Раздел медицины:
Эндокринная хирургия

Инсулиновая сигнальная система при сахарном диабете 2-го типа

1616 0
Внутриклеточные сигнальные каскады, активируемые инсулином в мозге, в целом сходны с инсулин-зависимыми каскадами в периферических органах и тканях. Однако между ними имеются существенные различия, которые связаны с различиями в паттерне компонентов инсулиновой системы в мозге и на периферии, а также с различиями в их микроокружении и внутриклеточной локализации.

Важно и то, что инсулиновая сигнальная система в мозге не является изолированной и тесно взаимосвязана с другими сигнальными каскадами, которые активируются широким спектром гормонов и нейромедиаторов. Вследствие этого ее функциональная активность в центральной нервной системе (ЦНС) имеет свои особенности в сравнении с клетками периферических органов и тканей - гепатоцитами, адипоцитами, мышечными клетками, которые являются основными мишенями действия инсулина.

На начальном этапе сигнальной трансдукции молекула инсулина специфично взаимодействует с лигандсвязывающим сайтом а-субъединицы инсулинового рецептора (ИР), что приводит к изменению конформации как а-субъединицы, так и функционально связанной с ней В-субъединицы рецептора. Результатом конформационных изменений является активация тирозинкиназного домена, расположенного в цитоплазматической части В-субъединицы, что ведет к его аутофосфорилированию по трем остаткам тирозина - Tyr1146, Tyr1150 и Tyr1151. Этот процесс является эволюционно древним и одинаково протекает как в клетках периферических тканей, так и в нейронах.

Фосфорилированная по остаткам тирозина В-субъединица ИР специфично взаимодействует с белками, субстратами инсулинового рецептора (IRS), а также с рядом других регуляторных и адапторных белков, содержащих фосфотирозинсвязывающие участки, что приводит к запуску внутриклеточных сигнальных каскадов и лежит в основе регуляции транскрипции зависимых от инсулина генов.

Изоформы IRS-белков

Наибольшее значение для передачи инсулинового сигнала имеют IRS-белки, которых в настоящее время известно шесть изоформ - четыре полноразмерных (IRS-1-IRS-4) и две укороченных с С-конца (IRS-5 и IRS-6).

Ключевую роль играют IRS-1 и IRS-2, которые экспрессируются практически во всех типах клеток и тканей. IRS-1 опосредует регуляторные эффекты инсулина на метаболические и ростовые процессы на периферии, в то время как IRS-2 в большей степени ответственен за центральные эффекты инсулина, включая контроль роста и дифференцировки нейрональных клеток, центральную регуляцию пищевого поведения, глюкозного гомеостаза и эндокринных функций.

Белки IRS-1 и IRS-2 представляют собой значительные по размеру белковые молекулы, в N-концевой части которых расположен плекстрингомологичный (pleckstrin homology, PH) домен и непосредственно следующий за ним фосфотирозинсвязывающий (phosphotyrosine-binding, PTB) домен. Основными функциями PH-домена являются обеспечение локализации IRS-белка вблизи плазматической мембраны, в основе чего лежит его специфическое взаимодействие с 3-фосфорилированными фосфоинозитидами, а также обеспечение эффективного взаимодействия IRS-белка с активированным ИР.

PTB-домен отвечает за эффективность взаимодействия между фосфорилированным инсулиновым рецептором и IRS-белком и за стабильность димерного комплекса ИР/IRS -белок. В основе этого лежит специфическое связывание PTB-домена с фосфорилированными NPXY-мотивами В-субъединицы ИР, в том числе с остатком Tyr972, который локализован в расположенном вблизи мембраны (юкстамембранном) домене инсулинового рецептора. Вслед за PTB-доменом следует протяженный трансдукторный домен, содержащий более 20 сайтов для тирозинового фосфорилирования, большинство из которых расположено в центральной части молекулы IRS-белка.

В С-концевой части IRS-1 и IRS-2 располагается С-концевой домен, который вовлечен в функциональное взаимодействие с SH2-доменсодержащими белками, которые являются основными эффекторами инсулиновой сигнальной системы. В этой связи следует отметить, что IRS-5 и IRS-6, лишенные С-концевого домена, плохо фосфорилируются и не способны передавать сигнал на SH2-доменсодержащие белки. В центральной области молекулы IRS-2 расположен уникальный участок (kinase regulatory-loop binding, KRLB), включающий остаток Tyr628. KRLB-участок после фосфорилирования при взаимодействии с активированным ИР подавляет дальнейшее фосфорилирование IRS-2, обеспечивая, таким образом, его функциональное взаимодействие только с определенными типами SH2-доменсодержащих белков.

