脂毒性促進(jìn)胰島β細(xì)胞凋亡在２型糖尿病中的作用

中圖分類號：R363.2

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1006-1533(2009)09-0399-03

高脂血癥在2型糖尿病(diabetes melitus，DM)發(fā)病機(jī)制中的地位日益得到重視，McGarry甚至在2002年提出了糖尿病是糖脂病的概念。脂毒性(1ipotoxielty)是指血中游離脂肪酸(FFA)水平升高后，超過脂肪組織的儲備能力和各組織對FFA的氧化能力，使過多的FFA以甘油三酯(TG)形式在非脂肪組織中過度沉積而造成該組織的損傷。流行病學(xué)研究表明，2型DM患者中80％～90％屬于肥胖或超重，肥胖者脂肪組織分解產(chǎn)生的FFA顯著增加，參與胰島素抵抗的發(fā)生。有關(guān)研究表明，F(xiàn)FA的長期作用可誘導(dǎo)β細(xì)胞凋亡，引起β細(xì)胞壞死，使β細(xì)胞數(shù)量減少。

1 胰島β細(xì)胞凋亡在2型DM中的作用

近年來，越來越多的證據(jù)證明，絕大多數(shù)的2型DM患者，無論胖、瘦都客觀存在著β細(xì)胞總數(shù)的減少。β細(xì)胞總數(shù)受到β細(xì)胞的復(fù)制、β細(xì)胞的體積、新的β細(xì)胞生成(如來自胰腺導(dǎo)管上皮的新生β細(xì)胞)及β細(xì)胞的凋亡等多個因素的調(diào)節(jié)。在正常成年個體中，β細(xì)胞的生存期為60 d左右，β細(xì)胞的凋亡率維持在0.5％以下。在整個成年過程中，β細(xì)胞量保持相對穩(wěn)定，維持在最佳水平。但在肥胖人群中，β細(xì)胞復(fù)制加速、肥大，并有新生的β細(xì)胞，使β細(xì)胞的總數(shù)增多，來代償肥胖引起的代謝負(fù)荷以及隨之而發(fā)生的胰島素抵抗。進(jìn)行性的β細(xì)胞總數(shù)減少，是由于B細(xì)胞的凋亡明顯超過了β細(xì)胞復(fù)制與新的β細(xì)胞產(chǎn)生。隨著該病的進(jìn)展，β細(xì)胞復(fù)制與增生減少，胰島細(xì)胞淀粉樣變，導(dǎo)致β細(xì)胞數(shù)量不可逆地減少，最終只能以胰島素替代治療。在整個過程中，可以發(fā)現(xiàn)凋亡在β細(xì)胞數(shù)量的維持以及2型DM的發(fā)生中起著至關(guān)重要的作用。

2 FFA誘導(dǎo)β細(xì)胞凋亡的機(jī)制

FFA是脂質(zhì)的主要轉(zhuǎn)運(yùn)體，是機(jī)體供能的重要物質(zhì)，它進(jìn)入β細(xì)胞之后有3條代謝途徑：一是形成TG儲存；二是進(jìn)入有氧氧化途徑；三是進(jìn)入無氧氧化途徑。

2.1 神經(jīng)酰胺介導(dǎo)路徑

脂肪組織過飽和導(dǎo)致的TG在非脂肪組織中的儲存、β細(xì)胞內(nèi)β氧化的不足以及瘦素分泌的減少導(dǎo)致TG在β細(xì)胞內(nèi)的堆積和脂酰CoA池擴(kuò)大。脂酰CoA的產(chǎn)生增多導(dǎo)致一種脂質(zhì)第二信使——神經(jīng)酰胺合成增加。

2.1.1 誘導(dǎo)型一氧化氮合酶(iNOS)途徑

神經(jīng)酰胺通過活化NF-KB上調(diào)iNOS，使一氧化氮(NO)合成增加，自由基生成增多，DNA受損引起細(xì)胞凋亡。通過體外培養(yǎng)的NIT-1小鼠胰島β細(xì)胞，用不同濃度的L-精氨酸(L-arg)處理，6h后采用Griess化學(xué)顯色法檢測細(xì)胞培養(yǎng)液內(nèi)的NO水平，Annexin—V／PI雙染流式細(xì)胞術(shù)檢測細(xì)胞的凋亡。而后聯(lián)合應(yīng)用hemoglobin處理細(xì)胞，并用Western Blot檢測P53蛋白的表達(dá)，發(fā)現(xiàn)NO可能通過P53的活化誘導(dǎo)NIT-1胰島細(xì)胞凋亡。

