葡萄糖运载体4
作者：杨晓冰 吴毅
单位：杨晓冰(上海医科大学华山医院运动医学与康复医学科，上海乌鲁木齐中路12号，200040)；吴毅(上海医科大学华山医院运动医学与康复医学科，上海乌鲁木齐中路12号，200040)
关键词：
中国康复医学杂志000124 胰岛素抵抗是2型糖尿病患者糖利用障碍的主要原因之一。研究发现胰岛素受体后缺陷在胰岛素抵抗的环节中，意义尤为突出，其中外周组织，主要是骨骼肌和脂肪组织对葡萄糖摄取、利用减少是受体后胰岛素抵抗的主要原因。而葡萄糖的跨膜转运是骨骼肌细胞利用葡萄糖的主要限速步骤。目前研究表明，这一过程是依靠细胞膜上的特殊转运蛋白来完成的，这种特殊转运蛋白称为葡萄糖运载体(glucose transporter, GLUT)。骨骼肌细胞中存在两种GLUT，分别为GLUT1和GLUT4，前者主要位于骨骼肌细胞外膜上，只在基础状态下参与细胞对葡萄糖的摄取和转运；而后者在基础状态下主要位于细胞内微粒体和某些特定的囊泡等各种内膜结构上，对胰岛素和收缩刺激敏感，是骨骼肌细胞主要的GLUT〔1〕。因此，GLUT4对葡萄糖的转运在机体糖代谢中占有重要地位，并且GLUT4的研究对糖尿病的运动疗法与康复方案的制定具有重要意义。
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1 GLUT4的基本结构及分布
GLUT4为糖蛋白，分子量约45～55KD，由一条单一的多肽链组成，含509个氨基酸，蛋白质分子共跨越细胞膜脂质双分子层12次，有12个跨膜螺旋片断，相邻两个片断之间分别在细胞内外侧由一段肽链相连〔2〕。
GLUT4存在于对胰岛素敏感的组织中：骨骼肌、心肌和脂肪细胞。它在细胞中的含量从多到少依次为：棕色脂肪、心肌、红肌、白肌和白色脂肪。虽然在这些组织中还有其他的葡萄糖运载体的异构体的存在，如GLUT1，但已经证实GLUT4是在胰岛素作用下主要的葡萄糖运载体〔3〕。近年来葡萄糖钳夹技术的运用进一步证实，在骨骼肌细胞中GLUT4的含量与细胞最大葡萄糖转运能力呈正相关关系，葡萄糖转运是骨骼肌利用葡萄糖的限速过程。
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Rodnick和Slot等利用免疫金标记GLUT4抗体的方法研究发现，在脂肪、骨骼肌和心肌细胞的冷冻超薄切片中，从高尔基体到细胞外膜均有GLUT4的存在〔4〕。Marette等报道，在基础状态下90%以上的GLUT4位于细胞内膜中，如微粒体、高尔基体及其他对胰岛素敏感的富含GLUT4的特定囊泡样结构等，只有少数位于细胞外膜上〔3〕。Herman等在转染的神经内分泌细胞PC12中表达了GLUT4，它同样存在于细胞内囊泡中，这些囊泡不是PC12细胞中的分泌颗粒和突触小泡，而是一种更小的囊泡，其沉降速度约为突触小泡的2倍，GLUT4囊泡中不含突触小泡的标记物有：Synaptophysin，SV2和Synaptobrevion蛋白，可以认为如同突触小泡一样，含GLUT4的特定囊泡为一独特结构的细胞器。了解GLUT4囊泡本身及其中的蛋白对于阐明GLUT4结构和功能显然是非常重要的〔5〕。
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进一步的转染研究显示，在一些非胰岛素敏感的细胞中，GLUT4同样也位于细胞内。转染的3T3L1成纤维细胞内富含GLUT4的囊泡结构，它与胰岛素敏感的组织细胞的囊泡结构相似。从这些不同类型的细胞获得的细胞匀浆中含有GLUT4囊泡，在蔗糖浓度梯度中表现出相似的纵切面图，这些资料显示，使GLUT4位于细胞内的机制存在于所有的细胞类型中，是由GLUT4本身的分子结构决定的〔6〕。Piper等报道，在Sindbis病毒感染的中国仓鼠卵母细胞(CHO)中，GLUT4的定位机制位于GLUT4细胞内侧的N端〔7〕；而Asano则提出相反的结论，他认为在转染的CHO的细胞系列中，GLUT4的定位不在于N端，而是由另外二个特定区域对细胞内定位起作用〔8〕。以后研究人员用完全不同的表达系统研究认为，嵌合体GLUT1/GLUT4在细胞内定位的信息位于GLUT4细胞内侧的C端；Verhey等分析永久感染的NIH3T3成纤维细胞系列认为C端30肽是GLUT4细胞内定位区域〔9〕；Czech等对暂时感染的cas细胞研究后同样认为GLUT4 C端30肽对细胞内定位很重要〔10〕；最后Marshall等证实在蟾蜍卵母细胞GLUT4C端尾部是它在细胞内定位的区域〔11〕。
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2 胰岛素与GLUT4转位
胰岛素的重要功能之一就是刺激葡萄糖从血液中转运至组织细胞内，这一过程是由位于细胞外膜上GLUT4介导的。早期的研究主要检测不同的亚细胞膜上运载体活性，或以细胞松弛素B作为亲和剂，检测GLUT4在细胞膜上的分布。以后运用异构体特异性抗体和非渗透性运载体配体等新方法进一步了解GLUT4的调节机制和功能。研究表明，胰岛素刺激葡萄糖转运入细胞内一般分为6步〔12〕：①胰岛素与细胞外膜上的胰岛素受体相结合；②产生一系列目前尚不完全了解的信号；③使细胞内含GLUT4的囊泡向细胞外膜方向移动；④囊泡与细胞外膜连接；⑤囊泡膜与细胞外膜融合， GLUT4转位至细胞外膜上，并常伴有葡萄糖转运活性的增加；⑥葡萄糖与嵌合在细胞外膜上的GLUT4结合，GLUT4发生变构，将葡萄糖转运并释放到细胞内，然后恢复原来结构。胰岛素对GLUT4转位过程的影响是可逆的，当胰岛素和受体结合解离后，GLUT4回到细胞内特定的囊泡中。胰岛素通过调节GLUT4转位的速率，使GLUT4在细胞中的重新分布，从而改变葡萄糖转运速率。
