非典型胰島胰島素的前世今生與番外篇！

寫於胰島素用於臨床試驗100週年…的後幾天。

撰文：敬華

前言

一個世紀前的 1921，John Macleod 與其學生 Federick Banting 分離了胰島素，並且在隔年第一次使用於糖尿病的治療，這兩件事毫無疑問是20世紀生物學史上高聳的里程碑。往後的 100 年間，胰島素的生理學、生物化學、結構生物學研究的出色成果不曾間斷的累積至今，造福了無數受糖尿病所苦的病患。然而這段百年追求仍在繼續，並且在人以外的生物體中出現了番外篇──結構不同於脊椎動物的非典型胰島素（Non-conventional insulin）中，給了科學家們全新的研究方法與啟示。

圖 1：胰島素相關之重大發現

胰島素的生理功能與結構

胰島素在哺乳動物中是由胰臟的胰島β細胞（Pancreatic islet beta-cell）分泌，由血液循環送至全身，促進腦部以外的細胞吸收血糖，並在肝臟及肌肉中促進吸收的血糖合成肝醣，此機轉是在攝食後平衡升高的血糖、最大化體內能量利用的重要機制。胰島素的受體是一個受體酪胺酸激酶（Receptor tyrosine kinase, RTK），在與胰島素結合後活化磷酸肌醇3-激酶（Phosphoinositide 3-kinase, PI3K)，最後活化磷酸激酶B（PKB, 或稱Akt）。Akt 磷酸化下游目標後，一方面促進葡萄糖通道（GLUT4）表現於細胞膜上，另一方面會對葡萄糖、脂質代謝的相關酵素產生影響（活化或是抑制）。同時，胰島素訊號傳遞在特定的組織也會透過 Mitogen-activated protein kinase pathway 活化 ERK 激酶（MAPK/ERK pathway），這條路徑將促使細胞的分裂。

圖 2：胰島素的訊息傳遞路徑，其中胰島素與胰島素受體結合會透過 PI3K 活化 Akt 激酶，而促進細胞對血糖的吸收能力、糖類營養的利用等。但在某些情況下胰島素的受體可以同時活化類似於 IGF 的 MAPKs，促進細胞的增生與分化。

結構上胰島素本身是一個多肽，由稱為 A 鏈及 B 鏈的兩段多肽以兩個雙硫橋相連而成。雖然胰島素以單體的形式與胰島素受體（ISR）結合，但 B 鏈 C 端的疏水胺基酸側基可以與另一個胰島素的相同位置進行疏水性聚合，因此胰島素分子常以二聚體分子存在，並且在循環系統中可以進一步組成六聚體；另外， B 鏈 C 端也同時擔任胰島素與 ISR 結合時重要的結合點位。

隨著科學知識的累積，我們知道胰島素的結構並不特殊，它與一群稱為類胰島素生長因子（IGFs）的多肽訊息傳遞分子構造類似，不同的是 IGFs 比胰島素多了連接 A、B 兩段多肽的 C 鏈，也就是胰島素的前驅物—前胰島素（Proinsulin）在活化成胰島素時被蛋白酶切除的多肽片段。IGFs的受體（IGFR）一樣屬於受體酪胺酸類的膜蛋白，但是 IGFR 下游的訊息傳遞主要是 MAPK/ERK pathway 的活化，促進細胞的增生或分化為主。胰島素與 IGFs 廣泛的存在於動物界，在無脊椎動物中這類多肽激素有的能像哺乳動物中的胰島素進行代謝調節，有些則能像 IGFs 刺激細胞的增生與分化。

圖 3：人類之胰島素與 IGF 的胺基酸序列與三維結構。（a）胰島素主要由 A 鏈與 B 鏈構成，以兩對的雙硫鍵相連（形成雙硫鍵的色胺酸在圖中以黃框標示），而在 A 鏈中還存在一對分子內（A鏈自身）的雙硫鍵，而 IGF 皆具有相同的雙硫鍵，但其 A 鏈與 B 鏈還另外以 C 鏈相連，胰島素的 C 鏈則在轉譯後修飾時被蛋白酶去除。（b）胰島素與 IGF 的立體結構。（C）胰島素的二聚體（左）以及由三個二聚體組成的六聚體，單體的凝聚可以減少胰島素的疏水性 B 鏈與體液中的水及親水物質的接觸

