于源志，鄒偉

1.武漢大學 生命科學學院，湖北 武漢 430072；2.遼寧師范大學 生命科學學院，遼寧 大連 116029

糖尿病是一種以高血糖為特征的代謝性疾病。目前全球糖尿病患者數量約為4.2億，我國確診的糖尿病患者約1.14億。其中Ⅱ型糖尿病患者約占90%，該病主要由膳食營養(yǎng)不均衡、缺乏運動、作息時間不規(guī)律等不良生活習慣誘發(fā)的胰島素抵抗和分泌不足所致。世界衛(wèi)生組織預測，到2040年，全球糖尿病患者數量將增加至6.42 億[1-2]。

糖尿病可以分為3大類，即Ⅰ型糖尿病、Ⅱ型糖尿病和妊娠糖尿病。其他特定類型的糖尿病，例如葡萄糖耐量異常和空腹血糖異常也可發(fā)生，并作為從健康向Ⅱ型糖尿病過度的中間條件[3]。盡管有不同的類別，但絕大多數糖尿病病例都屬于Ⅰ型和Ⅱ型。Ⅰ型糖尿病亦可稱為胰島素依賴性糖尿病，主要是由胰腺細胞介導的自身免疫破壞胰島β細胞引起的，占糖尿病患者總數的5%～10%。Ⅱ型糖尿病患者數量占總患者的90%～95%。它是由機體缺乏胰島素以及胰島素抵抗引起的，這些癥狀很大程度上是由于肥胖和缺乏運動等不良生活方式引發(fā)[1,4]。新近發(fā)現，慢性高血糖癥可危及生命，導致血管、心臟、視力、腎臟和神經系統(tǒng)的損傷及并發(fā)癥，與體內多種代謝相關信號轉導機制有密切關系[4-5]。通過合理的飲食、適當的體育鍛煉、服用降糖藥物，可以預防糖尿病相關并發(fā)癥，有助于改善患者的生活質量[6]。我們簡要綜述了與Ⅱ型糖尿病代謝相關的信號轉導機制研究進展，旨在為糖尿病臨床研究和預防提供理論基礎。

1 Ⅱ型糖尿病

Ⅱ型糖尿病是糖尿病的常見形式，病因多樣，包括對胰島素作用的抵抗和胰島素分泌不充足[4]。長期存在這種病癥會導致高血糖癥，通常不會出現足以引起注意的癥狀，但會導致很多靶組織在病理和功能上的改變[2]，因為在診斷出糖尿病之前高血糖癥可能已經存在很長一段時間了，患者可能多年處于會發(fā)展為血管并發(fā)癥的風險之中[8]。大多數Ⅱ型糖尿病患者也患有肥胖癥或腰部脂肪百分比超標。身體肥胖會加重胰島素抵抗，因此產生葡萄糖攝取缺陷和高血糖癥。除了飲食碳水化合物，肝細胞的糖異生作用異常以及胰腺過量分泌胰高血糖素也可以導致血糖升高。這2種情況都可以刺激胰島β細胞，從而增加胰島素分泌。然而，血糖水平并沒有因為胰島素分泌而立即降低，如果是在非病理狀況下發(fā)生的，細胞將分泌更多的胰島素作為補償反應，導致后續(xù)胰島β細胞衰竭和死亡[9]。除了高血糖癥，胰島素分泌異?；虿蛔阋部梢鹨葝uβ細胞損傷。

多年來已經采用不同的療法來幫助Ⅱ型糖尿病患者維持葡萄糖穩(wěn)態(tài)，從而避免因胰島素代謝紊亂和高血糖導致的相關并發(fā)癥。盡管減肥和采取健康的生活方式可以通過增加胰島素的敏感性來改善體內葡萄糖平衡，但一般還是要配合藥物治療。最常見的抗糖尿病藥物都可以有效預防和減輕高血糖，包括能夠對碳水化合物吸收、內源性葡萄糖產生有抑制作用的藥物，以及胰島素敏化劑、胰島素促分泌素，胰島素受體激動劑和抑制胰高血糖素釋放等藥物[10-12]。除了高血糖癥，許多科研機構正在從事控制糖尿病相關的由葡萄糖毒性引起的血管并發(fā)癥的研究。事實上，糖尿病引起關注的主要原因并不是高血糖本身，而是由高血糖引起的葡萄糖毒性和細胞死亡，以及蛋白糖基化和功能障礙，導致相關的危及生命的血管并發(fā)癥[13-14]。

