574 mecanismos moleculares de resistência à insulina na

Transcrição

MECANISMOS MOLECULARES DE RESISTÊNCIA
ZECCHIN HG e cols.
Mecanismos moleculares
de resistência à insulina
na síndrome metabólica
À INSULINA NA SÍNDROME METABÓLICA
HENRIQUE GOTTARDELLO ZECCHIN, JOSÉ BARRETO CAMPELLO CARVALHEIRA,
MARIO JOSÉ ABDALLA SAAD
Departamento de Clínica Médica — Faculdade de Ciências Médicas —
Universidade Estadual de Campinas — UNICAMP
Endereço para correspondência: Cidade Universitária “Zeferino Vaz” —
Barão Geraldo — CEP 13081-970 — Campinas — SP
A insulina é um hormônio anabólico com efeitos metabólicos potentes. Os eventos que ocorrem após a ligação da insulina são específicos e estritamente regulados. Definir as etapas que levam à especificidade desse sinal representa um desafio
para as pesquisas bioquímicas, todavia podem resultar no desenvolvimento de novas abordagens terapêuticas para pacientes que sofrem de estados de resistência à
insulina, especialmente a síndrome metabólica, que compreende o diabetes do tipo
2. O receptor de insulina pertence a uma família de receptores de fatores de crescimento que têm atividade tirosina quinase intrínseca. Após a ligação da insulina, o
receptor sofre autofosforilação em múltiplos resíduos de tirosina. Isso resulta na
ativação da quinase do receptor e na conseqüente fosforilação em tirosina de uma
família de substratos do receptor de insulina (IRS). De forma similar a outros fatores
de crescimento, a insulina usa fosforilação e interações proteína-proteína como ferramentas essenciais para transmitir o sinal. Dessa forma, o sinal é transmitido do
receptor ao efetor final, promovendo a translocação de vesículas contendo transportadores de glicose (GLUT4) do conteúdo intracelular para a membrana plasmática,
a ativação da síntese de glicogênio e de proteínas, e a transcrição de genes específicos.
Palavras-chave: fosforilação em tirosina, tirosina quinase, ação insulínica, resistência à insulina, receptor de insulina, substratos do receptor de insulina.
(Rev Soc Cardiol Estado de São Paulo 2004;4:574-89)
RSCESP (72594)-1447
INTRODUÇÃO
Após a descoberta da insulina por Banting e Best,
em 1922(1), o diabetes foi considerado uma doença causada exclusivamente pela deficiência da secreção desse hormônio. Dez anos depois, Himsworth notou variações nas respostas de pacientes diabéticos à insulina
e sugeriu que a redução da sensibilidade à insulina, e
não sua deficiência, constituía o mecanismo fisiopatológico central em muitos diabéticos(2). Essa idéia permaneceu desacreditada até o desenvolvimento do ra-
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dioimunoensaio(3-5), que comprovou definitivamente que
pacientes com diabetes iniciado na vida adulta tinham,
na realidade, altos níveis de insulina circulante. Estudos posteriores(6-9) sedimentaram as bases para a idéia
de que a resistência à insulina é essencial para o desenvolvimento do diabetes do tipo 2.
Clinicamente, a síndrome de resistência à insulina,
também conhecida por síndrome X ou síndrome metabólica, compreende um espectro de distúrbios, com a
hiperglicemia representando uma das características
mais importantes do diagnóstico. Essas alterações
Rev Soc Cardiol Estado de São Paulo — Vol 14 — No 4 — Julho/Agosto de 2004
metabólicas incluem resistência à insulina com ou
sem diabetes melito do
ZECCHIN HG e cols.
tipo 2, hipertensão arteriMecanismos moleculares
al, obesidade (especialde resistência à insulina
mente central ou androgêna síndrome metabólica
nica), dislipidemia, disfunção endotelial e doença
cardiovascular acelerada,
além da presença de partículas pequenas e densas
de LDL, hipercoagulabilidade, hiperuricemia e síndrome de ovários policísticos
(anovulação crônica e hiperandrogenismo)(9, 10). A anormalidade central associada à síndrome metabólica
parece ser a resistência dos tecidos periféricos à insulina, a qual pode ser definida como um estado de resposta biológica subnormal aos níveis circulantes de
insulina.
A insulina é um hormônio polipeptídico anabólico
produzido pelas células beta do pâncreas, cuja síntese
é ativada pelo aumento dos níveis circulantes de glicose e aminoácidos após as refeições. A insulina age em
vários tecidos periféricos, incluindo músculo, fígado e
tecido adiposo. Seus efeitos metabólicos imediatos incluem: aumento da captação de glicose, principalmente nos tecidos muscular e adiposo, aumento da sínte-
se de proteínas, ácidos graxos e glicogênio, bem como
bloqueio da produção hepática de glicose (via diminuição da neoglicogênese e glicogenólise), da lipólise e
da proteólise. Além disso, a insulina tem efeitos tardios
na expressão de genes e síntese protéica, assim como
na proliferação e na diferenciação celulares. Outras
funções da insulina incluem o aumento da produção
de óxido nítrico no endotélio, a prevenção da apoptose
ou morte celular e a promoção da sobrevida celular.
Para que sejam compreendidos os mecanismos moleculares da resistência à insulina da síndrome metabólica, é necessário inicialmente descrever como a insulina transmite seu sinal no meio intracelular desde
seu receptor até os efetores finais. A compreensão das
etapas moleculares da sinalização de insulina pode proporcionar novas abordagens terapêuticas para estados
de resistência à insulina, incluindo obesidade, diabetes melito do tipo 2, hipertensão arterial e intolerância
à glicose associada a diversas endocrinopatias.
