胰高血糖素样肽1受体_治疗糖尿病新药的研究热点_周彩红
文章编号 :1004-0374 (2004) 02-0090-06
胰高血糖素样肽1受体——治疗糖尿病新药的研究热点
周彩红,胡 慧,王明伟*
(国家新药筛选中心,中国科学院上海药物研究所,上海 201203)
摘 要:胰高血糖素样肽1 (glucagon-like peptide-1, GLP-1)与胰岛素分泌和糖代谢调节密切相关。GLP-1
与其受体(GLP-1 receptor, GLP-1R)结合后,主要通过cAMP和PI3K两条信号途径,促进胰岛素的分泌,刺激胰岛β细胞的增殖和分化。对GLP-1R结构和信号传导机制的研究,有助于了解其在糖尿病病理进程中的作用,为开发新型糖尿病治疗药物指明方向。
关键词:胰高血糖素样肽1;胰岛素;糖尿病;信号传导中图分类号:Q516;R587.1 文献标识码:A
Glucagon-like peptide-1 receptor: a novel therapeutic target for diabetes
ZHOU Cai-Hong, HU Hui, WANG Ming-Wei*
(National Center for Drug Screening, Shanghai Institute of Materia Medica,
Chinese Academy of Sciences, Shanghai 201203, China)
Abstract: Glucagon-like peptide-1 is a peptide hormone that controls insulin secretion and glucose metabolism.Following binding with its receptor, mainly through cAMP and PI3K signal pathways, GLP-1 stimulates glu-cose-dependant insulin secretion, β-cell proliferation and enhances the differentiation of new β-cells fromprogenitor cells. Studies on GLP-1R structure and signal transduction pathways would further our understand-ing on its role in the pathogenesis of type 2 diabetes mellitus, thereby developing new therapeutic strategiesfor diabetes.
Key words: glucagon-like peptide-1; insulin; diabetes; signal transduction
2型糖尿病是一种严重威胁人类健康与生命的重大疾病,主要病理表现为胰岛素抵抗和由胰岛细胞功能失调所致的胰岛素分泌相对不足,形成持久的高血糖,并可产生多种致命性并发症。目前的药理研究和治疗方法尚不能涵盖该疾病所涉及的所有代谢性缺陷,因而许多新的药物作用靶点有待开发,如乙酰辅酶acarboxylase 2(ACC2)、Iκ激酶(IKK)β、二肽基肽酶IV(DPP-IV)等,用以寻找能提高胰岛素敏感性,促进糖和脂质代谢或增加葡萄[1]受体(glucagon-like peptide-1 receptor, GLP-1R)是近年来在这一领域内较受关注的研究热点,可望为糖尿病的治疗提供新的方向。1 GLP-1R的结构特征1.1 GLP-1的发现
GLP-1属于肠肽激素,主要由末端空肠、回肠和结肠的朗罕氏细胞所分泌,是胰高血糖素原基因(proglucagon)翻译后的加工产物,酶解去掉N端的6肽和C端酰胺化后即生成具有高度活性的GLP-[2]
第2期周彩红,等:胰高血糖素样肽1受体——治疗糖尿病新药的研究热点91
然形式,其促进胰岛素分泌的作用在GLP-1肽中最强。另外发现有少量GLP-1(7-37)的存在,具有相
同的生理功能。一般认为,GLP-1(1-37)全肽无生物活性。
