葡萄糖转运蛋白2与糖尿病的关系研究进展

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                                                福建医科大学附属第一医院内分泌科     黄林晶(综述)，杨立勇(审校)
       摘要：葡萄糖转运蛋白2(GLUT2)是胰岛β 细胞的主要葡萄塘载体，在胰岛β 细胞分泌胰岛素的过程中有重要的作用。GLUT2和葡萄糖激酶被认为是胰岛β 细胞内的葡萄糖传感器，从而使体内胰岛素分泌反应的强度受血中葡萄耱浓度的调节。本文从GLUT2分子结构与功能、表达调控、与葡萄糖激酶关系、与糖脂毒性的关系和在糖尿病中的作用5个方面加以阐述。
       关键词：葡萄糖转运蛋2；β 细胞；胰岛素；葡萄糖激酶；糖尿病

       葡萄糖刺激的胰岛素释放与葡萄糖代谢状况密切相关，改变葡萄糖代谢情况可改变胰岛β 细胞的葡萄糖反应性。与葡萄糖代谢密切相关的是葡萄糖转运蛋白和葡萄糖激酶。葡萄糖转运蛋白2(glucose transporter 2，GLUT2)是一类介导葡萄糖摄取的膜蛋白，广泛存在于真核细胞胞膜上。GLUT2是肝细胞、胰岛β 细胞(啮齿类)及小肠和肾脏具有吸收功能的上皮细胞最主要的葡萄糖转运体，胰岛β 细胞表达的GLUT2是其感受葡萄糖刺激-应答反应功能的前提。生理条件下，葡萄糖可经GLUT2转运进入细胞内，该蛋白与葡萄糖激酶共同形成葡萄糖感受器，调节胰岛素的合成与分泌。国内外大量的研究发现，GLUT2不仅在葡萄糖代谢中具有重要作用，而且与糖尿病关系密切。本文主要围绕GLUT2的基础研究及其在糖尿病中的作用进行阐述。
1 GLUT2的结构
       GLUT2是一种膜蛋白，其多肽链骨架跨膜12次，形成12个a-螺旋即跨膜区(M1~M12)，GLUT2基因定位于3号染色体上，有11个外显子，1个额外的内含子将外显子4分隔成外显子4a和4b。
       GLUT2主要分布于肝、肾、肠和胰腺β 细胞等能释放葡萄糖进入血液的组织。GLUT2是一种低亲和力但具有很高转运能力的转运蛋白，其具有较高的Km值(Km=15～20 mmol／L)。GLUT2与所处环境周围的葡萄糖浓度相适应，从而促进细胞膜两侧糖的快速平衡。当血糖浓度发生变化时，GLUT2能及时感应，从而对葡萄糖的转运也随之增加，所以GLUT2高容量和低亲和性的特点是餐后小肠细胞和肾小管细胞摄入大量葡萄糖所必需的。高Km值决定了GLUT2的功能特点，在肝细胞和β 细胞中GLUT2和高Km值的Ⅳ型葡萄糖激酶相配合，起葡萄糖感受器的作用。而GLUT2的转运速度往往高于葡萄糖激酶的反应速度，因此在这些细胞中葡萄糖激酶是葡萄糖摄人的限制步骤。
       GLUT2受到广泛关注，是因为它可能参与糖尿病的发生。包括新西兰肥胖小鼠以及Zuker肥胖糖尿病大鼠在内的很多糖尿病动物模型中，胰岛β 细胞GLUT2的表达减少。在这些模型中胰岛β 细胞GLUT2的减少与葡萄糖刺激下胰岛素分泌能力下降密切相关。
2 GLUT2的表达调控
       除了糖尿病状态下GLUT2的表达下调外，在其他很多情况下GLUT2的表达也会发生相似改变。在葡萄糖灌注或胰岛素灌注的大鼠中，β 细胞GLUT2的表达量直接随血糖的变化而改变。在胰岛培养物以及HIT-T15细胞中也发现GLUT2的表达量与培养液中葡萄糖的浓度有类似的关系。然而新鲜分离饥饿或注射胰岛素所致的低血糖大鼠的胰岛，发现GLUT2的mRNA表达在上述两种情况下均明显升高。注射胰岛素可使胰岛细胞GLUT2蛋白质降低39％，而饥饿对GLUT2蛋白质则无明显影响。
