胰島β細(xì)胞中碳水化合物反應(yīng)元件結(jié)合蛋白的研究進(jìn)展

陸心雨，陳希田，韋曉博，陳瑞瑤，劉 斌綜述，許 娜審校

(吉林醫(yī)藥學(xué)院:1.臨床醫(yī)學(xué)院，2.檢驗(yàn)學(xué)院，3.教務(wù)處,吉林 吉林 132013)

YAMASHITA[1]于2001年首次在大鼠肝臟中發(fā)現(xiàn)了一種與碳水化合物反應(yīng)元件(ChoRE)結(jié)合的蛋白質(zhì),命名為碳水化合物反應(yīng)元件結(jié)合蛋白(carbohydrate response element binding protein，ChREBP)，是重要的調(diào)控細(xì)胞糖脂代謝的轉(zhuǎn)錄因子。該轉(zhuǎn)錄因子與靶基因結(jié)合的活性受碳水化合物的誘導(dǎo)，可直接調(diào)控糖酵解與脂肪合成關(guān)鍵酶的表達(dá)[2]。目前大部分研究都集中在肝臟和脂肪細(xì)胞中ChREBP對(duì)糖脂代謝的調(diào)節(jié)。但近年來(lái)研究發(fā)現(xiàn)在人、大鼠、小鼠的胰島β細(xì)胞中均表達(dá)ChREBP[3]。體內(nèi)或體外模型胰島β細(xì)胞中ChREBP在葡萄糖作用后均顯著上調(diào)，ChREBP通過(guò)介導(dǎo)葡萄糖對(duì)葡萄糖應(yīng)答基因表達(dá)的調(diào)控，影響胰島β細(xì)胞的增殖及胰島素分泌。因此，進(jìn)一步了解該轉(zhuǎn)錄因子調(diào)控的靶基因至關(guān)重要。

1 ChREBP概述

ChREBP是具有堿性螺旋-環(huán)-螺旋亮氨酸拉鏈結(jié)構(gòu)(bHLH-LZ)的轉(zhuǎn)錄因子，由MLXIPL基因編碼，分子量約為9.5×105[4]。其C-端和N-端均具有高度保守的結(jié)構(gòu)域，N-端Mondo保守域(MCR)或稱為葡萄糖感應(yīng)組件(GSM),按功能可分為低糖抑制域(LID)和葡萄糖反應(yīng)保守元件(GRACE)。低糖下LID抑制GRACE的轉(zhuǎn)錄能力，高糖解除這種抑制作用。MLX(Max-like protein X)是ChREBP的功能性分子伴侶，在葡萄糖刺激下，ChREBP與MLX形成異二聚體從細(xì)胞質(zhì)穿梭到細(xì)胞核，與靶基因啟動(dòng)子上的ChoRE結(jié)合而反式激活轉(zhuǎn)錄[5]。另外，在胰島β細(xì)胞中Ca2+和可溶性耐藥相關(guān)鈣結(jié)合蛋白(sorcin)也參與調(diào)控ChREBP核易位[6]。

2012年，HERMAN等[7]在脂肪組織中發(fā)現(xiàn)了一種新型ChREBP異構(gòu)體ChREBPβ，與典型的ChREBP異構(gòu)體ChREBPα(864個(gè)氨基酸)不同，ChREBPβ是由687個(gè)氨基酸構(gòu)成的更短的轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物，其缺乏N-端核輸出信號(hào)、核定位信號(hào)及低糖抑制域，因此ChREBPβ是具有組成性活性的，在低糖和高糖作用下均顯示增加的核定位及轉(zhuǎn)錄活性。

2 ChREBP對(duì)靶基因表達(dá)的調(diào)控

胰島β細(xì)胞的主要功能是在葡萄糖和其他營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)刺激后連續(xù)分泌適量的胰島素。該過(guò)程涉及關(guān)鍵酶翻譯后的快速調(diào)節(jié)以及在轉(zhuǎn)錄水平調(diào)節(jié)代謝基因的表達(dá)。研究證明葡萄糖可通過(guò)ChREBP促進(jìn)體內(nèi)和體外各種模型中β細(xì)胞的增殖。但慢性高血糖對(duì)β細(xì)胞會(huì)產(chǎn)生一種葡萄糖毒性作用，表現(xiàn)為細(xì)胞內(nèi)脂肪蓄積，氧化應(yīng)激，隨后導(dǎo)致胰島素基因表達(dá)和分泌減少并導(dǎo)致細(xì)胞凋亡。在高濃度葡萄糖長(zhǎng)時(shí)間刺激下，ChREBP激活后通過(guò)調(diào)控多種下游靶基因表達(dá)導(dǎo)致胰島β細(xì)胞功能障礙和凋亡。因此，ChREBP促進(jìn)葡萄糖誘導(dǎo)的胰島β細(xì)胞增殖和凋亡,反映了葡萄糖對(duì)β細(xì)胞的雙重效應(yīng)。