血糖長時間高于正常水平會對細胞和器官產生毒性。晚期糖基化終產物（advanced glycation end products，AGEs）是過量的糖和蛋白質結合的產物，在人體內主要由糖基化作用產生。它會隨著年齡的增長在體內積累，它也與腎衰竭和糖尿病緊密相關[15]。高血糖癥患者血糖的增加會加速AGEs的形成。甲基乙二醛是葡萄糖的代謝物，是最具反應性的AGE前體。這種高反應性二羰基化合物在糖酵解過程中自發(fā)形成，并與蛋白質反應產生AGEs，這種反應是不可逆的[2]。AGEs與其受體被認為與一系列疾病有關，如糖尿病和動脈粥樣硬化，也與慢性退行性疾病有關，如阿爾茲海默病、帕金森病、酒精性腦損傷等[16]。

2 Ⅱ型糖尿病與代謝相關酶的研究進展

2.1 Ⅱ型糖尿病與腺苷酸活化蛋白激酶

腺苷酸活化蛋白激酶（AMP-activated protein kinase，AMPK）又稱為 5′AMP 活化蛋白激酶或5′腺苷單磷酸激活的蛋白激酶，是在細胞能量穩(wěn)態(tài)中起作用的酶。它屬于高度保守的真核蛋白家族，其直向同源物分別是酵母和植物中的SNF1和SnRK1。AMPK由3個亞基組成，它們一起形成從酵母到人類保守的功能性酶。AMPK在肝、腦和骨骼肌等許多組織中表達。AMPK活化后刺激肝脂肪酸氧化、生酮作用；刺激骨骼肌脂肪酸氧化和葡萄糖攝取、抑制膽固醇合成、脂肪生成和甘油三酯合成，并且抑制脂肪細胞脂肪生成以及調節(jié)胰腺β細胞分泌胰島素[17]。

AMPK是由α、β和γ亞基形成的異三聚體蛋白復合物[18]，3個亞基中的每一個都在AMPK的穩(wěn)定性和活性中發(fā)揮特定的作用。γ亞基包括4個特定的胱硫醚β合酶（CBS）結構域，使AMPK可以靈敏地檢測AMP與ATP的比例變化。4個CBS結構域為AMP提供2個結合位點，這2個位點通常成為Bateman結構域。一個AMP與Bateman結構域結合后會協同增加第2個AMP對另一個Bateman結構域結合的親和力[19]。當AMP結合2個Bateman結構域后，γ亞基的構象會發(fā)生變化，暴露α亞基上的催化結構域。正是在這個催化結構域中，當上游的AMPK激酶（AMPKK）在蘇氨酸-172位點發(fā)生磷酸化作用時，AMPK便被激活[20]。α、β和γ亞基也存在不同的亞型：γ亞基可以包含γ1、γ2或γ3亞型，β亞基可以包含β1或β2亞型，α亞基可以包含α1或α2亞型。盡管在大多數細胞中表達的最常見亞型是α1、β1和γ1，但是已經證明α2、β2、γ2和γ3亞型也在心肌和骨骼肌細胞中表達[19,21-22]。

當AMPK磷酸化乙酰輔酶A羧化酶1（ACC1）或固醇調節(jié)元件結合蛋白1c（SREBP1c）時，會抑制脂肪酸、膽固醇和甘油三酯的合成，使細胞主動吸收脂肪酸并進行β氧化[23]。

