綜述PKR與胰島素抵抗

陳珊珊

(淮陰衛(wèi)生高等職業(yè)技術(shù)學校，江蘇 淮安 223300)

2型糖尿病是一種常見的、多發(fā)的內(nèi)分泌代謝失常性疾病，它的特點是根治難、并發(fā)癥多、發(fā)病率高，目前已成為僅次于腫瘤和心血管疾病之后的第三大非傳染性疾病。2型糖尿病是一種多基因遺傳性疾病，一般認為它的發(fā)生是多源性的，是環(huán)境因素和遺傳因素共同作用的結(jié)果。外周組織的胰島素抵抗和胰島β細胞的失代償是糖尿病的重要發(fā)病機制[1-2]。胰島素抵抗發(fā)生的部位主要在肝臟、肌肉及脂肪組織，是對胰島素敏感性的降低，原因是由于機體對胰島素生理作用的反應(yīng)性降低，主要是受體后部位對胰島素的生物反應(yīng)受損，從而引發(fā)糖耐量受損并最終導(dǎo)致糖尿病。胰島素抵抗中胰島素信號通路受阻是重要的原因之一，在外周組織中發(fā)現(xiàn)PKR的激活能夠通過激活I(lǐng)KKβ和JNK阻礙胰島素信號通路的PI3K途徑從而引起胰島素抵抗[3-4]?，F(xiàn)將PKR和胰島素抵抗的關(guān)系進行綜述。

1 PKR

PKR(double-stranded RNA-dependent protein kinase)是一種雙鏈RNA依賴性蛋白激酶，在干擾素、dsRNA、病毒等誘導(dǎo)下激活。它是一個絲/蘇蛋白激酶，是elF2α的特異蛋白激酶，也是典型的胞內(nèi)模式識別受體之一[5-6]。在所有細胞中都存在PKR基礎(chǔ)水平的表達，但是在干擾素誘導(dǎo)下它的表達量可升高5-10倍，而在小鼠、昆蟲和酵母細胞中過表達PKR對細胞的生長有極其嚴重的抑制作用。PKR的激活能夠催化elF2α的磷酸化，導(dǎo)致蛋白質(zhì)合成抑制達到抑制病毒復(fù)制的作用，因此它參與構(gòu)成了細胞抗病毒的第一道防線[7-8]。此外，PKR還通過NF-kB及STAT細胞因子對細胞信號轉(zhuǎn)導(dǎo)和轉(zhuǎn)錄激活產(chǎn)生影響，因此PKR能夠參與調(diào)節(jié)細胞的生長、分化、信號轉(zhuǎn)導(dǎo)和凋亡過程[9]。

1.1 PKR的結(jié)構(gòu)

人類的PKR基因定位于人染色體2p21—22，是一個含有551個氨基酸殘基的蛋白質(zhì)，含有兩個主要區(qū)域：位于N末端的調(diào)控區(qū)域和位于C末端的催化區(qū)域。其中調(diào)控區(qū)域是由雙鏈RNA結(jié)合區(qū)域dsRBM1和dsRBM2構(gòu)成，這樣的區(qū)域可以介導(dǎo)與PKR激活物dsRNA的結(jié)合。PKR的催化區(qū)域有11個保守的激酶亞結(jié)構(gòu)域，在這一區(qū)域的中間則是ATP結(jié)合區(qū)域。其aa296位點是賴氨酸，包含有二聚化作用區(qū)域和底物作用區(qū)域，它在磷酸轉(zhuǎn)化反應(yīng)時接收ATP，二聚化作用區(qū)域包括一部分調(diào)控區(qū)域和催化區(qū)域之間的鉸鏈區(qū)域，它是二聚化的重要位點，同時它也可以與一些病毒或例如P58(IPK)的細胞內(nèi)PKR抑制因子結(jié)合[10]。

1.2 PKR的功能

PKR主要有兩方面作用：蛋白質(zhì)合成抑制和參與細胞多種信號通路的調(diào)節(jié)

