2型糖尿病中的胰島β細(xì)胞去分化研究進(jìn)展

姜含蕾 蔣瀟婷 李小曼 姜 超 鄭文思 王 琛

糖尿病是一種慢性代謝性疾病，嚴(yán)重危害人類健康。截至2017年，全世界約有4.25億糖尿病患者[1]。糖尿病的主要特征是高血糖，以及由長(zhǎng)期高血糖導(dǎo)致的各種組織的慢性損害和功能障礙[2]。胰島β細(xì)胞數(shù)量減少和(或)功能障礙導(dǎo)致β細(xì)胞分泌的胰島素不足以維持機(jī)體血糖穩(wěn)態(tài)調(diào)節(jié)，從而引起高血糖，這是1型糖尿病和2型糖尿病發(fā)生、發(fā)展的核心環(huán)節(jié)[3]。近幾年的研究[4-5]發(fā)現(xiàn)，2型糖尿病的發(fā)病機(jī)制中除胰島β細(xì)胞凋亡外，胰島β細(xì)胞去分化也參與其中。本文對(duì)2型糖尿病中胰島β細(xì)胞去分化的表現(xiàn)和發(fā)生機(jī)制，以及其與2型糖尿病的關(guān)系等作一綜述，以期為2型糖尿病患者的早期篩查和治療提供新思路。

1 β細(xì)胞去分化的特征

胰島β細(xì)胞去分化是指成熟的β細(xì)胞失去其成熟細(xì)胞的特征，喪失部分或全部胰島素分泌能力，出現(xiàn)祖細(xì)胞特征并可能轉(zhuǎn)分化為胰島其他細(xì)胞。其主要特征有兩個(gè)：β細(xì)胞特異基因表達(dá)的改變和相應(yīng)的細(xì)胞形態(tài)功能的改變。

通常在β細(xì)胞發(fā)育成熟過程中，一些祖細(xì)胞特征性基因表達(dá)量會(huì)逐漸減少。然而，β細(xì)胞在去分化的過程中，祖細(xì)胞特征性基因表達(dá)則會(huì)增加。如在胚胎細(xì)胞中高度表達(dá)的八聚體結(jié)合轉(zhuǎn)錄因子4基因(oct4)和nanog，在胚胎胰腺祖細(xì)胞上特異性表達(dá)的性別決定區(qū)Y框蛋白9基因(sox9)和發(fā)狀分裂相關(guān)增強(qiáng)子1基因(hes1)[6-7]，在胎兒內(nèi)分泌祖細(xì)胞特異表達(dá)的神經(jīng)元素3基因(ngn3)，都會(huì)在胰島β細(xì)胞去分化的過程中呈現(xiàn)出高表達(dá)的現(xiàn)象[4]，相應(yīng)的蛋白產(chǎn)物，如轉(zhuǎn)錄因子Oct4、Nanog和Ngn3目前被普遍用作β細(xì)胞去分化的標(biāo)志物。其次，胰島β細(xì)胞的特異基因表達(dá)下調(diào)，這些基因往往與β細(xì)胞的形態(tài)和功能有關(guān)。如調(diào)控β細(xì)胞形態(tài)分化的肝細(xì)胞核因子1基因(hnf1α)和肝細(xì)胞核因子4α(hnf4α)[8]，調(diào)控胰島素基因表達(dá)的NK6同源框蛋白1基因(nkx6.1)、胰十二指腸同源盒1(pdx1)、肌腱膜纖維肉瘤癌基因A型同系物基因(mafaA)和神經(jīng)源性分化因子1(neurod1)[4, 9]，抑制其他類型內(nèi)分泌細(xì)胞基因表達(dá)的配對(duì)盒轉(zhuǎn)錄因子6基因(pax6)[7, 10]，與葡萄糖刺激的胰島素分泌(glucose-stimulated insulin secretion, GSIS)過程有關(guān)的葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)體2(glut2)、葡萄糖激酶(gck)、內(nèi)向整流型鉀離子通道亞家族J成員11(kcnj11)、鋅轉(zhuǎn)運(yùn)體8(znt8)和胰高血糖素樣肽1受體(glp1r)等基因[5,8,11-12]，都會(huì)在β細(xì)胞去分化過程中表達(dá)下調(diào)，這也是造成β細(xì)胞形態(tài)功能改變的重要原因。此外，去分化的β細(xì)胞還可以高表達(dá)α細(xì)胞特異基因，如參與胰高血糖前激素表達(dá)的mafB和α細(xì)胞的調(diào)控因子arx[4,8,13-14]。

