200 www.postepybiochemii.pl

Mechanizm powstawania oporności na insulinę w tkankach obwodowych

StreSzczenie

Początek XXi wieku to postępująca „epidemia” chronicznych chorób metabolicznych i chorób układu krążenia, które kojarzone są ze zjawiskiem oporności na insulinę ko-

mórek i tkanek obwodowych, wątroby, mięśni czy tkanki tłuszczowej. Sytuację pogarsza fakt, że insulinooporność, która wyprzedza pełnoobjawową cukrzycę typu 2 o wiele lat, jest trudna do wykrycia, a technika będąca „złotym standardem” w pomiarze odpowiedzi tkanek na insulinę — klamra hiperinsulinemiczna normoglikemiczna — jest ze wzglę-dów praktycznych niemożliwa do stosowania w badaniach przesiewowych. Pogorszona odpowiedź na insulinę to pierwszy etap błędnego koła, w którym słabo reagujące na hormon komórki zmuszają trzustkę do wydzielania większych ilości insuliny, co stop-niowo czyni je coraz bardziej opornymi na działanie tego hormonu. Obecnie funkcjonują dwie podstawowe hipotezy wyjaśniające przyczyny insulinooporności. Pierwsza z nich przypisuje kluczową rolę gromadzeniu się lipidów w komórkach mięśni i wątroby. W drugiej, najistotniejsza wydaje się kumulacja lipidów w adipocytach i rozwijający się lokalnie chroniczny stan zapalny spowodowany przerostem tkanki tłuszczowej.

WPrOWADzenie — OtyłOść, cukrzycA i inSulinOOPOrnOść

Jednymiznajpoważniejszychproblemówzdrowotnych,z jakimiborykasięludzkośćwepocepost-industrialnejsącukrzycaiotyłość.Zmiananawy-ków żywieniowych oraz trybu życia doprowadziły do rozpowszechnieniasięzaburzeńmetabolicznychniemalnaskalęepidemii, i tonietykowkra-jachwysokorozwiniętych,alerównieżwuboższychregionachświata.We-długdanychŚwiatowejOrganizacjiZdrowia(WHO)w2005roku1,6miliar-daludzipowyżej15rokużyciamiałonadwagą,aokoło400milionówbyłootyłych.PrzewidywaniaWHOnanajbliższelatasąbezlitosne:do2015rokuliczbaludziznadwagąwzrośniedoponaddwóchmiliardówaotyłychbę-dzieblisko700milionów.BiorącpoduwagęszacunkiOrganizacjiNarodówZjednoczonych (ONZ) dotyczące liczebności ludzkiej populacji na świeciew2015roku(około7,3miliarda),nietrudnojestpoliczyć,żeponad40%tejpopulacji będzie narażonenapowikłania zdrowotne będące konsekwencjąnadwagiiotyłości.

Do najpoważniejszych konsekwencji zdrowotnych wynikających ze złejdiety i nieprawidłowego trybu życia należy grupa schorzeń określanychczęstowspólnymmianem zespołumetabolicznego [1]. Termin ten niemacoprawda jednoznacznejdefinicji, niemniejmożnaposłużyć siękryteriumWHOz1991roku,wedługktóregozespółmetabolicznydiagnozowanyjestw sytuacji, gdy u pacjenta występują: podwyższony poziom glukozy wekrwinaczczolubopornośćnainsulinęlubcukrzycatypu2orazminimumdwazponiższych:nadciśnienie,dyslipidemia,otyłość lubmikroalbuminu-ria.Wystąpieniezespołumetabolicznego istotniezwiększa ryzykozapada-nianachorobyukładusercowo-naczyniowego,którezkoleiodpowiedzialnesązablisko50%wszystkichzgonówwpopulacji.Głównaskładowazespołumetabolicznego—cukrzycatypu2 jest jużpowszechnieokreślanamianemepidemiiXXIwieku.SzacunkowedaneWHOwskazują,żeobecnienaświe-cienacukrzycętypu2chorujeponad200milionówludzi,zczegopołowawAzji[2],adoroku2030liczbatamożeulecpodwojeniu.WHOprognozuje,iżdo2030rokuwPolscenacukrzycęzachorujeponad1,5milionaludzi.Obec-nie,śmiertelnośćspowodowanachorobamibędącyminastępstwamicukrzy-cytypu2sięgajuż5%wszystkichprzyczynzgonównaświecie.

Praktycznie wszystkie chroniczne choroby metaboliczne oraz chorobyukładu krążenie, jak choroba niedokrwienna serca, mogą zostać powiąza-nezezjawiskiemstopniowejutratywrażliwościna insulinęprzezkomórkiwątroby, mięśni i tkanki tłuszczowej. Jest bezsporne, że insulinoopornośćjestgłównymczynnikiemryzykawrozwojucukrzycytypu2iotyłości.Stale

Joanna Pawlak1

rafał A. Derlacz1,2,*

1DziałBadawczo-Rozwojowy,AdamedSp.zo.o.,Pieńków,Czosnów2ZakładRegulacjiMetabolizmu,InstytutBiochemii,WydziałBiologiiUW,Warsza-wa

*Zakład Regulacji Metabolizmu, InstytutBiochemii, Wydział Biologii UW, ul.Miecznikowa1,02-096Warszawa;tel.:(22)55 43 209, e-mail: rderlacz@biol.uw.edu.pllubDziałBadawczo-Rozwojowy,AdamedSp. z o.o. Pieńków 149, 05-152 Czosnów;tel.: (22) 732 78 64, e-mail: rafal.derlacz@adamed.com.pl

Artykułotrzymano24marca2011r.Artykułzaakceptowano20kwietnia2011r.

