REVIEWThe GLUT4 Glucose Transporter

Shaohui Huang1 and Michael P. Czech1,*1Program in Molecular Medicine, University of Massachusetts Medical School, Worcester, MA

01605, USA*Correspondence: michael.czech@umassmed.edu

DOI 10.1016/j.cmet.2007.03.006

Beberapa parameter fisiologi lebih ketat dan langsung diatur pada manusia dibandingkan dengan konsentrasi gula darah. Mekanisme seluler utama yang menurunkan glukosa darah ketika karbohidrat dicerna adalah tranportasi glukosa yang diperantarai insulin ke otot rangka. Otot rangka menyimpan glukosa sebagai glikogen dan mengoksidasinya untuk menghasilkan energi mengikuti tahap transportasi. Protein transporter glukosa yang utama yang memperantarai ambilan glukosa adalah GLUT4, yang memainkan peran dalam pengaturan homeostasis seluruh glukosa dalam tubuh. Ulasan ini berfokus pada kemajuan biologi dari GLUT4 masa kini.

Kadar glukosa meningkat dengan cepat kembali ke normal (5-6 mM) bahkan setelah intake kalori dalam jumlah besar, dan dipertahankan pada tingkat yang hanya sedikit lebih rendah selama jangka panjang kelaparan. Kontrol tersebut mencegah disfungsi yang parah seperti kehilangan kesadaran akibat hipoglikemia dan toksisitas terhadap jaringan perifer dalam menanggapi hiperglikemia kronik dari diabetes. Mekanisme seluler utama dari pelepasan glukosa eksogen adalah transportasi glukosa ke dalam otot rangka yang diperantarai insulin. Otot rangka merupakan tempat penyimpanan glukosa dalam bentuk glikogen dan tempat oksidasi untuk menghasilkan energi mengikuti tahap transportasi. Protein transporter glukosa utama yang memperantarai penyerapan ini merupakan salah satu isoform (Nama genus : SLC2A4 atau nama protein : GLUT4) dari famili protein transporter glukosa yang mengandung 12 domain transmembran. Transporter glukosa GLUT4 merupakan mediator utama pembuangan glukosa dari sirkulasi dan kunci pengatur homeostasis glukosa di seluruh tubuh. Disini, kami mendiskusikan mekanisme pengaturan molecular dan seluler dari GLUT4, regulasi genetiknya, jalur pengangkutannya, dan integrasinya dengan sinyal insulin dan efek besar penggunaan GLUT4 pada metabolisme seluruh tubuh.

GLUT4 merupakan 1 dari 13 protein transporter glukosa (GLUT1-GLUT12, dan HMIT) yang dikodekan di dalam genom manusia yang mengkatalisasi transportasi heksosa menyebrangi membran sel tanpa melalui bantuan ATP, mekanisme difusi fasilitatif. Transporter glukosa ini menunjukkan perbedaan dari kinetiknya dan spesifikasi masing-masing substrat, seperti GLUT5 dan mungkin GLUT11 yang menyerupai transporter fruktosa. GLUT4 diekspresikan dalam jumlah besar di dalam jaringan adipose dan otot rangka, tetapi jaringan ini juga mengekspresikan kelompok selektif dari transporter lainnya. Dalam hal otot rangka, GLUT1, GLUT5, dan GLUT12 mungkin secara signifikan berkontribusi terhadap ambilan glukosa sebagai tambahan GLUT4, sementara di dalam jaringan adipose , GLUT8, GLUT12, dan HMIT juga dieskpresikan. Bagaimanapun, GLUT4 menampilkan karakteristik unik dari sebagian besar pengaturan intraseluler dalam keadaan yang tidak diperantarai diman secara akut didistribusikan kembali ke membrane plasma sebagai respon terhadap insulin dan stimulus lainnya.

GLUT4 mengandung rangkaian unik di dalam domain terminal sitoplasma N- dan COOH-nya yang mengarahkan karakteristik kemampuan pengangkutan membrannya. Hal ini termasuk sebuah rangkaian khusus N-terminal dengan residu fenilalanin yang berpotensi akut, dan juga dileusin dan bentuk asam di COOH terminal. Bentuk ini menyerupai pengaruh aspek kinetik dari endositosis dan eksositosis di dalam sistem pengangkutan daur ulang secara berkesinambungan. LL COOH terminal dan bentuk asam juga terdapat di dalam protein aminopeptidase (IRAP) yang di dalam sel

adiposit sama asingnya dengan membran intraseluler yang kaya GLUT4 dan sangat responsif terhadap aksi insulin. Pertimbangan ini menempatkan GLUT4 pada 2 bidang yang menarik- sinyal insulin dan membran pengangkutan.

GLUT4 merupakan kunci penentu homeostasis glukosa

Homeostasis

Sebuah peran sentral GLUT4 dalam metabolisme seluruh tubuh didukung kuat oleh berbagai rekayasa genetika model tikus di mana ekspresi transporter yang baik ditingkatkan atau terkikis pada otot atau jaringan adiposa atau keduanya. GLUT4 -/- seluruh tubuh tikus itu sendiri mungkin kurang informatif karena peningkatan regulasi mekanisme kompensasi yang dapat meningkatkan kelangsungan hidup hewan-hewan ini. Namun, GLUT4+/- tikus heterozigot menampilkan penurunan protein GLUT4 di otot dan jaringan adiposa yang menunjukkan adanya resistensi insulin seperti yang diharapkan dan kecenderungan ke arah diabetes yang konsisten dengan peran utama dari GLUT4 pada pembuangan glukosa. Menariknya, ekspresi yang terlalu berlenihan dari GLUT4 dalam otot rangka dari GLUT4 +/- hewan melalui penyilangan dengan tikus transgenic menormalkan sensitivitas insulin dan toleransi glukosa. Tikus transgenik mengekspresikan kadar tinggi GLUT4 di dalam jaringan adipose datu di dalam otot rangka yang pada gilirannya meningkatkan sensitivitas insulin dan toleransi glukosa.

