中枢神经系统中胰岛素受体及其信号传导的研究进展

马邓荣，付雨青，蔡宗晏，程岳，邓甲蕙，韩雪

1.兰州大学第一临床医学院，甘肃 兰州 730000；2.兰州大学第二临床医学院，甘肃 兰州 730000

0 引言

胰岛素受体（insulin receptor，IR）是酪氨酸激酶受体家族中的一员，可与胰岛素受体家族的胞外配体结合，并传递到多个细胞内的信号级联反应中，从而对机体代谢产生短期与长期影响[1]。研究[2]发现，中枢神经系统中IR及其信号传导改变是疾病的发生与发展的诸多机制之一，如2型糖尿病（diabetes mellitus type 2，T2DM）和阿尔茨海默病（Alzheimer disease，AD）等。例如，Manuel等[3]的研究中发现高脂饮食诱导的中枢胰岛素信号通路的改变可能会影响新陈代谢以产生酮体，进而在海马体中可能导致VGlut1的表达降低，进而导致谷氨酸的释放降低。因此，本文将针对IR及其相关信号通路予以综述，旨在为研究人员在相关疾病的基础研究中提供新思路。

1 中枢神经系统的胰岛素受体

中枢神经系统中胰岛素受体是一种异四聚体蛋白质[4]，该蛋白质由两个α-亚基和两个β-亚基组成，不同亚基之间通过二硫键连接。与中枢神经系统之外的其他组织中的胰岛素受体不同的是，中枢神经系统中的胰岛素受体所含有的α-亚基和b-亚基的分子量均较低，目前研究人员尚未对这一差异的产生原因做出可靠的解释，但根据现有研究结果推测这可能是mRNA剪接和受体糖基化差异的结果。中枢神经系统胰岛素受体位于细胞外的α-亚基上还包含有一个配体结合位点，而跨膜β-亚基的胞质部分传递酪氨酸激酶活性，这种β-亚基包含酪氨酸残基，在细胞外胰岛素结合后会被自身磷酸化，其酪氨酸磷酸化诱导包含SH2和PTB两种识别磷酸化酪氨酸残基结构域的蛋白质的特异性募集。人胰岛素受体基因的36个碱基对的外显子11的选择性剪接导致合成具有不同功能特征的两种同工型胰岛素受体。其一，IR的长同工型，即B型同工型（IR-B），其主要存在于成年个体的外周组织中[5]；其二，IR的短同工型既同工型A（IRA），其来自于外显子11的选择性剪接，其中α亚基羧基末端的12个氨基酸被剪切[5]，而分布于中枢的这种缺少外显子11的IR-A比含外显子11的IR-B表现出更高的胰岛素结合亲和力，更高的内在化率和糖基化的差异性。此外，大脑和外周IR之间的一个显著功能差异是，脑IR是葡萄糖转运和代谢的主要和直接调节剂[6-7]。与之不同的是，脑IR发挥着多种功能，这取决于它们所处的大脑区域。大量证据表明脑IR信号传导的主要功能包括机体能量稳态的中央调节，突触可塑性，神经元存活和认知的调节以及参与衰老相关的神经变性等[8]。例如，在Schubertet等的研究中，取自NIRKO小鼠的培养神经元对胰岛素的治疗表现出PKB/Akt磷酸化水平降低，并且对KCL诱导的细胞凋亡的保护作用降低。这些数据证实了胰岛素能够抑制小脑颗粒细胞凋亡的事实，并证明该反应完全取决于IR的存在而不是IGF受体。这与在培养的神经元中发现的结果相反，来自NIRKO小鼠的大脑未表现出发育和结构改变或细胞凋亡增加的迹象。因此，在体内IR的缺乏可以通过NIRKO小鼠中的其他神经营养因子来补偿[8]。

