胰島素結(jié)構(gòu)與功能的研究進(jìn)展
0040120 任海霞 0040130 翁靜艷 0040132 夏蘇捷
摘要 近年來(lái),胰島素的結(jié)構(gòu)與功能進(jìn)展很快,本文就胰島素的受體結(jié)合部位及其與受體的相互作用進(jìn)行了討論,并且介紹了具有臨床意義的速效、長(zhǎng)效和高效胰島素類似物的研究概況。此外,還對(duì)胰島素結(jié)構(gòu)改造的最新研究進(jìn)展作了介紹,并對(duì)這些改造物的前景作了展望。
關(guān)鍵詞 胰島素結(jié)構(gòu),胰島素類似物,胰島素受體,速效胰島素,長(zhǎng)效胰島素
胰島素,自從被國(guó)外醫(yī)學(xué)家成功提取并應(yīng)用于臨床以來(lái),已經(jīng)挽救了無(wú)數(shù)糖尿病患者的生命。它是一個(gè)多生理功能的蛋白質(zhì)激素, 由胰臟 ß-蘭氏小島細(xì)胞核糖體合成。其主要功能是通過(guò)調(diào)節(jié)外周組織的葡萄糖攝取和代謝及在肝臟中葡萄糖的產(chǎn)生和儲(chǔ)存, 以維持體內(nèi)葡萄糖的平衡。體內(nèi)胰島素水平較低或胰島素與其受體結(jié)合率不高會(huì)引起的糖尿病,所以將胰島素進(jìn)行結(jié)構(gòu)改造以提高其吸收或與受體結(jié)合的能力一直是研究者們研究的重點(diǎn)。下面主要介紹這方面的研究進(jìn)展。
1、胰島素分子結(jié)構(gòu)及其受體結(jié)合部位
1.1胰島素的分子結(jié)構(gòu)
胰島素分子[1]是一種酸性蛋白,相對(duì)分子量為6000u ,等電點(diǎn)為5.3。一個(gè)胰島素分子由兩條肽鏈(A、B)組成。其中A鏈呈酸性,由21個(gè)氨基酸殘基組成;B鏈呈堿性,由30個(gè)氨基酸殘基組成。兩條鏈間通過(guò)S—S連接。不同種動(dòng)物的B 鏈某特定部位的氨基酸序列有差異,但結(jié)構(gòu)上、功能上似乎沒(méi)有呈現(xiàn)出種屬的差異性。下面就是人胰島素的一級(jí)結(jié)構(gòu)(圖1):
胰島素的具體結(jié)構(gòu)特點(diǎn)有:A鏈中A12-A15為一個(gè)非標(biāo)準(zhǔn)的右手螺旋,其它氨基酸殘基為不同伸展程度的肽鏈構(gòu)象; B鏈中B1-B6是伸展的折疊肽鏈。B8為Gly,肽鏈發(fā)生轉(zhuǎn)折,B9-B19是右手螺旋,B12- B23呈現(xiàn)U形轉(zhuǎn)折(β轉(zhuǎn)角),B23–B27為一段伸展的β構(gòu)象?梢(jiàn),在整個(gè)B鏈中,B9-B19螺旋段構(gòu)成肽鏈的基本骨架結(jié)構(gòu)。從外觀上看,胰島素分子A鏈自身卷曲,B鏈則從三面將A鏈包住(圖2)[3]。
圖2:胰島素單體分子的板帶模型
其中深色為A鏈,淺色為B鏈
1.2 胰島素的受體結(jié)合部位
中國(guó)科學(xué)院梁棟材院士[4]在研究了大量胰島素衍生物的空間結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上,提出了兩性表面模型(圖3),指出胰島素與受體的結(jié)合相互作用發(fā)生在胰島素分子的一個(gè)表面很大的兩性表面上,這個(gè)兩性表面的中部是一個(gè)由疏水性殘基構(gòu)成的疏水表面,其面積大約為1.5nm2 ,而分布在該疏水表面周圍的則是一些親水殘基和帶電荷的側(cè)鏈基團(tuán),它們構(gòu)成了兩性表面的親水區(qū)域帶。