蛋白酪氨酸磷酸酶-1B与糖尿病之间的关系

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论文摘要

  蛋白酪氨酸磷酸酶(protein tyrosine phosphatase,PTP)是细胞增殖和信号传导的调节过程中,调节蛋白酪氨酸残基磷酸化水平的酶家族。PTP 和蛋白酪氨酸激酶(protein tyrosine kinase,PTK)及其各自相应的底物协同作用,形成一个复杂的信号传导网络,通过调控蛋白氨基酸残基的磷酸化水平,调节生物体内细胞的生长、分化、代谢过程,参与细胞周期调控、细胞迁移、基因转录和免疫应答等过程。目前的研究发现人类共有 112 种PTPs,依据它们的结构分为酪氨酸特异性、双特异性和低分子量磷酸酶,其中蛋白酪氨酸磷酸酶-1B(Protein Tyrosine Phos-phatase-1B,PTP-1B) 于 1988 年由 Tonks 等首次在人的胎盘细胞中分离和纯化得到,属于酪氨酸特异性磷酸酶,依据受体结构可分为受体样 PTP-1B 和胞内 PTP-1B。PTP-1B 专一水解芳香族磷酸,由 435 个氨基酸残基组成,分子量约 50ku。其结构中有一个氨基末端催化区和两个富含脯氨酸的模序。PTP-1B 在肌肉、心、肝、睾丸、肾、脾、脑和脂肪等组织中广泛表达,主要集中在细胞浆的内质网的表面。PTP-1B 的 N 端为包含半胱氨酸和精氨酸残基的催化中心,朝向胞浆方向;C 端通过 35 个特异性氨基酸与内质网相结合,羧基末端水解断裂后从内质网释放出有活性的 PTP1B;N 端和 C 端之间为两段富含脯氨酸的区域,在 PTP1B 与其他蛋白之间的相互作用上发挥重要作用。

  PTP-1B DNA 的启动子上有一个转录因子 Y 盒结合蛋白-1 的结合位点,它的过度表达可使 PTP-1B 的表达水平增加。使用反义寡核苷酸技术减少其表达后,PTP-1B 的表达随之降低,呈正相关趋势。

  PTP-1B 在体内没有自身的特异性受体,而是在细胞信号传导过程中,与 PTP 家族中的其他成员以及蛋白酪氨酸激酶协同作用,调控蛋白底物中酪氨酸的磷酸化水平,进而对细胞的生长、分化、代谢、基因转录和免疫应答等功能进行调节。

  1 PTP-1B 的生理功能

  目前研究发现PTP-1B主要表现出以下几个方面的生理功能:

  (1)与胰岛素受体(insulin receptor ,IR)、胰岛素受体底物(insulin receptor substrate,IRS)等信号蛋白作用,使这些蛋白调节区的酪氨酸残基去磷酸化,进而阻断胰岛素信号级联反应的下传,在胰岛素信号中起着负调控作用。与 II 型糖尿病的发生具有密切的联系。

  (2) 在瘦素信号传导过程中,通过降低转录激活子-3(STAT-3)和 Janus 激酶-2(JAK-2)的磷酸化水平,在瘦素信号中起负调控作用。与肥胖的发生具有密切的联系。

  (3)PTP-1B 通过与生长因子等底物相互作用,参与细胞生长周期的调节,与肿瘤的发生具有一定的联系。

  除此之外,研究还发现 PTP-1B 在催乳素信号传导、血小板凝集等方面具有一定的影响。

  2 PTP-1B 与糖尿病之间的关系

  糖尿病是一类慢性代谢性疾病,随着生活水平的提高,糖尿病的发病率呈逐年上升趋势,成为继心脑血管疾病及癌症之后,威胁人类健康的第三大类疾病。目前已有约 3 亿糖尿病患者,到 2030 年,预计患者人数将突破 5 亿。根据糖尿病的发病机制,糖尿病可分为 I 型糖尿病和 II 型糖尿病,其中 II 型糖尿病患者超过糖尿病患者总数的 80%,主要表现为胰岛素抵抗或胰岛素受体不敏感,分泌胰岛素的胰腺 B 细胞数量减少,功能障碍,从而导致糖代谢障碍,血糖水平升高。对 PTP-1B 生理功能的研究已经证实,其与胰岛素及瘦素信号传导呈负调节关系,因此 PTP-1B 与 II 型糖尿病的发病原因关系密切,是开发 II 型糖尿病治疗药物的重要靶点之一。