ETAPAS INICIAIS DA SINALIZAÇÃO INSULÍNICA
O receptor de insulina
A Figura 1 mostra um esquema simplificado das etapas de sinalização intracelular desde a ligação da insulina a seu receptor até a ativação do transporte de
glicose. Os eventos que ocorrem após a ligação da in-
Figura 1. Vias de sinalização da insulina.
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sulina a seu receptor são
altamente regulados e específicos(11). A sinalização
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intracelular da insulina coMecanismos moleculares
meça com sua ligação a
um receptor específico de
membrana, uma proteína
heterotetramérica com atividade quinase, composta
por duas subunidades alfa
e duas subunidades beta,
que atua como uma enzima alostérica na qual a subunidade alfa inibe a atividade tirosina quinase da subunidade beta. A ligação da
insulina à subunidade alfa permite que a subunidade
beta adquira atividade quinase, levando à alteração
conformacional e à autofosforilação do receptor nas
subunidades beta em múltiplos resíduos de tirosina
(1158, 1162, 1163), o que aumenta ainda mais sua atividade quinase(12-15).
Os substratos do receptor de insulina
Uma vez ativado, o receptor de insulina fosforila
vários substratos protéicos em tirosina. Atualmente, dez
substratos do receptor de insulina já foram identificados. Quatro desses pertencem à família dos substratos do receptor de insulina, as proteínas IRS(16). Outros
substratos incluem Shc, Gab-1, p60dok, Cbl, JAK2 e
APS(11, 17-19). A fosforilação em tirosina das proteínas IRS
cria sítios de reconhecimento para moléculas contendo domínios com homologia a Src 2 (SH2). Dentre elas
destaca-se a fosfatidilinositol 3-quinase (PI 3-quinase).
As funções fisiológicas do IRS-1 e do IRS-2 foram estabelecidas por meio da produção de camundongos
sem os genes que codificam esses substratos (camundongos “knockout” para IRS-1 e IRS-2). O camundongo que não expressa IRS-1 apresenta resistência à insulina e retardo de crescimento, mas não é hiperglicêmico(20). Foi sugerido que o IRS-2 poderia compensar
parcialmente a ausência de IRS-1, o que explicaria o
fenótipo de resistência à insulina sem hiperglicemia do
camundongo “knockout” para IRS-1. O camundongo que
não expressa o IRS-2 foi gerado há alguns anos(21) e
apresenta um fenótipo diferente do camundongo sem
IRS-1: hiperglicemia acentuada decorrente de diversas
anormalidades na ação da insulina nos tecidos periféricos e falência da atividade secretória das células beta
acompanhada de redução significativa da massa de
células beta pancreáticas. Em contraste, camundongos “knockout” para IRS-3 e IRS-4 têm crescimento e
metabolismo de glicose quase normais(22, 23).
Inibição da sinalização do receptor de insulina
O receptor de insulina, além de ser fosforilado em
tirosina, também pode ser fosforilado em serina, o que
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atenua a transmissão do sinal pela diminuição da capacidade do receptor em se fosforilar em tirosina após
estímulo com insulina(24). Essas fosforilações inibitórias causam “feedback” negativo na sinalização insulínica e podem provocar resistência à insulina(25). Estudos
recentes indicam que a resistência à insulina induzida
pela obesidade pode ser decorrente da ativação seqüencial da proteína quinase C (PKC) e da quinase
inibidora do fator nuclear kB (IKkB); entretanto, os detalhes dessa via de sinalização ainda não são claros(26, 27).
A ação da insulina também é atenuada por proteínas fosfatases de tirosina, que catalisam a rápida desfosforilação do receptor de insulina e de seus substratos. Várias proteínas fosfatases de tirosina foram identificadas; dentre elas, destaca-se a PTP1B. Camundongos “knockout” para PTP1B têm aumento da fosforilação em tirosina do receptor de insulina e das proteínas
IRS no músculo; conseqüentemente, apresentam aumento da sensibilidade à insulina(28). Além disso, camundongos PTP1B-/- também são resistentes à obesidade induzida por dieta, sugerindo que o cérebro pode
ser um importante local de ação da insulina e implicando a PTP1B como alvo terapêutico potencial no diabetes e na obesidade.
A PI 3-quinase e a proteína quinase B (PKB/Akt)
A PI 3-quinase é importante na regulação da mitogênese, na diferenciação celular e no transporte de glicose estimulado pela insulina(29-32). Atualmente, essa é
a única molécula intracelular considerada essencial
para o transporte de glicose(33). A PI 3-quinase foi originalmente identificada como um dímero composto de
uma subunidade catalítica (p110) e uma subunidade
regulatória (p85). A ligação dos sítios YMXM e YXXM
(em que Y = tirosina, M = metionina e X = qualquer
aminoácido) fosforilados das proteínas IRS ao domínio SH2 da subunidade p85 da PI 3-quinase ativa o
domínio catalítico associado da subunidade p110(34). A
enzima catalisa a fosforilação dos fosfoinositídeos na
posição 3 do anel de inositol, produzindo fosfatidilinositol-3-fosfato, fosfatidilinositol-3,4-difosfato e fosfatidilinositol-3,4,5-trifosfato(35). Este último produto liga-se
aos domínios PH (“pleckstrin homology”) de diversas
moléculas sinalizadoras, alterando sua atividade e localização subcelulares(35). Além disso, a PI 3-quinase
também possui atividade serina-quinase; e como suas
duas subunidades podem interagir com outras proteínas sinalizadoras, estudos recentes sugerem que essa
enzima pode ser importante na ação da insulina independentemente da produção de fosfatidilinositol-3,4,5trifosfato(36).
