细胞骨架在葡萄糖调节中的作用
摘要：细胞骨架在葡萄糖调节中起着重要作用，主要体现在以下三个方面：首先，细胞骨架通过引导包含胰岛素的小泡的胞内运输和调节胰岛素的释放来调节胰岛素的分泌。其次，细胞骨架参与胰岛素运动的作用，它调节胰岛素的受体底物的分布，GLUT4的转运和胰岛素受体的内化。除此之外，细胞骨架指导细胞内与葡萄糖代谢有关的酶类（包括糖原合成和许多糖异生的酶类）在细胞内的分布。
关键词：细胞骨架，葡萄糖调节，胰岛素
葡萄糖代谢的调节是一个复杂的生理过程，涉及包括胰岛素在内的许多不同的激素和一系列分子事件的发生。通过近些年的研究，细胞骨架主要在以下三个方面起着重要的生理作用：胰岛素的分泌，胰岛素的运动还有与糖代谢有关的酶类在细胞内的分布。在本文中，将就细胞骨架和葡萄糖代谢之间的关系进行讨论。
细胞骨架和胰岛素的分泌
胰岛素是一种调节糖代谢最重要的激素之一，胰腺的β细胞是体内产生胰岛素的唯一来源。在葡萄糖的刺激下，胰岛素的分泌分两个阶段进行。分泌的第一个阶段发生比较迅速（<200 兆秒），当细胞内的钙浓度达到2-3nM或者进食后3-5min，主要以邻近细胞膜的释放池中胰岛素颗粒的胞吐作用为特征。在第二个阶段胰岛素分泌慢且恒定，在葡萄糖吸收120 min后才发生，而且取决于胰岛素合成、成熟与含胰岛素小泡的运输。
胰岛的β细胞的细胞骨架主要有微管和微丝组成，它在胰岛素的分泌过程中起重要作用。微管为胰岛素从粗面内质网到高尔基体和细胞膜的直接运输提供了一个通道。微丝主要有以下三个方面的作用：第一它是阻止胰岛素小泡到细胞膜这一途径的一个障碍；第二，它影响胰岛素小泡和细胞膜的融合；第三，它涉及胰岛素小泡的细胞内运输。图一表明了细胞骨架在胰岛素分泌中的作用。
图1
在粗面内质网中前胰岛素原被加工成胰岛素原，然后胰岛素原随着微管构架再转运至高尔基复合体进一步被加工成为胰岛素。然后，胰岛素被高浓度的中心小泡(LDCVs)包裹。当用秋水仙素和长春花新碱处理，微管发生解聚，从胰岛素原到胰岛素的转化将被延迟。当胰岛素分泌小泡从高尔基体到细胞膜补充时，在LDCVs从细胞质最里面部分沿着微管网络到细胞膜，这个过程也需要微管系统和ATP，这个运动所需的能量有动力蛋白介导的水解酶提供。微观系统存在两种类型的动力蛋白—驱动蛋白和动力蛋白，它们分别驱动小泡沿着微管向正末端或负末端运动。活细胞猜想显示LDCVs经常改变方向，这表明了相反的双向运动，著名的驱动蛋白和动力蛋白可能参与。另一项研究显示LDCVs的胞吐作用主要有驱动蛋白介导，胞吐后小泡的内化主要有动力蛋白介导[1]。微管解聚和聚合的稳态是维持胰岛素分泌小泡运动的主要因素。当用秋水仙素使微管解聚或用有丝分裂阻滞剂nocodazole来稳定微管的聚合状态时胰岛素分泌的第二个阶段将被明显阻止[2]。