В структуре IRS-белков имеются сайты для фосфорилирования по остаткам серина и треонина. Их фосфорилирование c-Jun N-концевой киназой-1 (JNK1) и другими протеинкиназами приводит к ингибированию активности IRS-белков и выключает их из сигнальной трансдукции, что может вызывать инсулиновую резистентность. В IRS-1 крысы мишенью для протеинкиназы JNK1 является локализованный в PTB-домене остаток Ser307 (Ser312 в IRS-1 человека), фосфорилирование которого нарушает ассоциацию между IRS-1 и тирозинкиназным доменом активированного гормоном ИР и блокируют передачу инсулинового сигнала к внутриклеточным мишеням.

Pelle-подобная протеинкиназа мышей (mouse Pelle-like kinase, mPLK), гомолог ассоциированной с рецептором интерлейкина-1 киназы человека (human IL-1 receptor-associated kinase, IRAK), осуществляет фосфорилирование IRS-1 по остатку Ser24, расположенному в PH-домене. Следствием этого является нарушение транслокации IRS-1 к плазматической мембране в ответ на инсулин-индуцируемую активацию инсулинового рецептора, что препятствует образованию функционально активного комплекса между ИР и IRS-1. В этой связи необходимо отметить, что замена остатка Ser24 на аспарагиновую или глутаминовую кислоту, которые мимикрируют фосфорилированный остаток серина, приводит к ингибированию IRS-1 и вызывает инсулиновую резистентность.

Инсулиновая резистентность

Поскольку активность mPLK-киназы повышается в условиях действия провоспалительных факторов, таких как фактор-а некроза опухолей (TNF-а), то фосфорилирование IRS-1 по остатку Ser24 является одним из молекулярных механизмов, ответственных за развитие инсулиновой резистентности в условиях активации воспалительных процессов. Еще одним негативным регулятором инсулинового сигнала является протеинтирозинфосфатаза 1B-подтипа (PTP1B), которая дефосфорилирует ИР и IRS-белки по остаткам тирозина, переводит их в неактивное состояние и блокирует ответ клетки на инсулиновый сигнал.

IRS-p53

Имеются данные о том, что в синапсах, обеспечивающих контакты между нейронами, имеется еще один класс IRS-белков - IRS-p53, которые ассоциированы с инсулиновым рецептором и фосфорилируются вследствие их активации инсулином. Белок IRS-p53 играет важную роль в реорганизации цитоскелета в процессе роста нейритов, а его отсутствие приводит к развитию нейродегенеративных заболеваний, что является одним из молекулярных механизмов, связывающих центральную инсулиновую резистентность и нейродегенерацию.

Фосфорилирование IRS-1 и IRS-2 по остаткам тирозина приводит к активации большого числа эффекторных белков, которые содержат SH2-домены, обеспечивающие их специфичное взаимодействие с фосфотирозинсодержащими сайтами IRS-белков (рис. 1). Среди них ферменты - фосфатидилинозитол-3-киназа (PI3K), SH2-доменсодержащая протеинфосфотирозинфосфатаза 2-го типа (SHP2), нерецепторная тирозинкиназа Fyn, адапторные белки - супрессоры-1 и -3 цитокинового сигналинга (suppressor of cytokine signaling, SOCS), белок-2, связанный с рецепторами факторов роста (growth factor receptor-bound protein 2, GRB2), онкогенный Nck-белок.

Результатом активации SH2-доменсодержащих белков является запуск нижележащих сигнальных каскадов, которые ответственны за регуляцию зависимых от инсулина транскрипционных факторов, вовлеченных в контроль роста, дифференцировки, апоптоза и других фундаментальных клеточных процессов.