Sebaliknya, kondisi kekurangan GLUT4 di dalam jaringan adiposa atau otot rangka menyebabkan resistensi insulin dan kejadian yang kurang lebih setara hewan dengan diabetes. Hal ini terutama mengejutkan dalam kasus terdahulu sejak jumlah jaringan adipose hanya untuk fraksi kecil dari pembuangan glukosa tubuh total. Jaringan dengan kehilangan GLUT4 yang spesifik ini menampilkan penurunan respon insulin di dalam jaringan adiposa dan hati, sementara dengan adanya kehilangan spesifik GLUT4 dalam jaringan adiposa menunjukkan resistensi insulin dalam otot dan hati. Sebagai contoh,otot tikus dengan defisiensi spesifik GLUT4 menunjukkan penurunan respon insulin dan hati. Pada otot tikus mati yang spesifik GLUT4, hal ini setidaknya sebagian diperantarai melalui tingkat peningkatan glukosa darah yang terjadi pada kondisi hewan mati, yang secara sekunder merusak sinyal insulin. Ekspresi yang sangat berlebihan dari GLUT4 dalam jaringan adiposa dari otot tikus yang kekurangan GLUT4 spesifik menghadapi intoleransi glukosa dan diabetes. Telah dilaporkan bahwa sebuah protein yang terikat retinol (RBP4) dilepaskan ke dalam serum dari jaringan adiposa yang kekurangan GLUT4 dan RBP4 tersebut mungkin berkontribusi terhadap resistensi insulin pada individu obesitas dan diabetes. Mekanisme yang mempengaruhi glukosa melalui GLUT4 mungkin bekerja pada integrasi metabolisme seluruh tubuh yang sudah pernah ditinjau.

Walalupun permukaan sel GLUT4 sangat bergantung pada insulin in vitro, reseptor insulin yang spesifik otot (MIRKO) atau spesifik adiposa (FIRKO) pada tikus mati menghasilkan fenotipe metabolik ringan dibandingkan dengan kondisi GLUT4 tikus mati yang dideskripsikan diatas. Tikus MIRKO mempunyai massa otot yang besar dengan peningkatan trigliserid serum dan asam lemak bebas, akan tetapi sebaliknya mempunyai homeostasis glukosa seluruh tubuh yang normal. Ambilan glukosa yang diperantarai insulin berkurang sangat banyak didalam otot MIRKO, tetapi tingkat glikogen otot normal, mengindikasikan kemungkinan mekanisme kompensasi untuk pemasukan glukosa. Tikus FIRKO mempunyai resistensi insulin berat dalam jaringan adiposa tetapi dilindungi dari intoleransi glukosa yang diinduksi oleh usia dan hiperfagia. Fenotip metabolik aktif oni mungkin hasil dari tambahan sekresi adiponektin dan leptin dan metabolisme lemak seluruh tubuh yang berkembang. Dengan demikian, GLUT4 di dalam otot dan jaringan adiposa diperlukan untuk

homeostasis glukosa normal secara keseluruhan, sementara reseptor insulin dalam jaringan ini muncul sangat sedikit akut.

Analisa dari model tikus diatas juga menyoroti potensi disosiasi diantara ambilan glukosa dengan sintesis trigliserid dan penyimpanan di dalam adiposit. Jaringan adiposa tikus yang spesifik kekurangan GLUT4 mempunyai massa lemak dan ukuran adiposit yang normal. Dengan tidak adanya pemasukan dan glikolisis glukosa yang kuat, sintesis trigliserid yang mengacu pada derivat substrat dari hati dan otot. Di lain pihak, kekurangan aksi insulin lipogenik dan antipolitik di dalam adiposit pada tikus FIRKO mengarah pada pengurangan massa lemak. Pemantauan ini sesuai dengan konsep bahwa adiposit merupakan tempat utama dari penyimpanan energi (trigliserid) tetapi bukan pembuangan glukosa, yang sebagian besar terjadi dalam otot. Jika ini masalahnya, mengapa ambilan glukosa yang diperantarai GLUT4 di dalam adiposit berkembang menjadi mekanisme akut untuk mempertahankan homeostatis glukosa seluruh tubuh? Mungkin jawaban dari pertanyaan ini adalah bahwa kadar GLUT yang diatur oleh insulin dalam membran plasma adiposa secara tertutup merefleksikan status nutrisi dan sensor energi yang sensitif dan dapat diandalkan.

Kontrol ekspresi GLUT4 endogen

Efek besar dari homeostasis glukosa seluruh tubuh diamati pada model tikus dengan defisiensi GLUT4 atau ekspresi berlebihan ditambah dengan pentingnya potensi fisiologis dari perubahan ekspresi GLUT4 endogen dalam keadaan berbeda. Contoh dari yang menarik adalah mekanisme penurunan (downregulation) dari ekspresi GLUT4 dalam jaringan adiposa pada obesitas dan peningkatan (upregulation) dari ekspresi GLUT4 pada otot rangka sebagai respon pada latihan fisik atau hormon tiroid. Ekspresi GLUT4 juga sangat menurun pada atrofi otot dan denervasi, sesuai dengan penurunan kebutuhan energi dalam kondisi ini. Sinyal dari sel saraf dalam bentuk neuregulin mungkin memperantarai beberapa dari efek ini. Perubahan tingkat protein GLUT4 ini dapat diterjemahkan mejadi perubahan toleransi glukosa jika efek ini diamati pada tikus trangenik menjadi fisiologi yang normal. Dengan demikian, strategi terapi mengacu pada tambahan ekspresi GLUT4 mungkin memfasilitasi penemuan obat. Untuk alasan mekanisme ini yang mengatur ekspresi GLUT4 sangat penting untuk diperjelas.

