Инсулиновый рецептор

Инсулиновый рецептор (IR) (англ. insulin receptor) — трансмембранный рецептор, который активируется инсулином, IGF-I, IGF-II и принадлежит к большому классу тирозинкиназных рецепторов[1]. Инсулиновый рецептор играет ключевую роль в регуляции гомеостаза глюкозы, функционального процесса, который при дегенеративных условиях может привести к ряду клинических проявлений, в том числе диабету и раку[2][3]. Биохимически инсулиновый рецептор кодируется одним геном INSR, альтернативный сплайсинг которого в ходе транскрипции производит либо к IR-A-либо к IR-B-изоформам[4]. Последующие посттрансляционные события каждой изоформы приводят к формированию протеолитически расщеплённых α и β-субъединиц, которые при объединении, в конечном счете способны к димеризации с получением дисульфидно связанного трансмембранного инсулинового рецептора массой ≈ 320 кДа[4].

Инсулиновый рецептор
IR Ectodomain mod3LOH.png
Эктодомен инсулинового рецептора (PDB:3LOH)
Доступные структуры
PDB Поиск ортологов: PDBe, RCSB
Идентификаторы
СимволINSR ; CD220; HHF5
Внешние IDOMIM: 147670 MGI96575 HomoloGene20090 IUPHAR: ChEMBL: 1981 GeneCards: INSR Gene
номер EC2.7.10.1
Профиль экспрессии РНК
PBB GE INSR 213792 s at tn.png
Больше информации
Ортологи
ВидЧеловекМышь
Entrez364316337
EnsemblENSG00000171105ENSMUSG00000005534
UniProtP06213P15208
RefSeq (мРНК)NM_000208NM_010568
RefSeq (белок)NP_000199NP_034698
Локус (UCSC)Chr 19:
7.11 – 7.29 Mb
Chr 8:
3.15 – 3.28 Mb
Поиск в PubMed[1][2]

СтруктураПравить

Первоначально транскрипты альтернативных вариантов сплайсинга гена INSR транслируются с образованием одного из двух мономерных изомеров: IR-A, в котором вырезан экзон 11, и IR-B, в котором есть экзон 11. Включение экзона 11 приводит к добавлению 12 аминокислот выше фурина в сайте протеолитического расщепления.

 
Схема цветного кодирования инсулинового рецептора

При димеризации рецептора, после протеолитического расщепления α- и β-цепей, дополнительные 12 аминокислот остаются на С-конце α-цепи (обозначенной αCT), где они предположительно влияют на взаимодействия рецептора и лиганда[5].

Каждый изомерический мономер структурно разбит на 8 различных доменов; домен лейцин-обогащённых повторов (L1, остатки 1-157), регион, богатый цистеином (CR, остатки 158—310), дополнительный домен лейцин-обогащённых повторов (L2, остатки 311—470), три типа доменов фибронектина III; FnIII-1 (остатки 471—595), FnIII-2 (остатки 596—808) и FnIII-3 (остатки 809—906). Кроме того, вставной домен (ID, остатки 638—756), находящийся в пределах FnIII-2, содержащий сайт расщепления α/β фурина, протеолиз которого действуют как в IDα- так и IDβ-доменах. В β-цепи ниже области FnIII-3 находится трансмембранная спираль и внутриклеточная околомембранная область, непосредственно выше внутриклеточного каталитического тирозинкиназного домена, ответственного за активацию внутриклеточных сигнальных путей[6]. При расщеплении мономера на соответствующие α- и β-цепи рецептор гомо- или гетеродимеризуется через ковалентно дисульфидную связь, а между мономерами в димере образуется две дисульфидные связи, идущие от каждого α-цепи. Общая структура 3D эктодомена[en], обладает четырьмя сайтами связывания лиганда, напоминает перевернутую V. Каждый мономер поворачивается примерно 2 раза вокруг оси, проходящей параллельно перевернутой V, L2 и FnIII-1 доменам от каждого мономера, формирующего вершину перевернутой V[6][7].

