Посещений:
Действие Инсулина и Диабет

Insulin Action: Molecular Basis of Diabetes
Sonia Najjar
Enciclopedia of Life Sciences doi:10.1038/npg.els.0001402

Unbalanced regulation of the signalling cascades that mediate insulin action in the cell leads to diabetes mellitus. Thus, identification of the basic mechanism of insulin action promotes our understanding of the molecular basis of diabetes and the development of better therapeutic interventions.


Рис.1. The insulin promoter. The genomic sequence elements are shown in boxes. Hepatic nuclear factors (HNF) regulate the expression of binding proteins (shown at an angle) that regulate the transcription of insulin in the ? cell of the pancreas. TX denotes the transcription initiation site, and HNF the hepatic nuclear factors that regulate the expression of the binding proteins in a tissue-specifi ...


Рис.2. The proinsulin molecule, which consists of a C-peptide bridge linking the A and B chains. Cleavage of the C-peptide bridge by endopeptidases produces mature and active insulin. S–S denotes the disulfide bonds. ...


Рис.3. Insulin action in the cell. Insulin exerts multiple effects in the cell. Insulin action is mediated by the binding of insulin to its receptor, and the subsequent phosphorylation of the receptor and other substrates by the receptor tyrosine kinase. ...


Рис.4. The insulin receptor, a heterotetrameric structure containing two ? and two ? subunits. The ? subunit contains the insulin-binding domain and the ? subunit contains the catalytic tyrosine kinase domain. Binding of insulin (ligand) to its receptor activates the kinase to phosphorylate the receptor on tyrosine (Tyr) residues in the intracellular domain of the receptor. ATP, adenosine triphosph ...


Рис.5. Intracellular insulin signalling pathways. Insulin binding to its receptor activates different signalling pathways. Two main limbs propagate insulin signals: the insulin receptor substrate (IRS)/phosphatidylinositol 3-kinase (PI3-K) pathway, and the Ras/mitogen-activated protein kinase (MAPK) pathway. The IRS/PI3-K pathway mediates glycogen synthesis and the translocation of glucose transpor ...


Рис.6. The docking function of proteins of the insulin receptor substrate family. Phosphorylated tyrosine residues of insulin receptor substrate (IRS) proteins at signature Y-x-x-M motifs (where Y is tyrosine, x is any amino acid, and M is methionine) become binding sites for src homology 2 (SH2) domains of the p85? subunit of phosphatidylinositol 3-kinase (PI3-kinase). This leads to the activation ...


Рис.7. Alignment of the members of the insulin receptor substrate (IRS) family of proteins, showing the four clones of IRS proteins. The length of the polypeptide chain is shown to the right of each bar. Conserved phosphorylation sites are indicated by small red boxes. The figure also includes the pleckstrin homology (PH) domain, the phosphotyrosine-binding (PTB) domain and the kinase regulatory lo ...


Рис.8. Interaction of insulin receptors and proteins from the insulin receptor substrates family. Association between the insulin receptor substrate (IRS) proteins and the insulin receptor occurs mainly between the phosphotyrosine-binding (PTB) domain of IRS proteins and the juxtamembrane region of the insulin receptor. It requires phosphorylation of tyrosine 972 in the juxtamembrane domain of the ...


Рис.9. Substrates of the insulin receptor kinase. Various substrates undergo phosphorylation by the insulin receptor kinase. Whereas most substrates are cytoplasmic, pp120 is a plasma membrane protein that undergoes insulin-stimulated tryosine phosphorylation in its cytoplasmic tail. AKT, product of the AKT proto-oncogene; GSK, glycogen synthase kinase; PDK, phosphatidylinositol-dependent kinase; P ...


Рис.10. Downstream effectors of insulin signalling: the AKT serine/threonine kinase. In response to insulin, phosphatidylinositol 3-kinase (PI3-K) is activated, and subsequently the intracellular concentration of PI 3-phosphate is increased. This activates the PI-dependent kinases (PDK) 1 and 2 which, in turn, activate AKT kinase by phosphorylating its threonine 308 and serine 473 residues, respecti ...