Słowa kluczowe: insulina, insulinoopor-ność,kinazaJNK,stanzapalny,IRS

Wykaz skrótów: AMPK — kinaza biał-kowa aktywowana przez AMP; FAA —wolne kwasy tłuszczowe; IR — receptorinsulinowy; IRS — substrat dla receptorainsulinowego; JNK—kinazafosforylującaN-końcowączęśćbiałkaJun;PI3K—kina-za 3 fosfatydyloinozytolu; PKC— kinazabiałkowaC;PPAR—receptoraktywowanyproliferatoramiperoksysomów

PostępyBiochemii57(2)2011 201

pogarszającasięwrażliwośćnainsulinętkanekobwodo-wych,odpowiedzialnychzamagazynowanieimetaboli-zowanieglukozy,prowadzidopojawieniasięhiperglike-mii,awpóźniejszymetapiedorozwojupełnoobjawowejcukrzycytypu2orazdowystąpieniapowikłańnaczynio-wych i neurologicznych, które znacząco zwiększają za-padalność na inne choroby [3,4].Wyjaśnienie przyczyntegozjawiskatoobecniejednozpodstawowychwyzwańmedycy.Insulinoopornośćtostan,wktórymdochodzidoupo-

śledzeniadziałania insuliny.Charakteryzujesięontym,żetkankiobwodoweniemogąwodpowiedzinahormonzwiększyć pobierania glukozy z krwi ani przyspieszyćtempametabolizmu.Na tym etapie, komórkib trzustkinie są jeszczew żaden sposóbuszkodzone i reagują napodwyższony poziom glukozy we krwi syntetyzując iwydzielając insulinę. Jednakże,wsytuacji, kiedy tkankidocelowe nie reagują prawidłowo na sygnał przekazy-wany za pośrednictwem insuliny, krążąca glukoza niejestprzezniepobieranaimetabolizowana,niedochodzizatemdoobniżenia jej stężeniawekrwi.Wefekciewy-sepki b trzustki syntetyzują i wydzielają corazwiększeilości insuliny, coprowadziwpoczątkowej faziedo ichprzerostu,anastępnieobumierania[5].Zdrugiejstrony,w wyniku stale utrzymujących się wysokich stężeń in-suliny,tkankiobwodowestająsięcorazbardziejopornenadziałanietegohormonu,atoprowadzidoswoistegobłędnegokoła.Rozwijającej się insulinooporności towa-rzysząnietylkozaburzeniametaboliczne,aletakżewieleinnychschorzeń,jakudarmózgu,niealkoholowachorobastłuszczeniowawątroby(NAFLD,ang.non-alcoholic fatty liver disease), astma,niektórenowotwory, zespółpolicy-stycznychjajników(PCOS,ang.policystic ovary syndrome),atakżechorobaAlzheimera[4].

DiAgnOStykA inSulinOOPOrnOści

Insulinooporność jest stanem, który trudno leczyć.Wydaje się, że najlepszym sposobem jest zwiększeniewysiłku fizycznego i stosowanie niskokalorycznej diety[6].Wwielu badaniachwykazano, że zmiana stylu ży-ciaskutkujewyraźnymspowolnieniemrozwojucukrzy-cy typu 2, a nawetmoże jej zapobiegać. AmerykańskiebadaniewramachprogramuDPP(ang.Diabetes Preven-tion Program) pokazało, że zmniejszenie masy ciała za-ledwieo7%chroniznacznie lepiejprzedwystąpieniemcukrzycy typu 2 niż interwencja farmakologiczna [7,8].Okazujesię jednak,żenakłonienieosóbzgrupyryzykado zmiany trybu życia nie jest łatwe. Z drugiej stronyleki z grupy tiazolidynodionów, roziglitazon (Avandia)ipioglitazon(ACTOS),poprawiającewrażliwośćtkanekobwodowychnainsulinępoprzezaktywacjęreceptorówjądrowychPPARγ,sąwycofywanez terapiizewzględuna liczne działania niepożądane, jak nadmierny rozrosttkankitłuszczowej,obrzęki,czywreszciewysokieryzykosercowo-naczyniowe.Sytuacjędodatkowopogarszafakt,żespadekwrażliwościnainsulinę,któryowielelatwy-przedzapełnoobjawowącukrzycętypu2,jesttrudnydowykrycia,atechnikabędąca„złotymstandardem”wpo-miarze insulinooporności — klamra hiperinsulinemicz-na normoglikemiczna (ang. hyperinsulinemic euglycemic

clamp)—jestzewzględówpraktycznychniemożliwadostosowaniawpopulacyjnychbadaniachprzesiewowych[9].Wszystkiemetodyocenywrażliwościtkanekobwodo-

