微小RNA通过靶向PI3K/AKT信号通路改善2型糖尿病胰岛素抵抗的机制研究

Mechanism of microRNAs to Improve Insulin Resistance in Type 2 Diabetes by Targeting PI3K/AKT Signaling Pathway

摘要: 胰岛素抵抗(Insulin resistance, IR)是2型糖尿病(type 2 diabetes mellitus, T2DM)的主要发病机制，IR产生机制尤为复杂，胰岛素信号通路的转导在其中扮演着重要角色。近年来，越来越多有关微小RNA (miRNA)的研究证实，miRNA是糖脂代谢的关键调节因子，可能与其调控信号通路有关。而PI3K/Akt在胰岛素信号通路中居于主导地位，因此，探索miRNA与PI3K/Akt信号通路之间的调控关系，明确其作用靶点及调控方向，有利于为T2DM提供新的治疗方向，miRNA有望成为T2DM的诊断和治疗新靶点。

Abstract: Insulin resistance (IR) is the main pathogenesis of type 2 diabetes mellitus (T2DM), and the gener-ation mechanism of IR is particularly complex, in which insulin signaling pathway transduction plays an important role. In recent years, more and more studies on MicroRNAs (miRNAs) have con-firmed that miRNAs are key regulatory factors in glycolipid metabolism and may be related to their regulatory signaling pathways. PI3K/Akt plays a dominant role in insulin signaling pathway. Therefore, exploring the regulatory relationship between miRNA and PI3K/Akt signaling pathway as well as clarifying its target and direction of regulation is conducive to providing new therapeutic directions for T2DM, and miRNA is expected to become a new target for diagnosis and treatment of T2DM.

1. 引言

糖尿病(diabetes mellitus, DM)是内分泌系统最常见的慢性非传染性疾病之一，被称为“全球流行病”。随着生活水平的提高和饮食结构的改变，DM的发病率不断上升，根据国际糖尿病联盟(International Diabetes Federation, IDF)统计，目前我国糖尿病患者约1.2亿人，我国已成为糖尿病患者增长最快的国家 [1] [2] [3] 。鉴于此，探索DM分子生物学的发病机制及引发该病的多种信号通路得到了密切关注与研究 [4] [5] [6] [7] 。有关糖尿病的发病机制尚未完全明确，涉及炎症、氧化应激和胰岛素抵抗等。DM临床可分为T1DM和T2DM，后者占90%以上。T2DM的主要发病机制是胰岛素分泌不足和胰岛素抵抗(Insulin resistance，IR)。IR作为T2DM的主要发病机制，与多种因素相关，经研究 [8] 发现，胰岛素受体后信号转导通路障碍是引发IR的主要因素，而PI3K/Akt途径被认为其属于受体后IR，是产生IR的主要机制。研究 [9] 发现miRNA与T2DM有紧密关系，因此，探索miRNA在T2DM-IR中的作用及其调控机制，以期对T2DM的防治提供新方向。

2. PI3K/Akt信号通路

T2DM胰岛素信号通路主要有AMPK、PI3K/Akt、FoxO、NF-kB等。PI3K/Akt是胰岛素信号传导的一条经典调控途径，亦是产生IR的主要因素。PI3K是一种胞内磷脂酰肌醇激酶，其本身具有丝氨酸/苏氨酸(Ser/Thr)激酶的活性，也具有磷脂酰肌醇激酶的活性，是具有多种细胞功能的细胞内信号转导因子。根据序列同源性和脂质分子底物分子的不同，PI3K被分为三类(I类、II类和III类)，其中研究最广泛的是I类PI3K，此类PI3K为异源二聚体，由调节亚基p85和催化亚基p110构成。调节亚基p85含有SH2和SH3结构域，可与相应结合位点的靶蛋白相互作用。Akt是PI3K下游的蛋白激酶，其介导生长因子、细胞因子和细胞存活、生长、增殖、血管生成和新陈代谢。