1.2.1 蛋白質(zhì)合成的抑制作用

當PKR沒有激活時它的dsRBM2鎖緊激酶結(jié)構(gòu)域處于封閉的構(gòu)象狀態(tài)，而此時的dsRBM則不受蛋白其余部分的制約，它的自由移動阻止了eIF2α的磷酸化，為細胞內(nèi)蛋白質(zhì)的正常合成提供了有力的保障。在直接激活配體dsRNA和IL-1、IFNγ、肝素、TNFα等因素的誘導(dǎo)下PKR可以被激活，激活后的PKR聚合成同源二聚體，誘導(dǎo)其S446和S451位點自身磷酸化的發(fā)生，使其催化結(jié)構(gòu)域得以暴露，此時的PKR得到了充分的激活。PKR后激活能直接誘導(dǎo)eIF2α S51位點磷酸化，eIF2α能與甲硫氨酰起始子tRNA和GTP形成三元復(fù)合物，該復(fù)合物是將Met—tRNAi Met連接到40S核糖體亞單位和啟動mRNA翻譯必須的一個過程。Met—tRNAi Met轉(zhuǎn)移到mRNA上的起始密碼子AUG后，與eIF2結(jié)合的GTP水解為GDP，在鳥苷酸交換因子eIF2β的催化下GTP代替了elF2結(jié)合的GDP完成eIF2重新裝載Met—tRNAi Met的過程。EIF2α磷酸化促使eIF2一GDP與eIF2β形成復(fù)合物，eIF2成為eIF2β的競爭性抑制物，降低了鳥苷酸交換因子的活性，繼而導(dǎo)致eIF2-GTP水平下降最終造成了蛋白質(zhì)合成受阻[11]。

1.2.2 參與細胞多種信號通路的調(diào)節(jié)

能夠直接激活PKR的是配體dsRNA，除此之外PKR也能被間接激活例如 IL-1、IFNγ、肝素、TNFα、PDGF 以及一些病原相關(guān)分子[12]。這些分子與同源受體的結(jié)合進而啟動相應(yīng)的應(yīng)激反應(yīng)，她們之間的相互作用觸發(fā)細胞內(nèi)的多條信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路，激活潛在的胞質(zhì)轉(zhuǎn)錄因子。

大量研究證實能被PKR調(diào)節(jié)的轉(zhuǎn)錄因子有NF-κB、JNK、信號轉(zhuǎn)導(dǎo)物、轉(zhuǎn)錄活化子STAT1和STAT3、IRF-1以及ATF-3和ATF-4[13-15]。在PKR依賴性激活中，上述轉(zhuǎn)錄因子中ATF-3和ATF-4的激活是通過eIF2α調(diào)節(jié)的，而其他的轉(zhuǎn)錄因子激活則不需要依賴于對磷酸化eIF2α的調(diào)節(jié)。例如PKR調(diào)節(jié)IκB的蛋白水平是通過與IκB激酶復(fù)合物的直接蛋白質(zhì)-蛋白質(zhì)相互作用來實現(xiàn)的，繼而調(diào)節(jié)了NF-κB的活性。 NF-KB 調(diào)控的下游基因如 FasL，F(xiàn)as，IRF-1，caspase-1，p53 以及ATF-3參與了調(diào)控PKR所介導(dǎo)的凋亡。激活的PKR能夠誘導(dǎo)激活基因ATF-3，其他PKR介導(dǎo)凋亡的調(diào)控因子主要是存在于Art／p53通路中的各個因子。p53通路在調(diào)節(jié)凋亡中起著關(guān)鍵性的因素，研究表明在DNA發(fā)生損傷的情況下，p53的磷酸化及其相關(guān)因子的轉(zhuǎn)錄活性改變均能引起細胞周期停滯和細胞凋亡的發(fā)生。PKR主要是通過FADD／caspase-8和線粒體的Apaf／caspase-9通路實現(xiàn)其促凋亡的作用。Caspases-8是FADD下游的凋亡啟動因子，它能直接激活caspase-3和caspase-7從而引起caspases的級聯(lián)反應(yīng)和線粒體膜穩(wěn)定性被破壞等途徑最終導(dǎo)致細胞凋亡[16-17]。細胞色素C和Apaf-1與Caspase-9共同形成凋亡復(fù)合體才能實現(xiàn)Caspase-9的激活。Apaf-1是一種銜接蛋白，它在細胞色素C和dATP的誘其發(fā)生低聚反應(yīng)，隨后的一系列凋亡相關(guān)效應(yīng)發(fā)生需要活化的caspase-9通過激活caspase-3 完成[18-19]。

2 胰島素抵抗

胰島素抵抗(insulin-resistance，IR)是指胰島素靶器官或靶組織對胰島素的敏感性及反應(yīng)性降低，導(dǎo)致正常量的胰島素產(chǎn)生的生物學效應(yīng)低于正常水平。它是臨床許多疾病如糖尿病、肥胖、高血壓與動脈硬化等疾病的共同的危險因素及病理生理基礎(chǔ)。

2.1 胰島素信號通路

在靶細胞中，胰島素與其受體結(jié)合能激活受體，之后細胞內(nèi)的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路產(chǎn)生一系列細胞內(nèi)轉(zhuǎn)導(dǎo)分子與酶促級聯(lián)反應(yīng)完成信號在胞內(nèi)的逐級傳遞并放大，信號最后傳至靶器官而產(chǎn)生一系列的生物學效應(yīng)。信號傳導(dǎo)通路主要有兩條，一個是IRS-1-PI3K-PKB/AKT途徑，另一個是絲裂原活化蛋白激酶(Shc/Raf/MAPK)途徑。