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3 胰岛素抵抗和GLUT4
许多研究发现，代谢异常尤其是与胰岛素抵抗有关的糖代谢异常可影响GLUT4基因的表达。Kaha的研究显示，在链脲佐菌素(STZ)注射所致的高血糖低血清胰岛素糖尿病大鼠中，其脂肪细胞中GLUT4 mRNA和蛋白含量显著下降，在胰岛素作用下葡萄糖转运较正常对照组大鼠减少60%。说明脂肪细胞中GLUT4含量的减少可能是由于GLUT4基因转录障碍所致〔13〕。Ramlal等的研究同样显示，STZ糖尿病大鼠骨骼肌细胞粗膜GLUT4含量较正常下降37%，其中细胞外膜(降低50%)比细胞内膜(降低32%)下降得更多〔14〕。Marette等对SHR/N—CP遗传性肥胖型糖尿病大鼠进行研究发现，这类大鼠早期出现高血糖高胰岛素血症，与瘦SHR大鼠相比，骨骼肌细胞内GLUT4 mRNA含量减少87%，细胞内膜上GLUT4减少40%，外膜上减少50%，提示由于GLUT4基因转录功能障碍，使GLUT4合成减少，导致肌细胞摄取和利用葡萄糖的能力下降〔15〕。King等对肥胖Zuck大鼠的研究表明，在胰岛素抵抗状态下，骨骼肌对胰岛素不敏感，并非完全是由于GLUT4基因表达的异常，更重要的是GLUT4转位通路和活性的改变。目前研究表明，导致胰岛素抵抗的原因可能包括：从胰岛素受体发出的信号改变；GLUT4转位受抑；含GLUT4的特定囊泡不能与外膜融合，或已融合但GLUT4活性降低等〔16〕。Napoli等进一步证实，糖尿病大鼠葡萄糖转运功能的障碍与GLUT4内在活性的降低、GLUT4含量减少及转位机制障碍等因素有关〔17〕。综上所述，糖尿病状态或胰岛素抵抗状态下由于骨骼肌细胞和脂肪细胞内GLUT4基因转录功能下降，导致细胞外膜上的GLUT4减少，从而引起肌细胞和脂肪细胞对葡萄糖的转运和摄取减少，这可能是产生胰岛素抵抗，最终导致糖尿病的重要原因之一。
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由此可见，如何增加骨骼肌细胞和/或脂肪细胞外膜上的GLUT4有可能成为治疗糖尿病的一个重要途径。Ross等运用小鼠脂肪酸结合蛋白基因的启动子/增强子与人类GLUT4的基因序列相连接，使GLUT4有选择性地在转基因小鼠的脂肪细胞中过度表达，而在骨骼肌和其他组织中未见过度表达。与非转基因小鼠相比，转基因小鼠在基础状态下的葡萄糖转运增加了20倍、胰岛素作用下的葡萄糖转运增加了4倍。禁食一夜后，进行葡萄糖耐量试验，发现糖耐受力增加。虽然在正常的机体中，脂肪组织对葡萄糖的吸收只占整体很小的一部分，但选择性的脂肪细胞GLUT4的过度表达，却增加了整体的糖耐量，提示整体对胰岛素的敏感性增加。另外，转基因小鼠的脂肪细胞经培养后，其外膜上可检测到大量的GLUT4。说明当脂肪细胞内GLUT4过度表达时，大量的GLUT4被迫转位至细胞外膜上，以致引起葡萄糖转运的增加〔18〕。同样，将转基因技术运用于糖尿病大鼠，发现在STZ糖尿病小鼠或db/db小鼠中有选择性地使骨骼肌细胞和/或脂肪细胞中GLUT4过度表达，均可使转基因小鼠在基础状态和胰岛素作用状态下葡萄糖转运增加，提高整体对胰岛素的敏感性〔19,20〕。
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Houseknecht通过将小鼠特定脂肪aP2的启动子/增强子与人类的Ha-ras基因序列相连接，选择性使ras在小鼠的脂肪细胞中过度表达。通常当胰岛素与受体结合后ras被激活，从而引起一系列瀑布式磷酸化过程。而脂肪细胞中的ras过度表达时，可促进细胞内GLUT4向细胞外膜转位，使转基因小鼠脂肪细胞外膜上的GLUT4比非转基因小鼠增加24倍，其基础状态和胰岛素作用状态下葡萄糖转运也大幅增加，提高了组织细胞对胰岛素的敏感性〔21〕。综上所述，如果使GLUT4在脂肪细胞和/或骨骼肌细胞中过度表达，或促使GLUT4转位，就可从细胞水平来预防胰岛素的抵抗，改善1型和2型糖尿病的糖代谢异常。因此，该项技术的不断改进和运用，将开拓糖尿病治疗和预防的前景。
4 运动与GLUT4
运动是调节骨骼肌细胞GLUT4水平的另一个生理因素。研究表明，不同方式的耐力运动后骨骼肌细胞GLUT4含量可增加30%至2倍不等，GLUT4mRNA增加约2倍〔22-24〕。Rodnick等以大鼠踩轮运动5周来观察耐力运动对GLUT4及葡萄糖转运能力的影响，发现在运动后肘肌GLUT4的量增加了51%，跖肌增加34%，而比目鱼肌无明显变化。各骨骼肌中GLUT4含量对运动反应的不同主要与肌纤维的类型有关，其中I型和IIa型肌纤维富含GLUT4，IIb型肌纤维含GLUT4的量较少。肌纤维类型采用肌球蛋白ATP酶染色显示，运动前后未发现肌纤维类型成份的变化，GLUT4含量的改变并非是肌纤维类型转换的结果，而是一种适应性改变。如同耐力运动可使机体产生一系列适应性改变：如己糖激酶、糖原合成酶和呼吸链上线粒体酶等含量的增加，从而可增加骨骼肌储存和氧化糖的能力。骨骼肌GLUT4含量的增加同样对肌肉适应耐力运动，具有重要的生理意义。Hughes研究了运动对12名糖耐量异常者骨骼肌细胞GLUT4的影响，受试者进行50%～70%最大摄氧量的自行车有氧训练，每周4次，共3月，最后一次运动结束96小时后，对股四头肌外侧肌进行活检，结果发现，12人中有9人骨骼肌细胞内GLUT4含量增加，平均增加60%，并且GLUT4增加的同时其糖耐量试验也得到改善〔25〕。失神经骨骼肌细胞GLUT4的研究表明，如果无肌肉的收缩，骨骼肌中GLUT4含量，氧化酶和葡萄糖转运能力均下降〔26〕。因此，综上所述肌肉收缩是促进骨骼肌细胞GLUT4增加的一项重要的调节因素。