AMPK通過磷酸化Rab-GTPase激活蛋白（TBC1D1）來刺激骨骼肌對葡萄糖的攝取，這一過程最終導致葡萄糖轉運蛋白4囊泡與質膜的融合。AMPK通過激活6-磷酸果糖-2-激酶/果糖-2，6-二磷酸酶2/3的磷酸化和糖原磷酸化酶的磷酸化來刺激糖酵解，并通過抑制糖原合成酶的磷酸化來抑制糖原合成。在肝臟中，AMPK通過抑制轉錄因子包括肝細胞核因子4（HNF4）和cAMP反應元件結合蛋白（CREB）調節(jié)的轉錄共激活因子2（CRTC2）抑制糖異生。

2.2 Ⅱ型糖尿病與蛋白質酪氨酸磷酸酶1B

蛋白質酪氨酸磷酸酶是從蛋白質上的磷酸化酪氨酸殘基中除去磷酸基團的一類酶。蛋白酪氨酸磷酸化是常見的翻譯后修飾，可以產生用于蛋白質相互作用和細胞定位的新識別基序，影響蛋白質穩(wěn)定性和調節(jié)酶活性。因此，保持適當水平的蛋白酪氨酸磷酸化對于許多細胞功能是必需的。酪氨酸特異性蛋白磷酸酶使用半胱氨酰-磷酸酶中間體催化除去連接到酪氨酸殘基的磷酸基團。這些酶是信號轉導途徑（如MAP激酶途徑）和細胞周期控制中的關鍵調節(jié)組分，并且在控制細胞生長、增殖、分化、轉化和突觸可塑性中發(fā)揮重要作用[24-27]。

蛋白質酪氨酸磷酸酶（protein tyrosine phosphatase，PTP）1B是胰島素信號轉導的負調節(jié)劑，位于肝、肌肉和脂肪組織的內質網膜。對PTP1B細胞作用的研究已經清楚地表明，該酶是胰島素信號通路中酪氨酸磷酸化級聯的一種關鍵的負調節(jié)劑[28]。胰島素受體（IR）也屬于酪氨酸激酶受體。與胰島素結合后胰島素受體的結構發(fā)生改變，導致細胞中幾個酪氨酸殘基的磷酸化，并因此激活其下游的信號通路，導致糖攝取達到峰值。由于PTP1B在胰島素靶組織中普遍存在，以及近些年研究數據表明PTP1B在胰島素抵抗中的作用，PTP1B被認為是治療Ⅱ型糖尿病有前景的治療靶點[28-29]。

鋅離子因為具有促進葡萄糖轉運、糖原和脂質合成、抑制糖異生作用和脂類分解的作用而被稱為胰島素類似物[30]。已有大量證據表明鋅離子確實是PTPs的真正內源性調節(jié)劑，一些PTPs如受體酪氨酸蛋白磷酸酶β（receptor tyrosine-protein phosphatase β，RPTPβ）可以被游離的鋅離子抑制[31]，而另一些則需要增加細胞溶質鋅離子濃度，因為抑制常數高于細胞質游離鋅離子濃度。長時間高血糖癥、表皮生長因子（EGF）或胰島素刺激會增加細胞內游離鋅離子濃度[32-34]。當內質網附近鋅離子濃度足夠高時會抑制內質網上的PTP1B，從而增強胰島素信號通路[35]。

2.3 Ⅱ型糖尿病與葡萄糖轉運蛋白4

葡萄糖轉運蛋白4（glucose transporter 4，GLUT4）是主要在脂肪組織和橫紋?。ü趋篮托呐K）中發(fā)現的受胰島素調節(jié)的葡萄糖轉運蛋白。最近的研究證明GLUT4基因存在于中樞神經系統(tǒng)如海馬中，海馬中GLUT4的損傷會導致海馬神經元的代謝活性和可塑性降低，這導致抑郁樣行為和認知功能障礙[36-38]。

