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葡萄糖激酶在葡萄糖稳态调控中的核心作用之缘起篇
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基础研究  作者:国际糖尿病网 来源:国际糖尿病 2020/9/11 16:19:00    加入收藏
内容概要:

陈力

 
华领医药技术(上海)有限公司 首席科学官
 
编者按:葡萄糖激酶(GK)又称己糖激酶IV(HK-IV),其可敏锐地感知体内葡萄糖浓度的变化并启动血糖调节系统以维持血糖稳态,是人体重要的葡萄糖传感器。肝脏中GK约占全身的99.9%,参与调节糖原合成/分解、糖异生等糖代谢过程;在胰腺中主要存在于胰岛α、β细胞,作为葡萄糖传感器,调节胰高血糖素和胰岛素的释放;在肠道中,存在于肠道L细胞和K细胞作为葡萄糖传感器,调节GLP-1、GIP等释放;在大脑主要存在于下丘脑,垂体前叶细胞作为葡萄糖传感器,调节神经元递质、促性腺激素等物质分泌。被誉为“GK之父”的Franz M.Matschinsky教授在2019年发表了一篇系统综述,全面系统地总结了“GK作为葡萄糖传感器维持血糖稳态”这一假说,帮助我们深刻理解GK在血糖稳态调控中的核心作用。下面让我们紧随其脚步,深入探索GK及以此为靶点的新型糖尿病治疗药物——葡萄糖激酶激活剂(GKA)。
 
葡萄糖传感器假说背景与起源
 
早在1927年,Grafe和Meythaler[1]等学者就首次观察到将少量的D-葡萄糖注入到犬十二指肠胰腺动脉可引起全身血糖降低,这也被称作血糖的信使功能。在随后的动物实验中,学者们进一步认识到血糖升高可使胰岛素的分泌增加。直到1963年,以Matschinsky[2]为代表的学者们在肥胖小鼠中证实葡萄糖激酶(GK,己糖激酶-4)存在于分泌胰岛素的朗格汉斯细胞中,这个发现为理解葡萄糖感应在代谢中的作用奠定了坚实的基础。在随后的研究中,Matschinsky和他的同事们于1968年提出了GK作为葡萄糖代谢传感器的概念[3]。随着人类遗传学研究水平的不断进步,学者们很快建立了GK基因与成人起病型青少年糖尿病(MODY)[4]和高胰岛素血症(HI)[5]之间的联系。此外,Basco等人通过特异性敲除小鼠α细胞中的GK基因后发现葡萄糖抑制胰高血糖素分泌的作用被阻断从而导致高血糖出现[6]。这项研究结果表明,葡萄糖可通过GK直接影响α细胞,调控胰高血糖素的分泌。同时大量研究证实GK在肝脏葡萄糖代谢中起着关键作用[7]。在此基础上,在2003年发现的变构GK激活药物葡萄糖激酶激活剂(GKA)[8]是一项伟大的成就,它提供了治疗糖尿病的新希望。从此之后,人们便一直在积极探索GKA的治疗潜力[9]。
 
GK葡萄糖传感器概念简述
 
现在已有广泛证据支持GK负责胰腺β细胞中葡萄糖浓度与胰岛素释放之间的耦联,并通过细胞能量状态改变而起作用:随着血液葡萄糖浓度升高,葡萄糖通过转运蛋白转运至β细胞内;感知到葡萄糖浓度升高,GK将葡萄糖磷酸化为G-6P,G-6P进入糖代谢过程,产生ATP,细胞中ATP/ADP的比值升高。对ATP敏感的K+ATP通道关闭,外流的K+减少,细胞膜去极化,电压门控的Ca2+通道开放,Ca2+内流,细胞内Ca2+浓度上升从而促进胰岛素通过胞吐作用释放到细胞外[10]。
 
