葡萄糖是細胞能量的主要來源, 從細胞外順濃度梯度進入細胞, 依賴于葡萄糖轉運蛋白 (GLUTs) 協助運輸。 目前研究發現有14 種GLUT轉運蛋白, 每一種GLUT對于特定的己糖都有獨特的親和力和特異性, 同時也有特異的組織分布和生理功能[1]。 其中, GLUT4 是動物機體中轉運葡萄糖的主要蛋白, 主要表達在脂肪細胞和骨骼肌細胞[2]。 在肥胖、2 型糖尿病等胰島素抵抗的狀態下, GLUT4 的調節受損。 對GLUT4 轉運機制的探索是多年來的熱點[3,4], 近年來對其作用的相關蛋白包括v-SNAREs蛋白也有了逐步清晰的認識[6], 該文特綜述如下。
1 GLUT4 轉運機制
GLUT4 在細胞內定位廣泛, 在基礎狀態下, 只有小部分位于細胞膜上, 而大多數存在于胞內細胞器膜上。這些細胞器包括等包括分選內體 (sorting endosome, SE) , 再循環內體 (recycling endosome, RE) , 反面高爾基網絡 (trans-Golgi Network, TGN) 和GLUT4 儲存囊泡 (GLUT4 storage vesicles, GSVs) 等。 其中GSVs中GLUT4含量豐富, 對胰島素的刺激敏感, 對GLUT4 轉運至關重要[7]。
GLUT4 胞吐與胞吞的動態平衡, 是維持葡萄糖正常攝取及血糖穩定的重要因素[4]。 GLUT4 的作用特點, 與其它GLUT不同, 主要接受胰島素調控[8]。在胰島素刺激下, 大量的GSVs通過胞吐作用, 使細胞膜上的GLUT4 量增加為基礎狀態下的10 余倍, 促進細胞吸收和利用葡萄糖, 從而降低血糖。 胞吐包括GSVs定向移位 (moving) 、停泊 (docking) 、融合 (fusion) 等一系列過程[5]。當撤除胰島素刺激后, 細胞通過胞吞作用回收GLUT4, 經過內體、TGN等加工、分選再次貯存于GSVs中。 除了胰島素刺激外, 運動、肌肉收縮、缺血、缺氧、高滲狀態等刺激也可以使細胞膜上的GLUT4 分布增加, 機制可能是促進GLUT4 的胞吐過程和 (/或) 抑制其胞吞過程[9]。
GLUT4 轉運經特定的信號通路調控, 胰島素刺激主要通過PI3K信號通路, 運動、缺氧等刺激則可能通過AMPK信號途徑[10,11]。 病理狀態下, GSVs移位、胞吐障礙, 或胞吞增強, 可導致GLUT4 在細胞膜上的分布減少, 是導致胰島素抵抗并最終誘發糖尿病的重要因素[12,13]。
研究證實, 真核生物中所有轉運囊泡以及細胞器膜上都帶有各自特有的可溶性N-乙基馬來酰亞胺敏感因子附著蛋白受體家族 (Soluble NSF attachment protein receptors, SNRAEs) , 可分為靶膜上的t-SNAREs和囊泡表面的v-SNAREs。 它們之間高度特異的相互作用, 是保證囊泡轉運的基本分子機制。 充足的證據表明SNAREs蛋白在GLUT4 轉運, 特別是胰島素介導的轉運中起到關鍵作用[12,14,15,16]。 在動物模型[17]和細胞模型[15]均證實tSNAREs在GLUT4 轉運到細胞膜上是不可缺少的。
2 V-SNAREs對GLUT4 轉運的作用
V-SNAREs的主要蛋白為VAMPs (vesicle associated membrane proteins, 囊泡相關膜蛋白) 亞家族[6], 目前發現共有VAMP1-5、7、8 七種亞型。 在脂肪細胞中, 除VAMP1 外發現均有表達[18], 其中VAMP8 和VAMP3含量最豐富。 實驗證明, 脂肪細胞同時敲除VAMP2、VAMP3 和VAMP8 可完全抑制胰島素誘導的GLUT4轉運[19]。 GSVs和細胞膜的融合是胰島素作用下GLUT4轉運的關鍵步驟, 在GSVs上發現VAMP2、3、8, 提示在胞吐過程中具有重要作用[14,19]。 在骨骼肌中免疫共沉淀, 提示VAMP2、3、5、7 可以作用于GSVs[20]。 在內體上發現VAMP3、VAMP4、VAMP7、VAMP8, 提示這些可能參與了內體與細胞膜、TGN、GSVs之間的轉運, 調節GLUT4的內吞、分選、再循環利用[21]。
2.1 VAMP2
多數研究表明, VAMP2 是介導GLUT4 轉運的主要V-SNARE, 特別是胰島素刺激下的GSVs胞吐過程[14,18,22,23], 在多種細胞模型均有足夠的證據。 在脂肪細胞中, VAMP2 基因敲除后, 對基礎狀態下的GLUT4 轉位無影響, 但明顯降低胰島素刺激的GLUT4 轉位, 其它VAMPs基因敲除后無明顯變化[18], 表明VAMP2 介導了胰島素刺激的GLUT4 轉運。 多數研究支持VAMP2 在GLUT4 轉運中是不可缺少的[12,15], 但也有研究提示其可被VAMP3 或VAMP8 替代[14,19]。 另外, 在肌細胞中觀察到VAMP2 也參與了胰島素刺激下的GLUT4 內化[23]。