微丝网络主要分布在β细胞的外周部分，阻止胰岛素分泌颗粒接近细胞膜；然而微丝的破坏和重新组装对小泡在细胞膜里的锚定是非常重要的。用细胞松弛素或者梭状芽孢肉毒杆菌C2毒素破坏细胞微丝结构将促进胰岛素特别是第一阶段的分泌[3]。可溶性N－乙酰马来酰亚胺敏感的粘合蛋白受体(SNARE)是一种与胰岛素颗粒细胞膜融合联系紧密的蛋白。在隔绝状态下在质膜中的t-SNARE复合体与多聚合肌动蛋白整合，多聚合肌动蛋白这种过渡的破裂状态和膜中的t-SNARE复合体导致了胰岛素颗粒的胞吐作用，这暗示了微丝在阻止膜融合过程中起作用[4]。
除此之外，微丝也参与胰岛素颗粒的运输。曾显示当用肉毒杆菌C2毒素处理HIT-T15细胞时，胰岛素分泌，特别是第二阶段的分泌将被抑制，当用C2毒素处理本身的胰岛β细胞时也有轻微的抑制[3]。由细胞骨架介导的胰岛素颗粒运输的调节机制仍未完全搞清楚。很可能与动力蛋白、微管/微丝结合蛋白和一些小的G蛋白的磷酸化水平紧密相关。依赖钙调蛋白的蛋白激酶II (CaMK II)和依依赖cAMP的蛋白激酶(PKA)对葡萄糖或乙酰胆碱刺激β细胞的胰岛素分泌是重要的因素。曾显示微管-associated 蛋白(MAP2)和微丝-associated 蛋白(突触蛋白I) 是CaMK II和 PKA在 β细胞中的底物[5-9]。MAP2通过在胰岛素的分泌中介导微丝网络的稳态，对微管的稳定有重要的影响。由CaMK II引起的突触蛋白I的磷酸化仍然没有很好的定义[10-12]。
通常认为它可能涉及保持微丝网络的完整性。除此之外动力蛋白的磷酸化在胰岛素的分泌过程中起重要作用。肌球蛋白的重链或轻链的磷酸化改变肌球蛋白和肌动蛋白之间的联系，以调节胰岛素颗粒的运动[13-17]。驱动蛋白位于微丝网络和β颗粒中。在胰腺的β细胞中当钙离子水平低时，酪蛋白激酶2促使驱动蛋白的重链发生磷酸化，但是当钙离子升高时，很快被蛋白磷酸酶2B去磷酸化。磷酸化的驱动蛋白的重链与微丝结合，最终驱动胰岛素颗粒向着微丝的正极移动[18]。Rab27和它的结合蛋白Slac2c/MyRIP 能调节胰岛素颗粒和皮层肌动蛋白网络的联系。Slac2c/MyRIP的肌动蛋白结合域的超表达和Rab27的表达被RNA干涉的选择性抑制都导致胞吐作用的潜在抑制[19]。Cdc42 是一种Rho家族GTP酶，它的激活形式能够促进肌动蛋白的聚，葡萄糖导致Cdc42快速而可逆的糖基化，这显示皮层肌动蛋白的重新形成可能被这种选择性糖基化诱导 [20]。
细胞骨架和胰岛素的运动
细胞骨架对维持葡萄糖代谢的平衡是重要的，能使胰岛素发挥正常的生理作用。细胞骨架涉及胰岛素受体底物(IRS)的分布，葡萄糖转运蛋白4（GLUT4）的转运和胰岛素受体的内化(INSR)。因此细胞骨架的功能异常很可能降低或阻塞胰岛素信号，导致胰岛素的抗性。（细胞骨架和胰岛素运动的关系见图2）
图2
