散文精选网g蛋白偶联受体
肥胖症和2型糖尿病是两种相伴相生的代谢障碍症。2型糖尿病是一种复杂的异质性疾病，患者数目持续增长。目前，9.3%的美国人患有2型糖尿病，还有许多病人有待确诊，带来了巨大的医疗负担。胰岛素抵抗是2型糖尿病一个关键病因，而肥胖则是人产生胰岛素抵抗的主要原因。肥胖症在世界范围内呈现增长趋势，被称之为肥胖流行病，也导致了2型糖尿病患者的增多。
在大多数患者中，仅胰岛素抵抗并不足以导致糖尿病，因为正常胰腺β细胞可以通过分泌更多的胰岛素来应对降低的胰岛素敏感性。这种代偿性的高胰岛素血症可以防止血糖水平提高导致的糖尿病。但在2型糖尿病的患者中，大部分会出现胰腺β细胞功能失调，导致代偿性的高胰岛素水平降低，不能应对胰岛素抵抗，从而产生高血糖症(图1)。β细胞功能失调的主要标志是β细胞正常分泌胰岛素能力的下降以及β细胞质量的下降。对于大部分2型糖尿病患者而言，胰岛素抗性和胰岛素分泌降低二者同时存在，才是主要的病理生理学机制。
Fig1. Pathophysiology,obesity and type 2 diabetes
七次跨膜的G蛋白偶联受体是目前许多治疗性药物的通用靶点(详见《FDA批准药物分子靶点深度解读》)。G蛋白偶联受体通常与特异的G蛋白家族偶联，主要包括Gαs、Gαi/o、Gαq/11等。与Gαs偶联，可以刺激腺苷酸环化酶，增加环状AMP的水平；与Gαi/o偶联，可以抑制腺苷酸环化酶，激活促分裂素原活化蛋白激酶(MAPK)；与Gαq/11偶联，使Gαq/11活化，导致磷酸酯酶C (PLC)的激活，水解细胞膜上的磷酸酯进而释放出1,4,5-三磷酸肌醇和甘油二酯(DAGs)。这些信号分子的释放导致细胞外钙离子浓度增加，同时激活蛋白激酶C和D1。Gαq/11也能导致磷脂酰肌醇3激酶和AKT蛋白激酶活性的增加。随着G蛋白的活化，GPCR蛋白激酶家族可以磷酸化GPCR的胞质内结构域，这种磷酸化的结构域可以与β?arrestin家族的一个成员(β?arrestin1，β?arrestin 2或者β?arrestin 3)结合。二者相互结合可以促使复合物的内在化，或者传递独立的信号产生其它生物学效应。根据这种概念，激动剂、拮抗剂和变构调节剂可以在不同的信号途径中结合不同的G蛋白偶联受体，形成独特的复合体，并且通过一个或者多个G蛋白或者β?arrestin途径，调节不同的信号。G蛋白偶联受体可以影响胰岛素活性、胰岛素分泌和β细胞的伸长，因此特定的G蛋白偶联受体成为抗糖尿病治疗的潜在药物靶点。
胰岛素抵抗
在大部分2型糖尿病患者中，胰岛素敏感性的降低是一个主要的代谢缺陷。慢性组织炎症是解释胰岛素抗性的一个主要机制。肥胖症和2型糖尿病患者的脂肪组织、肝脏甚至肌肉组织中，巨噬细胞、特定亚型的T细胞、嗜中性粒细胞和其它免疫细胞数目增加。这些细胞的增多与促炎症基因表达增加以及细胞因子、前列腺素和其它因子的分泌相关，并且直接导致组织胰岛素敏感性的下降(图2)。
Fig2. Mechanisms of insulin resistance
Leukotriene B4 (LTB4，白三烯B4)
在胰岛素抵抗的情况下，细胞因子，如肿瘤坏死因子(TNF)、白细胞介素-1β (IL-1β) 和IL?6通常参与到慢性炎症的产生，从而降低胰岛素敏感性。但是炎症过程中也会产生一些类花生酸类物质，包括花生四烯酸代谢物白三烯B4 (LTB4)，即炎症白烯酸的前体。LTB4对于巨噬细胞、中性粒细胞和其它免疫细胞的趋化性具有显著作用，并且直接活化细胞外炎症过程。LTB4也可以导致上皮细胞和内皮细胞的增殖，促进前成脂细胞的分化。识别LTB4的有两种G蛋白偶联受体，LTB4R1和LTB4R2。LTB4R1是高亲和性受体，LTB4R2与LTB4结合能力比LTB4R1低20倍。由于其趋化和促炎属性，LTB4介导了过敏性炎症反应、慢性肺部炎症过程，如慢性阻塞性肺疾病以及类风湿性关节炎。目前，各种LTB4R1抑制剂已用于类风湿性关节炎、慢性阻塞性肺疾病和炎症性肠病的临床研究试验，但对这些疾病的治疗效果较为微弱，没有副作用。
Fig3. Leukotriene B4 system
