PI3K/AKT信號通路與糖尿病的研究進展＊

宋紫臨，吳麗麗，秦靈靈，孫 文，秦田雨，潘雅婧，劉銅華

（北京中醫藥大學中醫養生學研究所 北京 100029）

國際糖尿病聯盟（International Diabetes Federation,IDF）于2017 年公布了第八版IDF 糖尿病地圖[1]，指出2017年全球約有4.25億糖尿病患者，中國糖尿病患病人數為1.144億，居世界首位。中國糖尿病患者總數高居世界第一的事實已經不容爭辯，這將給整個社會造成非常沉重的負擔。2型糖尿病發病的基本病理基礎為：胰島素抵抗伴分泌不足。而PI3K/AKT信號通路是2型糖尿病發生發展的經典通路，因此，對此通路進行詳細闡述十分必要。

1 PI3K/AKT信號通路的分子結構與功能

1.1 PI3K

磷脂酰肌醇3-激酶（phosphoinositide 3-kinase，PI3K）為異二聚體，包括催化亞基和調節亞基。調節亞基主要通過SH2 區與磷酸化的酪氨酸殘基相互作用，配合催化亞基膜轉位和活化，促進磷脂酰肌醇3 位羥基磷酸化，產生肌醇脂物質依賴激酶發揮第二信使作用。調節亞基p85 有5 種異構體（p85α、p85β、p55α、p558α及p50）：SH2區能夠催化磷脂酰肌醇磷酸化，SH3區負責與胰島素受體底物結合；催化亞基P110包含p110α、p110β、p110δ、p110γ4 種異構體。根據p110 結構特點和底物分子不同，將PI3K分I、II、III，共3個亞型，目前研最多的主要集中在I 型PI3K，其根據所結合的亞基不同分為兩亞型：IA及IB，IA型PI3K主要從酪氨酸激酶受體傳遞信號，而IB型主要通過連接G蛋白受體傳遞信號。IA型PI3K催化亞基p110包括p110α、p110β、p110δ，調節亞基主要為p85α；IB 型催化亞基主要為p110γ，通過與調節蛋白結合介導G 蛋白偶聯受體β、γ亞基對p110的活化[2]。

1.2 AKT

AKT，即蛋白激酶B（protein kinase B，PKB），屬于絲氨酸/蘇氨酸蛋白激酶。目前已發現至少存在3 種AKT 家族成員：AKTα、AKTβ、AKTγ，前兩者廣泛存在于多種組織中，AKTγ主要存在于大腦和睪丸中。AKT主要包括N端、中間激酶區及C端：其中，氨基端的PH區是高度保守的重要的功能區域[3,4]，主要通過結合經PI3K磷酸化的磷脂酰肌醇，促進AKT的質膜轉位及活化；激酶活性區位于中部,此區域的308位蘇氨酸（Thr-308）是活化AKTα所必需的調節性磷酸化位點（在AKTβ中為Thr-309、AKTγ中為Thr-305）；羧基端尾部含有473 位絲氨酸（Ser-473），與308 位蘇氨酸同樣為磷酸化調節位點，且該位點的磷酸化有利于AKTα發揮最大活性[5]（在AKTβ中為Ser-474、AKTγ中為Ser-472）。

2 PI3K/AKT信號通路的傳導與調控

2.1 PI3K/AKT信號通路的傳導

PI3K的p85調節亞基與上游信號分子的相應部位相結合，誘導催化亞基轉位至細胞膜，P110可催化3位磷脂酰肌醇磷酸化產生第二信使，如：PIP2 和PIP3。PIP2和PIP3是細胞內非常重要的第二信使，激動后的PIP3 可以和AKT 的N 端PH 結構域結合，使AKT 從細胞質轉移到細胞膜上，使3磷酸肌醇依賴性蛋白激酶1（3-phosphoinositide dependent proteinkinase l，PDK1）活化。活化后的PDK1可以直接或間接磷酸化AKT中間激酶區的Thr308 位點，而PDK2 可以磷酸化羧基端Ser473位點，自此，AKT分子即成為有活性的激酶。