细胞骨架和IRS的分布。在细胞中IRS主要存在于细胞骨架的组分和细胞溶胶中，在正常条件下在这两个贮池中动态流动。只有当IRS位于细胞骨架时，才是有功能的，随着磷脂酰肌醇激酶3(PI3K)从细胞溶胶到达细胞骨架，IRS能够在胰岛素的刺激下使酪氨酰基磷酸化。在细胞溶胶中对胰岛素的刺激基本上没有反应，这很可能是由于对INSR的不能接受。因此，IRS在细胞骨架中的定位为INSR提供了比较方便的位点，同时方便了与PI3K的联系，这导致了胰岛素信号的高效率传导[21]。
自然地，胰岛素处理引起了IRS从细胞骨架到细胞溶胶以合适水平释放。但是在胰岛素抵抗的情况下，曾观察到太多的IRS被释放到细胞溶胶中，这导致了酪氨酰基磷酸化水平的IRS在细胞骨架的碎片中大量的减少，同时PI3K向细胞骨架碎片的转运也减少。这显示了，细胞溶胶中过多地聚集IRS蛋白质导致了胰岛素抵抗状态的产生[21]。现在还没有清楚地表明是什么原因导致IRS蛋白向细胞溶胶中的过多释放；这很可能与Ser/Thr的磷酸化水平有关[21]。
细胞骨架与GLUT4的转运。GLUT4主要存在于细胞溶胶中的脂肪和肌肉细胞中，是那些组织中吸收葡萄糖最重要的葡萄糖转运蛋白。GLUT4的转运（把葡萄糖带入细胞中）在胰岛素的刺激下发生迅速。先前曾报道由胰岛素引起的细胞骨架的结构和功能的改变在GLUT4转运中在下面几个方面起着重要作用。第一，微管是阻止GLUT4进入细胞膜的障碍。第二，微管的重新组装需要一些特别的信号分子或者与膜融合有关的蛋白与GLUT4小泡结合。第三，微丝和中间丝对包含GLUT4的小泡正确的细胞内定位是必要的。第四，微管涉及胞内运输GLUT4小泡。
微丝系统的结构完整性对GLUT4小泡在胰岛素刺激下的转运是必要的，微丝的解装配将阻塞GLUT4到质膜的通道[22-27]。在脂肪和肌肉细胞中，胰岛素明显引起皮层肌动蛋白从纤维状到微粒状的重新组装，细胞的表面出现细胞膜的边缘波动[22-24]。微丝系统的重排在GLUT4的胞吐作用中扮着重要生理角色。一方面，肌动蛋白微丝结构稳定剂的应用能够阻止GLUT4到细胞膜的运输，这证实了肌动蛋白微丝的重新组织对GLUT4通过细胞膜是必要的。另一方面，重新排列的微丝网络收集包含GLUT4的小泡和其它重要的胰岛素信号分子，例如 PI3K和akt1，与GLUT4相融合, 这方便了胰岛素信号传至 GLUT4 [28, 29]。另外，由重新排列的肌动蛋白微丝提供支持的许多膜融合相关的蛋白质包括tSNARE，突触融合蛋白4，和SNAP23存在于细胞膜边缘波动区，它们为由GLUT4和上述提及的膜融合有关的蛋白质引起的膜融合提供空间条件[28]。
胰岛素刺激微丝重新组装的机制仍然没有搞清。在肌肉细胞中，很可能由PI3K和小的G蛋白 Rac介导，在脂肪细胞中肌动蛋白活跃的特性很可能取决于与Cbl/Cbl有关的蛋白(CAP)/TC10-α系统[30].