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Douen等让大鼠分别进行急性运动或给予胰岛素注射，然后分离后肢大腿肌，检测骨骼肌细胞内膜和外膜的GLUT4，发现与对照组相比，运动组大鼠骨骼肌细胞外膜上GLUT4增加2.5倍，内膜GLUT4仅下降8%；胰岛素注射组大鼠骨骼肌细胞外膜GLUT4增加1.5倍，内膜GLUT4下降33%。据此认为细胞内可能存在着运动特异性和胰岛素特异性两种不同的GLUT4池，分别对运动和胰岛素敏感，运动和胰岛素通过不同的途径作用于这两种特定的GLUT4池，促进GLUT4从细胞内转位至细胞外膜〔27〕。Lund对离体大鼠比目鱼肌细胞分别进行电刺激或/和培养液中加入胰岛素，发现最大胰岛素刺激引起的葡萄糖转运比最大肌收缩引起的葡萄糖转运高40%，细胞外膜上的GLUT4含量同样也增加约40%。培养液中如加入试剂wortmannin，则能抑制胰岛素作用下的葡萄糖转运和GLUT4的转位，而对肌收缩所引起的GLUT4转位和葡萄糖转运无影响。实验中还发现肌收缩和胰岛素刺激有叠加效应，这些进一步证实了细胞内存在着分别对运动和胰岛素敏感的特异性GLUT4池〔28〕。
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综上所述，耐力运动可通过不同于胰岛素的途径来增加大鼠骨骼肌细胞中GLUT4含量，并促进其由细胞内向细胞外膜转位，使骨骼肌细胞外膜GLUT4含量显著增加，从而加强骨骼肌细胞对葡萄糖摄取和利用。
5 饮食与GLUT4
饥饿同样可引起机体胰岛素抵抗。饥饿大鼠的脂肪细胞GLUT4 mRNA和蛋白含量明显减少，对葡萄糖的摄取减少。同样骨骼肌也表现出胰岛素抵抗，但细胞GLUT4的水平却增加。而从饥饿大鼠分离的骨骼肌，然后在离体的条件下进行孵育，确实发现有葡萄糖转运活性增加的奇异现象。这里骨骼肌细胞GLUT4水平与胰岛素敏感性存在着不一致，这可能与饥饿状态下体代谢的紊乱，如高脂肪酸、高酮和酸中毒等有关，从而影响了骨骼肌细胞GLUT4转运葡萄糖的活性有关〔29〕。
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高脂肪饮食可使大鼠骨骼肌细胞的GLUT4 mRNA和GLUT4含量减少。在细胞培养中，高游离脂肪酸同样可诱导培养细胞出现胰岛素抵抗，但高脂肪饮食者的血游离脂肪酸水平并不高，因此，不能以此解释高脂肪饮食者的GLUT4的改变〔30〕。
6 增龄与GLUT4
Gulve等研究发现10月龄大鼠肘肌、股四头肌和肌细胞GLUT4的含量比1月龄的大鼠减少14%～33%，以后维持不变至25月龄左右〔31〕。Barnard等发现中年大鼠(8～13月)在最大胰岛素刺激下骨骼肌细胞外膜上的GLUT4的含量比青年大鼠(1～3月)减少20%，最大葡萄糖转运下降22%～33%，中年以后骨骼肌细胞的GLUT4不再下降，目前年龄对GLUT4影响的原因尚不明确，有待进一步研究〔32〕。
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目前由于技术上的原因，使骨骼肌细胞膜上的GLUT4精确定量非常困难，尤其是人类。然而这些测量结果对确定GLUT4在细胞中的转运通路以及调节功能却非常必要。毫无疑问，技术的更新将推动研究进一步发展。GLUT4的研究不仅对于糖代谢的研究有重要意义，而且还对临床上治疗和预防代谢性疾病，如糖尿病、胰岛素抵抗综合征具有重要价值。
范振华 审校
7 参考文献
1，Fink P, Wallace P, Brechtel G, et al. Evidence that glucose transport is rate limiting for in vivo glucose uptake. Metabolism, 1992, 41:897.
2，Mueckler M, Caruso C, Baldwin SA, et al. Sequence and structure of a human glucose transporter. Science, 1985, 229:941.
, 百拇医药
3，Marette A, Richardson JM, Ramlal T, et al Abundance,localization, and insulin-induced translocation of glucose transporters in red and white muscle. Am J Phsiol, 1992, 263:C433.
4，Rodnick KJ, Slot JW, Studelska DR, et al. Immunocytochemical and biochemical studies of GLUT4 in rat skeletal muscle. J Bio Chem, 1992, 263:c443.
5，Herman GA, Bonzelius F, Cieutat AM, et al. Adistinct class of intracellular storage vesicles,identified by expression of the glucose transporter GLUT4. Proc Natl Acad Sci USA, 1984, 91:12750.