O produto fosfatidilinositol-3,4,5-trifosfato gerado
pela PI 3-quinase pode regular a PDK-1 (“phosphoinositide-dependent kinase 1”), uma serina/treonina quinase que fosforila e ativa outra serina/treonina quinase
conhecida por Akt ou
PKB(37). Akt possui um domínio PH que interage diZECCHIN HG e cols.
retamente com fosfatidiliMecanismos moleculares
nositol-3,4,5-trifosfato,
promovendo o direcionana síndrome metabólica
mento da proteína para a
membrana celular, bem
como sua atividade catalítica. Seus efeitos são dependentes da ativação de
várias quinases intracelulares envolvidas na transmissão do sinal de insulina
até a captação de glicose, a síntese de glicogênio e a
síntese protéica. Além de fosforilar a Akt, há evidências de que a PDK-1 seja capaz de, em resposta à insulina, fosforilar isoformas atípicas da PKC (ζ e λ) envolvidas na síntese protéica e no transporte de vesículas
de GLUT4 para a membrana celular para promover a
captação de glicose(38-42). Isso demonstra que o transporte de glicose pode ser mediado por diferentes vias
de sinalização intracelular (Akt e PKCζ/λ)); essa diversidade de sinalização pode abrir mecanismos compensatórios em casos de mutações afetando a Akt ou isoformas da PKC.
Permanecem obscuros os mecanismos pelos quais
as etapas iniciais de sinalização da insulina convergem
para as vesículas que contêm GLUT4, incitando seu
transporte para a membrana celular. No jejum, GLUT4
é continuamente reciclado entre a membrana celular e
os vários compartimentos intracelulares. Na presença
do estímulo da insulina, a taxa de exocitose das vesículas contendo GLUT4 aumenta intensamente, além
de ocorrer pequena redução da taxa de internalização.
A exocitose estimulada pela insulina é similar à exocitose de vesículas sinápticas(43, 44). As vesículas de
GLUT4, em particular, contêm as proteínas V-SNARE,
VAMP2 e VAMP3, que fisicamente interagem com seus
pares t-SNARE (sintaxina 4 e SNAP23) na membrana
celular durante a translocação das vesículas de GLUT4.
Apesar de essas interações serem essenciais para a
translocação do GLUT4, nenhuma dessas proteínas
parece ser alvo da insulina. No entanto, pode-se especular que alterações específicas dos complexos de proteínas SNARE, que atuam paralelamente à via da PI
3-quinase, possam contribuir para a resistência à insulina.
Cascatas de fosforilação estimuladas pela insulina
Semelhante a outros fatores de crescimento, a insulina estimula a “mitogen-activated protein” (MAP)
quinase. Essa via inicia-se com a fosforilação das proteínas IRS e/ou Shc, que interagem com a proteína
Grb2(50). A Grb2 está constitutivamente associada à
SOS, proteína que troca GDP por GTP da Ras, ativando-a. A ativação da Ras requer a participação da SHP2.
Uma vez ativada, a Ras estimula a fosforilação em serina da cascata da MAP quinase, o que estimula a proliferação e a diferenciação celulares(51). O bloqueio farmacológico dessa via previne a ação da insulina no
crescimento celular, mas não tem efeito nas ações
metabólicas do hormônio(52).
A insulina aumenta a síntese e bloqueia a degradação de proteínas por meio da ativação da mTOR. Essa
proteína controla a translação de proteínas diretamente por meio da fosforilação da p70-ribossomal S6 quinase (p70rsk), a qual ativa a síntese ribossomal de proteínas pela fosforilação da proteína S6(52). A mTOR também fosforila a PHAS1, que aumenta a síntese protéica via aumento da translação de proteínas(53).
Diversos estudos têm demonstrado que a ativação
da via da MAP quinase pela insulina não está reduzida
no diabetes do tipo 2 e em outros estados de resistência à insulina, podendo até mesmo estar aumentada(54-56).
Possivelmente assim a hiperinsulinemia crônica, à qual
os tecidos estão expostos nesses estados, exerceria
efeitos deletérios sobre o crescimento celular na vasculatura, resultando em doença cardiovascular.
A via CAP/Cbl
Além da ativação da PI 3-quinase, outros sinais também podem ser necessários para que a insulina estimule o transporte de glicose(11). Essa segunda via envolve a fosforilação do protooncogene c-Cbl(45) e é aparentemente independente da ativação da PI 3-quinase.
Na maioria dos tecidos sensíveis à insulina, Cbl está
Regulação da síntese de glicogênio
A insulina inibe a produção e a liberação de glicose
no fígado por meio do bloqueio da neoglicogênese e
da glicogenólise (Fig. 2). A insulina estimula o acúmulo
de glicogênio pelo aumento do transporte de glicose
no músculo e a síntese de glicogênio no fígado e no
músculo. Este último efeito é obtido via desfosforilação
associado com a proteína adaptadora CAP (“Cbl-associated protein”)(46). Após a fosforilação, o complexo
Cbl-CAP migra para a membrana celular e interage com
a proteína adaptadora CrkII, que também está constitutivamente associada com a proteína C3G(47, 48). A C3G
é uma proteína trocadora de nucleotídeos que catalisa
a troca de GDP por GTP da proteína TC10, ativando-a.