在去分化的過程中，上述基因?qū)用娴淖兓矔?huì)反映在細(xì)胞層面，主要表現(xiàn)為胰島素合成、儲(chǔ)存和分泌過程的異常。首先，由于去分化的β細(xì)胞缺乏轉(zhuǎn)錄因子Pdx1、MafaA和Nkx6.1，使得胰島素基因無法正常轉(zhuǎn)錄和翻譯，造成胰島素合成量明顯減少，細(xì)胞胰島素染色陰性；同時(shí)，由于胰島β細(xì)胞向α細(xì)胞轉(zhuǎn)分化，胰島中胰高血糖素陽性細(xì)胞數(shù)量增多。其次，因?yàn)橐葝u素的儲(chǔ)存量不足，使β細(xì)胞出現(xiàn)“顆?！睖p少的現(xiàn)象，表現(xiàn)為流式分析儀檢測(cè)時(shí)細(xì)胞側(cè)向散射光減弱[15]。另外，由于Glut2、ZnT8等轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白的缺失，β細(xì)胞對(duì)葡萄糖刺激的敏感性，以及胰島素分泌能力均降低，導(dǎo)致GSIS功能喪失。

2 β細(xì)胞去分化的機(jī)制

導(dǎo)致β細(xì)胞去分化的影響機(jī)制首先由Talchai等[4]報(bào)道，目前研究較多的是轉(zhuǎn)錄因子介導(dǎo)的β細(xì)胞去分化。

2.1 叉頭框蛋白O1(FoxO1)依賴的β細(xì)胞去分化的機(jī)制 FoxO1屬于FoxO家族，是對(duì)β細(xì)胞的分化、增殖和存活起著重要調(diào)控作用的轉(zhuǎn)錄因子。2012年Talchai等[4]發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)oxO1缺乏是引起胰島β細(xì)胞去分化的重要原因。在胚胎期，F(xiàn)oxO1通過oct4、nanog等基因調(diào)控細(xì)胞的多能性[16]。在內(nèi)分泌細(xì)胞分化的過程中，F(xiàn)oxO1、Ngn3和Pdx1蛋白在細(xì)胞中共定位，F(xiàn)oxO1通過抑制Ngn3表達(dá)可促進(jìn)β細(xì)胞成熟[4, 17]。在成熟的β細(xì)胞中，當(dāng)高糖高脂誘導(dǎo)氧化應(yīng)激時(shí)，F(xiàn)oxO1會(huì)受磷脂酰肌醇3激酶(PI3K)/蛋白激酶B(Akt)信號(hào)通路調(diào)節(jié)，進(jìn)入細(xì)胞核，并通過過氧化物酶體增殖劑激活受體α(PPAR-α)抑制脂質(zhì)氧化，促進(jìn)MafaA和NeuroD1的表達(dá)，增加胰島素的合成與分泌[18]。但是隨著細(xì)胞氧化應(yīng)激的出現(xiàn)和加劇，F(xiàn)oxO1表達(dá)逐漸下調(diào)，導(dǎo)致Pdx1、MafaA、Nkx6.1等轉(zhuǎn)錄因子水平降低，胰島素分泌合成減少；同時(shí)FoxO1缺乏的β細(xì)胞會(huì)恢復(fù)Ngn3的表達(dá)，出現(xiàn)內(nèi)分泌祖細(xì)胞的表型，發(fā)生去分化的現(xiàn)象[4]。但是目前對(duì)于FoxO1表達(dá)下調(diào)的原因尚無明確的解釋，有研究[19-20]結(jié)果表明，F(xiàn)oxO1活性抑制可能與Akt 上游激動(dòng)劑轉(zhuǎn)化生長(zhǎng)因子β受體1(Alk5)的活性有關(guān)。

2.2 非FoxO1依賴的β細(xì)胞去分化的機(jī)制 除FoxO1外，其他因子如Sox5、成纖維細(xì)胞生長(zhǎng)因子(Fgf)也可以參與β細(xì)胞去分化的調(diào)控[7,21]。轉(zhuǎn)錄因子Sox5通過調(diào)控β細(xì)胞特異的基因，參與囊泡釋放和激素分泌的過程[21]。Axelsson等[21]發(fā)現(xiàn)，Sox5敲除后小鼠β細(xì)胞Pdx1、MafaA表達(dá)顯著下調(diào)，胰島素合成減少。同時(shí)β細(xì)胞線粒體活性受損，使得ATP減少，去極化激活的Ca2+流入過程受阻，導(dǎo)致胰島素分泌過程無法啟動(dòng)，β細(xì)胞GSIS功能異常。相反，db/db小鼠過量表達(dá)Sox5后，β細(xì)胞關(guān)鍵基因表達(dá)上調(diào)，GSIS的能力提升，類似去分化的現(xiàn)象減弱[21]。Fgf有多種家族成員，其中Fgf1與Fgf2屬于相同的亞家族[7]。Fgf1或Fgf2處理人β細(xì)胞系(EndoC-βH1)可以導(dǎo)致胰島細(xì)胞轉(zhuǎn)錄因子MafaA、MafaB、Pax6、NeuroD1，以及Glut2和Znt8表達(dá)下調(diào)，而去分化β細(xì)胞標(biāo)志物Sox9、Hes1、Ngn3表達(dá)上調(diào)[22]。該發(fā)現(xiàn)在人體中得到證實(shí)。在2型糖尿病患者的胰腺組織中，F(xiàn)gf信號(hào)通路和去分化的標(biāo)志物處于激活狀態(tài)，表明Fgf參與去分化的過程[7]。