2.1 ChREBP調(diào)控β細(xì)胞增殖

葡萄糖是一種天然有絲分裂信號(hào)，可以促進(jìn)嚙齒類動(dòng)物和人類胰島β細(xì)胞增殖。在ChREBP-/-小鼠胰島β細(xì)胞、INS-1衍生的832/13胰島β細(xì)胞系、原代大鼠和人胰島β細(xì)胞中低表達(dá)ChREBP抑制了胰島β細(xì)胞的增殖。腺病毒過(guò)表達(dá)ChREBP可以促進(jìn)大鼠和人胰島β細(xì)胞增殖。在葡萄糖刺激下，細(xì)胞周期蛋白D2、A和E以ChREBP依賴的方式表達(dá)增加。學(xué)者發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)錄因子Myc是ChREBP募集和活性所必需的，而在高糖下過(guò)表達(dá)ChREBP導(dǎo)致c-Myc mRNA顯著增加，表明這兩種轉(zhuǎn)錄因子之間可能存在潛在的反饋?zhàn)饔?。Myc可直接受細(xì)胞周期蛋白調(diào)控，且未觀察到ChREBP結(jié)合到細(xì)胞周期蛋白基因調(diào)控區(qū)域，葡萄糖可能部分通過(guò)葡萄糖代謝、ChREBP和Myc的激活以及細(xì)胞周期蛋白的激活促進(jìn)胰島β細(xì)胞增殖[3]。轉(zhuǎn)錄因子維甲酸相關(guān)孤兒受體(RORγ)選擇性地參與調(diào)控葡萄糖誘導(dǎo)的晚期基因程序，如細(xì)胞周期基因。ChREBP直接調(diào)控編碼RORγ的Rorc基因。RORγ活性在葡萄糖誘導(dǎo)的INS-1E細(xì)胞和原代大鼠β細(xì)胞的增殖中起重要作用[8]。

2.2 ChREBP調(diào)控β細(xì)胞內(nèi)脂肪蓄積

通過(guò)缺失N-端低糖抑制域產(chǎn)生的ChREBP的葡萄糖非依賴性活性突變體稱為組成性活性ChREBP(constitutively active ChREBP，caChREBP)，其誘導(dǎo)表達(dá)導(dǎo)致三酰甘油在832/13胰島β細(xì)胞中的蓄積。相反，siRNA介導(dǎo)的ChREBP沉默顯著降低細(xì)胞中的三酰甘油。ChREBP直接結(jié)合MIN6細(xì)胞和832/13細(xì)胞中的脂肪酸合酶(Fasn)啟動(dòng)子，ChREBP沉默導(dǎo)致細(xì)胞內(nèi)三酰甘油的減少，并增強(qiáng)葡萄糖刺激的胰島素分泌[9]。ChREBP還可調(diào)控其他脂肪生成酶如肝型丙酮酸激酶(L-PK)和3-磷酸甘油脫氫酶(GPDH)[10]。轉(zhuǎn)錄因子過(guò)氧化物酶體增殖物激活受體α(PPARα)激動(dòng)劑有明顯的降脂作用[11]。在動(dòng)物和人類糖尿病模型中均可觀察到PPARα的下調(diào)。這種下調(diào)可能通過(guò)損害胰島β細(xì)胞的脂肪酸氧化能力而加劇游離脂肪酸水平升高對(duì)β細(xì)胞的損傷。BOERGESEN等[10]在INS-1細(xì)胞中觀察到ChREBP通過(guò)ChREBP-Mlx異二聚體的介導(dǎo)抑制PPARα基因表達(dá)。Rgs16是調(diào)節(jié)G蛋白偶聯(lián)受體信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)的蛋白質(zhì)之一。據(jù)報(bào)道，Rgs16的表達(dá)在成年胰島中靜止，慢性高血糖作用下可被重新激活。誘導(dǎo)表達(dá)caChREBP增加了β細(xì)胞中Rgs16的表達(dá)，而顯性負(fù)性ChREBP(dominant negative ChREBP，dnChREBP)具有相反的作用。大鼠Rgs16的過(guò)表達(dá)導(dǎo)致832/13細(xì)胞中脂質(zhì)的累積增加，這表明Rgs16作為ChREBP的靶基因，其功能性ChoRE序列的激活對(duì)促進(jìn)脂質(zhì)在葡萄糖毒性作用下蓄積起部分作用[12]。