其中疏水表面上的芳香環(huán)對(duì)整個(gè)分子的結(jié)合有重要意義。它除了承擔(dān)疏水的相互作用外,還承擔(dān)著識(shí)別受體以及結(jié)合受體過(guò)程中和結(jié)合后誘發(fā)分子構(gòu)象變化的作用。試驗(yàn)表明,其它基團(tuán)或主鏈部分的轉(zhuǎn)換只要使這個(gè)疏水表面仍能維持1.5nm2左右,就不會(huì)過(guò)于影響胰島素分子和受體的相互作用。另外,兩個(gè)胰島素分子可依靠分子間非極性側(cè)鏈基團(tuán)的疏水作用形成二聚體,胰島素的這個(gè)疏水表面也是形成胰島素二聚體的位置。
圖3:胰島素分子中可能與其受體結(jié)合的一個(gè)表面
虛線包含部分為疏水區(qū)域,周圍分散著一些極性基團(tuán)
由于胰島素發(fā)揮其生理功能的第一步是與其在細(xì)胞膜表面的受體結(jié)合,因此了解胰島素分子中的受體結(jié)合部位的組成和結(jié)構(gòu),對(duì)研究胰島素的結(jié)構(gòu)功能關(guān)系、作用機(jī)制和信號(hào)傳導(dǎo)的分子基礎(chǔ)是十分重要的。
通過(guò)胰島素及其類似物與受體相互作用的大量研究,已建立了比較公認(rèn)的胰島素分子的受體結(jié)合部位,主要有B12、B16、B24、B25、B26等殘基形成的疏水面以及A1、A2和A3等殘基(稱受體結(jié)合部位1)。近年來(lái)認(rèn)為胰島素六聚體形成面的A13Leu和B17Leu也參與受體結(jié)合,稱“受體結(jié)合部位2”,在分子上處于“受體結(jié)合部位1”的對(duì)面(圖4)[2]。
圖4:人胰島素兩個(gè)受體結(jié)合部位在分子上所處的位置
其中一部分被B鏈C端所掩蓋
胰島素與IR結(jié)合時(shí),B鏈C端可能發(fā)生遠(yuǎn)離A鏈N端的構(gòu)象變化,使A2、A3暴露,成為活化形式。如果將胰島素A鏈N端與B鏈C端共價(jià)交連,觀察到隨連接肽長(zhǎng)度的增加,其于IR結(jié)合的能力呈現(xiàn)上升再下降的變化[5]。
迄今,人們已獲得了約300多種胰島素類似物。在這些類似物中,有些表現(xiàn)出比天然胰島素更優(yōu)越的性質(zhì),展現(xiàn)出光明的臨床應(yīng)用前景。
2、速效胰島素
20世紀(jì)90年代初,國(guó)外學(xué)者通過(guò)對(duì)胰島素結(jié)構(gòu)和成分的深入研究發(fā)現(xiàn),胰島素B鏈羧基端的第28和29兩個(gè)位點(diǎn),是使胰島素容易聚合成六聚體的關(guān)鍵部位。而胰島素生理功能的表現(xiàn),必須從多聚體解離成單體,因?yàn)橐葝u素是以單體形式與其受體結(jié)合的。因此,他們認(rèn)為:改變這些部位的氨基酸組成,避免胰島素形成聚合體,有可能改變胰島素的理化和生物學(xué)特征,從而有可能生產(chǎn)出較常規(guī)人胰島素更適合生理需要的類似物。
此后,他們應(yīng)用基因重組技術(shù)合成了速效胰島素類藥物,即優(yōu)泌樂(lè)(Rapilysin)[6]。它是將人胰島素B28位點(diǎn)的脯氨酸(Pro)和B29位點(diǎn)的賴氨酸(Lys)位置互換而形成的胰島素類藥物。這種互換改變了B鏈末端的空間結(jié)構(gòu),減少了二聚體內(nèi)胰島素單體間的非極性接觸和β片層間的相互作用,使胰島素的自我聚合特性發(fā)生改變,注射后能較快分解,因此起效較快、作用消失迅速。
