V-SNAREs在GLUT4转运中的作用
葡萄糖是细胞能量的主要来源, 从细胞外顺浓度梯度进入细胞, 依赖于葡萄糖转运蛋白 (GLUTs) 协助运输。 目前研究发现有14 种GLUT转运蛋白, 每一种GLUT对于特定的己糖都有独特的亲和力和特异性, 同时也有特异的组织分布和生理功能[1]。 其中, GLUT4 是动物机体中转运葡萄糖的主要蛋白, 主要表达在脂肪细胞和骨骼肌细胞[2]。 在肥胖、2 型糖尿病等胰岛素抵抗的状态下, GLUT4 的调节受损。 对GLUT4 转运机制的探索是多年来的热点[3,4], 近年来对其作用的相关蛋白包括v-SNAREs蛋白也有了逐步清晰的认识[6], 该文特综述如下。
1 GLUT4 转运机制
GLUT4 在细胞内定位广泛, 在基础状态下, 只有小部分位于细胞膜上, 而大多数存在于胞内细胞器膜上。这些细胞器包括等包括分选内体 (sorting endosome, SE) , 再循环内体 (recycling endosome, RE) , 反面高尔基网络 (trans-Golgi Network, TGN) 和GLUT4 储存囊泡 (GLUT4 storage vesicles, GSVs) 等。 其中GSVs中GLUT4含量丰富, 对胰岛素的刺激敏感, 对GLUT4 转运至关重要[7]。
GLUT4 胞吐与胞吞的动态平衡, 是维持葡萄糖正常摄取及血糖稳定的重要因素[4]。 GLUT4 的作用特点, 与其它GLUT不同, 主要接受胰岛素调控[8]。在胰岛素刺激下, 大量的GSVs通过胞吐作用, 使细胞膜上的GLUT4 量增加为基础状态下的10 余倍, 促进细胞吸收和利用葡萄糖, 从而降低血糖。 胞吐包括GSVs定向移位 (moving) 、停泊 (docking) 、融合 (fusion) 等一系列过程[5]。当撤除胰岛素刺激后, 细胞通过胞吞作用回收GLUT4, 经过内体、TGN等加工、分选再次贮存于GSVs中。 除了胰岛素刺激外, 运动、肌肉收缩、缺血、缺氧、高渗状态等刺激也可以使细胞膜上的GLUT4 分布增加, 机制可能是促进GLUT4 的胞吐过程和 (/或) 抑制其胞吞过程[9]。
GLUT4 转运经特定的信号通路调控, 胰岛素刺激主要通过PI3K信号通路, 运动、缺氧等刺激则可能通过AMPK信号途径[10,11]。 病理状态下, GSVs移位、胞吐障碍, 或胞吞增强, 可导致GLUT4 在细胞膜上的分布减少, 是导致胰岛素抵抗并最终诱发糖尿病的重要因素[12,13]。
研究证实, 真核生物中所有转运囊泡以及细胞器膜上都带有各自特有的可溶性N-乙基马来酰亚胺敏感因子附着蛋白受体家族 (Soluble NSF attachment protein receptors, SNRAEs) , 可分为靶膜上的t-SNAREs和囊泡表面的v-SNAREs。 它们之间高度特异的相互作用, 是保证囊泡转运的基本分子机制。 充足的证据表明SNAREs蛋白在GLUT4 转运, 特别是胰岛素介导的转运中起到关键作用[12,14,15,16]。 在动物模型[17]和细胞模型[15]均证实tSNAREs在GLUT4 转运到细胞膜上是不可缺少的。
2 V-SNAREs对GLUT4 转运的作用
V-SNAREs的主要蛋白为VAMPs (vesicle associated membrane proteins, 囊泡相关膜蛋白) 亚家族[6], 目前发现共有VAMP1-5、7、8 七种亚型。 在脂肪细胞中, 除VAMP1 外发现均有表达[18], 其中VAMP8 和VAMP3含量最丰富。 实验证明, 脂肪细胞同时敲除VAMP2、VAMP3 和VAMP8 可完全抑制胰岛素诱导的GLUT4转运[19]。 GSVs和细胞膜的融合是胰岛素作用下GLUT4转运的关键步骤, 在GSVs上发现VAMP2、3、8, 提示在胞吐过程中具有重要作用[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]。 在内体上发现VAMP3、VAMP4、VAMP7、VAMP8, 提示这些可能参与了内体与细胞膜、TGN、GSVs之间的转运, 调节GLUT4的内吞、分选、再循环利用[21]。
2.1 VAMP2