2.2 VAMP3
主要位于在不同階段的內體中, 通常被認為介導非胰島素刺激下的GLUT4 轉運[10,24]。 在心肌細胞中, 研究發現, 寡霉素或收縮通過AMPK信號途徑促進GLUT4 向細胞膜轉運, 而VAMP3 參與了這一過程[10]。在正常條件下, VAMP3 不影響胰島素刺激的GLUT4 轉運, 在心肌細胞的胰島素抵抗早期模型中, VAMP3 也參與胰島素刺激的GLUT4 轉運, 但依賴于VAMP2 的持續存在[25], 推斷胰島素抵抗狀態下, VAMP3 對胰島素刺激的GLUT4 轉運起保護作用[25]。 也有研究表明, VAMP3可能調控GLUT4 從早期內體向TGN轉運[21]。 動物模型觀察到, VAMP3 基因敲除的小鼠不影響生長發育和不會增加體重, 也不影響空腹血糖和胰島素水平[26], 無論胰島素刺激還是其它刺激對血糖攝取均無變化[26]。 這些研究顯示, VAMP3 的作用可能比較小, 或可以被其它VAMPs替代。
2.3 VAMP4
主要位于TGN, 參與了TGN與早期內體之間的囊泡運輸[21,27], 也介入了GLUT4 從TGN向胰島素敏感的GSVs轉運過程[18]。 也有報道VAMP4 基因沉默后, 對GLUT4 的轉運無影響[10]。
2.4 VAMP5
位于細胞膜[28], 高表達于肌肉細胞, 與肌管的細胞膜以及胞內囊泡結構相關, 通常被認為可調整囊泡的停泊和介導囊泡與靶膜的融合, 對骨骼肌和心肌的膜轉運有重要作用[29,30]。 研究表明, VAMP5 和GLUT4 的在肌細胞分布模式一致[30], 在肌肉收縮時可介導GLUT4轉位[20], 在心肌細胞能介導胰島素刺激的GLUT4 轉運[10]。
2.5 VAMP7
主要位于內體和溶酶體、細胞膜, 參與了內體與溶酶體間的囊泡轉運[31]。 VAMP7 可以介導高滲狀態下的GLUT4 轉運[18]。 研究表明, VAMP7 促進GLUT4 的回收利用, 而且發現其在基礎狀態或高滲狀態下的作用比胰島素刺激下的作用更加明顯[9]。VAMP7 敲除后的心肌細胞基礎狀態下細胞膜上的GLUT4 增加[10]。
2.6 VAMP8
在細胞膜、早期內體、晚期內體、反面高爾基體網絡等細胞器上發現, 提示其作用廣泛。 研究表明, VAMP8 介導了GLUT4 的內吞作用[18,32], VAMP8 敲除的脂肪細胞, GLUT4 的內吞作用明顯減少[18], 從而保留在細胞膜上的GLUT4 增多, 促進葡萄糖攝取。在該研究中發現, VAMP8 基因敲除的小鼠可以減少肥胖, 增加能量消耗和改善胰島素敏感性[33]。
大量的研究證實VAMPs為GLUT4 轉運中所必須, 但各型VAMPs在具體過程的作用仍存在爭議, 它們之間的作用是相對獨立還是可以替代[12,19]。 可能與不同的模型和不同的刺激條件下, 從多個方面探索VAMPs的作用有關。 因此在這一領域仍有許多關鍵問題的探索值得期待。
3 展望
胰島素抵抗是多種代謝疾病的源頭, 糖代謝異常、肥胖、脂代謝紊亂和高血壓等常同時出現在同一個體, 稱之為 “代謝綜合征”, 其發病率的日益增高, 為個人和社會帶來巨大負擔, 如何改善胰島素抵抗備受關注。GLUT4 轉運障礙被認為是胰島素抵抗的重要機制, 也是藥物治療的新靶點, SNAREs學說在GLUT4 轉運中具有舉足輕重的地位, 對其不斷闡明將對與胰島素抵抗相關疾病的防治具有及其重要的意義。 目前發現在臨床上常用的改善胰島素抵抗的藥物, 機制可能與改善GLUT4 轉運障礙有關[34,35,36], 對其具體機制值得進一步探索。
摘要：葡萄糖轉運子4 (GLUT4) 是主要的葡萄糖轉運蛋白, 它在細胞內轉運過程十分復雜, GLUT4轉運障礙與肥胖、糖尿病等疾病相關, 對其轉運機制的探討是一直以來的熱點。大量的研究證實v-SNAREs為GLUT4轉運中所必須, 但其包括多種亞型, 近年來多方面的探索取得了進展。該文主要對GLUT4轉運機制和v-SNAREs的進展進行綜述。
關鍵詞：GLUT4,GLUT4儲存囊泡,v-SNAREs,VAMPs
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