硫氧還蛋白相互作用蛋白介導(dǎo)胰島β細(xì)胞凋亡及功能障礙研究進(jìn)展

張之 1，張　燕 2，李學(xué)軍 3

(1．新疆醫(yī)科大學(xué)基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)院藥理學(xué)教研室，新疆烏魯木齊　830011; 2．烏魯木齊軍區(qū)總醫(yī)院，新疆

烏魯木齊830011; 3．北京大學(xué)醫(yī)學(xué)部藥理學(xué)系，北京100191)

摘要:硫氧還蛋白相互作用蛋白(TXNIP)不僅與細(xì)胞的氧化還原狀態(tài)密切相關(guān)，在胰島β細(xì)胞功能障礙和細(xì)胞凋亡中也扮演了重要角色。高糖通過(guò)招募碳水化合物反應(yīng)元件結(jié)合蛋白(ChREBP)到TXNIP的啟動(dòng)子，ChREBP與組蛋白乙酰轉(zhuǎn)移酶p300相互作用，引起TXNIP的轉(zhuǎn)錄，TXNIP介導(dǎo)高糖誘發(fā)的氧化應(yīng)激、內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激、NOD樣受體3炎癥小體激活、凋亡和自噬障礙等。可通過(guò)誘導(dǎo)微小RNA-204的表達(dá)下調(diào)鳥(niǎo)類(lèi)MafA蛋白哺乳動(dòng)物同系物而抑制胰島素基因轉(zhuǎn)錄，抑制胰島素信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑，進(jìn)而抑制葡萄糖刺激的胰島素分泌; TXNIP通過(guò)抑制硫氧還蛋白系統(tǒng)影響細(xì)胞的生存，同時(shí)還是介導(dǎo)細(xì)胞線粒體凋亡和內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激凋亡途徑的樞紐分子。抑制TXNIP可能是一個(gè)阻止糖尿病進(jìn)程的有效靶點(diǎn)。本文就TXNIP在胰島細(xì)胞凋亡和胰島功能障礙方面的相關(guān)研究進(jìn)行回顧和總結(jié)分析。

文獻(xiàn)標(biāo)志碼: A

文章編號(hào): 1000-3002(2015)03-0482-04

DOI: 10．3867/j．issn．1000-3002．2015．03．022

基金項(xiàng)目:新疆維吾爾自治區(qū)自然科學(xué)基金(2012211A038)

作者簡(jiǎn)介:張之，女，博士，主要從事心血管藥理學(xué)研究。

通訊作者:李學(xué)軍，E-mail: xuejunli168@163．com

糖尿病發(fā)病的分子機(jī)制至今未徹底闡明。胰島β細(xì)胞在糖毒性、脂毒性等各種不良因素影響下引起的細(xì)胞凋亡是胰島細(xì)胞功能障礙甚至衰竭的重要原因。研究發(fā)現(xiàn)，硫氧還蛋白相互作用蛋白(thioredoxin interacting protein，TXNIP)不僅是細(xì)胞氧化還原狀態(tài)的重要調(diào)節(jié)者 ［1］，還是介導(dǎo)細(xì)胞凋亡、氧化應(yīng)激、內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激、炎癥和自噬等的關(guān)鍵因子，可能是聯(lián)接各種糖尿病發(fā)病機(jī)制的一個(gè)樞紐分子。本文就TXNIP在胰島細(xì)胞凋亡及胰島功能障礙領(lǐng)域的研究進(jìn)展作一綜述。