Uma vez ativada, a TC10 desencadeia um segundo
sinal para a translocação da proteína GLUT4 para a
membrana celular, em paralelo à ativação da via da PI
3-quinase(48). Recentemente foi demonstrado que a insulina estimula agudamente a fosforilação em tirosina
de Cbl e sua associação com a CAP no tecido adiposo
de animais normais, e também que essa via pode participar do controle da adiposidade em modelos animais
de resistência à insulina(49).
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da glicogênio-sintetase.
Após estímulo com insulina, a Akt fosforila e inativa
a GSK-3, o que diminui a
taxa de fosforilação da glicogênio-sintetase, aumentando sua atividade(57). A
insulina também ativa a
proteína fosfatase 1, por
um processo dependente
da PI 3-quinase, que des-
livres liberados da gordura visceral(61). O fluxo direto de
ácidos graxos na veia porta para o fígado modula a
sensibilidade à insulina nesse órgão, regulando a produção de glicose.
Regulação da síntese e degradação de lipídios
A homeostase de lipídios em células de vertebrados é regulada por uma família de fatores de transcrição designada “sterol regulatory element-binding proteins” (SREBP) (Fig. 3). SREBPs ativam diretamente a
expressão de aproximadamente 30 genes que se de-
Figura 2. Regulação do metabolismo de glicose no fígado.
fosforila a glicogênio-sintetase diretamente(58). Na neoglicogênese, a insulina inibe diretamente a transcrição
de genes que codificam a fosfoenolpiruvato-carboxiquinase (PEPCK), enzima- chave no controle desse processo. O hormônio também diminui a taxa de transcrição do gene que codifica a frutose-1,6-bifosfatase e a
glicose 6-fosfatase e aumenta a transcrição de genes
de enzimas glicolíticas, como a glicoquinase da piruvato quinase(59, 60). As vias de sinalização que regulam
a transcrição desses genes permanecem desconhecidas, mas envolvem a Akt e fatores de transcrição da
família “forkhead” e o coativador do PPARy, PGC-1. A
insulina também altera a quantidade de ácidos graxos
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dicam à síntese e captação de colesterol, ácidos graxos, triglicérides e fosfolipídios, assim como a de NADPH, um co-fator necessário para a síntese dessas
moléculas(62-65). No fígado, três SREBPs regulam a produção de lipídios. SREBP-1c aumenta preferencialmente a transcrição de genes envolvidos na síntese de ácidos graxos, entre eles a acetil-CoA carboxilase (ACC),
que converte a acetil-CoA em malonil-CoA, e a ácido
graxo-sintetase (FAS), que converte a malonil-CoA em
palmitato. Uma ação clássica da insulina é estimular a
síntese de ácidos graxos no fígado em períodos de
excesso de carboidratos. Várias evidências sugerem
que esses efeitos da insulina são mediados pelo au-
mento de SREBP-1c(66-68).
“In vivo”, a quantidade total de SREBP-1c no fígaZECCHIN HG e cols.
do é reduzida pelo jejum,
que suprime a secreção
de insulina, e aumenta
com a realimentação(69, 70).
De forma semelhante, os
níveis de mRNA de SREBP-1c diminuem em animais com diabetes induzido por estreptozotocina e
aumentam após tratamento com insulina. A hiperexpressão de SREBP-1c no fígado de animais transgênicos previne a redução do mRNA das enzimas lipogênicas. Muitos indivíduos com obesidade e resistência à
insulina apresentam esteatose hepática. As evidências indicam que a esteatose hepática da resistência à
insulina é causada pelo acúmulo de SREBP-1c, que
está elevado em resposta aos altos níveis circulantes
de insulina. De maneira semelhante, os níveis de SREBP-1c estão elevados no fígado de camundongos ob/
ob(70, 71). Apesar da presença de resistência à insulina
nos tecidos periféricos, a insulina continua a ativar a
transcrição de SREBP-1c no fígado desses camundon-
gos. O nível elevado de SREBP-1c nuclear aumenta a
expressão de genes lipogênicos, a síntese de ácidos
graxos e o acúmulo de triglicérides(71, 72). Em adipócitos
a insulina também reduz a lipólise por meio da inibição
da lipase hormônio-sensível(73). Essa enzima é ativada
pela PKA (proteína quinase A). A insulina inibe a atividade da PKA, ativando a fosfodiesterase AMP cíclico
específica (PDE3B), que reduz os níveis de AMP cíclico nos adipócitos(74). A ativação da PDE3B é dependente e distal à ativação de PI 3-quinase e Akt pela
insulina.
O que causa resistência à insulina?
A resistência à insulina da obesidade e do diabetes
do tipo 2 é caracterizada por alterações em diversos
pontos, com redução da concentração e da atividade
quinase do receptor, da concentração e da fosforilação
do IRS-1 e -2, da atividade da PI 3-quinase, da translocação dos transportadores de glicose (GLUTs) e da
atividade das enzimas intracelulares(11). Isso pode ocorrer em paralelo à manutenção da ativação normal da
via mitogênica, representada pela MAP quinase(54-56).
Fatores genéticos e adquiridos podem influenciar a
sensibilidade à insulina. Defeitos genéticos no receptor de insulina são relativamente raros, mas represen-
Figura 3. Regulação do metabolismo lipídico no fígado.