Связывание лигандаПравить

Эндогенные лиганды инсулинового рецептора включают инсулин, IGF-I и IGF-II. Связывание лиганда с α-цепями эктодомена IR вызывает структурные изменения в рецепторе, ведущие к автофосфорилированию различных остатков тирозина во внутриклеточном домене TK в β-цепи. Эти изменения способствовуют рекрутированию определенных адаптерных белков[en], таких как белки субстрата инсулинового рецептора (IRS) в дополнение к SH2-B[en] (гомолог Src 2 — B), APS и протеинфосфатазы, таких как PTP1B[en], в конечном итоге, способствующих последующим процессам, связанным с гомеостазом глюкозы в крови[8].

 
Схема, изображающая возможные сайты связывания IR

Строго говоря, отношения между инсулиновым рецептором и лигандом показывают сложные аллостерические свойства. На это указывает график Скэтчарда[en] который показывает, что измеренное соотношение инсулинового рецептора, связанного с лигандом, относительно несвязанного лиганда не следует линейной зависимости относительно изменений концентрации инсулинового рецептора, связанного с лигандом, давая основание предположить, что инсулиновый рецептор и его лиганд взаимодействуют по механизму кооперативно связаны[en][9]. Кроме того, наблюдение, что скорость диссоциации IR-лиганда увеличивается при добавлении несвязанного лиганда предполагает, что природа этого сотрудничества отрицательна; иначе говоря, начальное связывание лиганда с IR ингибирует дополнительное связывание со своим вторым активным сайтом, демонстрируя аллостерическое ингибирование[9].

Хотя точный механизм связывания IR с его лигандом структурно ещё не выяснен, с точки зрения системной биологии, биологически значимое предсказание кинетики[en] IR-лиганд (инсулин/IGF-I) было определено в контексте доступной в настоящий момент структуры эктодомена IR[6][7].

Эти модели утверждают, что каждый мономер IR имеет 2 инсулиновых сайта связывания; Сайт 1, который связывается с «классической» поверхностью связывания инсулина: состоящей из L1 плюс αCT доменов и сайта 2, состоящий из петель на стыке FnIII-1 и FnIII-2, по прогнозам, связывающихся с «новым» гексамерным лицом сайта связывания инсулина[1]. Так как каждый мономер предоставляет IR эктодомену представление 3D «зеркальной» взаимодополняемости, N-терминальный сайт 1 из одного мономера, в конечном счете сталкивается с C-терминальным сайтом 2 второго мономера, что также верно для каждого зеркального дополнения мономеров (противоположная сторона структуры эктодомена). Текущая литература отличает сайты связывания дополнений, назначив на сайте 1 и 2 мономерные сайты дополнений, как 3 и 4 или как сайт 1' и 2' соответственно[1][10].

Таким образом, эти модели утверждают, что каждый IR может связываться с молекулой инсулина (который имеет две связывающих поверхности) в 4 местах, посредством сайтов 1, 2, (3/1') или (4/2'). Поскольку каждый сайт 1 проксимально сталкивается с сайтом 2, по прогнозам, произойдет связывания инсулина конкретным сайтом, «сшивание»[en] с помощью лиганда между мономерами, (то есть [мономер 1 Сайт 1 — Инсулин — мономер 2 сайт (4/2')] или [мономер 1 сайт 2 — Инсулин — мономер 2-сайт (3/1')]). В соответствии с действующим математическим моделированием IR-инсулиновой кинетики, есть два важных последствия для событий сшивания инсулина; 1. в вышеупомянутом наблюдении отрицательное взаимодействие IR и его лиганда, после связывания лиганда с IR снижается и 2. физическое воздействие приводит к сшиванию эктодомена в такой конформации, которая необходима для наступления событий внутриклеточного фосфорилирования тирозина (то есть эти события служат требованием к активации рецептора с последующим поддержанием гомеостаза глюкозы в крови)[8].