       在人类GLUT2的活性降低表现在一种称为Fanconi-Biekel 综合征的疾病中。Faneoni-Bickel 综合征是一种极其罕见的常染色体隐性遗传的碳水化合物代谢紊乱疾病。此病的特征是空腹低血糖，肝肾糖原积累，葡萄糖和半乳糖不耐受，特异的肾近曲小管疾患。
3 GLUT2和葡萄糖激酶
       人们在胰岛β 细胞分泌胰岛素机制的研究中发现胰岛素分泌反应的强度与葡萄糖在胰岛β 细胞内的代谢率成正比。因而控制葡萄糖流入胰岛β 细胞的蛋白或酶类被认为是调节胰岛素释放的葡萄糖传感器。葡萄糖激酶和GLUT2就是β 细胞内的葡萄糖传感器，二者共同作用使胰岛素分泌反应的强度受血中葡萄糖浓度的调节。
       葡萄糖激酶是胰岛β 细胞内控制葡萄糖流入的限速酶，其直接或间接受血中葡萄糖浓度的调节，改变葡萄糖在胰岛β 细胞内的代谢率，从而刺激胰岛β 细胞的胰岛素分泌，同时该酶又通过促进肝糖原的合成，促进葡萄糖转化为6-磷酸葡萄糖来调节血糖浓度。
       GLUT2是解离常数最高的葡萄糖转运蛋白，是β 细胞表达的主要葡萄糖转运蛋白。细胞系能否表达GLUT2的区别在于GLUT2能与其他细胞成分相互作用产生葡萄糖代谢所必需的重要信号，诸如G蛋白和K+或Ca2+通道的激活等，从而改变葡萄糖在β 细胞内的代谢率，刺激胰岛β 细胞的胰岛素分泌。典型的例子是AtT-20ins 细胞，它能表达胰岛β 细胞葡萄糖激酶基因(其活性相当于正常β 细胞的20％~30％)及成熟人胰岛素，但不表达GLUT2，对葡萄糖刺激仍缺乏反应。
4 GLUT2和糖脂毒性的关系
       4．1 GLUT2和糖毒性  胰岛β 细胞正常功能是维持机体血糖稳定，当胰岛β 细胞不能适应环境变化分泌适量的胰岛素时，机体血糖就会升高。高血糖具有双向性作用，短期高血糖对胰岛素分泌和葡萄糖利用有刺激作用，而持续高血糖可直接损伤胰岛β 细胞，加重体内胰岛素抵抗，使葡萄糖刺激的胰岛素分泌受损，血糖进一步升高形成恶性循环，这种现象称之为“葡萄糖毒性”。已有大量研究表明，长期高血糖对胰岛β 细胞的毒性作用，只是其具体的作用机制尚未完全阐明。
       长期高血糖抑制胰岛β 细胞GLUT2基因的表达，使细胞膜上的GLUT2数目减少，血中葡萄糖主动转入细胞内受阻，胰岛素分泌减少。有关学者已在多个糖尿病鼠模型中发现β 细胞GLUT2基因表达减少，并且与血糖的浓度存在负相关。
       在Thorens等的研究中发现db／db小鼠的胰岛细胞移植于正常小鼠的肾囊膜下时，降低的GLUT2基因表达可恢复；而正常小鼠的胰岛移植于db／db小鼠，则有GLUT2基因表达降低，也说明了高血糖对GLUT2基因表达的影响。
       4．2 GLUT2和脂毒性  脂毒性指的是血中游离脂肪酸水平增加超过了脂肪组织的储存能力和组织对游离脂肪酸的氧化能力，使过多的游离脂肪酸以三酰甘油的形式在非脂肪组织过度沉积，造成该组织细胞的功能障碍或死亡，其主要作用部位为肝脏、肌肉和胰腺。
       无论体内或体外的实验均证明，血液循环中游离脂肪酸对葡萄糖刺激的胰岛素分泌有重要的作用，急性游离脂肪酸升高会增加葡萄糖刺激的胰岛素分泌。但对糖尿病患者或肥胖者来说，脂代谢紊乱往往长达数年乃至数十年，故慢性脂代谢紊乱更值得重视。慢性游离脂肪酸升高对葡萄糖诱导的胰岛素合成和释放起抑制作用。离体的胰腺β 细胞在高浓度游离脂肪酸培养液中培养24~48 h，细胞内胰岛素水平降低，细胞对葡萄糖刺激的胰岛素分泌能力下降，高脂饮食喂养的小鼠其葡萄糖刺激的胰岛素分泌下降50％，细胞内胰岛素水平降低50％，前胰岛素mRNA表达下降35％，葡萄糖刺激的胰岛素原合成降低50％，提示游离脂肪酸抑制胰岛素合成，这种作用可能与游离脂肪酸抑制胰十二指肠同源异型盒1，使CCAAT／增强子结合蛋白β (C／EBP β )表达增加有关。胰十二指肠同源异型盒1是胰岛素基因最重要的转录调控因子，能启动胰岛素基因转录，其能促进并增强GLUT2和葡萄糖激酶的表达；C／EBP β 则可抑制胰岛素基因的转录。
