胰腺發(fā)育不同階段轉(zhuǎn)錄因子表達(dá)的研究進(jìn)展

王洪剛，馬玉珍 綜述 韓為東，王清蓮 審校

1包頭醫(yī)學(xué)院，內(nèi)蒙古包頭 014040；2內(nèi)蒙古自治區(qū)人民醫(yī)院 內(nèi)分泌科，內(nèi)蒙古呼和浩特 010017；3解放軍總醫(yī)院，北京 100853

胰腺起源于腸管內(nèi)胚層(gut endoderm)，它是脊椎動物原腸胚形成后三個胚層之一，經(jīng)過一系列的信號調(diào)節(jié)和逐級轉(zhuǎn)錄因子調(diào)節(jié)最終形成成熟的器官(Gittes 2009)。大鼠的胰腺產(chǎn)生最早是在胚胎的第8~8.5天(E8~E8.5 d)[1]，在胚胎的第13.5天(E13.5 d)大部分分泌激素細(xì)胞(α、β、δ和PP細(xì)胞)開始出現(xiàn)并組成內(nèi)分泌胰島[2-3]。其中胰腺β細(xì)胞是體內(nèi)分泌胰島素的細(xì)胞，糖尿病的發(fā)生與β細(xì)胞的破壞密切相關(guān)。近些年干細(xì)胞或其他終末分化的體細(xì)胞(主要指與胰腺發(fā)育相近的組織)轉(zhuǎn)變?yōu)橐葝u素分泌細(xì)胞的研究，成為了糖尿病治療的新希望。本篇綜述重點(diǎn)討論胰腺祖細(xì)胞(pancreatic progenitor)、內(nèi)分泌祖細(xì)胞(endocrine progenitor)和胰島素產(chǎn)生細(xì)胞三個過程中主要轉(zhuǎn)錄因子表達(dá)及其作用。

1 胰腺祖細(xì)胞階段的主要轉(zhuǎn)錄因子

Pdx-1基因在胰腺的形成和β細(xì)胞分化方面起著至關(guān)重要的作用，也是胰腺發(fā)育必需的轉(zhuǎn)錄因子及β細(xì)胞形成和成熟的標(biāo)志。在小鼠胚胎的8~10d，胰腺祖細(xì)胞階段Pdx-1基因呈現(xiàn)高表達(dá)，在β細(xì)胞分化的階段出現(xiàn)再次的高水平表達(dá)。Pdx-1基因突變的小鼠，表現(xiàn)為胰腺器官缺乏、胰島素表達(dá)下降或β細(xì)胞功能障礙等。在鼠胚胎干細(xì)胞誘導(dǎo)分化為分泌胰島素細(xì)胞的過程中，Pdx-1基因的表達(dá)說明了胰腺組織的形成[4]。而在小鼠成體的胰腺組織中，只有胰島β細(xì)胞中存在[5]。NK同源盒轉(zhuǎn)錄因子NKX2.2最早出現(xiàn)于小鼠胚胎8~9 d的胰腺祖細(xì)胞中，在成熟的胰腺組織中主要表達(dá)于內(nèi)分泌細(xì)胞α、β和PP細(xì)胞中，而沒有表達(dá)在δ細(xì)胞中。NKX2.2和Arx基因是必不可少的胰腺轉(zhuǎn)錄因子，在內(nèi)分泌細(xì)胞譜系發(fā)育過程中NKX2.2基因的缺失或Arx基因的缺失，分別引起β細(xì)胞的表達(dá)下調(diào)或α細(xì)胞的表達(dá)下調(diào)[6]。而NKX6.1最早出現(xiàn)于小鼠胚胎的9~9.5 d的胰腺祖細(xì)胞中，而特異于表達(dá)在成熟的內(nèi)分泌β細(xì)胞中，它的缺失則會使β細(xì)胞數(shù)量明顯下降。