研究表明,GLP-1与同属肠肽激素的葡萄糖依赖性促胰岛素分泌肽(glucose-dependant insulinotropicpeptide, GIP)相互协同,对营养物质的吸收和代谢起着重要的调节作用。其中,GLP-1的生理功能包括:诱导前胰岛素基因的转录,促进胰岛素的成熟和分泌,同时抑制胰高血糖素的产生,使餐后血糖降低并维持在恒定水平。此外,GLP-1还具有神经调节效应,可延迟胃排空,抑制食欲等[3]。
GLP-1在体内的表达和活性受到严密的调控。肽链的N端为活性调节部位,当其第二位丙氨酸被二肽基肽酶(dipeptidyl protease IV, DPP-IV)催化水解时,形成的GLP-1(9-36)NH2即失去激动活性,为GLP-1R的体内天然拮抗剂;而肽链的C端与受体结合有关。GLP-1在体内的半衰期不足5分钟,其新陈代谢的速率为12 ̄13分钟。1990年,Eng和Raufman 从一种美洲毒蜥蜴的唾液中分离得到GLP-1的类似物,命名为Exendin。其中Exendin-4对GLP-1R的亲和力(IC50约为3nM)和生理活性都远高于GLP-1(7-36)(IC50约为45nM)[4]。Exendin-4的第二位氨基酸为谷氨酸,可抵抗DPP-IV的降解作用。N端谷氨酸被水解后的Exendin-4(9-39)是GLP-1R的拮抗剂。
1.2 GLP-1R的结构
GLP-1的功能由GLP-1R介导。1987年,Drucher等最早在大鼠胰岛瘤细胞RIN1046-38中检测到GLP-1的结合受体,但其克隆由 Thorens等于1992年完成[5]。随后,在人的胰岛、大脑、肺及心脏组织中都发现了该受体的存在。DNA杂交试验显示,GLP-1R基因位于人染色体的6p21,基因组全长为40kb,至少有7个外显子。人和大鼠的GLP-1R均含有463个氨基酸,同源性为91%;小鼠的受体蛋白有489个氨基酸,与人的GLP-1R同源性为84%。
GLP-1R属于G蛋白偶联受体B家族 (分泌素家族) 中的胰高血糖素受体亚家族。该亚家族最明显的特征是相对较长的胞外N端序列,通过三个二硫键形成一球状结构域。据研究,该区域由许多糖基修饰,在配体结合过程中起关键作用,但将该结构域分离后发现其本身并不足以与配体结合。实际
上,胞外环区域和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的复杂空间构象,对配体结合也起了一定的作用[6]。突变分析表明,氨基端和胞外区的带电荷氨基酸对其功能非常重要,而受体第5和第6个跨膜区段的第三个胞内环与G蛋白偶联相关。到目前为止,未曾发现该受体的功能突变与糖尿病的易感性有关。1.3 GLP-1R的表达
采用RNA酶保护技术检测GLP-1R的mRNA,发现在人和鼠的胰岛、肺、脑、胃、心脏及肾脏中都有广泛的表达,但在葡萄糖代谢的主要外周组织(如肝脏、骨骼肌和脂肪组织)中却未发现其存在。Sandhu等[7]的研究则认为GLP-1R表达有一定的种属特异性,因为在狗的肌肉和脂肪组织中检测到了GLP-1R 的mRNA。尽管未曾对GLP-1R在各组织和细胞类型中的表达做过精确的定量,Northern杂交试验显示,GLP-1R在胰岛、心脏和肺中的表达量远比其他组织要高。此外,在大鼠脑部的侧膈、丘脑和海马等部位也检测到了该受体的表达。从其大脑、心脏及胰岛克隆得到的cDNA片断编译相同的氨基酸序列,且与GLP-1有同样的亲和活力,提示GLP-1R在心血管和中枢神经系统都具有一定的生理功能[8]。但对GLP-1R在胰岛中的表达,也有一些相反的观点。Schuit等的实验提示胰岛A细胞中无该受体的表达,而Habener等应用单细胞RT-PCR技术和GLP-1R抗体对细胞株和原代大鼠胰岛A细胞进行的研究发现,在部分A细胞亚群中可检测到此受体的表达。
GLP-1R在胰岛细胞的表达受葡萄糖和地塞米松之负调控,但不受蛋白激酶A(protein kinase A, PKA)依赖的信号传导途径的影响。饥饿和重新进食可调节中枢神经系统GLP-1R在大鼠视丘下部和脑干的表达。尽管对GLP-1R基因转录的调控机制知之甚少,启动子分析表明,在基因转染研究中,结合位点Sp1和Sp3对其启动子活性是十分重要的[9]。此外,GLP-1R的同源脱敏和内化也是调控的一个因素。突变实验显示,受体在胞质内端441/442、444/445及451/452位的三对丝氨酸之磷酸化与其脱敏和内化密切相关。突变一个磷酸化位点时,内化速率降低;当此三对位点全部突变时,脱敏和内化停止[10]。2 GLP-1R的生理功能2.1 在胰岛细胞中的功能