虽然对LTB4R1抑制剂的临床研究尚未在代谢性疾病的患者中进行，但慢性组织炎症是胰岛素抵抗的一个重要组成部分，因而LTB4R1抑制剂在代谢性疾病中仍然具有潜在应用价值。无论是肥胖小鼠还是人类，一旦合成并从细胞中释放，LTB4在代谢组织(尤其是脂肪、肝脏和肌肉组织)水平就会升高，但是LTB4R1-LTB4系统是否参与了炎症诱导的胰岛素抵抗过程尚无定论。而最近的临床报告则指出LTB4R1抑制剂确实可能在代谢性疾病、胰岛素抵抗的治疗中发挥作用。在肝细胞和肌肉细胞中，LTB4R1抑制剂通过抑制炎症和阻碍LTB4的直接损害胰岛素信号转导的作用，从而产生抗糖尿病的胰岛素增敏剂，进而达到治疗效果(图3)。
Free fatty acid receptor 4 (FFAR4，游离脂肪酸受体4)
研究最广泛的抗炎分子，主要包括鱼油中提取的欧米加3脂肪酸的(ω3-FAs)、二十二碳六烯酸(DHA)和二十碳五烯酸(EPA)。游离脂肪酸受体4 (FFAR4，也称为GPR120)在胃肠道的内分泌细胞中表达，同时DHA和ALA也能刺激胰高血糖素样肽1 (GLP1)的分泌。而FFAR4也在脂肪细胞中表达，可能在脂肪细胞的分化发挥作用。此外，如果在细胞中过表达各种饱和及单不饱和脂肪酸也可以激活FFAR1和FFAR4。人类FFAR4蛋白具有两种可变剪切形式，短版本的FFAR4S比长版本的FFAR4L缺失了第三个细胞内环的剪接插入物。人类中这两种版本的蛋白同时表达，但在其它物种中却只表达FFAR4S。诱导FFAR4L的表达不会导致G蛋白依赖的钙信号增加，但是却可以通过偶联β?arrestin信号通路发挥作用。
Fig4. Stimulation of free fatty acid receptor 4 signalling pathways produces anti-inflammatory, insulin-sensitizing effects
FFAR4可以耦合Gαq/11及β?arrestin 2信号途径(图4)。基于siRNA的基因敲除实验表明，FFAR4的抗炎及胰岛素敏感效应大部分由β?arrestin2信号途径介导，而Gαq/11途径对于脂肪细胞中由FFAR4激动剂激活的葡萄糖运输是必需的。这表明倾向于两种不同信号途径的FFAR4激动剂可能导致不同的生物学效应。
胰岛素分泌降低
β细胞的功能受损是糖尿病第二大主要病因缺陷。代偿性血脂异常及其导致的血浆胰岛素水平降低是高血糖的主要原因。几十年来，增加体内胰岛素分泌的治疗措施，或者直接外施胰岛素是糖尿病治疗的基石。近年来，许多研究重点关注了β细胞G蛋白偶联受体的作用，作为提高β细胞功能和降低血糖的治疗目标。
GLP1受体
迄今为止，研究最清楚的β细胞GPCR靶标是GLP1受体(GLP1R)，临床医疗中大量基于GLP1的治疗已经非常成熟，其理论基础研究也相当深入(表1，图5)。某些基于GLP1的产品作为独立的单一药剂，但大部分GLP1激动剂或二肽基肽酶4(DPP4)抑制剂与其它抗糖尿病药物，通常是二甲双胍结合使用。GLP1–GLP1R生物学基础是目前β细胞GPCR治疗中最重要的方面。
表1：GPCR agonists as targets for anti-diabetic therapeutics
在响应营养因子刺激过程中，GLP1从肠内分泌细胞分泌到循环系统，被DPP4降解。因此，许多治疗策略针对增加内源GLP1的水平，使用可注射的多肽类GLP1R激动剂或者DPP4的小分子抑制剂。这两种方法都非常成功，产生了一些安全有效的抗糖尿病产物。目前临床上广泛使用各种各样的GLP1多肽类激动剂，这些多肽的主要差别在于给药频率和生物半衰期。抑制DPP4可以增加内源GLP1水平, 因而各种小分子DPP4抑制剂也可用于抗糖尿病治疗。
通常认为GLP1R激动剂主要通过三种机制发挥抗糖尿病作用。
