糖異生相關(guān)通路的研究進(jìn)展及中藥的改善作用*

胡文心,楊 杰

(中國(guó)藥科大學(xué),江蘇 南京 211198)

2型糖尿病(T2D)是由于胰島素抵抗和(或)胰島素分泌缺陷導(dǎo)致的胰島素信號(hào)傳導(dǎo)缺乏引起的慢性高血糖癥。據(jù)估計(jì),2017年全球有4.51億(18-99歲)糖尿病患者,預(yù)計(jì)到2045年將增加到6.93億[1]。T2D的患病率和發(fā)病率占所有糖尿病病例90%以上[2],可引起多器官損傷和多種并發(fā)癥,對(duì)人類(lèi)生命健康與安全構(gòu)成了巨大威脅。因而,控制血糖水平,延緩T2D進(jìn)程不可忽視。

肝臟是葡萄糖產(chǎn)生的主要部位,對(duì)于維持正常的葡萄糖穩(wěn)態(tài)至關(guān)重要,它在禁食期間產(chǎn)生葡萄糖并在餐后儲(chǔ)存葡萄糖。然而,這些過(guò)程在T2D中失調(diào),這種不平衡導(dǎo)致禁食和餐后狀態(tài)下的高血糖[3]。胰島素降低餐后血糖,而空腹血糖的穩(wěn)態(tài)主要由胰高血糖素作用下的肝糖異生維持。肝胰高血糖素紊亂所致的肝糖異生異常是糖尿病中空腹血糖升高的直接原因[4]。可見(jiàn)確定調(diào)節(jié)肝臟糖異生的分子機(jī)制對(duì)T2D治療策略的改進(jìn)至關(guān)重要。中藥具有多組分、作用多靶點(diǎn)的特點(diǎn),在調(diào)節(jié)復(fù)雜疾病系統(tǒng)如T2D占有優(yōu)勢(shì),不易產(chǎn)生耐藥性[5]。因此,本文還針對(duì)近年來(lái)中藥改善糖異生的作用研究進(jìn)行了匯總。

1 肝內(nèi)糖異生途徑及主要調(diào)節(jié)激素

1.1 肝糖異生途徑 糖異生是指將一些非碳水化合物底物(如丙酮酸、乳酸、甘油、生糖氨基酸等)轉(zhuǎn)化為糖的過(guò)程。在哺乳動(dòng)物中,肝臟是糖異生的主要器官。如圖1所示,

圖1 肝糖異生途徑示意圖

丙酮酸(pyruvate)或乳酸(lactate)被乳酸脫氫酶(LDH)催化為丙酮酸后進(jìn)入線粒體,在線粒體丙酮酸羧化酶(PC)作用下轉(zhuǎn)化為草酰乙酸(OAA),然后被磷酸烯醇式丙酮酸羧激酶(PEPCK)催化為磷酸烯醇式丙酮酸(PEP),進(jìn)入細(xì)胞質(zhì)進(jìn)行糖異生循環(huán)。OAA也可以直接在線粒體內(nèi)被還原為蘋(píng)果酸(Malate)穿梭到細(xì)胞質(zhì)中,再被丙酮酸脫氫酶(MDH)氧化為OAA,通過(guò)胞質(zhì)PEPCK磷酸化為PEP。PEP在烯醇化酶催化下轉(zhuǎn)變?yōu)?-磷酸甘油酸(2-PG),2-PG重排生成3-磷酸甘油酸(3-PG),再轉(zhuǎn)變?yōu)?-磷酸甘油醛(PGAL),PGAL可異構(gòu)為磷酸二羥丙酮(DHAP),其接著轉(zhuǎn)化為果糖-1,6-二磷酸(F1,6BP),在果糖-1,6-二磷酸酶(FBPase)作用下形成果糖-6-磷酸(Fructose-6-P),然后通過(guò)磷酸葡萄糖異構(gòu)酶轉(zhuǎn)化為葡萄糖-6-磷酸(G6P)。最后,G6P通過(guò)葡萄糖-6-磷酸酶(G6Pase)轉(zhuǎn)化為葡萄糖。甘油經(jīng)血液循環(huán)進(jìn)入肝臟后被甘油激酶(GK)轉(zhuǎn)化為3-磷酸甘油(glycerol-3-P),其轉(zhuǎn)化為DHAP進(jìn)入糖異生途徑。生糖氨基酸可轉(zhuǎn)化為參與三羧酸循環(huán)(TCA cycle)的中間物,比如天冬氨酸可生成OAA進(jìn)入糖異生途徑。糖異生可以說(shuō)是糖酵解的逆向過(guò)程,但其中有三個(gè)步驟不可逆,PEPCK、FBPase、G6Pase是這三步關(guān)鍵的限速酶[6]。