2.1.1 促进胰岛素的分泌 GLP-1R属于G蛋白偶联
92生命科学第16卷
受体中的Gs亚类,对霍乱毒素敏感。当GLP-1和受体结合后,偶联的G蛋白α亚基与β、γ亚基解离,并分别介导胞内不同的信号通路。在胰岛β细胞模型中,Gα亚单位被活化后,刺激腺苷酸环化酶,导致细胞内cAMP水平升高和PKA活化,引起一系列级联反应,包括离子通道活性改变、细胞内钙流变化、胰岛素分泌小泡释放等(图1)。GLP-1直接通过cAMP-PKA途径提高胰岛β细胞对葡萄糖的敏感性,刺激血糖依赖性胰岛素之持续分泌[11]。葡萄糖代谢使细胞内ATP浓度增加,ATP与ADP的比值升高,促使ATP依赖钾离子通道关闭,细胞膜去极化,膜上L型钙离子通道开启,并进一步促发细胞内钙库释放钙离子,促进含胰岛素的分泌小泡外排。GLP-1的促胰岛素分泌作用呈明显的葡萄糖依赖性,在葡萄糖浓度低于4.5mM时,无任何反应;同时,这种作用又是全方位的,影响前胰岛素基因的转录、翻译及剪切等各个功能环节。此外,β细胞中与糖代谢密切相关的基因,如葡萄糖激酶和葡萄糖转运蛋白2, 其表达均被GLP-1上调。但也有研究表明,大鼠β细胞中的胰岛素基因启动子可部分以不依赖PKA的方式被激活[12]。
2.1.2 刺激β细胞的增生 体内对比研究表明,在新生GK大鼠中,经GLP-1或Exendin-4注射5日,其血糖恒定状态显著改善,胰岛素水平升高,β细胞实体增大。继续应用上述多肽(从出生第7日至2个月(成年)),大鼠的β细胞持续增加,成年时的血糖控制能力显著提高[13]。实验发现,受体被激活后,G蛋白β、γ亚基通过磷脂酰基醇-3-激酶
(phosphatidy-linositol 3-kinase, PI3K)和丝裂原活化蛋白激酶(mitogen-activated protein kinase, MAPK)的信号通路诱导β细胞的增殖和分化。其中β细胞标志基因——胰脏和十二指肠同源盒基因(pancreaticand duodenal homeobox gene-1,PDX-1)的表达活化是一个关键因素。人胰管细胞PANC-1本身不表达PDX-1,GLP-1处理后也不能诱导分化;将该细胞转染PDX-1基因后即可被GLP-1以剂量依赖的方式诱导成胰岛素分泌细胞,且内源GLP-1R表达增加[14]。取75 ̄90日的胎猪胰岛细胞簇,GLP-1处理后出现糖依赖性胰岛素分泌,PDX-1表达增加,呈明显的β细胞分化趋势。将分化后细胞簇移植入SCID小鼠并辅以Exendin-4注射,8周后发现成熟的β细胞数显著增加。此外,由Gα刺激的cAMP信号通路对β细胞的增生也有作用。CAMP-PKA可使Ras超家族中的GTP酶活化,激活MAPK激酶;cAMP还可以以不依赖PKA的方式,通过与β细胞中cAMP调节的鸟苷酸交换因子(cAMP-regulated guanine nucle-otide exchange factors, cAMP-GEFs)相互作用,激活Ras/MAPK信号通路,促进β细胞的生长和分化[15]。
由于GLP-1R基因敲除鼠仍有正常的胰岛发育,GLP-1R的信号传导对其发育是否必需成为研究焦点。将正常和基因敲除小鼠进行部分胰岛切除术并辅以Exendin (9-39)注射,正常小鼠在切除后显示了一定的葡萄糖耐受反应,不因Exendin (9-39)的存在而恶化,β细胞实体的再生也未受影响;而在基因敲除鼠中,高血糖症状愈加明显,β细胞再生
障碍,提示GLP-1R
信号传导途径对胰岛发育的重
图1 GLP-1R激动剂在胰岛
β
细胞中的信号传导途径
第2期周彩红,等:胰高血糖素样肽1受体——治疗糖尿病新药的研究热点91
然形式,其促进胰岛素分泌的作用在GLP-1肽中最强。另外发现有少量GLP-1(7-37)的存在,具有相
同的生理功能。一般认为,GLP-1(1-37)全肽无生物活性。
研究表明,GLP-1与同属肠肽激素的葡萄糖依赖性促胰岛素分泌肽(glucose-dependant insulinotropicpeptide, GIP)相互协同,对营养物质的吸收和代谢起着重要的调节作用。其中,GLP-1的生理功能包括:诱导前胰岛素基因的转录,促进胰岛素的成熟和分泌,同时抑制胰高血糖素的产生,使餐后血糖降低并维持在恒定水平。此外,GLP-1还具有神经调节效应,可延迟胃排空,抑制食欲等[3]。