2.1.2 非iNOS路徑

Cnop等研究發(fā)現(xiàn)，長期暴露于高FFA可誘導(dǎo)正常鼠β細(xì)胞凋亡，此效應(yīng)不被線粒體型肉堿軟脂酰轉(zhuǎn)移酶1的拮抗劑etomoxir及抗氧化劑阻斷，與NO生成無關(guān)。Lupi等將人的胰島置于FFA中培育，發(fā)現(xiàn)神經(jīng)酰胺水平上升，但iNOS mRNA表達(dá)無明顯增高，NO合成抑制劑L-硝基精氨酸甲酯(L-NAME)不能減少β細(xì)胞凋亡。以上研究提示，神經(jīng)酰胺可能通過非iNOS路徑引起β細(xì)胞凋亡。

2.2 Caspase途徑

Caspase即天門冬氨酸特異性半胱氨酸蛋白水解酶超家族，是細(xì)胞凋亡的關(guān)鍵執(zhí)行者。目前為止已發(fā)現(xiàn)有14種不同的Caspase，分為3個亞類：白細(xì)胞介素一1β轉(zhuǎn)換酶亞類、凋亡起始亞類和凋亡效應(yīng)亞類。caspase-3屬于與細(xì)胞凋亡關(guān)系密切的凋亡效應(yīng)亞類。Caspase-3的激活是在凋亡級聯(lián)反應(yīng)中的一個遠(yuǎn)端效應(yīng)，其活化后再激活其它Caspase和許多相關(guān)的細(xì)胞蛋白，包括Caspase依賴的核酸內(nèi)切酶等，加速細(xì)胞凋亡過程。研究發(fā)現(xiàn)，Caspase-6常在Caspase-3之前被激活，可與Caspase-3一起協(xié)同作用，共同促進(jìn)細(xì)胞凋亡。Hirota等發(fā)現(xiàn)，將離體的小鼠胰島B細(xì)胞放人棕櫚酸中培養(yǎng)3 h后，Caspase-6的表達(dá)增加。培養(yǎng)6 h后，Caspase-3表達(dá)增加，小鼠胰島β細(xì)胞凋亡數(shù)量較對照組明顯增加，培養(yǎng)液加入肉毒堿棕櫚酰轉(zhuǎn)移酶-1抑制劑羥苯甘氨酸后可降低caspase－3和Caspase-6活性，減少小鼠胰島β細(xì)胞凋亡數(shù)量。

2.3 Bcl-2基因

Bcl-2為B淋巴細(xì)胞淋巴瘤白血病抗凋亡基因，也是研究最早的與凋亡有關(guān)的基因，在細(xì)胞內(nèi)具有抗氧化特性，可通過抑制活性氧形成或作用于活性氧而抑制凋亡。Bax與Bcl－2同源，生物學(xué)作用是拮抗Bcl－2而促進(jìn)細(xì)胞凋亡。Bax與Bcl-2可形成同源二聚體，Bax與Bel－2蛋白水平的高低與調(diào)控凋亡直接相關(guān)：Bax促進(jìn)凋亡，Bcl－2抑制凋亡。研究表明，NO可下調(diào)Bcl－2的表達(dá)，而Bax的表達(dá)上調(diào)。因此認(rèn)為，在引起胰島β細(xì)胞凋亡的過程中，Bcl-2的作用可能較Bax更為重要。

2.4 過氧化物酶體增殖物活化受體(PPARs)途徑

PPARS為2型核受體超家族的核轉(zhuǎn)錄因子，F(xiàn)FA作為配體與PPARs結(jié)合，激活PPARs，抑制NF－kB的抗凋亡作用，使Caspases蛋白表達(dá)增高，引起細(xì)胞凋亡。Lalloyer等發(fā)現(xiàn)，無論是活體還是離體實驗，PPAR-α基因缺陷的肥胖小鼠(ob／ob)的胰島β細(xì)胞功能明顯受損，對葡萄糖刺激后的胰島素分泌功能下降，平均胰島面積減少；而用PPAR-α激動劑干預(yù)組的胰島素分泌功能、平均胰島面積等指標(biāo)明顯改善，提示PPAR-α能提高胰島β細(xì)胞對病理狀態(tài)的適應(yīng)能力。他們還將人的原代胰島細(xì)胞分為2組培養(yǎng)，一組在高FFA濃度條件下，另一組在高FFA濃度條件下用PPAR-d激動劑培養(yǎng)。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，PPAR-α激動劑對高FFA誘導(dǎo)的B細(xì)胞凋亡及TG沉積有明顯改善作用。