579
tam as formas mais graves
de resistência à insulina, e
são exemplificados pelo
ZECCHIN HG e cols.
leprechaunismo, pela sínMecanismos moleculares
drome de Rabson Mendede resistência à insulina
nhall e pela síndrome de
resistência à insulina tipo
A(6, 75). Diferenças na apresentação clínica podem
ser decorrentes da gravidade do defeito genético,
da capacidade dos receptores mutantes de formar híbridos com outros receptores (como, por exemplo, o de IGF-1), e outros fatores
de base, genéticos e adquiridos, que modificam o estado de resistência à insulina. A síndrome de resistência à insulina e o diabetes do tipo 2 são poligênicos e
podem envolver polimorfismos em vários genes que
codificam as proteínas envolvidas nas vias de sinalização da insulina, na secreção de insulina e no metabolismo intermediário(76).
Deleções selecionadas de componentes da sinalização de insulina “in vivo” usando recombinação homóloga permitiram novas interpretações sobre a complexidade desses mecanismos. Embora alguns defeitos únicos na via de sinalização da insulina possam
resultar em diabetes (“knockout” do receptor de insulina, do IRS-2 ou da Akt2), em outros não se observa o
mesmo resultado (“knockout” da subunidade p85 da PI
3-quinase, do IRS-1 e do GLUT4). Além disso, “knockout” de genes envolvidos em “desligar” o sinal de insulina, como a PTP1B e a SHIP2, melhoram o diabetes em roedores obesos(28, 77).
Combinações de “knockouts” foram produzidas para
mimetizar o diabetes do tipo 2 poligênico, com deleções heterozigotas do receptor de insulina e do IRS1(78), do receptor de insulina, do IRS-1 e do IRS-2(79) e
do IRS-1 e da glicoquinase(80). Em algumas dessas combinações, houve clara evidência de epístase genética
(interação gene-gene). Por exemplo, embora o “knockout” heterozigoto do receptor de insulina ou do IRS-1
isolados não resultem em diabetes, o “knockout” duplo-heterozigoto leva 50% dos camundongos a desenvolver diabetes. Esse achado marcante propiciou alguns “insights” sobre o diabetes do tipo 2, no qual alterações únicas na expressão do receptor de insulina ou
do IRS-1 geram alterações modestas na capacidade
de transmissão intracelular do sinal, que, quando combinadas, podem levar à doença.
Um modelo genético que produziu um fenótipo intrigante com relação à homeostase de glicose surgiu a
partir dos “knockouts” das subunidades regulatórias
p85α da PI 3-quinase. Embora a PI 3-quinase seja central nas ações metabólicas da insulina, o camundongo
“knockout” heterozigoto para a p85α exibe aumento da
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sensibilidade à insulina(81, 82). Além disso, quando essa
mutação é produzida em conjunto com o duplo “knockout” heterozigoto receptor de insulina/IRS-1, ela protege contra o diabetes(83-85). Essa surpreendente proteção parece ser decorrente de um fator único na via de
sinalização da insulina, na qual o balanço estequiométrico entre a p85α, a subunidade catalítica p110 e as
proteínas IRS é crítico para a transmissão do sinal.
A participação de tecidos específicos na patogênese da resistência à insulina e do diabetes do tipo 2 tem
sido explorada por meio da técnica de recombinação
de DNA Cre-lox para criar “knockouts” tecido-específicos do receptor de insulina(86-89) e do GLUT4(90, 91). Apesar da ausência de diabetes em camundongos com
“knockout” global de GLUT4(92), “knockouts” tecido-específicos do GLUT4 no músculo(91) e no tecido adiposo(90) resultaram em intolerância à glicose acentuada.
Os “knockouts” tecido-específicos do receptor de insulina também produziram resultados interessantes.
Como observado acima, apesar do conhecimento prévio de que a insulina estimula a captação de glicose
primariamente no músculo, camundongos com “knockout” do receptor de insulina no músculo apresentam
tolerância à glicose normal(86). Isso ocorre, ao menos
parcialmente, como resultado do redirecionamento da
captação de glicose para a gordura, com subseqüente
aumento da massa de tecido adiposo, dos ácidos graxos livres circulantes e dos triglicérides(93). Camundongos com “knockout” adiposo-específico do receptor de
insulina também apresentam tolerância à glicose normal, enquanto o “knockout” fígado-específico do receptor de insulina apresenta diminuição da tolerância à
glicose e redução do “clearance” de insulina, com acentuada hiperinsulinemia(89). Talvez os resultados mais
surpreendentes, entretanto, tenham surgido de estudos de camundongos com “knockout” tecido-específicos do receptor de insulina na célula beta e no sistema
nervoso central(87). O primeiro exibe defeito acentuado
na secreção de insulina estimulada por glicose, semelhante ao observado no diabetes do tipo 2, enquanto o
último exibe aumento da ingesta alimentar, adiposidade discreta, resistência à insulina e hipertrigliceridemia, assim como redução da fertilidade em decorrência de hipogonadismo hipotalâmico. Em conjunto, esses achados sugerem uma hipótese unificadora para o
diabetes do tipo 2, na qual a resistência à insulina em
órgãos-alvo clássicos (fígado, músculo e tecido adiposo), combinada à resistência à insulina na célula beta,
no cérebro e em outros tecidos, pode resultar no diabetes do tipo 2.
