PI3K/AKT信号通路与糖尿病的研究进展＊

宋紫临，吴丽丽，秦灵灵，孙 文，秦田雨，潘雅婧，刘铜华

（北京中医药大学中医养生学研究所 北京 100029）

国际糖尿病联盟（International Diabetes Federation,IDF）于2017 年公布了第八版IDF 糖尿病地图[1]，指出2017年全球约有4.25亿糖尿病患者，中国糖尿病患病人数为1.144亿，居世界首位。中国糖尿病患者总数高居世界第一的事实已经不容争辩，这将给整个社会造成非常沉重的负担。2型糖尿病发病的基本病理基础为：胰岛素抵抗伴分泌不足。而PI3K/AKT信号通路是2型糖尿病发生发展的经典通路，因此，对此通路进行详细阐述十分必要。

1 PI3K/AKT信号通路的分子结构与功能

1.1 PI3K

磷脂酰肌醇3-激酶（phosphoinositide 3-kinase，PI3K）为异二聚体，包括催化亚基和调节亚基。调节亚基主要通过SH2 区与磷酸化的酪氨酸残基相互作用，配合催化亚基膜转位和活化，促进磷脂酰肌醇3 位羟基磷酸化，产生肌醇脂物质依赖激酶发挥第二信使作用。调节亚基p85 有5 种异构体（p85α、p85β、p55α、p558α及p50）：SH2区能够催化磷脂酰肌醇磷酸化，SH3区负责与胰岛素受体底物结合；催化亚基P110包含p110α、p110β、p110δ、p110γ4 种异构体。根据p110 结构特点和底物分子不同，将PI3K分I、II、III，共3个亚型，目前研最多的主要集中在I 型PI3K，其根据所结合的亚基不同分为两亚型：IA及IB，IA型PI3K主要从酪氨酸激酶受体传递信号，而IB型主要通过连接G蛋白受体传递信号。IA型PI3K催化亚基p110包括p110α、p110β、p110δ，调节亚基主要为p85α；IB 型催化亚基主要为p110γ，通过与调节蛋白结合介导G 蛋白偶联受体β、γ亚基对p110的活化[2]。

1.2 AKT

AKT，即蛋白激酶B（protein kinase B，PKB），属于丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶。目前已发现至少存在3 种AKT 家族成员：AKTα、AKTβ、AKTγ，前两者广泛存在于多种组织中，AKTγ主要存在于大脑和睾丸中。AKT主要包括N端、中间激酶区及C端：其中，氨基端的PH区是高度保守的重要的功能区域[3,4]，主要通过结合经PI3K磷酸化的磷脂酰肌醇，促进AKT的质膜转位及活化；激酶活性区位于中部,此区域的308位苏氨酸（Thr-308）是活化AKTα所必需的调节性磷酸化位点（在AKTβ中为Thr-309、AKTγ中为Thr-305）；羧基端尾部含有473 位丝氨酸（Ser-473），与308 位苏氨酸同样为磷酸化调节位点，且该位点的磷酸化有利于AKTα发挥最大活性[5]（在AKTβ中为Ser-474、AKTγ中为Ser-472）。

2 PI3K/AKT信号通路的传导与调控

2.1 PI3K/AKT信号通路的传导

PI3K的p85调节亚基与上游信号分子的相应部位相结合，诱导催化亚基转位至细胞膜，P110可催化3位磷脂酰肌醇磷酸化产生第二信使，如：PIP2 和PIP3。PIP2和PIP3是细胞内非常重要的第二信使，激动后的PIP3 可以和AKT 的N 端PH 结构域结合，使AKT 从细胞质转移到细胞膜上，使3磷酸肌醇依赖性蛋白激酶1（3-phosphoinositide dependent proteinkinase l，PDK1）活化。活化后的PDK1可以直接或间接磷酸化AKT中间激酶区的Thr308 位点，而PDK2 可以磷酸化羧基端Ser473位点，自此，AKT分子即成为有活性的激酶。