3 β細(xì)胞去分化參與2型糖尿病發(fā)病

胰島β細(xì)胞衰竭表現(xiàn)為β細(xì)胞的數(shù)量減少和功能下降，是糖尿病發(fā)病中公認(rèn)的核心環(huán)節(jié)。去分化目前被視為使2型糖尿病中β細(xì)胞數(shù)量減少和胰島素分泌受損的重要因素之一[13,23]，可能是胰島β細(xì)胞“逃避”高血糖負(fù)荷的手段。

首先，β細(xì)胞的去分化現(xiàn)象在一系列糖尿病小鼠模型實(shí)驗(yàn)、β細(xì)胞譜系追蹤實(shí)驗(yàn)中得到了很好的驗(yàn)證[4,24]。其表現(xiàn)為胰島β細(xì)胞脫顆粒，胰島素耗竭，對(duì)葡萄糖的敏感性降低，內(nèi)分泌祖細(xì)胞基因(如ngn3和nanog)的表達(dá)上調(diào)[24]，以及細(xì)胞獲得更多類似于干細(xì)胞的特征[15]。并且在多個(gè)糖尿病小鼠模型中都發(fā)現(xiàn)了FoxO1表達(dá)下調(diào)的現(xiàn)象[4,25]。通過觀察2型糖尿病患者捐贈(zèng)的胰腺，也有類似的發(fā)現(xiàn)[13,26]，表明胰島β細(xì)胞去分化伴隨著糖尿病發(fā)生的過程。此外，研究[5,27]還發(fā)現(xiàn)在長(zhǎng)期高血糖的作用下，β細(xì)胞也通過轉(zhuǎn)分化為其他類型的內(nèi)分泌細(xì)胞(如分泌胰高血糖素的α樣內(nèi)分泌細(xì)胞)來逃避高血糖的負(fù)荷。在糖尿病的動(dòng)物模型和患者中，都觀察到β細(xì)胞轉(zhuǎn)分化為α細(xì)胞[13-14,27]，這可以解釋糖尿病患者胰高糖素水平升高的現(xiàn)象[14]。

同時(shí)，由β細(xì)胞的去分化帶來的胰島細(xì)胞數(shù)量減少和功能下降也已經(jīng)得到證實(shí)。如上所述，F(xiàn)oxO1 和Sox5是胰島β細(xì)胞去分化過程中重要的抑制因子。通過敲除小鼠的foxo1或sox5可以建立β細(xì)胞自主去分化的模型[4,21]。foxo1或sox5基因敲除的小鼠β細(xì)胞中，祖細(xì)胞標(biāo)志物表達(dá)水平顯著升高，胰島素合成和分泌的能力顯著下降，最終出現(xiàn)高血糖癥狀[5,21]。同時(shí)，在敲除foxo1的β細(xì)胞中，α、δ、Pp細(xì)胞所分泌的胰高血糖素、生長(zhǎng)激素抑制激素和胰多肽表達(dá)水平升高[4]。因此，β細(xì)胞向α細(xì)胞等內(nèi)分泌細(xì)胞的轉(zhuǎn)變也是導(dǎo)致胰島β細(xì)胞數(shù)量減少的原因之一。

盡管如此，已經(jīng)去分化的β細(xì)胞在接受治療之后，可重新分化為成熟的具有分泌功能的胰島β細(xì)胞[24]。鉀離子通道亢進(jìn)(KATP-GOF)小鼠是一種由β細(xì)胞興奮抑制誘導(dǎo)的糖尿病模型[24]。Wang等[24]用胰島素處理KATP-GOF小鼠60 d，小鼠血糖水平降低，胰島β細(xì)胞容量恢復(fù)，胰島細(xì)胞由原來的胰島素分泌-/Ngn3+轉(zhuǎn)變?yōu)橐葝u素分泌+/Ngn3-。對(duì)非肥胖糖尿病小鼠模型(GK-S)實(shí)施胃腸重組術(shù)(Roux-en-Y gastric bypass, RYGB)[28]，以及對(duì)db/db小鼠進(jìn)行卡路里限制或?qū)︼曃桂B(yǎng)后，小鼠β細(xì)胞特征性標(biāo)志物(胰島素、Pdx1、MafaA、Glut2)表達(dá)情況得到改善，GSIS功能恢復(fù)[29-30]。2型糖尿病早期患者通過單獨(dú)飲食控制也可以改善β細(xì)胞的功能，恢復(fù)第一時(shí)相胰島素的分泌，逆轉(zhuǎn)β細(xì)胞去分化的病理狀態(tài)[23,29]。這種細(xì)胞的再分化是2型糖尿病治療領(lǐng)域關(guān)注的熱點(diǎn)之一，可通過早期干預(yù)，挽救去分化的β細(xì)胞，達(dá)到治療糖尿病的目的。