除了β细胞,还包括许多其他细胞和组织,特别是在胰腺α细胞、δ细胞、中枢神经系统中葡萄糖激发(GE)/葡萄糖抑制(GI)的神经元和垂体前叶中,GK也感知相似的能量状态变化而引发不同的细胞反应,从而调节血糖维持血糖稳态。
 
而在非葡萄糖传感器的组织和细胞中,可能不表达或仅微量表达GK(己糖激酶4),而主要表达己糖激酶1-3。己糖激酶1-3对葡萄糖有更高的亲和力,同时有较低的最大反应速率,不具备GK所特有的对血糖变化的敏感性和可调节性[11]。GK的酶动力曲线呈S形,且其对葡萄糖浓度的依赖性不受反应产物影响,且该曲线中的拐点约为4.0mM,接近葡萄糖刺激胰岛素释放的阈值。这些都是GK具有良好的葡萄糖敏感性和充分的活性调节空间的保障,同时也是其区别于其他己糖激酶的独特之处。这些为GK作为感知血糖变化的感应器并发挥维持血糖稳态的核心作用提供了有力的证据。
注:Vmax:在一定酶量下的最大反应速率,酶在底物完全饱和时的反应速度;Km、S0.5:1/2Vmax时的底物浓度,反映了酶和底物的亲和力大小
 
图.GK和HK1-3酶动力曲线
 
胰腺和肝脏是GK最主要的表达器官,同时也是人体最重要的两个血糖调控器官。如下所述,在肝脏中,GK占据着独特的位置。
 
肝脏在葡萄糖动态平衡中的特殊作用
 
首先,由于强大的代谢和储存能力,肝脏在维持葡萄糖稳态中具有独特而重要的作用,当血液中葡萄糖浓度高于正常水平时,肝脏将血液中葡萄糖转化作为糖原储存或用于脂肪合成,这不仅有助于预防餐后高血糖,也保证了足够的肝脏糖原储存以稳定两餐之间的血糖水平[12]。肝脏的这种特异性地存储和清除对保持葡萄糖稳态十分必要,其在很大程度上决定了餐后血糖水平。基于此,GK在肝脏中的作用主要在代谢方面——激活代谢途径,存储或降解G6P(如糖原合成与糖酵解),即在降低餐后血糖并维持肝糖原水平中起重要作用。对于链脲佐菌素诱导的糖尿病小鼠进行GK转基因处理后,小鼠肝脏中GKmRNA水平和活性升高,随之细胞内G6P和糖原水平相应升高。甚至在没有胰岛素的情况下,其导致血糖、酮体、甘油三酯和游离脂肪酸的正常化。因此,糖尿病小鼠表达GK后,诱导糖酵解,同时阻断糖异生和酮生成[13]。
 
与神经元和内分泌组织不同,肝脏GK的表达绝对依赖于胰岛素,且受胰高糖素的抑制。研究表明,GK表达是受同一基因在两个器官的特异性启动子调控[14]。在胰腺内分泌细胞中,一个上游神经内分泌启动子(NE-GK-启动子)调控着GK的表达,而另外的一个胰岛素依赖性下游启动子则控制着肝脏中GK的表达(HEP-GK-启动子)。在胰腺中,NE-GK-启动子常态性地调控葡萄糖感应细胞中GK的表达,葡萄糖直接影响β细胞中的GK水平,从而调节胰岛素的合成、分泌和β细胞的复制。肝脏中HEP-GK-启动子调控下的GK表达则依赖于胰岛素。因此葡萄糖浓度的变化通常与胰岛素的产生或功效改变相关,胰腺内分泌细胞通过GK调控胰岛素和胰高血糖素水平,发挥血糖调节作用,肝脏则调控相关酶的活性和含量(包括葡萄糖激酶、葡萄糖-6-磷酸酶、糖原合成酶及磷酸化酶)并决定肝糖原合成、糖原分解及糖异生的相对速率以维持血糖稳定。
 