, http://www.100md.com
6，Haney PM, Slot JW, Piper RC, et al. Intracellular targeting of the insulin regulatable glucose transporter (GLUT4) is isoform specific and independent of cell type. J Cell Biol, 1991, 114: 689.
7，Piper RC, Tai C, Kulesza P, Pang S, et al. GLUT 4 NH2 terminus contains a phenylalanine based targeting motif that regulates intracellular sequestration. J Cell Biol, 1993, 121: 1221.
8，Asano T, Takata K, Katagiri H, et al. Domains responsible for the differential targeting of glucose transporter isoforms. J Biol Chem, 1992, 267:19636.
, 百拇医药
9，Verhey KJ, Hausdorff SF & Birnbaum MJ. Identification of the carboxy terminus as important for the isoform specific subcellular targeting of glucose transporter proteins. J Cell Biol, 1993, 123: 137.
10，Czech MP & Buxton JM. Insulin action on the internalization of the GLUT4 glucose transporter in isolated rat adipocytes. J Biol Chem, 1993, 268: 9187.
11，Marshall BA, Murata H, Hresko RC, et al. Domains that confer intracellular sequestration of the Glut4 glucose transporter in Xenopus oocytes. J Biol Chem ,1993, 268: 26193.
, 百拇医药
12，Zorzano A, Munoz P, Camps M, et al. Insulin-induced redistribution of GLUT4 glucose carriers in the muscle fiber. Diabetes , 1996, 45(Suppl 1):s70.
13，Kahn BB, Charron MJ, Lodish HF, et al. Differential regulation of two glucose transporters in adipose cells from diabetic and insulin diabetic rats. J Clin Invest, 1989,84:404.
14，Ramlal T, Rastogi S, Vranic M, et al. Decrease in glucose transporter number in skeletal muscle of mildly diabetic (streptozotocin-treated) rats. Endocrinology, 1989,125(2): 890.
, 百拇医药
15，Marette A, Atgie C, Liu Z, et al. Differential regulation of GLUT1 and GLUT4 glucose transporters in skeletal muscle of a new model of type II diabetes. Diabetes,1993,42:1195.
16，King PA, Horton ED, Hirshmsn MF, et al. Insulin resistance in obese Zucker rat (fa/fa) skeletal muscle is associated with a failure of glucose transporter translication. J Cllin Invest,1992, 90:1568.
17，Napoli R, Hirshman MF, Horton ES. Mechanisms and time course of impaired skeletal muscle glucose transport activity in streptozocin diabetic rats. J Clin invest, 1995,96:427.
, http://www.100md.com
18，Ross SR, Graves RA, Greenstein A, et al. A fat-specific enhancer is the primary determinant of gene expression for adipocyte P2 in vivo. Proc Natl Acad Sci USA,1990, 87:9590.
19，Tozzo E, Gnudi L, Bliss JL, et al. Overexpression of GLUT4 driven by a heterologous promoter is maintained in streptozotocin diabetic mice and prevents insulin resistance in isolated adipocytes(Abstract). Diabetes, 1994, 43(suppl.1):14A.
, 百拇医药 20，Leturque A, Loizeau M, Vaulont S, et al. Improvement of insulin action in diabetic transgenic mice selectively overexpression GLUT4 in skeletal muscle. Diabetes, 1996, 45:23.
21，Houseknecht KL, Zhu AX, Gnudi L, et al. Overexpression of H-ras selectively in adipose tessue of transgenic mice: evidence for enhanced sensitivity to insulin. J Biol Chem,1996, 271:11347.
22，Ploug T, Stallknecht BN & Pedersen D, et al. Effect of endurance training on glucose transport capacity and glucose tranporter expression in rat skeletal muscle. Am J Physiol, 1990, 259:E778.
, 百拇医药
23，Friedman JE, Sherman WM, Reed MJ, et al. Exercise training increases glucose transporter protein GLUT4 in skeletal muscle of obese Zucker rats. FEBS Lett, 1990,268:13.
24，Rodnick KJ, Henriksen EJ, James DE, et al. Exercise training, glucose transporters, and glucose transport in rat skeletal muscles. Am J Physiol,1992,262:C9.
25，Hughes VA, Fiatarone MA, Fielding RA, et al. Exercise increases mucle GLUT4 level and insulin action in subjects with impaired glucose tolerance. Am J Physiol,1993,264:E855.
, 百拇医药
26，Henriksen EJ, Rodnick KJ, Mondon CE, et al. Effect of denervation or unweighting on GLUT4 protein in rat soleus muscle. J Appl Physiol,1991,70:2322.
27，Douen AG, Ramlal T, Rastogi S, et al. Exercise induces recruitment of the "insulin-responsive glucose transporter" evidence for distinct intracellular insulin and exercise-recruitable transporter pools in skeletal muscle. J Bio Chem, 1990, 265: 13427.
28，Lund S, Holman GD, Schnitz O, et al. Contraction stimulates translocation of glucose transporter GLUT4 in skeletal muscle through a mechanism distinct from that of insulin . Proc Natl Acad Sci USA,1995, 92:5817.
, http://www.100md.com
29，Charron MJ & Kahn BB. Divergent molecular mechanisms for insulin resistant glucose transport in muscle and adipose cell in vivo. J Bio Chem, 1990, 265: 7994.
30，Ikemoto S, Thompson KS, Takahashi M, et al. high fat diet-induced hyperglycaemia: Prevention by low level expression of a glucose transporter (GLUT4) minigene in transgenic mice. Proc Natl Acad Sci USA,1995, 92:3096.
31，Gulve EA, Henriksen EJ, Rodnick KJ, et al. Glucose transporters and glucose transport in skeletal muscles of 1 to 25-mo-old rats. Am J Physiol,1993,67:187.
32，Barnard RJ, Lawani LO, Martin DA, et al. Effects of maturation and aging on the skeletal muscle glucose transport system. Am J Physiol,1992,262:E619.