在第一條通路中，首先是在外源性胰島素和(或)葡萄糖刺激下發(fā)生胰島素與其受體結(jié)合，從而激活了受體的內(nèi)源性酪氨酸激酶。激活的酪氨酸激酶在實現(xiàn)自身的磷酸化的同時誘導(dǎo)了胰島素受體底物IRS的酪氨酸位點磷酸化?；罨腎RS遷移至細胞膜上，通過磷酸酪氨酸結(jié)合域(PTB)將磷酸酪氨酸錨定在IRS酪氨酸激酶上，酪氨酸磷酸化的IRS通過其SH2結(jié)構(gòu)域招募到PI3K的調(diào)節(jié)亞單位P85。P85與磷酸肌醇的3磷酸分子結(jié)合，將磷脂酰肌醇一磷酸(PIP)轉(zhuǎn)化為磷脂酰肌醇二磷酸(PIP2)及磷脂酰肌醇三磷酸(PIP3)它們是胰島素和其他生長因子的第二信使，是下游信號分子磷酸肌醇依賴的蛋白激酶-1(PDK1)和(或)蛋白激酶c(PKC)的某一亞型的錨定位點。PDK1可以激活蛋白激酶B(PKB，也稱為Akt)和某一非典型PKC亞型。激活的PKB一邊通過絲／蘇氨酸磷酸化讓糖原合成激酶-3(GSK3)失活，另一方面激活哺乳動物的雷帕霉素靶點(mTOR)蛋白激酶，從而誘導(dǎo)其下游70 ku-S6激酶(p70S6K)磷酸化激活。mTOR蛋白激酶可作為“ATP感受器”，激活p70s6K而不需要通過Ca2＋／cAMP，實現(xiàn)控制蛋白的合成、加強基因的轉(zhuǎn)錄、促使胰島β細胞肥大及其他生物效應(yīng)。PKB可以直接誘導(dǎo)某些轉(zhuǎn)錄因子絲／蘇氨酸磷酸化促進細胞有絲分裂的發(fā)生[20-21]。

在第二條通路中，Ras的激活可通過兩條通路實現(xiàn)。(1)活化的胰島素受體激活I(lǐng)RS-2蛋白，而IRS-2蛋白可將信號傳遞給適配蛋白生長因子受體結(jié)合蛋白2(Grb2)，再與信號蛋白GDP／GTP交換因子(mSOS)相互作用進而能活化失活的Ras-GDP轉(zhuǎn)變成的Ras-GT從而實現(xiàn)激活Ras。(2)胰島素受體直接作用使信號蛋白Shc的酪氨酸磷酸化，然后Shc與Grb2結(jié)合經(jīng)mSOS途徑激活Ras。激活的Ras-GTP招募Raf絲氨酸激酶，依次使MAPK激酶、MAPK磷酸化。激活的MAPK可激活其他蛋白激酶參與誘導(dǎo)基因轉(zhuǎn)錄、調(diào)控細胞凋亡等過程[22]。

2.2 胰島素抵抗的形成原因

導(dǎo)致胰島素抵抗形成的原因很多，分為遺傳性因素(也稱作原發(fā)性胰島素抵抗)和環(huán)境因素(也稱作繼發(fā)性胰島素抵抗)。原發(fā)性胰島素抵抗大多數(shù)是由于多個基因發(fā)生突變所致而且經(jīng)常是由多個基因協(xié)同突變誘發(fā)胰島素抵抗遺傳性因素。另一方面許多環(huán)境因素是胰島素抵抗的形成原因，2型糖尿病患者大多有肥胖的特征，長期的飲食過量和運動不足引發(fā)的肥胖尤其是中心性肥胖是最主要的原因之一，此外長期的高血糖、高游離脂肪酸血癥、某些藥物等都可以引發(fā)胰島素抵抗的發(fā)生。下面針對胰島β細胞胰島素抵抗的三個主要誘因加以闡述。

2.2.1 游離脂肪酸

游離脂肪酸水平升高既是胰島素抵抗的發(fā)病原因之一，也是胰島素抵抗狀態(tài)的重要特征之一。在遺傳因素或環(huán)境因素的作用下，血液中的游離脂肪酸水平升高，當超過脂肪組織的存儲能力就會導(dǎo)致胰島素抵抗的發(fā)生。研究顯示，長期的高脂飲食將會導(dǎo)致胰島β細胞發(fā)生早相分泌消失和功能異常，這是因為高脂飲食除了引發(fā)外周胰島素抵抗還會使腹腔脂肪含量升高和胰島素抑制脂肪分解能力降低，從而促使游離脂肪酸含量升高，繼而抑制胰島素受體及其底物IRS-l、1RS-2的酪氨酸位點磷酸化，抑制P13K的活性，導(dǎo)致胰島素信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路受阻形成胰島素抵抗[23]。