AKT重要的底物有：糖原合成酶激酶3β（Glycogen synthase kinase 3β，GSK3β）、叉头框蛋白O1（forkheadboxproteinO1，FOXO1）和蛋白激酶B 底物160（AKTubstrate160，AS160），从而调节糖代谢。另外，AKT 可以激活哺乳动物雷帕霉素靶蛋白复合体1(mammalian target of rapamycin complex 1,mTORC1），激 活 的mTORC1 通过调节过氧化物酶体增殖物激活受体γ共激活因子1α(peroxisome proliferator activated receptorγcoactiva-tor-1α,PGC-1α)unc-51 样激酶（UNC-51 like kinase 1，ULK1）、S6 激酶（S6 kinase，S6K）、真核细胞翻译起始因子4E 结合蛋白1（eukaryotic initiation factor 4E binding protein1,4E-BP1）上调线粒体的活性，抑制自噬和促进蛋白质的合成。另外，AKT 和PKCλ/ζ（蛋白激酶C，Protein kinase C，PKC）通过调节固醇调节元件结合蛋白1c (Sterol regulatory element binding proteins-1c，SREBP-1c)和过氧化物酶体增殖物激活受体γ（peroxisome proliferator-activated receptorγ，PPARγ）的活性控制脂肪酸的从头合成[6,7]。

2.2 PI3K/AKT信号通路的负调控

目前针对以上信号通路已有的通路抑制剂包括：①第一代PI3K抑制剂：天然产生的Wortmannin和化合而成的LY 294002；②第二代抑制剂：天然生成的有PWT-458、Liphaga、黄嘌呤类化合物茶碱、多酚类化合物resveratrol；化合而成的包括吗啉芳基类PI3K 抑制剂、咪唑并吡啶类PI3K抑制剂、噻唑啉二酮类PI3K抑制剂、苯并噻唑酮类PI3K抑制剂以及其他类型的PI3K抑制剂。此外，有研究表明[8]ARQ092和ARQ75是选择性、变构性的AKT 抑制剂，能够有效抑制AKT 的磷酸化，其作用机制主要通过脱磷酸化膜相关活性形式来抑制AKT的活化，而且通过防止非活性形式定位到质膜中来抑制AKT的活化。

最新研究发现新的细胞因子样基因家族成员FAM3A，在db/db 和高脂饮食（High-fat diet，HFD）诱导的糖尿病小鼠肝脏中表达显著降低，FAM3A在肝脏过表达显著增加AKT信号传导，抑制了肝脏的糖异生和脂肪生成，同时其介导的PI3K/AKT活化可被钙调素抑制剂抑制[9]；同时，肝组织ATP合成酶β亚基（ATPSβ）过表达增加肝脏磷酸化AKT（pAKT），降低磷酸烯醇式丙酮酸羧激酶(phosphoenolpyruvate carboxykinase，PEPCK),葡萄糖6磷酸酶(Glucose-6-Phosphate，G6Pase)表达水平[10]，此作用亦可以被钙调素抑制剂拮抗。可见，钙调素抑制剂有可能成为新的一类抑制剂。

3 PI3K/AKT信号通路与胰岛素抵抗

胰岛素作用于细胞膜表面的胰岛素受体后主要通过两条通路来控制细胞生长、代谢和存活：PI3K/AKT途径及丝裂原活化蛋白激酶(mitogen-activatedproteinkinase，MAPK)途径。其中，PI3K/AKT 途径相关信号蛋白的活化在控制营养体内平衡和器官存活中具有中心作用，可能作为人类代谢综合征的基础机制。由于不同组织器官信号系统及功能不同，下面分别从脂肪细胞、肌细胞、肝细胞、足细胞、神经细胞等方面阐述胰岛素抵抗与PI3K/AKT信号通路研究进展。

3.1 脂肪细胞

肥胖是胰岛素抵抗和2型糖尿病发生发展的独立危险因素[11]。脂肪组织是能量储存的主要器官。脂肪组织提供能量的脂肪酸有两种来源：甘油三脂经脂解释放游离脂肪酸和是脂肪细胞通过葡萄糖转运蛋白摄取糖原转化生成脂肪酸。提供能量的方式主要为脂肪动员。视网膜母细胞瘤蛋白-1（retinoblastoma protein 1，RB1）和复合物K（Compound K，CK）通过抑制脂肪组织内质网（endoplasmic reticulum，ER）应激诱导的炎症反应和改善脂肪组织中胰岛素IRS-1/PI3K/AKT 信号通路改善胰岛素抵抗[12]。载脂蛋白A-IV 通过PI3K 介导的AKT 信号通路的激活上调葡萄糖转运蛋白4(glucose transporters 4，GLUT4)转位，从而改善脂肪细胞的葡萄糖摄取[13]。在内脏脂肪组织中，MiR-26b 通过抑制其靶基因PTEN 来调节胰岛素刺激的AKT 激活，并通过PTEN/PI3K/AKT途径显著增加胰岛素敏感性[14]。