諾和銳(Nove Rapid)[6]是另一種速效胰島素類藥物,也是基因重組技術(shù)的應(yīng)用成果。它是用門冬氨酸(Asp)取代了胰島素B28位點(diǎn)的脯氨酸。這種改變,旨在通過(guò)引進(jìn)電荷排斥來(lái)阻止胰島素單體或二聚體的自我聚合。
上述兩種藥物已被FDA批準(zhǔn)上市。
[B9Asp,B27Glu]人胰島素的作用機(jī)制與諾和銳相類似。Kang等報(bào)道了在正常人和糖尿病人體內(nèi)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的結(jié)果,均有明顯的速效作用[7]。
DKP胰島素即[B10Asp,B28Lys,B29Pro]胰島素,除了具有優(yōu)泌樂(lè)的優(yōu)點(diǎn)外,由于B10Asp突變的影響,DKP胰島素的生物活力比天然胰島素有所升高,它的受體結(jié)合能力是豬胰島素的兩倍[8]。
3、長(zhǎng)效胰島素
鑒于短效胰島素需要每日多次注射,給糖尿病患者帶來(lái)諸多不便,研究者一直試圖通過(guò)緩皮下組織的吸收來(lái)延長(zhǎng)其作用時(shí)間。
Glargine是通過(guò)基因重組技術(shù)生產(chǎn)的長(zhǎng)效胰島素類藥物。它與普通胰島素的不同之處在于,其A鏈21位的天門冬氨酸(Asn)被甘氨酸(Gly)所取代;B鏈羧基端的31和32位點(diǎn)連接了兩個(gè)payment-defi.com/job/精氨酸。經(jīng)過(guò)上述分子改變后的胰島素,在酸性條件下,呈無(wú)色透明溶液狀;而在生理?xiàng)l件下,溶解度則很低。其皮下注射后立即聚合、溶解度降低,形成glargine沉淀物,因此被延遲吸收,作用時(shí)間也被延長(zhǎng)[6]。
Detemir或稱NN304,是一個(gè)意義非常重要的可溶性長(zhǎng)效胰島素類藥物。它是用化學(xué)方法在普通人胰島素B鏈第29位點(diǎn)的賴氨酸之ε位上,以共價(jià)鏈連接了一個(gè)14碳的游離脂肪酸側(cè)鏈,并去掉了鄰近第30位點(diǎn)上蘇氨酸殘基后形成的。這些改造使Detemir發(fā)生了與普通人胰島素不同的變化:注射后,被皮下組織吸收緩慢;跨內(nèi)皮轉(zhuǎn)運(yùn)速度下降;入血后,能與白蛋白結(jié)合并循環(huán)于血液中,延遲了與胰島素受體的結(jié)合,從而使其半衰期延長(zhǎng)[6]。
[A21Gly,B27Arg,B30Thr酰胺]人胰島素,由Novo研究所研制,稱Novosol Basal,是目前已知在血液中半衰期最長(zhǎng)的一種類似物,可達(dá)35.3h,遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了現(xiàn)在臨床使用的胰島素不溶物制劑。Novosol Basal已進(jìn)行臨床實(shí)驗(yàn)。它的長(zhǎng)期效應(yīng)主要在于B鏈羧端被酰胺化和B27位突變后均促使其等電點(diǎn)上升(pH5.4升至pH6.8),而A21位突變使其在酸性溶液中也不會(huì)脫酰胺,保證了它的穩(wěn)定性,這樣制成pH3.0的可溶制劑。注射后能在生理pH條件下形成結(jié)晶,延緩了吸收,半衰期因而延長(zhǎng),有利于持續(xù)而低劑量胰島素基礎(chǔ)水平的維持[9]。
4、高效胰島素
