自噬與2型糖尿病胰島β細(xì)胞增殖及凋亡

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自噬與2型糖尿病胰島β細(xì)胞增殖及凋亡

孫穎魏聰1，2，3劉紅利1郎艷松1，4常成成1

(南京中醫(yī)藥大學(xué)，江蘇南京210000)

〔關(guān)鍵詞〕自噬；胰島β細(xì)胞增殖凋亡

1河北以嶺醫(yī)藥研究院

2國(guó)家中醫(yī)藥管理局重點(diǎn)研究室(心腦血管絡(luò)病)

3河北省絡(luò)病重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室4河北醫(yī)科大學(xué)

第一作者：孫穎(1987-)，女，在讀博士，主要從事中醫(yī)臨床基礎(chǔ)研究。

自噬與細(xì)胞的生存與死亡密切相關(guān)〔1〕。研究發(fā)現(xiàn)，自噬在維持胰島β細(xì)胞活性及數(shù)量中具有重要作用。在一定氧化應(yīng)激水平下，自噬可以減少胰島β細(xì)胞凋亡、保證其正常增殖。有研究顯示，當(dāng)環(huán)境極度惡劣時(shí)，超出自噬的調(diào)控能力，自噬和凋亡將同時(shí)出現(xiàn)于細(xì)胞中。因此，闡述自噬在2型糖尿病(T2DM)中的作用，尤其是對(duì)胰島β細(xì)胞生存的影響尤為重要。

1自噬

自噬是一個(gè)將自身細(xì)胞質(zhì)內(nèi)受損蛋白或受損細(xì)胞器包被進(jìn)入囊泡，并與溶酶體融合形成自噬溶酶體，降解其所包裹的內(nèi)容物的過程，降解的細(xì)胞內(nèi)成分可以提供營(yíng)養(yǎng)或原料供給細(xì)胞循環(huán)再利用，以實(shí)現(xiàn)細(xì)胞的代謝需要和細(xì)胞器的更新〔2〕。

自噬的調(diào)控因素主要有雷帕霉素受體(mTOR)通路、磷酸肌醇等。 mTOR是哺乳動(dòng)物細(xì)胞內(nèi) ATP的感受器，是自噬的一個(gè)關(guān)鍵的負(fù)調(diào)節(jié)因子。若mTOR 激酶活性被抑制從而促進(jìn)自噬，是細(xì)胞自噬調(diào)節(jié)極為重要的信號(hào)通路。mTOR上下游信號(hào)途徑比較復(fù)雜，目前調(diào)節(jié)自噬的具體機(jī)制還未闡明?，F(xiàn)已證實(shí)的有以下調(diào)控因子：?jiǎn)瘟姿嵯佘栈罨鞍准っ?AMPK)激活后，可以通過抑制 mTOR 通路進(jìn)而起到促進(jìn)自噬的作用；磷酸磷脂酰肌醇-3激酶/蛋白激酶B(PI3K/Akt)通路也可對(duì)mTOR進(jìn)行正向調(diào)控〔3，4〕。此外，Ⅲ型磷酸磷脂酰肌醇激酶(ClassⅢ PI3K)的產(chǎn)物多磷酸肌醇(PIP)、酵母自噬基因Atg6同系物(Beclin1)可以激活自噬，而I P I3K的產(chǎn)物磷脂酰肌醇3磷酸(PI3P)、B淋巴細(xì)胞瘤-2(Bcl-2)則對(duì)自噬存在抑制作用。其他的一些調(diào)控因素如酪氨酸激酶受體(PTKS)和酪蛋白激酶Ⅱ(CK-Ⅱ)也同樣起到了調(diào)節(jié)自噬的作用〔5〕。

