Введение
Белки млекопитающих, обнаруженные у Homo sapiens. Рецептор инсулина (IR) — это трансмембранный рецептор, который активируется инсулином, IGF I, IGF II и принадлежит к большому классу рецепторных тирозинкиназ. Метаболически рецептор инсулина играет ключевую роль в регуляции гомеостаза глюкозы — функционального процесса, который при дегенеративных состояниях может приводить к ряду клинических проявлений, включая диабет и рак. Сигнализация инсулина контролирует доступ к глюкозе в крови в клетках организма. При снижении уровня инсулина, особенно у людей с высокой чувствительностью к инсулину, клетки организма начинают получать доступ только к липидам, не требующим транспорта через мембрану. Таким образом, инсулин является ключевым регулятором метаболизма жиров. Биохимически рецептор инсулина кодируется одним геном, из которого в результате альтернативного сплайсинга во время транскрипции образуются изоформы IR A или IR B. Последующие посттрансляционные события для любой из изоформ приводят к образованию протеолитически расщепленных α и β субъединиц, которые при объединении способны к гомо- или гетеродимеризации с образованием трансмембранного инсулинового рецептора, связанного дисульфидными связями, массой около 320 кДа. Каждый изомерный мономер структурно организован в 8 отдельных доменов, состоящих из: домена, богатого лейцином (L1, остатки 1–157), региона, богатого цистеином (CR, остатки 158–310), дополнительного домена, богатого лейцином (L2, остатки 311–470), трех доменов фибронектина типа III: FnIII 1 (остатки 471–595), FnIII 2 (остатки 596–808) и FnIII 3 (остатки 809–906). Кроме того, в FnIII 2 находится вставочный домен (ID, остатки 638–756), содержащий сайт расщепления фурином α/β, протеолиз в котором приводит к образованию доменов IDα и IDβ. В β-цепи, ниже по течению от домена FnIII 3, расположен трансмембранный α-спираль (TH) и внутриклеточный юкстамембранный (JM) регион, непосредственно выше по течению от внутриклеточного каталитического домена тирозинкиназы (TK), ответственного за последующие внутриклеточные сигнальные пути. После расщепления мономера на соответствующие α и β цепи, гетеро- или гомодимеризация рецептора поддерживается ковалентно между цепями одной дисульфидной связью и между мономерами в димере двумя дисульфидными связями, исходящими из каждой α-цепи. Общая трехмерная структура эктодомена, имеющая четыре сайта связывания лигандов, напоминает перевернутую букву «V», при этом каждый мономер повернут примерно в два раза вокруг оси, идущей параллельно перевернутой «V», а домены L2 и FnIII 1 от каждого мономера образуют вершину перевернутой «V».
The insulin receptor (IR) is a transmembrane receptor that is activated by insulin, IGF I, IGF II and belongs to the large class of receptor tyrosine kinase. Metabolically, the insulin receptor plays a key role in the regulation of glucose homeostasis; a functional process that under degenerate conditions may result in a range of clinical manifestations including diabetes and cancer. Insulin signalling controls access to blood glucose in body cells. When insulin falls, especially in those with high insulin sensitivity, body cells begin only to have access to lipids that do not require transport across the membrane. So, in this way, insulin is the key regulator of fat metabolism as well. Biochemically, the insulin receptor is encoded by a single gene , from which alternate splicing during transcription results in either IR A or IR B isoforms. Downstream post translational events of either isoform result in the formation of a proteolytically cleaved α and β subunit, which upon combination are ultimately capable of homo or hetero dimerisation to produce the ≈320 kDa disulfide linked transmembrane insulin receptor. Each isometric monomer is structurally organized into 8 distinct domains consists of; a leucine rich repeat domain (L1, residues 1–157), a cysteine rich region (CR, residues 158–310), an additional leucine rich repeat domain (L2, residues 311–470), three fibronectin type III domains; FnIII 1 (residues 471–595), FnIII 2 (residues 596–808) and FnIII 3 (residues 809–906). Additionally, an insert domain (ID, residues 638–756) resides within FnIII 2, containing the α/β furin cleavage site, from which proteolysis results in both IDα and IDβ domains. Within the β chain, downstream of the FnIII 3 domain lies a transmembrane helix (TH) and intracellular juxtamembrane (JM) region, just upstream of the intracellular tyrosine kinase (TK) catalytic domain, responsible for subsequent intracellular signaling pathways. Upon cleavage of the monomer to its respective α and β chains, receptor hetero or homo dimerisation is maintained covalently between chains by a single disulphide link and between monomers in the dimer by two disulphide links extending from each α chain. The overall 3D ectodomain structure, possessing four ligand binding sites, resembles an inverted 'V', with the each monomer rotated approximately 2 fold about an axis running parallel to the inverted 'V' and L2 and FnIII 1 domains from each monomer forming the inverted 'V's apex.
Связывание лигандов
Эндогенными лигандами инсулинового рецептора являются инсулин, IGF I и IGF II. С помощью криоэлектронной микроскопии были получены структурные данные о конформационных изменениях при связывании инсулина. Связывание лиганда с α-субъединицами димерного эктодомена инсулинового рецептора приводит к переходу от инвертированной V-образной формы к Т-образной конформации, и это изменение структурно передается на трансмембранные домены, которые сближаются, что в конечном итоге приводит к аутофосфорилированию различных тирозиновых остатков во внутриклеточном TK-домене β-субъединицы. Строго говоря, взаимосвязь между инсулиновым рецептором и лигандом демонстрирует сложные аллостерические свойства. Это было показано с использованием графиков Скетчарда, которые выявили, что измерение отношения концентрации связанного лиганда к несвязанному лиганду не имеет линейной зависимости от изменения концентрации связанного лиганда, что указывает на кооперативный характер связывания инсулинового рецептора и его лиганда. Более того, наблюдение того, что скорость диссоциации лиганда от инсулинового рецептора ускоряется при добавлении несвязанного лиганда, предполагает, что характер этой кооперации является отрицательным; иными словами, начальное связывание лиганда с инсулиновым рецептором ингибирует дальнейшее связывание с его вторым активным центром, что является проявлением аллостерического ингибирования.