(Табл.1) Aetiology of diabetes mellitus

References

Di Guglielmo GM, Drake PG, Baass PC et al. (1998) Insulin receptor internalization and signalling. Molecular and Cellular Biochemistry 182: 59–63.
Duckworth WC, Bennett RG and Hamel FG (1998) Insulin degradation: progress and potential. Endocrine Reviews 19: 608–624.
Habener JF and Stoffers DA (1998) A newly discovered role of transcriptional factors involved in pancreas development and the pathogenesis of diabetes mellitus. Proceedings of the Association of American Physicians 110: 12–21.
Hotamisligil GS, Peraldi P, Budavari A et al. (1996) IRS-1-mediated inhibition of insulin receptor tyrosine kinase activity in TNF?- and obesity-induced insulin resistance. Science 271: 665–668.
Kahn CR, Vicent D and Doria A (1996) Genetics of non-insulin-dependent (type-II) diabetes mellitus. Annual Review of Medicine 47: 509–531.
Matozaki T and Kasuga M (1996) Roles of protein-tyrosine phosphatases in growth factor-signalling. Cellular Signaling 8: 13–19.
Najjar SM, Blakesley VA, Calzi SL et al. (1997) Differential phosphorylation of pp120 by insulin and insulin-like growth factor-1 receptors: role for the C-terminal domain of the ?-subunit. Biochemistry 36: 6827–6834.
Ogawa W, Matozaki T and Kasuga M (1998) Role of binding proteins to IRS-1 in insulin signalling. Molecular and Cellular Biochemistry 182: 13–22.
Taylor SI (1999) Deconstructing type 2 diabetes. Cell 97: 9–12.
essons from insulin-resistant patients. Acta Paediatrica 399: 95–104 [Supplement].
>van den Ouweland JM, Lemkes HH, Trembath RC et al. (1994) Maternally inherited diabetes and deafness is a distinct subtype of diabetes and associates with a single point mutation in the mitochondrial tRNA(Leu(UUR)) gene. Diabetes 43: 746–751.
White MF (1998) The IRS-signalling system: a network of docking proteins that mediate. Molecular and Cellular Biochemistry 182: 3–11.
Insulin секретируется панкреатическими β клетками после абсорбции продуктов переваренной пищи, чтобы обеспечить немедленные и долговременные эффекты на клетки и организм. Инсулин снижает продукцию печенью глюкозы и индуцирует пополение хранилищ гликогена в печени и мышцах и триглицеридов в жировых тканях. Вместе с эффектами, способствующими росту, метаболические функции инсулина сначала обеспечиваются соединением инсулина со своими рецепторами на мембране клеточной поверхности в тканях-мишенях для инсулина: печени, мышцах, адипоцитах. Связывание инсулина активирует тирозин киназу его рецепторов, чтобы фосфорилировать рецепторы и др. эндогенные субстраты. Каскады фосфорилирования составляют базовый механизм действия инсулина в клетках. Передача сигналов инсулина заканчивается воздействием на многие механизмы, веключая рецепторами обусловленный эндоцитоз инсулина, сопровождаемый его деградацией, активацию tyrosine phosphatases или serine/threonine kinases, секвестрацию рецепторов из плазматических мембран и снижение количества рецепторов в ответ на высокие концентрации инсулина (receptor downregulation).См. также Endocrine system in vertebrates.

Аномальный процессинг одной или нескольких ступеней ведет к расстройству метаболического состояния, известного как diabetes mellitus.

Insulin: Structure and Synthesis


Инсулин является полипептидным гормоном у человека примерно в 5808 Da. Калиброванные с помощью уровней глюкозы, комбинации регуляторных и базовых элементов работают сочетанно, регулируяы ткане-специфическую экспрессию инсулина в панкреатическиъ β клетках (Habener and Stoffers, 1998) (Рис. 1). Наиболее изучены транскрипционные факторы, которые соединяются с последовательностями ДНК инсулинового промотора, это hepatic nuclear factor (HNF) 1? (который активруется с помощью HNF4?) и islet duodenum homeobox 1 (IDX-1) (который регулируется с помощью HNF3?). Помимо своего регуляторного эффекта на транскрипцию гена инсулина IDX-1, гомеобоксный протеин, известен также как insulin promoter factor 1 (IPF-1), функционирующий как главный регултор развития эндокринной части поджедлудочной железы. ДНК-связывающие сайты в промоторе инсулина и базовые элементы включают Sp1, негативный регуляторный элемент между нуклеотидами ?279 и ?258 в гене инсулина человека, cyclic adenosine monophosphate (cAMP) regulatory element (CRE) и др., такие как E box, A, C1 и G элементы .См. также Insulin and glucagon; Transcriptional gene regulation in eukaryotes

Инсулин первонаально синтезируется в виде preproinsulin в панкреатических β клетках. Спустя 5–10 мин после его сборки в эндоплазматическом ретикулёме, preproinsulin преобразуется в proinsulin прежде, чем будет транспортирован в trans-Golgi network (TGN), где образуются незрелые гранулы. Транспорт в TGN занимает примерно 30 мин. Proinsulin, представлен A м B цепью, связанных с помощью дисульфидных связей и с помощью С-пептидного мостика, он подвергается созреванию в активный инсулин благодаря действию endopeptidases. Эндопептидазы отщепляют С пептид от инсулина, разрывая связи между lysine 64 и arginine 65 и между arginine 31 и 32 (Рис. 2). Зрелый инсулин упаковывается внутрь зрелых гранул и ожидает метаболических сигналов (таких как leucine, arginine, glucose и mannose), а с помощью стимуляции блуждающего нерва он выходит из клетки в кровообращение. Несколько сигнальных механизмов регулируют секрецию инсулина из панкреатических β клеток. Основной механизм связан с фосфорилированием глюкозы с помощью glucokinase после ее транспорта в β клетки посредством glucose transporter 2 (Glut 2). Glucose 6-phosphate, продукт этой скорость-ограничивающей ступени, постепенно подвергается метаболизму в цитозоле, что сопровождается оксидативным фосфорилированием в митохондриях, чтобы дать adenosine triphosphate (ATФ). Увеличение внутриклеточной конц. АТФ ингибирует продукцию K+ и , следовательно, ведет к деоляризации β-клеток. Это обусловливает открытие чувствительных к эл. напряжению Ca2+ каналов и последовательному перемещению внутрь клетки Ca2+. Повышенные внутриклеточные уровни Ca2+ в совю очередь активируют киназы, которые усиливают экзоцитоз инсулина и его секрецию в кровообращение. См. также Proteins: postsynthetic modification; Golgi: methods for preparation; Glycolytic pathway; Calcium channels.

