1 Механизмы инсулинового сигналинга
Наиболее изучен в связи с генетикой старения инсулиноподобный путь сигнализации [6]. С возрастом (особенно после 48 лет) у человека наблюдаются нарушения толерантности к глюкозе, инсулинорезистентность, сахарный диабет 2 типа и в конечном итоге метаболический синдром.
Первостепенное значение в этиологии и патогенезе преддиабета и сахарного диабета 2 типа отводится функциональному состоянию инсулиновой сигнальной системы. Не является исключением и инсулиновая сигнальная система мозга, которая вовлечена в регуляцию фундаментальных клеточных процессов в нейрональных клетках и через центральные механизмы контролирует метаболические и ростовые процессы на периферии, в том числе чувствительность тканей к инсулину. Нарушения в инсулиновой сигнальной системе мозга, вызывающие резистентность нейрональных клеток к инсулину, выявляются не только при метаболическом синдроме, нарушениях толерантности к глюкозе (преддиабете) и сахарном диабете 2 типа, но и являются одной из ключевых причин болезни Альцгеймера и других нейродегенеративных заболеваний [8].
Инсулин и ИФР-1 опосредованно участвуют в контроле пищевого поведения, памяти, обучения, депрессивных состояний и терморегуляции, в регуляцию которых вовлечено множество других гормонов и ростовых факторов. Оказывая влияние на гипоталамические нейроны, инсулин и ИФР-1 контролирует все основные звенья эндокринной системы и регулируемые через нее биохимические и физиологические процессы [8].
1.1 Схема инсулинового сигналинга
Циркулирующая глюкоза индуцирует высвобождение инсулина. Секреция ИФР-1 запускается многими факторами, в первую очередь соматотропным гормоном (СТГ) [5].
Инсулин, синтезируемый в основном β-клетками островков Лангерганса поджелудочной железы, легко проникает в мозг через гематоэнцефалический барьер, связывается там с внеклеточной частью инсулиновых рецепторов (InR или IGF-1R).
Инсулин на внешней поверхности клетки стимулирует тирозинкиназную активность инсулиновых рецепторов (InR или IGF1R), что ведет к фосфориляции рецептора и внутриклеточных белковых субстратов (IRS1 и IRS2; Shc).
Затем сигналинг следует двумя возможными путями: фосфатидилинозитол-3-киназный путь (метаболический сигнал), который стимулирует образование оксида азота и метаболические действия и митоген-активированный протеинкиназный путь (ростовой сигнал) [Полторак, Шпаков].
Одним из важнейших сигнальных каскадов, регулируемых инсулином и ИФР-1 является фосфатидилинозитол-3-киназный путь (метаболический сигнал) – рис. 1 [8].
Инсулин вызывает фосфорилирование белков – инсулин-рецепторных субстанций 1-го и 2-го типов (IRS1 и IRS2). Это приводит к активации нижележащих эффекторных белков – Grb2 (growth factor receptor-bound protein 2), Syp (Synaptophysin), Nck (noncatalytic region of tyrosine kinase), которые вовлечены в контроль функциональной активности зависимых от инсулина транскрипционных факторов, ответственных за рост, дифференцировку, апоптоз и другие фундаментальные клеточные процессы [8].
Активируется фосфатидилинозитол-3-киназа (PI3K), катализирующая образование вторичных посредников фосфатидилинозитола-3,4,5-трифосфата (PI-3,4,5-P(3)) и фосфатидилинозитола-4,5-бифосфата (PI-4,5-P(2)), которые активируют фосфоинозитолзависимую протеинкиназу (PDK), которая активирует протеинкиназу В (АКТ/РКВ) [5, 8].
Рисунок 1 – Модель инсулинового сигналинга
Белок PTEN (Phosphatase and tensin homolog) является антагонистом фосфатидилинозитол-3-киназной активности, стимулирует ядерную локализацию эндогенного FOXO (Forkhead box O) и ингибирует функцию TOR [5].