收稿日期：1999-03-25, 百拇医药
单位：杨晓冰(上海医科大学华山医院运动医学与康复医学科，上海乌鲁木齐中路12号，200040)；吴毅(上海医科大学华山医院运动医学与康复医学科，上海乌鲁木齐中路12号，200040)
关键词：
中国康复医学杂志000124 胰岛素抵抗是2型糖尿病患者糖利用障碍的主要原因之一。研究发现胰岛素受体后缺陷在胰岛素抵抗的环节中，意义尤为突出，其中外周组织，主要是骨骼肌和脂肪组织对葡萄糖摄取、利用减少是受体后胰岛素抵抗的主要原因。而葡萄糖的跨膜转运是骨骼肌细胞利用葡萄糖的主要限速步骤。目前研究表明，这一过程是依靠细胞膜上的特殊转运蛋白来完成的，这种特殊转运蛋白称为葡萄糖运载体(glucose transporter, GLUT)。骨骼肌细胞中存在两种GLUT，分别为GLUT1和GLUT4，前者主要位于骨骼肌细胞外膜上，只在基础状态下参与细胞对葡萄糖的摄取和转运；而后者在基础状态下主要位于细胞内微粒体和某些特定的囊泡等各种内膜结构上，对胰岛素和收缩刺激敏感，是骨骼肌细胞主要的GLUT〔1〕。因此，GLUT4对葡萄糖的转运在机体糖代谢中占有重要地位，并且GLUT4的研究对糖尿病的运动疗法与康复方案的制定具有重要意义。
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1 GLUT4的基本结构及分布
GLUT4为糖蛋白，分子量约45～55KD，由一条单一的多肽链组成，含509个氨基酸，蛋白质分子共跨越细胞膜脂质双分子层12次，有12个跨膜螺旋片断，相邻两个片断之间分别在细胞内外侧由一段肽链相连〔2〕。
GLUT4存在于对胰岛素敏感的组织中：骨骼肌、心肌和脂肪细胞。它在细胞中的含量从多到少依次为：棕色脂肪、心肌、红肌、白肌和白色脂肪。虽然在这些组织中还有其他的葡萄糖运载体的异构体的存在，如GLUT1，但已经证实GLUT4是在胰岛素作用下主要的葡萄糖运载体〔3〕。近年来葡萄糖钳夹技术的运用进一步证实，在骨骼肌细胞中GLUT4的含量与细胞最大葡萄糖转运能力呈正相关关系，葡萄糖转运是骨骼肌利用葡萄糖的限速过程。
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Rodnick和Slot等利用免疫金标记GLUT4抗体的方法研究发现，在脂肪、骨骼肌和心肌细胞的冷冻超薄切片中，从高尔基体到细胞外膜均有GLUT4的存在〔4〕。Marette等报道，在基础状态下90%以上的GLUT4位于细胞内膜中，如微粒体、高尔基体及其他对胰岛素敏感的富含GLUT4的特定囊泡样结构等，只有少数位于细胞外膜上〔3〕。Herman等在转染的神经内分泌细胞PC12中表达了GLUT4，它同样存在于细胞内囊泡中，这些囊泡不是PC12细胞中的分泌颗粒和突触小泡，而是一种更小的囊泡，其沉降速度约为突触小泡的2倍，GLUT4囊泡中不含突触小泡的标记物有：Synaptophysin，SV2和Synaptobrevion蛋白，可以认为如同突触小泡一样，含GLUT4的特定囊泡为一独特结构的细胞器。了解GLUT4囊泡本身及其中的蛋白对于阐明GLUT4结构和功能显然是非常重要的〔5〕。
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进一步的转染研究显示，在一些非胰岛素敏感的细胞中，GLUT4同样也位于细胞内。转染的3T3L1成纤维细胞内富含GLUT4的囊泡结构，它与胰岛素敏感的组织细胞的囊泡结构相似。从这些不同类型的细胞获得的细胞匀浆中含有GLUT4囊泡，在蔗糖浓度梯度中表现出相似的纵切面图，这些资料显示，使GLUT4位于细胞内的机制存在于所有的细胞类型中，是由GLUT4本身的分子结构决定的〔6〕。Piper等报道，在Sindbis病毒感染的中国仓鼠卵母细胞(CHO)中，GLUT4的定位机制位于GLUT4细胞内侧的N端〔7〕；而Asano则提出相反的结论，他认为在转染的CHO的细胞系列中，GLUT4的定位不在于N端，而是由另外二个特定区域对细胞内定位起作用〔8〕。以后研究人员用完全不同的表达系统研究认为，嵌合体GLUT1/GLUT4在细胞内定位的信息位于GLUT4细胞内侧的C端；Verhey等分析永久感染的NIH3T3成纤维细胞系列认为C端30肽是GLUT4细胞内定位区域〔9〕；Czech等对暂时感染的cas细胞研究后同样认为GLUT4 C端30肽对细胞内定位很重要〔10〕；最后Marshall等证实在蟾蜍卵母细胞GLUT4C端尾部是它在细胞内定位的区域〔11〕。
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2 胰岛素与GLUT4转位
胰岛素的重要功能之一就是刺激葡萄糖从血液中转运至组织细胞内，这一过程是由位于细胞外膜上GLUT4介导的。早期的研究主要检测不同的亚细胞膜上运载体活性，或以细胞松弛素B作为亲和剂，检测GLUT4在细胞膜上的分布。以后运用异构体特异性抗体和非渗透性运载体配体等新方法进一步了解GLUT4的调节机制和功能。研究表明，胰岛素刺激葡萄糖转运入细胞内一般分为6步〔12〕：①胰岛素与细胞外膜上的胰岛素受体相结合；②产生一系列目前尚不完全了解的信号；③使细胞内含GLUT4的囊泡向细胞外膜方向移动；④囊泡与细胞外膜连接；⑤囊泡膜与细胞外膜融合， GLUT4转位至细胞外膜上，并常伴有葡萄糖转运活性的增加；⑥葡萄糖与嵌合在细胞外膜上的GLUT4结合，GLUT4发生变构，将葡萄糖转运并释放到细胞内，然后恢复原来结构。胰岛素对GLUT4转位过程的影响是可逆的，当胰岛素和受体结合解离后，GLUT4回到细胞内特定的囊泡中。胰岛素通过调节GLUT4转位的速率，使GLUT4在细胞中的重新分布，从而改变葡萄糖转运速率。
