早在1927年，Grafe和Meythaler[1]等學(xué)者就首次觀察到將少量的D-葡萄糖注入到犬十二指腸胰腺動脈可引起全身血糖降低，這也被稱作血糖的信使功能。在隨后的動物實驗中，學(xué)者們進一步認識到血糖升高可使胰島素的分泌增加。直到1963年，以Matschinsky[2]為代表的學(xué)者們在肥胖小鼠中證實葡萄糖激酶（GK，己糖激酶-4）存在于分泌胰島素的朗格漢斯細胞中，這個發(fā)現(xiàn)為理解葡萄糖感應(yīng)在代謝中的作用奠定了堅實的基礎(chǔ)。在隨后的研究中，Matschinsky和他的同事們于1968年提出了GK作為葡萄糖代謝傳感器的概念[3]。隨著人類遺傳學(xué)研究水平的不斷進步，學(xué)者們很快建立了GK基因與成人起病型青少年糖尿病（MODY）[4]和高胰島素血癥（HI）[5]之間的聯(lián)系。此外，Basco等人通過特異性敲除小鼠α細胞中的GK基因后發(fā)現(xiàn)葡萄糖抑制胰高血糖素分泌的作用被阻斷從而導(dǎo)致高血糖出現(xiàn)[6]。這項研究結(jié)果表明，葡萄糖可通過GK直接影響α細胞，調(diào)控胰高血糖素的分泌。同時大量研究證實GK在肝臟葡萄糖代謝中起著關(guān)鍵作用[7]。在此基礎(chǔ)上，在2003年發(fā)現(xiàn)的變構(gòu)GK激活藥物葡萄糖激酶激活劑（GKA）[8]是一項偉大的成就，它提供了治療糖尿病的新希望。從此之后，人們便一直在積極探索GKA的治療潛力[9]。
現(xiàn)在已有廣泛證據(jù)支持GK負責(zé)胰腺β細胞中葡萄糖濃度與胰島素釋放之間的耦聯(lián)，并通過細胞能量狀態(tài)改變而起作用：隨著血液葡萄糖濃度升高，葡萄糖通過轉(zhuǎn)運蛋白轉(zhuǎn)運至β細胞內(nèi)；感知到葡萄糖濃度升高，GK將葡萄糖磷酸化為G-6P，G-6P進入糖代謝過程，產(chǎn)生ATP，細胞中ATP/ADP的比值升高。對ATP敏感的K+ATP通道關(guān)閉，外流的K+減少，細胞膜去極化，電壓門控的Ca2+通道開放，Ca2+內(nèi)流，細胞內(nèi)Ca2+濃度上升從而促進胰島素通過胞吐作用釋放到細胞外[10]。除了β細胞，還包括許多其他細胞和組織，特別是在胰腺α細胞、δ細胞、中樞神經(jīng)系統(tǒng)中葡萄糖激發(fā)（GE）/葡萄糖抑制（GI）的神經(jīng)元和垂體前葉中，GK也感知相似的能量狀態(tài)變化而引發(fā)不同的細胞反應(yīng)，從而調(diào)節(jié)血糖維持血糖穩(wěn)態(tài)。而在非葡萄糖傳感器的組織和細胞中，可能不表達或僅微量表達GK（己糖激酶4），而主要表達己糖激酶1-3。己糖激酶1-3對葡萄糖有更高的親和力，同時有較低的最大反應(yīng)速率，不具備GK所特有的對血糖變化的敏感性和可調(diào)節(jié)性[11]。GK的酶動力曲線呈S形，且其對葡萄糖濃度的依賴性不受反應(yīng)產(chǎn)物影響，且該曲線中的拐點約為4.0mM，接近葡萄糖刺激胰島素釋放的閾值。這些都是GK具有良好的葡萄糖敏感性和充分的活性調(diào)節(jié)空間的保障，同時也是其區(qū)別于其他己糖激酶的獨特之處。這些為GK作為感知血糖變化的感應(yīng)器并發(fā)揮維持血糖穩(wěn)態(tài)的核心作用提供了有力的證據(jù)。注：Vmax：在一定酶量下的最大反應(yīng)速率，酶在底物完全飽和時的反應(yīng)速度；Km、S0.5：1/2Vmax時的底物濃度，反映了酶和底物的親和力大小
圖.GK和HK1-3酶動力曲線
胰腺和肝臟是GK最主要的表達器官，同時也是人體最重要的兩個血糖調(diào)控器官。如下所述，在肝臟中，GK占據(jù)著獨特的位置。首先，由于強大的代謝和儲存能力，肝臟在維持葡萄糖穩(wěn)態(tài)中具有獨特而重要的作用，當(dāng)血液中葡萄糖濃度高于正常水平時，肝臟將血液中葡萄糖轉(zhuǎn)化作為糖原儲存或用于脂肪合成，這不僅有助于預(yù)防餐后高血糖，也保證了足夠的肝臟糖原儲存以穩(wěn)定兩餐之間的血糖水平[12]。肝臟的這種特異性地存儲和清除對保持葡萄糖穩(wěn)態(tài)十分必要，其在很大程度上決定了餐后血糖水平。基于此，GK在肝臟中的作用主要在代謝方面——激活代謝途徑，存儲或降解G6P（如糖原合成與糖酵解），即在降低餐后血糖并維持肝糖原水平中起重要作用。對于鏈脲佐菌素誘導(dǎo)的糖尿病小鼠進行GK轉(zhuǎn)基因處理后，小鼠肝臟中GKmRNA水平和活性升高，隨之細胞內(nèi)G6P和糖原水平相應(yīng)升高。甚至在沒有胰島素的情況下，其導(dǎo)致血糖、酮體、甘油三酯和游離脂肪酸的正?；Ｒ虼?，糖尿病小鼠表達GK后，誘導(dǎo)糖酵解，同時阻斷糖異生和酮生成[13]。