AKT重要的底物有：糖原合成酶激酶3β（Glycogen synthase kinase 3β，GSK3β）、叉頭框蛋白O1（forkheadboxproteinO1，FOXO1）和蛋白激酶B 底物160（AKTubstrate160，AS160），從而調節糖代謝。另外，AKT 可以激活哺乳動物雷帕霉素靶蛋白復合體1(mammalian target of rapamycin complex 1,mTORC1），激 活 的mTORC1 通過調節過氧化物酶體增殖物激活受體γ共激活因子1α(peroxisome proliferator activated receptorγcoactiva-tor-1α,PGC-1α)unc-51 樣激酶（UNC-51 like kinase 1，ULK1）、S6 激酶（S6 kinase，S6K）、真核細胞翻譯起始因子4E 結合蛋白1（eukaryotic initiation factor 4E binding protein1,4E-BP1）上調線粒體的活性，抑制自噬和促進蛋白質的合成。另外，AKT 和PKCλ/ζ（蛋白激酶C，Protein kinase C，PKC）通過調節固醇調節元件結合蛋白1c (Sterol regulatory element binding proteins-1c，SREBP-1c)和過氧化物酶體增殖物激活受體γ（peroxisome proliferator-activated receptorγ，PPARγ）的活性控制脂肪酸的從頭合成[6,7]。

2.2 PI3K/AKT信號通路的負調控

目前針對以上信號通路已有的通路抑制劑包括：①第一代PI3K抑制劑：天然產生的Wortmannin和化合而成的LY 294002；②第二代抑制劑：天然生成的有PWT-458、Liphaga、黃嘌呤類化合物茶堿、多酚類化合物resveratrol；化合而成的包括嗎啉芳基類PI3K 抑制劑、咪唑并吡啶類PI3K抑制劑、噻唑啉二酮類PI3K抑制劑、苯并噻唑酮類PI3K抑制劑以及其他類型的PI3K抑制劑。此外，有研究表明[8]ARQ092和ARQ75是選擇性、變構性的AKT 抑制劑，能夠有效抑制AKT 的磷酸化，其作用機制主要通過脫磷酸化膜相關活性形式來抑制AKT的活化，而且通過防止非活性形式定位到質膜中來抑制AKT的活化。

最新研究發現新的細胞因子樣基因家族成員FAM3A，在db/db 和高脂飲食（High-fat diet，HFD）誘導的糖尿病小鼠肝臟中表達顯著降低，FAM3A在肝臟過表達顯著增加AKT信號傳導，抑制了肝臟的糖異生和脂肪生成，同時其介導的PI3K/AKT活化可被鈣調素抑制劑抑制[9]；同時，肝組織ATP合成酶β亞基（ATPSβ）過表達增加肝臟磷酸化AKT（pAKT），降低磷酸烯醇式丙酮酸羧激酶(phosphoenolpyruvate carboxykinase，PEPCK),葡萄糖6磷酸酶(Glucose-6-Phosphate，G6Pase)表達水平[10]，此作用亦可以被鈣調素抑制劑拮抗。可見，鈣調素抑制劑有可能成為新的一類抑制劑。

3 PI3K/AKT信號通路與胰島素抵抗

胰島素作用于細胞膜表面的胰島素受體后主要通過兩條通路來控制細胞生長、代謝和存活：PI3K/AKT途徑及絲裂原活化蛋白激酶(mitogen-activatedproteinkinase，MAPK)途徑。其中，PI3K/AKT 途徑相關信號蛋白的活化在控制營養體內平衡和器官存活中具有中心作用，可能作為人類代謝綜合征的基礎機制。由于不同組織器官信號系統及功能不同，下面分別從脂肪細胞、肌細胞、肝細胞、足細胞、神經細胞等方面闡述胰島素抵抗與PI3K/AKT信號通路研究進展。

3.1 脂肪細胞

肥胖是胰島素抵抗和2型糖尿病發生發展的獨立危險因素[11]。脂肪組織是能量儲存的主要器官。脂肪組織提供能量的脂肪酸有兩種來源：甘油三脂經脂解釋放游離脂肪酸和是脂肪細胞通過葡萄糖轉運蛋白攝取糖原轉化生成脂肪酸。提供能量的方式主要為脂肪動員。視網膜母細胞瘤蛋白-1（retinoblastoma protein 1，RB1）和復合物K（Compound K，CK）通過抑制脂肪組織內質網（endoplasmic reticulum，ER）應激誘導的炎癥反應和改善脂肪組織中胰島素IRS-1/PI3K/AKT 信號通路改善胰島素抵抗[12]。載脂蛋白A-IV 通過PI3K 介導的AKT 信號通路的激活上調葡萄糖轉運蛋白4(glucose transporters 4，GLUT4)轉位，從而改善脂肪細胞的葡萄糖攝取[13]。在內臟脂肪組織中，MiR-26b 通過抑制其靶基因PTEN 來調節胰島素刺激的AKT 激活，并通過PTEN/PI3K/AKT途徑顯著增加胰島素敏感性[14]。

