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胰岛素信号通路与肿瘤风险相关性的研究进展

2022-06-12 来源:好走旅游网
浙江中医药大学学报2015年5月第39卷第5期 胰岛素信号通路与肿瘤风险相关性的研究进展 张欣霞,陈婷 涂盛z姚定国a 1.浙江中医药大学杭州310053 2.浙江大学附属第一医院3.浙江中医药大学附属第一医院 摘要:【目的】探讨胰岛素信号通路与肿瘤风险的相关性,并明晰相关机制。【方法]本文总结近年来开展的体内试验和体外试验,从胰岛素信号通路 激活、细胞内信号转导机制及胰岛素信号通路基因水平三方面进行阐述。【结果]胰岛素及胰岛素类似物可与胰岛素受体、胰岛素样生长因子受体、 杂合受体结合,激活细胞内丝裂原活化蛋白激酶信号通路、磷脂酰肌醇3激酶信号通路及可能存在的其他信号通路,促使细胞有丝分裂、增殖及抗 细胞凋亡,增加肿瘤生成、癌变、转移的风险。然而,胰岛素信号通路中信号分子的基因多态性却并不一定增加肿瘤风险。[结论]体外研究表明胰岛 素信号通路与肿瘤风险相关。而胰岛素及其类似物在人体内环境中是否同样能增加肿瘤风险,值得更深一步的研究。 关键词:胰岛素;信号通路;受体;肿瘤;转导机制;基因水平;综述 中图分类号:R720.5 文献标识码:A 文章编号:1005—5509(2015)05—0418-05 DoI:10.16466/j.issn1005-5509.2015.05.025 Relationship of Insulin Signaling Pathway、vith Cancer Risks Zhang Xinxia ,Chen Ting ,Tu Shen ̄,et al 1.Zhejiang Chinese Medical University, Hangzhou(310053),Chino;2.The First Affiliated Hospitla ofZhejiang University Abstract:[0bjective]The article was to investigate the relationship between insulin signaling pathway and cancer risks and clarify the related mechanism. 『Methods]Recent years experiments in vivo and in vitro,were summsrized by three aspects about the insulin signaling pathway activation,intracellular sinalg trnsductiaon mechanisms and the genetics of insulin signaling pathway.[Result]Insulin and insulin analogs can bind to insulin receptor,insulin—like growth factor receptor,and hybrid receptor,and activate intracellular signal transduction pathways downstream,such as mitogen—activated protein kinase cascade,pho phatidylin0sit01 3-kinasepathway and other pathways that may exist,to promote mitosis,proliferation and anti—apoptosis,consequently increasing risks of tumor growth and development,and cancer metastasis.Whereas,single—nucleotide polymorphisms of insulin sinagling pathway related genes do not necessarily increase