2.3 ChREBP調(diào)控β細(xì)胞的凋亡和功能障礙

在NONcNZO10/LtJ小鼠中過(guò)表達(dá)caChREBP導(dǎo)致胰島β細(xì)胞胰島素分泌減少，進(jìn)行性高血糖和體重減輕[9]。XAVIER等[13]研究顯示，在高濃度葡萄糖刺激下，MIN6細(xì)胞和小鼠胰島β細(xì)胞過(guò)表達(dá)ChREBP可抑制Pdx-1基因表達(dá)；在低糖下通過(guò)RNA沉默或抗體微注射可以增加Pdx-1的表達(dá)，而Pdx-1對(duì)胰島細(xì)胞功能維持起重要作用。此外，caChREBP下調(diào)胰島素啟動(dòng)子活性并抑制胰島素基因表達(dá)，這可能是ChREBP通過(guò)抑制Pdx-1和MafA間接作用的[9]。研究表明轉(zhuǎn)錄因子芳香烴受體核易位蛋白(ARNT)或低氧誘導(dǎo)因子-1(HIF-1β)已經(jīng)成為胰腺β細(xì)胞功能障礙和2型糖尿病發(fā)病機(jī)制中潛在的重要參與者。NOORDEEN等[14]證明ChREBP在INS-1細(xì)胞和原代小鼠胰島β細(xì)胞中以葡萄糖依賴性方式直接結(jié)合ARNT/HIF-1β基因啟動(dòng)子，負(fù)向調(diào)節(jié)ARNT/HIF-1β基因表達(dá)，導(dǎo)致葡萄糖刺激的胰島素基因表達(dá)和分泌障礙。高糖能引起硫氧還蛋白相互作用蛋白(thioredoxin interacting protein,TXNIP)在糖尿病模型小鼠及糖尿病患者胰島β細(xì)胞中表達(dá)上調(diào)。葡萄糖可時(shí)間及劑量依賴性地招募ChREBP到TXNIP啟動(dòng)子ChoRE上，ChREBP與組蛋白乙酰轉(zhuǎn)移酶p300相互作用，伴隨組蛋白H4乙?；痆15]。在血糖調(diào)節(jié)受損患者中，胰島細(xì)胞功能障礙與升高的TXNIP有關(guān)[16]。TXNIP促進(jìn)線粒體TXNIP-TRX2-ASK1凋亡信號(hào)途徑從而釋放Cyt c及caspase-3。TXNIP的缺乏誘導(dǎo)了胰島β細(xì)胞Akt/Bcl-xL通路的激活[17]，通過(guò)促進(jìn)miR-200表達(dá)及抑制ZEB1促進(jìn)β細(xì)胞凋亡[18]，并且還可以通過(guò)miR-204下調(diào)MafA，抑制胰島素基因轉(zhuǎn)錄[19]。此外，TXNIP通過(guò)miR-124a和FoxA2增強(qiáng)IAPP的表達(dá)而促進(jìn)炎癥及細(xì)胞毒性[10]。

2.4 ChREBP對(duì)其他靶基因的調(diào)控

SCHMIDT等[8]發(fā)現(xiàn)高濃度葡萄糖使INS-1E細(xì)胞中的基因表達(dá)呈雙相變化。涉及葡萄糖和脂質(zhì)代謝的基因在第一時(shí)相中被急劇激活，隨后第二時(shí)相中，細(xì)胞周期基因被激活，與胰島素分泌和青少年起病成年型糖尿病(MODY)有關(guān)基因被抑制。ChREBP直接或間接地參與上述基因的激活與阻遏，這與之前所述ChREBP調(diào)控高糖誘導(dǎo)的胰島β細(xì)胞增殖[3]與毒性[9]一致。

有學(xué)者研究表明caChREBP還可以上調(diào)其他糖脂代謝相關(guān)基因Eno1、Mdh1、Me1、Pdha1、Acly、Acaca、Elovl6、Midlip1的表達(dá)，而dnChREBP可下調(diào)其表達(dá)，編碼脂質(zhì)氧化酶的基因Cpt1a呈現(xiàn)相反的表達(dá)模式。在832/13細(xì)胞中，ChREBP對(duì)Srebp1c及其靶基因Irs2的表達(dá)沒(méi)有影響，表明ChREBP可獨(dú)立于固醇調(diào)節(jié)元件結(jié)合蛋白1c(SREBP-1c)調(diào)節(jié)幾種代謝基因的表達(dá)[12]。