Биологическое значениеПравить

Рецепторы тирозинкиназы, в том числе инсулиновый рецептор, опосредуют свою активность, вызывая добавление фосфатной группы к конкретным тирозинам в клетках определенных белков. В «подложке» белки, которые фосфорилируются инсулиновым рецептором включает белок, называемый «IRS-1» для «инсулинового рецептора подложки 1». Связывания и фосфорилирования IRS-1 в конечном итоге приводит к увеличению высокого сродства молекул транспортёра глюкозы (GLUT4) на внешней мембране инсулиночувствительных тканей, в том числе мышечных клеток и жировой ткани, и, следовательно, к увеличению поглощения глюкозы из крови в этих тканях. Другими словами, глюкозный транспортёр GLUT4 транспортируется из клеточных везикул к клеточной поверхности, где он затем может опосредовать транспорт глюкозы в клетку.

 
Влияние инсулина на поглощение и метаболизм глюкозы. Инсулин связывается со своим рецептором (1), который, в свою очередь, запускает несколько каскадов активации протеина (2). К ним относятся: транслокации транспортёра GLUT4 к плазматической мембране и приток глюкозы (3), синтез гликогена (4), гликолиз (5), синтез жирных кислот (6).

ПатологияПравить

Основная деятельность активации инсулинового рецептора — индуцировать поглощение глюкозы. По этой причине «нечувствительность инсулина», или снижение сигнализации инсулинового рецептора, приводит к сахарному диабету 2 типа — клетки неспособны принять глюкозу и в результате — гипергликемия (повышение циркуляции глюкозы) и все последствия диабета.

Пациенты с инсулинорезистентностью могут иметь признаки чёрного акантоза.

Несколько пациентов с гомозиготной мутацией гена INSR были описаны, как получившие синдром Донохью[en]. Это аутосомно-рецессивные нарушения делают совершенно нефункциональными инсулиновые рецепторы. Эти пациенты имеют низкорасположенные, часто выпуклые, уши, ноздри, утолщенные губы и сильную задержку роста. В большинстве случаев, прогноз для этих пациентов является крайне бедным, смертельный исход случается в течение первого года жизни. Другие мутации того же гена вызывают менее тяжелый синдром Робсона-Менденхолла[en], при которых пациенты имеют характерно аномальные зубы, гипертрофированные дёсны и расширение шишковидной железы. Оба заболевания представляют флуктацию уровня глюкозы: после приема пищи глюкоза изначально очень высока, а затем резко падает до аномально низких уровней[11].

Регуляция экспрессии геновПравить

Активированные IRS-1 действуют в качестве вторичного мессенджера в клетке, чтобы стимулировать транскрипцию инсулинорегулируемых генов. Во-первых, белок Grb2 связывает Р-Tyr остаток IRS-1 в его домене SH2[en]. Grb2 становится в состоянии связать SOS, который в свою очередь катализирует замену связанного GDP с GTP в Ras, G-белка. Этот белок затем начинает каскад фосфорилирования, что приводит к активации митогеноактивируемой протеинкиназы (МАРК), которая входит в ядро и фосфорилирует различные факторы ядерной транскрипции (например, Elk1).

Стимуляция синтеза гликогенаПравить

Синтез гликогена также стимулируется инсулиновым рецептором с помощью IRS-1. В этом случае это SH2-домен[en] из киназы PI-3 (PI-3K[en]), который связывает P-Tyr из IRS-1. Теперь активации PI-3K может конвертировать мембранные липидные фосфатидилинозитол 4,5-бисфосфата[en] (PIP2) до фосфатидилинозит 3,4,5-трифосфата[en] (PIP3). Это косвенно активирует протеинкиназу PKB (Akt) с помощью фосфорилирования. РКВ затем фосфорилирует несколько целевых белков, в том числе киназу гликогенсинтазы 3[en] (GSK-3). GSK-3 несёт ответственность за фосфорилирование (и, следовательно, деактивацию) гликогенсинтазы. Когда GSK-3 фосфорилируется, он отключается, и предотвращается деактивации гликогенсинтазы. Этим окольным путём инсулин увеличивает синтез гликогена.

Деградация инсулинаПравить

После того как молекула инсулина стыкуется с рецептором и активирует его, она может быть выпущена обратно во внеклеточную среду, или может быть деградирована в клетке. Деградация обычно включает эндоцитоз инсулино-рецепторного комплекса с последующим действием фермента, разрушающего инсулин. Большинство молекул инсулина деградируют в клетках печени. Было подсчитано, что типичная молекула инсулина деградирует приблизительно через 71 минуту после первоначального выпуска в кровоток[12].