肌肉細胞攝取葡萄糖是降低血糖水平的關鍵[39]。除了作為葡萄糖攝取和消耗的主要組織，肌肉也是治療Ⅱ型糖尿病的重要靶組織[40]。在低胰島素的情況下，大多數GLUT4被螯合在肌肉和脂肪細胞的胞內囊泡中。胰島素通過誘導GLUT4從這些囊泡轉運至質膜，導致葡萄糖的攝取量快速增加。由于囊泡與質膜融合，GLUT4轉運蛋白被插入質膜用于轉運葡萄糖，從而增加葡萄糖的吸收量[41]。AMPK在需要消耗ATP的代謝過程中起主要作用，AMPK被激活后GLUT4才能發(fā)生轉位。在局部缺血的情況下，組織缺氧、心臟休克和氧化應激，AMPK通過調節(jié)GLUT4的表達來調控糖攝取過程，進而調控ATP的產生[39]。GLUT4表達量的上調與增加肌肉細胞對葡萄糖轉運和利用有關，并因此降低血糖水平。

在細胞表面，GLUT4促進葡萄糖沿其濃度梯度向細胞內擴散。葡萄糖進入細胞后，被肝細胞中的葡萄糖激酶和其他組織細胞中的己糖激酶快速磷酸化，形成葡萄糖-6-磷酸，然后其行糖酵解或聚合成糖原。葡萄糖-6-磷酸不能擴散到細胞外，這也有助于保持葡萄糖被動地進入細胞的濃度梯度[42]。

3 Ⅱ型糖尿病相關的血糖調節(jié)信號通路

3.1 Ⅱ型糖尿病與胰島素信號通路

食物被消化后葡萄糖進入血液，之后葡萄糖進入胰腺中的胰島β細胞內。葡萄糖通過GLUT2囊泡被動地向胰島β細胞中擴散。在胰島β細胞內發(fā)生以下過程：葡萄糖通過葡萄糖激酶轉化為葡萄糖-6-磷酸（G6P），隨后G6P被氧化形成ATP。該過程抑制細胞的ATP敏感性鉀離子通道，導致鉀離子通道關閉，細胞膜去極化而拉伸，膜上的電壓門控鈣通道開放，Ca2+流入。隨著Ca2+的流入，胰島素囊泡與細胞膜融合，使胰島素分泌到胰島β細胞外，從而進入血液。

胰島素以其二聚體形式與胰島素受體結合，并激活受體的酪氨酸激酶結構域。之后受體磷酸化并募集胰島素受體底物或IRS-1，其又通過酶的SH2結構域與IRS的pTyr的結合來結合PI-3激酶。PI-3激酶將膜脂質PIP2轉化為PIP3，PIP3被蛋白激酶B（PKB）或AKT的PH結構域特異性識別，與PKB一起定位的PDK1可以磷酸化和激活PKB。一旦磷酸化，PKB處于其活性形式并磷酸化TBC1D4，其抑制GAP結構域或與TBC1D4相關的GTPase激活結構域，允許Rab蛋白從其GDP改變?yōu)镚TP結合狀態(tài)。GTPase激活結構域的抑制使級聯中的蛋白質以其活性形式留下蛋白質，并刺激GLUT4在質膜上表達。RAC1也是被胰島素活化的GTP酶。RAC1刺激皮質肌動蛋白細胞骨架的重組[43]，這允許GLUT4囊泡插入質膜。RAC1敲除小鼠肌肉中的葡萄糖攝取量減少[44,45]。

3.2 Ⅱ型糖尿病與胰高血糖素信號通路

胰高血糖素是由胰島α細胞產生的肽激素，其作用是升高血液中葡萄糖的濃度，與胰島素的作用相反。在體內，胰高血糖素有肝、腎、腸平滑肌、腦、脂肪組織、心臟、胰島β細胞和胎盤等靶器官。當血液中葡萄糖的濃度下降到一定程度時，胰島α細胞就會分泌胰高血糖素。胰高血糖素使肝臟將儲存的糖原轉化為葡萄糖，并且還會促進非糖類物質向葡萄糖轉化并釋放到血液中。

葡萄糖以糖原的形式儲存在肝臟中，糖原是由葡萄糖分子組成的葡聚糖。肝細胞表面有胰高血糖素受體。當胰高血糖素與胰高血糖素受體結合時，肝細胞將糖原轉化為單個葡萄糖分子，并在糖原分解的過程中將其釋放到血液中。當肝臟中儲存的糖原耗盡時，胰高血糖素會促進肝和腎通過糖原異生作用合成額外的葡萄糖。胰高血糖素也可抑制肝臟中的糖酵解過程，使糖酵解的中間產物進入糖原異生反應中。

