【學術前沿】糖尿病治療新途徑:丙酮酸激酶可同時改善胰島素分泌和...

以下文章來源於BioArt ，作者Victoria

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目前大家普遍認為胰腺細胞感知並控制血糖的方式是通過葡萄糖激酶（GK）介導氧化磷酸化（OxPhos），降低ADP水平，從而控制胰島素分泌所必需的質膜去極化【1】。從製藥的角度考慮，如果使用GK激活劑通過葡萄糖引起細胞去極化就會刺激胰島素分泌，但是目前尚無相關批准藥物。

線粒體GTP（mtGTP）依賴的磷酸烯醇式丙酮酸（PEP）循環這條代謝通路對營養刺激的胰島素分泌至關重要，它並不依賴氧化磷酸化，所以可能是另一條可靶向的治療契機【2】。這個過程始於丙酮酸，丙酮酸通過線粒體丙酮酸羧化酶（PC）進入三羧酸循環，產生草醯乙酸（OAA），OAA通過GTP依賴的線粒體磷酸烯醇丙酮酸羧激酶（PCK2）分解生成PEP，PEP通過丙酮酸激酶（PK）水解，使得胞質ADP減少，循環完成，這個過程刺激了胰島素的釋放（圖1）。於是作者提出問題：1）PK激活劑加速PEP循環在體內是否起作用？2）是否依賴於PCK2？3）胰島性能有沒有損傷？4）是否能夠增強動物模型和糖尿病病人的胰島素分泌？當然這個問題不局限於細胞，因為肝臟和紅細胞中也有可激活形式的PK。

圖1: mtGTP依賴的PEP周期示意圖。

為了闡明這個問題，2020年11月3日，耶魯大學Richard G. Kibbey團隊和威斯康星大學麥迪遜分校的Matthew J. Merrins團隊合作在Cell Metabolism雜誌上發表題為Multi-Tissue Acceleration of the Mitochondrial Phosphoenolpyruvate Cycle Improves Whole-Body Metabolic Health的研究論文，在這篇研究論文中，作者發現PCK2依賴性磷酸烯醇丙酮酸（PEP）循環的小分子活化作用增加了葡萄糖刺激的胰島素分泌，而這個過程並沒有出現胰島損傷的跡象，還改善了體內胰島素敏感性。同時，在糖尿病動物模型還發現，這種現象伴隨著糖異生減少、血紅細胞糖酵解增加和肝脂肪變性減小等。提示PK激活劑可能是治療糖尿病及其併發症的有效新途徑。

mtGTP依賴性PEP循環將肝臟和胰島中的PCK2與PK偶聯以調節葡萄糖穩態。在糖尿病的動物模型中，作者發現小分子PK激活劑加速了PEP循環，使得胰島功能以及代謝穩態得以改善。如果採用pck2-/-小鼠進行實驗，發現用PK並不能改善胰島素分泌。與其他臨床上促進胰島素分泌的藥物不同，PK活化既增強了胰島素分泌，還誘導長生了更多的胰島素。

除了改善胰島素分泌外，急性PK激活還抑制了糖異生途徑，從而減少了內源性葡萄糖的產生，同時還加速了紅細胞葡萄糖的更新。在高脂飼餵的大鼠中， PK激活劑能夠重塑PK的磷酸化，減少肝臟脂肪，並改善肝臟和外周胰島素敏感性。這些新發現為PK活化、加速PEP周期、從而改善代謝穩態和胰島素敏感性提供了臨床前依據（圖2）。

圖2: PK活化改善代謝穩態和胰島素敏感性

與這項研究呼應，在同期的Cell Metabolism雜誌上，同樣來自威斯康星大學麥迪遜分校的Matthew J. Merrins團隊和耶魯大學Richard G. Kibbey團隊合作發表了題為Pyruvate Kinase Controls Signal Strength in the Insulin Secretory Pathway的研究論文，在這篇研究論文中，作者證明丙酮酸激酶（而非氧化磷酸化）觸發ATP/ADP關閉細胞的KATP通道以啟動胰島素分泌。丙酮酸激酶的小分子激活劑通過將線粒體從氧化磷酸化轉換為磷酸烯醇丙酮酸生物合成來有效地促進胰島素分泌。