wychnainsulinępolegająnajednoczesnejanaliziestężeńglukozyi insulinywekrwiwróżnychwarunkach,przyczymmożnawyróżnićtuwarunkifizjologiczne(podsta-wowe) orazwarunki, w których osobie badanej podajesię jednorazowo lub stale glukozę i/lub insulinę. Jednązprostszychtechnikdiagnostycznychsłużącychdooce-nyopornościna insulinę jestpomiar stężenia insuliny iglukozywekrwipacjentów,anastępniewyliczenieilora-zustężeniainsulinydoglukozy,gdziewartośćpowyżej0,3świadczyo insulinooporności. Jednakmetodata jestmałoprecyzyjnainieuwzględniazaburzeńendogennegowydzielaniahormonu.Odwielu latdoocenyodpowie-dziorganizmunapodwyższonestężenieglukozystosujesię test doustnego obciążenia glukozą (OGTT), badaniektórepoleganapodaniudorosłej osobie 75 g glukozy ianalizieszybkościiefektywnościregulacjipoziomutegocukruwekrwiprzezendogenną insulinę. Innympodej-ściem jest test tolerancji insuliny (ITT), który polega najednorazowympodaniudożylnyminsulinywdawce0,1jednostkiwprzeliczeniunakilogrammasyciała.Wprzy-padku pogorszonej wrażliwości na insulinę obserwujesię jedynie nieznaczne obniżenie poziomu glukozy wekrwi. Wielu lekarzy, w celu wyznaczenia poziomu in-sulinooporności, stosujematematycznymodel onazwieHOMA(ang.Homeostatic Model Assessment),wktórymnapodstawie stężeń glukozy oraz insulinymierzonych naczczowyliczasięwspółczynnikR.WartośćRrównajestiloczynowi stężenia glukozy (mmol/l) na czczo (FPG) istężenia insuliny (Mu/l) na czczo (FIRI) podzielonemuprzez22,5.OinsulinoopornościświadczywartośćRwyż-szaod1[10].

Dwie najbardziej powtarzalne i wiarygodne meto-dy określania insulinooporności to uważana za „złotystandard”wspomnianawcześniej klamrahiperinsuline-micznanormoglikemicznaoraz testsupresjiendogennejinsuliny(IST).Test ISTtobadanie,wktórympodajesiędożylniezestałąprędkościąprzezokoło180minut jed-nocześnie: glukozę, insulinę oraz somatostatynę, którahamujeendogennąprodukcjęinsuliny.Stopieńinsulino-opornościw tym badaniu określa się na podstawie po-ziomu glukozywe krwi oznaczanegow ciągu ostatniejgodzinybadania - imwyższawartośćstężeniaglukozy,tymwyższaopornośćnainsulinę.Wprzypadkuklamrypodaje się dożylnie insulinę tak, aby utrzymać jej stałestężeniewekrwiorazglukozętak,abyutrzymaćnormo-glikemięczylifizjologicznestężeniecukruwekrwi.Insu-linoopornośćwtymbadaniuokreślasięnapodstawieilo-ścipodanejdożylnieglukozy.Klamrajestmetodąbardzopowtarzalną,azmiennośćoznaczanej insulinoopornościnieprzekracza10%[9].

MechAnizM DziAłAniA inSuliny

Przekazywanie sygnału przez krążącąwe krwi insu-linędownętrzakomórki jestskomplikowanymimocnozintegrowanym procesem, w którym z chwilą związa-

202 www.postepybiochemii.pl

nia hormonu do receptora tuż pod powierzchnią błonykomórkowej, wokół jego domen cytoplazmatycznych,dochodzidopowstaniadużego,białkowegokompleksusygnałowego. Związanie insuliny prowadzi do dimery-zacji IR oraz aktywacji znajdujących się w cytoplazmiedomenkatalitycznychoaktywnościkinaztyrozynowych.Wpierwszymetapiezachodziautofosforylacjareceptoraanastępnie fosforylacjabiałeksubstratowych,zktórychnajważniejsze sąbiałka IRS [11].Fosforylowanew resz-tach tyrozynybiałka IRSmogąuruchomićdwiegłówneścieżkisygnałowe:ścieżkękinazy3fosfatydyloinozytolu(PI3K),którafosforyzujekinazęAktijestodpowiedzial-na zametabolicznedziałanie insuliny oraz ścieżkępro-wadzącąodbiałkaRasdokinazaktywowanychmitoge-nem(MAPK).Tadrugaścieżkasygnałowabierzeudziałwregulacjiwyrażaniagenówzaangażowanychwkontro-lęwzrostuiróżnicowaniakomórek(Ryc.1)[12].WiązaniebiałekIRSdopodjednostekregulatorowych

kinazyPI3K,którezachodzizapośrednictwemdomenySH2, powoduje aktywację kinazy, która fosforyluje 4,5bisfosforan fosfatydyloinozytolu (PIP2) do trisfosforanuinozytolu (IP3). To z koleiprowadzido aktywacji kinazzależnychodIP3-PDK-1orazPDK-2,awkońcudoakty-wacjikinazyAkt/PKBorazatypowychkinazPKC(gorazz).WnastępnejkolejnościkinazaAktmożekatalizowaćfosforylacjębiałkasubstratowegoAS160,którestymulujetranslokacjętransporteraglukozyGLUT4zpęcherzykówcytopazmatycznychnapowierzchniębłonykomórkowej

i w ten sposób zwiększa zależny od insuliny transportglukozydokomórek.Corazczęściejprzytransdukcjisy-gnałuodreceptorainsulinowegodokomórkimówisięospecyficznych, krytycznych dla całego procesuwęzłachsygnałowych,wtymprzypadkuwyróżniasię trzytakiekompleksy:1)receptor-białkaIRS,2)podjednostkiregu-latorowe-kinaza PI3K, a także 3) izoformy kinazyAkt/PKB[13].AktywnośćIRjesthamowanawwynikudefos-forylacjikatalizowanejprzez specyficzną fosfatazę tyro-zynową—PTP1B[14].