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3 胰岛素抵抗和GLUT4
许多研究发现，代谢异常尤其是与胰岛素抵抗有关的糖代谢异常可影响GLUT4基因的表达。Kaha的研究显示，在链脲佐菌素(STZ)注射所致的高血糖低血清胰岛素糖尿病大鼠中，其脂肪细胞中GLUT4 mRNA和蛋白含量显著下降，在胰岛素作用下葡萄糖转运较正常对照组大鼠减少60%。说明脂肪细胞中GLUT4含量的减少可能是由于GLUT4基因转录障碍所致〔13〕。Ramlal等的研究同样显示，STZ糖尿病大鼠骨骼肌细胞粗膜GLUT4含量较正常下降37%，其中细胞外膜(降低50%)比细胞内膜(降低32%)下降得更多〔14〕。Marette等对SHR/N—CP遗传性肥胖型糖尿病大鼠进行研究发现，这类大鼠早期出现高血糖高胰岛素血症，与瘦SHR大鼠相比，骨骼肌细胞内GLUT4 mRNA含量减少87%，细胞内膜上GLUT4减少40%，外膜上减少50%，提示由于GLUT4基因转录功能障碍，使GLUT4合成减少，导致肌细胞摄取和利用葡萄糖的能力下降〔15〕。King等对肥胖Zuck大鼠的研究表明，在胰岛素抵抗状态下，骨骼肌对胰岛素不敏感，并非完全是由于GLUT4基因表达的异常，更重要的是GLUT4转位通路和活性的改变。目前研究表明，导致胰岛素抵抗的原因可能包括：从胰岛素受体发出的信号改变；GLUT4转位受抑；含GLUT4的特定囊泡不能与外膜融合，或已融合但GLUT4活性降低等〔16〕。Napoli等进一步证实，糖尿病大鼠葡萄糖转运功能的障碍与GLUT4内在活性的降低、GLUT4含量减少及转位机制障碍等因素有关〔17〕。综上所述，糖尿病状态或胰岛素抵抗状态下由于骨骼肌细胞和脂肪细胞内GLUT4基因转录功能下降，导致细胞外膜上的GLUT4减少，从而引起肌细胞和脂肪细胞对葡萄糖的转运和摄取减少，这可能是产生胰岛素抵抗，最终导致糖尿病的重要原因之一。
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由此可见，如何增加骨骼肌细胞和/或脂肪细胞外膜上的GLUT4有可能成为治疗糖尿病的一个重要途径。Ross等运用小鼠脂肪酸结合蛋白基因的启动子/增强子与人类GLUT4的基因序列相连接，使GLUT4有选择性地在转基因小鼠的脂肪细胞中过度表达，而在骨骼肌和其他组织中未见过度表达。与非转基因小鼠相比，转基因小鼠在基础状态下的葡萄糖转运增加了20倍、胰岛素作用下的葡萄糖转运增加了4倍。禁食一夜后，进行葡萄糖耐量试验，发现糖耐受力增加。虽然在正常的机体中，脂肪组织对葡萄糖的吸收只占整体很小的一部分，但选择性的脂肪细胞GLUT4的过度表达，却增加了整体的糖耐量，提示整体对胰岛素的敏感性增加。另外，转基因小鼠的脂肪细胞经培养后，其外膜上可检测到大量的GLUT4。说明当脂肪细胞内GLUT4过度表达时，大量的GLUT4被迫转位至细胞外膜上，以致引起葡萄糖转运的增加〔18〕。同样，将转基因技术运用于糖尿病大鼠，发现在STZ糖尿病小鼠或db/db小鼠中有选择性地使骨骼肌细胞和/或脂肪细胞中GLUT4过度表达，均可使转基因小鼠在基础状态和胰岛素作用状态下葡萄糖转运增加，提高整体对胰岛素的敏感性〔19,20〕。
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Houseknecht通过将小鼠特定脂肪aP2的启动子/增强子与人类的Ha-ras基因序列相连接，选择性使ras在小鼠的脂肪细胞中过度表达。通常当胰岛素与受体结合后ras被激活，从而引起一系列瀑布式磷酸化过程。而脂肪细胞中的ras过度表达时，可促进细胞内GLUT4向细胞外膜转位，使转基因小鼠脂肪细胞外膜上的GLUT4比非转基因小鼠增加24倍，其基础状态和胰岛素作用状态下葡萄糖转运也大幅增加，提高了组织细胞对胰岛素的敏感性〔21〕。综上所述，如果使GLUT4在脂肪细胞和/或骨骼肌细胞中过度表达，或促使GLUT4转位，就可从细胞水平来预防胰岛素的抵抗，改善1型和2型糖尿病的糖代谢异常。因此，该项技术的不断改进和运用，将开拓糖尿病治疗和预防的前景。
4 运动与GLUT4
运动是调节骨骼肌细胞GLUT4水平的另一个生理因素。研究表明，不同方式的耐力运动后骨骼肌细胞GLUT4含量可增加30%至2倍不等，GLUT4mRNA增加约2倍〔22-24〕。Rodnick等以大鼠踩轮运动5周来观察耐力运动对GLUT4及葡萄糖转运能力的影响，发现在运动后肘肌GLUT4的量增加了51%，跖肌增加34%，而比目鱼肌无明显变化。各骨骼肌中GLUT4含量对运动反应的不同主要与肌纤维的类型有关，其中I型和IIa型肌纤维富含GLUT4，IIb型肌纤维含GLUT4的量较少。肌纤维类型采用肌球蛋白ATP酶染色显示，运动前后未发现肌纤维类型成份的变化，GLUT4含量的改变并非是肌纤维类型转换的结果，而是一种适应性改变。如同耐力运动可使机体产生一系列适应性改变：如己糖激酶、糖原合成酶和呼吸链上线粒体酶等含量的增加，从而可增加骨骼肌储存和氧化糖的能力。骨骼肌GLUT4含量的增加同样对肌肉适应耐力运动，具有重要的生理意义。Hughes研究了运动对12名糖耐量异常者骨骼肌细胞GLUT4的影响，受试者进行50%～70%最大摄氧量的自行车有氧训练，每周4次，共3月，最后一次运动结束96小时后，对股四头肌外侧肌进行活检，结果发现，12人中有9人骨骼肌细胞内GLUT4含量增加，平均增加60%，并且GLUT4增加的同时其糖耐量试验也得到改善〔25〕。失神经骨骼肌细胞GLUT4的研究表明，如果无肌肉的收缩，骨骼肌中GLUT4含量，氧化酶和葡萄糖转运能力均下降〔26〕。因此，综上所述肌肉收缩是促进骨骼肌细胞GLUT4增加的一项重要的调节因素。