Ekspresi GLUT4 pada jaringan yang spesifik didalam jaringan adiposa, otot rangka, dan otot jantung, dan juga regulasinya dengan puasa dan makan ulang, dibuat dalam 2,4 kb segmen DNA pada regio 5’ dari gen GLUT4. Ekspresi spesifik untuk otot rangka, regionya diantara -522 dan 420 telah dibuat menjadi penting pada tikus transgenik. Regio ini mengandung domain pengikat faktor penambah miosit (MEF)2 pada -457 yang secara akut untuk ekspresi jaringan khusus dan peningkatan ekspresi GLUT4 selama regenerasi otot. Didekat regio yang sama ini telah diusulkan bahwa reseptor hormon tiroid dan mioD membentuk sebuah kompleks dengan MEF2 untuk mengatur ekspresi GLUT4. Bagaimanapun, modulasi ekspresi GLUT4 dengan denervasi tidak memperlihatkan kebutuhan regio ini. Domain lainnya yang diimplikasikan di dalam jaringan ekspresi spesifik yang disebut Domain I dan termasuk regio -742 sampai -712 berhubungan dengan letak inisiasi dari transkripsi. Faktor yang disebut GEF muncul untuk beroperasi pada regio ini berhubungan dengan MEF2A, tetapi diduga GEF 50kd identik dalam urutan pada segmen dari protein yang lebih besar (HDBP1) yang mengatur transkripsi dari polipeptida Huntington di otak.

Data ini dan data lainnya telah dibahas sebelumnya secara detail, dan menyarankan mode kompleks dari regulasi GLUT4 pada tingkat transkripsi yang sangat tidak dimengerti saat ini. Lebih lanjut, ada mekanisme yang secara selektif mengatur translasi atau degradasi dari protein GLUT4 atau mRNA yang tidak diketahui.

Sinyal mekanisme yang secara akut mengatur GLUT4

Insulin dan olahraga secara akut merangsang pelepasan GLUT4 pada permukaan sel-sel otot dan sel adiposa tidak bergantung pada transkripsi atau translasi. Namun demikian, kedua rangsangan fisiologis ini memulai sinyal mekanisme berbeda yang mengarah pada peningkatan translokasi GLUT4 dan penyerapan glukosa. Jalur sinyal insulin resmi yang dipicu oleh aktivasi tirosin kinase reseptor insulin (IR) menyebabkan fosforilasi reseptor tirosin dari protein substrat reseptor insulin (IRS) dan pengambilan PI 3-kinase, yang mengkatalisis konversi fosfatidil-inositol (P2) ke phosphatidylinositol P3 (PIP3). PIP3 pada gilirannya memicu aktivasi protein kinase Akt melalui aksi dua protein kinase intermediate, PDK1 dan Rictor/mTOR. Kebutuhan dari keseluruhan reaksi ini sebagian besar sudah dikonfirmasi secara in vivo mengunakan rekayasa model tikus, dan lebih terbaru dengan eksperimen siRNA pada sel kultur. Menariknya, Akt2 daripada Akt1 atau isoform Akt3 tampaknya mengontrol pengangkutan GLUT4 dalam adiposa dan sel-sel otot serta memperantarai sinyal insulin untuk mengontrol pengeluaran glukosa dalam hati, sedangkan isoform Akt1 muncul untuk mengontrol sel dan ukuran tubuh dan Akt3 mengontrol ukuran otak.

Substrat dari Akt2 yang dapat memperantarai efek insulin pada alat pengangkutan GLUT4 sedang aktif diselidiki. GTPase mengaktifasi protein TBC1D4, dinotasikan AS160, adalah substrat yang mengkatalisis inaktivasi protein Rab 2A, 8A, 10 dan 14 in vitro. Protein Rab mengurus pengangkutan membran intraseluler. Ekspresi dari mutasi AS160 yang kurang Akt di tempat spesifik fosforilasi menghambat insulin yang dirangsang translokasi GLUT4, menunjukkan bahwa AS160 merupakan regulator negatif yang dihambat oleh insulin melalui Akt. AS160 terikat pada IRAP telah didemonstrasikan, walaupun ada klaim kontradiktif sehubungan dengan apakah interaksi tersebut dimodulasi oleh fosforilasi Akt dari AS160. Penting juga bahwa interaksi AS160 dengan protein 14-3-3 bergantung pada fosforilasi Akt dari residu Thr642-nya. AS160 memainkan peran dalam eksositosis GLUT yang distimulasi insulin tetapi tidak menginhibisi endositosis GLUT4. Penurunan RNAi dari AS160 meningkatkan kadar basal GLUT4 pada permukaan adiposit, sesusai dengan maksud perannya didalam retensi GLUT4 intraseluler yang dibebaskan selama stimulasi insulin. Bagaimanapun, penurunan AS160 hanya melepaskan sebagian kumpulan dari GLUT4 intraseluler yang dimobilisasi oleh insulin, dan analisis secara hati-hati menyarankan bahwa substrat protein Akt lainnya yang tidak diketahui harus menjadi kontribusi utama terhadap keseluruhan regulasi GLUT4 oleh insulin.

Kontraksi otot juga meningkatkan fosforilasi AS160, tapi dilakukan juga oleh mekanisme independen PI 3-kinase. Kontraksi yang diinduksi AS160 fosforilasi diperantarai melalui jalur AMPK, memberikan potensi konvergensi insulin dan latihan-menengahi sinyal untuk GLUT4. Sebaliknya, secara simultan sekaligus mengganggu AMPK dan Akt sehingga gagal untuk benar-benar menghambat kontraksi yang disebabkan fosforilasi AS160, konsisten dengan sinyal tambahan mengacu pada translokasi GLUT4. Menariknya, kalmodulin terikat pada AS160 dalam Ca2+ secara dependent, dan pengobatan sel T dengan kalsium ionofor meningkatkan kadar AS160 mRNA Selanjutnya, tampak bahwa AS160 adalah target penyakit metabolik yang berkaitan dengan resistensi insulin. Insulin yang distimulasi fosforilasi AS160 terganggu pada otot rangka pasien dengan diabetes tipe II dan sebagai respon terhadap TNF-. Selanjutnya, pada otot rangka tingkat pertama pada pasien diabetes, korelasi antara fosforilasi AS160 dan ambilan glukosa menghilang, memprediksikan peningkatan risiko untuk timbulnya penyakit. Namun, kadar insulin yang diinduksi translokasi GLUT4 dalam otot rangka tipe II pada pasien diabetes biasanya berkurang ~90% sedangkan penurunan koresponden pada fosforilasi AS160 menurun hanya ~39%. Dengan demikian, komponen lain dari alat translokasi GLUT4 kemungkinan besar juga terganggu pada pasien diabetes, dan belum jelas apakah defek fosforilasi AS160 berkontribusi secara fungsional pada resistensi insulin.