hiPOtezy WyJAśniAJące Przyczyny POWStAWAniA inSulinOOPOrnOści

Przyczyny powstawania insulinooporności są corazlepiejpoznane.Ważnąrolępełniąwtymprocesiewolnekwasy tłuszczowe (FFA),którychstężeniewekrwi i, coistotniejsze,wtkankachobwodowychjestpodwyższoneu osób otyłych. Nadmierne nagromadzenie FFA w ko-mórkachhamujepobieranieglukozyzacoodpowiedzial-nejestnieprawidłowefunkcjonowanieszlakówsygnało-wychregulowanychprzezdiacyloglicerol(DAG).Zkoleipodwyższona aktywnośćkinaz serynowo-treoninowychindukowanych stresem (np. kinazy JNK) prowadzi dofosforylacji reszt serynywbiałku IRScoblokujedziała-niecałejścieżkiprzekazywaniasygnału[15].Wydajesię,że gromadzące sięworganizmieFFAodgrywają szcze-gólną rolę w przejściu od insulinooporności do pełno-objawowejcukrzycytypu2.Stwierdzono,żechroniczna

ekspozycja wysepek btrzustki nawysokie stę-żenia FFA prowadzi doich odwrażliwienia i wkonsekwencji zahamo-wania uwalniania insu-liny [16]. Zmniejszaniewrażliwości tkanek nainsulinę oraz będącategokonsekwencjąutra-ta normoglikemii corazczęściej kojarzone sątakże z zaburzeniamiw funkcjonowaniu re-ceptorów jądrowych zrodziny PPAR [17] orazze zmianamiwwydzie-laniuadipokin (leptyny,adiponektyny, rezysty-ny) oraz cytokin proza-palnych (IL-6, TNFα)przez rozrastającą siębrzuszną tkankę tłusz-czową[18,19].

PRZełADOWANIeLIPIDAMIJedną z teorii po-

wstawaniaopornościnainsulinę w komórkachmięśniiwątrobyjesthi-poteza „przeładowanialipidami”, wśród któ-

rycina 1.Mechanizmdziałania insulinynapoziomiekomórkowym.Przyłączeniecząsteczkihormonudoreceptorapowodu-jejegodimeryzacjęiautofosforylacjęreszttyrozynywdomenachcytoplazmatycznych.NastępnieaktywnyreceptorkatalizujefosforylacjęresztytyrozynywbiałkachIRS,comożeprowadzićdouruchomieniadwóchszlakówsygnałowych:wkierunkupo-działówkomórkowychlubwkierunkuregulacjiprzemianmetabolicznych(syntezabiałek,metabolizmglukozy).IR—receptorinsulinowy;IRS—substratreceptorainsulinowego;PTP1B—fosfatazatyrozynowa1B;PDK—kinazazależnaodinozytolo-trisfosforanu(IP3);PI3K—kinaza3fosfatydyloinozytolowa;mTOR—kinazaserynowo-treoninowamTOR;FOXO—czynniktranskrypcyjnyFOXO;AS160—substratbiałkowykinazyAkt;Akt—kinazaserynowo-treoninowaAkt;GSK3—kinazasyntazyglikogenowej 3;Grb2—białko adapterowe; Sos—białko adaptorowe;Ras—produkt onkogenu ras o aktywnościGTPazy;MAPK—kinazabiałkowaaktywowanamitogenem.

PostępyBiochemii57(2)2011 203

rychkluczowąrolęodgrywająwolnekwasytłuszczowe.Wwynikunadmiernejilościsubstancjiodżywczychkrą-żącychwkrwiipobieranychprzezkomórki,dochodzidonadmiernegozwiększeniatempametabolizmukomórko-wego (ang.metabolic overload), a w ślad za tym do nie-prawidłowości w funkcjonowaniu enzymów mitochon-drialnych i związanych z siateczką śródplazmatyczną(eR). Hipoteza „przeładowania lipidami” powstała jużnapoczątkulat60.XXwieku,kiedystwierdzono,żenad-mierna ilość nieestryfikowanych kwasów tłuszczowych(NeFA) prowadzi do zaburzeńmetabolizmu lipidów, acozatymidziedonagromadzaniasięacetylokoenzymuAw komórkach, co z koleiwpływa na aktywność klu-czowychenzymówcykluKrebsaipowodujehamowanieprocesuglikolizy [20].Późniejszebadaniapokazały jed-nak, że to niemetabolizmglukozyulegaupośledzeniu,alejejtransportdokomórekmięśniiwątroby[21].Obecnie uważa się, że główną przyczyną powstawa-

nia oporności na insulinę w komórkachmięśniowych iwątrobiejestswoisterozprzężeniemetabolizmukwasówtłuszczowych,cykluKrebsaiłańcuchaoddechowego.Wwyniku rosnącego stężenia lipidów w komórkach do-chodzidozwiększeniaekspresjigenówenzymówszlakubetaoksydacji,natomiast efekt tennie jest skorelowanyze wzrostem ekspresji genów i aktywności enzymówszlaku kwasów trikarboksylowych, co prowadzi do na-gromadzania sięwmitochondriachmetabolitówpocho-dzącychzniepełnegoutlenianialipidów.Wefekciezabu-rza to funkcję tychorganelliprowadzącdozwiększonejsyntezy wolnych rodników w komórce oraz aktywacjiserynowo-treoninowych kinaz indukowanych stresemm.in.kinazyJNK.Dodatkowowwątrobie,wwynikunie-prawidłowegoutlenianiakwasówtłuszczowychwmito-