3.2 肌細胞

骨骼肌是人體最大的器官，是餐后胰島素刺激葡萄糖攝取的主要靶器官。骨骼肌為身體活動和健身提供生理基礎。生理上，葡萄糖體內平衡有效的關鍵是靶組織的胰島素敏感性。增強的骨骼肌，在促進葡萄糖調節方面作用重大，在代謝紊亂中維持體內葡萄糖平衡也至關重要。骨骼肌細胞質膜和橫小管主要參與葡萄糖攝取[15]。小扁豆提取物可以顯著改善db/db 小鼠骨骼肌PI3K/AKT 途徑的關鍵效應分子IRS、AKT、PI3K和GLUT4的活性，緩解胰島素抵抗并調節其糖代謝[16]。棕櫚酸鹽下調胰島素刺激的胰島素受體底物1（insulin receptor substrate-1，IRS1）的Tyr632 磷酸化和上調的IRS-1 Ser307 磷酸化，從而上調C2C12 肌管介導的炎癥反應[17]。沒食子酸通過部分激動PPARγ來減弱高脂飼料喂養鏈脲佐菌素（Streptozotocin，STZ）誘導的2 型糖尿病大鼠胰島素抵抗，并通過轉位和激活PI3K/AKT信號通路中的GLUT4來增強葡萄糖攝取[18]。紅景天苷通過激活與線粒體相關的AMPK/PI3K/AKT/GSK3β途徑來改善細胞代謝通量，從而發揮抗糖尿病作用[19]。

3.3 肝細胞

肝臟是主要的胰島素靶器官，在維持葡萄糖穩態中發揮重要作用。胰島素通過結合激活胰島素受體酪氨酸激酶促進IRS2 酪氨酸磷酸化，通過PI3K/AKT 傳遞信號。其下游分子主要包括叉頭框蛋白1（Forkhead box O1，Foxo1）及糖原合成酶激酶-3β（GSK-3β）等。Liu等[20]發現：使用葡萄糖胺（GlcN）或棕櫚酸酯可以誘導HepG2 細胞胰島素抵抗，具體表現為：降低PI3K p110 亞基水平，以及AKT/蛋白激酶B，fork-headbox 轉錄因子O1（FOXO1）和糖原合成酶激酶-3（GSK3）的磷酸化，增加PEPCK和G6Pase在肝臟中的表達。于東等[21]發現酒精攝入可降低肝臟PI3KP85 及Glut2 蛋白表達，從而誘發胰島素抵抗。Zhang等[22]通過體內外實驗證明，水飛薊素（Silibinin）可通過IRS/PI3K/AKT 通路緩解非酒精性脂肪肝胰島素抵抗。Xu H等[23]發現，高糖高脂飲食結合皮下注射四氯化碳造模大鼠，葡萄糖耐量受損，胰島素抵抗指數顯著增加，肝糖原含量急劇下降，胰島素受體β、胰島素受體底物2（IRS2）和AKT的磷酸化以及PI3K、糖原合成酶（Glycogen synthase，GS）的活性顯著降低。

3.4 足細胞

腎臟作為人體的內分泌器官具有大量的胰島素受體，是胰島素主要的靶器官，其中足細胞在眾多腎臟細胞中更是胰島素的效應細胞[24]。有研究表明，胰島素可以通過激活IRS 進一步激活下游的信號通路，如PI3K/AKT，而此經典通路的傳導異常是糖尿病腎病中足細胞結構和功能紊亂，引發足細胞損傷，發生胰島素抵抗的重要機制[25]。有研究表明IRS 在胰島素經典信號通路IRS/PI3K/AKT 中發揮著重要的作用。而泛素蛋白酶系統泛素蛋白酶系統（ubiquitin proteasome system，UPS）對IRS的降解作用對IRS的活性起重要的調節作用[26]。足細胞凋亡促進糖尿病腎病發展，有研究表明[27]在高糖（high glucose，HG）處理的足細胞中，PI3K/AKT通路激活和Notch途徑抑制從而阻止足細胞凋亡。CD2AP 和p85 可以募集PI3K 到細胞膜進一步激活AKT，并且CD2 相關蛋白(CD2-associated protein，CD2AP)可以調節復合物的生物活性，PI3K抑制劑可以促進PAN 誘導的足細胞凋亡[28]。此外，雌激素相關受體γ（Estrogen receptor-related receptorsγ，ERRγ）過表達刺激PI3K/AKT 信號通路，特異性PI3K 抑制劑LY294002 可完全逆轉了PAN 處理后ERRγ的抗細胞凋亡作用[29]。

