中南大学生化讨论课 生化文档 胰岛素信号转导途径及与疾病的关系

胰岛素受体介导的信号转导途径

胰岛素受体的结构

INSR为跨膜糖蛋白，为一种非典型的PTK受体，由2条α、2条β亚基组成的四聚体。

成熟的INSR为α2β2，α亚基位于细胞外（719个氨基酸残基）富含Cys，是识别合结合胰岛素的部位；β亚基（620氨基酸残基），穿过脂膜，具有胞内近膜区，PTK活性及C端的自身磷酸化位点。β亚基胞内区Tyr（酪氨酸）的磷酸化在受体功能中有重要的作用。其中近膜区第960位Tyr磷酸化后可作为胰岛素受体底物－1（IRS－1）的识别和结合部位。其中PTK区的1146、1150、1151的Tyr是PTK活性调节部位，磷酸化后提高PTK活性。胰岛素受体底物－1

胰岛素受体底物的作用

INSR与胰岛素结合后，首先使受体自身的酪氨酸被磷酸化，之后其底物蛋白在受体PTK的作用下被磷酸化，由此启动磷酸化的级联反应并导致信号进一步转导。IRS－1是广泛存在于胰岛素敏感组织中的接头蛋白（adaptor）。IRS－1的理化性质：高度的保守性。

胰岛素在细胞水平的作用

胰岛素与α亚单位结合后，受体构型发生迅速改变，β亚单位的位于膜内的酪氨酸残基磷酸化，激活酪氨酸激酶活性。只有磷酸化后A TP及其他底物才能与受体的接触反应位点结合。磷酸化后，一些分子，如Shc（街头蛋白）、IRS（胰岛素受体底物）和生长因子受体结合蛋白（Grb－1）与胰岛素受体直接结合，为下游的底物提供连接界面。胰岛素受体的信号转导主要经过两个途径，即有丝分裂原激活的蛋白激酶（MAPK）和PI－3K。两条途径相互独立，在一定条件下，也能相互激活。

①Grb2与酪氨酸磷酸化的Shc结合或通过Sh2与胰岛素受体结合后，MAPk途径被激活。Grb2预先与哺乳动物鸟嘌呤核苷酸交换因子（mSOS）连接（mSOS为一个核苷交换蛋白，可以促进Ras上的GDP转化为GTP，激活Ras）。Ras位于浆膜内侧，与Raf的氨基末端区域连接，使Raf募集到浆膜，Ras－Raf相互作用，使Raf磷酸化被激活。Raf－1激活一种双重专一性激酶MEK1，MEK1通过酪氨酸和苏氨酸磷酸化激活了细胞外信号调节激酶（ERKs）。被激活的ERK通过转录调节因子如Elk-1等的磷酸化，诱导基因生成，介导胰岛素的促进生长作用。

②胰岛素对代谢的调节作用主要是通过PI－3K（磷脂酰肌醇-3-激酶）途径介导。PI－3K的p85/p110复合体与胰岛素受体底物分子连接，PI－3K激活，生成3磷酸磷脂酰肌醇（PIP3）。PIP3与PI－3K、依赖性激酶－1（PDK－1）和丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶B（Akt）的PH区结合，激活PDK－1，使Akt磷酸化被激活。Akt调节肌肉和脂肪细胞内的胰岛素敏感性葡萄糖转运体（Glut4）的转位；除此之外，蛋白激酶C的α和β亚型也可以激活（PI－3K）和PDK－1来调节Glut4转位。在基础状态下细胞表明的Glut4很少，然而在胰岛素刺激下胰岛素－受体酪氨酸磷酸化信号的内传使IRS－1磷酸化，激活PI－3激酶，触发富含Glut4的小泡以胞吐的形式由内核体经由Golgi体向细胞表面转位，因而细胞表明Glut4增多，组织对葡萄糖摄取增加。

疾病

受体缺陷

受体数目降低：肥胖和高胰岛素血症可以使胰岛素受体数目减少，胰岛素的生理效应下降。胰岛素受体基因突变

⑴Ⅰ类突变（胰岛素受体合成障碍）

首先可能是INSR基因完全缺失，根本没有mRNA表达，胰岛素抵抗非常严重。其次是INSR 基因部分缺失。最常见的是形成成熟前链中止密码，使得受体结构不完整，影响胰岛素生物学效应。