Insulin Action: Basic Mechanism


Инсулин стимулирует оборот глюкозы путем усиления ее транспорта через плазматическую мембрану, сопросождаемого или оксидативной или неоксидативной передачей, последняя ассоциирует с синтезом гликогена. Влияние инсулина на транспорт глюкозы наблюдается только в мышцах, жировой ткани и сердце. Инсулин в целом способствует белковому синтезу практически во всех тканях путем комбинированного эффекта на транскрипцию генов, трансляцию мРНК и потребление аминокислот. Инсулин оказывает также митогенные эффекты, опосредуемые посредством усиления синтеза ДНК и предупреждения запрограммированной гибели клеток (апоптоза). Кроме того, инсулин стимулирует транспорт ионов через плазматическую мембрану во многих тканях. Наконец, инсулин стимулирует синтез липидов в жировых клетках, скелетных мышцах и печени и препятствует липолизису ингибированием hormone-sensitive lipase. Растут доказательства прямой роли инсулина, действующего посредством инсулиновых рецепторов, в регулияции высвобождения инсулина из панкреатических β клеток (Рис. 3).См. также Apoptosis: molecular mechanisms; Lipids.

Разные ткани отвечают по-разному на инсулин. Хотя чувствительность тканей к инсулину коррелирует с уровнями инсулиновых рецепторов, экспрессируемых на плазматической мембране, но становится очевидным, что сборка разных компонентов пути передачи сигналов инсулина также ответственна за наилучшую специфичность передачи сигналов инсулина клеткам-мишеням. Т.о., инсулин-зависимый транспорт глюкозы происходит только в скелетных мышцах и жировых клетках, так как эти клетки обладают инсулин-зависимыми Glut4 транспортерами глюкозы. Сходным образом, ингибирование глюконеогенеза с помощью инсулина является специфическим для печени и почек. С др. стороны, эффекты на транспорт ионов, синтез ДНК и синтез белка являются, по-видимому, повсеместными. См. также Membrane proteins; Gluconeogenesis.

The insulin receptor


Roth и др. первыми идентифицировали инсулиновые рецепторы в 1971. Инсулиновые рецепторы экспрессируются действительно во всех клетках от нескольких сот эритроцитов до нескольких сотен тысяч печеночных и жировых клеток. В 1985, Ullrich and Ebina клонировали комплементраную ДНК (кДНК) и ген, кодирующий рецептор. Это привело к интенсивным поискам и исследованиям основного механизма действия инсулина и выявления внуи риклеточных медиаторов действия инсулина.
Инсулиновые рецептроы первоначально синтезируются как одиночная цепь полипептида предшественника, которая подвергается посттрансляционному расщеплению на отдельные ? and ? субъединицы, это сопрсождается димеризацией и экспортом в плазматическую мембрану. Зрелые рецепторы являются гомодимерами, состоящими из двух ? and ? subunits (?2 and ?2) (Рис. 4). Субъединица ? является внеклеточной и содержит лиганд-связывающий домен. Субъединица ? пронизывает цитоплазматическую мембрану и оказывается сцепленной с субъединицей ? посредством дисульфидных мостиков, а также нековалентных взаимодействий. Внутриклеточная часть субъединицы ? содержит тирозин киназный домен. Инсулин соединяется с ? субъединицей и в результате вызывает конформационную модификацию внутриклеточнго домена так, что активруется тирозин киназа и рецептор связывает АТФ и подвергается аутофосфорилированию. Фосфорилируются несколько остатков тирозина в субъединице ?. Сюда входит и тирозин 972 в juxtamembrane домене, который играет ключевую роль в связывании и фосфорилировании большинства субстратов; а также тирозины 1158, 1162 и 1163 в каталитическом домене, которые существенны для обеспечения киназной активности рецепторов в отношении белковых субстратов; и тирозины 1328 и 1334 в C-терминальном домене. Роль последних в фосфорилировании сайтов неоднозначна, некоторые исследователи полагают, что они играют роль в обеспечении активности инсулина, способствующей росту. См. также Protein kinases; Regulation by covalent modification

Геномная организация инсулиновых рецепторов сходна у мышей и людей. Ген рецептора инсулина является геном домашнего хозяйства, не содержащим ни TATA, ни CAAT боксов, имеющим несколько Sp1-связывающих сайтов в дополнение к двум новым ядерным факторам. Ген занимает более 150 kilobases и состоит из 22 экзонов, 11-й из которых является местом альтернативного сплайсинга для формирования двух изоформ, которые или содержат (изоформа B) или не содержат (изоформа A) пептид из 12 аминокислот, кодируемый экзоном 11 на C-конце субъединицы ?. Две изоформы экспрессируются в разных соотношениях в разных тканях, с предоминированием изоформы A в гематопоэтических клетках и предоминированием изофрормы В в гепатоцитах. Две изоформы распределены в равных количествах в мышцах и адипоцитах. Роль альтернативного сплайсинга в функции рецепторов не совсем ясна, но изоформа В, ка было показано, связывает инсулин с более низким сродством, чем изоформа А. См. также Genes: definition and structure.