  2.1 PTP-1B 胰岛素抵抗:代谢过程中,胰岛素可与脂肪、骨骼肌、肝细胞等细胞的细胞膜上的胰岛素受体胞外亚基结合,进而使受体胞内亚基酪氨酸激酶活化,导致自身及其底物磷酸化,从而引起葡萄糖转运、肝和骨骼肌的糖原合成等一系列生理过程,因此调节胰岛素受体的酪氨酸磷酸化水平的高低即可调节生物体内糖代谢的水平。PTP-1B 的生理功能之一即是对胰岛素受体在合成期间的酪氨酸进行去磷酸化,阻断胰岛素信号传导途径,抑制葡萄糖在体内的代谢,最终导致血糖升高。

  另外,组织细胞中 PTP-1B 表达水平的增加还会降低 PTK的活性,使胰岛素受体因磷酸化水平降低不能与胰岛素正常结合,进而引起胰岛素抵抗,是 II 型糖尿病形成的原因之一。利用剔除了 PTP-1B 的小鼠进行研究发现,即使经过一段时间的致肥胖饮食喂养,小鼠也没有表现出肥胖或胰岛素抵抗症状,小鼠对胰岛素的敏感性显着增强;而在小鼠肝脏重新表达 PTP-1B后,增强的胰岛素敏感性又显着减弱,该实验现象,验证了 PTP-1B 与胰岛素介导的胰岛素受体酪氨酸磷酸化的关系。

  2.2 PTP-1B 与胰岛 B 细胞数量的关系:实验发现,小鼠在剔除PTP-1B 后,其胰岛 B 细胞区域明显减少,胰岛素分泌量减少;而同时剔除 PTP-1B 和胰岛素受体底物-2 后,小鼠胰岛 B 细胞区域增加,由此可见,PTP-1B 与胰岛 B 细胞数量呈现出动态平衡的关系。

  2.3 参与瘦素信号传导:由脂肪组织分泌的瘦素是一种调节人体脂肪含量的激素,与糖尿病及肥胖症的发病具有密切的联系。

  研究已经证实,在糖尿病和胰岛素抵抗的动物模型中均存在瘦素信号传导途径紊乱的现象。 PTP-1B 在信号传导的调节过程中,可使 JAK-2 和 STAT-3 去磷酸化,进而阻断瘦素信号的传递,抑制 PTP-1B 的表达后,STAT-3 磷酸化水平增加,活性明显增强。而由于 PTP-1B 表达增多引起的瘦素信号传递紊乱,会进一步促进或加重糖尿病的发生、发展。

  3 PTP-1B 抑制剂

  研究明确了 PTP-1B 与 II 型糖尿病和肥胖的关系,抑制PTP-1B 的活性,可提高患者对胰岛素的敏感性,因此 PTP-1B抑制剂的研究成为开发治疗 II 型糖尿病药物的靶点之一。目前,基于 PTP-1B 的三维结构及活性部位,利用计算机辅助药物设计、高通量筛选、生物电子等排原理,科学家已经获得了大量小分子 PTP-1B 抑制剂。本文根据近年文献报道的 PTP-1B 抑制剂的结构,对其进行简要综述。

  3.1 非专一性的无机类 PTP-1B 抑制剂:该类抑制剂主要包括钒酸盐和过氧钒等。钒酸盐的抑制作用主要基于钒酸根在结构上类似酶的天然底物的磷酸根;过氧钒对 PTP-1B 的抑制作用是通过将 PTPase 活性中心 Cys 的巯基进行的不可逆氧化由半胱氨酸氧化成磺酸。除此之外,一氧化氮和苯胂化氧对 PTP-1B也表现出一定的抑制活性。这些无机类抑制剂虽然对 PTP-1B表现出一定的抑制活性,但同时对 PTP 家族中的其他酶具有一定的一致性,专一性差,因此限制了它们成为药物的可能性。

  3.2 磷酸酯类似物:该类抑制剂的设计主要是利用生物电子等排原理,利用磷酸、草酸、乙酸、磺酸、丙二酸等结构替代 PTP-1B 的催化活性区内的磷酸酯基,从而形成对 PTP-1B 的抑制作用。但整个 PTP 家族均具有这个保守的催化活性区,因此单纯对该部位进行结合的抑制剂很难获得针对 PTP-1B 的选择性作用。为增强该类抑制剂的选择性,科学家们设计并合成了一系列同时作用于催化活性区与第二结合位点的 PTP-1B 选择性抑制剂,该类抑制剂主要包括二氟亚甲基磷酸盐、苯并呋喃和苯并噻吩-苯氧乙酸类、噻二唑烷酮类等。

  a 和 b(图 1)为含有-二氟-亚甲基磷酸(DFMP)结构的化合物,实验数据表明它们对 PTP-1B 均表现出很好的抑制活性,IC50分别为 0.074 和 0.20mol/L。化合物 c(图 1)不仅表现出较强的抑制活性(Ki=2.4nM),还展现出较强的抑制选择性。