與神經(jīng)元和內(nèi)分泌組織不同，肝臟GK的表達絕對依賴于胰島素，且受胰高糖素的抑制。研究表明，GK表達是受同一基因在兩個器官的特異性啟動子調(diào)控[14]。在胰腺內(nèi)分泌細胞中，一個上游神經(jīng)內(nèi)分泌啟動子（NE-GK-啟動子）調(diào)控著GK的表達，而另外的一個胰島素依賴性下游啟動子則控制著肝臟中GK的表達（HEP-GK-啟動子）。在胰腺中，NE-GK-啟動子常態(tài)性地調(diào)控葡萄糖感應(yīng)細胞中GK的表達，葡萄糖直接影響β細胞中的GK水平，從而調(diào)節(jié)胰島素的合成、分泌和β細胞的復(fù)制。肝臟中HEP-GK-啟動子調(diào)控下的GK表達則依賴于胰島素。因此葡萄糖濃度的變化通常與胰島素的產(chǎn)生或功效改變相關(guān)，胰腺內(nèi)分泌細胞通過GK調(diào)控胰島素和胰高血糖素水平，發(fā)揮血糖調(diào)節(jié)作用，肝臟則調(diào)控相關(guān)酶的活性和含量（包括葡萄糖激酶、葡萄糖-6-磷酸酶、糖原合成酶及磷酸化酶）并決定肝糖原合成、糖原分解及糖異生的相對速率以維持血糖穩(wěn)定。
肝臟中特異于維持葡萄糖穩(wěn)態(tài)的GK調(diào)節(jié)步驟還包括：肝臟特異性蛋白質(zhì)——GK調(diào)節(jié)蛋白（GKRP）對GK的抑制。GKRP是在肝細胞中表達的一個單體蛋白，它僅位于肝細胞核中。在空腹?fàn)顟B(tài)下，GKRP結(jié)合GK形成復(fù)合體，并被隔離在細胞核中，導(dǎo)致GK失活。進食后，隨著血糖水平的升高，GK/GKRP復(fù)合體可被解離，葡萄糖與GK上的底物位點相結(jié)合[15]，導(dǎo)致一系列的化學(xué)反應(yīng)，從而降低餐后血糖水平。
因果關(guān)系確認——
葡萄糖敏感信號需要GK之證據(jù)
近年來隨著基因技術(shù)的進步，許多GK基因突變引發(fā)的血糖穩(wěn)態(tài)失衡都已經(jīng)被闡明。當(dāng)人GK基因突變使其最大活性和/或與葡萄糖親和力改變時，可導(dǎo)致疾病狀態(tài)[16]。這些疾病的程度取決于具體突變所引發(fā)的酶活性改變程度。從最開始報告的某些MODY病例與GK基因突變相關(guān)以來，迄今為止科學(xué)家已發(fā)現(xiàn)600多種突變[17]。這些突變絕大多數(shù)會導(dǎo)致酶活性降低，引起輕度的疾病表現(xiàn)（歸類為MODY-2）。如果僅一個等位基因受到影響，血糖僅升高1mM左右，通常不需要治療；但如果兩個等位基因均發(fā)生突變，有可能導(dǎo)致一種嚴重永久性新生兒糖尿?。≒NDM），患兒在出生后如果未盡快接受胰島素治療則可能致命。當(dāng)突變增加了最大GK活性或與葡萄糖的親和力時，則會導(dǎo)致高胰島素血癥（HI），其嚴重程度將隨著酶活性或與葡萄糖親和力的增加而增加。目前所有已知的GK導(dǎo)致的HI均僅涉及一個等位基因。這些證據(jù)表明在人類中，兩個等位基因的激活可能會導(dǎo)致胎兒死亡[18]。GK激活劑可以模擬細胞對高血糖的反應(yīng)[19]?；A(chǔ)及臨床研究證據(jù)均顯示T2DM與GK活性減少相關(guān)。這種相關(guān)性為研發(fā)GK激活劑類藥物治療T2DM提供了理論基礎(chǔ)[20]。Dorzagliatin是一個新型GK異構(gòu)激活劑，可修復(fù)胰腺及肝臟中GK活性，同時其作用為葡萄糖濃度依賴性，減少了低血糖風(fēng)險。南京鼓樓醫(yī)院朱大龍教授多次報道過其臨床試驗，II期和III期臨床試驗均顯示GK激活劑Dorzagliatin用于治療2型糖尿病患者具有較好的療效與安全性。Dorzagliatin有望成為T2DM治療的新突破。陳力博士
華領(lǐng)醫(yī)藥首席科學(xué)官
陳力博士，華領(lǐng)醫(yī)藥技術(shù)（上海）有限公司董事長、首席執(zhí)行官、創(chuàng)始人，首席科學(xué)官。陳力博士曾任羅氏研發(fā)中國有限公司首席科學(xué)官，擁有20多年新藥研發(fā)創(chuàng)新及管理經(jīng)驗。陳力博士于2011年成立華領(lǐng)醫(yī)藥，以“患者為先、創(chuàng)新為本、良藥為民”為宗旨，運用“中西合璧、聯(lián)合創(chuàng)新”的新藥研發(fā)運營模式和“高標(biāo)準(zhǔn)、高質(zhì)量、創(chuàng)造高價值”的經(jīng)營理念，在5年內(nèi)華領(lǐng)醫(yī)藥的糖尿病全球原創(chuàng)新藥HMS5552成功取得中美臨床試驗批件、完成四個臨床I期和臨床II期POC試驗，并在2017年全球率先啟動同類產(chǎn)品III期臨床試驗和藥品上市計劃，實現(xiàn)全球首創(chuàng)、中國首發(fā)。在此期間，成功完成2億美元融資和中國新藥創(chuàng)新公司建設(shè)。