1.2 主要調(diào)節(jié)激素

1.2.1 胰高血糖素 胰高血糖素(glucagon)是胰腺α細(xì)胞分泌的多肽激素,是一種關(guān)鍵的糖異生調(diào)節(jié)因子。空腹時(shí)胰島α細(xì)胞感受周?chē)h(huán)境低血糖的變化釋放胰高血糖素,通過(guò)肝糖異生和輸出保持空腹血糖穩(wěn)定。胰高血糖素與肝細(xì)胞膜上G蛋白受體結(jié)合激活肝細(xì)胞內(nèi)環(huán)磷酸腺苷/蛋白激酶A(cAMP/PKA)信號(hào)系統(tǒng),促進(jìn)PKA介導(dǎo)的cAMP反應(yīng)元件結(jié)合蛋白(CREB)磷酸化和鹽誘導(dǎo)激酶2(SIK2)的抑制,導(dǎo)致cAMP調(diào)控的轉(zhuǎn)錄共激活因子2(CRTC2)去磷酸化,核易位和募集到CREB占據(jù)的基因,調(diào)控糖異生限速酶基因的轉(zhuǎn)錄(G6pase、PEPCK)[7],促進(jìn)肝糖異生和輸出(圖2)。研究發(fā)現(xiàn)胰高血糖素分泌異常的人群更易發(fā)展為糖尿病[8]。雖然臨床討論通常集中在胰島素的作用上,但胰高血糖素在T2D研究上同樣重要[9]。

圖2 糖異生相關(guān)作用通路示意圖

1.2.2 胰島素 胰島素(Insulin)是胰腺β細(xì)胞分泌的多肽激素,餐后胰高血糖素水平下降,胰島素濃度升高,通過(guò)刺激肝臟葡萄糖攝取和糖原儲(chǔ)存以及抑制肝臟葡萄糖產(chǎn)生(HGP),維持人體內(nèi)正常葡萄糖水平。胰島素通過(guò)與跨膜胰島素受體的結(jié)合觸發(fā)磷脂酰肌醇-3-激酶(PI3K)-蛋白激酶B(AKT)-Forkhead轉(zhuǎn)錄因子(FoxO1)途徑抑制糖異生[10],AKT磷酸化可以激活SIK2作用于糖異生信號(hào)[7]。大多數(shù)人體細(xì)胞利用葡萄糖作為主要底物,細(xì)胞攝取需要胰島素。因此,胰島素信號(hào)傳導(dǎo)對(duì)這些組織至關(guān)重要。然而,由于各種分子途徑的破壞而導(dǎo)致胰島素敏感性降低會(huì)導(dǎo)致胰島素抵抗[11]。胰島素抵抗是T2D的典型特征,期間,胰島素不能刺激肝糖攝取,未能抑制糖原分解和糖異生,餐后HGP異常升高[12]。

1.2.3 糖皮質(zhì)激素 糖皮質(zhì)激素(glucocorticoid)是由腎上腺分泌的甾體激素,在調(diào)節(jié)哺乳動(dòng)物的葡萄糖穩(wěn)態(tài)中起著關(guān)鍵作用。在肝臟中,糖皮質(zhì)激素可以促進(jìn)糖異生。GC主要通過(guò)細(xì)胞內(nèi)受體糖皮質(zhì)激素受體(GR)傳遞信號(hào)。在與GC結(jié)合之前,GR存在于細(xì)胞質(zhì)中并與Hsp90伴侶復(fù)合物相關(guān)。與GC結(jié)合后,GR從Hsp90伴侶復(fù)合物中解離并進(jìn)入細(xì)胞核,其中GR被募集到特定的基因組序列中,稱(chēng)為糖皮質(zhì)激素反應(yīng)元件(GRE),已經(jīng)證明其能啟動(dòng)G6pase、PEPCK的轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)[13](圖2)。研究發(fā)現(xiàn)TAZ通過(guò)抑制GR從而調(diào)節(jié)糖異生[14]。

2 糖異生相關(guān)調(diào)控通路

2.1 CRTC2/CREB CREB是糖異生基因表達(dá)的關(guān)鍵調(diào)節(jié)因子,CREB的轉(zhuǎn)錄活性受輔助激活因子CRTC2所調(diào)節(jié)。在基礎(chǔ)狀態(tài)下,CRTC2以磷酸化的形式隔離在細(xì)胞質(zhì)中,當(dāng)胰高血糖素通過(guò)cAMP/PKA信號(hào)激活CREB時(shí),CRTC2隨即入核和CREB 的bZIP結(jié)構(gòu)域結(jié)合,穩(wěn)定CREB 和靶基因啟動(dòng)子的結(jié)合,轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)糖異生限速酶的表達(dá),促進(jìn)糖異生[7](圖2)。這一信號(hào)的專(zhuān)屬性響應(yīng)表明了CRTC2在糖異生調(diào)節(jié)中的不可或缺性。有研究發(fā)現(xiàn)蜂膠通過(guò)破壞CREB/CRTC2轉(zhuǎn)錄復(fù)合物的形成來(lái)降低肥胖小鼠的空腹血糖水平[15],Sam68通過(guò)與CREB/CRTC2復(fù)合物中的CRTC2相互作用并占據(jù)啟動(dòng)子的CRE基序來(lái)增加CREB/CRTC2的交互性,導(dǎo)致糖異生基因表達(dá)和葡萄糖產(chǎn)生[16]。已經(jīng)證明,腺苷酸活化蛋白激酶(AMPK)可介導(dǎo)CRTC2磷酸化減少其入核改善肝糖異生[7]。