第一，GLP1R在胰腺β-细胞中大量表达，GLP1的激活增加了基于Gαs途径的葡萄糖刺激的胰岛素分泌(GSIS)。这导致cAMP水平升高，细胞外钙离子浓度升高和胰岛素分泌。GLP1促使GLP1R与β?arrestin 1结合，该复合体也参与了刺激胰岛素分泌。分泌的GLP1从肠内分泌细胞运输到β细胞直接促进胰岛素分泌，这种观点的正确性毋庸置疑，但是这并不是这种多肽发挥作用的全部机制。由于DPP4活跃地降解分泌的GLP1，仅有很少比例的GLP1可以到达胰岛细胞。内源的GLP1也可以在胃肠传入神经元中结合GLP1Rs，产生肠-脑信号轴；反过来，中枢神经系统传出神经信号，增强胰岛素分泌。即使这种非直接的GLP1诱导GSIS的机制存在，β细胞中绝大部分GLP1的作用都是直接的。在体外β细胞系统或者小鼠胰岛中，GLP1也可以抑制细胞凋亡，促进β细胞增殖。
第二，GLP1具有明显的抑制胰高血糖素分泌的作用，这是GLP1R激动剂降低血糖效果的一个重要组成部分。由于GLP1Rs不在α细胞中表达, 对于胰高血糖素分泌的抑制很可能是间接的。实际上， GLP1可以刺激胰岛δ细胞分泌生长抑素，这种间接的胰岛外机制可能是胰高血糖素分泌减少的原因。
第三，这些药物导致的适度减肥，对于糖尿病治疗有利。GLP1在这些药剂导致减肥的中发挥重要作用。尤其是，外源施加GLP1激动剂比DPP1抑制剂导致的减肥效果更为显著。这可能是因为用DPP4抑制剂可增加内源GLP1两到三倍，而外源注射GLP1激动剂则可以增加更多的GLP1，从而在中枢神经系统中提供更多的GLP1给GLP1Rs。GLP1受体激动剂也会降低胃排空，对于减肥初期是有利的，但这种暂时的影响不可能在慢性治疗的减肥期间发挥作用。外源施加GLP1激动剂和DPP4抑制剂治疗的另一种差别在于GLP1并不是DPP4降解的唯一多肽。抑胃多肽GIP也是DPP4的靶标多肽之一，施加DPP4抑制剂也可以导致GIP水平的增加。GIP对血糖的影响仍然具有争议，而这种影响是否影响DPP4抑制剂的临床总疗效尚属未知。另外，早期的研究曾提出GLP1可使心血管获益，但更大的临床试验未能显示出这样的效果。虽然GLP1激动剂的治疗被证明非常有效，但是这种治疗需要每天或者每周的注射。正因如此，正在开发的小分子GLP1R激动剂可才能在临床实践中有用武之地。
Fig5. Approved drugs targeting GLP1R
FFAR1
众所周知，长链游离脂肪酸介导的急性效应，促进GSIS，这主要涉及第二相胰岛素分泌增强。后来发现FFAR1(也称为GPR40)是长链游离脂肪酸的一个Gαq/11偶联受体，参与其在胰岛素分泌中的作用(图6)。所有体内和体外FFAR1缺失的研究都支持这种理论。无论体外还是体内，长期接触脂肪酸，可以增强细胞凋亡和损害β细胞正常分泌胰岛的能力，从而损害β细胞的功能。一般认为，饱和脂肪酸通过增加Gαq/11活性，实现对β细胞的刺激作用，激活PLC，导致膜磷脂的水解，释放IP3和DAG，作为细胞内信号分子。IP3增加了细胞内钙离子水平，DAGs刺激PKD1激酶，介导β细胞分泌胰岛素颗粒的晚期释放。这些的信号通路都位于FFAR1的下游，被合成的FFAR1配体所活化。
Fig6. G protein-coupled receptor-dependent signalling pathways regulate insulin release from pancreatic β-cells
临床研究发现一个小分子FFAR1激动剂TAK?875是最有希望的一个药物。TAK?875是一个高亲和力的有选择性的部分的FFAR1激动剂，它可以在许多模式动物体外实验中增加GSIS，改善胰岛素分泌。这种化合物不刺激GLP1分泌，意味着它只是部分的FFAR1激动剂。TAK?875带着非常有希望的初步结果进入临床研究。糖尿病患者施加TAK?875可以改善胰岛素分泌，显著降低葡萄糖水平，糖化血红蛋白平均减少1.2%。这些减少伴随着由FFAR1生物学效应导致的低血糖的最小集minimal episodes of hypoglycaemia。这种药物已经进入三期临床研究，虽然疗效显著，但是由于检测到肝脏毒性而终止于2013年。目前尚不清楚这种肝毒性是分子特异的还是机制相关的。其他制药公司也有FFAR1的研究项目，TAK-875的撤回可能导致其他项目的重启，会有新的FFAR1激动剂进入未来的临床试验中。