通过大量验证，IR被证明具有内在的酪氨酸激酶活性。胰岛素与受体的胞外α亚基结合后，导致胞质部分β亚基的激酶域激活环中的三个酪氨酸残基自磷酸化。基于以上过程，受体酪氨酸激酶活性增高。酪氨酸激酶的磷酸化被认为是IR激活的主要机制，触发随后的磷酸化介导胰岛素的一系列细胞效应[9]。对非磷酸化和磷酸化形式的红外晶体结构的分析表明，存在一种自抑制机制，既活化环限制蛋白质底物和ATP结合到活性位点。在自磷酸化过程中，活化环会发生主要的构象变化，导致ATP和蛋白质底物不受限制地进入活化位点[10]。胰岛素或IGF-2的结合是IR激活的必要条件，它们在大脑中的有效性对IR功能至关重要。

2 胰岛素受体的信号传导

胰岛素受体大部分位于神经元中，在胶质细胞中则较少。胰岛素介导的中枢神经系统（CNS）信号最近已成为一个崭新且有希望的研究领域。作用于IR的胰岛素来源有二，其一是外周的胰腺B细胞合成分泌的胰岛素通过脑脊液（CSF）转并跨过血脑屏障（BBB）转运至脑内；其二是海马、小脑等部位的神经元细胞也能合成分泌胰岛素直接发挥作用。以上生理过程可使胰岛素于CNS中稳定在一定水平区间，保证胰岛素及其下游信号传导正常进行。实验发现，血胰岛素水平快速升高可使脑脊液中的胰岛素含量升高，但长期或者慢性的高胰岛素血症却可导致中枢胰岛素水平下降，这可能是BBB胰岛素受体表达降低的缘故，这可能对胰岛素的信号传导造成不良的影响[2]。当胰岛素与其受体结合时，它会激发细胞内信号传导级联，从而激活胰岛素受体底物1/2（IRS1，IRS2）[11]。IRS-1/2在大脑皮层和海马有大量分布，其多处位点的磷酸化在胰岛素和胰岛素样生长因子-1/2（IGF-1/2）的信号传导起重要的传递作用。胰岛素信号转导主要通路：既磷脂酰肌醇3激酶（phosphoinositide3-kinase，PI3K）途径[12]，PI3K是一类特定催化磷脂酰肌醇（PI），是参与细胞内信号转导的重要激酶，正常状态下直接接受IRS调节，其参与并介导机体的生长、繁殖和蛋白质合成等。其通过p85和p110两个调节和催化亚基共同组成的一个异源二聚体，称为PI3Ks家族。p85亚基有一个SH3结构区，其具有特异性结合功能；两个SH2结构区，可诱导磷脂酰肌醇的磷酸化；同时，还有一个中间激活p110的非编码区。在未进行激活时，p85亚基抑制p110亚基的生物活性。PI3K可分为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ共3种亚型: 其中Ⅰ型在胰岛素信号通路中作用最为重要，可激活4、5－二磷酸肌醇（PIP2）使其转化成为3、4、5－三磷酸肌醇（PIP3）进行下游信号转导[13]。PI3K/AKT通路的作用机制大致如下：IRS-1酪氨酸磷酸化后，酪氨酸激酶和G蛋白偶联受体的信号会激活PI3K的亚基并使其转移与结合，这将使PI3K活化。而PI3K激活会使PIP2在质膜上转化为PIP3，PIP3与细胞内有PH结构域的信号蛋白Akt和3-磷酸肌醇依赖性蛋白激酶1（PDK1）结合，使Akt从胞质转移到胞膜上，并在PDK1的辅助下，通过使Akt蛋白上的苏氨酸磷酸化位点（Thr308）和丝氨酸磷酸化位点（Ser473）磷酸化而使其激活。Akt又称蛋白激酶B（PKB），是PI3K信号的下游分子，其与细胞周期调控和蛋白质合成等过程密切相关。活化后的Akt可继续在下游对许多靶蛋白等进行调节，例如其可通过直接和间接两种途径激活其底物雷帕霉素靶蛋白（mTOR），通过磷酸化作用激活或抑制其下游靶蛋白，进而对靶标和相关生理病理活动进行调节。另外，丝裂原激活的蛋白质激酶（MAPK）途径也是胰岛素信号转导途径之一[14]。该途径的激活似乎促进了参与细胞和突触生长以及细胞修复和维持中的基因表达。有趣的是，一些研究表明，两种胰岛素信号传导途径之间的相互干扰，通过一定程度影响磷酸化，可能发挥抗凋亡作用。因此，PI3K/Akt和MAPK途径都是胰岛素潜在的神经营养作用和神经保护作用的基础。

