溶质载体家族 2（促进葡萄糖转运体），成员 4

哺乳动物细胞促进葡萄糖转运不是单一蛋白质的特性，而是与结构相关蛋白质家族相关的活动。Birnbaum（1989）从大鼠骨骼肌中克隆了一个编码胰岛素反应性葡萄糖转运蛋白的基因。贝尔等人（1990）分离并完全表征了人类 GLUT4 基因。

▼ 基因功能

加维等人（1998）得出结论，胰岛素（ 176730 ）改变了 GLUT4 囊泡在人体肌肉中的亚细胞定位，并且这种效应在患有和不患有糖尿病的胰岛素抵抗受试者中同样受损（参见125853）。易位缺陷与 GLUT4 在基底肌中可证明的致密膜隔室中的异常积累有关。他们之前曾观察到类似的缺陷模式导致人类脂肪细胞产生胰岛素抵抗。他们提出，人类胰岛素抵抗涉及 GLUT4 转移和靶向的缺陷，导致在致密的膜隔室中积累，胰岛素无法将 GLUT4 募集到细胞表面。

肌肉和脂肪组织中胰岛素对葡萄糖摄取的刺激需要 GLUT4 葡萄糖转运蛋白从细胞内储存位点转移到细胞表面。该贩运事件需要激活磷脂酰肌醇-3-OH 激酶（PI3K；参见601232），但不足以产生 GLUT4 易位。Ribon 等人（1998）和鲍曼等人（2000）描述了涉及胰岛素刺激的 CBL（ 165360 ）酪氨酸磷酸化的途径，该途径被衔接蛋白 CAP（ 605264 ）募集到胰岛素受体（ 147670 ））。磷酸化后，CBL 易位至脂筏。阻断这一步骤完全抑制了胰岛素对 GLUT4 易位的刺激。蒋等人（2001）表明磷酸化 CBL 将 CRK2-C3G（ 164762 , 600303 ）复合物募集到脂筏中，其中 C3G 特异性激活小 GTP 结合蛋白 TC10（ 605857 ）。该过程孤立于 PI3K，但需要 CBL、CRK 和 C3G 易位至脂筏。TC10 的激活对于胰岛素刺激的葡萄糖摄取和 GLUT4 易位至关重要。TC10 通路与 PI3K 并行发挥作用，以刺激完全 GLUT4 易位以响应胰岛素。

胰岛素通过发出 GLUT4 葡萄糖转运蛋白从细胞内膜到细胞表面的易位信号来刺激肌肉和脂肪细胞中的葡萄糖摄取。GLUT4 的易位可能涉及既不依赖于 PI3K 又依赖于 PI3K 的信号通路。这种易位还需要肌节蛋白细胞骨架，而 GLUT4 沿线性轨道的快速移动可能是由分子马达介导的。玻色等人（2002）报道了非常规肌球蛋白 MYO1C（ 606538）存在于从 3T3-L1 脂肪细胞中纯化的含 GLUT4 的囊泡中。MYO1C 包含一个运动结构域、3 个 IQ 基序和一个羧基末端货物结构域，在原代和培养的脂肪细胞中高度表达。胰岛素增强 MYO1C 与 GLUT4 在与肌节蛋白丝相关的皮质管泡结构中的定位，并且这种共定位对渥曼青霉素不敏感。野生型 MYO1C 的表达增强了胰岛素刺激的 GLUT4 向脂肪细胞质膜的易位，并被 MYO1C 的显性负货物结构域抑制。由小干扰 RNA 介导的内源性 MYO1C 表达的降低抑制了胰岛素刺激的 2-脱氧葡萄糖摄取。因此，Bose 等人（2002）得出结论，MYO1C 在不依赖 PI3K 的胰岛素信号通路中起作用，该信号通路控制细胞内含 GLUT4 的囊泡向质膜的运动。

井上等人（2003）表明 TC10（ 605857 ）与 EXO70 相互作用，EXO70 是外囊复合物的一个组成部分。他们发现 EXO70 通过激活 TC10 对胰岛素作出反应而易位至质膜，在那里它组装成一个多蛋白复合物，包括 SEC8（ 608185 ）和 SEC6（ 608186 ）。EXO70 突变体的过表达阻断了胰岛素刺激的葡萄糖摄取，但不阻断 GLUT4 向质膜的转移。然而，这种突变体确实阻止了 GLUT4 蛋白的细胞外暴露。井上等人（2003）得出结论，外囊可能在将 GLUT4 囊泡靶向质膜方面发挥关键作用，可能将囊泡引导至精确的融合位点。