Активированная АКТ-киназа:
– приводит к транслокации инсулинзависимого глюкозного транспортера 4 типа (GLUT-4) под воздействием протеинкиназы С (РКС) в плазматическую мембрану и вызывает активацию захвата глюкозы клетками;
– контролирует активность киназы-3-гликогенситетазы (GSK3), которая регулирует синтез свободных жирных кислот и гликогена, ингибирует апоптоз, стимулирует выживаемость клеток через посредство фосфорилирование белков BAD (BCL2 Antagonist of Cell Death) и FKHRL1 (ForKHead-ReLated Family of Mammalian Transcription Factor-1);
– активирует протеинкиназу mTOR (mammalian Target Of Rapamycin), что приводит к фосфорилированию р70-рибосомальной S6-киназы (p70S6K) и лежит в основе регуляции трансляции множества классов мРНК;
– тормозит PEPCK (Phosphoenolpyruvate carboxykinase) и IGFBP-1 (Insulin-like growth factor-binding protein 1) и выключаются факторы стрессоустойчивости, такие как транскрипционный фактор FOXO, который является основным регулятором устойчивости к окислительному, тепловому и другим видам стресса [Полторак]. В свою очередь FOXO способен транскрипционно активировать d4EBP (Eif4e-binding protein), подавляя рост клеток [5].
Показано, что мишенью АКТ-киназы также является белок FBP-1 (forkhead-box protein-1), негативный регулятор инсулинового сигналинга, активация которого вызывает усиление желания потребления пищи и ожирение [8].
Второй путь инсулинового сигналинга – митоген-активированный протеинкиназный путь (RAS/MAP-киназный) – ростовой сигнал (рис. 1) также необходим для нормального функционирования клеток.
Инсулин на внешней поверхности мембраны стимулирует тирозинкиназную активность инсулиновых рецепторов. Фосфорилированные изоформы p46Shc и p52Shc локализованные во внутриклеточной жидкости связывают активированные рецепторные тирозинкиназы (discoidin domain receptor tyrosine kinase 2 – DDR2) с генами и их белками семейства Ras через комплекс Grb2 (growth factor receptor-bound protein 2) / Sos (Son of Sevenless).
Изоформа p66Shc локализована в митохондриальном матриксе и не участвует в активации Ras. Она вовлечена в клеточный ответ на окислительный стресс и регулирует продолжительность жизни. p66Shc действует в качестве мишени опухолевого супрессора p53 и необходима в стресс-активируемым сигнальном пути p53, который регулирует клеточный ответ к окислительному стрессу, выход цитохрома из митохондрий и апоптоз. Экспрессия изоформы p66Shc коррелирует с продолжительностью жизни. Изоформа p66Shc подавляет Erk1/2.
Активируется белок Ras, который активирует белок гена Raf. В свою очередь активация Raf приводит к фосфорилированию МЕК (Mitogen-activated protein kinase (MAPK)/Erk kinase), которая приводит к активации Erk1/2 (extracellular-signal-regulated kinases). В результате происходит пролиферация клеток и антиапоптоз.
__________
Интересно отметить, что AKT-киназа активируется не только в ответ на влияние ростовых факторов, таких как инсулин и ИФР-1, но и при повреждении ДНК. AKT является ключевым белком в проверочной точке G2/M-перехода клеточного цикла после повреждения ДНК. Возможно, что активация AKT под действием гамма-радиации контролируется, главным образом, внутриядерной киназой ATM (ataxia-telangiectasia mutated) посредством фосфорилирования. Этот эффект опосредован через фосфатидилинозитол-3-киназный домен ATM, специфично фосфорилирующий AKT [5].
В результате активации инсулин/ИФР-1 сигнального пути обеспечивается нормальный рост и развитие организма, поддержание метаболического гомеостаза [3].
Таким образом, увеличение продолжительности жизни при воздействии на путь сигнализации инсулина и инсулиноподобных молекул опосредовано в большей степени активацией транскрипционного фактора FOXO, и переходом клетки из режима роста в режим повышенной стрессоустойчивости [3].
С возрастом происходит увеличение активности PI3K, что приводит к снижению стрессоустойчивости организма. К тому же, с повышением активности PI3K увеличивается риск развития онкологических патологий. Также было показано, что активность PI3K необходима для долговременной потенциации нейронов, ответственных за обучение и долговременную память [3].
Установлено, что фармакологическое ингибирование PI3K приводит к увеличению продолжительности жизни у нематод и коловраток. У дрозофилы, кроме этого повышается устойчивость к ионизирующему излучению [3].