陳力博士1992年畢業(yè)于愛荷華州立大學(xué)，獲博士學(xué)位，同年加入羅氏美國研發(fā)中心。在羅氏陳博士從一名藥物化學(xué)資深研究員成長為高通量技術(shù)部主任，2004年回中國建立羅氏中國研發(fā)中心，任首席科學(xué)官和董事。陳力博士是35件授權(quán)專利發(fā)明人和17件專利申請發(fā)明人，并發(fā)表60多篇科學(xué)論文。1.Grafe, E., and Meythaler, F. (1927a). Beitrag zur Kenntnis derRegulation der Insulin produktion I. Mitteilung: Der Traubenzuckerals Hormon f?rdie Insulin abgabe. Naunyn-SchmiedebergsArch. Exp. Path. Pharmak. 125,181–192.2.Matschinsky, F. M., and Ellerman, J. E. (1968). Metabolism ofglucose in islets of Langerhans. J.Biol. Chem. 243,2730–2736.3.Matschinsky, F. M., Kauffman, F. C., and Ellerman, J. E. (1968).Effect of hyperglycemia on the hexose monophosphate shunt in isletsof Langerhans. Diabetes17,475–480.4.Froguel, P., Zouali, H., Vionnet, N., Velho, G., Vaxillaire, M.,Sun, F., et al. (1993). Familial hyperglycemia due to mutations inglucokinase. Definition of a subtype of diabetes mellitus. N.Engl. J. Med. 328,697–702.5. Glaser, B., Kesavan, P., Heyman, M., Davis, E., Cuesta, A., Buchs,A., et al. (1998). Familial hyperinsulinism caused by an activatingglucokinase mutation. N.Engl. J. Med. 338,226–230.6. Basco, D., Zhang, Q., Salehi, A., Tarasov, A., Dolci, W., Herrera,P., et al. (2018). α-cellglucokinase suppresses glucose-regulated glucagon secretion. Nat.Commun. 9,1–9.7.Salas, M., Vinula, E., and Sols, A. (1963). Insulin-dependentsynthesis of liver glucokinase in the rat. J.Biol. Chem. 238,3535–3538.8.Grimsby, J., Sarabu, R., Corbett, W. L., Haynes, N. E., Bizzarro,F. T., Coffey, J. W., et al. (2003). Allosteric activators ofglucokinase: potential role in diabetes therapy. Science301,370–373.9.Matschinsky, F. M. (2013). GKAs for diabetes therapy: why noclinically useful drug after two decades of trying? TrendsPharmacol. Sci. 34,90–99.10. Matschinsky F. M, et al. Handb Exp