高效胰島素類似物的研究開(kāi)展較早。如[B10Asp]人胰島素于1987年由Schwartz等合成,它的體外生物活力和受體結(jié)合能力是人胰島素的5倍[10],[B10Asp(去B26~B30)B25Tyr酰胺]人胰島素是目前為止人們獲得的活力最高的胰島素類似物,它的體外活力是人胰島素的11.7倍[11]。此外,Burke等[10]還觀察到有些突變胰島素若再增加一個(gè)B10His突變?yōu)锳sp,則活力提高2~5倍。
雖然目前已獲得一些高效胰島素,它們的體外生物活力和受體結(jié)合能力是天然人胰島素的幾倍或十幾倍,然而它們的體內(nèi)活力并不比天然胰島素高。例如Ribel等報(bào)道,雖然[B10Asp]人胰島素的體外活力是天然產(chǎn)物的5 倍,但在體內(nèi)它只表現(xiàn)出與人胰島素相同的活力。對(duì)這種現(xiàn)象的解釋是:體內(nèi)胰島素的清除是通過(guò)其受體介導(dǎo)的[10],血液中的胰島素首先和受體結(jié)合,然后才被降解清除掉,換言之,胰島素類似物與胰島素受體的親和性越高,它被清除的速度越快,在血液循環(huán)中存留的時(shí)間越短。因此,雖然這些類似物具有較高的體外生物活力和受體結(jié)合能力,但進(jìn)入體內(nèi)后由于被清除的速度加快,而表現(xiàn)不出高生物活力。因此,目前的高效胰島素在應(yīng)用方面尚未顯示出優(yōu)越于天然胰島素之處。不過(guò)Bristow[12]認(rèn)為,由于人體不同組織對(duì)胰島素作用的反應(yīng)不同,因而有著不同受體結(jié)合能力的胰島素類似物,可能在臨床有不同的特殊用途。
5、最新研究成果與前景展望
從基礎(chǔ)理論研究出發(fā),將胰島素進(jìn)行結(jié)構(gòu)改造并分析、對(duì)比其作用效果有助于進(jìn)一步全面、正確了解胰島素的性質(zhì)及其結(jié)構(gòu)與功能的關(guān)系,從而為改善胰島素的治療學(xué)性質(zhì)作準(zhǔn)備,F(xiàn)就對(duì)目前最新的一些研究成果進(jìn)行介紹,其中有些重組胰島素表現(xiàn)了極大的應(yīng)用前景。
5.1 胰島素類似物的研究新進(jìn)展
有實(shí)驗(yàn)表明,當(dāng)B25 Phe被Leu 取代或被Ser取代后,雖然構(gòu)象的變化不大,但使分子的生物活性嚴(yán)重喪失,降低到1%左右;而B(niǎo)24 Phe 無(wú)論被Leu取代還是被Ser取代后,總可維持20%左右的活力。這是由于B25的Phe有很大柔性的緣故。因?yàn)樗姆枷銈?cè)鏈被烷基取代后對(duì)周圍構(gòu)象無(wú)明顯影響;但苯環(huán)共軛平面上的π電子云的丟失則可能影響整個(gè)分子識(shí)別受體分子以及與受體結(jié)合后的構(gòu)象變化和相互作用,導(dǎo)致生物活性幾乎全部失去。而B(niǎo)24的Phe構(gòu)象是十分保守的,一旦它的苯環(huán)被取代后,疏水表面結(jié)構(gòu)將被破壞,并致使與受體結(jié)合能力喪失70- 80%。
近來(lái),劉濱等[13]通過(guò)基因定點(diǎn)突變法中的單鏈DNA法得到一種重組人胰島素[B18Ile],其與受體的結(jié)合能力為豬胰島素的82%,保留了與豬胰島素基本相www.med126.com同的體內(nèi)生物活力。經(jīng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果和分析表明B18Val可能不是胰島素表現(xiàn)生物功能所必需的。