RESISTÊNCIA À INSULINA RELACIONADA
AO SEDENTARISMO
O sedentarismo é um fator que contribui para o de-
senvolvimento ou o aumento da resistência à insulina. Foi demonstrado
ZECCHIN HG e cols.
que a sensibilidade à insuMecanismos moleculares
lina pode aumentar com a
atividade física, indepenna síndrome metabólica
dentemente da redução
do peso e de mudanças na
composição corporal, e
que o principal efeito do
exercício pode ser o aumento da expressão de
elementos intracelulares da via de sinalização da insulina, em particular dos transportadores de glicose na
musculatura esquelética(94-98). Indivíduos insulino-resistentes filhos de portadores de diabetes do tipo 2 submetidos a seis semanas de treinamento físico apresentaram melhora da sensibilidade à insulina, demonstrada por aumento da captação de glicose e síntese de
glicogênio no músculo(99). Além do efeito do exercício
sobre os transportadores de glicose, o aumento do fluxo sanguíneo pode acarretar maior disponibilidade de
insulina para os tecidos periféricos, contribuindo para
a melhora metabólica observada durante o treinamento físico(100, 101). Outro efeito não-insulino-dependente do
exercício é a liberação local de bradicinina, a qual estimula a captação de glicose(102). Além da melhora da
sensibilidade à insulina na musculatura, há evidências
de que a resistência à insulina no fígado também pode
ser reduzida (caracterizada pela redução da produção
hepática de glicose), bem como pode ocorrer aumento
da captação de glicose pelos adipócitos após o exercício(103-105). Portanto, aceita-se que o exercício físico pode
melhorar a sensibilidade à insulina por meio de efeitos
no músculo, no fígado e no tecido adiposo(106).
RESISTÊNCIA À INSULINA RELACIONADA
À OBESIDADE
O impacto negativo do aumento da quantidade de
gordura corporal sobre a sensibilidade à insulina pode
ser claramente demonstrado na maioria dos indivíduos, assim como a redução da resistência à insulina observada com a perda de peso e o exercício físico(107).
Inicialmente os ácidos graxos livres (AGL) foram implicados nesse processo, mas nos últimos anos vários
hormônios produzidos por adipócitos foram descritos,
bem como o papel que desempenham no desenvolvimento da resistência à insulina.
Ácidos graxos livres
O tecido adiposo desempenha papel fundamental
na resistência à insulina. Os AGL circulantes provenientes dos adipócitos por meio da lipólise estão elevados em muitos estados de resistência à insulina e tem
sido sugerida sua participação na resistência à insulina do diabetes do tipo 2 e da obesidade pela inibição
da captação de glicose, da síntese de glicogênio e da
oxidação de glicose, e também da maior produção hepática de glicose(108). A presença de elevados níveis de
AGL circulantes também está associada à redução da
fosforilação insulino-estimulada do IRS-1 em tirosina e
de sua associação com a PI 3-quinase(109). A ligação
entre elevação de AGL e resistência à insulina pode
envolver o acúmulo de triglicérides e metabólitos derivados de ácidos graxos (diacilglicerol, acetil-CoA e ceramidas) no músculo e fígado. Estudos inovadores com
ressonância magnética nuclear e radioisótopos (carbono-13 e fósforo-31) demonstraram correlação muito
estreita entre o conteúdo de triglicérides intramiocelular e resistência à insulina em pacientes com obesidade e diabetes do tipo 2(110). Camundongos transgênicos com hiperexpressão específica da lipoproteína-lipase no músculo ou fígado exibiram aumento do conteúdo de triglicérides tecidual, que foi correlacionado
com redução da ação da insulina e ativação da PI 3quinase associada ao IRS(111). A ativação da PKC e/ou
da quinase IkB e a fosforilação em serina do receptor
de insulina e de seus substratos podem ser importantes nesse processo(109).
Adipocinas
Além de servir como estoque de lipídios, a célula
adiposa produz e secreta diversos hormônios, chamados coletivamente de adipocinas, as quais podem influenciar profundamente o metabolismo e o gasto energético. A expressão de fator de necrose tumoral-alfa
(TNF-α) está aumentada na gordura de roedores e de
humanos obesos, e pode promover a fosforilação do
IRS-1 em serina, resultando em menor atividade quinase do receptor de insulina e resistência à insulina(24, 112).
Em roedores, anticorpos anti-TNF-α melhoram significativamente a resistência à insulina(113), bem como a
ausência total do receptor de TNF-α(114-116). Em humanos, no entanto, a importância desse mecanismo ainda é controversa, visto que estudos limitados com anticorpos anti-TNF-α demonstraram pouco ou nenhum
efeito sobre o estado de resistência à insulina(117).
A leptina, um hormônio da família das citocinas, é
produzida pelo tecido adiposo e age em receptores no
sistema nervoso central e em outros locais para inibir a
ingesta alimentar e promover o gasto energético(118, 119).
O mecanismo molecular por meio do qual a leptina e
outros agentes anorexigênicos reduzem o apetite parece envolver a inativação hipotalâmica da AMPK
(“AMP-activated protein kinase”) pela hiperleptinemia
gerada pela adiposidade excessiva, elevando os níveis
locais de malonil CoA e inibindo a fome(120). A resistência à insulina caracteriza estados de deficiência ou resistência graves à leptina, como os camundongos ob/
581
ob ou db/db, ou modelos
genéticos de diabetes lipoatrófico(121-123). Em alguns
ZECCHIN HG e cols.
desses, a administração
de leptina exógena melhode resistência à insulina
ra a tolerância à glicose e
a sensibilidade à insulina,
independentemente dos
efeitos na ingesta alimentar, provavelmente afetando vias neuroendócrinas
que modulam a ação da
insulina no fígado(70, 124), embora essa citocina possa
também ter efeitos diretos nos hepatócitos(125). Em humanos, a deficiência congênita de leptina ou mutações
em seu receptor ocorrem em casos extremamente raros e têm sido associadas com obesidade grave, mas
não com diabetes(126), porém os casos estudados são
de indivíduos jovens e ainda não é possível prever se
eles irão desenvolver resistência à insulina ou diabetes no futuro.