Bukti substansial juga menunjukkan PKCl / atipikal bertindak menurunkan PI 3-kinase untuk menyampaikan sinyal insulin untuk translokasi GLUT4. Akan Tetapi, ada hasil yang bertentangan dengan penggunaan RNAi mengenai pentingnya PKCl / pada ambilan glukosa yang dirangsang insulin dalam adiposity. Dengan demikian, peran yang tepat dari PKCl / atipikal dalam pengaturan GLUT4 perlu diklarifikasi lebih lanjut, mungkin dari jaringan-spesifik tikus mati. Sebuah jalur PI- 3-kinase-independent yang diusulkan termasuk protein komponen APS, c-CBL, CAP, CrkII / C3G, dan TC10 juga telah diusulkan untuk beroperasi secara paralel dengan PI 3-kinase sebagai mekanisme yang diperlukan yang mendorong translokasi GLUT4. Memang, bukti yang baik menunjukkan bahwa APS dan CAP protein melakukan asosiasi dengan kompleks reseptor insulin. Namun, siRNA yang diperantarai sel membungkam beberapa zat yang diduga dari jalur sinyal ini pada adiposit 3T3-L1 telah menolak hipotesis ini, dan data lain menunjukkan TC10 tidak mendorong translokasi GLUT4 pada kultur sel-sel otot. Selain itu, ablasi gen APS atau c-CBL pada tikus benar-benar meningkatkan sensitivitas insulin di jaringan perifer, sesuai dengan ide bahwa protein ini bertindak bukan sebagai regulator negatif dari jalur sinyal insulin. Dengan demikian, APS mungkin terlibat dalam endositosis reseptor insulin, proses yang berpotensi diatur oleh Akt. Mungkin TC10 berfungsi mengendalikan aktin yang secara sekunder memfasilitasi gerakan GLUT4 di adiposit 3T3-L1, tetapi apakah hal ini terjadi pada adiposit primer masih tidak diketahui. Fakta bahwa ekspresi ektopik dalam adiposit dari bentuk Akt yang diaktifkan saja merangsang translokasi GLUT4 sesuai dengan konsep bahwa PI 3-kinase mungkin cukup untuk translokasi GLUT4. Namun, diungkapkan Akt bisa memiliki efek pengganggu dalam percobaan dan selanjutnya seperti data yang diperlukan untuk menjelaskan hal ini.

PI 3-kinase juga memperantarai sinyal insulin untuk mengatur GLUT4 pada otot rangka. Selain itu, kontraksi otot akut meningkatkan kadar transporter GLUT4 di sarkolema dan T-tubulus, dan tambahan pada efek stimulasi insulin. Kontraksi otot dan stimulasi insulin yang disarankan untuk menargetkan pemisahan pool GLUT4 intraseluler yang mengandung membran, dan bukti yang meyakinkan telah menetapkan bahwa proses ini diatur oleh berbagai mekanisme sinyal. Dua konsekuensi seluler dari kontraksi otot, peningkatan sementara konsentrasi kalsium intraseluler ([Ca2+]i) dan peningkatan rasio [AMP]/[ATP], diperkirakan berkontribusi untuk meningkatkan translokasi GLUT4 ke permukaan sel. Sinyal yang terdahulu dimediasi melalui aktivasi dari CaMKII protein kinase dan mungkin protein kinase C biasa. Sebagai tambahan, Ca2+/CaM tampaknya mengaktifkan jalur sinyal AMPK melalui peningkatan CaMKK dan kinase, setidaknya dalam urutan sel kultur dan irisan otak ex vivo. AMPK bertindak sebagai pengukur energi sel yang allosterik diaktifkan dengan meningkatkan rasio [AMP]/[ATP] dan mungkin mekanisme lain. Hal ini mengubah AMPK menjadi substrat yang lebih baik setidaknya pada satu dari peningkatan kinase aktivator, misalnya, LKB1, atau substrat yang berpotensi buruk untuk salah satu dari fosfatase-nya. Glikogen otot tampaknya mempunyai potensi regulasi negative pada aktivitas AMPK , sehingga memberikan mekanisme umpan balik negatif untuk penyerapan glukosa yang diperantarai AMPK. Substrat penting (''efektor'') yang memperantarai penurunan translokasi GLUT4 dari protein kinase ini tidak diketahui.

Peran AMPK penyerapan glukosa kontraksi yang disebabkan telah dipertanyakan. Ekspresi berlebihan dari otot tertentu dari subunit katalitik dominan penghambatan AMPK (yaitu, 2-AMPK: isoform katalitik utama dalam otot rangka) mengurangi penyerapan glukosa yang diperantarai oleh kontraksi hanya 30%-40%. Namun, sebuah laporan baru-baru ini menunjukkan bahwa bahkan efek sederhana dapat dijelaskan dengan penurunan nilai generasi paksa oleh otot transgenik. Di sisi lain, pemeriksaan otot rangka yang diisolasi dari 1-AMPK atau 2-AMPK seluruh tubuh tikus mati menyatakan bahwa dengan tidak adanya subunit 2, domain katalitik 1 mungkin meperantarai ambilan glukosa yang disebabkan kontraksi. Selain itu, delesi LKB1 pada

