胰高血糖素样肽1的结构及生物学作用研究进展

解放军医学杂志 2011年8月 1日第 36卷 第 8期 Med J Chin PLA，Vo1．36，No．8，August 1，2011 ·875 · 胰高血糖素样肽 1的结构及生物学作用研究进展 金玉翠，申传安，柴家科 [关键词] 胰高血糖素样肽 1；糖尿病，2型；胰岛素分泌细胞 [中图分类号] R374．8 [文献标志码] A [文章编号] 0577—7402(2011)08-0875—04 胰高血糖素样肽 1(glucagon-like peptide-1，GLP-1)是肠道 I 细胞分泌的一种重要的肠肽激素，可通过其受体作用于胰腺组 织，调控 caMP、PI3K和 MAPK等信号通路，促进胰岛素分泌、 刺激 口细胞增殖和抑制 p细胞凋亡，还作用于神经系统、肝脏、 骨骼肌和心肌等多种胰腺外组织，从多个靶点和环节调控糖代 谢，并具有高血糖依赖性促胰岛素分泌的作用。GLP-1是近年 来调控糖代谢药物的研究热点，本文就其结构、生物学作用和信 号机制的研究进展作一综述。 1 GLP-1的生成与结构 GLP-1是由远端回肠、直肠和结肠的 L细胞分泌的一种肠 肽激素，其前体为胰高血糖素原(proglucagon，PG)。编码 PG的 基因在胰腺n细胞和肠道 I 细胞内均有达，但该基因在两种 细胞中的最终加工产物不同(图 1)。胰腺 a细胞分泌的PG被 裂解为PGI~30(肠高血糖素相关性胰多肽，GI P)、PO33 61 (胰高血糖素)、PG64~69(插入肽 1)和 PG72 158(胰高血糖素 原主 要 片 段)。肠 道 I 细胞 分 泌 的 PG 被裂 解 为 PG1～3O (GI P)、PC,-33~69(胃泌酸调节素)、PG72~108(GLP-1)、PG111 ~ 123(插入肽 2)和 PG126~158(GI．P-2)。GLPq(PC-72--108)含 有 37肽，在肠道中被进一步酶解切除 N端 6肽，形成 GLP-1(7 ～ 37)，8O 的 GI 1(7～37)发生酰胺化，形成 1(7～36) NH2，这两种形式均具有生物活性_】]。GLP-1(7～36)NH2的氨 基酸序列在哺乳动物中高度保守 2¨]，其一级结构为 His7一 a- Glu-Glyl0-Thr-Phe-Thr-Ser-Aspl5—‘Val-Ser-Ser-Tyr— Leu20-Glu- Gly-Gln-Ala-Ala25一I ys-Glu-Phe-IleAla30-Trp—Leu-VabI ys_Gl Arg36一NH2。 30 j3 6 69 72 髅腺 r～一—]r⋯～一_『_一1]一～⋯一一一⋯一⋯一一⋯～～1 肠道 GRPP 泌黢渊 豢 GJ，P一1 插入敞2 GI_P一2 图 1 胰高血糖素原在胰腺和肠道不同裂解产物示意图 GRPP．肠高血糖素相关胰多肽 GLP-1是一种血糖依赖性的肠肽激素。食物(特别是葡萄 [基金项目] 国家自然基金面上项目(30971128) [作者单位] 100048 北京 解放军总医院第一附属医院烧伤整形科 (金玉翠、申传安、柴家科) [通讯作者] 申传安，E-mail：shenchuanan@yaho~COiTI 糖、脂肪)等能直接刺激 GLP-1的释放ll3]。空腹时，体内 GLP-1 浓度为 0．4～1．4pmol／L，进食几分钟后，体内 GLP-l浓度开始 升高，在餐后 30~60min可达 1O～12pmol／L。体内的二肽基肽 酶IV(dipeptidyl peptidaseⅣ，DPPⅣ)可特异性识别 GLP-1多肽 链第 2位的Ala残基，并切除N端的二肽，产生酶解产物GLP-1 (9~36)NH2。GLP-l体内生物半衰期很短，仅 2~6min，代谢速 率 12rain左右，经肝、肾排出体外l4]。