1　TXNIP的表達(dá)

1．1高糖誘導(dǎo)TXNIP的轉(zhuǎn)錄

高血糖作為一種代謝異常情況可以激活細(xì)胞內(nèi)多種防御機(jī)制，如細(xì)胞凋亡、炎癥 ［2］和自噬等 ［3］。高濃度葡萄糖是誘導(dǎo)TXNIP表達(dá)的重要因素，在胰島素抵抗/糖尿病模型小鼠 ［4］及糖尿病患者β細(xì)胞中均發(fā)現(xiàn)TXNIP表達(dá)顯著上調(diào) ［5］。但高糖引起TXNIP的基因轉(zhuǎn)錄不依賴于葡萄糖的代謝，而是由人類(lèi)TXNIP啟動(dòng)子區(qū)一個(gè)特殊的碳水化合物反應(yīng)元件(carbohydrate response element，ChoRE)介導(dǎo)。葡萄糖可劑量及時(shí)間依賴性地招募轉(zhuǎn)錄因子碳水化合物反應(yīng)元件結(jié)合蛋白(carbohydrate response element-binding protein，ChREBP)到TXNIP的啟動(dòng)子，ChREBP與組蛋白乙酰轉(zhuǎn)移酶p300相互作用，引起組蛋白H4的乙?；?，同時(shí)伴隨RNA多聚酶Ⅱ的征募 ［6］，說(shuō)明葡萄糖引起的TXNIP轉(zhuǎn)錄伴有染色質(zhì)結(jié)構(gòu)的調(diào)整。高糖誘導(dǎo)TXNIP的表達(dá)上調(diào)是引起后續(xù)細(xì)胞凋亡、細(xì)胞功能障礙的重要原因。

1．2脂肪酸抑制TXNIP的表達(dá)

“脂毒性”也是引起胰島細(xì)胞凋亡和功能障礙的的重要因素。但研究顯示，棕櫚酸沒(méi)有誘導(dǎo)TXNIP表達(dá)的作用 ［7］，將棕櫚酸與葡萄糖聯(lián)合處理胰島細(xì)胞，發(fā)現(xiàn)棕櫚酸甚至取消了葡萄糖誘導(dǎo)TXNIP表達(dá)的作用。也有研究顯示，棕櫚酸和油酸能抑制TXNIP的表達(dá) ［8］，該作用可能與棕櫚酸激活A(yù)MP激活的蛋白激酶，驅(qū)逐ChREBP出細(xì)胞核有關(guān)。提示脂肪酸引起的細(xì)胞凋亡可能主要是非TXNIP依賴性途徑介導(dǎo)的。

2　TXNIP介導(dǎo)胰島β細(xì)胞凋亡

研究表明，糖尿病狀態(tài)下TXNIP是高血糖誘導(dǎo)的胰島β細(xì)胞凋亡的關(guān)鍵介導(dǎo)者。TXNIP在大鼠胰島素瘤INS-1胰島細(xì)胞中過(guò)表達(dá)可誘導(dǎo)胰島細(xì)胞顯著凋亡，糖尿病BTBR ob/ob小鼠胰島中TXNIP的表達(dá)及細(xì)胞凋亡也顯著增高，人胰島暴露于高糖也可導(dǎo)致TXNIP顯著升高，凋亡顯著增加 ［10］。而抑制TXNIP能抑制凋亡，促進(jìn)胰島β細(xì)胞的存活。用鏈脲佐菌素處理TXNIP特異性敲除小鼠的胰島β細(xì)胞，β細(xì)胞數(shù)量增加了3倍，凋亡減少了約50倍，并能對(duì)抗鏈脲佐菌素誘導(dǎo)的血糖升高作用，對(duì)抗肥胖誘導(dǎo)的糖尿病 ［11］。還有研究發(fā)現(xiàn)，TXNIP的缺乏誘導(dǎo)了胰島Akt/BC-xL抗凋亡信號(hào)通路的激活 ［10］。

2．1 TXNIP是介導(dǎo)內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激凋亡途徑的樞紐分子

最近基于實(shí)驗(yàn)、臨床和遺傳等領(lǐng)域的研究證據(jù)顯示，在1型和2型糖尿病發(fā)展過(guò)程中，內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激(endoplasmic-reticulum stress，ERS)是決定胰島β細(xì)胞生死的重要機(jī)制之一。ERS與炎癥之間的對(duì)話被認(rèn)為是β細(xì)胞死亡及功能障礙的重要原因。研究發(fā)現(xiàn)，TXNIP是連接ERS與炎癥的關(guān)鍵信號(hào)節(jié)點(diǎn)分子。ERS通過(guò)內(nèi)質(zhì)網(wǎng)R樣蛋白激酶(protein kinase R-like endoplasmic reticulum kinase，PERK)和內(nèi)質(zhì)網(wǎng)肌醇需求酶-1α(inositolrequiring enzyme-1α，IRE1α)信號(hào)通路誘導(dǎo)TXNIP的表達(dá) ［12］，TXNIP通過(guò)激活NOD樣受體3炎癥小體，引起細(xì)胞凋亡前胱天蛋白酶1裂解及白細(xì)胞介素1β(interleukin，IL-1β)的產(chǎn)生，從而誘導(dǎo)β細(xì)胞凋亡。以上表明終端非折疊蛋白反應(yīng)時(shí)，ERS能通過(guò)IRE1α-TXNIP等通路促發(fā)無(wú)菌性炎癥，進(jìn)而促進(jìn)細(xì)胞凋亡 ［13］。提示TXNIP是一個(gè)潛在的治療糖尿病及ERS相關(guān)的人類(lèi)疾病的重要靶標(biāo)。