多数研究表明, VAMP2 是介导GLUT4 转运的主要V-SNARE, 特别是胰岛素刺激下的GSVs胞吐过程[14,18,22,23], 在多种细胞模型均有足够的证据。 在脂肪细胞中, VAMP2 基因敲除后, 对基础状态下的GLUT4 转位无影响, 但明显降低胰岛素刺激的GLUT4 转位, 其它VAMPs基因敲除后无明显变化[18], 表明VAMP2 介导了胰岛素刺激的GLUT4 转运。 多数研究支持VAMP2 在GLUT4 转运中是不可缺少的[12,15], 但也有研究提示其可被VAMP3 或VAMP8 替代[14,19]。 另外, 在肌细胞中观察到VAMP2 也参与了胰岛素刺激下的GLUT4 内化[23]。
2.2 VAMP3
主要位于在不同阶段的内体中, 通常被认为介导非胰岛素刺激下的GLUT4 转运[10,24]。 在心肌细胞中, 研究发现, 寡霉素或收缩通过AMPK信号途径促进GLUT4 向细胞膜转运, 而VAMP3 参与了这一过程[10]。在正常条件下, VAMP3 不影响胰岛素刺激的GLUT4 转运, 在心肌细胞的胰岛素抵抗早期模型中, VAMP3 也参与胰岛素刺激的GLUT4 转运, 但依赖于VAMP2 的持续存在[25], 推断胰岛素抵抗状态下, VAMP3 对胰岛素刺激的GLUT4 转运起保护作用[25]。 也有研究表明, VAMP3可能调控GLUT4 从早期内体向TGN转运[21]。 动物模型观察到, VAMP3 基因敲除的小鼠不影响生长发育和不会增加体重, 也不影响空腹血糖和胰岛素水平[26], 无论胰岛素刺激还是其它刺激对血糖摄取均无变化[26]。 这些研究显示, VAMP3 的作用可能比较小, 或可以被其它VAMPs替代。
2.3 VAMP4
主要位于TGN, 参与了TGN与早期内体之间的囊泡运输[21,27], 也介入了GLUT4 从TGN向胰岛素敏感的GSVs转运过程[18]。 也有报道VAMP4 基因沉默后, 对GLUT4 的转运无影响[10]。
2.4 VAMP5
位于细胞膜[28], 高表达于肌肉细胞, 与肌管的细胞膜以及胞内囊泡结构相关, 通常被认为可调整囊泡的停泊和介导囊泡与靶膜的融合, 对骨骼肌和心肌的膜转运有重要作用[29,30]。 研究表明, VAMP5 和GLUT4 的在肌细胞分布模式一致[30], 在肌肉收缩时可介导GLUT4转位[20], 在心肌细胞能介导胰岛素刺激的GLUT4 转运[10]。
2.5 VAMP7
主要位于内体和溶酶体、细胞膜, 参与了内体与溶酶体间的囊泡转运[31]。 VAMP7 可以介导高渗状态下的GLUT4 转运[18]。 研究表明, VAMP7 促进GLUT4 的回收利用, 而且发现其在基础状态或高渗状态下的作用比胰岛素刺激下的作用更加明显[9]。VAMP7 敲除后的心肌细胞基础状态下细胞膜上的GLUT4 增加[10]。
2.6 VAMP8
在细胞膜、早期内体、晚期内体、反面高尔基体网络等细胞器上发现, 提示其作用广泛。 研究表明, VAMP8 介导了GLUT4 的内吞作用[18,32], VAMP8 敲除的脂肪细胞, GLUT4 的内吞作用明显减少[18], 从而保留在细胞膜上的GLUT4 增多, 促进葡萄糖摄取。在该研究中发现, VAMP8 基因敲除的小鼠可以减少肥胖, 增加能量消耗和改善胰岛素敏感性[33]。
大量的研究证实VAMPs为GLUT4 转运中所必须, 但各型VAMPs在具体过程的作用仍存在争议, 它们之间的作用是相对独立还是可以替代[12,19]。 可能与不同的模型和不同的刺激条件下, 从多个方面探索VAMPs的作用有关。 因此在这一领域仍有许多关键问题的探索值得期待。
3 展望
胰岛素抵抗是多种代谢疾病的源头, 糖代谢异常、肥胖、脂代谢紊乱和高血压等常同时出现在同一个体, 称之为 “代谢综合征”, 其发病率的日益增高, 为个人和社会带来巨大负担, 如何改善胰岛素抵抗备受关注。GLUT4 转运障碍被认为是胰岛素抵抗的重要机制, 也是药物治疗的新靶点, SNAREs学说在GLUT4 转运中具有举足轻重的地位, 对其不断阐明将对与胰岛素抵抗相关疾病的防治具有及其重要的意义。 目前发现在临床上常用的改善胰岛素抵抗的药物, 机制可能与改善GLUT4 转运障碍有关[34,35,36], 对其具体机制值得进一步探索。
摘要：葡萄糖转运子4 (GLUT4) 是主要的葡萄糖转运蛋白, 它在细胞内转运过程十分复杂, GLUT4转运障碍与肥胖、糖尿病等疾病相关, 对其转运机制的探讨是一直以来的热点。大量的研究证实v-SNAREs为GLUT4转运中所必须, 但其包括多种亚型, 近年来多方面的探索取得了进展。该文主要对GLUT4转运机制和v-SNAREs的进展进行综述。
关键词：GLUT4,GLUT4储存囊泡,v-SNAREs,VAMPs
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