Chromas ir insulino signalo kaskada: IRS-1, PI3K, Akt/PKB mechanizmai
Insulino signalo kaskada – tai sudėtinga tarpusavyje susijusių molekulinių signalų grandinė, kuri nuo insulino prisijungimo prie receptoriaus veda iki gliukozės transporto ir metabolizmo ląstelėje. Trys pagrindiniai šios kaskados elementai – IRS-1, PI3K ir Akt/PKB – yra ypač svarbūs gliukozės apykaitai. Chromas, per chromodulino mechanizmą stiprindamas pirmą signalizacijos žingsnį, prisideda prie viso šio kelio efektyvumo palaikymo.
IRS-1: pirmasis signalo taškas žemiau insulino receptoriaus
Insulino receptoriaus substratas-1 (IRS-1) yra didelis adapterio baltymas (~131 kDa), turintis daug tirozino fosforilinimo vietų, kurios tampa dokinimo platformomis kitiems signalizacijos baltymams. Kai insulino receptoriaus tirosinkinazė yra aktyvuota, ji fosforilinasi IRS-1 keliuose specifiniuose tirosinų liekanose (Y612, Y632, Y662, Y941 ir kt.). Fosforilinuotos tirozinų liekanos sukuria prisijungimo vietas SH2 domeną turintiems baltymams – svarbiausia PI3K (fosfatidilinozitol-3-kinazė). IRS-1 galima laikyti signalizacijos mazgu arba paskirstymo centru – per jį insulino signalas pasiskirsto į kelis lygiagrečius kelius, reguliuojančius ne tik gliukozės transportą, bet ir baltymų sintezę, ląstelių augimą, išgyvenimą ir glikogeno sintezę. IRS-1 aktyvumas yra grįžtamai reguliuojamas: tirosinų fosforilinimas jį aktyvuoja, tuo tarpu serinų fosforilinimas (kuriame dalyvauja IKK-β, JNK, mTOR, PKC-theta) jį slopina ir yra vienas pagrindinių insulino rezistencijos mechanizmų. Lėtinis uždegimas, riebalų rūgščių perteklius ir nutukimas padidina serinų fosforilinimą IRS-1, taip blokuodami normalų insulino signalo perdavimą. Chromo vaidmuo šiame kontekste: stipresnis insulino receptoriaus tirosinkinazės signalas (per LMWCr) gali sukurti stipresnį tirosinų fosforilinimą IRS-1, kuris iš dalies kompensuoja inhibicinį serino fosforilinimą. Šis kompensacinis mechanizmas galėtų paaiškinti, kodėl chromo papildai gali prisidėti prie insulino jautrumo palaikymo esant metaboliniam stresui.
PI3K: lipido kinazė, jungianti IRS-1 su Akt
Fosfatidilinozitol-3-kinazė (PI3K) yra heterodimeras, sudarytas iš katalitinio p110 subvieneto ir reguliacinio p85 subvieneto. P85 subvienetas turi du SH2 domenus, kurie specifiškai atpažįsta fosforilinuotus tirosinius IRS-1. Kai IRS-1 yra fosforilintas insulino receptoriaus tirosinkinazės, p85 SH2 domenai prisijungia prie fosforilintuojo IRS-1, tuo pačiu aktyvindami p110 katalitinį subvienetą. Aktyvuota PI3K katalizuoja reakciją, kurioje fosfoinozitidas PIP2 (fosfatidilinozitol-4,5-bisfosfatas) prie plazminės membranos 3 pozicijoje fosforilinamas į PIP3 (fosfatidilinozitol-3,4,5-trisfosfatą). PIP3 yra antrinis pasiuntinys – jis nesijudina po ląstelę kaip tirpus signalas, bet išlieka membranoje, kur veikia kaip doko vieta PH (pleckstrino homologijos) domeną turintiems baltymams. Du svarbiausi tokie baltymai yra PDK1 (3-fosfoinozitidų priklausoma kinazė-1) ir Akt. Abi šios kinazės turi PH domenus ir per juos pritraukiamos prie membranos, kur PIP3 yra sukoncentruotas, kai PI3K yra aktyvi. PI3K aktyvumas yra neigiamai reguliuojamas PTEN fosfataze, kuri konvertuoja PIP3 atgal į PIP2. Padidėjęs PTEN aktyvumas (aptinkamas kai kurių insulino rezistencijos formų atveju) mažina PIP3 kaupimąsi ir silpnina signalą. Kadangi PI3K aktyvumą lemia IRS-1 fosforilinimo stiprumas, o IRS-1 fosforilinimas – insulino receptoriaus tirosinkinazės aktyvumas, chromo potenciavimo poveikis pirmajame žingsnyje turi kaskados efektą visame kelyje iki PI3K.