GLP-1(9～36)NH2与 GLP-1受体亲和力降低，曾被认为无生物学活性，但近年研究证 实其在肝脏和心肌中仍具有类胰岛素功能l5捌。 2 GLP-1受体 1987年，Drucker等[7 首先在大鼠胰岛瘤细胞 RIN1046238 中检测到GLP-1受体，1992年Thorensl8 克隆了该受体。GLP-1 受体是 G蛋白耦联受体 B家族中胰高血糖素样受体亚家族的 一 员，其最明显的特征是有相对较长的胞外 N端序列，通过 3对 二硫键形成一球状结构域，该区域和 7个跨膜区段间通过特定 氨基酸残基之间的相互作用形成复杂的空间构象，在配体结合 过程中起着关键作用。 GLP-1受体广泛分布于胰腺、大脑、肺、肾脏、胃、心脏等组 织。在葡萄糖代谢的主要外周组织(如肝脏、骨骼肌、脂肪组织) 中，也发现存在高亲和力的 GLP-1结合位点。2010年，Gupta 等lg 首次在人肝细胞中检测到 GLP-1受体的核糖核酸和蛋白， 研究发现 GLP-1与肝脏、骨骼肌细胞膜受体蛋白结合后产生的 受体后信号作用机制与作用于胰腺 8细胞中的不同。GLP-I受 体分布于多种组织决定了其生物学作用的广泛性和重要性。 3 GLP-I对胰腺的作用 3．1 促胰岛素分泌和生物合成 3．1．1 血糖依赖性促胰岛素分泌作用 GLP-i具有高血糖依 赖性地促进胰腺 8细胞释放胰岛素的作用，血糖水平正常或低 于生理水平时，其促胰岛素分泌作用也变弱，从而可避免低糖血 症的发生。正是这种高血糖依赖性作用特点使其成为近年来调 控糖代谢药物的研究热点。 3．I．2 促胰岛素分泌和生物合成的作用机制 GLP-1与胰腺 8 细胞膜上的受体结合后，活化受体 亚基， 。亚基与葡萄糖 诱导活化的 ca2 ／CaM 共同作用激活腺苷酸环化酶(adenylate cyclase，AC)，使胞内环腺苷酸(cyclic AMP，cAMP)水平升高。增 加的cAMP一方面能使 K 一ATP酶磷酸化，导致 K 通道关闭， 细胞膜去极化，随后 Ca2’-通道开放， 。 内流；另一方面 cAMP 能进一步激活下游的效应蛋白，包括蛋白激酶 A(PKA)和直接 被 cAMP活化的交换蛋白(exchange protein directly activated by cAMP，EPAC)，EPAC能抑制 K 通道的活性并促进胞内钙库 Ca2 释放_】 。胞外 Ca* 内流和胞内钙库 Ca2 释放，刺激胰岛 素从 口细胞排出，从而促进了胰岛素的分泌。 另外，Wang等D2]研究发现，大鼠注射 GLP-1后可增加胰岛 素、葡萄糖转运体 2(Glut-2)、己糖激酶I以及葡萄糖激酶等基因 的表达，增强胰岛 B细胞对葡萄糖的敏感性。GLP-1促进胰岛 解放军医学杂志 2011年 8月 1日第 36卷 第 8期 Med J Chin PLA，Vo1．36，No．8，August 1，2011 素基因转录和生物合成也是通过 cAMP／PKA依赖和非 H(A依 赖的 EPAC激活机制L1“43。 3．2 促进胰腺 B细胞增殖 GLP-1可通过激活胰腺一十二指肠 同源框 1(pancreatic duodenal homeobox-1，Pdx-1)途径及 PKA途 径促进胰腺 B细胞的增殖。 3．2．1 Pdx-1途径 Pd 1与胰腺发育及维持 B细胞正常形态 功能密切相关，在胰腺生长发育过程中有两方面的作用：促进胰 腺的早期发育和晚期 B细胞分化；维持成熟 p细胞的正常形态 和功能。此外，Pdx-1是胰腺多基因调控网络的中枢基因，其 5侧 翼区与其他转录因子结合后可调控胰腺的激素分泌，而 Pdx-1蛋 白与胰岛素基因启动子结合后可调控胰岛素的分泌及表达水平。 