在没有胰岛素（ 176730 ）的情况下，GLUT4 被隔离在细胞内，并在胰岛素刺激的几分钟内重新分布到质膜。博根等人（2003）描述了一种功能筛选来识别调节 GLUT4 分布的蛋白质，并确定了 TUG（ 606236）作为 GLUT4 的假定系绳，包含 UBX 域。在截短形式中，TUG 以显性负性方式抑制中国仓鼠卵巢细胞和 3T3-L1 脂肪细胞中胰岛素刺激的 GLUT4 再分布。全长 TUG 专门与 GLUT4 形成复合物；在 3T3-L1 脂肪细胞中，这种复合物存在于未受刺激的细胞中，并在很大程度上被胰岛素分解。内源性 TUG 定位于未刺激的 3T3-L1 脂肪细胞中可动员胰岛素的 GLUT4 池，并且不会被胰岛素动员到质膜。TUG 的不同区域需要结合 GLUT4 并在转染的非脂肪细胞中将 GLUT4 保留在细胞内。博根等人（2003）得出的结论是，TUG 捕获内吞的 GLUT4 并将其束缚在细胞内，并且胰岛素通过释放该束缚来动员这个保留的 GLUT4 池。

奥谢尔等人（2000）确定了 GLUT4 的 5 素 UTR 中的一个区域，指定为域 I，这是完整的 GLUT4 启动子功能所必需的。通过酵母 1-杂交分析、DNase 足迹分析和电泳迁移率变动分析，他们证明 GEF（SLC2A4RG; 609493 ）特异性结合 GLUT4 启动子的结构域 I。GEF 与具有自己的结合位点的 MEF2（参见 MEF2A；600660 ）合作，调节转基因动物中的 GLUT4 表达。

通过测定转染的 COS-7 细胞中的报告基因活性，Knight 等人（2003）发现 GEF、MEF2A 和 MEF2D（ 600663 ）在反式激活 GLUT4 启动子方面各自具有较弱的活性，但 GEF 和 MEF2A 的共转染显示出显着更大的活性。GEF 和 MEF2D 或 MEF2C（ 600662 ）的共转染不会增加 GLUT4 启动子功能。共免疫沉淀测定表明，GEF 在体外结合 MEF2A 和 MEF2D，并且 MEF2D 干扰了由 MEF2A 和 GEF 的协同相互作用促进的转录激活。

在身体对胰岛素的反应过程中，在肌肉和脂肪中触发了葡萄糖转运蛋白 GLUT4 从储存室到质膜的细胞内转移。网格蛋白参与细胞内转移，在人类中，网格蛋白重链异构体 CHC22（ 601273 ）在骨骼肌中高度表达。瓦西洛普洛斯等人（2009）发现 CHC22 在人体肌肉和脂肪细胞中形成胰岛素反应性 GLUT4 区室中的作用。CHC22 还与 2 型糖尿病患者肌肉中扩展的 GLUT4 隔室有关。CHC22 在小鼠中的组织特异性引入，该蛋白只有一个假基因，导致 GLUT4 转运途径成分在其肌肉中的异常定位，以及糖尿病的特征。因此，瓦西洛普洛斯等人（2009）得出结论，依赖 CHC22 的膜转移构成人类肌肉和脂肪中的物种限制途径，对 2 型糖尿病具有潜在影响。

赫尔曼等人（2012 年）报道脂肪组织 GLUT4 调节碳水化合物反应元件结合蛋白（CHREBP，也称为 MLXIPL；605678）的表达，这是一种脂肪生成和糖酵解基因的转录调节因子。此外，脂肪 CHREBP 是脂肪组织脂肪酸合成和全身胰岛素敏感性的主要决定因素。赫尔曼等人（2012）发现了 CHREBP 葡萄糖调节的新机制：葡萄糖介导的经典 CHREBP 异构体（CHREBP-α）的激活诱导了一种新的、有效的异构体（CHREBP-β）的表达，该异构体是从替代启动子转录的。人类脂肪组织中 CHREBP-β 的表达可预测胰岛素敏感性。

Davey 等人使用小鼠 3T3-L1 细胞（2012）发现 Tbc1d13（ 616218 ）通过充当 Rab35（ 604199 ）的 GTPase 激活蛋白来抑制胰岛素刺激的 Glut4 易位至质膜。