Adiponectina (também chamada Acrp30 ou adipoQ)
é um peptídeo derivado de adipócitos, que possui domínio colagenoso na sua porção aminoterminal e um
domínio globular homólogo ao fator do complemento
C1q(127). Estudos recentes demonstraram que a expressão de mRNA da adiponectina está reduzida em humanos obesos e camundongos e em alguns modelos
de diabetes lipoatrófico. O tratamento agudo de camundongos com essa adipocina reduz a resistência à insulina, os níveis plasmáticos de AGL e o conteúdo de
triglicérides no músculo e no fígado, e aumenta a expressão de genes envolvidos na oxidação de ácidos
graxos e no gasto energético(128). Em camundongos lipoatróficos, a resistência à insulina é revertida pela
combinação de doses fisiológicas de adiponectina e
leptina, mas só parcialmente por essas adipocinas isoladas(129). Em hepatócitos isolados, a adiponectina aumenta a capacidade da insulina de suprimir a produção de glicose(130, 131). Uma pesquisa recente utilizando
a técnica de rastreamento do genoma em humanos
mapeou um lócus para suscetibilidade ao diabetes do
tipo 2 e síndrome metabólica no cromossomo 3q27,
em uma região próxima ao gene da adiponectina(132).
A resistina, o hormônio peptídico secretado por adipócitos descoberto mais recentemente, pertence a uma
família de proteínas relacionadas conhecidas por RELMs (“resistin-like molecules”) e FIZZ (“found in inflammatory zone”). Estudos iniciais sugeriram que a resistina poderia causar resistência à insulina, já que foram
documentados elevados níveis circulantes e teciduais
desse hormônio em camundongos obesos, que eram
reduzidos pela drogas antidiabéticas da classe das tiazolidinedionas(133). Além disso, a administração de anticorpos anti-resistina reduziu a glicemia e melhorou a
582
ação da insulina em camundongos com obesidade induzida por dieta. No entanto, estudos subseqüentes
não confirmaram esses achados iniciais(134). O papel
potencial da resistina na síndrome de resistência à insulina ainda é incerto e complicado, em decorrência
das incertezas sobre a existência de um homólogo
desse hormônio em humanos(135).
PERSPECTIVAS
Resistência à insulina e diabetes do tipo 2 como
processo inflamatório subclínico
Estudos transversais têm demonstrado que marcadores inflamatórios e de disfunção endotelial podem
predizer o desenvolvimento do diabetes e o ganho de
peso em adultos(136). As associações mais significativas com marcadores inflamatórios são observadas com
o índice de massa corporal, já que, como visto anteriormente, os adipócitos, especialmente nos obesos, produzem grande variedade de citocinas pró-inflamatórias, tais como leptina, TNF-α, IL-6, além de PAI-1.
Há mais de cem anos, Williamson e colaboradores
demonstraram que o tratamento com altas doses de
salicilatos, incluindo salicilato sódico e aspirina, reduzia a intensidade da glicosúria em pacientes diabéticos, e em 1957 Reid e colaboradores demonstraram
que o tratamento com aspirina por 10 a 14 dias melhorava os resultados dos testes de tolerância à glicose
oral em pacientes diabéticos(137). O mecanismo por meio
do qual o salicilato pode afetar a homeostase de gIicose permaneceu desconhecido até que foi descoberto
que essa droga inibe a atividade de uma serina-quinase conhecida por IkB quinase-ß (IKK-ß)(138). Essa serina-quinase participa da via de transmissão do sinal de
TNF-α e IL-1, importantes no desenvolvimento do processo inflamatório, que cuImina com a regulação de
fatores de transcrição, como o NF-kB.
NF-kB corresponde a uma família de fatores de
transcrição celulares envoIvidos na expressão de uma
grande variedade de genes que regulam a resposta
inflamatória(139). NF-kB permanece seqüestrado no citoplasma por proteínas inibitórias, as IkB, que são fosforiladas por um complexo de quinases conhecidas por
IKK. IKK é composto de 2 quinases, IKK-α e IKK-ß, as
quais fosforilam IkB, desencadeando sua degradação
e permitindo, assim, a translocação do NF-kB para o
núcleo. A atividade quinase de IKK é estimulada pelo
TNF-α e peIa hiperexpressão de MEKK1 e NIK; por
outro lado, os agentes antiinflamatórios aspirina e salicilato sódico inibem especificamente a IKK-ß, evitando
assim a ativação, pela NF-kB, de genes envolvidos na
resposta inflamatória.
Para testar a hipótese de que a resistência à insulina pode envolver a ativação induzida por lipídios de
uma cascata de serina-quinases envolvendo a IKK-ß,
foi estudada a transmissão
do sinal de insulina em ratos durante “clamp” eugliZECCHIN HG e cols.
cêmico-hiperinsulinêmico
após infusão de lipídios,
precedida ou não de trana síndrome metabólica
tamento com salicilato(26).