       Yoshikawa等用游离脂肪酸与胰岛β 细胞一起培养，发现在8 h时胰岛素分泌增加，而在24 h时胰岛素分泌明显抑制，通过检测表明，GLUT2和葡萄糖激酶mRNA水平明显降低。
       至于高糖与高脂毒性的作用，研究表明高血糖起关键与始发作用，高脂对β 细胞的毒性作用依赖于高糖的存在，而高糖对胰岛β 细胞的毒性作用并不依赖于高脂的存在。Jacqueminet等发现在胰岛β 细胞与游离脂肪酸在低糖水平培养72 h发现胰岛素水平和胰岛素mRNA水平并没有出现明显改变，而在高糖水平中培养72 h，发现胰岛素和胰岛素mRNA的水平出现明显减低。
       综上所述，急性游离脂肪酸升高可能通过增加促胰岛素释放的信号分子使胰岛β 细胞内储存的胰岛素快速释放，而慢性游离脂肪酸升高则可能通过下调GLUT2的表达及抑制胰岛素的生物合成，使对葡萄糖刺激的胰岛素分泌受损，但是这种高脂毒性必须依赖于高糖的存在。
5 GLUT2与2型糖尿病
       2型糖尿病的发生是伴随着葡萄糖刺激的胰岛素分泌受损，这种分泌缺陷的主要原因还没有明确阐明。可是在糖尿病大鼠模型中，葡萄糖刺激的胰岛素分泌受损已经被证明与胰岛β 细胞的GLUT2表达减低或被抑制有关。除了葡萄糖刺激的胰岛素分泌受损外，GLUT2表达减低也是糖尿病胰岛β 细胞的一个特点。GLUT2在保证细胞内外葡萄糖快速平衡、感受葡萄糖刺激-应答中起着重要作用。但葡萄糖转运并不是胰岛素分泌的限速步骤，因为葡萄糖进入胰岛β 细胞的速度明显超过葡萄糖代谢速度，说明葡萄糖转运不是限速步骤。而自发或实验诱导的GLUT2过低表达导致葡萄糖刺激胰岛紊分泌的受损，支持GLUT2的关键允许作用。
       Motoyoshi 等将编码人类胰岛素(human insulin，HI)、GLUT2和葡萄糖激酶基因组合转染人AtT20细胞研究胰岛素分泌机制，发现只有将HI、GLU他和葡萄糖激酶基因共同转染人AtT20细胞，才能使AtT20细胞感受不同浓度(可达25 mmol／L)的葡萄糖，从而调节胰岛素分泌。单独转染HI 只能使AtT20细胞分泌人类成熟胰岛素而不能感受葡萄糖浓度，HI-GLUT2或HI-葡萄糖激酶转染也只能使AtT20细胞感受浓度<1 mmol／L的葡萄糖。结果表明，GLUT2和葡萄糖激酶在啮齿类动物胞系中是葡萄糖刺激胰岛素分泌的必要条件。
       Johnson等在对2型糖尿病的动物模型ZDF大鼠的研究中发现，其GLUT2 mRNA表达抑制引起胰岛β 细胞中高Km葡萄糖转运蛋白水平减少，使葡萄糖对胰岛刺激分泌反应的减弱，进而使高血糖的症状难以得到改正，这表明葡萄糖对胰岛刺激分泌反应的减低及慢性高血糖与胰岛β 细胞的GLUT2表达抑制相关。Unger认为胰岛β 细胞GLUT2减低发生在2型糖尿病高糖血症之前，所以它可能在慢性高糖血症发展中发挥重要的作用。
       综上所述，GLUT2在糖尿病发生发展中起着重要作用。提高对GLUT2的认识将有助于提高对2型糖尿病及其分子病因学的认识，为延缓糖尿病发病找到更佳治疗方案。目前关于GLUT2的研究多集中于啮齿类动物和2型糖尿病动物模型，而在人类胰岛β 细胞的研究尚少，还有待深入研究阐明。
                                                                                                                                  编辑：范伟伟