otot (peningkatan AMPK kinase utama di otot) menghambat penyerapan glukosa yang disebabkan kontraksi, yang tidak dapat dijelaskan dengan penurunan paksa kekuatan otot. Namun, karena LKB1 juga berfosforilasi dan mengaktifkan banyak AMPK kinase lainnya, keterlibatan AMPK masih tidak jelas. Menariknya,penurunan LKB1 pada otot tertentu pada tikus mati telah meningkatkan sensitivitas insulin dan meningkatkan homeostasis glukosa seluruh tubuh, menunjukkan AMPK juga mengatur jalur sinyal insulin in vivo. Meskipun demikian, ambilan glukosa otot ditingkatkan sebagai tanggapan aktivasi AMPK oleh AICAR (yaitu, analog AMP) tidak menambahkan dengan yang dicapai melalui kontraksi otot, menunjukkan AMPK adalah komponen dari sinyal mekanisme kontraksi. Seperti dibahas di atas, jalur sinyal yang diperantarai Ca2+/CaM juga mengarahkan translokasi GLUT4. Baru-baru ini, peningkatan pada Ca2+ sitosol ditemukan menginduksi pelepasan metaloprotein yang diperantarai neuregulin, yang mengaktifkan reseptor tirosin kinase ErbB4. Yang penting, pemblokiran aktivasi ErbB4 mengganggu kontraksi yang disebabkan oleh penyerapan glukosa dalam serat otot bergerak lambat dimana sinyal alternatif AMPK minimal. Selain itu, depolarisasi sel otot meningkatkan GLUT4 permukaan melalui pengurangan endositosis yang bergantung aktivitas AMPK. Dengan demikian, bukti yang ada menunjukkan jalur yang diperantarai AMPK mungkin salah satu dari beberapa mekanisme sinyal kontraksi berlebihan yang disebabkan untuk mengarahkan translokasi GLUT4 ke permukaan sel.

Berbagai sinyal stres selular lain juga meningkatkan penyerapan glukosa di otot rangka. Hipoksia dan inhibitor metabolisme sel (misalnya, penghambat glikolisis arsenat; elektron transportasi inhibitor rotenone; fosforilasi oksidatif uncoupler 2,4-dinitrofenol) sinyal setidaknya sebagian melalui AMPK dengan mengurangi pasokan energi sel dan meningkatkan rasio AMP/ATP. Hiperosmolaritas juga mendorong translokasi GLUT4 dengan mengaktifkan AMPK di otot atau dengan mengaktifkan jalur sinyal tergantung Gab-1 dalam adiposit. Menariknya, syok osmotik juga mengaktifkan PIKfyve, baru-baru ini diidentifikasi sebagai substrat Akt.Produk lipid dari aktivitas PIKfyve [yaitu, PtdIns(5)P] telah ditunjukkan untuk mendorong eksositosis GLUT4 ke membran plasma adiposit. Secara paradoks, stres hiperosmotik kronik menghasilkan resistensi insulin pada adioposit terisolasi atau kultur, yang tampaknya diperantarai melalui jalur sinyal mTOR. Terobosan terbaru dalam sinyal mTOR telah mengungkapkan mekanisme umpan balik negatif yang rumit yang menargetkan insulin dan jalur sinyal AMPK. Selain itu, gangguan respon dari GLUT4 ke jalur sinyal insulin terjadi pada obesitas dan diabetes melalui kegiatan asam lemak, sitokin, dan retikulum endoplasma respon stress. Regulator negative ini muncul untuk bertindak sebagian melalui aktivasi stres protein kinase yang memfosforilasi protein IRS pada residu serin, sehingga pelemahan fosforilasi tirosin dari IRS oleh insulin. Mekanisme rinci di mana resistensi insulin dapat dirangsang pada obesitas dan diabetes baru-baru ini telah dibahas.

Langkah pengaturan dalam daur ulang membran dari GLUT4

GLUT4 yang baru disintesis dan diglikosilasi memasuki jalur daur ulang secara terus-menerus yang berkonsentrasi sebagian besar dalam sistem membran intraseluler pada adiposit atau sel otot yang tidak distimulasi. Insulin secara nyata merangsang jalur eksogen GLUT4, sementara secara signifikan juga menghambat endositosis yang dari PM, yang bersama-sama menyebabkan redistribusi keseluruhan GLUT4 ke permukaan sel. Baru-baru ini, Blot dan McGraw, 2006 melaporkan bahwa endositosis GLUT4 di sel-sel yang tidak terstimulasi terjadi sebagian besar melalui sebuah jalur yang bergantung kolestrol, jalur adapter clathrin AP-2-independent, sedangkan insulin secara selektif menghambat jalur ini. Dengan demikian, daur ulang GLUT4 dalam adiposit dan otot yang dirangsang insulin mungkin kasus khusus yang tergantung jalur daur ulang klatrin yang terjadi pada semua sel, dipelajari secara baik mengacu pada reseptor transferin (TFR). Besi yang terikat pada transferin (Tf) diambil oleh TFR dan diendositosis melalui mekanisme yang diperantarai klatrin dalam membran plasma (PM) yang membutuhkan Rab5 GTPase. Vesikel baru