虹彩病毒的基因中帶有病毒胰島素-IGF-樣多肽（VILPs）

一系列針對魚類、兩棲類、節肢動物常見的病毒──虹彩病毒科（Iridoviridae）的基因體研究發現，這類病毒可以製造與 IGFs 序列相似度極高的病毒胰島素-IGF-樣多肽（Viral insulin-IGF-like peptides, VILPs），並與人類的胰島素或 IGFs 激素有 40~50% 的胺基酸序列相同。而這些 VILPs 對人類的 ISR 或 IGFR 有極高的親和力，可以使 ISR 或 IGFR 磷酸化而活化細胞的增生或加速葡萄糖的代謝。雖然還沒有 VILPs 在其自然宿主中的生理研究，但可以推論虹彩病毒透過改變宿主細胞的代謝行為，如讓細胞的生長加速、細胞從組織液中更有效率獲得養分等，增加自身的複製能力；而在我們解開 VILPs 對宿主的效應的同時，科學家們也透過化學方式修飾，開發以 VILPs 為基礎的胰島素激動劑與拮抗劑。如前所述，人體自然產生的胰島素因為組織特異性而有調控代謝及增生的雙功能，而 VILPs 作為胰島素類似物可以使 VILPs 與 ISR 結合後，只展現一部份的胰島素功能。此特性也吸引許多藥物開發學者的注意。

圖 4：虹彩病毒科之 VILPs（圖中 LCDV-1 及 LCDV-Sa）與人類胰島素之序列及結構比較。據推測病毒可能利用與 IGF 相似的 VILPs 改變宿主的正常代謝，誘導宿主體內供給更多的營養給被感染的細胞。

殺手芋螺的短效強力胰島素

過量的胰島素施打會造成低血糖症，患者會出現頭暈、臉色蒼白、顫抖等等的不適，若不立即採取急救措施將導致失去方向感、視線模糊，嚴重時可能失去意識甚至導致死亡。人們自上個世紀中葉開始能獲得大量胰島素後，隨即發現胰島素過量會帶來負面的藥理效應。驚人的是，直到最近科學家們發現棲息於西太平洋沿岸，以魚類為主要獵物的殺手芋螺（Conus geographus）及一些劇毒的芋螺，透過分泌「胰島素」使獵物短暫進入如低血糖症般活動力與方向感均低落的狀態。

許多芋螺都能製造統稱為雞心螺毒素（Conotoxins）的多肽以毒殺其獵物，其中有幾種已經被製成蛋白藥物進行臨床測試。2015 年，猶他大學的研究團隊發現殺手芋螺的毒素除了芋螺常見的神經毒之外，還有一個結構與序列皆類似於胰島素的蛋白質 Con-Ins G1。殺手芋螺在捕食靠近的魚類時，可能會將 Con-Ins G1 分泌到環境中，或者用特化的魚叉狀齒舌刺入獵物體內，導致獵物在短時間內出現低血糖症的行動力下降等症狀。而實驗也證實注射 Con-Ins G1 到斑馬魚體內會立即造成魚體內的血糖降低；將之加入水中後，斑馬魚的行動力也顯著地受到干擾。神奇的是 Con-Ins G1 的序列與脊椎動物之胰島素序列相近，反而與軟體動物的胰島素序列差異較大，這很有可能是一種經過特化後以針對其獵物族群的分子。

圖 5：殺手芋螺與它的毒胰島素。（a）正在”卡比”一整隻魚的殺手芋螺。殺手芋螺的毒針中具有毒胰島素Con-Ins G1,除了使用毒針將毒素注入體內外，殺手芋螺及牠的近親也會使用延長的腹足包覆獵物，毒胰島素此時即是用釋出到環境中，影響獵物的移動能力。（b） Con-Ins G1在注入斑馬魚體內後，立即使斑馬魚出現嚴重的低血糖反應；加入水中也確實會降低班馬魚的移動能力。

詳細比較脊椎動物胰島素與 Con-Ins G1 的差別，科學家逐漸了解為何這個外源胰島素分子能作用得比魚類或人類的胰島素還要快速。Con-Ins G1 一樣是由兩段多肽鏈以雙硫鍵相連，但 Con-Ins G1 在模仿胰島素的 B 鏈處少了 C 端的疏水長鏈（CB motif）。我們剛剛提到，這段序列能夠穩定在循環系統中的胰島素，使其成寡聚體存在，然而這樣的結構特性也降低了胰島素的作用效率──魚類或人類的胰島素與受體結合時還要拆夥形成單聚體，相對的 Con-Ins G1 與受體結合就少了這個步驟。但是這段疏水序列同時也是胰島素與 ISR 穩定結合的重要片段，為何 Con-Ins G1 在缺少 CB motif 的情況下仍能與 ISR 穩定結合呢？