3.2 肌细胞

骨骼肌是人体最大的器官，是餐后胰岛素刺激葡萄糖摄取的主要靶器官。骨骼肌为身体活动和健身提供生理基础。生理上，葡萄糖体内平衡有效的关键是靶组织的胰岛素敏感性。增强的骨骼肌，在促进葡萄糖调节方面作用重大，在代谢紊乱中维持体内葡萄糖平衡也至关重要。骨骼肌细胞质膜和横小管主要参与葡萄糖摄取[15]。小扁豆提取物可以显著改善db/db 小鼠骨骼肌PI3K/AKT 途径的关键效应分子IRS、AKT、PI3K和GLUT4的活性，缓解胰岛素抵抗并调节其糖代谢[16]。棕榈酸盐下调胰岛素刺激的胰岛素受体底物1（insulin receptor substrate-1，IRS1）的Tyr632 磷酸化和上调的IRS-1 Ser307 磷酸化，从而上调C2C12 肌管介导的炎症反应[17]。没食子酸通过部分激动PPARγ来减弱高脂饲料喂养链脲佐菌素（Streptozotocin，STZ）诱导的2 型糖尿病大鼠胰岛素抵抗，并通过转位和激活PI3K/AKT信号通路中的GLUT4来增强葡萄糖摄取[18]。红景天苷通过激活与线粒体相关的AMPK/PI3K/AKT/GSK3β途径来改善细胞代谢通量，从而发挥抗糖尿病作用[19]。

3.3 肝细胞

肝脏是主要的胰岛素靶器官，在维持葡萄糖稳态中发挥重要作用。胰岛素通过结合激活胰岛素受体酪氨酸激酶促进IRS2 酪氨酸磷酸化，通过PI3K/AKT 传递信号。其下游分子主要包括叉头框蛋白1（Forkhead box O1，Foxo1）及糖原合成酶激酶-3β（GSK-3β）等。Liu等[20]发现：使用葡萄糖胺（GlcN）或棕榈酸酯可以诱导HepG2 细胞胰岛素抵抗，具体表现为：降低PI3K p110 亚基水平，以及AKT/蛋白激酶B，fork-headbox 转录因子O1（FOXO1）和糖原合成酶激酶-3（GSK3）的磷酸化，增加PEPCK和G6Pase在肝脏中的表达。于东等[21]发现酒精摄入可降低肝脏PI3KP85 及Glut2 蛋白表达，从而诱发胰岛素抵抗。Zhang等[22]通过体内外实验证明，水飞蓟素（Silibinin）可通过IRS/PI3K/AKT 通路缓解非酒精性脂肪肝胰岛素抵抗。Xu H等[23]发现，高糖高脂饮食结合皮下注射四氯化碳造模大鼠，葡萄糖耐量受损，胰岛素抵抗指数显著增加，肝糖原含量急剧下降，胰岛素受体β、胰岛素受体底物2（IRS2）和AKT的磷酸化以及PI3K、糖原合成酶（Glycogen synthase，GS）的活性显着降低。

3.4 足细胞

肾脏作为人体的内分泌器官具有大量的胰岛素受体，是胰岛素主要的靶器官，其中足细胞在众多肾脏细胞中更是胰岛素的效应细胞[24]。有研究表明，胰岛素可以通过激活IRS 进一步激活下游的信号通路，如PI3K/AKT，而此经典通路的传导异常是糖尿病肾病中足细胞结构和功能紊乱，引发足细胞损伤，发生胰岛素抵抗的重要机制[25]。有研究表明IRS 在胰岛素经典信号通路IRS/PI3K/AKT 中发挥着重要的作用。而泛素蛋白酶系统泛素蛋白酶系统（ubiquitin proteasome system，UPS）对IRS的降解作用对IRS的活性起重要的调节作用[26]。足细胞凋亡促进糖尿病肾病发展，有研究表明[27]在高糖（high glucose，HG）处理的足细胞中，PI3K/AKT通路激活和Notch途径抑制从而阻止足细胞凋亡。CD2AP 和p85 可以募集PI3K 到细胞膜进一步激活AKT，并且CD2 相关蛋白(CD2-associated protein，CD2AP)可以调节复合物的生物活性，PI3K抑制剂可以促进PAN 诱导的足细胞凋亡[28]。此外，雌激素相关受体γ（Estrogen receptor-related receptorsγ，ERRγ）过表达刺激PI3K/AKT 信号通路，特异性PI3K 抑制剂LY294002 可完全逆转了PAN 处理后ERRγ的抗细胞凋亡作用[29]。

