胰島β細(xì)胞去分化及可塑性

鄧圓圓，劉紅紅，徐積兄

(南昌大學(xué)第一附屬醫(yī)院內(nèi)分泌科,南昌 330006)

糖尿病已成為威脅人類健康最嚴(yán)重的疾病之一，據(jù)統(tǒng)計(jì)2019年全球有近5億人患有糖尿病[1]。由于人口增長(zhǎng)、老齡化、城市化、肥胖及缺乏運(yùn)動(dòng)的生活方式，預(yù)計(jì)在未來幾十年，中國(guó)和印度的發(fā)病率將出現(xiàn)最大數(shù)量的增長(zhǎng)，預(yù)計(jì)到2045年，全世界糖尿病患病人數(shù)將達(dá)到7億。2型糖尿病(T2DM)是最常見的糖尿病類型，其病理生理基礎(chǔ)是胰島β細(xì)胞功能不全和胰島素抵抗。T2DM是一種具有多種病因的異質(zhì)性疾病[1-2]。β細(xì)胞功能不全包含β細(xì)胞數(shù)量的減少和胰島素分泌功能下降，2型糖尿病中導(dǎo)致β細(xì)胞功能不全具體機(jī)制仍存在爭(zhēng)議。雖然人們普遍認(rèn)為，隨著時(shí)間的推移，細(xì)胞凋亡的增加與β細(xì)胞漸進(jìn)性衰竭有關(guān)，但大量歐洲動(dòng)物胰腺病理學(xué)研究及一些人類病理學(xué)分析表明，細(xì)胞凋亡本身不足以解釋已確診的2型糖尿病中嚴(yán)重的胰島功能障礙[3-4]。隨后有學(xué)者對(duì)β細(xì)胞凋亡假說提出挑戰(zhàn)，TALCHAI等[5-6]證明，胰島素釋放不足可能是由于β細(xì)胞去分化；胰島β細(xì)胞這種在高糖環(huán)境下去分化的反應(yīng)既是“自私”的，又是有利的，一方面，這會(huì)使患者血糖更難控制，另一方面可免于高糖引起的細(xì)胞應(yīng)激，保存“實(shí)力”，在高糖環(huán)境條件改善時(shí)又重新分化[5，7-8]。

β細(xì)胞去分化可分為兩階段，第一：成熟β細(xì)胞標(biāo)志物，功能相關(guān)的蛋白質(zhì)和轉(zhuǎn)錄因子的喪失或下調(diào)(如胰島素和轉(zhuǎn)錄因子FoxO1、MAFA、PDX1等)；第二：β細(xì)胞向胰島內(nèi)分泌祖細(xì)胞或干細(xì)胞狀態(tài)轉(zhuǎn)變；在此階段NGN3、OCT4、Nanog和L-Myc等祖細(xì)胞標(biāo)志性轉(zhuǎn)錄因子表達(dá)增加[5,9-10]。胰島β細(xì)胞長(zhǎng)期浸泡在高血糖的環(huán)境下，葡萄糖毒性導(dǎo)致其細(xì)胞衰竭[11]。有研究[12-13]顯示，葡萄糖毒性涉及多種機(jī)制，包括活性氧(ROS)的產(chǎn)生，內(nèi)質(zhì)網(wǎng)(ER)應(yīng)激的激活，己糖胺生物合成途徑通量的增加及炎癥因子的增多等。本文就2型糖尿病患者β細(xì)胞去分化可能機(jī)制及其可塑性進(jìn)行闡述。