cancer risks-『Conclusion]Vitro studies have confirmed that insulin signaling pathway is associated with cancer risk. Whether the insulin and its analogs can actually increase cancer risks in human body,is wodhy of further research. Key words:insulin;signaling pathway;receptor;tumor;transfer mechanism;gene level;review 胰岛素是糖尿病治疗中必不可少的药物。随着 糖尿病发病率的持续升高,越来越多的糖尿病患者 B细胞分泌,由两条氨基酸链A链和B链通过二硫 键连接的蛋白质类激素。人们通过重组脱氧核糖核酸 fDeoxyribonucleic acid,DNA)技术人工合成人胰岛素, 需长期使用胰岛素治疗。胰岛素主要作用于肝脏、肌 肉、脂肪组织,调节糖脂代谢,降低血糖水平,维持正 常血糖。然而,近年来临床研究发现血浆高胰岛素水 人胰岛素在皮下具有自发聚集倾向,容易形成二聚体 或者六聚体,二聚体或者六聚体需要分解成胰岛素单 体才能通过毛细血管进入血液循环。而胰岛素类似物 是在人胰岛素的结构上进行修饰,通过更换氨基酸残 基(门冬胰岛素、赖脯胰岛素)、增加氨基酸(甘精胰岛 素)、添加脂肪酸侧链(地特胰岛素),使其药代动力学 更加接近内源性胰岛素_l_31。研究发现体外培养正常 大鼠甲状腺FRTL一5细胞、人子宫内膜细胞时胰岛素 显示促细胞增殖能力l 4_5l,并且在模拟人体子宫内膜 微环境的器官培养中胰岛素增加细胞恶性化表现,直 接促使人子宫内膜器官培养的癌性转化『51。另外,高浓 度的胰岛素能够使小鼠4T1乳腺癌细胞血管源性生 平与肿瘤发生相关,也有研究提示胰岛素不会增加 肿瘤风险。胰岛素及其类似物是否增加肿瘤风险仍 然是人们争论的热点。本文将从细胞信号转导的层 面,就近年来相关研究发现进行总结,阐述胰岛素与 肿瘤的关系。 1信号通路激活的起始条件:胰岛素及胰岛素类似 物与相关受体结合 胰岛素对靶细胞产生的生物效应取决于药物特 性、受体特征数量以及配体受体之间的相互作用。 1.1胰岛素及其类似物人体内源性胰岛素是胰岛 基金项目:浙江省自然科学基金项目(LY12H07003) Fund project:Program of Zhejiang Provincial Natural Science Foundation(LY12H07003) 通讯作者:姚定国,E-mail:kejiaoke0579@163.con 418 浙江中医药大学学报2015年5月第39卷第5期 长因子(vascular endothelial growth factor,VEGF)mRNA I 。胰岛素和胰岛素类似物还可通过HR激活IGF1R 信号通路,促进胰岛素/IR系统及胰岛素样生长因子 系统的相互作用,促进细胞增殖转化,共同参与肿瘤 的发生、发展lll1。另外,已转化的亚临床肿瘤细胞可能 的表达上调[61,而VEGF能通过诱导肿瘤血管形成, 促进肿瘤的生长、浸润和转移。体外研究发现目前市 场上所有可及胰岛素类似物与人胰岛素相比有更强 的促有丝分裂能力 。近年的体外研究表明甘精胰岛 素可促使人子宫内膜癌细胞增殖,减少细胞凋亡[81,而 甘精胰岛素代谢产物M1 f[GlyA21]insulin)和M2 ([GlyA2 1,des—ThrB30]insulin)并没有表现出更强的促 因受体表达和/或分布的变化使胰岛素及胰岛素类似 物的敏感性增加l 7l。 2细胞内信号转导机制 胰岛素的促细胞增殖作用是受体被激活所触发 有丝分裂能力,且其促细胞增殖潜能与人胰岛素相 的细胞内信号级联反应的下游效应。而IR、IGFIR和 似[91。体内研究发现糖尿病患者体内的甘精胰岛素原 HR的受体后信号转导通路常交错复杂。 