Intracellular signalling pathways


Разные сигнальные пути, активируемые с помощью гормона, частично объясняют различия в действии инсулина в разных тканях. Имеются два основных рукава, которые передают генерируемые сигналы через рецепторы инсулина: insulin receptor substrates/phosphatidylinositol 3-kinase (IRS/PI3-K) путь и Ras/mitogen-activated protein kinase (MAPK) путь (Di Guglielmo et al., 1998; Ogawa et al., 1998 and White, 1998) (Рис. 5). Путь IRS/PI3-K ведет к генерации phosphatidylinositol 3-phosphate и к последующей активации PI-зависимых киназ, таких как PI-dependent kinases 1 и 2 (PDK-1, PDK-2) и protein kinase C (PKC). Некоторые из этих киназ м.б. необходимы для активации нижестоящих киназ, таких как serine/threonine kinase AKT (продукт AKT прото-онкогена). Считается, что AKT м. непосредственно фосфорилировать и инактивировать glycogen synthase kinase 3 (GSK-3), приводя тем самым к дефосфорилированию и активированию glycogen synthase и повышению уровня синтеза гликогена. Имеются также доказательства связи AKT с транслокацией транспортеров глюкозы. Инсулин, как полагают, благодаря образованию комплексов между между фактором обмена SOS (son-of-sevenless) и growth factor receptor-binding protein 2 (GRB-2), м. активировать Ras/MAPK путь. GRB-2 м.б. активирован с помощью IRS или SHC, двумя непосредственными субстратами insulin receptor kinase. Очевидно, что острые метаболические эффекты инсулина нуждаются в активации пути IRS/PI3-K , тогда как Ras/MAPK путь м. играть роль в определенных тканях, чтобы стимулировать долговременные эффекты инсулина на рост и пролиферацию. См. также Receptor transduction mechanisms;Protein kinases: physiological roles;G proteins;Oncogenes.

Insulin receptor substrate proteins act as docking molecules to mediate insulin signalling


IRSs первоначально были идентифицированы как фомфорилированые по тирозину белки в клетках, обработанных инсулином (White, 1998). При добавлении к инсулину др. агенты (напр., insulin-like growth factors (IGFs) и interleukins) м. стимулировать фосфорилирование IRS. Фосфорилирование тирозинов происходит в мотивах, обзначаемых Y-x-x-M (где x любая аминокислота, a M - метионин) (Рис. 6). Фосфорилированные тирозины становятся местами связывания для src-homology 2 (SH2) мотивов в нижестоящих сигнальных молекулах. SH2 мотивы имеют длину в 50–100 аминокислот; они действуют как с высоким сродством связывающие фосфотирозин сайты и обнаруживаются во многих внутриклеточных сигнальных молекулах. Связываение фосфотирозина с SH2 доменами ведет к формированию сигнальных комплексов. Таким образом, IRS белки функционируют как docking молекулы, чтобы обеспечить непрямое взаимодействие между рецепторами инсулина и нижестоящими сигнальными молекулами. Ключевой сигнальный комплекс в действии инсулина формируется между IRSs и регуляторной субъединицей (p85) энзима PI3-K (Рис. 6). Имеется два SH2 домена в структуре p85. Соединение IRSs с двумя SH2 доменами p85 ведет к активации p110 (каталитической) субъединицы PI3-K. Каталитическая активность p110 стимулирует фосфорилирование phosphatidylinositol в D3 положении inositol кольца, это ведет к генерации PI 3-phosphate. Имеются доказательства того, что 3-фосфорилированные inositides действуют как внутриклеточные мессенджеры, приводящие к активации PDKs, изменению внутриклеточного переноса и стимуляции роста.
Среди белков, которые соединяются с IRSs, субъединица p85 PI3-K наиболее важна. Регуляторная субъединица PI3-K существует в нескольких различных изоформах (p85-a, -b, p55, p55PIK, p50). Неясно, могут ли различные изоформы обусловливать разные эффекты инсулина. Др. партнёром является GRB-2 (Рис. 5), адапторная молекула, состоящая из одного SH2 и двух SH3 доменов. GRB-2 соединяет IRSs с сигнальным путём Ras. И некоторые др. белки, ка было показано, соединяются с IRSs, но их роль в действии инсулина неясна (White, 1998).
Имеется 4 клонированных члена IRS семейства белков и родственный белок, называемый Gab-1 (Grb-associated binder-1). Взаимосвязь 4-х клонированных IRSs показана на Рис. 7. Длина полипептидной цепи показана спарава от Рис. Основные структурные мотивы IRS молекул показаны слегка затемненными структурами: pleckstrin homology (PH) домен, phosphotyrosine-binding (PTB) домен и kinase regulatory loop-binding domain (KRLB). Тёмные маленькие квадратики показывают законсервированные места фосфорилирования. PTB домен соединяется с tyrosine 972 в juxtamembrane домене инсулиновго рецептора, а др. домены регулируют это связывание и ассоциацию IRSs с внутриклеточными молекулами (Рис. 8). очевидно, что присутствие уникального ассортимента сайтов в каждой молекуле должно позволять рекрутирование разных сигнальных молекул и приводить к формированию уникальных сигнальных комплексов. Кроме того, имеются отдельные паттерны тканевой экспрессии, так что каждый IRS белок м. играть разную роль в разных тканях (White, 1998).