肝脏中特异于维持葡萄糖稳态的GK调节步骤还包括:肝脏特异性蛋白质——GK调节蛋白(GKRP)对GK的抑制。GKRP是在肝细胞中表达的一个单体蛋白,它仅位于肝细胞核中。在空腹状态下,GKRP结合GK形成复合体,并被隔离在细胞核中,导致GK失活。进食后,随着血糖水平的升高,GK/GKRP复合体可被解离,葡萄糖与GK上的底物位点相结合[15],导致一系列的化学反应,从而降低餐后血糖水平。
 
因果关系确认——葡萄糖敏感信号需要GK之证据
 
近年来随着基因技术的进步,许多GK基因突变引发的血糖稳态失衡都已经被阐明。当人GK基因突变使其最大活性和/或与葡萄糖亲和力改变时,可导致疾病状态[16]。这些疾病的程度取决于具体突变所引发的酶活性改变程度。从最开始报告的某些MODY病例与GK基因突变相关以来,迄今为止科学家已发现600多种突变[17]。这些突变绝大多数会导致酶活性降低,引起轻度的疾病表现(归类为MODY-2)。如果仅一个等位基因受到影响,血糖仅升高1mM左右,通常不需要治疗;但如果两个等位基因均发生突变,有可能导致一种严重永久性新生儿糖尿病(PNDM),患儿在出生后如果未尽快接受胰岛素治疗则可能致命。当突变增加了最大GK活性或与葡萄糖的亲和力时,则会导致高胰岛素血症(HI),其严重程度将随着酶活性或与葡萄糖亲和力的增加而增加。目前所有已知的GK导致的HI均仅涉及一个等位基因。这些证据表明在人类中,两个等位基因的激活可能会导致胎儿死亡[18]。
 
GK激活剂可以模拟细胞对高血糖的反应[19]。基础及临床研究证据均显示T2DM与GK活性减少相关。这种相关性为研发GK激活剂类药物治疗T2DM提供了理论基础[20]。Dorzagliatin是一个新型GK异构激活剂,可修复胰腺及肝脏中GK活性,同时其作用为葡萄糖浓度依赖性,减少了低血糖风险。南京鼓楼医院朱大龙教授多次报道过其临床试验,II期和III期临床试验均显示GK激活剂Dorzagliatin用于治疗2型糖尿病患者具有较好的疗效与安全性。Dorzagliatin有望成为T2DM治疗的新突破。
 
专家简介
陈力博士,华领医药技术(上海)有限公司董事长、首席执行官、创始人,首席科学官。陈力博士曾任罗氏研发中国有限公司首席科学官,拥有20多年新药研发创新及管理经验。陈力博士于2011年成立华领医药,以“患者为先、创新为本、良药为民”为宗旨,运用“中西合璧、联合创新”的新药研发运营模式和“高标准、高质量、创造高价值”的经营理念,在5年内华领医药的糖尿病全球原创新药HMS5552成功取得中美临床试验批件、完成四个临床I期和临床II期POC试验,并在2017年全球率先启动同类产品III期临床试验和药品上市计划,实现全球首创、中国首发。在此期间,成功完成2亿美元融资和中国新药创新公司建设。
 
陈力博士1992年毕业于爱荷华州立大学,获博士学位,同年加入罗氏美国研发中心。在罗氏陈博士从一名药物化学资深研究员成长为高通量技术部主任,2004年回中国建立罗氏中国研发中心,任首席科学官和董事。陈力博士是35件授权专利发明人和17件专利申请发明人,并发表60多篇科学论文。
 
参考文献
 
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1.Grafe, E., and Meythaler, F. (1927a). Beitrag zur Kenntnis derRegulation der Insulin produktion I. Mitteilung: Der Traubenzuckerals Hormon f?rdie Insulin abgabe. Naunyn-SchmiedebergsArch. Exp. Path. Pharmak. 125,181–192.
 
2.Matschinsky, F. M., and Ellerman, J. E. (1968). Metabolism ofglucose in islets of Langerhans. J.Biol. Chem. 243,2730–2736.
 