回顧前文，胰腺細胞維持血糖正常的方式是將營養代謝特別是葡萄糖代謝與適當的胰島素分泌相結合，其中的機制是是通過線粒體中的葡萄糖氧化，產生質子動力，通過ATP合酶提高ATP/ADP比率，關閉KATP通道觸發Ca2+內流，引起胰島素與質膜融合【1】。以此為出發點，與上一篇文章不同的機制是，作者發現PK將ADP和PEP轉化為ATP和丙酮酸，發揮了細胞感受器作用，用以感知糖酵解和線粒體代謝。

質膜定位的PK有能力關閉KATP通道並引發Ca2+內流。而小分子PK激活劑改善ATP/ADP和Ca2+波動，有效地增加了胰島素的分泌。PK通過周期性地剝奪線粒體ADP來限制呼吸，從而加速PEP循環（圖3），直到膜去極化恢復ADP和氧化磷酸化。

圖3: 糖酵解和線粒體相關的PEP循環。（SAME：琥珀酸單甲酯；PCK2，線粒體磷酸烯醇式丙酮酸羧激酶；Q/L，穀氨醯胺/亮氨酸）

不同於經典模型（Canonical 1-state model），作者提出了2態模型（Revised 2-state model），這個機制是目前經典途徑無法預測的，即通過降低ADP，PK在OxPhos和PEP生物合成之間切換（圖4），這種切換模型不會影響葡萄糖氧化。

圖4: PK在OxPhos和PEP生物合成之間的切換模型

這個模型在動物實驗中的有效性於背靠背的前一篇論文中已經得到了驗證，PK激活劑增強了胰島素分泌的能力，同時還鞏固了糖酵解能力。激活PK的優勢體現在不增加葡萄糖氧化的情況下促進了代謝反應。

治療2型糖尿病的常用策略包括增加胰島輸出和降低胰島素抵抗，然而，通常通過促進胰島素分泌的過程會引起胰島過度勞損並加重胰島素抵抗，在這兩項研究中，作者採用的PK激活策略能同時改善胰島輸出和胰島素抵抗，而且，還改善了胰島本身的功能，更厲害的是，這種作用不僅僅在胰島中，在肝臟和外周的胰島素抵抗都得以改善。這些發現提示了基於PK活化的糖尿病潛在治療途徑。

當然，這兩篇論文把PEP循環單獨拉出來研究是有爭議的，畢竟調控胰島素分泌的機制非常複雜，除了作者提到的通路之外，有多種營養感應機制參與其中，在不同組織和物種中也都不同，這種活化PK以抗糖尿病的方法最終要經得起在人身上的驗證，才能真正帶來突破性的曙光。

原文連結：

https://doi.org/10.1016/j.cmet.2020.10.006

https://doi.org/10.1016/j.cmet.2020.10.007

參考文獻

1. Prentki, M., Matschinsky, F.M., and Madiraju, S.R.M. (2013). Metabolic signaling in fuel-induced insulin secretion. Cell Metab. 18, 162–185.

2. Jesinkey, S.R., Madiraju, A.K., Alves, T.C., Yarborough, O.H., Cardone, R.L., Zhao, X., Parsaei, Y., Nasiri, A.R., Butrico, G., Liu, X., et al. (2019). Mitochondrial GTP links nutrient sensing to b cell health, mitochondrial morphology, and insulin secretion independent of OxPhos. Cell Rep. 28, 759–772.e10.

來源：BioArt

1980-2020

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原標題：《【學術前沿】糖尿病治療新途徑：丙酮酸激酶可同時改善胰島素分泌和胰島素抵抗》

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