yang diendositosis bergabung satu sama lain untuk membentuk jenis endosom/endosom awal (SE/EE) atau dikirim langsung untuk SE/EE yang sudah ada. Protein atau lipid dapat dengan cepat didaur ulang kembali ke permukaan sel melalui struktur tubular yang sempit berasal dari SE/EE. SE/EE adalah struktur sementara yang muncul secara bertahap menjadi matur menjadi endosom lanjutan (LE) untuk membentuk lisosom (LY). Selama proses ini, ion besi memisahkan diri dari Tf-TFR di lingkungan luminal yang makin asam, sedangkan reseptor diurutkan ke ruang endosom daur ulang (ERC) melalui struktur tubular-vesikular. ERC adalah organel seluler stabil, darimana TFR lolos dengan tingkat lebih lambat dari laju masuknya. Dalam kasus adiposit, yang sangat responsif terhadap insulin, khusus penyerapan kompartemen GLUT4 (GSV) diperkirakan menjadi penurunan ERC. Otot rangka dan jantung memiliki struktur sistem membrane yang unik dimana proses pengangkutan GLUT4 yang sensitif terhadap insulin, tetapi mekanisme stimulasi translokasi GLUT4 ke permukaan sel mungkin sangat mirip. Membran GSV dalam adiposit yang selektif menyerap GLUT4 dan beberapa protein lain seperti IRAP dapat secara eksperimental dibedakan dari ERC. Konsep ini berasal dari studi yang menggunakan transferring yang dikonjugasi peroksidase lobak pedas (Tf-HRP) untuk mengikis kompartemen membran merupakan jalur umum daur ulang. Oleh karena itu ditemukan bahwa kultur adiposity yang tidak terstimulasi, lebih dari 50% dari GLUT4 intraseluler yang lolos dari ablasi Tf-HRP, tampaknya dengan lokalisasi dalam membran khusus (GSV) yang sensitif terhadap insulin. Transisi dari endositosis GLUT4 dari endosom ke GSV dapat dipantau dengan ablasi Tf-HRF yang tergantung waktu, yang dibantu oleh Rab11 dan membutuhkan sinyal penyusunan FQQI pada GLUT4 N terminal.

Menariknya, GLUT4 terakumulasi dengan TFR di ERC ketika secara eksogen diekspresikan dalam fibroblas, dan selanjutnya pengeluaran GLUT4 dan TFR ke PM dapat dirangsang oleh insulin. Namun demikian, GLUT4 lebih efektif keluar dari TFR dan bereaksi lebih kuat terhadap stimulasi insulin, sebagian karena dileusin yang menyusun bentuk di ujung COOH GLUT4. Selanjutnya, TFR dan GLUT4 diurutkan ke dalam ERC melalui mekanisme yang berbeda dan lolos dalam vesikel sekretorik yang berbeda, menunjukkan urutan unik GLUT4 bahkan dalam fibroblas. Fakta bahwa ERC juga mungkin berkontribusi terhadap ambilan glukosa yang meningkat terhadap insulin didalam sel adiposa dan otot, dibuktikan oleh sensitivitas terhadap insulin TFR, menunjukkan bahwa GSV bisa berubah asal dari endosom daur ulang untuk membuat sensitivitas insulin yang lebih besar untuk sel-sel ini. Perlu juga dicatat bahwa jalur daur ulang langsung yang cepat dari SE/EE ke PM ditetapkan untuk daur ulang TFR belum diuji respon potensinya terhadap insulin.

Beberapa studi telah menetapkan GSV sebagai target utama mobilisasi yang diperantarai insulin-mediated pada jaringan yang sensitif terhadap insulin. Lebih Lanjut, bukti terbaru mendukung konsep bahwa GLUT4 terus mendaur ulang melalui kompartemen ini, meskipun lambat dalam keadaan basal, sebagai dibandingkan yang disimpan dalam sebuah tempat statis yang tidak dalam kesetimbangan dengan PM. Secara biokimia, penanda endosomal umum kekurangan GSV seperti TFR, Rab4, annexin II dan cellubrevin, tetapi diperkaya GLUT4 (tapi bukan GLUT1), IRAP dan protein VAMP2 v-snare. Semuanya merupakan subpopulasi vesikel yang mengandung GLUT4 yang dapat diisolasi berdasarkan kurangnya konten cellugyrin dan sebagian besar sensitif terhadap mobilisasi insulin. Ada juga masalah yang sedang berlangsung tentang apakah TGN sendiri adalah kompartemen GSV. Keberadaan transportasi retrograde dari endosom ke TGN yang digunakan oleh protein MPR TGN, furin dan TGN38 mendukung hipotesis TGN. Mikroskop elektron menunjukkan populasi GLUT4 yang cukup besar terletak di endosom-endosom dan TGN. Berdasarkan analisis kolokalisasi kuantitatif antara GLUT4 dan CD-MPR (tergantung reseptor kation manosa-6-fosfat) sebelum dan setelah stimulasi insulin, mengusulkan bahwa TGN berinteraksi dengan endosom-endosom daur ulang untuk menghasilkan GSV. Setelah melewati kompartemen endosomal di 3T3-

L1 adiposit, GLUT4 rupanya melakukan transit ke dalam struktur perinuklear vesikular-tubular yang sebagian diberi label oleh endosom/sintaksis 6 dan 16 TGN t-SNAREs. Sintaksis ini tampaknya penting untuk mengangkut GLUT4 ke GSV, dan menargetkan bentuk asam dekat dileucine pada COOH terminus GLUT4 diusulkan menjadi penyusun sinyal yang terlibat dalam proses ini. Di sisi lain, endositosis GLUT4 melokalisasi sangat buruk terhadap TGN38 dan furin, menunjukkan bahwa TGN memainkan peran minimal dalam daur ulang GLUT4 intraseluler.

Hasil yang tampaknya bertentangan ini bisa disebabkan kompleksitas dalam organisasi TGN, sehingga hasil pengangkutan GLUT4 melalui subdomain dari TGN yang diberi label oleh CDMPR, sintaksis 6 dan 16, tetapi tidak oleh TGN38 dan furin. Hal tersebut juga diketahui bahwa morfologi dan fungsi Golgi/TGN berubah secara dramatis tergantung pada jenis sel dan keadaan fisiologis. Dengan demikian, di adiposit khusus batas antara TGN dan endosom dapat diubah dan protein TGN konvensional dapat melakukan peran diluar pengangkutan klasik TGN. Misalnya, protein snare Vti1a terlibat dalam pengangkutan vakuola-TGN ragi tetapi berinteraksi dengan sintaksis 6 dan 16 pada pengangkutan endosom-TGN dalam sel Hela. Vti1a adalah protein konstitutif pada GLUT4 yang mengandung membran, dan kolokalisasi ekstensif dengan GLUT4 di struktur perinuklear dalam basal 3T3-L1 adiposit. Namun, Vti1a benar-benar dipisahkan dari Golgi/protein TGN lain seperti b-COP, p115 dan g-adaptin, dan lokalisasi intraseluler yang tidak terganggu oleh Golgi spesifik brefeldin obat A. Sebaliknya Vti1 diperlukan untuk translokasi GLUT4 yang dirangsang insulin, fungsi yang sesuai dengan lokalisasi Vti1a-b di vesikula sinaptik otak. Meskipun demikian, tampak bahwa apa pun sifat penyerapan kompartemen GLUT4 yang sensitif insulin, tidak statis mempertahankan GLUT4 terus menerus dari daur ulang yang dinamis bahkan dalam keadaan basal.

