БИОХИМИЯ, 2006, том 71, вып. 5, с. 592 - 597
УДК 577.124
РОЛЬ ЦИТОСКЕЛЕТА В РЕГУЛЯЦИИ МЕТАБОЛИЗМА ГЛЮКОЗЫ
Обзор
© 2006 г. Ж. Лиу, Й.В. Жанг, Й.Ш. Чанг, Ф.Д. Фанг*
National Laboratory of Medical Molecular Biology, Peking Union Medical College and Chinese Academy of Medical Sciences, Beijing 100094, China; fax: (+86)106-525-3005, E-mail:fangfd@public3.bta.net.cn, changy@njc.org
Поступила в редакцию 03.06.05 После доработки 30.11.05
В настоящем обзоре определяется роль цитоскелета в регуляции метаболизма глюкозы. Цитоскелет участвует в регуляции секреции инсулина за счет управления внутриклеточным транспортом везикул, содержащих инсулин, и высвобождением инсулина, а также в распределении в клетке субстрата рецептора инсулина, в частности в транслокации GLUT4 и в интернализации рецептора инсулина. Кроме того, цитоскелет участвует во внутриклеточном распределении ферментов, связанных с метаболизмом глюкозы, в частности гликогенсинтазы и многих гликолитических ферментов.
КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: цитоскелет, регуляция глюкозы, инсулин.
Метаболизм глюкозы — комплексный физиологический процесс, в регуляцию которого вовлечен ряд гормонов, включая инсулин. Этот процесс характеризуется определенной последовательностью молекулярных событий. Согласно результатам исследований последних лет цито-скелет играет важную физиологическую роль в основном в секреции инсулина, действии инсулина и внутриклеточном распределении ферментов, связанных с метаболизмом глюкозы. В данной работе рассматривается взаимосвязь между цитоскелетом и метаболизмом глюкозы.
ЦИТОСКЕЛЕТ И СЕКРЕЦИЯ ИНСУЛИНА
Инсулин — один из наиболее важных гормонов, поддерживающих баланс метаболизма глюкозы. Единственным источником инсулина ¡и
Принятые сокращения: LDCV — везикулы с электронно-плотной сердцевиной; СаМ-киназа II — кальмоду-линзависимая протеинкиназа II; PKA — АМР-зависимая протеинкиназа; MAP-2 — ассоциированный с микротрубочками протеин-2; SNARE — растворимый этилмалеи-мидчувствительный белок, обеспечивающий образование комплекса белка везикул с мишенью на мембране; IRS — рецептор субстрата инсулина; INSR — рецептор инсулина; GLUT4 — переносчик глюкозы-4; PI3K — фосфатидилино-зитол-3-киназа; CAP — белок, ассоциированный с Cbl. * Адресат для корреспонденции и запросов оттисков.
vivo являются р-клетки панкреатической железы. Вызванная стимуляцией глюкозой секреция инсулина осуществляется в две фазы. Когда внутриклеточная концентрация кальция достигает 2—3 нМ или через 3—5 мин после принятия пищи, начинается первая фаза секреции, характеризующаяся экзоцитозом гранул инсулина, из пула готовых к секреции гранул. Она происходит очень быстро (<200 мс). Секреция инсулина происходит медленно и постоянно во второй фазе, которая наступает через 120 мин после поступления глюкозы и зависит от синтеза и созревания инсулина и транспорта содержащих инсулин везикул.
Цитоскелет р-клеток островков панкреатической железы состоит в основном из микротрубочек и микрофиламентов и играет важную роль в секреции инсулина. Микротрубочки обеспечивают путь для прямого транспорта инсулина от шероховатого эндоплазматического ретику-лума к аппарату Гольджи и к клеточной мембране. Микрофиламенты в основном выполняют три функции: во-первых, они являются барьером между инсулиновыми везикулами и клеточной мембраной, во-вторых, они влияют на слияние инсулиновых везикул с клеточной мембраной, в-третьих, они участвуют во внутриклеточном транспорте инсулиновых везикул. Взаимосвязь функций цитоскелета с секрецией инсулина показана на схеме 1.
Схема 1. Цитоскелет и секреция инсулина. INS — инсулин, Ach — ацетилхолин, СК2 — казеинкиназа-2, МТ — микро-тубулин, MF — микрофиламент, Cdc42 — белок клеточного цикла-42
В шероховатом эндоплазматическом ретику-луме препроинсулин процессируется с образованием проинсулина, который позже транспортируется по микротрубочкам к комплексу Гольджи, где превращается в инсулин. Затем инсулин упаковывается в крупные плотные везикулы (LDCV). Под воздействием колхицина или винкристина происходит деполимеризация микротрубочек и превращение проинсулина в инсулин замедляется. При необходимости транспорта везикул с секретируемым инсулином из внутренней части цитоплазмы по сети микротрубочек к клеточной мембране возрастает потребность в АТР. Энергия для этого движения обеспечивается гидролизом АТР, катализируемым моторными белками [1]. В системе микротрубочек существуют моторные белки двух типов — кинезин и динеин, которые независимо стимулируют движение везикул по микротрубочкам в ту или другую сторону. В результате наблюдений за живыми клетками установлено, что LDCV часто меняют направление движения. Видимо, это зависит от того, какой из белков, кинезин или динеин, участвует в движении. Другие исследования показывают, что в процессе экзоцитоза LDCV участвует кинезин, а в транспорте везикул после эндоцитоза — динеин. Равновесие между деполимеризацией и полимеризацией микротрубочек — ключевой момент в поддержке регулярного движения везикул секреции инсулина. Вторая фаза секреции инсулина в значительной степени ингибируется при использовании колхицина для деполимеризации микротрубочек или нокодазола для поддержания стадии полимеризации [2].