GLP-1在体内的表达和活性受到严密的调控。肽链的N端为活性调节部位,当其第二位丙氨酸被二肽基肽酶(dipeptidyl protease IV, DPP-IV)催化水解时,形成的GLP-1(9-36)NH2即失去激动活性,为GLP-1R的体内天然拮抗剂;而肽链的C端与受体结合有关。GLP-1在体内的半衰期不足5分钟,其新陈代谢的速率为12 ̄13分钟。1990年,Eng和Raufman 从一种美洲毒蜥蜴的唾液中分离得到GLP-1的类似物,命名为Exendin。其中Exendin-4对GLP-1R的亲和力(IC50约为3nM)和生理活性都远高于GLP-1(7-36)(IC50约为45nM)[4]。Exendin-4的第二位氨基酸为谷氨酸,可抵抗DPP-IV的降解作用。N端谷氨酸被水解后的Exendin-4(9-39)是GLP-1R的拮抗剂。
1.2 GLP-1R的结构
GLP-1的功能由GLP-1R介导。1987年,Drucher等最早在大鼠胰岛瘤细胞RIN1046-38中检测到GLP-1的结合受体,但其克隆由 Thorens等于1992年完成[5]。随后,在人的胰岛、大脑、肺及心脏组织中都发现了该受体的存在。DNA杂交试验显示,GLP-1R基因位于人染色体的6p21,基因组全长为40kb,至少有7个外显子。人和大鼠的GLP-1R均含有463个氨基酸,同源性为91%;小鼠的受体蛋白有489个氨基酸,与人的GLP-1R同源性为84%。
GLP-1R属于G蛋白偶联受体B家族 (分泌素家族) 中的胰高血糖素受体亚家族。该亚家族最明显的特征是相对较长的胞外N端序列,通过三个二硫键形成一球状结构域。据研究,该区域由许多糖基修饰,在配体结合过程中起关键作用,但将该结构域分离后发现其本身并不足以与配体结合。实际
上,胞外环区域和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的复杂空间构象,对配体结合也起了一定的作用[6]。突变分析表明,氨基端和胞外区的带电荷氨基酸对其功能非常重要,而受体第5和第6个跨膜区段的第三个胞内环与G蛋白偶联相关。到目前为止,未曾发现该受体的功能突变与糖尿病的易感性有关。1.3 GLP-1R的表达
采用RNA酶保护技术检测GLP-1R的mRNA,发现在人和鼠的胰岛、肺、脑、胃、心脏及肾脏中都有广泛的表达,但在葡萄糖代谢的主要外周组织(如肝脏、骨骼肌和脂肪组织)中却未发现其存在。Sandhu等[7]的研究则认为GLP-1R表达有一定的种属特异性,因为在狗的肌肉和脂肪组织中检测到了GLP-1R 的mRNA。尽管未曾对GLP-1R在各组织和细胞类型中的表达做过精确的定量,Northern杂交试验显示,GLP-1R在胰岛、心脏和肺中的表达量远比其他组织要高。此外,在大鼠脑部的侧膈、丘脑和海马等部位也检测到了该受体的表达。从其大脑、心脏及胰岛克隆得到的cDNA片断编译相同的氨基酸序列,且与GLP-1有同样的亲和活力,提示GLP-1R在心血管和中枢神经系统都具有一定的生理功能[8]。但对GLP-1R在胰岛中的表达,也有一些相反的观点。Schuit等的实验提示胰岛A细胞中无该受体的表达,而Habener等应用单细胞RT-PCR技术和GLP-1R抗体对细胞株和原代大鼠胰岛A细胞进行的研究发现,在部分A细胞亚群中可检测到此受体的表达。
GLP-1R在胰岛细胞的表达受葡萄糖和地塞米松之负调控,但不受蛋白激酶A(protein kinase A, PKA)依赖的信号传导途径的影响。饥饿和重新进食可调节中枢神经系统GLP-1R在大鼠视丘下部和脑干的表达。尽管对GLP-1R基因转录的调控机制知之甚少,启动子分析表明,在基因转染研究中,结合位点Sp1和Sp3对其启动子活性是十分重要的[9]。此外,GLP-1R的同源脱敏和内化也是调控的一个因素。突变实验显示,受体在胞质内端441/442、444/445及451/452位的三对丝氨酸之磷酸化与其脱敏和内化密切相关。突变一个磷酸化位点时,内化速率降低;当此三对位点全部突变时,脱敏和内化停止[10]。2 GLP-1R的生理功能2.1 在胰岛细胞中的功能
2.1.1 促进胰岛素的分泌 GLP-1R属于G蛋白偶联
94生命科学第16卷
途径不同。
3 GLP-1R的同类蛋白