4 β細(xì)胞去分化的人群檢測(cè)

迄今為止，有關(guān)胰島β細(xì)胞去分化的判斷，都是基于胰島原位各種基因表達(dá)檢測(cè)實(shí)現(xiàn)的[4-5]。在人體水平，采用同樣的手段來評(píng)估β細(xì)胞去分化顯然不可取。胰島β細(xì)胞的主要功能是在葡萄糖的刺激下合成和分泌胰島素。胰島β細(xì)胞受到血糖刺激，感知血糖變化而分泌胰島素的能力，被稱為β細(xì)胞的葡萄糖敏感性(β-cell glucose sensitivity，βCGS)。鑒于去分化的β細(xì)胞對(duì)葡萄糖刺激不反應(yīng)——βCGS下降，就可以通過在人體水平檢測(cè)βCGS來反映β細(xì)胞去分化的程度。

在體胰島βCGS評(píng)估最早見于2002年Mari 等[31]的報(bào)道。他們根據(jù)口服葡萄糖耐量試驗(yàn)(OGTT)中不同血糖水平，計(jì)算C肽分泌速率的平均斜率，來評(píng)估β細(xì)胞對(duì)不斷升高的葡萄糖濃度的反應(yīng)能力。其中C肽的分泌速率根據(jù)Eaton等[32]和Van Cauter等[33]提出的胰島素釋放率數(shù)學(xué)模型計(jì)算得出，能夠準(zhǔn)確地反映餐前胰島素的分泌。但是，在日常工作中，C肽測(cè)定不是正常葡萄糖耐量人群和未使用過胰島素治療的2型糖尿病患者的檢測(cè)指標(biāo)，同時(shí)其檢測(cè)在大樣本流行病學(xué)研究中也較為少見。因此，通過C肽水平計(jì)算餐前胰島素的分泌在大樣本人群中不適用。2017年Li等[34]研究提出用OGTT中不同葡萄糖刺激下血漿胰島素分泌的速率(insulin release rate response to glucose，IRRG)替代評(píng)估胰島βCGS。研究顯示，IRRG與βCGS均與1相胰島素分泌處置指數(shù)密切相關(guān)，且IRRG 降低是遠(yuǎn)期2型糖尿病發(fā)生的危險(xiǎn)因素[34]。盡管OGTT中血漿胰島素水平不能真實(shí)地反映β細(xì)胞的胰島素分泌，但是鑒于胰島素測(cè)定在臨床廣泛應(yīng)用，在缺乏C肽數(shù)據(jù)的情況下，IRRG可以作為反映βCGS的簡(jiǎn)易指標(biāo)，用于臨床研究評(píng)估。

5 小 結(jié)

綜上所述，高糖等應(yīng)激情況下β細(xì)胞去分化引起β細(xì)胞質(zhì)量下降是2型糖尿病發(fā)生的重要機(jī)制。β細(xì)胞去分化(包括轉(zhuǎn)分化)可能是應(yīng)激條件下逃避細(xì)胞死亡的一種適應(yīng)性機(jī)制，并且在一定情況下是可逆的。β細(xì)胞去分化的過程涉及營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)誘導(dǎo)的基因調(diào)節(jié)，提示可以通過改變生活方式或在未完全發(fā)病前進(jìn)行干預(yù)來防止糖尿病的發(fā)生，或在發(fā)病后可以針對(duì)某個(gè)基因或作用于代謝通路中的某個(gè)靶點(diǎn)來逆轉(zhuǎn)已經(jīng)去分化的β細(xì)胞，以達(dá)到治療糖尿病的目的。進(jìn)一步探索β細(xì)胞去分化在糖尿病中發(fā)揮的作用可以為診斷和治療提供優(yōu)化的臨床思路，對(duì)糖尿病的預(yù)防和干預(yù)起積極作用。β細(xì)胞去分化作為2型糖尿病發(fā)病的重要機(jī)制，在疾病早期即可發(fā)生，IRRG作為反映βCGS的簡(jiǎn)易指標(biāo)可以用于人群的早期篩查，為及早發(fā)現(xiàn)并預(yù)防2型糖尿病提供新思路。