Сеть микрофиламентов распределяется в периферической части в-клеток и препятствует достижению клеточной мембраны гранулами
инсулина. Следовательно, разрушение и перестройка микрофиламентов необходимы для встраивания в клеточную мембрану секреторных везикул. Использование цитохалазина или С2-токсина Clostridium botulinum для разрушения структуры клеточных микрофиламентов способствует секреции инсулина, особенно ее первой фазе [3]. Растворимый этилмалеимидчув-ствительный белок, обеспечивающий образование комплекса белка везикул с мишенью на мембране (SNARE), относится к типу белков, действие которых тесно связано со слиянием инсулиновых гранул с мембраной. Изолированный t-SNARE-комплекс локализован в плазматической мембране. Он образует комплекс с по-лимеризованным актином, и временное разрушение этого комплекса приводит к экзоцитозу гранул инсулина. Этим подтверждается предположение о роли микрофиламентов в предотвращении слияния мембраны и секреторных гранул [4].
Микрофиламенты вовлечены также в транспорт гранул инсулина. Вторая фаза секреции инсулина в клетках HIT-T15 может быть инги-бирована С2-токсином C. botulinum [3]. Она также в несколько меньшей степени ингибируется этим токсином в островковых ß-клетках. Механизм регуляции транспорта инсулиновых гранул, осуществляемый с помощью цитоскелета, до сих пор полностью не изучен. Видимо, существует тесная взаимосвязь уровня фосфорили-рования моторных белков, связанных с системой микротрубочек и микрофиламентов, и некоторых малых G-белков. Кальмодулинзависи-мая протеинкиназа II (СаМ-киназа II) и циклическая АМР-зависимая протеинкиназа (РКА) — определяющие элементы в регуляции глюкозо-или ацетилхолинстимулированной секреции инсулина ß-клетками. Было показано, что в ß-клетках белок, ассоциированный с микротрубочками (MAP-2), и белок, ассоциированный с микрофиламентами (синапсин I), являются субстратами для СаМ-киназы и РКА [5—9]. MAP-2 оказывает значительное влияние на стабильность микротрубочек в секреции инсулина [10—12]. Значение фосфорилирования синапси-на СаМ-киназой II до сих пор еще не выяснено.
Существует мнение, что фосфорилирование синапсина способствует поддержанию целостности системы микрофиламентов. Кроме того, фосфорилирование моторных белков играет важную роль в секреции инсулина. Фосфорили-рование тяжелой или легкой цепи миозина приводит к изменениям во взаимодействии миозина и актина, которые управляют движением гранул инсулина [13—17]. Кинезин локализуется в системе микротрубочек и в ß-гранулах. В панк-
реатических в-клетках тяжелая цепь кинезина (КНС) при низкой концентрации Са2+ фосфо-рилируется с помощью казеинкиназы-2 и подвергается быстрому дефосфорилированию про-теиндефосфатазой-2В в случае увеличения ее концентрации. Фосфорилированная тяжелая цепь кинезина связывается с микротрубочками и в результате обеспечивает продвижение гранул инсулина к плюс-концу микротрубочек [18]. Rab27 и связывающий его белок Slac2c/MyRIP способны регулировать взаимодействие гранул инсулина с периферической сетью актиновых волокон. Как сверхэкспрессия актинсвязываю-щего домена Slac2c/MyRIP, так и селективное ингибирование экспрессии Rab27 с помощью интерференции РНК приводят к мощному ин-гибированию экзоцитоза [19]. Cdc42 является одним из членов Rho-семейства GTPаз, способных в активном состоянии вызывать полимеризацию актина. Глюкоза вызывает быстрое и обратимое гликозилирование Cdc42. Предполагается, что перестройки кортикального актина могут быть индуцированы его селективным гли-козилированием [20].
ЦИТОСКЕЛЕТ И ДЕЙСТВИЕ ИНСУЛИНА
Для поддержания баланса глюкозы чрезвычайно важно нормальное физиологическое воздействие инсулина. Цитоскелет участвует в распределении рецепторов субстрата инсулина (IRS), транслокации транспортера глюкозы-4 (GLUT4) и интернализации рецептора инсулина (INSR). Следовательно, нарушение функционирования цитоскелета может с большой вероятностью уменьшить или блокировать инсулино-вый сигнал и привести к устойчивости к действию инсулина (взаимосвязь между цитоскелетом и действием инсулина показана на схеме 2).
Цитоскелет и распределение IRS. В клетках IRS присутствует в цитоскелете, а также в цито-золе. Кроме того, в нормальных условиях существует подвижная фракция между двумя пулами этого белка. Функциональными являются только молекулы, локализованные в цитоскелете, которые при стимуляции инсулином могут быть фос-форилированы по остаткам тирозина, что сопровождается перемещением фосфатидилинозитол-3-киназы (PI3K) из цитозоля в цитоскелет. IRS, локализованный в цитозоле, не реагирует на стимуляцию глюкозой, что, возможно происходит в результате его недоступности для INSR. Локализация IRS в цитоскелете способствует возникновению более удобных сайтов для INSR и взаимодействию с PI3K, что приводит к более эффективной передаче инсулинового сигнала [21].
Так
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.