chondriachdochodzidozwięk-szonejponadmiaręaktywnościanabolicznej w eR, która pro-wadzidopowstawanianiepra-widłowo sfałdowanych białek,co z kolei również aktywujekinazy serynowo-treoninowezrodzinyJNK[3].Aktywacjaki-naz z rodziny JNK przyczyniasięzaśdopostawaniablokuwprzekazywaniu sygnału insu-linowego, głównie w wynikufosforylacji reszt seryny białkaIRS-1(Ryc.2).Mechanizm powstawania

oporności na insulinę w ko-mórkachtkankitłuszczowejmanieco odmienny charakter odzjawisk zachodzących w mię-śniach i wątrobie, choćw tymprzypadku również głównąrolę odgrywa nadmierne gro-madzenie się lipidów. W wy-niku nieustającego nadmiarusubstancji odżywczych dostar-czanych do organizmu i krą-żących w krwi, tkanka tłusz-czowa pobiera i magazynujezwiększone ilości lipidów, co

prowadzi do jej nadmiernego rozrastania się.Hipertro-fia tkanki tłuszczowej z jednej stronyprzyczynia siędoniedotlenienia adipocytów w wyniku niewystarczającoszybkiego powstawania nowych naczyń krwionośnych,coprowadzido stresukomórkowego i aktywacjiwspo-mnianychwcześniejkinazindukowanychstresem(JNK,PKCq), obumierania części komórek i infiltracji tkankitłuszczowej przez komórki układu odpornościowego,m.in.makrofagi[22,23].Zdrugiejstronynadmiernyroz-wój tkanki tłuszczowejpowodujezaburzeniawwytwa-rzaniuadipokin,itakwzrastawkrwistężenieleptynyamaleje stężenie adiponektyny cobezpośrednio łączy sięz powstawaniem oporności na insulinę i rozwojem cu-krzycytypu2[19].Dodatkowo,wielenowychdoniesieńnaukowychwskazuje,żesyntetyzowanewtkancetłusz-czowejadipokinyicytokinyowłaściwościachprozapal-nych(m.in.rezystyna,IL-1a,IL-1b,IL-6,TNFa)mogąod-powiadaćzawywoływanieinsulinoopornościwsamychkomórkachtłuszczowychaletakżezarozprzestrzenianiesięjejnainnetkankiworganizmie[24-26].

STANZAPALNyAINSULINOOPORNOŚć

Związek między występowaniem insulinoopornościczycukrzycytypu2achronicznymstanemzapalnymworganizmiewydaje się niezaprzeczalny. Liczne badaniawskazują,żewstanachotyłościpacjenci charakteryzująsiępodwyższonympoziomemwkrwi zarówno cytokinprozapalnych (m.in. IL-1, IL-6, TNFα) jak i receptorówdla nich (m.in. IL-1Rα, TNFα-R). Z drugiej strony, wbadaniach z wykorzystaniem modeli zwierzęcych wy-kazano, że częściowe lub całkowite wyciszenie genów

rycina 2.CentralnarolabiałkaIRSwrozwojuinsulinooporności.FosforylacjaresztyserynybiałkaIRSblokujefosfo-rylacjęresztytyrozyny,atymsamymzatrzymujesygnałodIRdownętrzakomórki. IL6—interleukina6;TNFa—czynnikmartwicynowotworu;IR—receptorinsulinowy;FFA—wolnekwasytłuszczowe;JNK—kinazafosforylującaN-końcowączęśćbiałkaJun;IRS—substratreceptorainsulinowego;LC-CoA—koenzymApołączonyzdługołańcu-chowymikwasamitłuszczowymi;DAG—diacyloglicerol;nPKC—nowekinazybiałkoweC.

204 www.postepybiochemii.pl

kodującychTNFαlubIL-1α,lubteżwyciszeniegenuko-dującego jedną z kinaz indukowanych stresem - JNK-1,która ulega aktywacji pod wpływem m.in. czynnikówprozapalnych, skutkuje zwiększeniem wrażliwości tka-nekobwodowychnainsulinę[19,23].Takzmodyfikowa-negenetyczniemyszyhodowanenawysokotłuszczowejdieciecharakteryzowałysięniższympoziomemzarównoglukozywosoczujakiinsulinyniżmyszy,uktórycheks-presjawyżejwymienionych genównie była zmieniona.Jak wspomniano, szczególny związek z powstawanieminsulinoopornościwydaje sięmieć lokalnystanzapalnywrozrastającejsiętkancetłuszczowej.Wykazano,żepodwpływem gromadzących się lipidów (szczególnie FFA)dochodziwadipocytachdopowstania stresukomórko-wego iaktywacjidwóchścieżeksygnałowych: (1)zwią-zanej z rodziną kinaz JNKoraz (2) z czynnikiem trans-krypcyjnymNFκB(Ryc.3)[23,27].