Downstream effectors of insulin action: the AKT kinase


Быстрое увеличение внутриклеточных концентраций PI 3-phosphate , сопровождаемое активацией инсулиновых рецепторов, ведет к предположению, что inositol 3-phosphate м. действовать как внутриклеточный медиатор действия инсулина. Имеется несколько киназ, которые активируются за счёт увеличения PI 3-phosphate. PDK-1 и PDK-2 являются двумя членами этого семейства, которое м. участовать в обеспечении некоторых действий инсулина (Рис. 9). PDK-1 и PDK-2 фосфорилируют треонин 308 и серин 473 соотв., в первичных последовательностях AKT serine/threonine kinase. AKT kinase связана со стимлулированием инсулином синтеза гликогена и транспорта глюкозы. Энзим состоит из PH домена и kinase домена с двумя PI-зависимыми местами фосфорилирования. Для максиальной активности энзима необходимо, чтобы оба сайта были фосфорилированы. Роль домена PH неясна, но он м. осуществлять таргетинг последовательностей для транслокации в мембрану или для присоединения PI 3-phosphate. Помимо своей роли в обороте глюкозы serine/threonine kinase AKT участвует в активации p70 S6 kinase. которая, в свою очередь, регулирует протеиновый синтез , а также клеточный рост и дифференцировку (Рис. 9).

Downstream effectors of insulin action: protein kinase Cs


Члены семейства protein kinase C из serine/threonine kinases участвуют в нескольких аспектах действия инсулина. Имеется 4 подгруппы PKCs: ‘классическая’ нуждается в связывании кальция для активации, тогда как др. три группы м.б. активрованы за счёт связывания diacylglycerol (DAG) или с помощью др. фосфолипидов, таких как PI 3,4,5-trisphosphate (PIP3) (atypical PKCs). Инсулин м. активировать разных членов этого семейства киназ путём формирования DAG и PIP3. Инсулин стимулирует образование DAG посредством гидролиза phosphatidylcholine в DAG и phosphatidic кислоту или посредством активности glycosylphosphatidylinositol-specific phospholipase C (GPI-PLC), ведущей к образованию DAG и inositolphosphoglycan (IPG). См. также Calcium signalling and regulation of cell function.
Разные изоформы PKC, как было показано, подвергаются транслокации из цитозоля в мембрану в ответ на стимуляцию инсулином в разных тканях. Имеются доказательства того, что этот процесс м.б. важным для биологической активности PKCs. Известно, что PKCs м. непосредственно активировать путь MAPK и nuclear transcription factor NF-κB, это ведет к повешению генной экспрессии и белковго синтеза. Показано, что активация атипической PKCs с помощью PIP3 м.б. важной для процесса инсулин-зависимого транспорта глюкозы Рис. 9).

Other substrates of the insulin receptor kinase


В дополнение ко все растущему интересу к IRS белкам, как основным медиаторам действия инсулина, получены вадные доказательства того, что инсулиновые рецепторы активируют в целом хозяйские цитозольные и мембран-связанные белки. Некоторые из этих белков являются, по-видимому, специфическими субстратами для инсулиновых рецепторов, растет вероятность, что они м.б. вовлечены в обеспечение некоторых действий инсулина. Они включают pp120, гликопротеин плазматической мембраны в печени (Рис. 10), который специфически фосфорилируется с помощью инсулинового рецептора, но не с помощью его ближайшего родственика, IGF-1 рецептора (Najjar et al., 1997). Сходным образом, GRB-IR, адапторынй белок, который соединяется с инсулирновым рецептором (IR) но не с IGF-1 рецептором, слабо фосфорилируется по тирозину в ответ на инсулин и глушит передачу сигналов инсулина. c-CBL также является субстратом инсулиновых рецепторов в адипоцитах, где он, как было установлено,управляет инсулин-зависимым фосфорилированием caveolin.
Клонированы также некоторые субстраты для фосфорилирования с помощью инсулиновых рецепторов в ранге 53–60-kDa. Некоторые из них ассоциируют с молекулами, которые играют важную роль в действиях инсулина, такие как PI3-K (p85), tyrosine phosphatase SHP-2 и Ras-GAP (guanosine triphosphatase-associated protein). Т.о., возможно, что фосфорилирование этих субстратов м. влиять на передачу сигналов инсулина в разных тканях. За исключением pp120, фосфорилирование которого нуждается в С-терминальной ? субъединице, фосфорилирование др. субстратов нуждается в интактном тирозине 972 в juxtamembrane домене рецептора инсулина.