2 內(nèi)分泌祖細(xì)胞階段的主要轉(zhuǎn)錄因子

Ngn3基因是螺旋-環(huán)-螺旋(helix-loop-helix)家族轉(zhuǎn)錄因子中的一員，這些轉(zhuǎn)錄因子涉及了神經(jīng)外胚層中神經(jīng)前體細(xì)胞的分化。Ngn3基因最早出現(xiàn)于小鼠胚胎的第9天，在胰腺祖細(xì)胞階段不表達(dá)，它的表達(dá)表明細(xì)胞已經(jīng)處于內(nèi)分泌祖細(xì)胞階段，此階段的細(xì)胞可以產(chǎn)生所有的胰島內(nèi)分泌細(xì)胞類型[7-8]。Ngn3突變的純合子小鼠將不會產(chǎn)生胰島樣細(xì)胞[9]，這些小鼠沒有朗格漢斯細(xì)胞胰島形成。

神經(jīng)源性分化蛋白(NeuroD)最早是在上個世紀(jì)90年代Lee等人做酵母雙雜交實(shí)驗(yàn)研究bHLH結(jié)構(gòu)時發(fā)現(xiàn)的，其表達(dá)開始于鼠胚胎9.5 d的內(nèi)分泌祖細(xì)胞中。NeuroD主要表達(dá)在胰腺、腸和神經(jīng)組織中，涉及早期的胰腺內(nèi)分泌和神經(jīng)分化作用，對于胰腺細(xì)胞的存活和分化非常重要[10]。NeuroD缺陷的小鼠出生后死于嚴(yán)重的糖尿病，他們的α和β細(xì)胞很少一部分進(jìn)行了分化，胰島也沒有形成，而且大部分的β細(xì)胞丟失。敲除了＞90% NeuroD基因分化的分泌胰島素細(xì)胞的小鼠，在葡萄糖刺激胰島素分泌試驗(yàn)中，表現(xiàn)出糖耐量受損[11]。NeuroD最終在小鼠的成體胰腺組織中的四個內(nèi)分泌細(xì)胞中都有表達(dá)，它的缺失將會導(dǎo)致內(nèi)分泌細(xì)胞數(shù)量的減少。

Maf蛋白屬于巨噬細(xì)胞激活因子家族，其中MafA基因是胰島素基因轉(zhuǎn)錄的有效活化劑。MafA基因的表達(dá)最早被檢測到是在出現(xiàn)分泌胰島素細(xì)胞的早期階段[12]。MafA基因結(jié)合Pdx-1和NeuroD，可以誘導(dǎo)小鼠肝臟組織中內(nèi)源性胰島素基因的表達(dá)。MafA基因存在于小鼠成熟的胰腺組織中，和MafB基因一起調(diào)節(jié)大部分胰腺基因感受血糖刺激和胰島素分泌作用[13]。

成對盒基因4(PAX-4)出現(xiàn)于小鼠胚胎的9~9.5 d，在成熟的胰腺組織中沒有表達(dá)或有很低的表達(dá)，而缺失此基因的胰腺則沒有β和δ細(xì)胞的表達(dá)[14]。胰高血糖素樣肽-1(GLP-1)的研究結(jié)果表明，GLP-1可以增加小鼠和大鼠β細(xì)胞的數(shù)量，同時可以增加PAX-4基因的表達(dá)，表明GLP-1降血糖的作用可能與PAX-4基因的表達(dá)有關(guān)[15]。PAX-6基因同樣也出現(xiàn)于小鼠胚胎的9~9.5 d，但PAX-6基因在成熟的胰腺組織中表達(dá)情況和胚胎時的表達(dá)情況一樣，而且表達(dá)在所有的四種內(nèi)分泌細(xì)胞中(α、β、δ和PP細(xì)胞)。PAX-6基因在胰腺的形態(tài)形成過程中起到重要作用，NeuroD/BETA2基因是PAX-6基因的上游基因，調(diào)控著它的活性[16]。PAX-6基因的缺失會導(dǎo)致內(nèi)分泌細(xì)胞數(shù)量的下降和激素基因表達(dá)量的下降[17]，Pax-6除了對β細(xì)胞的分化發(fā)揮重要作用外，同樣也是胰島α細(xì)胞分化和成熟所必需。