型浓度极低,维持时间短,而其代谢产物占胰岛素浓 2.1两条主要信号通路丝裂原活化蛋白激酶 度的90%以上,可维持在24h以上【圳,因此,甘精胰岛 (mitogen—activatedproteinkinase,MAPK)通路和磷脂酰 素在体内的促细胞增殖能力可能会降低,或者体内 肌醇3激酶(ph0sphatidylinosito1 3一kinase,PI3K)通路 可能存在尚且未知的复杂调节机制也会降低促有丝 起着极其重要的作用。 分裂潜能。 2.1.1 MAPK通路是诱发肿瘤细胞增殖的中心环节 1.2胰岛素信号通路相关受体胰岛素信号通路相 IR、IGFIR和HR被激活后,可直接磷酸化含SH2 关受体主要包括胰岛素受体(insulin-receptor,IR)、胰岛 的胶原相关蛋白(SH2一containing collagen—related 素样生长因子1受体(insulin_like growthfactor-Ireceptor, proteins,Shc),Shc与生长因子结合蛋白2(growth IGF1R)、IGF/INS杂合受体(heterozygous receptor,HR)。 factor receptor—bound protein 2,Grb一2)结合,经二磷 IR—A亚型在癌症中过度表达,在肿瘤和胚胎形成过 酸鸟苷酸(guanosine diphosphate,GDP)一三磷酸鸟苷 程中促使细胞有丝分裂、增殖以及抗细胞凋亡【l1】。并 酸(guanosine triphosphate,GTP)交换因子fSon of 且,肿瘤恶性程度越高,IR—A表达越多口21。在肝母 sevenless guanine nucleotide exchange factor,Sos)激 细胞瘤细胞株中,IR—A表达与上皮一间质转化 活p21Ras蛋白,p21Ras蛋白在法尼基转移酶作用下 (epithelial mesenchymaltmnsiti0n,EMT)程度正相关 堋。 锚定在细胞膜上,并将Raf募集至细胞膜并激活,Raf IR—B亚型则被认为可能与肿瘤抑制有关;胰岛素对 再激活MAPK/Erk激酶(MAPK rk kinase,MEK),MEK 不同细胞类型产生的影响可因IR—A/IR—B水平的改 再磷酸化细胞外信号调节激酶1/2 fextracelluar 变而不 。IGF1R在多种肿瘤中均有高表达,且与 signal—regulated kinase 1/2,ERK1/2),ERK1/2转移至 肿瘤的发生、发展及侵袭转移密切相关【悯,且IGF1R 细胞核调节与细胞增殖有关的转录因子(ELK1、FOS1 与IR家族同源,胰岛素可以通过激活IGF1R促使肿 以及与EMT相关的转录因子(Twi岽舜跚.嘏一离肛 赢 甚器 善谶警 盏 薛墨 st、ZEB1),激活多 湔 瘤的生长和侵润[71。在多种肿瘤研究中发现,IR及 种癌基因及细胞周期调控蛋白,促进细胞分裂、蛋白 IGF1R异源二聚化导致HR形成,其中包含IR—A的 合成和细胞生长[16-17]。糖原合成激酶一313(glycogen 称为HR—A,包含IR—B的称为HR—B。HR—A在胚胎 synthase kinase一313,GSK313)最初被认为是胰岛素调 及未分化组织(包括肿瘤)中含量丰富,而HR—B在肝 节葡萄糖代谢的效应分子,然而胰岛素也可通过激活 脏、脂肪、肌肉等组织中含量较高『11】。 MAPK通路,磷酸化GSK313(Ser9)致其失活,从而激活 1.3胰岛素及类似物与受体之间相互作用胰岛素 癌基因和转录因子,促使细胞增殖 。 可与IR高亲合力结合,而胰岛素类似物促使细胞有 2.1.2 PI3K一蛋白激酶B(protein kinase B,PKB)(又称 丝分裂能力增加可能存在的机制:与IGFIR的高亲 Akt)通路是胰岛素信号通路中的另一重要通路激活 和力和/或与IR的低解离速度_7j。体外研究发现胰岛 的受体磷酸化胰岛素受体底物1/2(Insulin receptor 素类似物对IR的亲和力较低,且与IGF1R较高亲和 substrate,IRS一1/2),继而激活PI3K,PI3K通过磷酸肌 力的胰岛素类似物能促使高表达IGF1R细胞的有丝 醇依赖性激酶1/2激活Akt。