GLP-1能增加 Pdx-1的表达，促进其向核内转移并与胰岛素基 因启动子结合，从而增加 G细胞的增殖和胰岛素分泌，其作用机 制是：GLP-1能反式激活表皮生长因子受体(epithelial growth factor receptor，EGFR)，EGFR激活磷脂酰肌醇 3激酶(phos— phatidyl inositol 3-kinase，PI3K)及其下游的PKB／Akt和丝裂原 活化蛋 白激酶 P38(mitogen-activated protein kinase P38，P38 MAPK)[14q53。被激活的Akt可以阻止叉头转录因子 O1(fork— head boxO1，FoxO1)进入细胞核内，产生细胞核排斥，进而解除 FoxO1对 Pd 1和 FoxA2的抑制作用，使 Pdx-1表达增加。同 时，GLP-1能加速 Pdx-1转移到细胞核，与胰岛素基因启动子结 合，最终导致 8细胞的增殖和胰岛素的分泌增强。 3．2．2 PKA途径 GLP-1与胰岛 G细胞上的受体结合后，激活 AC，使胞内cAMP水平升高，c 胛 进一步激活PKA，PKA能增 加 cAMP应答元件结合蛋白(cAMP response element binding， CREB)的转录活性，进一步上调胰岛素受体底物 2(insulin recep tor substrate 2，IRS2)的表达，从而促进 B细胞的增殖l_j 。 3．3 抑制胰岛p细胞凋亡 GLP-1抑制胰岛p细胞凋亡的主要 机制是通过降低凋亡基因 caspase-3 mRNA的转录水平及转录 后活性，同时上调抗凋亡基因Bcl-2及 Bcl-xL的表达水平，从而 抑制 p细胞凋亡。Quoyer等_1 研究发现，GLP-1能通过J}arres— tin 1激活 ERK1／2，ERK1／2进一步磷酸化 Bad蛋白，抑制胰腺 细胞凋亡。最近的研究发现，GLP-1激活 cAMP信号通路后，能 增加胰岛素样生长因子 1受体(IGF_1R)的表达，而在 ⅦN6细胞 和B细胞中减少 IGF-1R的表达，可抑制 GLP-1的抗凋亡作用，提 示在 GLP-1抗凋亡的过程中IGF-1R起着重要的作用[18_(图2)。 胰娲B细胞的增殖 j． 胰岛B细胞豹凋亡 图 2 GLP-1在胰岛口细胞中的信号转导途径 3．4 增加生长抑素释放，抑制胰高血糖素分泌 GLP-1能促进 胰岛 细胞分泌生长抑素，抑制a细胞释放胰高血糖素。8细胞 上有 GLP-1受体表达，但 a细胞上无 GLP-1受体表达，因此 GLP-1抑制a细胞释放胰高血糖素的作用可能与其刺激胰岛素 和生长抑素分泌增加有关。GLP-1促进胰岛素分泌和抑制胰高 血糖素分泌的双重作用，使血浆中胰岛素和胰高血糖素浓度的 比值显著增大，这对维持血糖水平有重要作用。 4 GLP-1对胰腺外组织的作用 4．1 GLP-1在神经系统中的作用 GLP-1是小分子物质，能穿 过血一脑脊髓屏障进入中枢神经系统发挥作用。在下丘脑、脑干 及小脑中均有 GLP_1受体表达。 4．1．1 作用于中枢食欲控制系统，增加饱食感 GLP-1通过下 丘脑外侧区、脑丘背内侧核和下丘脑腹内侧核等多个大脑区域 传导饱食感神经冲动，激发摄食终止信号，产生饱食感【1 。 4．1．2 抑制胃肠道排空 GLP-1抑制胃肠道排空主要是通过 迷走神经、中枢神经系统的 GLP-1受体和脑干的感觉神经传人 神经纤维发挥作用_2 。胃排空抑制作用使营养物质进入小肠 的速度和吸收减慢，从而减少进食量，间接降低血糖浓度，有助 于调控血糖。 4．2 GLP-1对肝脏的作用 GLP-1能促进肝糖原合成，抑制胰 高血糖素刺激的肝糖原分解。Redondo等 报道GLP-1能激活 大鼠肝细胞 H3K／PKB、p70s6k和 p42MAPK通路。