Meskipun tidak jelas apakah TGN berfungsi sebagai kompartemen penyerapan yang sensitif insulin untuk GLUT4, TGN muncul untuk berfungsi dalam transit ke kompartemen GSV. Golgi-local -ear mengandung protein pengikat Arf (GGAs) merupakan famili adapter untuk mantel perakitan clathrin yang mendefinisikan subpopulasi vesikel transportasi yang terlibat dalam pengangkutan endosom TGN. Yang penting, protein GGA rupanya berfungsi dalam pemilahan efektif GLUT4 dan IRAP baru yang disintesis ke GSVs di adiposit, yang terjadi sebelum molekul-molekul ini memasuki jalur daur ulang GLUT4. GSV merupakan komponen penting dari diferensiasi adiposit, dan dibantu oleh sortilin, protein membran pada GSV. Selain itu, GGA juga terlibat dalam regenerasi GSV yang distimulasi insulin. Protein kargo diakui oleh GGA memiliki bentuk penyusunan dileucin pada domain sitoplasma-nya. Sesuai dengan bentuk dileusin fungsional di IRAP. p115, juga anggota dari keluarga protein Golgi yang berhubungan dengan Golgi tersebut, dengan GLUT4 dalam struktur perinuklear melalui interaksi dengan N terminal dari IRAP. Ekspresi dari p115 N terminal menyebarkan lokalisasi GLUT4 perinuklear dan menghambat translokasi GLUT4 yang dirangsang insulin. Baru-baru ini, Golgi-160 telah terbukti fungsinya pada langkah di jalur biosintesis GLUT4 sebelum untuk GGA tergantung susunan ke GSV.

Domain homologi eps15 (EH) yang mengandung protein adalah komponen penting dari alat molekuler yang mengatur penyusunan dan pengangkutan membran intraseluler. Sel mamalia mengandung subset dari protein ini dengan EH-domain yang terletak pada COOH terminus (EHD1-EHD4). EHD2 berada pada GLUT4 yang mengandung membran dalam adiposit primer, dan EHD1 sebagian kolokalisasi dengan GLUT4 dalam struktur perinuklear dari 3T3-L1 adiposit. Fungsi EHD2 di clathrin yang diperantarai Tf-TFR dan endositosis GLUT4, sedangkan EHD1 penting untuk penyerapan GLUT4perinuklear dan juga mungkin memainkan peran dalam menghasilkan GSV. Efek ini berada dibagian dimediasi oleh EHBP1 (EH-domain mengikat protein 1), yang mengikat ikatan aktin melalui domain CH dan untuk EHD1/EHD2 melalui bentuk NPF. Yang penting, penurunan RNAi dari EHBP1 sepenuhnya menghambat translokasi GLUT4 yang dirangsang insulin di kultur adiposit, menghasilkan fenotip penghambatan yang kuat dari penurunan

Akt dalam sel yang sama. EHD1 juga diperlukan untuk eksositosis kompleks histokompatibilitas I dan regulator konduktansi fibrosis kistik transmembran. Menariknya, EHD1 ditunjukkan untuk berinteraksi dengan Rab11 efektor Rab11- FIP2, dan Rab11 diketahui berfungsi di eksositosis GLUT4. Dengan demikian, EHD1, Rab11 dan Rab11-FIP2 dapat berkoordinasi dalam pemilahan intraseluler dan pengangkutan endositosis GLUT4 di adiposit.

Gambaran TIRF diterapkan pada Daur Ulang GLUT4

Konsep bahwa sinyal insulin menyebabkan perekrutan GLUT4 ke daerah dekat PM dari GSV intraseluler dan ERC baru-baru ini didukung oleh jumlah fluoresensi pantulan internal (TIRF) mikroskop. Teknik ini menggambarkan wilayah sekitar 100-250nm dari permukaan luar PM ke dalam sitoplasma, dan menungkapkan bahwa insulin merangsang tingkat GLUT4 total di wilayah adiposit ini 2 sampai 3 kali lipat. Hal ini meningkatkan GLUT4 di zona TIRF termasuk GLUT4 yang tergabung ke dalam PM serta GLUT4 pada membran bawah vesikel atau merapat ke PM. Resolusi tinggi mikroskop TIRF kini menjelaskan secara padat bahwa sinyal langsung insulin memodulasi mekanisme fusi membran PM yang melengkapi eksositosis GLUT4 dalam menanggapi insulin. Langkah penggabungan yang diperantarai insulin dan langkah-langkah perekrutan/docking yang dirangsang insulin, keduanya tergantung pada kegiatan PI 3-kinase. Penghambatan Akt sangat mengurangi GLUT4 di zona TIRF, yang mencerminkan perannya dianggap dalam menengahi perekrutan/docking GLUT4 mengandung vesikel dalam menanggapi insulin.