Attenuation of insulin action


Прекращение передачи сигналов инслуина в основном обусловливается былстрым эндоцитозом рецепторов и деградацией инсулина, связанного с рецепторами (Duckworth et al., 1998). В значительное степени действи инсулина прекращается также с помощью tyrosine phosphatases, которые дефосфорилируют тирозиновые остатки ? субъединицы рецептора, и с помощью serine/threonine kinases, которые глушат их тирозин киназную активность. Секвестрация инсулиновых рецепторов и уменьшение количесива рецепторов на поверхности клеточной мембраны также ведут к снижению действия инсулина, особенно при nwxyjcnb и гиперинсулинемии.

Receptor internalization and turnover


Соединение инсулина со своими рецепторами выхывает быстрый эндоцитоз инсулина посредством его рецепторов. Рецепторами опосредованный эндоцитоз инсулина осуществляется с помощью двух отдельных везикулярных путей: клатрином покрытые ямки и непокрытые кавеолы. Направляемый на деградацию в печень, инсулин в основном интернализуется посредством clathrin-coated пути в гепатоцитах. Везикулярный перенос высвобождает инсулин-рецепторные комплексы в эндосомы, где они подвергаются диссоциации в кислых условиях. Инсулин затем направляется на деградацию, тогда как рецепторы восстанавливаются и отправляются обратно на клеточную поверхность. Это составляет основной механизм удаления инсулина из крови, который в основном осуществляется в печени. Инсулином индуцированная интернализация и рециклинг рецепторов и регулируют чувствительность клеток к инсулину. Напр., аномально повышенные уровни инсулина и более продолжительное воздействие инсулина на клетки увеличивает скорость деградации рецепторов, обеспечивая первичный механизм инсулином индуцированного подавления рецепторов. См. также Clathrin-coated vesicles and receptor-mediated endocytosis;Endocytic organelles: methods for preparation.
Молекулярный механизм эндоцитоза инсулина недостаточно изучен. Инсулином стимулированное аутофосфорилирование рецепторов используется в этом процессе интернализации. Однако, потребность в фосфорилировании субстрата все ещё дискутируется. Фосфорилирование IRS-1 и активация PI3-K не регулируют insulin-receptor эндоцитоз в трансфицированных клетках. Напротив, фосфорилирование pp120 ассоциирует с повышенной скоростью рецепторами опосредуемого эондоцитоза и деградации инсулина в трансфицированных клетках. Используя трансгенных мышей, было показано, что pp120 в удалении инсулина из кровообращения.

Tyrosine dephosphorylation


Phosphotyrosine phosphatases (PTPases) как известно дефосфорилируют инсулиновые рецепторы, чтобы инактивировать их киназную активность. Качественные особенности действующих PTPases, которые обеспечивают инактивацию рецепторов, ещё неизвестны. Несмотря на это PTPases дефосфорилируют инсулиновые рецепторные тирозин-содержащие пептиды. Эти энзимы распадаются на два класса: (1) transmembrane PTPases, которые являются orphan рецепторами с энзиматической активностью во внутриклеточном домене, и (2) внутриклеточне PTPases, некоторые из которых содержат SH2 домены (Matozaki and Kasuga, 1996).

Serine/threonine phosphorylation


Важной областью исследований действия инслуина является выявление роли serine/threonine фосфорилирования в модулиросании киназной активности инсулиновых рецепторови последующих биологических реакций (Hotamisligil et al., 1996). В отсутствие инсулина инслуиновые рецепторы фосфорилируются по serine/threonine. В ответ на tumour neсrosis factor α (TNFα) рецепторы активируются, чтобы стимулировать serine/threonine kinase. которые м. фосфорилировать IRS-1 и предупреждать их ассоциацию с PI3-K, приводя тем самым к эффективному подавлению инсулиновых сигналов. Возможно, сходная активность м. также фосфорилировать serine/threonine остатки в инсулиновых рецепторах и тем самым снижать их тирозин киназную активность в отношении внутриклеточных субстратов. Сходным образом, phorbol эфиры, cAMP-зависимая serine kinase, и избыточная экспрессия изоформ PKC, по-видимому, увеличивают serine/threonine фосфорилирование инсулиновых рецепторов. Серин/треониновые киназы, которые фосфорилируют инсулиновые рецепторы, еще не полностью идентифицированы; однако, считается, что инсулиновые рецепторы тесно ассоциированы с внутренне присущей серин киназной активностью. См. также Tumour necrosis factors.