2.5 蛋白激酶C(protein kinase C，PKC)

PKC是凋亡信號的重要參與者。PKC是哺乳動物細(xì)胞漿內(nèi)的脂質(zhì)依賴性絲氨酸／蘇氨酸蛋白激酶。在細(xì)胞生長信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路中發(fā)揮重要作用，參與細(xì)胞增殖、生長、分化和凋亡的調(diào)節(jié)。在凋亡過程中，PKC-δ發(fā)揮著關(guān)鍵的作用。轉(zhuǎn)位的PKC-δ對特定的底物進(jìn)行磷酸化，從而誘導(dǎo)細(xì)胞死亡或生存。

2.6 胰島素受體底物-2(insulin receptor substrate-2，IRS-2)

胰島素受體底物(insulin receptor substrate，IRS)是胰島素信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路中受體后水平的重要信號蛋白，起主要作用的是IRS-1和IBS-2。作為調(diào)節(jié)β細(xì)胞功能的重要信號分子，IRS-1主要調(diào)節(jié)胰島素分泌過程，IRS-2則主要調(diào)節(jié)β細(xì)胞增殖、生長和存活。轉(zhuǎn)基因鼠的研究表明，胰島β細(xì)胞的功能受胰島素信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑的調(diào)節(jié)，而IRS-2是維護(hù)β細(xì)胞功能的關(guān)鍵信號蛋白。Rhodes的研究發(fā)現(xiàn)，IRS-2在肝組織和一些胰島素靶組織中抑制IR的發(fā)生，而且對提高β細(xì)胞生長和生存也非常重要，在平衡有效的胰島β細(xì)胞數(shù)量和IR之間，IRS-2是一個關(guān)鍵的參與者。脂代謝紊亂后引起高FFA血癥，使B細(xì)胞內(nèi)脂質(zhì)堆積，產(chǎn)生過多的長鏈乙酰CoA，能激活n蛋白激酶(novelclass of protein kinase C isoforms)，導(dǎo)致IRS分子的絲氨酸／蘇氨酸磷酸化，進(jìn)而誘導(dǎo)B細(xì)胞的凋亡。

2.7 內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激

目前已證實，內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激可以通過多條路徑誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡：1)C／EBP同源蛋白(C／EBP homologous protein，CHOP)誘導(dǎo)實驗發(fā)現(xiàn)，在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激條件下，經(jīng)上游轉(zhuǎn)錄元件鐵效應(yīng)元件1、PERK和ATF6的調(diào)控，CHOP表達(dá)增強(qiáng)。通過下調(diào)抗凋亡基因Bcl-2表達(dá)及增加活性氧類產(chǎn)物而誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡。當(dāng)抑制CHOP mRNA的表達(dá)時，硫化氫誘導(dǎo)的凋亡也顯著下降。硫化氫誘導(dǎo)胰島分泌細(xì)胞凋亡是通過p38絲裂原活化蛋白激酶的激活作用來增強(qiáng)內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激的。2)c-Jun氨基末端激酶激活，c-Jun氨基末端激酶信號轉(zhuǎn)導(dǎo)蛋白家族可以調(diào)節(jié)基因表達(dá)，并在應(yīng)激反應(yīng)細(xì)胞凋亡過程中發(fā)揮重要作用。鐵效應(yīng)元件1激活后，其細(xì)胞質(zhì)激酶區(qū)結(jié)合到耦聯(lián)質(zhì)膜受體和腫瘤壞死因子受體相關(guān)因子2上，并與凋亡信號調(diào)節(jié)激酶1結(jié)合，形成鐵效應(yīng)元件1-腫瘤壞死因子受體相關(guān)因子2-凋亡信號調(diào)節(jié)激酶1復(fù)合物，從而激活c-Jun氨基末端激酶，誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡。