2．2 TXNIP通過(guò)抑制硫氧還蛋白減少細(xì)胞存活，促進(jìn)細(xì)胞凋亡

硫氧還蛋白(thioredoxin，TRX)是廣泛存在于細(xì)胞的巰基還原酶，其功能不僅是調(diào)控細(xì)胞氧化還原水平，還包括與靶標(biāo)分子或轉(zhuǎn)錄因子的相互作用來(lái)控制細(xì)胞生長(zhǎng)、抗細(xì)胞凋亡。TXNIP能與TRX結(jié)合，抑制TRX的活性，還能促進(jìn)活性氧的產(chǎn)生，從而促進(jìn)細(xì)胞凋亡 ［14］。相反，抑制TXNIP的表達(dá)，能增強(qiáng)TRX的活性，減少活性氧的產(chǎn)生，減少細(xì)胞凋亡，如核因子紅細(xì)胞2-相關(guān)因子2(nuclear factor erythroid 2-related factor 2，Nrf2)可通過(guò)結(jié)合TXNIP啟動(dòng)子中的ARE元件，抑制TXNIP的基礎(chǔ)表達(dá) ［9］，增強(qiáng)TRX的活性，從而減少細(xì)胞凋亡水平;而高糖通過(guò)抑制Nrf2誘導(dǎo)TXNIP的表達(dá)從而促進(jìn)細(xì)胞凋亡。因此，在糖尿病中Nrf2-TXNIP-TRX是控制細(xì)胞氧化還原狀態(tài)及細(xì)胞凋亡的重要信號(hào)途徑。

2．3 TXNIP介導(dǎo)線粒體凋亡途徑

研究發(fā)現(xiàn)，氧化應(yīng)激可導(dǎo)致胰島β細(xì)胞TXNIP由細(xì)胞核穿梭運(yùn)動(dòng)進(jìn)入線粒體。TXNIP結(jié)合并氧化線粒體中的TRX2，減少TRX2與凋亡信號(hào)調(diào)節(jié)激酶1(apoptosis signal-regulating kinase-1，ASK1)的結(jié)合，導(dǎo)致ASK1的磷酸化激活，從而誘導(dǎo)線粒體途徑的凋亡，細(xì)胞色素c釋放，細(xì)胞凋亡蛋白酶3裂解 ［15］。抑制TXNIP可抑制線粒體TXNIPTRX2-ASK1凋亡信號(hào)途徑介導(dǎo)的β細(xì)胞凋亡 ［7］。

2．4藥物通過(guò)作用于TXNIP影響β細(xì)胞凋亡

2．4．1糖皮質(zhì)激素通過(guò)上調(diào)TXNIP引起胰島β細(xì)胞凋亡

長(zhǎng)期應(yīng)用糖皮質(zhì)激素，可以引起葡萄糖耐量受損及糖尿病，具體分子機(jī)制不甚清楚。最近研究表明，地塞米松通過(guò)上調(diào)TXNIP mRNA的表達(dá)而引起胰島β細(xì)胞凋亡，影響β細(xì)胞的生存 ［16］，而且該誘導(dǎo)依賴于p38胞外信號(hào)調(diào)節(jié)激酶的激活。

2．4．2肌動(dòng)肽4和維拉帕米通過(guò)抑制TXNIP減少胰島β細(xì)胞凋亡

依克那肽4(exenatide-4，Ex-4)是一種激動(dòng)胰高血糖素樣肽1受體的新型抗糖尿病藥物，不僅促進(jìn)胰島素分泌，還有助于保存內(nèi)源性的胰島β細(xì)胞，延緩2型糖尿病的進(jìn)展，研究發(fā)現(xiàn)，Ex-4抑制TXNIP的表達(dá)(通過(guò)促進(jìn)蛋白酶體依賴性TXNIP的降解)而減少了胰島β細(xì)胞的凋亡 ［17］，穩(wěn)定過(guò)表達(dá)TXNIP，幾乎可完全拮抗Ex-4的抗凋亡效果。