1 慢性氧化應(yīng)激

胰島中抗氧化酶如超氧化物歧化酶、過氧化氫酶和谷胱甘肽過氧化物酶的表達(dá)水平很低，而持續(xù)的高葡萄糖代謝可產(chǎn)生過量ROS[11]。有研究[14-15]顯示，慢性氧化應(yīng)激可導(dǎo)致胰島β細(xì)胞去分化。在哺乳動(dòng)物中表達(dá)4種FoxO亞型：FoxO1、FoxO3、FoxO4和FoxO6，胰島細(xì)胞中富含F(xiàn)oxO1亞型[16]。FoxO1是一種多功能蛋白，具有調(diào)節(jié)細(xì)胞增殖、分化、抗應(yīng)激、抗自噬和調(diào)節(jié)細(xì)胞代謝等作用[17]。在胰島β細(xì)胞中，F(xiàn)oxO1通過調(diào)節(jié)MafA、PDX-1、NGN3等轉(zhuǎn)錄因子的表達(dá)維持成熟β細(xì)胞正常功能形態(tài)[18-19]。血糖正常情況下，持續(xù)分泌的胰島素激活A(yù)KT激酶，而使FoxO1中的絲氨酸和蘇氨酸位點(diǎn)磷酸化，進(jìn)而使FoxO1定位于細(xì)胞質(zhì)[7]，在輕度高血糖時(shí)，為了應(yīng)對(duì)β細(xì)胞氧化應(yīng)激，F(xiàn)oxO1去乙酰化并轉(zhuǎn)移到細(xì)胞核[20]。氧化應(yīng)激也會(huì)激活c-Jun NH2末端激酶(JNK)，使FoxO1在不同于AKT激酶磷酸化的絲氨酸和蘇氨酸位點(diǎn)磷酸化，進(jìn)一步增強(qiáng)FoxO1的核保留，以維持β細(xì)胞正常功能形態(tài)。當(dāng)嚴(yán)重持續(xù)性血糖升高時(shí)，F(xiàn)oxO1則表達(dá)下降或消失[21]，使胰島β細(xì)胞不能維持正常功能及形態(tài)而發(fā)生去分化改變[5]。PDX-1是一種胰腺發(fā)育所必需且內(nèi)含同源域的轉(zhuǎn)錄因子，其在胰腺和十二指腸中表達(dá)，參與激活胰島素、葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白2(GLUT2)和葡萄糖激酶基因的表達(dá)[22]。正常情況下，受核定位信號(hào)(NLS)的作用，PDX-1僅定位于細(xì)胞核中[23]。MAF家族是細(xì)胞分化的關(guān)鍵調(diào)控因子,MAFA是MAF家族中的一員，也是胰島β細(xì)胞形成和成熟所必需的[24]。PDX-1和RIPE-3b1激活劑為胰島素基因啟動(dòng)子區(qū)域結(jié)合的重要轉(zhuǎn)錄因子，RIPE-3b1激活劑已被鑒定為MAFA。在慢性氧應(yīng)激中，通過下調(diào)硫氧還蛋白相互作用蛋白(TXNIP)，激活STAT3依賴性途徑，上調(diào)miR-204，從而導(dǎo)致MafA轉(zhuǎn)錄水平降低[25]。且在慢性氧應(yīng)激中，經(jīng)典的富含亮氨酸的核輸出信號(hào)(NES)以JNK依賴性的方式被激活，從而覆蓋NLS的功能，且PDX-1還通過激活的JNK途徑介導(dǎo)細(xì)胞質(zhì)轉(zhuǎn)移。由于PDX-1基因被細(xì)胞核中PDX-1本身反式激活，持續(xù)性核質(zhì)異位核中PDX-1表達(dá)減少，導(dǎo)致細(xì)胞中PDX-1亦進(jìn)一步減少[23]。PDX-1和(或)MAFA的減少或喪失會(huì)導(dǎo)致胰島素分泌缺陷[14]。在慢性氧應(yīng)激的代謝壓力下，表達(dá)胰島素的細(xì)胞會(huì)減少，而NGN3細(xì)胞則增多[18]。還有研究[15]指出，己糖胺生物合成途徑通過誘導(dǎo)慢性氧應(yīng)激導(dǎo)致胰島β細(xì)胞去分化。

2 內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激

以前普遍認(rèn)為糖毒性干擾內(nèi)質(zhì)網(wǎng)中的蛋白質(zhì)折疊，從而誘導(dǎo)內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激導(dǎo)致胰島β細(xì)胞凋亡[26]。目前，有動(dòng)物研究[12，27-28]表明，糖毒性誘導(dǎo)的慢性內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激導(dǎo)致β細(xì)胞特異性轉(zhuǎn)錄因子逐漸喪失(包括FoxO1、PDX1、MAFA等)，NGN3和OCT4等內(nèi)分泌祖細(xì)胞標(biāo)志物的出現(xiàn)，即慢性內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激會(huì)導(dǎo)致β細(xì)胞去分化，其可能的機(jī)制為通過MEK-ERK通路觸發(fā)的信號(hào)通路。PDX1、BETA2和MAFA協(xié)同激活胰島素基因轉(zhuǎn)錄[29]，而C/EBP-β為胰島素轉(zhuǎn)錄啟動(dòng)子的負(fù)調(diào)控因子[30]，以上4種轉(zhuǎn)錄因子均受ERK1/2活性的影響[31]。胰島β細(xì)胞在糖誘導(dǎo)的慢性內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激下激活MEK-ERK通路，磷酸化的ERK酶通過影響轉(zhuǎn)錄或翻譯后通路，使PDX1、BETA2和MAFA表達(dá)下降，C/EBP-β表達(dá)增強(qiáng)，進(jìn)而使胰島素分泌缺陷，胰島β細(xì)胞發(fā)生去分化[12]。