張弘等[14]設(shè)計(jì)了胰島素單鏈前體[B22Asp、B28Lys、B29Pro、B30Lys]B鏈-Ala-Lys-A鏈,通過(guò)酵母分泌表達(dá)和胰蛋白酶水解得到一種抗胰蛋白酶的單體胰島素[B22Asp、B28Lys、B29Pro、B30Lys]人胰島素。它與受體的結(jié)合能力約為豬胰島素的6%,而體內(nèi)生物活力保留50%。該突變體分子中B28Pro和B29Lys互換,減少了分子的自身結(jié)合能力,在生理?xiàng)l件下是單體,因此具有速效胰島素的特征。B22位變?yōu)锳sp后能夠抵抗胰蛋白酶的進(jìn)一步酶解,在體內(nèi)可能具有較長(zhǎng)的半衰期,因此該突變體可能具有長(zhǎng)效胰島素的潛能,從而成為長(zhǎng)效單體胰島素。由于該類似物保留了相當(dāng)?shù)捏w內(nèi)生物活力,并且下游處理簡(jiǎn)便,故具有一定的應(yīng)用前景。
黃一丁等[15]用固相合成和基因定點(diǎn)突變方法, 分別制備了保留高生物活力的[A13-14GABA,A21Ala]豬胰島素和[A3Thr]人胰島素.經(jīng)實(shí)驗(yàn)測(cè)定,[A13-A14GABA,A21Ala]豬胰島素的受體結(jié)合能力和體內(nèi)活力,分別為天然豬胰島素的50%和59%; 為[A21Ala]豬胰島素的83%.該結(jié)果表明,在[A13-14GABA,A21Ala]豬胰島素的主鏈中, GABA主鏈N-C-C-C-C的作用可能類似于A13-A14主鏈N-C-C-N-C-C;A13Leu和A14Tyr的側(cè)鏈可能不是胰島素與受體結(jié)合所必需的,非編碼的γ-氨基丁酸能夠取代胰島素中位于A13-A14 位置的二肽Leu-Tyr。
[A3Thr]人胰島素與人胎盤(pán)細(xì)胞膜胰島素受體的結(jié)合能力, 約為天然胰島素的50%, 小白鼠驚厥實(shí)驗(yàn)表明其體內(nèi)活力基本上與天然胰島素相同。該結(jié)果顯示,高度保守且參與受體結(jié)合的A3Val可以被親水的Thr取代。同時(shí),胰島素Wakayama表明, A3Val不能被比其僅多一個(gè)-CH2的疏水氨基酸Leu取代。該組研究人員據(jù)此推測(cè),氨基酸的大小可能是主要的, 因?yàn)閂al與Thr殘基的大小幾乎相同。當(dāng)然, Thr的親水基團(tuán)-OH應(yīng)該是被安置在一個(gè)不影響胰島素結(jié)構(gòu)的位置。結(jié)合之前研究,B12Val也可被親水的Thr取代,這樣,胰島素分子中參與與受體結(jié)合的 2個(gè)疏水殘基——A3Val和B12Val都可以被親水的殘基Thr取代。據(jù)此他們對(duì)傳統(tǒng)的胰島素分子的受體結(jié)合部位是由疏水氨基酸殘基組成和胰島素與受體的結(jié)合是疏水的相互作用的觀念提出質(zhì)疑。
丁金國(guó)等[16]用液相合成五肽Gly-Phe-Phe-Tyr-Lys(Boc)Obut,與B鏈C端去八肽胰島素酶促縮合得到B27K-去B鏈C端三肽胰島素(B27K-DtrI,B27K-destripeptide insulin).實(shí)驗(yàn)測(cè)得B27K-DtrI的整體生物活力為標(biāo)準(zhǔn)胰島素的80%,與人胎盤(pán)細(xì)胞膜胰島素受體結(jié)合能力為標(biāo)準(zhǔn)胰島素的(125±13)%,并證明B27K-DtrI自聚合性質(zhì)降低,具有與去B鏈C端五肽胰島素相同的單體性質(zhì)。在B27K-DtrI結(jié)構(gòu)中,B27T被K取代,其優(yōu)點(diǎn)是在酵母中表達(dá)其前體后,可以很方便地通過(guò)胰蛋白酶水解獲得,有希望發(fā)展成一種治療糖尿病的胰島素類藥物。