Wotyłościobserwujesiępodwyższonąaktywnośćki-nazJNKwwątrobie,tkancemięśniowejiwadipocytach,awięcw tych tkankach i narządach,w których rozwójinsulinoopornościmanajwiększeznaczenieepidemiolo-giczne. Kinazy te biorą udziałw regulacjiwielu proce-

sówzwiązanych z rozwojem i funkcjonowaniemkomó-rek,adziałanietozachodzigłowniepoprzezfosforylacjęczynnika transkrypcyjnego AP-1, jednakwydaje się, żeichudziałwpowstawaniu insulinooporności jestnieza-leżny od fosforylacjiAP-1.Uruchomienie tej ścieżki sy-gnałowej prowadzi do zmienionej fosforylacji substratudla receptora insulinowego, IRS-1, a coza tym idziedozablokowaniaprzekazywaniasygnałuodreceptorainsu-linowego(IR)doinnychbiałektegoszlakusygnałowego(Ryc. 2). Niezależnie od aktywacji kinazy JNK stan za-palnyorazzwiększonetempometabolizmulipidówpro-wadzidoaktywacjikinazyPKCq.Kinaza ta aktywujezkoleikinazęinhibitoraczynnikatranskrypcyjnegoNFkB(IKK),któramożewpływaćnaszlakinsulinowywdwo-jakisposób:poprzezbezpośredniąfosforylacjębiałkaIRSlub fosforylację inhibitoraNFkB (IkB), copowoduje ak-tywację czynnika transkrypcyjnegoNFkB i prowadziwadipocytachdozwiększonejekspresjigenówkodującychcytokiny prozapalne, adipokiny i chemoatraktanty, jaknp.MCP-1 (Ryc. 3).Wydzielanie tych białek powodujem.in.rekrutacjęmonocytówdotkankitłuszczowej,któreróżnicująwniejwosiadłemakrofagiprzyczyniającsiędodalszego zwiększonego wydzielania cytokin prozapal-nych[23].efektemtegoswoistegobłędnegokołajestpo-wstanieinsulinoopornościnajpierwwkomórkachtkankitłuszczowej,anastępniewinnychtkankachinarządach,z których szczególne znaczeniemająwątroba imięśnie[24].

CeNTRALNAROLABIAłKAIRS

W początkowych badaniach nad insulinoopornościąuważano,żeutratawrażliwościtkaneknainsulinęwiążesięzodwrażliwieniemreceptora insulinowego.Dopierowlatach80.XXwiekuwykazano,żedefektprowadzącydopowstaniaopornościna insulinęnie jest związanyzsamymreceptoreminsulinowym,aleznieprawidłowymprzekazywaniem sygnału na dalszych etapach ścieżki.Jednazaktualnychhipotezprzypisujeodpowiedzialnośćza hamowanie przekazywania sygnału insulinowegoniewłaściwejzpunktuwidzeniadziałaniacałegoszlakufosforylacjibiałekbędącychsubstratamidlareceptorain-sulinowego (IRS 1-4), aw szczególności IRS-1. Białka zrodzinyIRSmogąulegaćzarównofosforylacjiwresztachtyrozynyjakiresztachseryny.Fosforylacjareszttyrozy-nykatalizowanaprzezdomenykatalityczneIRpowodu-je,żebiałkazrodzinyIRSłącząsięzkolejnymibiałkamiefektorowymi na szlaku przekazywania sygnału insu-linowego (m.in. z kinazą 3 fosfatydyloinozytolu), nato-miast fosforylacja reszt serynyprowadzidoprzerwaniasygnału,comożewynikaćalbozoddysocjowaniaIRSodIR i skierowania IRS na drogę degradacji, albo z brakumożliwościprzyłączaniasiędoIRSinnychbiałekefekto-rowych(Ryc.2)[28,29].

Mechanizm powstawania insulinooporności, w któ-rymkluczową rolę odgrywają białka z rodziny IRS jestwświetlenajnowszychbadańelementemłączącymdwieopisanewcześniejhipotezy,czylipowstawaniaopornościnainsulinępodwpływem„przeładowanialipidami”iwefekcierozwojustanuzapalnego.Zarównowwynikuna-gromadzaniasięsubstancjipochodzącychznieprawidło-

rycina 3. Szlaki przekazywania sygnałów zaangażowane w rozwój insulino-oporności.PodwpływemstanuzapalnegoinadmiaruFFAwkomórkachtłusz-czowychdochodzidopowstaniastresukomórkowegoiaktywacjidwóchścieżeksygnałowych.Pierwszej związanej z rodzinąkinaz JNKorazdrugiej z czynni-kiem transkrypcyjnym NFkB. Salicylany (ASA) mogą hamować powstawaniestanuzapalnegozarównopoprzezhamowaniesyntezyprostaglandyn,jakiha-mowanieszlakuaktywacjiczynnikatranskrypcyjnegoNFkB.IL6—interleukina6;TNFa—czynnikmartwicynowotworu;FFA—wolnekwasytłuszczowe;JNK—kinaza fosforylującaN-końcową część białka Jun; IRS— substrat receptorainsulinowego; PKC— kinaza białkowa C; IKK— kinaza inhibitora czynnikatranskrypcyjnegoNFkB;IkB—inhibitorczynnikatranskrypcyjnegoNFkB;NFkB—czynniktranskrypcyjny;AP-1—czynniktranskrypcyjny;ASA—kwasacety-losalicylowy;AA—kwasarachidonowy;PGe—prostaglandyny.