使用 DNA 阵列分析，克劳斯等人（2014）比较了来自脂肪特异性 Glut4 敲除或脂肪特异性 Glut4 过表达小鼠的白色脂肪组织中的基因表达与它们各自的对照。他们发现编码烟酰胺N-甲基转移酶的NNMT（600008）是最强烈的相互调节基因。NNMT 使用 S-腺苷甲硫氨酸（SAM）作为甲基供体使烟酰胺甲基化。烟酰胺是 NAD+ 的前体，NAD+ 是连接细胞氧化还原状态与能量代谢的重要辅助因子。SAM 为多胺生物合成提供丙胺，并为组蛋白甲基化提供一个甲基。多胺通量，包括合成、分解代谢和排泄，由限速酶鸟氨酸脱羧酶（ODC; 165640）和亚精胺-精胺 N（1）-乙酰转移酶（SSAT1; 313020 ）和多胺氧化酶（PAOX; 615853 ），在能量代谢中起主要作用。克劳斯等人（2014）据报道，肥胖和糖尿病小鼠的白色脂肪组织和肝脏中 Nnmt 表达增加。白色脂肪组织和肝脏中的 Nnmt 敲低通过增加细胞能量消耗来防止饮食引起的肥胖。由于 NNMT 对脂肪组织中组蛋白 H3 赖氨酸 4 甲基化的影响，NNMT 抑制会增加脂肪 SAM 和 NAD+ 水平并上调 ODC 和 SSAT1 活性以及表达。NNMT 抑制导致多胺通量增加的直接证据包括尿排泄增加和二乙酰精胺的脂肪细胞分泌增加，二乙酰精胺是多胺代谢的产物。脂肪细胞中的 NNMT 抑制会以 ODC、SSAT1 和 PAOX 依赖性方式增加耗氧量。因此，克劳斯等人（2014）得出的结论是，NNMT 是组蛋白甲基化、多胺通量和 NAD（+）依赖性 SIRT1（ 604479 ）信号传导的新型调节剂，是治疗肥胖症和 2 型糖尿病的独特且有吸引力的靶标。

增加的脂肪组织脂肪生成与增强的胰岛素敏感性有关。约尔等人（2014）观察到在脂肪细胞中过度表达 Glut4 葡萄糖转运蛋白的小鼠，尽管肥胖且循环脂肪酸升高，但脂肪生成和葡萄糖耐量增加。脂肪组织的脂质组学分析显示，在这些小鼠中存在羟基脂肪酸的支链脂肪酸酯（FAHFA），其升高了 16 至 18 倍。FAHFA 异构体的不同之处在于羟基脂肪酸（例如，棕榈酸-9-羟基-硬脂酸、9-PAHSA）上的支链酯位置。PAHSA 在体内合成并通过禁食和高脂喂养进行调节。PAHSA 水平与胰岛素敏感性高度相关，并且在胰岛素抵抗人类的脂肪组织和血清中降低。在小鼠中使用 PAHSA 可降低环境血糖并改善葡萄糖耐量，同时刺激 GLP1（参见 GCG，138030）和胰岛素分泌。PAHSA 还减少了脂肪组织炎症。在脂肪细胞中，PAHSA 通过 GPR120（ 609044 ）发出信号以增强胰岛素刺激的葡萄糖摄取。约尔等人（2014 年）因此得出结论，FAHFA 是具有治疗 2 型糖尿病的潜力的内源性脂质。

孙等人（2016）发现 Elmo2（ 606421 ）在小鼠脂肪细胞和大鼠骨骼肌细胞中的过表达增强了胰岛素依赖性 Glut4 膜易位。相比之下，Elmo2 的敲低抑制了 Glut4 易位。Elmo2 是大鼠骨骼肌细胞中胰岛素诱导的 Rac1（ 602048 ） GTP 加载和 Akt（AKT1; 164730 ）膜结合所必需的，但不是 Akt 激活所必需的。孙等人（2016）得出结论，ELMO2 通过调节 RAC1 活性和 AKT 膜划分来调节胰岛素依赖性 GLUT4 膜易位。

▼ 基因结构

贝尔等人（1990）确定 GLUT4 基因跨越 8,000 bp 并包含 11 个外显子。

▼ 测绘

通过 cDNA 探针与一组体细胞杂交体的杂交和原位杂交，Fan 等人（1989）表明胰岛素反应性葡萄糖转运蛋白基因对应到 17p13。

▼ 分子遗传学

Bell 等人报道了编码 GLUT4 和与该基因座相关的 KpnI RFLP 的 cDNA 克隆的描述（1989 年）。村冈等人（1991）在日语中鉴定了 GLUT4 外显子 4a 中的一个多态性标记。与 GLUT1（ 138140 ）不同，GLUT4 多态性标记显示没有关联