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Douen等让大鼠分别进行急性运动或给予胰岛素注射，然后分离后肢大腿肌，检测骨骼肌细胞内膜和外膜的GLUT4，发现与对照组相比，运动组大鼠骨骼肌细胞外膜上GLUT4增加2.5倍，内膜GLUT4仅下降8%；胰岛素注射组大鼠骨骼肌细胞外膜GLUT4增加1.5倍，内膜GLUT4下降33%。据此认为细胞内可能存在着运动特异性和胰岛素特异性两种不同的GLUT4池，分别对运动和胰岛素敏感，运动和胰岛素通过不同的途径作用于这两种特定的GLUT4池，促进GLUT4从细胞内转位至细胞外膜〔27〕。Lund对离体大鼠比目鱼肌细胞分别进行电刺激或/和培养液中加入胰岛素，发现最大胰岛素刺激引起的葡萄糖转运比最大肌收缩引起的葡萄糖转运高40%，细胞外膜上的GLUT4含量同样也增加约40%。培养液中如加入试剂wortmannin，则能抑制胰岛素作用下的葡萄糖转运和GLUT4的转位，而对肌收缩所引起的GLUT4转位和葡萄糖转运无影响。实验中还发现肌收缩和胰岛素刺激有叠加效应，这些进一步证实了细胞内存在着分别对运动和胰岛素敏感的特异性GLUT4池〔28〕。
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综上所述，耐力运动可通过不同于胰岛素的途径来增加大鼠骨骼肌细胞中GLUT4含量，并促进其由细胞内向细胞外膜转位，使骨骼肌细胞外膜GLUT4含量显著增加，从而加强骨骼肌细胞对葡萄糖摄取和利用。
5 饮食与GLUT4
饥饿同样可引起机体胰岛素抵抗。饥饿大鼠的脂肪细胞GLUT4 mRNA和蛋白含量明显减少，对葡萄糖的摄取减少。同样骨骼肌也表现出胰岛素抵抗，但细胞GLUT4的水平却增加。而从饥饿大鼠分离的骨骼肌，然后在离体的条件下进行孵育，确实发现有葡萄糖转运活性增加的奇异现象。这里骨骼肌细胞GLUT4水平与胰岛素敏感性存在着不一致，这可能与饥饿状态下体代谢的紊乱，如高脂肪酸、高酮和酸中毒等有关，从而影响了骨骼肌细胞GLUT4转运葡萄糖的活性有关〔29〕。
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高脂肪饮食可使大鼠骨骼肌细胞的GLUT4 mRNA和GLUT4含量减少。在细胞培养中，高游离脂肪酸同样可诱导培养细胞出现胰岛素抵抗，但高脂肪饮食者的血游离脂肪酸水平并不高，因此，不能以此解释高脂肪饮食者的GLUT4的改变〔30〕。
6 增龄与GLUT4
Gulve等研究发现10月龄大鼠肘肌、股四头肌和肌细胞GLUT4的含量比1月龄的大鼠减少14%～33%，以后维持不变至25月龄左右〔31〕。Barnard等发现中年大鼠(8～13月)在最大胰岛素刺激下骨骼肌细胞外膜上的GLUT4的含量比青年大鼠(1～3月)减少20%，最大葡萄糖转运下降22%～33%，中年以后骨骼肌细胞的GLUT4不再下降，目前年龄对GLUT4影响的原因尚不明确，有待进一步研究〔32〕。
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目前由于技术上的原因，使骨骼肌细胞膜上的GLUT4精确定量非常困难，尤其是人类。然而这些测量结果对确定GLUT4在细胞中的转运通路以及调节功能却非常必要。毫无疑问，技术的更新将推动研究进一步发展。GLUT4的研究不仅对于糖代谢的研究有重要意义，而且还对临床上治疗和预防代谢性疾病，如糖尿病、胰岛素抵抗综合征具有重要价值。
范振华 审校
7 参考文献
1，Fink P, Wallace P, Brechtel G, et al. Evidence that glucose transport is rate limiting for in vivo glucose uptake. Metabolism, 1992, 41:897.
2，Mueckler M, Caruso C, Baldwin SA, et al. Sequence and structure of a human glucose transporter. Science, 1985, 229:941.
, 百拇医药
3，Marette A, Richardson JM, Ramlal T, et al Abundance,localization, and insulin-induced translocation of glucose transporters in red and white muscle. Am J Phsiol, 1992, 263:C433.
4，Rodnick KJ, Slot JW, Studelska DR, et al. Immunocytochemical and biochemical studies of GLUT4 in rat skeletal muscle. J Bio Chem, 1992, 263:c443.
5，Herman GA, Bonzelius F, Cieutat AM, et al. Adistinct class of intracellular storage vesicles,identified by expression of the glucose transporter GLUT4. Proc Natl Acad Sci USA, 1984, 91:12750.