3.5 神經細胞

Yang Y 等[30]發現，利拉魯肽能夠減輕糖尿病GK(Goto-Kakizaki)大鼠學習和記憶缺陷，其機制可能與激活AMPK和PI3K/AKT信號傳導增加mTOR表達，抑制細胞凋亡，激活自噬對認知缺陷的保護有關。對小鼠側腦室注射鏈脲佐菌素（STZ）誘導的認知缺陷中，線粒體功能明顯障礙，細胞色素c 氧化酶活性和ATP 合成顯著降低，海馬和皮質中的氧化應激，p-PI3K和p-AKT蛋白表達下調[31]。有研究表明[32]，促紅細胞生成素（Erythropoietin，EPO）具有顯著的神經保護作用，能夠改善與糖尿病相關的疾病體內和體外認知功能障礙，其作用與EPO 上調EPO 受體，PI3K 和磷酸化的AKT2相對于未磷酸化的AKT2（p-AKT2/AKT2）和GSK-3β有關。亦有相關研究表明[33]，糖尿病大鼠大腦皮層細胞發生凋亡，B 細胞淋巴瘤2（B cell lymphoma/leukemia-2，Bcl-2）相關的X蛋白/Bcl-2及其表達細胞色素c和活化的caspase-3比例明顯上升，而PI3K/AKT相關蛋白的表達量明顯下降，所以，糖尿病可能通過下調AKT 磷酸化導致大腦皮層神經細胞凋亡。Yin 等[34]發現糖尿病大鼠Na（+）-K（+）-ATP酶的能力活動和海馬突觸異常，體外實驗中高濃度葡萄糖激活SH-SY5Y細胞炎癥通路，其機制與PI3K/AKT、NF-κB相關。

4 中醫藥干預糖尿病相關PI3K/AKT信號通路研究進展

從傳統的中醫理論出發，糖尿病屬“消渴”范疇，病機為陰虛燥熱，治療以滋陰潤燥為主。隨著臨床研究的不斷深入，中醫對糖尿病的認識也在不斷豐富，近來認為糖尿病可分為消瘦型和肥胖型，分別歸屬“消癉”與“脾癉”范疇，其病機發展包括了郁、熱、虛、損等階段。亦有“三型辨證”理論[35]，認為糖尿病根據不同發展階段，表現為陰虛熱盛、氣陰兩虛、陰陽兩虛三種表型。隨著對臨床疾病認識的深入，以及對傳統中藥以及其有效組份研究的不斷開展發現了多種中藥及其組份具有影響信號通路的作用。

4.1 骨骼肌方面

中藥降糖復方水提物54-55 可以通過上調PI3K/AKT信號通路,減少糖原沉積，刺激骨骼肌中葡萄糖轉運。段白露等[36]發現糖康福散可減少db/db小鼠胰島β細胞損傷，減輕肝臟、胰腺組織病變，提高小鼠抗氧化應激能力，改善微炎癥狀態，此外，糖康福散可上調小鼠骨骼肌組織PI3K/AKT、AMPK 信號通路中的關鍵分子（p-AKT、p-AMPK 及GLUT4）的表達。蔡晟宇[37]發現加味水陸二仙丹可通過增加骨骼肌IRS-1 mRNA和蛋白表達量，介導了IRS-1/PI3K/GLUT4 信號途徑，從而增強下游GLUT4 基因的轉錄，改善2 型糖尿病大鼠的胰島素抵抗。鐘文等[38]發現參芪復方能夠改善糖尿病大鼠腓腸肌萎縮、水腫、炎癥細胞浸潤，機制可能與調節PI3K/AKT通路相關。