3.Matschinsky, F. M., Kauffman, F. C., and Ellerman, J. E. (1968).Effect of hyperglycemia on the hexose monophosphate shunt in isletsof Langerhans. Diabetes17,475–480.
 
4.Froguel, P., Zouali, H., Vionnet, N., Velho, G., Vaxillaire, M.,Sun, F., et al. (1993). Familial hyperglycemia due to mutations inglucokinase. Definition of a subtype of diabetes mellitus. N.Engl. J. Med. 328,697–702.
 
5. Glaser, B., Kesavan, P., Heyman, M., Davis, E., Cuesta, A., Buchs,A., et al. (1998). Familial hyperinsulinism caused by an activatingglucokinase mutation. N.Engl. J. Med. 338,226–230.
 
6.  Basco, D., Zhang, Q., Salehi, A., Tarasov, A., Dolci, W., Herrera,P., et al. (2018). α-cellglucokinase suppresses glucose-regulated glucagon secretion. Nat.Commun. 9,1–9.
 
7.Salas, M., Vinula, E., and Sols, A. (1963). Insulin-dependentsynthesis of liver glucokinase in the rat. J.Biol. Chem. 238,3535–3538.
 
8.Grimsby, J., Sarabu, R., Corbett, W. L., Haynes, N. E., Bizzarro,F. T., Coffey, J. W., et al. (2003). Allosteric activators ofglucokinase: potential role in diabetes therapy. Science301,370–373.
 
9.Matschinsky, F. M. (2013). GKAs for diabetes therapy: why noclinically useful drug after two decades of trying? TrendsPharmacol. Sci. 34,90–99.
 
10. Matschinsky F. M, et al. Handb Exp Pharmacol 2011,(203):357-401.
 
11.Cárdenas, M. L. (2004). “Comparative biochemistry of glucokinase”in Glucokinaseand glycemic disease: From basics to novel therapeutics.eds. F. M. Matschinsky and M. A. Magnuson (Basel: Karger), 31–41.
 
12.Agius, L. (2016). Hormonal and metabolic regulation of hepaticglucokinase. Annu.Rev. Nutr. 36,389–415.
 
13.Ferre,T., Pujol, A., Riu, E., Bosch, F., and Valera, A. (1996). Correctionof diabetic alterations by glucokinase. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A.93, 7225–7230.
 
14.Lynedjian, P. B. (2009). Molecular physiology of mammalianglucokinase. Cell.Mol. Life Sci. 66,27–42.
 
15. Van Schaftingen, E., and Veiga da Cunha, M. (2004). “Discovery androle of glucokinase regulatory protein” in Glucokinase and glycemicdisease: From basics to therapeutics. eds. F. M. Matschinbsky and M.A. Magnuson. Front. Diabetes; (Basel: Karger), 16, 193–207.
 
16.Osbak, K. K., Colclough, K., Saint-Martin, S., Beer, N. L.,Bellanné-Chantelot, C., Ellard, S., et al. (2009). Update onmutations in glucokinase (GCK), which cause maturity-onset diabetesof the young, permanent neonatal diabetes, and hyperinsulinemichypoglycemia. Hum.Mutat.
 
17.Hattersley, A. T., Turner, R. C., Patel, P., O’Rahilly, S.,Wainscoat, J. S., Permutt, M. A., et al. (1992). Linkage of type 2diabetes to the glucokinase gene. Lancet339,1307–1310.
 
18.Pino, M. F., Kim, K. -A., Shelton, K. D., Lindner, J., Odili, S.,Li, C., et al. (2007). Glucokinase thermolability and hepaticregulatory protein binding are essential factors for predicting theblood glucose phenotype of missense mutations. J.Biol. Chem. 282,13906–13916.
 
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20.Grimsby, J., Sarabu, R., Corbett, W. L., Haynes, N. E., Bizzarro,F. T., Coffey, J. W., et al. (2003). Allosteric activators ofglucokinase: potential role in diabetes therapy. Science301,370–373.


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