ВзаимодействияПравить

Инсулиновый рецептор, как было выявлено, взаимодействует с ENPP1[13], PTPN11[14][15], GRB10[16][17][18][19][20], GRB7[21], PRKCD[22][23], IRS1[24][25], SH2B1[26][27] и MAD2L1[28].

ПримечанияПравить

  1. 1 2 3 Ward C.W., Lawrence M.C. Ligand-induced activation of the insulin receptor: a multi-step process involving structural changes in both the ligand and the receptor (англ.) // BioEssays (англ.) : journal. — 2009. — April (vol. 31, no. 4). — P. 422—434. — doi:10.1002/bies.200800210. — PMID 19274663.
  2. Ebina Y., Ellis L. The human insulin receptor cDNA: the structural basis for hormone-activated transmembrane signalling. (англ.) // Cell : journal. — Cell Press (англ.), 1985. — April (vol. 40, no. 4). — P. 747—758. — doi:10.1016/0092-8674(85)90334-4. — PMID 2859121.
  3. Malaguarnera R., Belfiore A. Proinsulin Binds with High Affinity the Insulin Receptor Isoform A and Predominantly Activates the Mitogenic Pathway. (англ.) // Endocrinology. : journal. — 2012. — February (vol. Epub, no. 5). — P. 2152—2163. — doi:10.1210/en.2011-1843. — PMID 22355074.
  4. 1 2 Belfiore A., Frasca F. Insulin receptor isoforms and insulin receptor/insulin-like growth factor receptor hybrids in physiology and disease. (англ.) // Endocrine Reviews (англ.) : journal. — Endocrine Society (англ.), 2009. — October (vol. 30, no. 6). — P. 586—623. — doi:10.1210/er.2008-0047. — PMID 19752219.
  5. Knudsen L., De Meyts P., Kiselyov VV. Insight into the molecular basis for the kinetic differences between the two insulin receptor isoforms. (англ.) // Biochemical Journal (англ.) : journal. — 2012. — February (vol. 440, no. 3). — P. 397—403. — doi:10.1042/BJ20110550. — PMID 21838706.
  6. 1 2 3 Smith B.J., Huang K. Structural resolution of a tandem hormone-binding element in the insulin receptor and its implications for design of peptide agonists. (англ.) // Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America : journal. — 2010. — April (vol. 107, no. 15). — P. 6771—6776. — doi:10.1073/pnas.1001813107. — Bibcode2010PNAS..107.6771S. — PMID 20348418.
  7. 1 2 McKern N.M., Lawrence M.C., Ward CW et al. Structure of the insulin receptor ectodomain reveals a folded-over conformation. (англ.) // Nature : journal. — 2006. — September (vol. 7108, no. 443). — P. 218—221. — doi:10.1038/nature05106. — Bibcode2006Natur.443..218M. — PMID 16957736.
  8. 1 2 Kiselyov V.V., Versteyhe S., Gauguin L., De Meyts P. Harmonic oscillator model of the insulin and IGF1 receptors' allosteric binding and activation. (англ.) // Mol Syst Biol. : journal. — 2009. — February (vol. 253, no. 5). — doi:10.1038/msb.2008.78. — PMID 19225456.
  9. 1 2 de Meyts P., Roth J., Neville DM Jr, Gavin JR 3rd, Lesniak M.A. Insulin interactions with its receptors: experimental evidence for negative cooperativity. (англ.) // Biochemical and Biophysical Research Communications (англ.) : journal. — 1973. — November (vol. 55, no. 1). — P. 154—161. — doi:10.1016/S0006-291X(73)80072-5. — PMID 4361269.
  10. Kiselyov V.V., Versteyhe S., Gauguin L., De Meyts P. Harmonic oscillator model of the insulin and IGF1 receptors' allosteric binding and activation. (англ.) // Mol Syst Biol. : journal. — 2009. — February (vol. 253, no. 5). — doi:10.1038/msb.2008.78. — PMID 19225456.
