Glucose Transporter

 mammalian cellには二つの糖輸送機構が存在する:Na+‐glucose co‐transporter及びfacilitative glucose transporter(GLUTs)。前者は糖輸送にATPを必要とし、主として小腸の吸収上皮に存在する。後者は濃度依存性に血管と細胞間との糖輸送をつかさどるもので、これまでに7種のisoformが確認されている。GLUT1は赤血球に認められ糖との親和性が高くbasic glucose transporterと見なされる。GLUT2は主として肝臓に依存、両方向性の糖輸送に関わる。GLUT3は脳、神経組織に認められる。GLUT4はインスリン反応性組織(脂肪、骨格筋)に認められインスリン反応性糖輸送蛋白として知られている。インスリン刺激により細胞内から細胞膜へ移動し作用する。TranslocationにはIRS-1の燐酸化が刺激となることがインスリン非依存性糖尿病で確認されている。GLUT5はfructose transporterであることが最近の研究で明らかとなり、GLUT familyからは除外して考えられることが多い。GLUT6は翻訳されず、GLUT7はmicrosomal glucose transporterであることも判明している。
 Positron emission tomography(PET)が臨床に応用されるに至り腫瘍での糖取り込みのメカニズムが注目されている。また臨床的にはある種のGLUT、殊にGLUT1の発現量と予後の間に関連があることが乳癌、大腸癌、胃癌、膵臓癌等で示されている。

参考文献抄録

1)癌細胞への糖取り込みのメカニズム -glucose transporter発現の意義-

 癌細胞は正常細胞に比較し、糖の取り込みが亢進しているため、glucose eaterと呼ばれる。しかし癌細胞への糖取り込みの細胞レベルでのメカニズムはいまだ明らかではない。本検討ではヒト由来の胃癌細胞株(MKN28、MKN45、STSA)を用いて、GLUTの発現とglucose uptakeとの関連を検討し癌細胞におけるGLUTの発現の意義をあきらかにすることを目的とし施行した。RT‐PCRによりGLUT1及びGLUT4mRNAは全ての細胞株で確認された。GLUT4蛋白の発現はMKN45やSTSAよりMKN28でより著明に認められた(IHC)。Insulin刺激によりMKN28細胞ではglucose uptakeがbasal conditionsに比較して20%増加した(0.60±0.05fmol/cell/min(after insulin stimulation)、0.53±0.07fmol/cell/3min(basal))が、MKN45とSTSA細胞では認められなかった。MKN45を用いてincubation buffer中のNaCl存在の有無でglucose uptakeを比較したところ、差は全く認められなかった。Antisense GLUT1をMKN45に挿入した株ではglucose uptakeのほぼ80%が抑制された。このように胃癌細胞株では糖取り込みはNa‐ATP‐dependent transporterによるところはほとんど無く、ほぼ全ての糖取り込みがfacilitative glucose transporterに依存する。なかでもその大部分はGLUT1を介して行われ、GLUT4強発現株でもinsulin刺激に依存するglucose uptakeはたかだか20%に過ぎない。ゆえに癌細胞内糖代謝をtargetとする場合GLUT1の抑制が癌治療と結びつく可能性が示唆された。

野口芳一,吉川貴己,斎藤 綾ほか:外科と代謝・栄養,33:121,1999

2)Overexpression of glucose transporter1and increased FDG uptake in pancreatic carcinoma

 Increased glycolysis is a characteristic metabolic feature of a malignant transformed phenotype.In cultured cells transformed by viruses or activated oncogenes,enhanced glycolytic metabolism is mediated by the overexpression of glucose transporter 1 (Glut-1) and key regulatory glycolytic enzymes.Whether increased glucose metabolism in solid human malignant tumors is related to the overexpression of key regulatory proteins of glucose metabolism is presently unknown.We thus studied the expression of Glut-1 and glucose uptake,assessed with 2-fluorodeoxyglucose (FDG) and PET in human pancreatic carcinoma(PC) and chronic mass‐forming pancreatitis (MFP).METHODS:Glucose uptake was measured in the fasting state with FDG and PET in 12 patients with PC and 15 patients with MFP.The standardized uptake value (SUV) of FDG was determined as a global quantitative measure of tissue glucose utilization in cancer tissue or MFP.The expression of Glut-1 and Glut-4 was analyzed from operatively removed cancer or MFP tissue by Northern analysis or semiquantitative reverse transcriptase‐polymerase chain reaction.The count ratio of Glut-1 to Glut-4 transcripts was used as an indicator of selective Glut-1 up‐regulation.RESULTS:The SUVs of FDG in patients with cancer and MFP were 2.98+/-1.23 and 1.25+/-0.51 (p<0.01),respectively.Northern analysis showed intense Glut-1 expression in four of five patients with cancer but not in any of the five patients with MFP that were tested.In PC,Glut-1 and Glut-4 transcripts were found in five of five three of 10 patients,respectively,using reverse transcriptase‐polymerase chain reaction,whereas in MFP,Glut-1 was detected in one of five and Glut-4 was detected in all five patients.The Glut-1-to‐ Glut-4 transcript rations were 6.17+/-1.27 in patients with cancer and 0.42+/-0.12 in patients with MFP.The mean Glut-1 concentration in eight patients with cancer was 1.71nmol of Glut-1 mRNA/μg of mRNA (range,0.0446-9.43) and 0.15 (range,0-1.55)(p<0.05) in 13 patients with MFP.The concomitant enhancement of glucose utilization and selective overexpression of Glut-1 mRNA in pancreatic cancer but not in MFP suggested constitutive activation of Glut-1gene or decreased degradation of Glut-1 mRNA in human pancreatic cancer.These findings may imply a potential for the early detection of pancreatic cancer with FDG and PET and identify new targets for anticancer therapy.