PI3K/Akt信号通路的传导：正常情况下，当接受来自酪氨酸激酶和G蛋白偶联受体的信号后，PI3K的p85调节亚基即被募集到临近质膜的部位，p110亚基通过与p85亚基结合把底物PI-4，5-二磷酸磷脂酰肌醇(PIP2)转化为PI-3，4，5-三磷酸磷脂酰肌醇(PIP3)。PIP3可以和蛋白激酶B (proteinkinase B，PKB/AKt)的N端PH结构域结合，使Akt从细胞质转移到细胞膜上，并在3-磷酸肌醇依赖性蛋白激酶1 (PDK1)和3-磷酸肌醇依赖性蛋白激酶2 (PDK2)的辅助下，分别使Akt蛋白上的苏氨酸磷酸化位点(Thr308)和丝氨酸磷酸化位点(Ser473)磷酸化而使其激活。激活后的Akt通过直接和间接两种途径激活其底物雷帕霉素靶体蛋白(mTOR) [10] [11] [12] 。另一方面，肿瘤抑制基因PTEN (第10号染色体磷酸酶和张力蛋白同源丢失性基因)编码的产物可以使PIP3在D3位去磷酸化生成PIP2，可抑制Akt的活化，从而实现PI3K/Akt信号通路的负性调节，抑制细胞增殖和促进细胞凋亡。有研究表明PI3K是糖脂代谢的重要调节分子 [13] 。

3. PI3K/Akt信号通路与T2DM-IR的关系

IR是机体内靶细胞的胰岛素受体对胰岛素失去正常敏感性的状态，即正常剂量的胰岛素产生低于正常生物学效应的一种状态。简单来说，即肝脏、骨骼肌和脂肪组织对胰岛素无反应导致葡萄糖摄取减少和高血糖状况 [14] 。IR不仅是T2DM的主要发病基础，更是多种代谢性疾病的共同病理生理基础。目前，有关IR的研究热点主要集中在胰岛素信号转导的途径。PI3K/Akt作为胰岛素信号转导的主要通路之一，在IR中起着主导作用，其作用机制尚未完全阐述。近年来，多项研究支持PI3K是胰岛素信号传导中的关键节点。胰岛素信号传导的主要步骤：首先胰岛素与其受体结合，激活胰岛素受体；胰岛素受体底物(IRS)磷酸化，并且在p85亚基的作用下，与PI3K相结合激活PI3K，活化的PI3K催化PIP2产生PIP3，PIP3与蛋白激酶B (PKB)结合并在质膜激活PKD1，使Akt磷酸化，进一步调节其下游分子GSK-3、m TORC、GLUT4等，影响糖脂代谢 [8] 。

因此，PI3K/Akt是胰岛素受体后信号转导的关键，T2DM引起的IR可能与PI3K/Akt通路胰岛素信号传导障碍有关。PI3K活化后可激活GLUT4，GLUT4是一种胰岛素调节的跨膜葡萄糖转运蛋白，控制葡萄糖稳态，是PI3K/Akt途径的下游靶点 [15] 。GLUT4主要负责葡萄糖的转运，促进肌肉、肝脏和脂肪等组织对葡萄糖的摄取、利用 [16] [17] [18] 。质膜上缺乏GLUT4是IR的早期阶段，亦是IR发生的重要原因之一。活化的PI3K可以通过磷酸化作用激活或抑制其下游靶蛋白，调节糖脂代谢。另一方面，胰岛素代谢异常，IRS酪氨酸磷酸化下降，干扰PI3K活化，进一步抑制GLUT4转运，从而诱发IR。由此可见，IR的发生与PI3K/Akt信号通路及其下游靶点具有紧密的联系。最新研究 [9] 表明miRNA可以调控胰岛素信号转导，进而影响糖代谢。PI3K-P85是miRNA-320的靶点，最新研究 [19] 发现，miR-320对PI3K/Akt信号通路有抑制作用，说明miRNA-320可能通过多种途径参与IR、DM的发生发展。有动物实验 [20] 表明，上调miRNA-320可下调lgf-1/PI3K/Akt信号通路改善IR。因此探索miRNA对胰岛素信号通路转导的作用机制可以为临床防治T2DM提供新的治疗靶点。