5.2重組單鏈胰島素的研究
為研究重組單鏈胰島素的生物活性與連接肽之間的關(guān)系,用基因定點(diǎn)突變的方法分別以二肽A-K,七肽A-A-A-A-A-A-K和十二肽A-A-A-A-A-A-A-A-A-A-A-K連接胰島素的B30和A1,得到3個(gè)單鏈胰島素分子PIP,[A]5PIP和[A]10PIP.它們的受體結(jié)合能力分別為胰島素的0.14%, 14.3% 和11.1%, 體內(nèi)生物活性與受體結(jié)合能力一致,而它們的促生長(zhǎng)活性分別為胰島素的17%,116.3%和38%.結(jié)果表明:(ⅰ)單鏈胰島素也具有胰島素的促代謝和促生長(zhǎng)功能;(ⅱ)單鏈胰島素與胰島素受體的結(jié)合能力與連接肽的長(zhǎng)度和氨基酸組成密切相關(guān), 其受體結(jié)合能力隨連接肽的改變,可由無(wú)到100%,進(jìn)一步說(shuō)明胰島素與其受體結(jié)合時(shí),B鏈C端遠(yuǎn)離A鏈N端是必需的;(ⅲ)單鏈胰島素的促細(xì)胞生長(zhǎng)能力也與連接肽長(zhǎng)度和組成密切相關(guān),且比其自身的促代謝能力強(qiáng)[17].
5.3 口服化學(xué)修飾胰島素的發(fā)展
胰島素口服易被胃腸道的低pH值和酶破壞,故在臨床上有用的給藥途徑僅為皮下或肌肉注射,給病人帶來(lái)了很大的痛苦和不便,因此研制口服胰島素具有十分重要的意義,F(xiàn)在關(guān)于口服胰島素制劑的研究方法有很多,采用化學(xué)修飾就是其中之一。
“華中科技大學(xué)藥物研究所”以十四酰氯和十八酰氯作為配體對(duì)胰島素進(jìn)行修飾得到了兩種化學(xué)修飾胰島素:修飾胰島素-1、修飾胰島素-2。對(duì)普通胰島素和修飾胰島素的降血糖作用進(jìn)行比較,發(fā)現(xiàn)胰島素經(jīng)過(guò)化學(xué)修飾之后仍然保持了原有的生物活性;且修飾胰島素-2比修飾胰島素-1的降血糖作用稍強(qiáng)些,但無(wú)顯著差異。再對(duì)胰島素和修飾胰島素的抗胰蛋白酶降解能力進(jìn)行比較,發(fā)現(xiàn)胰島素被胰蛋白酶水解8h后,已基本上不具有降血糖作用;而修飾胰島素被胰蛋白酶水解8h后,仍有一定的降血糖作用[18]。
以上結(jié)果表明用化學(xué)修飾胰島素的方法對(duì)胰蛋白酶作用胰島素的位點(diǎn)加以保護(hù)之后,并不改變胰島素原有的生物活性,仍然具有同樣的降血糖作用;同時(shí)修飾胰島素有明顯的抗胰蛋白酶降解能力。所以化學(xué)修飾胰島素,在口服胰島素研制方面將開(kāi)辟一個(gè)更寬領(lǐng)域。
綜上所述,隨著基因定點(diǎn)突變等技術(shù)的發(fā)展,人們獲得了大量胰島素類似物。對(duì)于這些類似物的研究,不僅加深了人們對(duì)胰島素結(jié)構(gòu)和功能的關(guān)系以及胰島素作用機(jī)理的了解,同時(shí)使人們獲得了一些比天然胰島素更為優(yōu)越的藥物,為改善糖尿病的治療提供了光明前景。
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