PostępyBiochemii57(2)2011 205

wegometabolizmulipidów(m.in.DAG)jakizwiększonejsyntezywolnychrodnikówwkomórceatakżeaktywacjireceptorówdlacytokinpro-zapalnychdochodzidoakty-wacjiwspomnianychwcześniej kinaz serynowych z ro-dzinykinazindukowanychstresem,m.in.kinazyJNK-1.Kinazyteodpowiadająm.in.zafosforylacjębiałkaIRS-1wresztachserynyznajdującychsięwpozycjach302i307,co uniemożliwia fosforylację przez receptor insulinowywresztachtyrozynyiwefekcieprowadzidozahamowa-niaprzekazywaniasygnałuinsulinowego[4].Niezależnie od „wykluczenia” białka IRS ze szlaku

insulinowegopoprzezbrak fosforylacjiwresztach tyro-zyny może dochodzić do jego przyspieszonej degrada-cji. Uważa się, że kluczową rolęw tym procesie pełniąbiałka regulatorowe z rodziny SOCS, które stymulująprzyłączanie reszt ubikwityny do białek IRS kierując jetym samymna drogę proteolitycznej degradacjiw pro-teosomach[30].Dodatkowowykazano,żebiałkaSOCS-1orazSOCS-3mogąwiązaćsiębezpośredniodoreceptorainsulinowegowpozycji960gdzieznajdujesięresztaty-rozynyzaangażowanawrozpoznawaniebiałekIRSprzezreceptorblokującwtensposóbtworzeniekompleksusy-gnałowego[31].

BiałkaSOCSsąodpowiedzialnezawygaszaniesygna-łu pochodzącego od różnych cytokin,m.in. o działaniuprozapalnym. Wykazano, że poziom syntezy tych bia-łek ulega zwiększeniu w stanach zapalnych, i stanowipewnegorodzajumechanizmautoregulacyjnywobrębieukładu odpornościowego opierający się o zasadę ujem-nego sprzężenia zwrotnego—nadmierna synteza cyto-kinprowadzidozwiększonejsyntezybiałekSOCS,którehamują ich działanie. Zwiększony poziom białek SOCSobserwowany jest równieżwstanach insulinooporności[32].

PerSPektyWy terAPeutyczne

Jednązmożliwościterapeutycznych,mającychnaceluzapobieganie powstawaniu insulinooporności, jest se-lektywnezwiększeniespalaniakwasówtłuszczowychwadipocytach. Próbuje się to osiągnąć poprzez zwiększe-nieaktywnościkinazyaktywowanejprzezAMP(AMPK)bądź karboksylazy acetylokoenzymu A (ACC). Innymsposobem jest wydłużenie czasu aktywności receptorainsulinowegopoprzezhamowaniewyłączającejgofosfa-tazy PTP1B.W ostatnich latach corazwiększe zaintere-sowaniezyskują jednakbadania,wktórychcelamitera-peutycznymistająsięczynnikiprozapalnelubichrecep-tory bądź białka ze ścieżek sygnałowych związanych ztymi receptorami, kinazy z rodziny JNK, kinaza PKCq,czyczynniktranskrypcyjnyNFkB.Próbujesięm.in.:(1)blokowaniareceptorówdlaTNFαprzypomocyprzeciw-ciał; (2) obok głównegomechanizmu ichdziałania,wy-korzystaniaprzeciwzapalnychwłaściwościaktywatorówreceptorówzrodzinyPPAR;(3)wykorzystaniaprzeciw-zapalnychwłaściwości statyn (choćdotądnie udało sięwykazaćwbadaniachklinicznychichwpływunainsuli-nooporność); (4)wykorzystania nie acetylowanych sali-cylanów(Ryc.3),którychefektywnośćjestobecnietesto-

wanaw badaniach klinicznych u pacjentów z cukrzycątypu2(np.Trilisate,Disalcid)[18,33].

PiśMiennictWO1. GuptaA,GuptaV(2010)Metabolicsyndrome:whataretherisksfor

humans?BiosciTrends4:204-2122. ChanJC,MalikV,JiaW,KadowakiT,yajnikCS,yoonKH,HuFB

(2009)DiabetesinAsia:epidemiology,riskfactors,andpathophysio-logy.JAMA301:2129-2140

3. MuoioDM,NewgardCB (2008)Mechanisms of disease:molecularandmetabolicmechanismsofinsulinresistanceandbeta-cellfailureintype2diabetes.NatRevMolCellBiol9:193-205

4. TaubesG(2009)Prosperity’sPlague.Science325:256-2605. SaltielAR(2001)Newperspectives into themolecularpathogenesis

andtreatmentoftype2diabetes.Cell104:517-5296. O’KeefeJH,AbuannadiM(2010)Dietarystrategiesfortheprevention

&treatmentofmetabolicsyndrome.MoMed107:406-4097. OrchardTJ,TemprosaM,GoldbergR,HaffnerS,RatnerR,Marcovina

S,FowlerS;DiabetesPreventionProgramResearchGroup(2005)Theeffectofmetforminandintensivelifestyleinterventiononthemetabo-licsyndrome:theDiabetesPreventionProgramrandomizedtrial.AnnInternMed142:611-619

8. KnowlerWC,Barrett-Connore,FowlerSe,HammanRF,LachinJM,WalkereA,NathanDM;DiabetesPreventionProgramResearchGro-up(2002)Reductionintheincidenceoftype2diabeteswithlifestyleinterventionormetformin.NenglJMed346:393-403

9. DeFronzoRA,TobinJD,AndresR(1979)Glucoseclamptechnique:amethodforquantifyinginsulinsecretionandresistance.AmJPhysiol237:e214-223

10.MatthewsDR,HoskerJP,RudenskiAS,NaylorBA,TreacherDF,Tur-nerRC(1985)Homeostasismodelassessment:insulinresistanceandbeta-cellfunctionfromfastingplasmaglucoseandinsulinconcentra-tionsinman.Diabetologia28:412-419

11.ChoiK,KimyB(2010)Molecularmechanismofinsulinresistanceinobesityandtype2diabetes.KoreanJInternMed25:119-129

12.KasugaM(2006)Insulinresistanceandpancreaticbetacellfailure.JClinInvest116:1756-1760