活化的Akt激活一系列 分裂能力增加,而胰岛素对IGF1R的亲和力远低于 调控细胞增殖和存活的效应分子,如核因子一KBf 419 岽 跚 嘏 薪厨涨 浙江中医药大学学报2015年5月第39卷第5期 崮舔 毒旃銎醪盖 墨 阵湖 nuclear factor—KB,NF—KB)、c—Jun N端蛋白激酶(c— Jun terminal kinase,JNK)。同时磷酸化并抑制调控蛋 [24-25]。然而,该方面的研究尚处于起步阶段,而胰岛素 是否会通过该路径直接影响细胞增殖,需要更深一步 的研究。 白合成及细胞凋亡的信号分子,如Bal—xl/Bcl一2相关 死亡促进因子(Bad)、叉头转录因子0亚型(Forkhead box O,FoxO1、Mdm2、GSK3。还可通过抑制结节硬化复 3胰岛素信号通路基因水平的研究 单核苷酸多态性(single nucleotide polymorphism, SNP)是指在基因组水平上由单个核苷酸的变异所引 起的DNA序列多态性。基因编码区SNP能引起氨基 酸改变,导致蛋白质功能改变。人类基因3 非编码区 合体(tuberous sclerosis complex 1/2,TSC 1/2)激活雷帕 霉素靶蛋白fmammalian target of Rapamycin,mTOR), 继而激活核糖体蛋白激酶p70S6K,调节细胞生长和 蛋白合成【l61。磷酸化的FoxO3a从细胞核中排出,沉积 (3"UTR)在基因转录后水平调节中有重要作用。而非 编码SNP可引起生理功能紊乱、疾病、甚至肿瘤。目 于胞浆,致使FoxO3a在细胞核中的转录功能下降, 致其靶基因Bim、p27kip的mRNA表达减少,致细胞 增殖网。并且,NF_KB促进与EMT有关的转录因子Snail 和ZEB1转录,Snail反过来抑制PTEN基因转录,协 前,胰岛素信号通路相关组成成份存在多个SNP位 点,人们在分析其与肿瘤如前列腺癌、乳腺癌、结直肠 癌、甲状腺癌等关系的研究中所得到的结果并不一 致。研究发现韩国女性IGF1R基因51种SNPs中,8 同增强IRS一1/PI3K/Akt通路的作用【 ,促使肿瘤细胞 的侵袭、转移风险增加。有研究发现甘精胰岛素可上 个基因内含子和乳腺癌风险降低存在相关l生陶。然而, IGF1Rfrs2016347)G等位基因能促使乳腺癌的早期发 展及增加死亡率[271,因而可作为乳腺癌预后指标。也 有学者发现IGF1RSNPs可能会增加乳头状甲状腺癌 患病风险『船]。Karimi等 比较了伊朗地区结肠癌患者 与正常对照者的IR、IRS2基因多态性,发现不管是基 因型还是等基因频率在调整年龄、BMI、性别和吸烟 调人子宫内膜癌细胞中roTOR基因的表达,在体外 可促细胞增殖,减少细胞凋亡[8]。高剂量胰岛素和甘 精胰岛素还能通过PI3K非依赖的Akt激活促使T24 膀胱癌细胞增殖_l 8l。wu等人【 9]在微血管内皮细胞的 研究中发现,PI3K信号通路可上调VEGF表达,刺激 血管平滑肌细胞和内皮细胞的一氧化氮释放。后者 反过来加强VEGF表达,促使血管形成与增生[201。因 而会增加肿瘤转移的风险。 史等协变量前后均无显著差异。而伴有IR A一603G 启动子SNP的人发生结直肠的风险较低,并且突变 的等位基因IRS1 Gly972Arg SNP能进一步降低该 2.2可能存在其他信号通路Liu等『2l1发现胰岛素 能通过激活IR磷酸化PTEN蛋白的Y27和Y174两 个关键酪氨酸使PTEN下调,而不依赖于PI3K通路 的激活。另外,胰岛素还能通过IR和IGF1R激活乳 腺癌细胞鞘氨醇激酶(sphingosine kinases,SphK)l和 SphK2两种同工酶调节胰岛素诱导的ERK1/2和Akt 风险 。mTORfrs1057079)AG/GG基因型与结肠癌显 著相关(On=1.21,95%CI[1.05,1.381),PI3K(rs7651265)GG 基因型与直肠癌相关(OR=2.32,95%CI[1.02,5.3o1) ̄ 1。 另外,PI3K基因多态性(rs7556371)和前列腺癌显著 相关,尤其是有家族史,及早发疾病的患者【 。胰岛素 信号通路相关SNP位点通过影响蛋白水平而使人体 生物学特性发生改变。编码胰岛素信号通路各组份 的基因变异与肿瘤风险的相关性可能受民族、地区、 遗传因素的影响。