3.5 神经细胞

Yang Y 等[30]发现，利拉鲁肽能够减轻糖尿病GK(Goto-Kakizaki)大鼠学习和记忆缺陷，其机制可能与激活AMPK和PI3K/AKT信号传导增加mTOR表达，抑制细胞凋亡，激活自噬对认知缺陷的保护有关。对小鼠侧脑室注射链脲佐菌素（STZ）诱导的认知缺陷中，线粒体功能明显障碍，细胞色素c 氧化酶活性和ATP 合成显着降低，海马和皮质中的氧化应激，p-PI3K和p-AKT蛋白表达下调[31]。有研究表明[32]，促红细胞生成素（Erythropoietin，EPO）具有显着的神经保护作用，能够改善与糖尿病相关的疾病体内和体外认知功能障碍，其作用与EPO 上调EPO 受体，PI3K 和磷酸化的AKT2相对于未磷酸化的AKT2（p-AKT2/AKT2）和GSK-3β有关。亦有相关研究表明[33]，糖尿病大鼠大脑皮层细胞发生凋亡，B 细胞淋巴瘤2（B cell lymphoma/leukemia-2，Bcl-2）相关的X蛋白/Bcl-2及其表达细胞色素c和活化的caspase-3比例明显上升，而PI3K/AKT相关蛋白的表达量明显下降，所以，糖尿病可能通过下调AKT 磷酸化导致大脑皮层神经细胞凋亡。Yin 等[34]发现糖尿病大鼠Na（+）-K（+）-ATP酶的能力活动和海马突触异常，体外实验中高浓度葡萄糖激活SH-SY5Y细胞炎症通路，其机制与PI3K/AKT、NF-κB相关。

4 中医药干预糖尿病相关PI3K/AKT信号通路研究进展

从传统的中医理论出发，糖尿病属“消渴”范畴，病机为阴虚燥热，治疗以滋阴润燥为主。随着临床研究的不断深入，中医对糖尿病的认识也在不断丰富，近来认为糖尿病可分为消瘦型和肥胖型，分别归属“消瘅”与“脾瘅”范畴，其病机发展包括了郁、热、虚、损等阶段。亦有“三型辨证”理论[35]，认为糖尿病根据不同发展阶段，表现为阴虚热盛、气阴两虚、阴阳两虚三种表型。随着对临床疾病认识的深入，以及对传统中药以及其有效组份研究的不断开展发现了多种中药及其组份具有影响信号通路的作用。

4.1 骨骼肌方面

中药降糖复方水提物54-55 可以通过上调PI3K/AKT信号通路,减少糖原沉积，刺激骨骼肌中葡萄糖转运。段白露等[36]发现糖康福散可减少db/db小鼠胰岛β细胞损伤，减轻肝脏、胰腺组织病变，提高小鼠抗氧化应激能力，改善微炎症状态，此外，糖康福散可上调小鼠骨骼肌组织PI3K/AKT、AMPK 信号通路中的关键分子（p-AKT、p-AMPK 及GLUT4）的表达。蔡晟宇[37]发现加味水陆二仙丹可通过增加骨骼肌IRS-1 mRNA和蛋白表达量，介导了IRS-1/PI3K/GLUT4 信号途径，从而增强下游GLUT4 基因的转录，改善2 型糖尿病大鼠的胰岛素抵抗。钟文等[38]发现参芪复方能够改善糖尿病大鼠腓肠肌萎缩、水肿、炎症细胞浸润，机制可能与调节PI3K/AKT通路相关。