可能与非胰岛素依赖型糖尿病有关

在患有非胰岛素依赖型糖尿病（NIDDM; 125853 ）的患者中，Kusari 等人（1991）鉴定了由 GLUT4 基因中的 GTC 到 ATC 取代引起的 val383 到 ile 突变（V383I；138190.0001 ）。

巴罗尼等人（1992）在意大利人群中发现 GLUT4 多态性标记与 NIDDM 之间没有关联。

布斯等人（1992）筛选了一大群不同种族的糖尿病个体和对照组的 V383I 变体，发现按种族或疾病状态分类的个体之间 I383 等位基因的频率没有统计学上的显着差异。布斯等人（1992）得出结论，V383I 与糖尿病无关。

▼ 动物模型

池本等（1995）发现含有整个 GLUT4 基因的转基因小鼠，以及 7 kb 的 5 侧翼序列和 1 kb 的 3 侧翼序列，在骨骼肌和脂肪组织中表达的 GLUT4 mRNA 和蛋白质的正常水平是正常水平的 2 倍或更多倍。GLUT4 表达的这种适度的组织特异性增加导致口服葡萄糖给药后出乎意料的快速血糖清除率。在非转基因动物中，运动导致 GLUT4 mRNA 和蛋白质的表达增加了 1.5 倍，并显着改善了血糖控制。在携带小基因的转基因动物中，运动增加了源自转基因和内源基因的 GLUT4 mRNA 和蛋白质的表达，并导致血糖控制的进一步改善。研究结果被解释为表明 GLUT4 在体内葡萄糖稳态中起关键作用。

卡茨等人（1995）破坏了“敲除”小鼠中的 Glut4 基因，令人惊讶的是，Glut4 缺失小鼠的血糖几乎正常，但 Glut4 对于持续生长、正常的细胞葡萄糖和脂肪代谢以及预期的长寿是绝对必要的。他们观察到其他葡萄糖转运蛋白在肝脏（Glut2）和心脏（Glut1）中的表达增加，但在骨骼肌中没有。胰岛素耐受试验表明这些小鼠对胰岛素作用不太敏感。

斯坦比特等人（1997）通过同源重组破坏了小鼠 Glut4 基因，并研究了雄性小鼠的结果。出乎意料的是，Glut4 缺失小鼠并没有糖尿病，尽管通过胰岛素耐量试验测量它们的胰岛素敏感性确实降低了，并且出现了许多其他异常，包括生长迟缓、脂肪组织严重减少、心脏肥大和寿命缩短。相比之下，杂合子 Glut4 破坏的小鼠并没有变得肥胖，而是表现出高胰岛素血症和最终的高血糖症，肌肉葡萄糖摄取减少、高血压以及心脏和肝脏的糖尿病组织病理学，类似于人类非胰岛素依赖型糖尿病（NIDDM）的表型。125853），包括肝脏微小脂肪变性和大脂肪变性以及肥大的心肌细胞。斯坦比特等人（1997）得出结论，Glut4 +/- 雄性小鼠代表了一个很好的模型，用于研究 NIDDM 的发展而没有与肥胖相关的并发症。

葡萄糖通过 GLUT1 和 GLUT4 葡萄糖转运蛋白进入心脏。缺乏 GLUT4 的小鼠会出现明显的心脏肥大并过早死亡，但尚不清楚它们的心脏变化是主要由心肌细胞中的 GLUT4 缺乏还是由骨骼肌和脂肪组织中缺乏 GLUT4 引起的代谢变化引起的。为了确定 GLUT4 在心脏中的作用，Abel 等人（1999）使用 Cre-loxP 重组产生了 GLUT4 表达在心脏中被消除但存在于骨骼肌和脂肪组织中的小鼠。胰岛素、葡萄糖、游离脂肪酸、乳酸和β-羟基丁酸的寿命和血清浓度正常。在纯合缺陷小鼠中，基础心脏葡萄糖转运和 GLUT1 表达均增加约 3 倍，但胰岛素刺激的葡萄糖摄取被取消。纯合缺陷小鼠出现适度的心脏肥大，这与心肌细胞大小增加和心室利钠肽和脑利钠肽基因表达的诱导有关。未发生心肌纤维化。基础和异丙肾上腺素刺激的等容收缩性能得以保留。因此，