2.8 氧化應(yīng)激

正常生理狀態(tài)下，機(jī)體的活性氧簇(ROS)的產(chǎn)生與消除處于一個動態(tài)平衡中，DM患者一方面由于ROS的產(chǎn)生明顯增多，另一方面胰島β細(xì)胞內(nèi)的抗氧化系統(tǒng)處于一個較低的水平，與機(jī)體其它組織細(xì)胞相比，胰島β細(xì)胞內(nèi)超氧化物歧化酶、過氧化氫酶、谷胱甘肽過氧化物酶等抗氧化物水平較低，更容易受到ROS的損害，易發(fā)生胰島β細(xì)胞氧化應(yīng)激反應(yīng)，從而造成胰島β細(xì)胞的凋亡及功能下降，胰島素合成分泌明顯減少。

2.9 G蛋白偶聯(lián)受體(GPR40)

GPR40也稱游離脂肪酸受體-1即FFA(1)R，屬于G蛋白偶聯(lián)受體家族(G protein-coupled receptors，GPCRs)。Tomita等通過對手術(shù)中所取的大量人體組織分析，發(fā)現(xiàn)GPR40在胰島中的表達(dá)水平是整個胰腺的近20倍，而且GPR40在人的胰島素瘤組織中呈高表達(dá)，而在胰高血糖素瘤及胃泌素瘤組織中未能檢測出，故認(rèn)為GPR40主要分布于胰島β細(xì)胞中。GPR40能識別C12～C16飽和脂肪酸和C18～C20不飽和脂肪酸，這些脂肪酸能活化GPR40，激活胰島β細(xì)胞內(nèi)信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑，調(diào)節(jié)胰島素分泌，促進(jìn)胰島β細(xì)胞過度增殖，引起胰島β細(xì)胞功能缺陷，凋亡增加。

2.10 胰腺十二指腸同源異型盒-1(pancreatic duo-denal homebox-1，PDX1)

PDXl是胰島細(xì)胞中特異表達(dá)的轉(zhuǎn)錄因子，是胰島素基因最重要的轉(zhuǎn)錄調(diào)控因子。研究發(fā)現(xiàn)，PDX1純合缺失小鼠可以出現(xiàn)早期胰芽發(fā)育受阻，導(dǎo)致胰腺發(fā)育不全，找不到成熟的胰腺組織，還可以出現(xiàn)十二指腸區(qū)域異常，出生后不久即死于高血糖癥。PDX1雜合缺失小鼠盡管胰腺的發(fā)育正常，但成年后可出現(xiàn)糖耐量異常及糖尿病。Li等研究發(fā)現(xiàn)，胰高血糖素樣肽(GLP-1)受體激活劑E4可以刺激PDX1+／+小鼠B細(xì)胞增殖明顯增強(qiáng)，細(xì)胞中標(biāo)記新生細(xì)胞的Brdu陽性細(xì)胞數(shù)明顯增多，β細(xì)胞凋亡數(shù)無明顯變化。而在PDxl-／-小鼠中B細(xì)胞增殖無明顯變化，但β細(xì)胞凋亡數(shù)明顯增加，進(jìn)一步證實了PDX1基因在胰島細(xì)胞的增生和凋亡中的作用。

3 結(jié)語

隨著脂毒性誘導(dǎo)胰島β細(xì)胞凋亡的機(jī)制研究的不斷深入，控制2型DM患者胰島β細(xì)胞的進(jìn)行性凋亡，就有可能改善該類患者β細(xì)胞數(shù)量減少的狀態(tài)，使得控制β細(xì)胞凋亡成為治療2型DM的可能和必需的手段。1)降脂治療有直接有效地降低脂毒性的作用；2)神經(jīng)酰胺合成抑制劑Fumonisin B幾乎可完全抑制FFA誘導(dǎo)的β細(xì)胞凋亡過程；3)iNOS抑制劑可降低NO的生成，從而減少凋亡的發(fā)生；4)能與PPARs相互作用的藥物如噻唑烷二酮類藥，能減弱FFA誘導(dǎo)的β細(xì)胞破壞；5)抗氧化劑氨基胍，既可通過使NO合成減少，阻斷細(xì)胞凋亡途徑使胰島β細(xì)胞凋亡減少，又能使受到抑制的胰島素基因啟動轉(zhuǎn)錄因子-1(PDX-1)表達(dá)部分恢復(fù)，從而使胰島素分泌增加；6)進(jìn)一步篩選、克隆胰島β細(xì)胞凋亡相關(guān)基因，以及Bcl-2基因轉(zhuǎn)染等一系列的治療措施的應(yīng)用，有效地遏止B細(xì)胞凋亡將有助于減少和延緩2型DM的發(fā)生和發(fā)展。