Molecular Basis of Diabetes


Диабеты находятся среди наиболее смертельных заболеваний в США. Показатели диабета растут во всём мире, он затрагивет около 5–15% популяции во всём мире. Диабеты подразделяются на два основных типа: 1 и 2. Диабеты характеризуются высокими уровнями глюкозы в кровообращении (гипергликемия). Хроническая и неконтролируемая гипергликемия ассоциированы с аномалиями кровеносных сосудов, глаз, почек и сердечнососудистой и нервной систем. Гипертензвия и аномалии метаболизма липопротеинов также выявляются у некоторых пациентов с диабетом. Симптомы диабета включают избыточное мочеиспускание, жажду и утомляемость. Типа 1 диабет ассоциирован с потерай веса несмотря на усиленное потребление пищи, тогда как типа 2 диабет ассоциирован с тучностью. Затуманенное зрение и инфекции кожи, гентиалий и мочевого тракта присутствуют у некоторых пациентов с диабетом типа 2. С др. стороны некоторые диабетики с типом 2 бессимптомны, особенно на ранних стадиях болезни.
Исследования на животных и человека привели к заключению, что diabetes mellitus является гетерогенной группой метаболических нарушений, вызываемых молекулярными и клеточными дефектами одного или нескольких событий, описанных выше (синтез, секреция и деградайия инсулина, синтез и сборка рецепторов инсулина, действие инсулина на рецепторы и послрецепторые уровни). Дополнительные факторы м.б. связаны с диабетом опосредосанно, затрагивая уровни и действие инсулина. Сюда входят антитела к циркулирующему инсулину и к инслулиновым рецепторам и повышенные уровни glucagon, который продиводействует действию инсулина(Табл. 1).

Type 1 диабет составляет около 5% всех случаев диабета, обычно диагностируется в возрасте 20 лет. Он в целом рассматривается как аутоиммунное заболевание, характеризующееся деструкцией β-клеток и абсолютным дефицитом инсулина. Исследования идентичных близнецов выявили средней степени генетическую зависимость для этого типа. См. также Autoimmune disease.
Type 2 диабет составляет примерно 85% от всех случаев диабета, он обычно диагностируется у взрослых (свыше 30 лет). Считается сложным метаболическим нарушением со множественными причинами (Kahn et al., 1996), характеризуется периферической устойчивостью к инсулину и нарушением относительной компенсаторной секреции инсулина (Taylor, 1999). Резистентность к инсулину сложный полигенны признак, т.к он не наследуюется по менделевски. Т.о., простые генетические модели, такие как изучение генов кандидатов, неспособны идентифицировать ген(ы), ответственные на резистентность к инслулину. Некоторые аспекты действия инсулина, по-видимому, нарушены при type 2 диабетах: в скелетных мышцах имеется дефект в nonoxidative glucose disposal, также как и аномалии потребления и фосфорилирования глюкозы. Сходным образом возможны дефекты в способности инсулина супрессировать высвобождение свободных жирных кислот адипоцитами и продукцию глюкозы в печени. Природа фундаментального дефекта остаётся неизвестной. Считается, что дефект заключается в рецепторах и/или ранних пострецепторных событиях в действии инсулина, что могло бы нифицировать механизм резистентности к инсулину. Напр., при type A резистентности к инслулину, leprechaunism и Rabson–Mendenhall синдроме выявлены мутации в гене рецептора инсулина, это ведет к чрезвычайной устойчивости к инсулину (Taylor et al., 1994). Открытие новых молекул и новых сигнальных механизмов, стоящих ниже инсулиновых рецепторов явилось существенным катализатором (White, 1998). Однако, исследования генов, кодирующих белки, которые участвуют в системе передачи сигналов инсулина, оказаличь неспособными выявить один или несколько генов в качестве кандидатов на этиологическую роль type 2 диабета. Возможно, что из-за генетической гетерогенности, разные гены ответственны резистентность к инслуину у разных пациентов. См. также Complex multifactorial genetic diseases.
Идентификация гена инсулина в качестве гена для диабета типа 2 привела к открытию maturity-onset diabetes in the youth (MODY)в качестве нового подтипа type 2 диабета (Habener and Stoffers, 1998; Taylor, 1999). Мутации в гене инсулина нарушают процессинг проинсулина в инсулин и связывание инсулина со своим рецептором. Мутации в транскрипционныфх факторах HNF4?, HNF1?, 1DX-1 and HNF1? (Рис. 1) при MODY-1, 3, 4 и 5 соотв., нарушают функцию β-клеток и ведут к дефициту ирнсулина. Мутации в IDX-1 ведут к дефектному развитию поджелудочной железы. Как и ожидалось, мутации в гене glucokinase, которая катализирует скорость-ограничивающую ступень в метаболизме глюкозы в β клетках ведет к частичному дефициту секреции инсулина при MODY-2. Из-за того, что мутации в этих генах наследуются по аутосомно доминантному типу, MODY iрассматривается как моногенный класс типа 2 диабетов, в противопложность полигенной природе классического типа 2 диабета. См. также Dominant traits and diseases;Mendelian genetic disorders.
Др. субтипом type 2 диабетов с генетическими дефектами функции β клеток является недавно идентифицированный матерински наследуемый диабет (maternally inherited diabetes and deafness (MIDD)). Это заболевание характеризуется специфической A to G мутацией гена mitochondrial transfer RNALEU(UUR) в позиции 3243 (van den Ouweland et al., 1994). Мутация A to G в tRNA нарушает митохондриальное оксидативное фосфорилирование, ведущее к дефекту секреции инсулина и β клетками. Подобно др. митохондриальным болезням, диабет и глухота при MIDD передаются по материнской линии.