  Wyeth 公司开发了一系列针对糖尿病治疗研究的苯并呋喃和苯并噻吩-苯氧乙酸类 PTP-1B 抑制剂。其中化合物 d(图 1)表现出较高的抑制活性(IC50=83nmol/L)和针对 PTP-1B 的选择性。受试肥胖型小鼠连续口服化合物 4d 后,血糖显着降低,胰岛素水平明显改善。Ertiprotafib(图 1)是为数不多的进入临床研究阶段的选择性 PTP-1B 抑制剂,虽由于多种原因被终止研究,但对其构效关系的研究为开发 PTP-1B 抑制剂提供了理论依据。

  噻二唑烷酮类 PTP-1B 抑制剂(e,见图 1)与二氟亚甲基磷酸盐抑制剂相比具有更好的跨膜通透性,同时,它们在与 PTP-1B 的结合中,通过取代活性位点中的 3 个水分子,展现出比磷酸酯类化合物更强的抑制活性。

  迄今为止,酪氨酸磷酸酯类似物仍然是研究最为深入的PTP-1B 抑制剂。随着对 PTP-1B 结构研究的不断深入,人们发现除关键性的催化活性区域外,其结构中还含有第二结合位点以及其他与分子识别相关的氨基酸残基,设计能够同时与这些部位及催化活性区域结合的抑制剂在保留抑制活性的同时,明显提高其选择性。但是,目前该类抑制剂主要问题是其结构中多数带有一定量的负电荷,致使其不易透过细胞膜,难以达到作用位点,导致其难以成药。因此开发具有高一致性、高选择性并兼具良好药代动力学性质的 PTP-1B 抑制剂是当前研究的目标。

  3.3 苯甲酰磺胺噻唑类变构抑制剂:苯甲酰磺胺噻唑类抑制剂是基于 PTP-1B 的结构设计得到的小分子抑制剂,其中化合物 f(图 1)的半数抑制浓度 IC50值为 3.2mol/L,并且具有显着的体内胰岛素增敏作用。利用计算机辅助设计软件研究化合物 f 分子与 PTP-1B 的结合模式发现,其分子中与 RL部分相连的苯环嵌入到由 Ala189、Leu192 和 Phe280 形成的疏水腔内;噻唑环与氨基酸残基 Phe280 形成疏水作用;酮羰基中的氧原子与Asn193 形成氢键作用;酰胺键中的氮原子与 Glu276 形成氢键作用。3.4 其他 PTP-1B 抑制剂:在对大量天然产物的研究中,人们还发现了很多具有 PTP-1B 抑制活性的结构,主要包括香草酸类衍生物、醌类衍生物等。虽然它们与 PTP-1B 的作用位点尚不完全明确,但对它们结构及其类似物的研究,为开发新型PTP-1B 抑制剂提供了更多的研究方向。

  4 小 结

  PTP-1B 作为新的药用靶点的研制是近年来生物学及创新药物研究的热点,对于该类抑制剂的研究大多处于实验室研究阶段,进入临床研究的较少,目前还没有该类抑制剂作为药物上市。限制其成药的主要原因首先是 PTP-1B 与 PTP 家族中其他的酶具有相同的催化中心,在抑制 PTP-1B 活性的同时提高其针对 PTP-1B 的选择性极其重要。另外,目前发现的很多高效、高选择性的小分子抑制剂,多带有容易电离的基团,导致其不易通过细胞膜,生物利用度难以达到药用要求。因此目前 PTP-1B抑制剂尚未上市销售。因此,开发具有抑制性、专一性,同时兼具良好药代动力学性质的小分子 PTP-1B 抑制剂将是今后研究的重点方向。随着对 PTP-1B 结构认识的不断深入,对其生理功能的进一步阐明,我们相信会有越来越多的 PTP-1B 抑制剂进入临床研究阶段,并从中筛选出成熟的新药上市,为 II 型糖尿病的治疗带来新的希望。

  参考文献
  
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