Основной мишенью IRS-белков являются гетеродимерные изоформы PI3K - фермента, катализирующего образование вторичных посредников - 3-фосфоинозитидов. Функционально активный комлекс IRS-PI3K образуется вследствие специфичного взаимодействия фосфорилированных по тирозиновым остаткам мотивов YXXM, которые локализованы в трансдукторном домене IRS-1 и IRS-2, и двумя SH2-доменами, локализованными в регуляторной субъединице PI3K. Гетеродимерные PI3K состоят из одной регуляторной (p85a, p85В или p55y) и одной каталитической (p110a, p110В или p1105) субъединиц, и катализируют образование фосфатидилинозитол-3,4,5-трифосфата (PI-3,4,5-P3) из PI-4,5-P2.


Образовавшийся липофильный посредник, PI-3,4,5-P3, связывается с PH-доменами серин/треониновых протеинкиназ - 3-фосфатидилинозитол-зависимых протеинкиназ 1-го и 2-го типов (3-phosphatidylinositol-dependent protein kinase 1/2, PDK1/2) и протеинкиназы B, обычно обозначаемой как AKT-киназа (v-akt murine thymoma viral oncogene    homolog),    что вызывает их транслокацию к плазматической мембране. Будучи ассоциирована с мембраной, протеинкиназа PDK1 фосфорилирует AKT-киназу по остатку Thr308, расположенному в каталитическом сайте фермента (рис. 2).

Другие протеинкиназы - комплекс mTORC2 (mammalian target of rapamycin (mTOR) Complex 2) и ДНК-зависимая протеинкиназа (DNA-dependent protein kinase, DNA-PK) фосфорилируют AKT-киназу по остатку Ser473, расположенному в С-концевом домене фермента.

inssah2.jpg

Рисунок 1. Регулируемые инсулином сигнальные каскады

Фосфорилирование AKT-киназы сразу по двум сайтам приводит к полной ее активации, в результате чего в дальнейшем она фосфорилирует значительное число эфекторных белков, которые имеют окруженный гидрофобными аминокислотными остатками серин/треонин-содержащий мотив RXRXX(S/T). Эти белки вовлечены в регуляцию генной экспрессии, роста, метаболических процессов, клеточной выживаемости, ангиогенеза, дифференцировки, что указывает на исключительно важную роль AKT-киназы в контроле жизнедеятельности клеток. Нарушение функциональной активности AKT-киназы ведет к опухолевым заболеваниям, нейродегенерации, эндокринным и метаболическим расстройствам.

Одним из важнейших результатов активации AKT-киназы инсулином является транслокация в плазматическую мембрану инсулинзависимого транспортера GLUT4, что ведет к стимуляции захвата глюкозы клетками. В этом процессе участвует протеинкиназа С (PKC), одна из мишеней AKT-киназы (рис. 1). Транслокация GLUT4 может осуществляться и по независимому от AKT-киназы пути, вследствие активации регуляторных белков APS и c-Cbl, которые, как и IRS-белки, взаимодействуют с активированным ИР, но этот путь не является основным и функционирует, как правило, в условиях ослабления функциональной активности AKT-киназы.

Другими мишенями AKT-киназы являются протеинкиназный комплекс mTORC1 (mammalian target of rapamycin (mTOR) Complex 1), киназа-3 гликогенсинтетазы (GSK3), транскрипционные факторы BAD (BCL2 Antagonist of Cell Death), FKHRL1 (ForKHead-ReLated Family of Mammalian Transcription Factor-1), FBP-1 (forkhead-box protein-1) (рис. 1). Установлено, что AKT-киназа фосфорилирует по остаткам Ser939 и Thr1462 фактор TSC2 (tumor suppressor tuberous sclerosis factor 2), который является негативным регулятором протеинкиназного комплекса mTORC1, и таким образом, стимулирует активность mTORC1.

mTORC1, в свою очередь, активирует рибосомальную p70-S6-киназу (ribosomal protein S6 kinase, p70-S6K) и транскрипционный фактор eIF4E (eukaryotic translation initiation factor 4E), через которые осуществляется регуляция биогенеза рибосом, а также контролируются транскрипция, инициация трансляции и деградация белков. Активированная форма AKT-киназы фосфорилирует GSK3 по остатку Ser21 в случае изоформы GSK-3а или по остатку Ser9 в случае изоформы GSK3P. Оба этих остатка локализованы в N-концевом сегменте GSK3, и их фосфорилирование ведет к инактивации фермента. Таким образом, AKT-киназа ингибирует активность GSK3, что приводит к блокированию как негативного, так и позитивного влияния GSK3 на активность гликогенсинтетазы - ключевого фермента синтеза гликогена.