3 細(xì)胞因子作用

糖尿病患者胰島中富含炎癥細(xì)胞，炎癥細(xì)胞產(chǎn)生的細(xì)胞因子會(huì)誘導(dǎo)胰島β細(xì)胞去分化[6,32-34]。由巨噬細(xì)胞產(chǎn)生的成纖維細(xì)胞生長(zhǎng)因子(FGF)通過與FGFR1c受體結(jié)合激活MAPK通路，影響成熟β細(xì)胞標(biāo)志物的表達(dá)使其去分化[32]。在培養(yǎng)的人類和小鼠胰島內(nèi)細(xì)胞因子IL-1β、IL-6和TNFα促進(jìn)β細(xì)胞去分化，IL-1β是其中作用最強(qiáng)的。IL-1β與受體結(jié)合后激活NF-KB通路，使成熟β細(xì)胞表達(dá)的轉(zhuǎn)錄因子下調(diào)或喪失，影響FoxO1的表達(dá)[35]。血管緊張素Ⅱ(AngⅡ)是一種可使血管收縮的激素，SAUTER等[36]發(fā)現(xiàn)AngⅡ可誘導(dǎo)胰島素分泌受損，其作用機(jī)制與縮血管作用無(wú)關(guān)。AngⅡ可使胰島β細(xì)胞發(fā)生去分化，其可能的機(jī)制是AngⅡ與AT1R結(jié)合使IкB激酶(IKK)復(fù)合物磷酸化，釋放IkBα，促進(jìn)p65的核易位調(diào)節(jié)基因轉(zhuǎn)錄，從而使胰島素、PDX1、FoxO1表達(dá)降低，而NGN3、OCT4等表達(dá)增強(qiáng)[13]。NF-KB通路通過促進(jìn)血管緊張素Ⅱ型受體(AT1R)基因表達(dá)[37]，AngⅡ亦可促進(jìn)IL-1β、IL-6等細(xì)胞因子的表達(dá)，2個(gè)信號(hào)通路相互交叉，共同作用，促進(jìn)胰島β細(xì)胞去分化[13]。

4 β細(xì)胞的可塑性

胰島β細(xì)胞分化狀態(tài)及功能方面具有異質(zhì)性，即胰島β細(xì)胞不是以一種固定的、終末分化的狀態(tài)存在，其存在一定程度的細(xì)胞可塑性[9,38]。胰島β細(xì)胞去分化為胰島內(nèi)分泌祖細(xì)胞，具有干細(xì)胞可塑的特性，在一定的條件下可以重新分化為胰島β細(xì)胞或其他胰島內(nèi)分泌細(xì)胞[5，38-39]。強(qiáng)化胰島素治療可消除高糖環(huán)境的糖毒性而使去分化的胰島β細(xì)胞重新分化[9]。胰高血糖素樣肽-1(GLP-1)是一種主要由胃腸道L細(xì)胞釋放的激素。GLP-1類似物治療可使去分化的胰島β細(xì)胞重新分化，其可能的機(jī)制為GLP-1降低血糖的效應(yīng)，顯著增加抗氧化應(yīng)激相關(guān)基因，降低內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激相關(guān)蛋白的表達(dá)來降低氧化應(yīng)激及內(nèi)質(zhì)網(wǎng)等細(xì)胞應(yīng)激[40]，但其確切機(jī)制，有待進(jìn)一步證實(shí)。ARX是α細(xì)胞發(fā)育及維持其成熟細(xì)胞穩(wěn)定性所必需的轉(zhuǎn)錄因子[41]，有研究[28,42]表明，ARX的上調(diào)會(huì)抑制胰島素基因的已知激活物PAX4的表達(dá)，干擾去分化的β細(xì)胞再分化為β樣細(xì)胞，或直接轉(zhuǎn)分化為α細(xì)胞。ARX抑制劑可能有助于人類去分化β細(xì)胞的再分化。去分化的胰島β細(xì)胞這種可塑性并不是一直存在，糖尿病長(zhǎng)病程患者無(wú)法恢復(fù)β細(xì)胞功能，說明糖尿病的階段和β細(xì)胞再分化逆轉(zhuǎn)之間存在某種聯(lián)系[43]。

5 結(jié)語(yǔ)

糖尿病的治療方法具有多樣性，目前主要是降糖藥物治療，但有些患者血糖控制并不理想，胰島β細(xì)胞去分化及其可塑性為糖尿病治療帶來新希望。盡管有動(dòng)物實(shí)驗(yàn)證明胰島β細(xì)胞去分化及可塑性的機(jī)制，但人體的機(jī)制是否與動(dòng)物相似，干預(yù)治療是否具有相同的效果，人體中是否存在其他未被發(fā)現(xiàn)的機(jī)制，有待進(jìn)一步研究。