为了确定脂肪 GLUT4 在葡萄糖稳态中的作用，Abel 等人（2001）使用 Cre/loxP DNA 重组产生具有 GLUT4（G4A -/-）的脂肪选择性减少的小鼠。尽管脂肪细胞中胰岛素刺激的葡萄糖摄取明显受损，但 G4A -/- 小鼠的生长和脂肪量正常。尽管 GLUT4 表达保留在肌肉中，但这些小鼠在肌肉和肝脏中出现了胰岛素抵抗，表现为生物反应降低和磷脂酰肌醇-3-OH 激酶（PI3K；参见601232）。G4A -/- 小鼠出现葡萄糖耐受不良和高胰岛素血症。因此，在脂肪组织中选择性下调 GLUT4 和葡萄糖转运会导致胰岛素抵抗，从而增加患糖尿病的风险。在 G4A -/- 小鼠中，平均血浆瘦素水平正常，血浆瘦素浓度与 G4A -/- 小鼠的体重呈线性关系，与对照同窝小鼠相同。因此，脂肪细胞中正常的葡萄糖摄取不是维持正常血浆瘦素水平所必需的。在 G4A -/- 小鼠中注意到升高的 TNF-α（ 191160 ）。

齐斯曼等人（2000）产生了选择性破坏肌肉中 GLUT4 的小鼠。结果导致基础葡萄糖转运的显着降低和几乎不存在胰岛素或收缩的刺激。这些小鼠从小就表现出严重的胰岛素抵抗和葡萄糖耐受不良。因此，肌肉中 GLUT4 介导的葡萄糖转运对于维持正常的葡萄糖稳态至关重要。

金等人（2001）发现 Glut4 敲除小鼠与对照组相比，骨骼肌中胰岛素刺激的葡萄糖摄取减少了 92%，脂肪组织中胰岛素诱导的葡萄糖摄取也减少了。突变小鼠的肝葡萄糖产生也减少了。全身葡萄糖摄取减少了 55%，表明存在严重的胰岛素抵抗。作者得出结论，由于葡萄糖毒性，肌肉葡萄糖转运的主要缺陷可导致脂肪组织和肝脏中胰岛素作用的继发缺陷。继发性缺陷可能导致胰岛素抵抗和糖尿病的发展。

为了阐明 STXBP3（ 608339 ）在胰岛素刺激的 GLUT4 胞吐中的生理功能，Kanda 等人（2005 年）产生了缺乏突触融合蛋白-4（见186591）结合蛋白 Stxbp3 的小鼠胚胎，并从其间充质成纤维细胞中发育出 Stxbp3 -/- 脂肪细胞。与 +/+ 细胞相比，Stxbp3 -/- 脂肪细胞中胰岛素诱导的 Glut4 在细胞表面的出现增强。Wortmannin 是一种 PI3K 的抑制剂，可抑制胰岛素刺激的 Glut4 在 +/+ 而不是 -/- 脂肪细胞中的外化。神田等人（2005 年）表明，脂肪细胞中突触融合蛋白-4 和 STXBP3 之间相互作用的破坏可能导致胰岛素刺激的 GLUT4 外化增强。

▼ 等位基因变体（ 1 示例）：

.0001 重新分类 - 意义不明的变体
SLC2A4、VAL383ILE
该变体以前称为非胰岛素依赖型糖尿病（NIDDM; 125853 ），已根据Buse 等人的研究结果重新分类（1992）和埃斯波西托等人（1995 年）。

库萨里等人（1991）对 6 名非胰岛素依赖型糖尿病患者的 GLUT4 基因的整个编码区进行了测序。一名患者的突变是杂合子，其中异亮氨酸（ATC）在 383 位被缬氨酸（GTC）取代。随后，在另外 24 名 NIDDM 患者和 30 名非糖尿病对照者中确定了 383 位的 GLUT4 序列，并且都仅显示正常序列. 作者得出结论，绝大多数 NIDDM 患者在 GLUT4 的编码序列中没有遗传变异，但表明患者的一个亚群可能在该基因中存在变异。

布斯等人（1992）筛选了一大群不同种族的糖尿病个体和对照组的 V383I 多态性，发现它在 147 名胰岛素依赖型糖尿病（IDDM; 222100 ）、2（ 268 名 NIDDM 患者中的 0.7%）和 261 名对照中的 4 名（1.5%）。没有纯合子。其中一个 NIDDM V383I 携带者有一个类似感染的姐妹，她没有携带变异等位基因。布斯等人（1992）得出结论，V383I 变体与糖尿病无关。

埃斯波西托等人（1995）筛选了 68 名意大利 NIDDM 患者和 65 名对照的 GLUT4 V383I 队列，并没有在任何患者或对照中发现变异。作者得出结论，V383I 变体与意大利人群中 NIDDM 的发展无关。