  11. Longo N., Wang Y., Smith S.A., Langley S.D., DiMeglio L.A., Giannella-Neto D. Genotype-phenotype correlation in inherited severe insulin resistance (англ.) // Human Molecular Genetics (англ.) : journal. — Oxford University Press, 2002. — Vol. 11, no. 12. — P. 1465—1475. — doi:10.1093/hmg/11.12.1465. — PMID 12023989.
  12. Duckworth W.C., Bennett R.G., Hamel F.G. Insulin degradation: progress and potential (англ.) // Endocrine Reviews (англ.). — Endocrine Society (англ.), 1998. — Vol. 19, no. 5. — P. 608—624. — doi:10.1210/er.19.5.608. — PMID 9793760.
  13. Maddux, B A; Goldfine I D. Membrane glycoprotein PC-1 inhibition of insulin receptor function occurs via direct interaction with the receptor alpha-subunit (англ.) // Diabetes : journal. — UNITED STATES, 2000. — January (vol. 49, no. 1). — P. 13—9. — ISSN 0012-1797. — doi:10.2337/diabetes.49.1.13. — PMID 10615944.
  14. Maegawa, H; Ugi S; Adachi M; Hinoda Y; Kikkawa R; Yachi A; Shigeta Y; Kashiwagi A. Insulin receptor kinase phosphorylates protein tyrosine phosphatase containing Src homology 2 regions and modulates its PTPase activity in vitro (англ.) // Biochemical and Biophysical Research Communications (англ.) : journal. — UNITED STATES, 1994. — March (vol. 199, no. 2). — P. 780—785. — ISSN 0006-291X. — doi:10.1006/bbrc.1994.1297. — PMID 8135823.
  15. Kharitonenkov, A; Schnekenburger J; Chen Z; Knyazev P; Ali S; Zwick E; White M; Ullrich A. Adapter function of protein-tyrosine phosphatase 1D in insulin receptor/insulin receptor substrate-1 interaction (англ.) // Journal of Biological Chemistry : journal. — UNITED STATES, 1995. — December (vol. 270, no. 49). — P. 29189—29193. — ISSN 0021-9258. — doi:10.1074/jbc.270.49.29189. — PMID 7493946.
  16. Langlais, P; Dong L Q; Hu D; Liu F. Identification of Grb10 as a direct substrate for members of the Src tyrosine kinase family (англ.) // Oncogene (англ.) : journal. — ENGLAND, 2000. — June (vol. 19, no. 25). — P. 2895—2903. — ISSN 0950-9232. — doi:10.1038/sj.onc.1203616. — PMID 10871840.
  17. Hansen, H; Svensson U; Zhu J; Laviola L; Giorgino F; Wolf G; Smith R J; Riedel H. Interaction between the Grb10 SH2 domain and the insulin receptor carboxyl terminus (англ.) // Journal of Biological Chemistry : journal. — UNITED STATES, 1996. — April (vol. 271, no. 15). — P. 8882—8886. — ISSN 0021-9258. — doi:10.1074/jbc.271.15.8882. — PMID 8621530.
  18. Liu, F; Roth R A. Grb-IR: a SH2-domain-containing protein that binds to the insulin receptor and inhibits its function (англ.) // Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America : journal. — UNITED STATES, 1995. — October (vol. 92, no. 22). — P. 10287—10291. — ISSN 0027-8424. — doi:10.1073/pnas.92.22.10287. — Bibcode1995PNAS...9210287L. — PMID 7479769.
  19. He, W; Rose D W; Olefsky J M; Gustafson T A. Grb10 interacts differentially with the insulin receptor, insulin-like growth factor I receptor, and epidermal growth factor receptor via the Grb10 Src homology 2 (SH2) domain and a second novel domain located between the pleckstrin homology and SH2 domains (англ.) // Journal of Biological Chemistry : journal. — UNITED STATES, 1998. — March (vol. 273, no. 12). — P. 6860—6867. — ISSN 0021-9258. — doi:10.1074/jbc.273.12.6860. — PMID 9506989.