⑵II类突变（胰岛素受体合成及加工过程障碍）

其结果是不能从细胞的粗面内质网及Golgi复合体转位至细胞膜，膜受体减少，其突变的位点主要位于α亚单位的N端以甘氨酸为中心的重复序列处。此外还有异常INSR向膜输送障碍、受体往膜插入障碍受体在循环障碍和异常受体或受体前体在细胞内分解破坏过多等，均导致细胞表明受体数目减少。

⑶III类突变（胰岛素受体亲和力下降导致胰岛素与其受体的结合降低）

如精氨酸735突变为丝氨酸可导致受体与胰岛素亲和力下降；

⑷IV类突变（酪氨酸激酶活性下降）

酪氨酸激酶对于INSR生物学效应的发挥是不可缺少的。酪氨酸激酶有缺陷的受体并不发生降调节，细胞表面的INSR数目尽管正常但功能失调。酪氨酸激酶区突变的另一特征是可能导致显形胰岛素抵抗，不仅突变的激酶活性受抑，而且当他与正常受体形成二聚体时还可抑制正常受体的活性。受体PTK活性降低，如甘氨酸1008突变为缬氨酸可致细胞内区PTK 结构域异常，从而使之磷酸化酪氨酸残基的能力减弱。

⑸V类突变（基因突变异导致胰岛素受体降解加速）

胰岛素受体抗体的形成：可以使细胞表面的受体数量减少，同时受体后的信号转导也发生障碍。

受体后缺陷：胰岛素和受体结合后，信号向细胞内传递引起的一系列代谢过程。

葡萄糖转运蛋白（Glut）的异常

在基础状态下细胞表明的Glut4很少，然而在胰岛素刺激下胰岛素－受体酪氨酸磷酸化信号的内传使IRS－1磷酸化，激活PI－3激酶，触发富含Glut4的小泡以胞吐的形式由内核体经由Golgi体向细胞表面转位，因而细胞表明Glut4增多，组织对葡萄糖摄取增加。当Glut4基因突变时，Glut4合成及转位均受阻，从而产生IR及2型糖尿病。

IRS—1基因突变

IRS－1是胰岛素信息传递的重要介质。研究表明剔除IRS－1基因的小鼠对胰岛素及胰岛素样生长因子产生抵抗，腹膜内注射葡萄糖后出现糖耐量损伤，说明IRS－1基因与IR密切相关。细胞内许多含SH2（酪氨酸同源体第二区）的蛋白质与IRS－1分子上磷酸化的酪氨酸残基结合，经过许多酶促反应而使蛋白磷酸酶－1磷酸化而活化，其结果与糖代谢相关的两个关键酶（糖原合成酶与磷酸化酶激酶）脱磷酸化。前者脱磷酸化使酶活化而刺激糖原合成，后者磷酸化失活。其净效应是糖原合成增多，血糖维持正常，这是胰岛素的正常生物效应。IRS－1基因突变，可使IRS－1酪氨酸磷酸化减弱，而丝氨酸磷酸化增强，产生IR。研究发现2型糖尿病患者的脂肪细胞INSR与IRS－1的结合是正常的，但IRS－1的酪氨酸磷酸化低于非2型糖尿病肥胖和正常人。

肿瘤坏死因子（TNF－α）的作用

TNF－α作用于肝细胞、脂肪细胞，使IRS－1的丝氨酸残基磷酸化，将正常胰岛素转导途径引入抑制状态。

β3肾上腺受体（β3－AR）基因突变

有人认为β3－AR与胰岛素信号传递系统间存在相互作用。，用β3－AR激动剂预刺激可增强INSR、IRS－1、IRS－2的酪氨酸磷酸化及IRS－1相关的PI－3K的活性。

浆细胞分化抗原1（PC1）基因突变

PC1是从2型糖尿病病人的成纤维细胞中分离出来的抑制具有抑制INSR老氨酸激酶活性的糖蛋白。cDNA转染试验也表明，PC1过多表达可抑制胰岛素信号的传递，导致IR。

微量元素

微量元素铬通过葡萄糖耐量因子（三价铬形成的化合物）调节胰岛素与受体的硫基形成二硫基，促进胰岛素发挥最大的生物学效应。缺锌可能使含锌的辅酶变化影响糖和脂肪的代谢。

阻断性胰岛素抗体的胰岛素识别位点与胰岛素受体结合区域重叠，胰岛素结合了阻断性受体就失去了再结合受体的能力。