胰岛素通过促进GLUT4蛋白从核周的区室到细胞的表面转运来刺激葡萄糖运输。在未受刺激的脂肪细胞中GLUT4主要存在于核周的区室中，只有当微管和中间丝功能正常时才在胰岛素的作用下快速转运至细胞表面[31, 32]。在脂肪细胞中GLUT4存在于两种贮池中，内体池和一个特别的称作“GLUT4 贮存小泡”的贮池中; 只有后一个贮池与胰岛素刺激的GLUT4的运输相关。两种运动蛋白参与GLUT4的定向运动，驱动蛋白提供胰岛素刺激GLUT4运送到细胞膜的能量[33-36]，动力蛋白提供GLUT4小泡沿微管向核周的运动的动力[31-37]。
在脂肪蛋白中，胰岛素处理增加了α微管蛋白的完全聚合程度，与微管相关的动力驱动蛋白由PI3K/PKCλ和Rab4活化，动力蛋白被PI3K和 Rab5抑制，因此能够促进GLUT4向细胞膜的运输和阻止其内化[35-37]。以上所述的所有的研究成果是通过脂肪细胞获得的，肌肉细胞中微管的功能仍然需要进一步研究。肌动蛋白微丝由latrunculin B引起的解聚作用，仅仅引起GLUT4在胰岛素而非PDGF（一种生长因子，在肌动蛋白的重新组装中也需要）作用下的转运极其重要的抑制。这表明在肌肉细胞中GLUT4的转运机制有两种，只有在胰岛素诱导下的GLUT4转运路径中微丝的完整性是必要的[38, 39]。
细胞骨架和胰岛素受体的内化(INSR)。胰岛素胰岛素受体复合物的内化（发生在一混合时），这对维持细胞对胰岛素的敏感性来说是非常重要的。这个复合体被转运至溶酶体，在溶酶体胰岛素被消化，然后INSR循环回到细胞表面。如果CHO-T 细胞系 (一种中国仓鼠卵巢细胞系超表达INSR )用latrunculin B处理，来诱导微丝系统的解装配，INSR的内化将被抑制，但是微管的解装配对此却没有影响[40]。INSR内化的调节机制至今仍没完全搞清楚，但是它很可能与特定的胞外基质蛋白有关。当细胞黏着于纤连蛋白、胶原蛋白或者透明膜糖蛋白，微丝压力纤维出现，这很可能导致促进INSR内化。相反，当细胞黏着于半乳糖结合蛋白8，F肌动蛋白产生微端丝，这可能是内化率下降的原因。
细胞骨架和与葡萄糖代谢有关酶的胞内分布
在肌肉和肝细胞中，细胞骨架参与糖原合成和糖的酵解，它与糖原合成和许多糖酵解的酶的胞内分布有密切关系。微丝—微管的解组装系统将导致糖原合成的减少[41,42]。糖原合酶是糖原合成中一种重要的仙速酶，它在胞内的分布有一定特征。在葡萄糖的刺激下，糖原合酶与细胞骨架发生作用，这造成糖原合酶从细胞质到细胞外周的转运，并与肌动蛋白微丝相结合。微丝的解组装将抑制糖原合酶的转运[43, 44]。
糖酵解酶，磷酸果糖激酶，烯醇化酶，丙酮酸激酶存在于细胞骨架的结构中，这给底物的运输提供了方便[45]。我们实验室的研究证实了，泛酸激酶4在葡萄糖的调节中，经过它与丙酮酸激酶的联系[46]，还与下游调节一些细胞骨架组分例如F肌动蛋白。磷酸果糖激酶是糖酵解途径中的限速酶，它与细胞骨架的结合是可逆的，与可溶的磷酸果糖激酶相比，必须细胞骨架的磷酸果糖激酶对有果糖1，6二磷酸酶介导的变沟调节是不敏感的[47]。局部ATP浓度增加时，胰岛素能够迅速刺激磷酸果糖激酶与细胞骨架的结合，ATP浓度的增加为细胞骨架的迅速重排提供了足够的能量[48,49] 。必须细胞骨架的磷酸果糖激酶在患糖尿病的STZ小鼠的腓肠肌肌肉中明显减少[50]。
糖尿病，一种代谢综合症主要的表形，现在是世界范围内最普通的疾病之一。细胞骨架与葡萄糖调节的几个关键步骤有密切联系，这表明细胞骨架的功能异常很可能在糖尿病发病的起始阶段起着重要作用。
本论文是在中国国家973项目 (2004CB518602)，中国国家自然科学基金会(30471930)和中国教育部Ph.D.计划基金会的支持下完成的(20030023020)。
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