4.2 肝細胞方面

丹蛭降糖膠囊[39]能夠改善2 型糖尿病大鼠肝臟胰島素抵抗，從而保護肝臟，其作用機制可能與上調PI3K/AKT 通路相關蛋白有關。吳沁璇等[40]證明六味地黃湯可以降血糖、改善胰島素抵抗（insulin resistance，IR），其從蛋白水平和基因水平同時驗證了六味地黃湯能夠上調胰島素抵抗大鼠肝臟PI3K、AKT通路相關分子表達，從而保證胰島素信號傳導。通過對六味地黃湯有效成分進行分析，進一步發現，其中的四種苷類成分，如獐牙菜苷、莫諾苷、馬錢苷和芍藥苷可能為此方干預胰島素抵抗、調節PI3K/AKT信號通路的主要藥效成分。劉博等[41]發現芪蛭降糖膠囊可以上調肝臟IR、PI3K、Glut2 含量，抑制c-Jun 氨基末端激酶（c-Jun nterminal kinase，JNK）磷酸化緩解肝臟胰島素抵抗，增加胰島β細胞數量，降低血糖。

4.3 腎臟相關研究

楊晶晶[42]發現黃葵膠囊可能是天然的胰島素增敏劑，它能夠通過調控IRS1/PI3K/AKT 信號通路活性而改善足細胞胰島素抵抗，保護足細胞損傷，這一機制與羅格列酮類似。王穎超等[43]發現糖腎平能夠通過干預CD2AP 介導PI3K/AKT 信號轉導通路減少糖尿病腎病足細胞凋亡，可能是其防治糖尿病腎病的作用機制之一。常庚等[44]通過大鼠模型發現，糖尿病腎病作為糖尿病的重要并發癥之一，其腎臟皮質細胞凋亡明顯，且凋亡相關蛋白如Bax、Fas、Fas表達增高，而抗凋亡蛋白如Bcl-2表達減少，相關PI3K/AKT 信號通路處于抑制狀態，而二黃糖腎康能夠逆轉上述現象，減少細胞凋亡，保護糖尿病大鼠腎臟病變。洪金妮等[45,46]發現中藥降糖復方水提物可以顯著改善KK-Ay 小鼠糖尿病癥狀、腎臟病理變化，可能與激活腎臟PI3K-AKT信號通路，進而抑制NF-κB磷酸化，降低體內炎癥因子有關。

此外，李歡等[47]使用基于“陰中求陽”立法之右歸丸抑制PI3K/AKT信號通路活化，延緩糖尿病視網膜病變的進程，為糖尿病視網膜病變防盲治療提出新的治療思路與科學依據。袁有才[48]使用新加葛根湯改善糖尿病大鼠的認知功能障礙，通過調節海馬神經元PI3K/AKT/CREB 及胰島素樣生長因子1（insulin-like growth factor 1，IGF-1）信號通路，延緩糖尿病大鼠糖尿病腦病的進展。蔡競[49]使用復方新加歸腎丸可解除雷公藤多苷對卵巢組織PI3K/AKT 的抑制作用，促進p-AKT的表達，增加顆粒細胞增殖，促使卵泡正常生長、發育、成熟。呂翠巖[50]發現糖痹康可以通過抑制糖尿病大鼠坐骨神經PI3K/AKT信號通路，從而發揮防治糖尿病周圍神經病變的作用。師林[51]等發現健脾化濕方可通過上調PI3K、AKT蛋白表達水平顯著降低脾虛痰濕型肥胖2 型糖尿病（Type 2 diabetes mellitus，T2DM）胰島素抵抗大鼠體質量、內臟脂肪、空腹血糖(fasting blood glucose，FBG)、空腹胰島素（fasting insulin，FINS)、胰島素抵抗指數（homeostasis model assessment of insulin resistance，HOMA-IR）、總膽固醇（total cholesterol，TC）、總甘油三酯（total glyceride，TG）、低密度脂蛋白-膽固醇（Low density lipoprotein-cholesterol，LDL-C）、游離脂肪酸（free fatty acids，FFA）水平，改善糖脂代謝。

5 小結與展望

PI3K/AKT 信號通路作為胰島素效應信號傳導的主要途徑，其任何一個環節出現異常均會干擾胰島素的生理功能，進而導致2 型糖尿病及其并發癥的發生。但信號通路將信號傳導至下游分子從而發生效應以及下游分子間相互作用的復雜機制還有待進一步的研究和探索，對信號通路的認識也將有助于臨床尋找新的途徑防治2型糖尿病。