Pharmacol 2011,(203):357-401.11.Cárdenas, M. L. (2004). “Comparative biochemistry of glucokinase”in Glucokinaseand glycemic disease: From basics to novel therapeutics.eds. F. M. Matschinsky and M. A. Magnuson (Basel: Karger), 31–41.12.Agius, L. (2016). Hormonal and metabolic regulation of hepaticglucokinase. Annu.Rev. Nutr. 36,389–415.13.Ferre,T., Pujol, A., Riu, E., Bosch, F., and Valera, A. (1996). Correctionof diabetic alterations by glucokinase. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A.93, 7225–7230.14.Lynedjian, P. B. (2009). Molecular physiology of mammalianglucokinase. Cell.Mol. Life Sci. 66,27–42.15. Van Schaftingen, E., and Veiga da Cunha, M. (2004). “Discovery androle of glucokinase regulatory protein” in Glucokinase and glycemicdisease: From basics to therapeutics. eds. F. M. Matschinbsky and M.A. Magnuson. Front. Diabetes; (Basel: Karger), 16, 193–207.16.Osbak, K. K., Colclough, K., Saint-Martin, S., Beer, N. L.,Bellanné-Chantelot, C., Ellard, S., et al. (2009). Update onmutations in glucokinase (GCK), which cause maturity-onset diabetesof the young, permanent neonatal diabetes, and hyperinsulinemichypoglycemia. Hum.Mutat.17.Hattersley, A. T., Turner, R. C., Patel, P., O’Rahilly, S.,Wainscoat, J. S., Permutt, M. A., et al. (1992). Linkage of type 2diabetes to the glucokinase gene. Lancet339,1307–1310.18.Pino, M. F., Kim, K. -A., Shelton, K. D., Lindner, J., Odili, S.,Li, C., et al. (2007). Glucokinase thermolability and hepaticregulatory protein binding are essential factors for predicting theblood glucose phenotype of missense mutations. J.Biol. Chem. 282,13906–13916.19.Sweet, I. R., Li, G., Najafi, H., Berner, D., and Matschinsky, F.M. (1996). Effect of a glucokinase inhibitor on energy production andinsulin release in pancreatic islets. Am.J. Phys. 271,E606-E625.20.Grimsby, J., Sarabu, R., Corbett, W. L., Haynes, N. E., Bizzarro,F. T., Coffey, J. W., et al. (2003). Allosteric activators ofglucokinase: potential role in diabetes therapy. Science301,370–373.