3 ChREBP異構(gòu)體的相互調(diào)節(jié)

最近發(fā)現(xiàn)，ChREBPβ也在胰島β細(xì)胞中表達(dá)。研究證明caChREBP可以上調(diào)ChREBPβ表達(dá)，且caChREBP和ChREBPβ具有相似的氨基酸序列。ChREBPβ啟動(dòng)子上存在功能性ChoRE序列，故ChREBPβ可以調(diào)節(jié)其自身表達(dá)[12,21]。在基本條件下與ChREBPα相比，ChREBPβ表達(dá)水平相對(duì)較低。但在葡萄糖作用下，尤其在高濃度葡萄糖條件下延長(zhǎng)培養(yǎng)，ChREBPβ高度表達(dá)。此外，一種能降低ChREBPβ轉(zhuǎn)錄水平,且不影響ChREBPα表達(dá)及其活性的的小干擾RNA,可以減少了在葡萄糖刺激下INS-1細(xì)胞和大鼠胰島細(xì)胞中ChREBP靶基因的表達(dá),并抵制β細(xì)胞的增殖。ChREBPβ這種相對(duì)表達(dá)低但顯著促進(jìn)增殖的作用可能通過(guò)一種前饋放大作用產(chǎn)生。ChREBPα在葡萄糖刺激下部分由細(xì)胞質(zhì)轉(zhuǎn)移到細(xì)胞核，結(jié)合到具有組織特異性的ChREBPβ的ChoRE序列上，驅(qū)動(dòng)ChREBPβ的表達(dá)。由于ChREBPβ具有組成性活性，可刺激自身產(chǎn)生,且具有比ChREBPα更強(qiáng)的轉(zhuǎn)錄活性,因此，持續(xù)的葡萄糖刺激下,ChREBPβ可能參與葡萄糖信號(hào)的轉(zhuǎn)錄放大效應(yīng)[21]。然而，如果高濃度葡萄糖持續(xù)超過(guò)臨界閾值，葡萄糖產(chǎn)生的糖毒性可以導(dǎo)致細(xì)胞凋亡[9]。

SHALEV等[22]在1型和2型糖尿病小鼠模型中也發(fā)現(xiàn)，ChREBPβ的表達(dá)水平上調(diào)而ChREBPα表達(dá)水平下調(diào)。高濃度葡萄糖條件下，ChREBPβ可以負(fù)反饋抑制ChREBPα介導(dǎo)的基因表達(dá)，敲低ChREBPβ可以抑制該負(fù)反饋?zhàn)饔?，?dǎo)致核ChREBPα和ChREBP介導(dǎo)的靶基因表達(dá)顯著增加，包括TXNIP、L-PK、GPDH和ACC。然而有研究報(bào)道在糖尿病模型中，TXNIP表達(dá)水平在胰島中升高。敲低ChREBPβ基因4 d后可以觀察到TXNIP表達(dá)降低[21]。這可能解釋為短期內(nèi)與ChREBPα相比，ChREBPβ相對(duì)低的表達(dá)水平對(duì)整體ChREBP介導(dǎo)的基因轉(zhuǎn)錄貢獻(xiàn)較低。ChREBPβ的表達(dá)可以提供保護(hù)性代償機(jī)制,以限制ChREBPα過(guò)度的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)和葡萄糖誘導(dǎo)的有害基因Txnip的表達(dá)。在長(zhǎng)期升高的葡萄糖水平下，ChREBPβ對(duì)基因轉(zhuǎn)錄的貢獻(xiàn)增大，其本身可促進(jìn)誘導(dǎo)靶基因表達(dá)，包括TXNIP、L-PK和GPDH[22]。

4 結(jié) 語(yǔ)

ChREBP是一種葡萄糖反應(yīng)性的轉(zhuǎn)錄因子，但其如何影響胰島β細(xì)胞正常的生長(zhǎng)和功能還需大量深入地研究。2型糖尿病發(fā)病機(jī)制中，胰島細(xì)胞凋亡和功能障礙扮演著重要角色，由于ChREBP可介導(dǎo)糖毒性對(duì)胰島β細(xì)胞的損傷，故ChREBP及其調(diào)控的靶基因，可能成為治療糖尿病及其他代謝綜合征的新靶點(diǎn)。

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