3 中枢神经系统内葡萄糖代谢的意义

葡萄糖稳态需要激素和神经介导的调节作用，这些调节作用有助于神经中枢和外周组织的正常生理功能[14]。同时，葡萄糖不仅是维持神经和非神经细胞活动的主要能量来源，它也充当信号分子参与信号转导。因此，葡萄糖调节机制是确保适当的葡萄糖供应以满足中枢神经系统以及周围组织的代谢需求的关键[15]。

胰岛素和胰高血糖素的拮抗作用以及下丘脑—垂体—肾上腺轴的活性和自主神经系统的成分有助于根据生物体的能量状态将血糖水平维持在正常生理范围内。生理血糖水平的改变具有严重的后果，会导致部分疾病发病率和死亡率的增加[16-20]。因此为了防止明显的血糖波动，胰岛素受体可以准确地感知细胞外空间中的葡萄糖浓度，并启动维持葡萄糖稳态所需的调节机制。

在正常生理情况下，胰高血糖素样肽-1（GLP-1）被证明在下丘脑和脑干中以选择性和时间方式显著降低葡萄糖代谢，这些区域参与控制食物摄入和葡萄糖传感[21-22]。这些观察结果表明，这些中枢神经系统中可逆和短暂的葡萄糖代谢低代谢可能会诱发重要的生物学效应。

而中枢神经系统中葡萄糖代谢的改变是导致多种中枢神经系统疾病的直接原因，例如在AD患者中已经报道了使用几种技术方法检测到的脑葡萄糖代谢的变化。目前，功能性神经成像技术（如正电子发射断层扫描PET）以非常高的灵敏度提供葡萄糖代谢的体内测量。这种成像方法使我们能够在临床症状出现之前识别大脑代谢活动的功能变化。目前，用于PET成像的F-FDG在欧洲和美国被批准用于研究某些心血管、神经和肿瘤疾病的葡萄糖代谢检测[23]。

4 结论

IR在介导胰岛素家族底物，IRS1/2以及IGF-1等功能体现方面具有重要调控作用，是相关信号传导的关键节点，其下游传导的信号通路主要有PI3K/Akt和MAPK/ERK，参与增殖分化以及代谢方面的生物调控作用。故在未来的研究中，可深入探索信号通路下游传导及其相互作用，明确内在且深层的作用机制。已知在阿尔茨海默病中，胰岛素传导受损，下游信号传导以及蛋白表达受损。BATISTA等的研究发现利拉鲁肽是一种IR敏化剂，可对大脑中特定区域的AD相关胰岛素受体，突触和Tau蛋白等的病理损伤等起到保护作用。同时，我们也关注到艾塞那肽也有类似作用，通过艾塞那肽可以预防体外观察到的包括低聚物诱导的神经元病理和轴突运输受损等。作为一种广泛分布的受体家族，IR受体相关药物的研发将会给包括糖尿病和阿尔茨海默病在内的临床治疗带来更多的希望，从而给临床医药的发展及患者及其家庭带来可观的受益。因此，研究者在着力于胰岛素相关受体的基础研究的同时也可将部分工作着力于IR相关药物的研究，为IR相关疾病患者的治疗中提供新的研究思路。