科學家透過 Con-Ins G1 與 ISR 共結晶的結構解析以及電腦模擬，發現雖然缺少了 CB motif，但 Con-Ins G1 在 B 鏈與 A 鏈上具有暴露出的胺基酸側基，能伸進 ISR 上的 CB motif 結合位，因此雖然結合力稍弱，但 Con-Ins G1 仍能一定程度的作用於 ISR 上。有了 Con-Ins G1 的結構資訊後，科學家仿造了一個沒有 CB motif 的人類胰島素分子 Mini-Ins G1，發現 Mini-Ins G1 能以單體的形式穩定存在，對 ISR 的親和力與內生胰島素相仿，且其對 Akt 路徑的活化效果選擇性也比胰島素更高，因此 Mini-Ins G1 無論在糖尿病藥物的開發或者應用於基礎研究中都是相當有潛力的分子。

圖 6：人類胰島素受體（ISR）與胰島素及類胰島素分子的結合模式圖。（a）胰島素受體整體之結構，（b）為 ISR 之受體結合育，圖中藍色分子集為人類之胰島素。（c）Con-Ins G1 與胰島素受體的共結晶及（d）人類胰島素（藍色）與Con-Ins G1（粉紅色）的結構比較。在箭頭所指處可以看到，Con-Ins G1 利用相似的胺基酸側基代替胰島素的 CB motif 與 IR 作用。（e）Mini Ins G1 為基於 Con-Ins G1 及人類胰島素序列所設計出的類胰島素分子。（f）Con-Ins K1 與 IR 結合的模擬圖，Con-Ins K1 具有較長的 A 鏈以增加與 IR 的親和力。

來自另一種會「捕魚」的木下芋螺（Conus kinoshitai）毒液腺體的轉錄體資訊中，也發現了一個跟 Con-Ins G1 一樣缺乏 CB motif 的蛋白毒素 Con-Ins K1，但其 A 鏈的 C 端多出了一段序列，結構模擬的結果顯示這段多出來的 A 鏈序列一樣能夠伸進 CB motif 結合位，錨定 Con-Ins K1 以增加其與 ISR 的結合力。

比較其他可能作為胰島素毒素的芋螺毒素，以及兩種魚食性芋螺的胰島素毒素 Con-Ins K1 與G1，發現似乎只有魚食性芋螺的胰島素毒素缺乏促進胰島素聚合的 CB motif。然而 Con-Ins K1 與 G1 補償親和力的方法又不太一樣，可以推測魚食性芋螺在演化的過程中，這類毒素起源於胰島素或 IGFs 的基因重複（duplication）。考慮到魚類移動速度較芋螺快速很多，天擇偏好作用最快、缺乏 CB motif 的單體胰島素毒素。至於 Con-Ins K1 與 G1 對 ISR 親合力補償機制的不同，則可能起源於單次的 CB motif 的缺失事件之後。

圖 7：根據不同種類芋螺之毒素之胺基酸序列畫出的演化樹。在圖中魚食芋螺的毒胰島素（缺少CB motif 者自成一支（clade）（圖中紅線處），其出現時間晚於毒胰島素從內生的 IGF 分化的時間點。

自然界中還有其他胰島素毒素嗎？

隨著體學（Omics）的演進，我們對這些非模式生物的基因有突飛猛進的了解，對於自然界的毒素的研究也越來越快。目前已知有許多芋螺都帶有類似胰島素的多肽毒素的基因。除此之外，也發現綠曼巴蛇（Dendroapsis viridis）的唾腺萃取物中，有一些物質似乎能引發 ISR 的磷酸化，並且轉錄體與基因體資料顯示綠曼巴蛇有許多僅表現在唾腺的 IGFs 基因，雖然在這些基因的蛋白質產物中目前尚未找到胰島素類的毒素，但隨著研究資料的累積，我們或許將有機會揭曉 IGFs 基因演化成胰島素毒素的故事是否也在陸地上發生過。