Akt/PKB: centrinis signalo integravimo taškas
Akt (dar vadinamas PKB – proteinkinaze B) yra serinų/treoninų kinazė, kuri yra galbūt svarbiausia molekulė insulino signalizacijos kaskadoje. Žinduolių genomuose yra trys Akt izoformos: Akt1, Akt2 ir Akt3. Akt2 yra dominuojanti izoforma skeleto raumenyse ir kepenėse, svarbiausiausiuose insulino tiksliniuose audiniuose gliukozės apykaitai. Akt aktyvacija reikalauja dviejų fosforilinimų: T308 aktyvacijos kilpoje (atliekamas PDK1) ir S473 hidrofobiniame motyve (atliekamas mTORC2 komplekso). Abu fosforilinimai yra priklausomi nuo PIP3 buvimo membranoje, kuris pritraukia ir PDK1, ir Akt prie membranos. Pilnai aktyvuotas Akt fosforilinasi daugelį substratų: GSK-3α/β (glikogeno sintazės kinazė) – inaktyvacija leidžia glikogeno sintazei likti aktyviai ir skatina glikogeno susidarymą. AS160 (TBC1D4) – inaktyvacija skatina GLUT4 translokaciją. FOXO transkripcijos faktoriai – fosforilinimas ir branduolio išstūmimas sumažina gliukoneogenezės genų ekspresiją kepenyse. TSC2 – inaktyvacija aktyvina mTOR ir skatina baltymų sintezę. BAD – fosforilinimas slopina apoptozę. mTORC1 – aktyvacija skatina baltymų sintezę per S6K1 ir 4EBP1. Akt, taigi, yra centrinis metabolizmo, augimo ir išgyvenimo signalo koordinatorius. Chromo vaidmuo per LMWCr mechanizmą – stiprinant signalo pradžią – turi potencialą paveikti visus šiuos Akt žemiau esančius procesus: geresnę glikogeno sintezę, efektyvesnę GLUT4 translokaciją, sumažintą kepenų gliukoneogenezę.
Chromo poveikio kaskadoje moksliniai duomenys
Keletas tyrimų tiesiogiai nagrinėjo chromo poveikį IRS-1, PI3K ir Akt aktyvumui. Wang ir Cefalu (2004) tyrimas su 3T3-L1 adipocitais (riebalinio audinio ląstelėmis) parodė, kad chromo pikolinatas padidino insulino stimuliuotą Akt fosforilinimą ir GLUT4 translokaciją. Tai rodo, kad chromo poveikis pasiekia bent Akt lygmenį signalizacijos kaskadoje. Cefalu ir kt. (2002) tyrimas su Zucker riebomis žiurkėmis parodė, kad chromo pikolinato papildymas pagerino insulino receptoriaus tirosinkinazės aktyvumą ir susijusią gliukozės utilizaciją. Anderson ir kt. (1997) atliktas klinikinis tyrimas su 180 diabetu sergančiais žmonėmis 2 metus rodė reikšmingą insulino lygio ir gliukozės sumažėjimą, kuris yra suderinamas su pagerėjusiu Akt priklausomu insulino signalu kepenų gliukoneogenezės reguliavimui. Svarbu vertinti šiuos duomenis kritiškai: ląstelių tyrimai suteikia mechanistinę įžvalgą, bet gali nevisiškai atspindėti in vivo situaciją. Gyvūnų modeliai yra labiau reprezentatyvūs, bet žmonių fiziologiniams procesams taikomi su išlygomis. Klinikiniai tyrimai su žmonėmis matuoja galutinius rezultatus (gliukozę, insuliną), bet ne tarpiniai signalizacijos molekules. Nepaisant šių apribojimų, turimi duomenys sukuria nuoseklų mechanistinį paveikslą: chromas per LMWCr stiprina insulino receptoriaus signalą, o šis sustiprintas signalas kaskadiškai paveikia IRS-1, PI3K ir Akt aktyvumą.
Insulino rezistencija per IRS-1/PI3K/Akt kaskados prizmę
Insulino rezistencija – tai ne viena liga, o heterogeniškas sindromas, kuriame signalo kaskada gali būti pažeista keliuose taškuose. Supratus IRS-1/PI3K/Akt kelio svarbą, galima geriau vertinti chromo vaidmenį. IRS-1 lygmenyje pažeidimas: padidėjęs IRS-1 serinų fosforilinimas (S307, S612) blokuoja normalų tirosinų fosforilinimą ir PI3K prisijungimą. Šį pažeidimą sukelia: TNF-α per JNK kinazę, laisvos riebalų rūgštys per PKC-theta, mTOR/S6K1 grįžtamojo ryšio kilpa. PI3K lygmenyje pažeidimas: padidėjęs PTEN aktyvumas mažina PIP3 kaupimąsi. Akt lygmenyje pažeidimas: padidėjęs PP2A fosfatazės aktyvumas mažina Akt fosforilinimą. Kiekvienas šių pažeidimų silpnina galutinį GLUT4 translokacijos efektą. Chromo pikolinatas, potencuodamas insulino receptoriaus tirosinkinazę per LMWCr, veikia ankstyvame etape – aukščiau visų šių pažeidimų. Teoriškai, stipresnis pradinis signalas gali padėti 'pramušti' dalį inhibicinių mechanizmų žemiau. Tai nėra absoliutas problemos sprendimas, bet gali prisidėti prie geresnės insulino signalizacijos net esant iš dalies susilpnėjusiam keliui. Ši logika atsispindi kelių klinikninių tyrimų rezultatuose, kuriuose chromo papildas pagerino insulino jautrumą (HOMA-IR sumažinimas) asmenims su metaboliniu sindromu ar prediabetu.