, http://www.100md.com
6，Haney PM, Slot JW, Piper RC, et al. Intracellular targeting of the insulin regulatable glucose transporter (GLUT4) is isoform specific and independent of cell type. J Cell Biol, 1991, 114: 689.
7，Piper RC, Tai C, Kulesza P, Pang S, et al. GLUT 4 NH2 terminus contains a phenylalanine based targeting motif that regulates intracellular sequestration. J Cell Biol, 1993, 121: 1221.
8，Asano T, Takata K, Katagiri H, et al. Domains responsible for the differential targeting of glucose transporter isoforms. J Biol Chem, 1992, 267:19636.
, 百拇医药
9，Verhey KJ, Hausdorff SF & Birnbaum MJ. Identification of the carboxy terminus as important for the isoform specific subcellular targeting of glucose transporter proteins. J Cell Biol, 1993, 123: 137.
10，Czech MP & Buxton JM. Insulin action on the internalization of the GLUT4 glucose transporter in isolated rat adipocytes. J Biol Chem, 1993, 268: 9187.
11，Marshall BA, Murata H, Hresko RC, et al. Domains that confer intracellular sequestration of the Glut4 glucose transporter in Xenopus oocytes. J Biol Chem ,1993, 268: 26193.
, 百拇医药
12，Zorzano A, Munoz P, Camps M, et al. Insulin-induced redistribution of GLUT4 glucose carriers in the muscle fiber. Diabetes , 1996, 45(Suppl 1):s70.
13，Kahn BB, Charron MJ, Lodish HF, et al. Differential regulation of two glucose transporters in adipose cells from diabetic and insulin diabetic rats. J Clin Invest, 1989,84:404.
14，Ramlal T, Rastogi S, Vranic M, et al. Decrease in glucose transporter number in skeletal muscle of mildly diabetic (streptozotocin-treated) rats. Endocrinology, 1989,125(2): 890.
, 百拇医药
15，Marette A, Atgie C, Liu Z, et al. Differential regulation of GLUT1 and GLUT4 glucose transporters in skeletal muscle of a new model of type II diabetes. Diabetes,1993,42:1195.
16，King PA, Horton ED, Hirshmsn MF, et al. Insulin resistance in obese Zucker rat (fa/fa) skeletal muscle is associated with a failure of glucose transporter translication. J Cllin Invest,1992, 90:1568.
17，Napoli R, Hirshman MF, Horton ES. Mechanisms and time course of impaired skeletal muscle glucose transport activity in streptozocin diabetic rats. J Clin invest, 1995,96:427.
, http://www.100md.com
18，Ross SR, Graves RA, Greenstein A, et al. A fat-specific enhancer is the primary determinant of gene expression for adipocyte P2 in vivo. Proc Natl Acad Sci USA,1990, 87:9590.
19，Tozzo E, Gnudi L, Bliss JL, et al. Overexpression of GLUT4 driven by a heterologous promoter is maintained in streptozotocin diabetic mice and prevents insulin resistance in isolated adipocytes(Abstract). Diabetes, 1994, 43(suppl.1):14A.
, 百拇医药 20，Leturque A, Loizeau M, Vaulont S, et al. Improvement of insulin action in diabetic transgenic mice selectively overexpression GLUT4 in skeletal muscle. Diabetes, 1996, 45:23.
21，Houseknecht KL, Zhu AX, Gnudi L, et al. Overexpression of H-ras selectively in adipose tessue of transgenic mice: evidence for enhanced sensitivity to insulin. J Biol Chem,1996, 271:11347.
22，Ploug T, Stallknecht BN & Pedersen D, et al. Effect of endurance training on glucose transport capacity and glucose tranporter expression in rat skeletal muscle. Am J Physiol, 1990, 259:E778.
, 百拇医药
23，Friedman JE, Sherman WM, Reed MJ, et al. Exercise training increases glucose transporter protein GLUT4 in skeletal muscle of obese Zucker rats. FEBS Lett, 1990,268:13.
24，Rodnick KJ, Henriksen EJ, James DE, et al. Exercise training, glucose transporters, and glucose transport in rat skeletal muscles. Am J Physiol,1992,262:C9.
25，Hughes VA, Fiatarone MA, Fielding RA, et al. Exercise increases mucle GLUT4 level and insulin action in subjects with impaired glucose tolerance. Am J Physiol,1993,264:E855.
, 百拇医药
26，Henriksen EJ, Rodnick KJ, Mondon CE, et al. Effect of denervation or unweighting on GLUT4 protein in rat soleus muscle. J Appl Physiol,1991,70:2322.
27，Douen AG, Ramlal T, Rastogi S, et al. Exercise induces recruitment of the "insulin-responsive glucose transporter" evidence for distinct intracellular insulin and exercise-recruitable transporter pools in skeletal muscle. J Bio Chem, 1990, 265: 13427.
28，Lund S, Holman GD, Schnitz O, et al. Contraction stimulates translocation of glucose transporter GLUT4 in skeletal muscle through a mechanism distinct from that of insulin . Proc Natl Acad Sci USA,1995, 92:5817.
, http://www.100md.com
29，Charron MJ & Kahn BB. Divergent molecular mechanisms for insulin resistant glucose transport in muscle and adipose cell in vivo. J Bio Chem, 1990, 265: 7994.
30，Ikemoto S, Thompson KS, Takahashi M, et al. high fat diet-induced hyperglycaemia: Prevention by low level expression of a glucose transporter (GLUT4) minigene in transgenic mice. Proc Natl Acad Sci USA,1995, 92:3096.
31，Gulve EA, Henriksen EJ, Rodnick KJ, et al. Glucose transporters and glucose transport in skeletal muscles of 1 to 25-mo-old rats. Am J Physiol,1993,67:187.
32，Barnard RJ, Lawani LO, Martin DA, et al. Effects of maturation and aging on the skeletal muscle glucose transport system. Am J Physiol,1992,262:E619.
收稿日期：1999-03-25, 百拇医药