FFAR1 ago-allosteric变构调节剂已经被鉴定，第二代变构激动剂可以通过直接刺激胰岛素和GLP1的分泌来改进葡萄糖耐受性，该化合物以变构方式结合FFAR1，增强FFAR1刺激天然激动剂的性能。Linet al.170 建议除了内源性脂质配体正构结合位点外，结构相关的激动剂还应该存在两个变构位点和结合模式。综上，FFAR1完全的激动剂能够参与GSIS刺激GLP1反应，使得FFAR1成为抗糖尿病的更有意义的靶点。
葡萄糖依赖的促胰岛素受体(GPR119)
葡萄糖依赖的促胰岛素受体(指GPR119)是一个胰腺β细胞和胃肠道内分泌细胞中表达的Gαs-偶联受体。虽然GPR119已经被去孤儿化,但是这种受体精确的内源性配体仍然非常有争议。溶血磷脂是一类已知的GPR119内源配体,在这类脂质中，溶血磷脂酰胆碱(LPC)是最有效的活化剂。LPC可以从营养源中直接吸收或者由内源磷脂被磷脂酶A2催化生成2?monoacylglycerols，在脂肪消化过程中产生的也可以激活GPR119。有证据表明，脂肪餐后2?monoacylglycerols可导致GPR119介导的GLP1分泌。还有早期研究证明oleoylethanolamide可能也是GPR119的内源受体，但是后来研究没有证实这点。因此，目前天然内源脂肪来源的GPR119配体仍然没有明确，LPC，2?monoacylglycerols和evenbile acids都有可能，还需要进一步研究证明。可以确定的是刺激β-细胞GPR119导致胰岛素分泌的直接增加，而内分泌细胞中GPR119的受体可以同时促进GLP1和GIP的释放。因此，刺激GPR119可以直接作用于β细胞或间接通过GLP1增强胰岛素的分泌。
虽然内源GPR119配体的生理机制尚待明确，这种合成的小分子激动剂具有很好的应用前景。siRNA基因敲除研究表明，这些激动剂可以在体外持续刺激β细胞中GPR119依赖的胰岛素和GLP1的分泌。更重要的是，向小鼠体内施加这些激动剂，可以刺激胰岛素分泌并导致GPR119依赖的GLP1水平增加。这些研究都表明GPR119是非常重要的刺激胰岛素分泌的抗糖尿病靶点。针对GPR119已经进行了一些早期临床学研究，但是没有进入后期临床，并不是因为GPR119介导的不良反应，而主要是因为低于预期疗效。实际上，一些报道认为在模式小鼠中，合成的GPR119激动剂比DPP4抑制剂在降低葡萄糖上效果更小，这也可能是GPR119激动剂在人类中作用更弱的原因。另外，GPR119作用机制可能在啮齿动物和人类中并不完全一致。GPR119激动剂增加内分泌GLP1的分泌，所以在小鼠研究中，联合使用GPR119激动剂和DPP4抑制剂导致GLP1水平的加性增加。但是在临床中尚未有这种联合治疗方案报道。
CX3C趋化因子受体1
CX3C趋化因子受体1 (CX3CR1，也称为fractalkine receptor)在β细胞发挥功能中起到重要的调控作用。它的配体，CX3C-chemokine ligand 1 (CX3CL1，也称为fractalkine)，是CX3C趋化因子家族中的唯一成员，在神经元、内皮细胞、肝细胞和血管平滑肌细胞以及其他一些类型的细胞有很高的表达。CX3CL1是膜结合蛋白，具有一个趋化功能域，通过粘蛋白样柄与其跨膜结构域连接。CX3CL1是CX3CR1的唯一配体，形成了一个趋化因子-趋化因子-受体对，其中CX3CL1是CX3CR1已知的唯一配体，而CX3CR1是CX3CL1可以结合的唯一受体。这在趋化因子系统中是非常特别，因为趋化因子通常结合多个受体，而一个趋化因子受体可以结合多个配体。相比趋化因子系统，CX3CL1和CX3CR1更像是粘附因子，因为膜结合的CX3CL1可以促进细胞间的粘连。这种一个细胞膜上CX3CL1与另一个细胞上CX3CR1结合的胞间联系方式，是CX3CL1的主要作用机制。细胞膜结合的CX3CL1– CX3CR1系统的一个主要功能就是导致单核细胞与内皮细胞的粘附，进而促进动脉粥样硬化和神经胶质增生。