随着胰岛素信号通路基因水平研 究的深入开展,更多SNP位点的发现有望成为肿瘤 活化 ,可见,SphK信号系统在胰岛素介导的乳腺癌 细胞促有丝分裂有重要作用。研究发现,胰岛素信号 通路可通过IRS1/2阻止散乱蛋白fDishevelled,Dv1)2 泛素化和自噬,增加Dvl2蛋白水平,增加TCF4转录 活性,并使两个对于细胞生长有重要作用的wnt靶 基因(CYCLIN D1和e—myc)表达上调,因而促进了常 标志,从而也能为肿瘤治疗方法开辟新的道路。 4展望 规Wnt信号通路 ,促进EMT和细胞增殖。再者,IR 和IGF1R除了作为细胞表面受体在经典信号通路中 起重要作用之外,最近研究表明这些受体连同其下游 信号分子(如ERK级联反应)能转入细胞核,并直接 胰岛素可以与受体结合,并激活下游的信号转导 通路,促进细胞有丝分裂、增殖及抑制细胞凋亡,增加 肿瘤生成、转移的风险。然而,由于人体内微环境的 不同及药物代谢效应的存在,体外实验的观察结果是 否有临床意义还难以回答。遵循医学伦理学的宗旨, 起着转录因子的功能,构成信号转导中的新途径,可 能对代谢、糖尿病和癌症等领域的研究产生重要影响 420 浙江中医药大学学报2015年5月第39卷第5期 及由于模拟人体内微环境条件的实验存在局限性和 不确定性,胰岛素与癌症是否相关尚缺乏人体研究证 Rev,2009,30(6):586—623. [12】Malaguarnera R, Frasca F, Garozzo A, et a1. Insulinreceptor isoforms and insulin-like growth factor receptor in human follicular cell precursors from papillary 据。胰岛素及胰岛素类似物产生的作用差异所涉及 的具体信号通路以及胰岛素类似物与人胰岛素作用 机制的差异,我们还需进行更深一步的研究。并且, 胰岛素信号通路分子蛋白水平和基因水平的深入研 究,能为人们提供更多的抗肿瘤治疗靶点,拓宽肿瘤 thyroid cancer and normal thyroid[J].J Clin Endocrinol Metab,201 l,96(3):766—774. [1 3】Zhao H,Desai V,Wang工et a1.Epithelial-mesenchymal transition predicts sensitivity to the dualI GF一1R/IR inhibitor OSI-906 in hepatocellular carcinoma cell lines 治疗的思路,相信不久的将来会给肿瘤的临床治疗 带来惊喜。 [J1.Mol Cancer Ther,2012,11(2):503—513. 【14]Andres SF,Simmons JG,Mah AT,et a1.Insulin receptor isoform switching in intestinal stem cells,progenitors, 参考文献: differentiated lineages and tumors:evidence that IR-B 【1】 Mynarcik DC, Williams PF, Schaffer L, et a1. limits proliferation[J].J Cell Sci,2013,126fPt24):5645— Identification of common ligand binding determinants of 5656. the insulin and insulin—like growth factor 1 receptors. 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(收稿日期:2014—11-07) 明粉以求快速润其燥。“柳圣依翁夫人热病”案,患者 “夏间患热病,烦渴昏谵医治旬余无效”,程氏谓“此热 病,非清不可”,投竹叶石膏汤清热生津、益气和胃,患 422 

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