Menariknya, ada terus perdebatan tentang persyaratan Akt untuk langkah fusi pengangkutan GLUT4 ke PM. Tingkat fusi membran GLUT4 mengandung vesikel relatif terhadap jumlah GLUT4 di Zona TIRF tampaknya lebih besar ketika Akt dihambat daripada ketika PI 3-kinase terhambat dalam penelitian oleh Gonzalez dan McGraw, 2006. Namun, hasil ini berdasarkan penggunaan inhibitor molekul kecil dan analisis harus dikonfirmasi lebih lanjut oleh eksperimen tambahan. Memang, pemulihan GLUT4 mengandung vesikel fusi dengan PM dalam sistem sel bebas tampaknya membutuhkan Akt. Hal ini juga harus dicatat bahwa mekanisme yang dapat berkontribusi pada peningkatan GLUT4 di zona TIRF dalam menanggapi insulin termasuk mobilisasi intraseluler GSV, gerakan pada mikrotubulus atau aktin, protein motor, atau bahkan pembentukan GLUT4 baru yang mengandung membran. Potensi mekanisme retensi intraseluler GLUT4 lainnya adalah berbagi sensitif insulin melalui protein TUG. Mekanisme potensial ini semua memerlukan penyelidikan lebih lanjut untuk menentukan dengan ketat kontribusinya untuk perekrutan GLUT4 ke zona TIRF atau docking sebelum langkah fusi. Pendekatan sangat menarik untuk mengungkap mekanisme perekrutan GLUT4 ke zona TIRF adalah untuk mengidentifikasi tambahan substrat Akt yang diduga dapat memediasi efek ini.

Mekanisme yang mengatur fusi membran vesilkel yang mengandung GLUT dengan PM tetap sulit dipahami PM mengandung kedua mesin untuk inisiasi sinyal insulin dan tempat untuk fusi GLUT4 vesikel eksositik dan GLUT4 tergantung clathrin dan endositosis bergantung kolesterol. Protein snare inti (yaitu,VAMP2, syntaxin 4 dan SNAP23) mediasi fusi vesikel GLUT4 eksositik dengan PM telah ditandai dengan baik, dan beberapa protein snare terkait berpotensi mengatur pembentukan snare inti telah diidentifikasi (yaitu, Munc18c, synip, tomosyn). Hasil ini dirangkum dalam tinjauan baru-baru ini. Sebagai tambahan, kompleks eksokista telah diusulkan untuk berfungsi dalam pembagian vesikel eksositik GLUT4. Baru-baru ini, mikroskop dua warna TIRF yang mampu menggambarkan peristiwa pengangkutan membran pada 10 frame per detik (fps) dan pada resolusi spasial mendekati batasan optik (yaitu, 259 nm pada 488 nm eksitasi laser) telah digunakan untuk menggambarkan peristiwa docking dan fusi GLUT4. Alat gambar-analisis terbaru telah dikembangkan untuk memproses ribuan gambar TIRF diperoleh dari percobaan tunggal. Analisis peristiwa fusi ratusan vesikel menunjukkan bahwa insulin menstimulasi frekuensi fusi

vesikel GLUT4 4 kali lipat sementara secara signifikan pemendekan jangka waktu penarikan/ docking vesikel sebelum fusi membran. Kesimpulan ini juga telah baru-baru ini dilaporkan oleh Bai et al.,2007, dengan menggunakan berbagai jenis analisis berbasis TIRF. Aksi insulin ini juga terkait dengan imobilisasi GLUT4 yang mengandung struktur di bidang TIRF, yang sebagian besar disebabkan untuk akumulasi endositik GLUT4 dalam mantel statis clathrin di PM. Data yang tersedia sampai saat ini sangat mendukung beberapa efek langsung dari insulin pada pergerakan GLUT4 mendekat ke PM serta efek langsung insulin pada satu atau lebih langkah dari proses docking dan fusi di PM.

Kesimpulan

Peran GLUT4 sebagai regulator dominan seluruh tubuh untuk homeostasis glukosa sekarang sudah lebih stabil, berdasarkan banyak rekayasa genetika model tikus dari GLUT4 yang berlebihan atau kekurangan. Data ini memperkuat konsep, baik perubahan akut atau jangka panjang GLUT4 berlebihan pada permukaan sel adiposa atau sel-sel otot bisa memicu perubahan sistemik dalam pembuangan glukosa in vivo. Perubahan tersebut meliputi penurunan ekspresi GLUT4 dalam adiposit pada obesitas dan peningkatan ekspresi GLUT4 dalam sel lemak dan sel-sel otot sebagai tanggapan dari berolahraga. Namun, kami masih pada tahap awal memahami mekanisme molekuler yang mendasari ekspresi GLUT4 pada jaringan tersebut. beberapa faktor transkripsi yang terlibat dalam regulasi mRNA GLUT4 diidentifikasi, tetapi peran yang tepat mereka dalam berbagai keadaan fisiologis mengubah ekspresi GLUT4 perlu diklarifikasi lebih lanjut dalam model tikus transgenik. Regulator transkripsi lainnya juga mungkin memainkan peran penting dan tetap ditemukan. Kemajuan yang signifikan dalam memahami jalur daur ulang membran GLUT4 telah dibuat, termasuk identifikasi substrat RabGAP (AS160) dari insulin yang sensitive protein kinase Akt yang dapat membantu menahan GLUT4 eksositosis di negara basal. Substrat lain yang tidak diketahui juga kemungkinan memainkan peran, dan identifikasi mereka sangat penting untuk kemajuan. Penerapan teknik pencitraan baru untuk GLUT4 daur ulang juga telah menghasilkan penting wawasan baru, termasuk hipotesis bahwa kedua Akt-dependent dan langkah-langkah Akt-independen hilir PI 3-kinase mungkin terlibat. Yang penting, sekarang jelas yang beberapa langkah di jalur pengangkutan GLUT4 yang diatur oleh insulin, dan bahwa respon keseluruhan GLUT4 terhadap insulin adalah kombinasi. Sebagai contoh, TIRF mikroskop telah menunjukkan efek langsung dari sinyal insulin pada kedua pergerakan GLUT4 dari intraseluler situs untuk jarak dalam waktu sekitar 200nm dari PM juga seperti pada kinetika GLUT4 mengandung docking vesikel dan fusi. Kemampuan untuk memvisualisasikan GLUT4 daur ulang dan langkah docking / fusion oleh teknologi pencitraan seperti mengungkapkan kompleksitas menarik kita hadapi karena setiap dari banyak traffic langkah ficking yang dibedah dan dianalisis dalam studi masa depan.