2.2 PI3K/AKT/FoxO1 PEPCK和G6Pase是FoxO1的重要靶基因,催化糖異生中的限速步驟。胰島素受體底物(IRS)通過(guò)與磷脂酰肌醇-3-激酶(PI3K)結(jié)合并激活它來(lái)觸發(fā)隨后的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo),催化磷脂酰肌醇-4,5-二磷酸(PIP2)轉(zhuǎn)化為磷脂酰肌醇3,4,5-三磷酸肌醇(PIP3)。PIP3產(chǎn)生激活丙酮酸脫氫酶激酶1(PDK1),導(dǎo)致隨后AKT被PDK1上的Thr308磷酸化,然后AKT通過(guò)磷酸化和抑制FoxO1來(lái)抑制糖異生基因表達(dá)[10](圖2)。有研究發(fā)現(xiàn)葛根素通過(guò)PI3K/AKT 介導(dǎo)FoxO1磷酸化以及PEPCK和G6Pase的下調(diào)減少糖異生[17]。絲裂原活化蛋白激酶(MAPK)途徑的過(guò)度激活會(huì)導(dǎo)致AKT磷酸化受損[18]。

2.3 PGC-1α/HNF-4α 肝細(xì)胞核因子4α(HNF4α)是肝細(xì)胞中表達(dá)的核受體,并調(diào)節(jié)參與糖脂代謝的基因的表達(dá),包括控制糖異生的基因。過(guò)氧化物酶體增殖受體γ輔激活因子α(PGC-1α)是肝臟糖異生的關(guān)鍵調(diào)節(jié)因子,HNF4α是PGC-1α介導(dǎo)的糖異生所必需的,通過(guò)共激活PEPCK和G6Pase,是與PGC-1α有關(guān)的重要肝臟富集成分,PGC-1α還受FoxO1激活刺激糖異生(圖2)。在HNF4α缺失后的所有喂養(yǎng)條件下,PEPCK和G4Pase表達(dá)均下降[19]。研究表明,PGC-1α通過(guò)共激活HNF4α和FoxO1促進(jìn)肝糖異生[20]。

3 中藥改善糖異生的相關(guān)研究進(jìn)展

肝糖異生異常增強(qiáng)是T2D發(fā)病的重要機(jī)制,近年來(lái)關(guān)于中藥在糖異生中作用得到了廣泛的關(guān)注,表1對(duì)近年來(lái)中藥復(fù)方、單味藥以及中藥單體相關(guān)作用機(jī)制研究進(jìn)行了總結(jié),并在圖2中注明,圖2中編號(hào)1-14分別對(duì)應(yīng)表1中不同中藥的相關(guān)作用通路,希望能為臨床上治療T2D提供新的思路。

表1 中藥改善糖異生的相關(guān)作用機(jī)制

4 小結(jié)

當(dāng)前,T2D患病率呈持續(xù)增長(zhǎng)趨勢(shì),是人類(lèi)健康的重大隱患。臨床上一線藥物二甲雙胍具有良好的療效,但是隨之出現(xiàn)的不良反應(yīng)限制了其使用。中藥具有副作用較少、多靶點(diǎn)整體調(diào)節(jié)的特點(diǎn),在T2D治療中具有良好的應(yīng)用前景。肝糖異生異常是T2D中空腹血糖升高的重要原因,其調(diào)節(jié)在T2D防治上不容忽視。本文綜述了目前常見(jiàn)的糖異生調(diào)控激素靶點(diǎn)及近年來(lái)中藥改善糖異生的相關(guān)作用通路,希望能為新藥研發(fā)提供潛在靶點(diǎn)。近年來(lái)關(guān)于中藥改善糖異生的作用研究取得了一定的進(jìn)展,但是許多研究基本上是基于動(dòng)物與細(xì)胞水平進(jìn)行,還需更廣泛的臨床研究加以驗(yàn)證。同時(shí),大多數(shù)研究都是基于單一靶點(diǎn)或調(diào)節(jié)通路上,靶點(diǎn)與調(diào)節(jié)通路之間的聯(lián)系還需開(kāi)展更為深入的研究。