A infusão de lipídios reduziu a captação de glicose
estimulada por insulina e
a ativação da PI 3-quinase associada ao IRS-1 no
músculo esquelético, mas o pré-tratamento com salicilato evitou esses efeitos induzidos por lipídios. Para
examinar o mecanismo de ação do salicilato, foram
estudados os efeitos da infusão de lipídios na sinalização de insulina em camundongos “knockout” para IKKß. Ao contrário da resposta observada no animal controle, o camundongo que não expressa IKK-ß não apresentou a alteração na sinalização de insulina observada após a infusão de lipídios. Adicionalmente, a aspirina pode aumentar a sensibilidade à insulina “protegendo” o IRS-1 da fosforilação em serina promovida por
diversas quinases, especialmente JNK e IKK do IRS-1
em serina(140). Ou seja, altas doses de salicilatos e a
inativação da IKK-ß evitam a resistência à insulina induzida por lipídios no músculo esquelético, bloqueando defeitos induzidos por lipídios na sinalização e na
ação da insulina.
Em estados de resistência à insulina, mediadores
como TNF-α e AGL levam à ativação do IKK por meio
de vias de sinalização intermediárias. Tal ativação, por
sua vez, aumenta indiretamente o número de resíduos
de serina e treonina fosforilados no IRS-1, transformando-o em uma proteína com ação inibitória sobre o sinal
de insulina. Na presença de salicilatos, a atividade do
IKK é inibida, reduzindo a fosforilação do IRS-1 em
serina e treonina e permitindo que esse substrato seja
mais fosforilado em tirosina, podendo se ligar e ativar a
PI 3-quinase, iniciando vias de sinalização reguladoras do metabolismo(141). Recentemente, foi investigado
o efeito de altas doses de salicilatos na resistência à
insulina de animais obesos (camundongos ob/ob) e foi
demonstrada melhora acentuada da resistência a esse
hormônio, associado à redução dos níveis de AGL e
triglicérides(27). Nesse mesmo estudo, o uso de outros
antiinflamatórios que inibem as cicloxigenases não alterou a sensibilidade à insulina, sugerindo que o efeito
não depende da inibição dessas enzimas. O efeito dos
salicilatos parece ser conseqüência da inibição da serina-quinase IKK-ß. Tais dados sugerem que pode ocorrer um fenômeno inflamatório (provavelmente subclínico) na patogênese da resistência à insulina, na obesidade e no diabetes do tipo 2, e a serina-quinase IKK-ß
aparece como uma molécula com grande potencial terapêutico para melhora da sensibilidade à insulina.
Existem mais de cem resíduos de serina que podem ser fosforilados no IRS-1, e muitas proteínas quinases fosforilam o IRS-1, incluindo JNK, PKCζ, IKK-ß,
mTOR, MAP quinase e AMPK, embora a JNK tenha
recebido mais atenção recentemente por ser capaz de
se associar ao IRS-1 e promover sua fosforilação no
resíduo 307 de serina (Ser307), tornando esse substrato mais refratário à associação com o receptor de insulina e, conseqüentemente, reduzindo sua fosforilação
em tirosina, o que pode contribuir para a resistência à
insulina durante situações de estresse fisiológico, como
inflamação e obesidade(142).
CONCLUSÕES
Houve um progresso científico considerável na compreensão dos mecanismos moleculares de ação da
insulina e nas alterações protéicas que levam à resistência à insulina. No entanto, muitas lacunas não foram preenchidas. É necessário definir algumas das etapas das vias de transmissão do sinal, elucidar os mecanismos de “cross-talk” com outros hormônios, e determinar a suscetibilidade genética da resistência à insulina e as interações entre os genes e o ambiente.
Esses estudos provavelmente irão propiciar uma abordagem terapêutica individualizada para os pacientes
portadores da síndrome de resistência à insulina, bem
como fornecer medidas para sua prevenção.
583
MOLECULAR MECHANISMS FOR INSULIN
ZECCHIN HG e cols.
RESISTANCE IN THE METABOLIC SYNDROME
HENRIQUE GOTTARDELLO ZECCHIN, JOSÉ BARRETO CAMPELLO CARVALHEIRA,
MARIO JOSÉ ABDALLA SAAD
Insulin is an anabolic hormone with powerful metabolic effects. The events after
insulin binds to its receptor are highly regulated and specific. Defining the key steps
that lead to the specificity in insulin signaling presents a major challenge to biochemical research, but the outcome should offer new therapeutic approaches for treatment of patients suffering from insulin-resistant states, including type 2 diabetes.
The insulin receptor belongs to the large family of growth factor receptors with intrinsic tyrosine kinase activity. Following insulin binding, the receptor undergoes autophosphorylation on multiple tyrosine residues. This results in activation of the receptor kinase and tyrosine phosphorylation of a family of insulin receptor substrate proteins. Like other growth factors, insulin uses phosphorylation and the resultant protein-protein interactions as essential tools to transmit and compartmentalize its signal. These intracellular protein-protein interactions are pivotal in transmitting the signal from the receptor to the final cellular effect, such as translocation of vesicles
containing GLUT4 glucose transporters from the intracellular pool to the plasma
membrane, activation of glycogen or protein synthesis, and initiation of specific gene
transcription.
Key words: tyrosine phosphorilation, tyrosine kinase, insulinic action, insulin resistance, insulin receptor, insulin receptor substracts.
(Rev Soc Cardiol Estado de São Paulo 2004;4:574-89)
RSCESP (72594)-1447
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574 mecanismos moleculares de resistência à insulina na

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