  20. Frantz, J D; Giorgetti-Peraldi S; Ottinger E A; Shoelson S E. Human GRB-IRbeta/GRB10. Splice variants of an insulin and growth factor receptor-binding protein with PH and SH2 domains (англ.) // Journal of Biological Chemistry : journal. — UNITED STATES, 1997. — January (vol. 272, no. 5). — P. 2659—2667. — ISSN 0021-9258. — doi:10.1074/jbc.272.5.2659. — PMID 9006901.
  21. Kasus-Jacobi, A; Béréziat V; Perdereau D; Girard J; Burnol A F. Evidence for an interaction between the insulin receptor and Grb7. A role for two of its binding domains, PIR and SH2 (англ.) // Oncogene (англ.) : journal. — ENGLAND, 2000. — April (vol. 19, no. 16). — P. 2052—2059. — ISSN 0950-9232. — doi:10.1038/sj.onc.1203469. — PMID 10803466.
  22. Braiman, L; Alt A; Kuroki T; Ohba M; Bak A; Tennenbaum T; Sampson S R. Insulin induces specific interaction between insulin receptor and protein kinase C delta in primary cultured skeletal muscle (англ.) // Molecular Endocrinology (англ.) : journal. — United States, 2001. — April (vol. 15, no. 4). — P. 565—574. — ISSN 0888-8809. — doi:10.1210/mend.15.4.0612. — PMID 11266508.
  23. Rosenzweig, Tovit; Braiman Liora; Bak Asia; Alt Addy; Kuroki Toshio; Sampson Sanford R. Differential effects of tumor necrosis factor-alpha on protein kinase C isoforms alpha and delta mediate inhibition of insulin receptor signaling (англ.) // Diabetes : journal. — United States, 2002. — June (vol. 51, no. 6). — P. 1921—1930. — ISSN 0012-1797. — doi:10.2337/diabetes.51.6.1921. — PMID 12031982.
  24. Aguirre, Vincent; Werner Eric D; Giraud Jodel; Lee Yong Hee; Shoelson Steve E; White Morris F. Phosphorylation of Ser307 in insulin receptor substrate-1 blocks interactions with the insulin receptor and inhibits insulin action (англ.) // Journal of Biological Chemistry : journal. — United States, 2002. — January (vol. 277, no. 2). — P. 1531—1537. — ISSN 0021-9258. — doi:10.1074/jbc.M101521200. — PMID 11606564.
  25. Sawka-Verhelle, D; Tartare-Deckert S., White M F., Van Obberghen E. Insulin receptor substrate-2 binds to the insulin receptor through its phosphotyrosine-binding domain and through a newly identified domain comprising amino acids 591–786 (англ.) // Journal of Biological Chemistry : journal. — UNITED STATES, 1996. — March (vol. 271, no. 11). — P. 5980—5983. — ISSN 0021-9258. — doi:10.1074/jbc.271.11.5980. — PMID 8626379.
  26. Kotani, K; Wilden P; Pillay T S. SH2-Balpha is an insulin-receptor adapter protein and substrate that interacts with the activation loop of the insulin-receptor kinase (англ.) // Biochemical Journal (англ.) : journal. — ENGLAND, 1998. — October (vol. 335, no. 1). — P. 103—109. — ISSN 0264-6021. — PMID 9742218.
  27. Nelms, K; O'Neill T J; Li S; Hubbard S R; Gustafson T A; Paul W E. Alternative splicing, gene localization, and binding of SH2-B to the insulin receptor kinase domain (англ.) // Mammalian Genome (англ.) : journal. — UNITED STATES, 1999. — December (vol. 10, no. 12). — P. 1160—1167. — ISSN 0938-8990. — doi:10.1007/s003359901183. — PMID 10594240.
  28. O'Neill, T J; Zhu Y; Gustafson T A. Interaction of MAD2 with the carboxyl terminus of the insulin receptor but not with the IGFIR. Evidence for release from the insulin receptor after activation (англ.) // Journal of Biological Chemistry : journal. — UNITED STATES, 1997. — April (vol. 272, no. 15). — P. 10035—10040. — ISSN 0021-9258. — doi:10.1074/jbc.272.15.10035. — PMID 9092546.

ЛитератураПравить