Эффект инсулина

Наряду с этим ингибирование активности GSK3 блокирует ее регуляторное влияние на активность множества транскрипционных факторов и их регуляторов, включая ядерный фактор kB (nuclear factor kB, NF-kB), фактор Snail (transcriptional repressor of E-cadherin expression), forkhead-транскрипционный фактор FKHRL1 (FOX3a) и родственный ему фактор FKHR (FOXOla), фактор BAD (Bcl-2 associated death promoter). Это обусловливает ключевую роль каскада IRS-1/PI3K/AKT-киназа/GSK3 в реализации эффектов инсулина на генную экспрессию, апоптоз и выживаемость клеток.

Имеется несколько механизмов негативной регуляции 3-фосфоинозитидного сигнального пути, что, с одной стороны, обеспечивает эффективный контроль реализуемых через него регуляторных эффектов инсулина, и с другой, может стать причиной нарушений инсулинового сигналинга и инсулиновой резистентности (рис. 2). Функции таких негативных регуляторов, как правило, выполняют фосфатазы - протеинфосфатаза-2 (protein phosphatase 2, PP2A), фосфатаза PTEN (phosphatase and tensin homolog, PTEN) и протеинфосфатазы-1 и -2, содержащие PH-домен и участки, обогащенные остатками лейцина (PH-domain leucine-rich-repeat-containing protein phosphatases, PHLPP1/2).

При этом фосфатаза PTEN предотвращает накопление в клетке 3-фосфоинозитидов, осуществляя гидролиз PI-3,4,5-P3, в то время как фосфатазы PP2A и PHLPP1/2 дефосфорилируют AKT-киназу, переводя ее в неактивное состояние. Недавно было показано, что негативным регулятором 3-фосфоинозитидного пути также является SH2-доменсодержащая инозитол-5'-фосфатаза 2-го типа (SH2-containing inositol 5'-phosphatase 2, SHIP2), которая экспрессируется в различных отделах мозга. Повышение экспрессии фосфатазы SHIP2 обнаружено в условиях СД 2-го типа и МС, а также при старении, что указывает на ее роль в развитиицентральной инсулиновой резистентности в условиях метаболических расстройств и при повышении возраста.

inssah3.jpg

Рисунок 2. Позитивная и негативная регуляция активируемого инсулином 3-фосфоинозитидного каскада

Наряду с IRS-зависимыми путями, инсулин активирует сигнальные каскады, которые ведут к стимуляции митогенактивируемых протеинкиназ (МАПК) (рис. 1). В основе этого процесса лежит взаимодействие ИР с различными классами адапторных белков, в первую очередь с SHC-белком (Src homology-2/a-collagen-related protein, SHC). В результате происходит активация адапторных белков и образование между ними функционально активных комплексов, в частности комплекса между SHC-белком, GRB2-белком (growth factor receptor-binding protein 2, GRB2) и обменным фактором SOS (son-of-sevenless, SOS), что приводит к ускорению ГДФ/ГТФ-обмена в гуаниннуклеотидсвязывающем сайте малых G-белков Ras-семейства, их активации и Ras-опосредуемой стимуляции Raf-киназы.

Активация Raf-киназы приводит к запуску каскада фосфорилирования нижележащих протеинкиназ, компонентов МАПК каскада - MEK-киназы (MAPK/ERK kinase, MEK) и ERK-киназ (extracellular signal-regulated kinases). ERK-киназы фосфорилируют и активируют множество цитозольных белков, включая 90 кДа рибосомальную S6-киназу (p90-S6K), фосфолипазу А2, белки цитоскелета, а также различные типы тирозинкиназ.

ERK-киназы способны проникать в ядро, где непосредственно контролируют экспрессию генов, осуществляя фосфорилирование и активацию эстрогенового рецептора ESR, транскрипционного фактора Elk-1, родственных ему белков Ets-семейства, транскрипционных факторов STAT-семейства (signal transducer and activator of transcription proteins), транскрипционных факторов CREB, c-Fos и c-Jun. Способность инсулина активировать МАПК каскад существенно расширяет спектр его биологических эффектов и обеспечивает взаимодействие инсулиновой системы с другими сигнальными системами, включающими компоненты митогенактивируемых протеинкиназ каскада.

А.О. Шпаков, К.В. Деркач
Похожие статьи
показать еще
 
Категории