PI3K抑制 剂渥曼青霉素(wortmannin)能部分抑制 GLP-1对糖原合成酶 的刺激作用，p70s6k抑制剂雷 帕霉素(rapamycin)或 MEK／ MAPKs抑制剂 PIN8059不影响GLP-1对糖原合成酶 d活性的 增强作用，但 PD98059能在一定程度上减少肝糖原的合成。该 结果提示，GLP-1对肝糖原代谢作用的信号转导通路与胰岛素 信号通路相似，主要通过激活 H3K和 MAPK通路来增强糖原 合酶a的活性，促进肝糖原合成，而 GLP-1激活 p70s6k通路与 糖原合成无关，提示 GLP-1除促进肝糖原合成外，还有其他的作 用。另外，GLP-1可通过调控肝脏组织中GIut-2的表达，促进肝 脏对葡萄糖的摄取。 4．3 GLP-1对骨骼肌的作用 4．3．1 促进肌糖原合成 Acitores等l2 ]报道 GLP-1可以激活 大鼠骨骼肌细胞 PI3K／PKB和 MAPKs，增强糖原合酶 a活性， 促进肌糖原合成。生理浓度的GLP-1作用于人肌细胞，具有类 似胰岛素的功能：刺激糖原合成酶 的活性，促进肌糖原合成； 增加葡萄糖的利用和氧化；抑制糖原磷酸酶 a的活性_2 。有研 究报道，在 2型糖尿病大鼠模型中，GLP-1对骨骼肌细胞的各种 激酶(包括 PI3K／PKB和 MAPKs)没有作用 ]。 4．3．2 增加骨骼肌细胞对葡萄糖的摄取和利用 GLP-1能增 加骨骼肌细胞对葡萄糖的摄取和利用 持续皮下注射 GLP-14 周后，糖尿病大鼠对胰岛素的敏感性提高了88 ，骨骼肌葡萄糖 摄取量增加了2．4倍_2 。Gor~alez等 2¨ ]证实，GLP-1是通过激 活 PIaK／PKB、p42／44MAPK和p70s6k激酶调控葡萄糖转运的。 GLP-1能增加骨骼肌细胞中葡萄糖转运体 4(Glut-4)的表达，促 进骨骼肌细胞对葡萄糖的摄取。 既往研究认为，GLP-1在外周的降血糖作用可能通过其促 进胰岛素分泌和抑制胰高血糖素释放来实现。但近年来越来越 多的研究证实GLP-1与肝、骨骼肌之间存在直接作用，其抑制糖 解放军医学杂志 2011年 8月 1日 第 36卷 第 8期 Med J Chin PLA，Vo1．36，No．8，August 1，201l 原输出和促进骨骼肌葡萄糖利用可不依赖于胰岛素和胰高血糖 素的分泌[gz-28]。 4．4 GLP-1对心肌的作用 GLP-1通过受体作用于心肌细胞， 对维持心肌正常的结构与功能有着重要作用。 4．4．1 增加心肌细胞对葡萄糖的摄取，改善心肌功能 在快速 起搏诱导的扩张性心肌犬类模型中，输注 GLP-1可增加心肌胰 岛素依赖的葡萄糖摄取，增加心输出量，改善左室和全身血流动 力学_2 。心力衰竭患者连续 5周应用 GLP-1后，包括左室射血 分数、心肌最大氧耗量等多项心功能指标均显著改善_30_。敲除 GLP-1受体后，大鼠左心室室壁明显增厚，左室舒张末期压力增 加并表现出心肌收缩功能受损_3 。 GLP-1主要通过激活 MAPK通路，增加一氧化氮合酶 2 (NOS2)表达，促进心肌细胞对 NO的摄取，提高葡萄糖转运体 1 (Glut-1)的表达，最终增加心肌细胞对葡萄糖的摄取l3 。 4．4．2 抑制心肌细胞凋亡，保护心肌 在缺血再灌注乳鼠心肌 模型中，在心肌缺氧 30min前输注 GLP-1可显著降低乳酸脱氢 酶、细胞凋亡率和caspase-3等 fl,肌细胞损伤的指标田]。研究证 明，GLP-1这种心 肌保护作 用，是通 过启动 PI3K／AKT和 MAPK介导的抗细胞凋亡作用来实现的[3 。另有研究发现， GLP-1可通过GLP-1受体依赖性和非受体依赖性途径促进缺 血／再灌注后心室功能的恢复_3 。 