4. miRNA与T2DM的关系

随着基因组学和蛋白组学的发展，我们对于miRNA有了深入的认识。miRNA是一类由内源基因编码的长度约20~24个核苷酸的非编码单链RNA。miRNA可以通过破坏靶mRNA的稳定性、抑制靶mRNA的翻译来对靶mRNA发挥调控作用。miRNA的生物合成过程：在细胞核中miRNA基因的初级产物pri-miRNA (长度约为300~1000个碱基)，经过Drosha酶切割成发夹结构的pre-miRNA (长度约70~90个碱基)，即miRNA前体，pre-miRNA在转运蛋白esportin-5的作用下由细胞核转运到细胞质中，pre-miRNA再经过Dicer酶进一步切割，即成为长约20~24个碱基的成熟miRNA。成熟的miRNA与其他蛋白质结合成复合物RISC (RNA-induced silencing complex)，即诱导的RNA沉默复合体。RISC以mRNA为目标，从而引起靶mRNA降解或翻译抑制。由此可见，miRNA的主要功能包括RNA沉默以及基因表达的转录后调控。

miRNA可通过多种调控途径干扰IR，其主要包括：受体前IR (影响胰岛素合成与分泌)、受体IR (干扰胰岛素受体底物与胰岛素结合)，受体后IR (抑制或促进胰岛素信号转导及GLUT4葡萄糖跨膜转运)。有研究 [21] 证明miRNA-320在糖脂代谢中起重要作用。刘云涛等 [22] 研究表明miRNA-320与糖代谢、IR关系密切。Yu Yang等 [23] 研究发现miR-27a在C57BL/6J小鼠中过度表达，导致甘油三酯积累以及PPAR-γ和其他基因的抑制，从而导致IR。miRNA可通过调控胰岛素信号通路转导来干预IR。miRNA干扰IR主要体现在对胰岛素信号通路转导的调控方面，因此胰岛素信号通路的研究最为广泛。PTEN是miR-21的靶基因，PTEN能使PI3K底物去磷酸化，将PIP3转变为PIP2，抑制AKT及其下游分子的活化，从而抑制PI3K/Akt的过度表达，负反馈调节PI3K介导的信号通路 [11] 。此外，有研究 [24] 发现miR-21抑制剂可改善STZ诱导的T2DM大鼠IR和脂质代谢紊乱。Zhu-Jun Mao [25] 等研究发现运脾和络汤通过调节肝脏miR-29a-3p减轻糖尿病肥胖大鼠胰岛素抵抗，实验发现IRS-1 mRNA的3’-UTR是miR-29a-3p结合位点，miR-29a-3p可以直接靶向调节IRS-1的表达，而运脾和络汤可以通过下调或维持miR-29a-3p水平，增加IRS-1 mRNA及其磷酸化蛋白的表达，上调胰岛素受体信号通路IRS1、Akt、PDK1的蛋白表达来减轻T2DMIR。另有实验研究 [26] [27] [28] 证实了大黄黄连泻心汤可以通过调控AMPK、PI3K/Akt信号通路，改善糖脂代谢及IR。Xue Zhang [16] 等研究发现雷公藤红素通过促进HepG2细胞中miR-150和miR-223表达上调，进一步干扰GLUT4、IRS1表达以及IRS1 Ser307磷酸化，增加GLUT4和IRS1的表达，减轻IR。另外研究还发现，miR-150过度表达未影响miR-223水平，而miR-223过度表达则增加了miR-150的表达，因此推测miR-223可能在miR-150的上游调节因子，并且是雷公藤红素的下游调节剂。先前已有研究 [29] [30] 证明雷公藤素具有抗炎和抗氧化特性，可减轻IR。Bing Dai等 [31] 经研究发现，六味地黄汤可以上调肝脏胰岛素信号通路相关因子的表达，促进PI3K/Akt信号通路的激活，以增强肝脏中IRS2、PI3K、Akt的磷酸化，改善信号转导因子的mRNA表达。结果显示，六味地黄汤能显著降低T2DM IR大鼠的空腹血糖和血清胰岛素水平，增加胰岛素敏感性，抑制IR。张朝宁等 [32] 研究发现化浊颗粒可下调miR-21表达，上调PTEN表达，进而抑制PI3K/Akt信号通路，改善IR。