CX3CL1的结构解析有利于鉴定抑制或激活CX3CR1的合成或生物类似物。CX3CL1–CX3CR1系统代表了一种新的目标介导机制，可以正向影响β细胞功能，以CX3CL1为基础的试剂可能成为未来抗糖尿病治疗的有效途径。虽然目前临床上还没有基于CX3CL1的治疗方案，但是值得注意的是可溶性CX3CL1与膜结合CX3CL1的作用机制可能有很大差异。一个细胞膜结合的CX3CL1可能结合另一个细胞比如单核细胞上的CX3CR1，介导细胞间的联系，但是可溶的循环的CX3CL1则可以与任何表达的CX3CR1细胞包括β-细胞互作，从而发挥内分泌样生物作用。
总结与展望
糖尿病作为一个快速增长的医疗保健问题，发病率和死亡率日益增加，随之而来的医疗费用飞涨。虽然目前有一些可用的抗糖尿病药物，但是对大多数患者达到理想的代谢控制仍然比较困难，所以寻找更有效的治疗方法，尤其是基于新的发病机制的治疗方法是必要的。尤其是在目前形势下，依据部分患者 “精准医疗”或“个性化医疗”的需求，定制不同的治疗方案。
目前倾向于认为对于糖尿病形成，胰岛素抵抗和β细胞功能障碍是不同的病因导致的不同致病缺陷。事实上这种说法并不完全正确，因为这些代谢缺陷之间也存在着联系。胰岛素抵抗和β细胞功能障碍都可以导致循环脂肪酸和血浆葡萄糖水平的增加，而由此产生的糖毒性和脂毒性可能进一步加重胰岛素抵抗和β细胞功能障，这表明胰岛素抵抗可以加剧β细胞功能障碍，反之亦然。胰岛素抵抗和β细胞功能障碍另一种联系在于组织炎症。慢性组织炎症，尤其是脂肪和肝脏组织炎症，是肥胖胰岛素抵抗的一个重要组成部分。最近的数据表明，胰岛中也可能发生类似的免疫细胞炎症反应。虽然胰岛炎症在肥胖和糖尿病中的作用尚处于探索阶段，是否导致β细胞功能障碍尚不清楚，但这方面的研究提供了胰岛素抵抗和β细胞功能障碍的另一个潜在联系。由此推理，新的治疗方法，尤其是G蛋白偶联受体为基础的治疗，可能会有针对性地降低胰岛素抵抗或β细胞功能障碍，也会有间接或直接的，对糖尿病的发病机制或其它方面影响。
G蛋白偶联受体是抗糖尿病治疗的一个独特的药物靶标，目前已有大量GLP1R-GLP1在治疗上应用，一些新的GPCRs也称为药物研发的潜在靶点。虽然对于FFAR1和GPR119研发早期的热度似乎有所减弱，但新FFAR1计划仍在进行中。最近发现的新的G蛋白偶联受体，可以影响胰岛素抵抗或者β细胞功能障碍或者两个功能兼备，其临床前研究也很有希望。在抗糖尿病治疗方面，这些基于GPCR的方法会是否能够成功尚不得而知，但这仍然是目前研究和发展的一个活跃领域。
缩略词表：
GPCRs：Gprotein-coupled receptors
T2D：Type 2 diabetes
NAFLD：non-alcoholic fatty liver disease
NASH：non-alcoholic steatohepatitis
LTB4：leukotriene B4
IR：insulin receptor
JNK：JUNN-terminal kinase
GLP1：glucagon-like peptide 1
GLP1R：GLP1 receptor
GSIS：glucose-stimulated insulin secretion
参考文献：
1. Type 2 diabetes mellitus. Nature Reviews Disease Primers 1, Article number: 15019 (2015) doi:10.1038/nrdp.2015.19
2. G protein-coupled receptors as targets for anti-diabetic therapeutics. Nature Reviews Drug Discovery 15, 161–172(2016)doi:10.1038/nrd.2015.4
3. Targeting inflammation in the treatment of type 2 diabetes: time to start. Nature Reviews Drug Discovery13,465–476(2014)doi:10.1038/nrd4275
4. https://en.wikipedia.org/wiki/Diabetes_mellitus
5. 药渡网
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