活PI3K、PDK1/2、非典型蛋白激酶 C、Akt/PKB（Farese等，2005）。

鸡肌肉胰岛素信号的另一个特性与葡萄糖转运体有关。在鸡的基因组中还没有发现GLUT4的序列编码，尽管并非所有鸡基因组都已测序，但GLUT4是哺乳动物中对胰岛素有反应的一种形式。到目前为止，只有GLUT1、GLUT2、GLUT3和GLUT8亚型在鸡中被鉴定，未能在鸟中发现典型的GLUT4蛋白可能是针对哺乳动物GLUT4的抗体缺乏交叉反应的结果（Kono等，2005）。

5 MAPK ERK1/2信号通路

在哺乳动物中，MAPK细胞外信号调节蛋白激酶1/2（ERK1/2）通路被胰岛素通过IRS或Shc酪氨酸磷酸化激活（Taniguchi等，2006），该通路由3个序列起作用的激酶组成。MAPK激酶的活化导致MAPKK激酶的磷酸化称为MEK1/2，然后刺激ERK1/2 MAPK活性，通过苏氨酸和酪氨酸残基磷酸化ERK1/2 MAPK调节基因的表达，包括通过一些PI3K通路来控制细胞生长和分化（Avruch，1998）。

MAPK ERK已在各种鸡组织中被鉴定，其中ERK2是唯一在家禽组织中检测到的磷酸化亚型（Duchene等，2008）。U0126是 MAPK ERK通路的抑制剂，其可以在体外完全消除胰岛素诱导的鸡成肌细胞S6K1磷酸化和活性，这表明MAPK ERK2在禽类细胞中通过胰岛素控制S6K1（Duchene等，2008），同时通过胰岛素免疫中和作用，鸡肝脏和肌肉中MAPK ERK2磷酸化水平在体内被显著降低。但MAPK ERK2在鸡体内的胰岛素作用的研究尚未见报道，但这一信号通路可能对鸡的生长至关重要，由于上游的Shc似乎是鸡肌肉胰岛素受体的关键底物，这一通路可能参与了p70S6K的胰岛素依赖调控。

6 结论与展望

本文综述了目前关于家禽和哺乳动物胰岛素信号传导的基础知识，但关于家禽的数据并不完整。在涉及鸡胰岛素级联反应（IRSs、AKT、ERK等）的亚型数量时尤为明显，而这些亚型的数量尚未被确定。这些亚型在哺乳动物中并不多余，但有些基因可能在鸡的基因组中缺失。此外，在蛋白质水平上的一些研究是困难的，部分原因是缺乏相应的抗体与鸡蛋白的交叉反应。在胰岛素结合激活后，其底物包括IRS（胰岛素受体底物）蛋白和Shc（Src同源蛋白）中的酪氨酸残基被自磷酸化和磷酸化，这些底物中的特定结构域与其他几种蛋白质相互作用。与IRSs相互作用的主要复合物之一是PI3K。AKT通过mTOR（哺乳动物雷帕霉素靶蛋白）以及随后激活p70S6K（p70核糖体蛋白S6激酶）和4EBP1（真核翻译起始因子4e结合蛋白1）来控制蛋白的合成。AKT也刺激细胞生长分化，通过磷酸化发挥抗凋亡作用。最后，PI3K激活非典型蛋白激酶C，后者与AKT协同作用。在肌肉和脂肪细胞中，PI3K启动细胞内葡萄糖转运体4（GLUT4）在细胞膜上的易位刺激葡萄糖转运。