miRNA差异表达，对于T2DM早期诊断有潜在价值，Yang Liu等 [33] 通过检测糖耐量受损受试者(IGT)、空腹血糖受损受试者(IFG)、新诊断T2DM患者及健康个体血清中miR-126表达量，证实miR-126可用于筛查糖尿病前期及新诊断糖尿病的生物标志物。GHADA AL-KAFAJI等 [34] 研究发现，外周全血中的miR-15a可以作为T2DM和糖尿病前期的潜在生物标志物。此外，孙志兵等 [35] 还发现miR-320与糖尿病视网膜病变病程进展及糖脂代谢相关。另有研究 [36] 表明，干扰miR-320表达对高糖诱导的MIN6细胞损伤具有保护作用，其作用机制为干扰miR-320表达激活Akt/m TOR信号通路保护高糖诱导的胰岛细胞β凋亡和损伤。另外，miRNA作为细胞内重要的非编码调控因子，可调控众多基因表达转录，在肿瘤(乳腺癌、肺癌、结直肠癌、胃癌、膀胱癌等疾病)中亦发挥着重要作用，有研究表明，miRNA-320与多种肿瘤存在联系，对一些肿瘤的发生发展起着抑制或促进作用 [37] 。刘雪娇等 [38] 研究发现miRNA-320在肺癌细胞中呈低表达，E2F1是miRNA-320的靶标基因，天南星提取物可通过上调miRNA-320表达，逆转肺癌细胞顺铂耐药，进而靶向下调E2F1表达，促进肺癌细胞凋亡。E2F1是E2F家族转录因子家族成员，可改变细胞周期，调控细胞凋亡过程，诱导细胞上皮间质转化，提高细胞侵袭、迁移能力，具有一定的促癌作用。李蓉等 [39] 研究发现，过表达miRNA-320c通过靶向FADD抑制肺腺癌细胞凋亡，促进肺腺癌细胞的侵袭和迁移，证实了miRNA-320c在肺腺癌进展中具有致癌特性。周晓兰等 [40] 研究显示miRNA-320d可抑制心肌细胞凋亡，其低表达引起心肌细胞凋亡增加，细胞活力降低，参与心房纤维化的发展过程。

5. 总结与展望

IR是T2DM发生发展的重要病理基础，胰岛素信号通路的转导在IR中起着主导作用，而PI3K/Akt作为经典的胰岛素信号通路之一，是胰岛素受体后信号转导的关键，可调控糖脂代谢。miRNA具有多种重要的分子生物学功能，可作为细胞间信息传递介质，参与许多疾病的生理功能和病理过程，尤其在T2DM的诊治中具有重要的临床价值和研究潜力。经研究发现，多种miRNA可以调控PI3K/Akt信号通路，通过抑制或促进其基因的表达，进而影响IR，最终达到调控糖脂代谢的作用。miRNA不仅在调控T2DM信号通路中发挥重要作用，越来越多的研究还表明其在预测T2DM的生物标志物方面存在潜在价值，糖尿病患者血清或尿液中的差异表达miRNA可作为T2DM早期诊断的新型生物标志物。

miRNA数量庞大，功能复杂，许多miRNA可以促进T2DM发展或减少T2DM损伤。miRNA在T2DM-IR中的调控机制尚未明确，基于此，进一步探索miRNA与PI3K/Akt信号通路的关系，明确其作用靶点及调控机制，可以为揭示T2DM的发病机制提供新的证据和研究方向，miRNA有望成为T2DM的诊断和治疗新靶点。

基金项目

内蒙古自治区自然科学基金项目，项目编号：2020MS08130，项目名称：大黄黄连泻心汤调控miR-320、PI3K/Akt信号通路改善胰岛素抵抗的研究。

参考文献

NOTES

^*通讯作者Email: [e-mail]