胰高血糖素受體是一種有著7次跨膜結構的G蛋白偶聯受體，可與胰高血糖素特異性結合。胰高血糖素受體中的G蛋白是具有α、β和γ亞基的異源三聚體蛋白。當G蛋白受體與配體相互作用時，其構象發(fā)生變化，使GTP分子替換原來與α亞基結合的GDP分子，這種代替導致α亞基從異源三聚體中游離出來。α亞基可以特異性地激活腺苷酸環(huán)化酶。

當胰高血糖素受體被激活后會激活腺苷酸環(huán)化酶和磷脂酶C（phospholipase C，PLC），腺苷酸環(huán)化酶被激活后產生環(huán)腺苷一磷酸（cAMP），產生的cAMP和IP3分別激活蛋白激酶A（proteinkinase A，PKA）和IP3R[46]。PKA會激活其下游的CREB和PFKFB1。磷酸化的PFKFB1會激活IP3R。CREB是一種細胞轉錄因子[47]，它結合到稱為cAMP反應元件（CRE）的某些DNA序列，從而增加或減少下游基因的轉錄。受CREB調節(jié)的基因包括c-fos、BDNF、酪氨酸羥化酶、許多神經肽（如生長激素抑制素、腦啡肽、VGF、促腎上腺皮質激素釋放激素）和參與哺乳動物晝夜節(jié)律鐘的基因（如PER1、PER2）[48]。CRTC2是CREB的轉錄輔激活劑，在肝細胞中，p-CREB與CRTC2共同調節(jié)G6PC和PEPCK的轉錄，進而調節(jié)糖原異生作用[49-50]。肌醇三磷酸受體（IP3R）是一種膜糖蛋白復合物，存在與內質網上。IP3R被激活后會釋放出 Ca2+激活 CRTC2[46]。

糖原異生是以丙酸、乳酸、甘油、丙酮酸或氨基酸等非糖類物質合成葡萄糖的作用，是糖酵解作用間接迂回的逆反應。肝臟中通過調控果糖-2，6-二磷酸酶的磷酸化狀態(tài)來協調控制糖酵解和糖原異生，果糖-2，6-二磷酸酶是催化糖酵解反應的酶[51]。糖原異生與糖酵解有著非常密切的相互協調關系，如果一方活躍，那么另一方必然受到抑制，因為每條途徑中的酶濃度都是受到調控的，所以2條途徑中不同酶的活性和濃度是制約或協調2條途徑的關鍵，而且2條途徑可同時進行。

4 結語

在健康人中，胰腺、肝臟、腸、腎和大腦構成一個激素網絡，共同調控葡萄糖代謝。但在Ⅱ型糖尿病患者中，空腹血糖會異常地升高，這主要是由于胰島素抵抗引起的。雖然二甲雙胍可以增強患者的胰島素敏感性[52]，并且應用于糖尿病的治療已有百余年，其在降血糖、降血脂和糖尿病并發(fā)癥的治療上顯著療效，但二甲雙胍在細胞內的作用靶點仍舊不是很清楚，且有較多的副作用。通過研究Ⅱ型糖尿病代謝相關信號通路，開發(fā)調節(jié)血糖代謝相關信號通路抑制劑或激活劑，對臨床研究具有重要意義。近年發(fā)現，小檗堿也具有增強胰島素敏感性的作用，并且在降血糖和降血脂方面也有顯著療效，口服小檗堿一般無不良反應，而且以往研究表明小檗堿也會通過激活細胞內AMPK來增加糖消耗[53]。雖然小檗堿沒有作為降糖藥物上市，但有望成為取代二甲雙胍的糖尿病治療藥物，研究小檗堿的降糖機制就顯得尤為重要?？傊?，探究和學習治療糖尿病藥物的分子機制，對于治療糖尿病，預防或延緩其并發(fā)癥都具有十分重要的意義。