因GLP-1对胰岛、脑及胃肠道等多种组织器官都有作用,很多人怀疑是否存在第二种GLP-1受体并有证据显示了这种可能性。向大鼠体内注入Exendin(9-39)并不能影响GLP-1介导的中枢神经传入功能,表明神经系统对GLP-1的信号反应不同于后者的促胰岛素分泌机制。将大鼠肝细胞与GLP-1共同孵育,胰高血糖素刺激的糖元分解被抑制,而GLP-1并不与胰高血糖素在肝细胞膜上产生竞争结合效应,提示很可能另有一种受体在起作用[23]。同样,Exendin(9-39)不能阻断或干扰外源性GLP-1在狗胃肠道所发挥的生理功能(如胃酸分泌)。此外,无活性的全长GLP-1(1-36)NH2和有活性的GLP-1(7-36)NH2均可刺激大鼠肠细胞内Somatostatin的分泌,提示存在一种不同于目前已发现的胰岛GLP-1R的作用机理。
脂肪细胞和肌细胞都可对GLP-1发生反应。生理浓度下,GLP-1在人类骨骼肌细胞中具有与胰岛素类似的功能,包括刺激糖元合成、提高糖元合成酶α的活性、促进葡萄糖之氧化和利用、抑制糖元磷酸化等;Exendin-4和Exendin(9-39)虽可增加糖元合成及激活糖元合成酶α,但对cAMP的浓度没有任何影响。以L6肌管细胞为例,GLP-1促进胰岛素引发的糖元合成、二氧化碳和乳酸生成,而二氧化碳和乳酸却可抑制cAMP的产生。在L6细胞中转入克隆的GLP-1R基因,胰岛素刺激反使糖元合成降低,cAMP水平升高;而在未转基因的L6细胞中,GLP-1(1-36) NH2和Exendin(9-39)都可与GLP-1竞争结合,表明存在另一种GLP-1R的潜在可能性[24]。
4 GLP-1R的应用研究
随着对GLP-1R及其信号途径研究的不断深入,GLP-1R与糖尿病的相关性越来越受到国内外医药研发机构的注视。直接给糖尿病患者持续注射GLP-1六周,其血糖、游离脂肪酸水平的控制及β细胞功能都有很大的改善。由于内源性GLP-1在体内的半衰期不足5分钟,因而极大地限制了相关的临床应用。目前,以治疗2型糖尿病而开展的GLP-1R激动剂研究主要侧重于以下几个方面:(1)开发抵抗DPP-IV水解的GLP-1类似物。丹麦Novo Nordisk公司发现由白蛋白结合的GLP-1类似物(商品名为Liraglutide),半衰期可达10小时。Ⅱ期临床试验
结果表明,该药可以显著改善糖尿病症状,且无明显的毒副作用,目前正在准备Ⅲ期临床研究。Exendin-4,被美国Amylin医药公司命名为AC2993(商品名Exenatide),已经过多次动物或人体试验[25]。对正常志愿者,它可降低食欲,延缓胃肠道排空,刺激胰岛素分泌;在Ⅱ期临床试验中发现,AC2993注射后的患者餐后血糖和胰高血糖素水平显著下降,而主要的副反应仅为短暂的头痛、恶心和呕吐。该药现在已进入Ⅲ期临床试验。这家公司采用长效缓释技术开发出每月只需注射一次的Exendin-4新剂型(AC2993LAR),正在进行Ⅱ期临床试验。最近,法国Aventis公司和丹麦Zealand制药公司又宣布将合作研究Exendin-4另一衍生物——ZP10。(2) 抑制体内DPP-IV的活性。这类抑制剂已有进入临床试验的阶段性开发成果。(3)寻找GLP-1R非肽类小分子激动剂。由于目前所发现的GLP-1R激动剂均为生物活性肽,在临床应用上存在成本高、代谢快和利用率低等缺点。基于对GLP-1R结构功能及其信号传导通路的认识,建立相应的药物筛选模型,寻找非肽类GLP-1R小分子激动剂,无疑具有良好的科学价值和潜在的市场前景。此外,根据GLP-1R激动剂促进胰岛β细胞增生的作用,美国国立卫生研究院(NIH)还启动了应用AC2993治疗1型糖尿病的I期临床实验。5 结 语
GLP-1和GLP-1R的发现仅有十几年的历史,因在胰岛素分泌和血糖调节方面的重要作用,人们对它们的生理功能和作用机制已有了比较深入的认识。目前已有GLP-1类似物进入治疗2型糖尿病的Ⅲ期临床试验。GLP-1及其类似物对胰岛β细胞和神经元细胞所具有的促进增生和抑制凋亡作用,为其在1型糖尿病治疗及神经保护方面的应用提供了启示。以GLP-1R分子药理学为基础,建立相关药物筛选模型,将为开发新型小分子糖尿病治疗药物和神经保护药物提供新的方向。
[参 考 文 献]
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