Reske SN,Grillenberger KG,Glatting G,et al:J Nucl Med 38:1344-438,1997

3)Expression of facilitative glucose transporter isoforms in lung carcinomas:its relation to histologic type,differentiation grade,and tumor stage

 Expression of facilitative glucose transporter(GLUT)isoforms was studied immunohistochemically in lung carcinomas.GLUT1 was expressed in 45 (74%) of 61 lung carcinoma,including 19 (100%) of 19 squamous cell carcinomas.No GLUT1 staining was seen in normal lung epithelium surrounding the tumors.In squamous cell carcinomas and small cell carcinomas,GLUT1 immunostaining was stronger in the central area of tumor cell nests corresponding to the hypoperfused region.Focal staining was seen in 14 (58%) of 24adenocarcinomas,and positive staining was correlated to lesser differentiation,larger tumor size,and positive lymph node metastasis.Glut2 was detected in normal airway epithelium,but no positive staining was seen in lung carcinomas.GLUT3 and GLUT4 were not positively stained in normal lung epithelium,but a few lung carcinoma samples showed positive reaction (9 of 61 in GLUT3;4 of 61 in GLUT4).GLUT4 immunoexpression was seen in regenerating alveolar and bronchiolar epithelia around and in cancer tissues.GLUT5 expression was not detected in normal and tumor tissues.RT‐PCR for GLUT1,GLUT3,and GLUT4 confirmed the expression revealed by immunohistochemical analysis.Overexpression of GLUT could enhance uptake of glucose into lung carcinoma cells,and the increased glucose flux could be involve in cell biologic activities.

Ito T,Noguchi Y,Satoh S,et al:Modern Pathol 11:437-43,1998

4)Inhibition of IRS-1 phosphorylation and the alterations of GLUT4 in isolated from cachectic tumor‐bearing rats

 Cellular and molecular mechanisms of insulin resistance in isolated adipocytes from methylcholanthrene‐induced sarcoma‐bearing rats were investigated by measuring3-O-[14 C]methyl glucose transport activity,glucose transporter-4(GLUT4) protein in both plasma membrane and low‐density microsomes,and insulin‐stimulated tyrosine phosphorylation of the insulin receptor (IR) and insulin receptor substrate-1(IRS-1) Compared to both pair‐fed and freely fed controls,tumor‐bearing rats (TBR) had a decreased insulin‐stimulated glucose transport activity with a lower Vmax and a higher EC50.GLUT4 protein in low‐density microsomes from adipocytes maintained at the basal state was less in TBR than in controls.In insulin‐stimulated adipocytes,GLUT4 protein in plasma membranes was also less inn tumor‐bearing rats than in controls.Insulin‐induced tyrosine phosphorylation of IRS-1 was less in TBR than controls,but that or the IR was similar among the three groups.These data suggest that the insulin resistance seen in adipose cells of these tumor‐bearing rats was caused in part by a decreased amount of GLUT4 protein in both basal and insulin‐stimulated states resulting from the selective inhibition of insulin‐stimulated phosphorylation of IRS-1.

Yoshikawa T,Noguchi Y,Satoh S:Biochem Biophy Res Comm 256:676-81,1999

関 連 用 語

英文表記 略語 和文表記 定 義 ・ 備 考
insulin resistance   インスリン
 抵抗性
膵インスリン分泌能低下を伴わず一定量のインスリンに対する反応量が量的に低下状態を示す。一般的には糖代謝に著明にみとめられるが、必ずしもこれに限局するものではない。
insulin receptor substrate‐1 IRS‐1   インスリンがreceptorに結合した後のシグナル伝達系の上流に位置し、このphosphorylationがGLUT4の細胞膜へのtranslocationを刺激する。
cancer cachexia   癌悪疫質 担癌時に認められる食思不振、全身衰弱、るいそう、臓器不全等を含む症状および兆候の総称で種々の特異な代謝異常を伴う。
Fluorodeoxy‐D‐glucose FDG   PETに用いられるprobeの一つでエネルギーー代謝の検討にもちいられる。FDGがglucose analogで細胞内に取り込まれhexokinaseにより燐酸化されFDG6-phosphateになる。しかしFDG6-phosphateはこれ以上代謝されないため細胞内に蓄積しPETにて描出されるようになる。
Positron emission
tomography
PET ペット
スキャン
radionucleotidesがprotonから中性子に変化するとき放出されるpositronは最終的にはelectronと反応(annihilation)するが、この際出されるannihilation radiationを測定する。従来のCTやMRIに比較し、PETでは機能的画像を提供する点で大きく異なる。
Polymerase‐Chain‐
Reaction
PCR   in vitroで目的とするDNAを増幅する方法で、DNA sample、oligonucleotidesのprimerとDNA polymeraseからなる。各々のprimerは目的とするDNA segmentとcomplementaryになるよう作成しておく。加熱と冷却を繰り返し、DNA合成を繰り返す。
Glucose uptake assay  糖輸送試験 細胞内への糖取り込みを見る方法で3-O‐methyl glucoseまたはdeoxyglucoseを用いることが多い。前者ではnet intakeとnet outputが等しくなる時点でplateauに達する。後者は細胞内で燐酸化されるが、燐酸化速度のほうが糖輸送速度よりも早いため、糖濃度が低ければ細胞内に取り込まれた糖はすぐに燐酸化され、uptakeは直線的に増加する。
文責 野 口 芳 一