Summary


Our understanding of the basic mechanism of insulin signalling has greatly improved in recent years. However, identifying the molecular basis of a heterogeneous disease such as diabetes remains complicated by the continuous discovery of signalling molecules and their intertwined concerted involvement in mediating the multiple effects of insulin in the cell. Furthermore, the functional impairment caused by some genetic variations might be too subtle to be detected by the assays at our disposal, or may require the combined (epistatic) interactions of other mutant genes to give rise to the diabetic phenotype. With the development of more sophisticated genetic screening approaches, such as those based on analysis of affected siblings, it has become possible to overcome some of the obstacles posed by the nonmendelian inheritance of diabetes and insulin resistance. Important new information on the susceptibility to diabetes is likely to be gained from purely genetic-based studies, in which no assumption as to the pathogenetic disease mechanisms are made. At the same time, our increased ability to manipulate the murine genome (by gene knockout technology) will result in an increased armamentarium of animal models, in which different hypotheses can be tested.См. также Quantitative genetics;Autoimmune disease: animal models



Zhidong Tu, Mark P. Keller, Chunsheng Zhang, Mary E. Rabaglia, Danielle M. Greenawalt, Xia Yang, I-Ming Wang, Hongyue Dai, Matthew D. Bruss, Pek Y. Lum, Yun-Ping Zhou, Daniel M. Kemp, Christina Kendziorski, [ ... ], Jun Zhu (jun.zhu@mssm.edu)
Integrative Analysis of a Cross-Loci Regulation Network Identifies App as a Gene Regulating Insulin Secretion from Pancreatic Islets
PLoS Genet 8(12): e1003107. doi:10.1371/journal.pgen.1003107
Приблизительно 170 генетических локусов have вносят существенный вклад в диабет [4]. Исследования нокаутных мышей идентифицировали сотни генов, которые могут действовать автономно, чтобы регулировать уровни инсулина (MP:0001560) [5]. Однако всё ещё не удается установить лежащие в основе механизмы того, как эти локусы или гены вносят вклад в болезнь.
Разработаны методы моделироаия сетей, базирующиеся на предпосылках, что сложные болезни часто вызываются пертурбациями генов в подсетях [1], [6]–[14]. Мы использовали эти методы, чтобы идентифицировать гены, вызывающие связанные с диабетом признаки у мышей [13]–[14] и популяциях людей [1]. Эти анализы показывают, что потенциально многие тысячи генов при соотв. условиях могут влиять на метаболическое состояние.
C разработкой высокопроизводительных технологий, таких как секвенирование ДНК и РНК, методов, которые интегрируют различные источники с крупномасштабными данными, стали возможными всеобъемлющие характеристики биологических систем [15]–[18]. Разработаны новые методы, чтобы использовать наборы данных высокой размерности, чтобы получить представление о неизвестных путях, распутать сети, базирующиеся на регуляторных генах, и идентифицировать новые вызывающие болезни гены [13], [19]–[23]. Однако необходимы системы с лучшим разрешением.
Здесь мы разработали сетевую модель для идентификации ключевых генов, которые регулируют уровни инсулина в плазме в F2 скрещиваниях, представленных более чем 500 мышами от резистентных к диабету (B6) и чувствительных к диабету (BTBR) линий мышей, ставших генетически тучными в результате мутации Leptinob/ob (Lepob). Нами сконструирована сеть для каждой из пяти исследуемых тканей (white adipose, liver, pancreatic islets, hypothalamus, and gastrocnemius muscle). В этих 5 исследуемых тканях выявляли обширные межбелковые взаимодействия между генами, отвечающими на разные локусы в жировой ткани и панкреатических островках, которые потенциально совместно участвуют в регуляции инсулина в плазме. Была разработана новая непривычная схема, базирующаяся на топологии cross-loci protein-protein сети и экспрессии генов, чтобы оценить потенциал каждого гена регулировать инсулин в плазме. Мы предполагали, что в сеть для панкреатических островков могут быть вовлечены гены, модулирующие уровни инсулина в плазме в B6 X BTBR F2 скрещиваниях, включая App, Gria3, Grb10, Calca и Ins1. В частности, наша сеть в панкреатических островках предсказывает, что ген, вызывающий болезнь Альцгеймера, amyloid precursor protein (App) является негативным регулятором концентрации инсулина в плазме. Поэтому мы исследовали секрецию инсулина в островках App нокаутных мышей. Островки от 17-недельных, но не 10-недельных App-/- мышей, обнаруживали повышенную секрецию инсулина в ответ на глюкозу или проницаемый для мембран цАМФ аналог, стимулирующий секреции инсулина, подтверждая, что App действует как негативный регулятор секреции инсулина. Эти результаты выявляют возможный механизм, связывающий две оаспространенные связанные с возрастом болезни, болезнь Альцгеймера и диабет 2-го типа.
Сайт создан в системе uCoz