4.2 肝细胞方面

丹蛭降糖胶囊[39]能够改善2 型糖尿病大鼠肝脏胰岛素抵抗，从而保护肝脏，其作用机制可能与上调PI3K/AKT 通路相关蛋白有关。吴沁璇等[40]证明六味地黄汤可以降血糖、改善胰岛素抵抗（insulin resistance，IR），其从蛋白水平和基因水平同时验证了六味地黄汤能够上调胰岛素抵抗大鼠肝脏PI3K、AKT通路相关分子表达，从而保证胰岛素信号传导。通过对六味地黄汤有效成分进行分析，进一步发现，其中的四种苷类成分，如獐牙菜苷、莫诺苷、马钱苷和芍药苷可能为此方干预胰岛素抵抗、调节PI3K/AKT信号通路的主要药效成分。刘博等[41]发现芪蛭降糖胶囊可以上调肝脏IR、PI3K、Glut2 含量，抑制c-Jun 氨基末端激酶（c-Jun nterminal kinase，JNK）磷酸化缓解肝脏胰岛素抵抗，增加胰岛β细胞数量，降低血糖。

4.3 肾脏相关研究

杨晶晶[42]发现黄葵胶囊可能是天然的胰岛素增敏剂，它能够通过调控IRS1/PI3K/AKT 信号通路活性而改善足细胞胰岛素抵抗，保护足细胞损伤，这一机制与罗格列酮类似。王颖超等[43]发现糖肾平能够通过干预CD2AP 介导PI3K/AKT 信号转导通路减少糖尿病肾病足细胞凋亡，可能是其防治糖尿病肾病的作用机制之一。常庚等[44]通过大鼠模型发现，糖尿病肾病作为糖尿病的重要并发症之一，其肾脏皮质细胞凋亡明显，且凋亡相关蛋白如Bax、Fas、Fas表达增高，而抗凋亡蛋白如Bcl-2表达减少，相关PI3K/AKT 信号通路处于抑制状态，而二黄糖肾康能够逆转上述现象，减少细胞凋亡，保护糖尿病大鼠肾脏病变。洪金妮等[45,46]发现中药降糖复方水提物可以显著改善KK-Ay 小鼠糖尿病症状、肾脏病理变化，可能与激活肾脏PI3K-AKT信号通路，进而抑制NF-κB磷酸化，降低体内炎症因子有关。

此外，李欢等[47]使用基于“阴中求阳”立法之右归丸抑制PI3K/AKT信号通路活化，延缓糖尿病视网膜病变的进程，为糖尿病视网膜病变防盲治疗提出新的治疗思路与科学依据。袁有才[48]使用新加葛根汤改善糖尿病大鼠的认知功能障碍，通过调节海马神经元PI3K/AKT/CREB 及胰岛素样生长因子1（insulin-like growth factor 1，IGF-1）信号通路，延缓糖尿病大鼠糖尿病脑病的进展。蔡竞[49]使用复方新加归肾丸可解除雷公藤多苷对卵巢组织PI3K/AKT 的抑制作用，促进p-AKT的表达，增加颗粒细胞增殖，促使卵泡正常生长、发育、成熟。吕翠岩[50]发现糖痹康可以通过抑制糖尿病大鼠坐骨神经PI3K/AKT信号通路，从而发挥防治糖尿病周围神经病变的作用。师林[51]等发现健脾化湿方可通过上调PI3K、AKT蛋白表达水平显著降低脾虚痰湿型肥胖2 型糖尿病（Type 2 diabetes mellitus，T2DM）胰岛素抵抗大鼠体质量、内脏脂肪、空腹血糖(fasting blood glucose，FBG)、空腹胰岛素（fasting insulin，FINS)、胰岛素抵抗指数（homeostasis model assessment of insulin resistance，HOMA-IR）、总胆固醇（total cholesterol，TC）、总甘油三酯（total glyceride，TG）、低密度脂蛋白-胆固醇（Low density lipoprotein-cholesterol，LDL-C）、游离脂肪酸（free fatty acids，FFA）水平，改善糖脂代谢。

5 小结与展望

PI3K/AKT 信号通路作为胰岛素效应信号传导的主要途径，其任何一个环节出现异常均会干扰胰岛素的生理功能，进而导致2 型糖尿病及其并发症的发生。但信号通路将信号传导至下游分子从而发生效应以及下游分子间相互作用的复杂机制还有待进一步的研究和探索，对信号通路的认识也将有助于临床寻找新的途径防治2型糖尿病。