Путь передачи сигнала
Инсулиновый рецептор является типом тирозинкиназного рецептора, в котором связывание агонистического лиганда запускает аутофосфорилирование тирозиновых остатков, при этом каждая субъединица фосфорилирует свою партнерскую субъединицу. Добавление фосфатных групп формирует место связывания для субстрата инсулинового рецептора (IRS 1), который впоследствии активируется посредством фосфорилирования. Активированный IRS 1 инициирует путь передачи сигнала и связывается с фосфоинозитид-3-киназой (PI3K), что, в свою очередь, вызывает её активацию. Это катализирует превращение фосфатидилинозитол-4,5-бисфосфата в фосфатидилинозитол-3,4,5-трисфосфат (PIP3). PIP3 действует как вторичный посредник и индуцирует активацию фосфатидилинозитол-зависимой протеинкиназы, которая затем активирует несколько других киназ, наиболее заметно – протеинкиназу B (PKB, также известную как Akt). PKB запускает транслокацию везикул, содержащих переносчик глюкозы (GLUT4), к клеточной мембране посредством активации SNARE-белков, что облегчает диффузию глюкозы в клетку. PKB также фосфорилирует и ингибирует гликогенсинтазкиназу, являющуюся ферментом, ингибирующим гликогенсинтазу. Таким образом, PKB запускает процесс гликогенеза, который в конечном итоге снижает концентрацию глюкозы в крови.
Регулирование экспрессии генов
Активированный IRS 1 действует как вторичный посредник внутри клетки, стимулируя транскрипцию генов, регулируемых инсулином. Сначала белок Grb2 связывается с P Tyr остатком IRS 1 посредством своего SH2 домена. Затем Grb2 способен связывать SOS, который, в свою очередь, катализирует замену связанного GDP на GTP у Ras, G-белка. Этот белок затем запускает каскад фосфорилирования, завершающийся активацией митоген-активированной протеинкиназы (MAPK), которая проникает в ядро и фосфорилирует различные ядерные факторы транскрипции (например, Elk1).
Стимуляция синтеза гликогена
Синтез гликогена также стимулируется инсулиновым рецептором через IRS 1. В этом случае SH2 домен PI 3-киназы (PI 3K) связывается с P Tyr IRS 1. Активированный PI 3K преобразует мембранный липид фосфатидилинозитол 4,5-бисфосфат (PIP2) в фосфатидилинозитол 3,4,5-трифосфат (PIP3). Это косвенно активирует протеинкиназу PKB (Akt) посредством фосфорилирования. Затем PKB фосфорилирует несколько белков-мишеней, включая гликогенсинтазокиназу 3 (GSK 3). GSK 3 отвечает за фосфорилирование (и, следовательно, инактивацию) гликогенсинтазы. Когда GSK 3 фосфорилируется, он инактивируется и не может инактивировать гликогенсинтазу. Таким образом, инсулин повышает синтез гликогена.
Деградация инсулина
После того, как молекула инсулина связалась с рецептором и оказала свое действие, она может быть возвращена во внеклеточное пространство или разрушена клеткой. Разрушение обычно включает эндоцитоз инсулинорецепторного комплекса с последующим действием инсулиноразрушающего фермента. Большинство молекул инсулина разрушается клетками печени. По оценкам, типичная молекула инсулина окончательно разрушается примерно через 71 минуту после ее первоначального поступления в кровоток.
Иммунная система
Помимо метаболической функции, рецепторы инсулина также экспрессируются на иммунных клетках, таких как макрофаги, B-клетки и T-клетки. На T-клетках экспрессия инсулиновых рецепторов не обнаруживается в состоянии покоя, но повышается при активации Т-клеточного рецептора (ТЦР). Фактически, было показано, что экзогенно вводимый инсулин стимулирует пролиферацию T-клеток in vitro в экспериментах на животных. Сигнализация инсулиновых рецепторов играет важную роль в максимизации потенциального эффекта T-клеток при острой инфекции и воспалении.
Патология
Основная функция активации инсулинового рецептора – индукция захвата глюкозы. По этой причине "инсулинорезистентность", или снижение передачи сигнала инсулиновым рецептором, приводит к сахарному диабету 2 типа – клетки не способны захватывать глюкозу, что вызывает гипергликемию (повышение уровня глюкозы в крови) и все вытекающие из этого последствия диабета. У пациентов с инсулинорезистентностью может наблюдаться нигрикантный акантоз. Описаны единичные случаи пациентов с гомозиготными мутациями в гене *INSR*, вызывающими синдром Донохью или лепрехонизм. Это аутосомно-рецессивное заболевание приводит к полному отсутствию функции инсулинового рецептора. У этих пациентов отмечаются низко посаженные, часто выступающие уши, расширенные ноздри, утолщенные губы и выраженная задержка роста. В большинстве случаев прогноз для этих пациентов крайне неблагоприятный, и смерть наступает в течение первого года жизни. Другие мутации того же гена вызывают менее тяжелый синдром Рэбсона-Менденхолла, при котором у пациентов характерны аномалии развития зубов, гипертрофия десен и увеличение шишковидной железы. Оба заболевания проявляются колебаниями уровня глюкозы: после приема пищи глюкоза сначала резко повышается, а затем быстро падает до аномально низких значений. Другие генетические мутации гена инсулинового рецептора могут вызывать тяжелую инсулинорезистентность.