維拉帕米是鈣通道阻斷藥，口服維拉帕米能提高內(nèi)源性胰島素水平，保護(hù)小鼠免于鏈脲佐菌素誘發(fā)的糖尿病，在BTBR ob/ob小鼠，能促進(jìn)胰島細(xì)胞生存，改善葡萄糖穩(wěn)態(tài)和胰島素敏感性 ［18］。機(jī)制可能是通過(guò)抑制神經(jīng)鈣蛋白信號(hào)，降低ChREBP與TXNIP啟動(dòng)子E-盒的結(jié)合力。

3　TXNIP介導(dǎo)胰島功能障礙

3．1 TXNIP抑制葡萄糖刺激的胰島素分泌

胰島素敏感性降低及葡萄糖刺激胰島素分泌(glucose stimulated insulin secretion，GSIS)缺陷是2型糖尿病的典型特征。研究發(fā)現(xiàn)，TXNIP高表達(dá)能誘導(dǎo)活性氧產(chǎn)生，伴隨GSIS功能的嚴(yán)重喪失;相反，抑制胰島β細(xì)胞內(nèi)TXNIP表達(dá)，細(xì)胞內(nèi)活性氧水平降低，短暫或穩(wěn)定地敲除TXNIP都能恢復(fù)GSIS，說(shuō)明抑制TXNIP能改善胰島素分泌功能 ［19］。

3．2 TXNIP抑制胰島素信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑

胰島素信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑受抑制是胰島素抵抗和胰島功能障礙的重要分子機(jī)制。TXNIP缺陷的ob/ob肥胖小鼠胰島素敏感性顯著提高 ［20］，同時(shí)胰島素分泌功能顯著改善，骨骼肌的胰島素受體底物-1/蛋白激酶B信號(hào)通路被激活，這些改變與下調(diào)解偶聯(lián)蛋白2的表達(dá)水平密切相關(guān)。已知偶聯(lián)蛋白2敲除可使小鼠空腹血糖水平降低，胰島β細(xì)胞數(shù)量增多，細(xì)胞胰島素含量增多，胰島素分泌能力增加。

3．3 TXNIP通過(guò)微RNA-204(miR-204)下調(diào)MafA，抑制胰島素基因轉(zhuǎn)錄

研究表明，糖尿病及TXNIP能誘導(dǎo)胰島β細(xì)胞表達(dá)一種特殊的微小RNA即miR-204 ［21］，通過(guò)直接靶向及下調(diào)鳥(niǎo)類(lèi)MafA蛋白哺乳動(dòng)物同系物抑制胰島素的產(chǎn)生。在INS-1胰島細(xì)胞，TXNIP缺陷小鼠、糖尿病小鼠模型及人類(lèi)胰島上均證實(shí)TXNIP能調(diào)節(jié)miR-204的表達(dá)水平。TXNIP通過(guò)抑制信號(hào)傳導(dǎo)因子及轉(zhuǎn)錄激活因子3的活化而誘導(dǎo)miR-204。TXNIP缺陷的Hcb-19小鼠具有更高的循環(huán)胰島素濃度，更高的胰島素含量及β細(xì)胞數(shù)量。當(dāng)多次給予注射低劑量鏈脲佐菌素誘導(dǎo)高血糖時(shí)，小鼠并未產(chǎn)生高血糖癥 ［22］，提示抑制TXNIP能增加胰腺胰島素含量，可能是治療2型糖尿病的關(guān)鍵。

4　結(jié)語(yǔ)

TXNIP與胰島β細(xì)胞生存和功能密切相關(guān)，TXNIP還與許多糖尿病細(xì)胞事件如血管生成受損 ［23］，外周組織葡萄糖攝取減少，糖尿病視網(wǎng)膜細(xì)胞凋亡 ［24］、腎小球膜細(xì)胞凋亡、心肌細(xì)胞凋亡等密切相關(guān)。因此，抑制TXNIP可能是一個(gè)阻止糖尿病進(jìn)程的強(qiáng)有力的靶點(diǎn)，發(fā)現(xiàn)抑制TXNIP的藥物并闡明其分子機(jī)制可能是糖尿病及其并發(fā)癥治療的重要突破。