2.2.2 氧化應(yīng)激

發(fā)生胰島素抵抗時機體出現(xiàn)氧化-抗氧化失衡，大量氧自由基在血清及組織中堆積。根據(jù)推測，胰島β細胞胰島素分泌功能受損應(yīng)該與解耦聯(lián)蛋白2相關(guān)的氧化應(yīng)激增強有關(guān)。研究表明如果對細胞進行抗氧化干預(yù)將可以顯著改善其胰島素信號轉(zhuǎn)導(dǎo)，部分緩解脂毒性對胰島β細胞分泌功能的紊亂[24-25]。

2.2.3 炎性反應(yīng)

2型糖尿病是一種輕度非特異性炎性疾病。近年來的研究顯示，炎癥導(dǎo)致胰島素抵抗的主要機制是炎性因子與胰島素受體底物的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)出現(xiàn)交叉，一方面非特異性炎癥產(chǎn)生的炎性因子對IRS/PI3K信號通路出現(xiàn)了阻礙作用，而另一方面炎性因子激活的一系列激酶會誘導(dǎo)IRS的絲、蘇氨酸位點的磷酸化從而對正常的酪氨酸磷酸化產(chǎn)生阻礙，最終使得胰島素信號轉(zhuǎn)導(dǎo)能力下降誘發(fā)胰島素抵抗[26-27]。

3 PKR參與胰島素抵抗的機制

最新的研究結(jié)果：在肝細胞中活化的PKR能通過激活I(lǐng)KKβ和JNK使IRS1的絲氨酸磷酸化升高，阻礙胰島素的PI3K途徑從而引起胰島素抵抗。Takahisa等觀察到在基因型和飲食型肥胖老鼠及注射脂和鹽水的鼠脂肪和肝臟組織中PKR明顯被激活，同時在脂及腫瘤壞死因子TNF-α刺激下的鼠胚胎成纖維細胞中也存在PKR的激活，與基因敲除PKR的鼠成纖維細胞相比PKR激活能夠直接作用使得IRS-1的酪氨酸位點磷酸化減少，其下游PI3K的p85亞基表達減少，相反的IRS-1絲氨酸307磷酸升高，同時在脂肪和肝臟組織中，基因敲除PKR的組織中p-AKT的表達升高伴隨著JNK活性的降低。Lisa等人發(fā)現(xiàn)IFN-α能緩解肝癌細胞中的胰島素抵抗，研究表明IFN-α能夠上調(diào)PKR的基因及蛋白表達水平同時伴隨IRS-1的基因水平和P-AKT的表達降低。因此可以得出結(jié)論：肥胖、腫瘤壞死因子TNF-α和游離脂肪酸(FFA)等刺激下PKR被激活，激活的PKR主要通過活化JNK、IκKβ來阻斷PI3K通路從而參與了機體的胰島素抵抗[28-31]。

目前已證實IRS-1的絲氨酸殘基可被多種炎癥激酶磷酸化，如c-Jun 氨基末端激酶(JNK)、IκB 激酶 β(IκKβ)和蛋白激酶 C(PKC)-θ。 放射免疫分析法顯示絲氨酸307位點是JNK磷酸化IRS-1的主要位點，它的突變會使JNK誘導(dǎo)的IRS-1磷酸化和TNF對胰島素引起的IRS-1酪氨酸磷酸化的抑制作用消失。JNK通過磷酸化IRS-1的絲氨酸307，減少了胰島素受體底物酪氨酸磷酸化，抑制胰島素信號的轉(zhuǎn)導(dǎo)[32]。Hiorsumi等發(fā)現(xiàn)飲食型肥胖鼠和ob/ob鼠的肝臟、肌肉、脂肪組織中JNK活性顯著升高?；蚯贸?JNK1-/-)能夠使飲食誘型肥胖鼠胰島素抵抗現(xiàn)象減弱，緩解ob/ob鼠的肥胖、高血糖和高胰島素血癥。肥胖鼠肝臟組織IRS-1絲氨酸307位點的磷酸化水平比瘦鼠高，可是在基因敲除(JNK1-/-)的肥胖鼠中并未見升高，可見IRS-1的絲氨酸307位點是JNK在體內(nèi)作用的靶點[33]。研究顯示TNFα刺激誘導(dǎo)肝細胞胰島素抵抗的模型中，JNK抑制劑可以完全阻斷絲氨酸307的磷酸化。IκKβ可通過至少兩個途徑影響胰島素信號傳導(dǎo)，可以是直接誘導(dǎo)IRS-1的Ser307位點磷酸化，也可以通過IκB的磷酸化，進而活化NF-κB，通過刺激多種炎癥因子的表達間接引發(fā)胰島素抵抗。

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