3 胰島素產(chǎn)生細(xì)胞階段表達(dá)的主要轉(zhuǎn)錄因子

突觸相關(guān)蛋白25kU(SNAP-25)存在于細(xì)胞膜與分泌囊泡之間，功能與細(xì)胞的胞吐有關(guān)，SNAP-25蛋白的磷酸化是通過PKA和PKC兩個激酶進(jìn)行的，引起細(xì)胞的分泌量增加[18]。SNAP-25蛋白主要與細(xì)胞內(nèi)分泌顆粒功能有關(guān)。胰腺β細(xì)胞ATP敏感的鉀離子通道是內(nèi)向整流型鉀離子通道家族的成員之一，通過作用于細(xì)胞的代謝與敏感性調(diào)整胰島素分泌。這個通道是一個異八聚體結(jié)構(gòu)，由中間線樣排列的Kir6.2道白和周圍的胰島β細(xì)胞功能相關(guān)的蛋白磺脲類受體(SUR1)組成。這兩個鉀離子通道蛋白在胰島素的分泌過程起著同樣的重要作用。SUR1或Kir6.2的突變會引起鉀離子通道活性或表達(dá)的缺失，從而導(dǎo)致先天性的高胰島素血癥或新生糖尿病[19]。

葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白2(Glut-2)是一個促進(jìn)葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)的載體蛋白，主要表達(dá)在肝、胰腺β細(xì)胞和少量存在腎、腸、腦的部分區(qū)域。由于它的低親和力和較高的儲存能力確保了葡萄糖在細(xì)胞內(nèi)外的雙向流動性，糖和激素可以調(diào)節(jié)它的表達(dá)。在2型糖尿病的小鼠模型研究中，發(fā)現(xiàn)了胰腺β細(xì)胞Glut-2的低表達(dá)[20]。在小鼠禁食實(shí)驗(yàn)中，發(fā)現(xiàn)了胰腺β細(xì)胞Glut-2 mRNA的表達(dá)量下降。

胰島素基因增強(qiáng)結(jié)合蛋白1(ISL-1)最早表達(dá)在小鼠胚胎第9天的背側(cè)間充質(zhì)部位，在成熟的胰腺組織中表達(dá)于所有的四種內(nèi)分泌細(xì)胞(α、β、δ和PP細(xì)胞)中。ISL-1基因?qū)τ谝葝u的增殖和內(nèi)分泌細(xì)胞的生存必不可少，它是胰島素基因表達(dá)的轉(zhuǎn)錄水平激活劑。在地塞米松介導(dǎo)的ISL-1基因表達(dá)下調(diào)實(shí)驗(yàn)中，胰島素的表達(dá)也受到了損害[21]。ISL-1基因在氧化應(yīng)激條件下還可有抗胰腺細(xì)胞凋亡的作用，而且還可以通過結(jié)合一些細(xì)胞周期調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)錄因子(CyclinD1，c-Myc，and CDK4)刺激成熟胰島細(xì)胞的增殖[22]。

成熟的胰腺細(xì)胞在基因轉(zhuǎn)錄水平上具有各自獨(dú)特的基因表型，代表胰腺細(xì)胞成熟的一些標(biāo)志物如胰島素原(INS-1、INS-2)、胰高血糖素(glucagon)、生長抑素(somatostatin)、胰多肽，分別表達(dá)于β、α、δ和PP細(xì)胞。成熟基因的表達(dá)過程是一個動態(tài)的過程，從未定型到定型，這個階段的形成代表了細(xì)胞的成熟，因?yàn)檫@些激素的表達(dá)在各自的細(xì)胞都是特異的而且是唯一的。

4 結(jié)語

總之，胰腺細(xì)胞發(fā)育的基因轉(zhuǎn)錄是一個具有等級或級聯(lián)反應(yīng)的過程，每一個階段都不是單獨(dú)的基因在起作用，而是很多基因共同作用的結(jié)果。了解胰腺細(xì)胞的發(fā)育機(jī)制可以更好地控制其再生，更加準(zhǔn)確地確定誘導(dǎo)胰腺細(xì)胞的發(fā)育階段，從而有助于這種來源廣泛的細(xì)胞誘導(dǎo)，應(yīng)用于胰腺組織的再生研究以及糖尿病的臨床治療。

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