5 GLP-1及其类似物的临床应用 GLP-1通过其受体作用于神经系统、胰腺、肝脏、骨骼肌、心 肌等组织 ，增强饱食感，减缓胃肠道营养物质吸收，促进胰岛素 分泌和合成，促进肝、骨骼肌、心肌对葡萄糖的摄取，增加肝糖原 和肌糖原合成，调控糖代谢，维持机体血糖水平。实验证实，持 续输注 GLP-1可显著增加 2型糖尿病患者外周血胰岛素和 C 肽浓度，降低胰高血糖素水平，最终使血糖降至生理水平。当血 糖恢复至生理水平后，即使继续输注GLP-1，胰岛素水平不但不 会升高，反而逐渐恢复至基线，此后血糖维持稳定，不会进一步 下降[3 。GLP-1这种高血糖依赖性促胰岛素分泌的特点，使其 成为近年来调控糖代谢药物的研究热点。但由于GLP-1分泌入 血后会很快被 DPP IV降解，血浆半衰期仅为 2~6min，限制了它 的临床应用。为此，近年来进行了大量相关研究，一方面致力于 寻找与GLP-1有相似生理功能且稳定的类似物，另一方面考虑 通过抑制 DPP IV、延缓内源性 GLP-1降解使其血浆水平升高， 以使 GLP-1更好地应用于临床。 5．1 GLP-1类似物 5．1．1 Exendin-4 Exendin-4又称为 Exenatide，是 Eng等[3 ]从 墨西哥巨蜥蜴的唾液中分离出来的多肽，与 GLP-1有 53 的序 列同源性，其c端含有GLP-1所没有的9个残基，不易被肽链内 切酶降解，且其序列中没有 DI)PⅣ的作用位点，因此半衰期长。 Exendin-4与 GLP-1受体结合后有较强的生物活性。临床研究 发现持续注射 Exendiw4能明显降低血糖和胰高血糖素水平，其 主要的副作用为短暂的头痛、恶心和呕吐_3 。2005年 4月美国 FDA批准其上市。2009年 8月 Exendin-4正式推向中国市场。 5．1．2 Liraglutide Liraglutide是新一代 GLP-1类 似物，与 GLP-1有 97 的同源性。通过结构上的修饰，即把 GLP-1第 34 位赖氨酸替换成精氨酸，并对第 26位的赖氨酸进行脂酰化，使 Liraglutide不易被 DPPⅣ降解，半衰期达 11--15h。最新的Ⅲ期 临床试验显示，糖尿病患者经过52周 Liraglutide治疗后，血糖水 平明显降低，糖化血红蛋白含量减少，体重减轻。2009年 6月和 2010年 1月 Liraglutide在欧盟和日本上市。 除 Exendin-4和 Liraglutide外，还有其他多种通过氨基酸序 列改变或化学修饰所获得的 GLP-i受体的多肽类激动剂，如 CJC1131、ZP10、Albugon。这几种 GLP-1受体激动剂目前已进入 Ⅱ期临床试验阶段。 5．2 DPP IV抑制剂 Sitagliptin又称为MK0431，是首个用于临 床治疗 2型糖尿病的二肽酶Ⅳ抑制剂。2006年 1O月获美国 FDA批准上市。2009年 7月，另一个具有口服活性的二肽酶Ⅳ 抑制剂 Saxagliptin也由美国 FDA批准上市。这些抑制剂通过 抑制 DPP IV对内源性 GLP-1的降解作用，延长 GLP-1的半衰 期，从而发挥降血糖作用。 【参考文献】 Eli Vilsbol1 On the role of the incretin hormones GIP and GLP-1 in the pathogenesis of type 2 diabetes mellitus~ Dan Med Bull[J]， 2004，51(4)：364—370． [2] Drucker DJ．Minireview：the glucagon-like peptides[J~．Endoerinolo— gY，2001，142(2)：521—527． [3] Wasada [Glucagon-like 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