13.TaniguchiCM,emanuelliB,KahnCR(2006)Criticalnodesinsignal-lingpathways: insightsintoinsulinaction.NatRevMolCellBiol7:85-96

14.KasibhatlaB,WosJ,PetersKG(2007)Targetingproteintyrosinepho-sphatasetoenhanceinsulinactionforthepotentialtreatmentofdiabe-tes.CurrOpinInvestigDrugs8:805-813

15.BodenG(2002)Interactionbetweenfreefattyacidsandglucosemeta-bolism.CurrOpinClinNutrMetabCare5:545-549

16.SubausteA,BurantCF(2003)DGAT:noveltherapeutictargetforobe-sityandtype2diabetesmellitus.CurrDrugTargetsImmuneendocrMetabolDisord3:263-70

17.FuentesL,RoszerT,RicoteM(2010)Inflammatorymediatorsandin-sulinresistanceinobesity:roleofnuclearreceptorsignalinginmacro-phages.MediatorsInflamm2010:219583

18.ShoelsonSe,LeeJ,GoldfineAB(2006)Inflammationandinsulinresi-stance.JClinInvest116:1793-1801

19.WellenKe,HotamisligilGS(2005)Inflammation,stress,anddiabetes.JClinInvest115:1111-1119

20.RandlePJ,GarlandPB,HalesCN,NewsholmeeA(1963)Theglucosefatty-acidcycle.Itsroleininsulinsensitivityandthemetabolicdistur-bancesofdiabetesmellitus.Lancet1:785-789

21.PetersenKF,ShulmanGI (2002)Pathogenesisof skeletalmuscle in-sulinresistanceintype2diabetesmellitus.AmJCardiol90:11G-18G

22.SchusterDP(2010)Obesityandthedevelopmentoftype2diabetes:theeffectsoffattytissueinflammation.Diabetes,MetabolicSyndromeandObesity:TargetsandTherapy3:253-262

23.PermanaPA,MengeC,ReavenPD(2006)Macrophage-secretedfac-tors induceadipocyte inflammationandinsulinresistance.BiochemBiophysResCommun341:507-514

206 www.postepybiochemii.pl

the mechanism of insulin resistance in peripheral tissues

Joanna Pawlak1, rafał Andrzej Derlacz1,2,*

1ResearchandDevelopmentDepartment,AdamedSp.zo.o.,Pienkow149,05-152Czosnow,Poland2DepartmentofMetabolicRegulation,InstituteofBiochemistry,FacultyofBiology,UniversityofWarsaw,ul.Miecznikowa1,02-096Warsaw,Poland*e-mail:rderlacz@biol.uw.edu.plorrafal.derlacz@adamed.com.pl

key words:insulin,insulinresistance,inflammation,IRS-1,JNKkinase

ABStrActchronic metabolic and cardiovascular diseases, described as the epidemics of XXi century, are connected to the resistance of peripheral tissu-es, such as liver, muscle and fat, to insulin. insulin resistance, which precedes the development of type 2 diabetes by several years, is difficult to diagnose, mainly because of practical limitations to the use of “gold standard” hyperinsulinemic euglycemic clamp technique for screening. it is also begins a certain vicious circle, in which insulin resistant peripheral tissues force pancreatic beta cells to increased insulin release, and sustained high concentrations of insulin cause further development of insulin resistance. currently, there are two major hypotheses describing the mechanism of insulin resistance: one relating to the “lipid overload” in liver and muscle cells as the key factor and another one emphasizing the role of lipid accumulation in adipocytes, which leads to the overgrowth of fatty tissue and chronic local inflammation.

24.ShoelsonSe,HerreroL,NaazA(2007)Obesity,inflammation,andin-sulinresistance.Gastroenterology132:2169-2180

25.Antuna-PuenteB,FeveB,FellahiS,BastardJP(2008)Adipokines:themissinglinkbetweeninsulinresistanceandobesity.DiabetesMetab34:2-11

26.HaqueWA,GargA (2004)Adipocyte biology and adipocytokines.ClinLabMed24:217-34

27.KadowakiT,HaraK,yamauchiT,Terauchiy,TobeK,NagaiR(2003)Molecularmechanismofinsulinresistanceandobesity.expBiolMed228:1111-1117

28.Boura-HalfonS,Zicky(2009)PhosphorylationofIRSproteins,insu-linaction,andinsulinresistance.AmJPhysiolendocrinolMetab296:581-591

29.Hanke S, MannM (2008) The phosphotyrosine interactome of theinsulin receptor familyand its substrates IRS-1and IRS-2.MolCellProteomics8:519-534

30.RuiL,yuanM,FrantzD,ShoelsonS,WhiteMF(2002)SOCS-1andSOCS-3blockinsulinsignalingbyubiquitin-mediateddegradationofIRS1andIRS2.JBiolChem277:42394-42398

31.UekiK,KondoT,KahnCR(2004)Suppressorofcytokinesignaling1(SOCS-1)andSOCS-3cause insulin resistance through inhibitionoftyrosinephosphorylationofinsulinreceptorsubstrateproteinsbydi-scretemechanisms.MolCellBiol24:5434-5446

32.KrebsDL,HiltonDJ(2000)SOCS:physiologicalsuppressorsofcytoki-nesignaling.JCellSci113:2813-2819

33.GoldfineAB,FonsecaV,ShoelsonSe(2011)Therapeuticapproachestotargetinflammationintype2diabetes.ClinChem57:162-167