2自噬與細(xì)胞凋亡、增殖

輕微應(yīng)激狀態(tài)如缺氧、營(yíng)養(yǎng)匱乏時(shí)，細(xì)胞可通過自噬獲得可供循環(huán)利用的核苷、氨基酸等大分子物質(zhì)及能量，以維持細(xì)胞代謝平衡；又可選擇性清除某些細(xì)胞成分，尤其是受損或多余的蛋白質(zhì)、內(nèi)質(zhì)網(wǎng)、線粒體等，以減少異常蛋白和細(xì)胞器的堆積，維持細(xì)胞內(nèi)環(huán)境的穩(wěn)定。在一定范圍內(nèi)損傷性刺激下，線粒體腫脹、滲透性轉(zhuǎn)運(yùn)通道開放并且釋放出凋亡因子，此時(shí)功能受損的線粒體尚可以通過激活的自噬而被清除，從而避免凋亡因子釋放引起凋亡發(fā)生，因此，自噬作為一種保護(hù)性機(jī)制可以保護(hù)細(xì)胞免受于凋亡和壞死，利于細(xì)胞存活。因此促凋亡因素激活凋亡程序時(shí)，細(xì)胞質(zhì)內(nèi)同時(shí)也會(huì)出現(xiàn)數(shù)量增多的自噬體〔6〕。有研究認(rèn)為自噬引起了細(xì)胞死亡，但有學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)，通常壞死細(xì)胞內(nèi)有很多自噬體，這種現(xiàn)象并非自噬引起死亡，而是死亡伴隨自噬。這兩者在形態(tài)學(xué)上兩者無明顯區(qū)別，但可通過阻斷自噬繼而觀察細(xì)胞的結(jié)局可區(qū)分開來〔7〕。

自噬可以為細(xì)胞清除受損的細(xì)胞器及蛋白質(zhì)，從而使細(xì)胞DNA避免因應(yīng)激條件而造成損傷，保證了遺傳的穩(wěn)定性，減少了細(xì)胞惡變的發(fā)生。所以，自噬既可以抑制細(xì)胞的凋亡，又能保證細(xì)胞正常增殖，抑制自噬可能會(huì)導(dǎo)致細(xì)胞的癌變而發(fā)生惡性增殖〔8〕，所以，自噬作為細(xì)胞的自我修復(fù)機(jī)制參與細(xì)胞增殖與新生的過程〔9，10〕。

3自噬與胰島β細(xì)胞

3.1不同損傷環(huán)境下胰島β細(xì)胞自噬水平不同T2DM時(shí)機(jī)體可發(fā)生氧化應(yīng)激損傷、營(yíng)養(yǎng)因子匱乏等病理生理改變，自噬水平根據(jù)環(huán)境不同而被代償性激活或被抑制。動(dòng)物研究顯示，高脂飲食喂養(yǎng)的大鼠模型較正常飲食喂養(yǎng)的大鼠自噬水平增加，T2DM模型db/db小鼠胰島β細(xì)胞中自噬體數(shù)量有所增加，均提示自噬代償性激活以減輕胰島β細(xì)胞的氧化應(yīng)激。細(xì)胞研究顯示，細(xì)胞胰島INS-1細(xì)胞經(jīng)長(zhǎng)鏈自由脂肪酸培養(yǎng)后LC3-Ⅱ表達(dá)增多，提示高脂環(huán)境下自噬相關(guān)蛋白代償性增加〔11～13〕。自噬激活途徑可能與糖脂等毒性激活A(yù)MPK活性、下調(diào)mTOR及其下游p70核糖體蛋白質(zhì)S6激酶(p70S6K)和4E結(jié)合蛋白1(4E-BP1)磷酸化，從而上調(diào)節(jié)LC3-Ⅱ表達(dá)有關(guān)。另有研究報(bào)道，高糖相關(guān)氧化應(yīng)激損傷可能通過上調(diào)c-Jun 氨基端激酶(JNK)途徑誘導(dǎo)自噬。JNK通路的激活與P38蛋白激酶(p38MAPK)有關(guān)，p38MAPK通過影響活性氧簇(ROS)及JNK，進(jìn)而參與自噬調(diào)節(jié)〔14～16〕。另有學(xué)者發(fā)現(xiàn)，T2DM患者胰島β細(xì)胞自噬相關(guān)蛋白Beclin-1和Atg7沒有改變而溶酶體相關(guān)膜蛋白2(LAMP2)表達(dá)有所降低〔17〕；據(jù)報(bào)道，在與衰老相關(guān)的T2DM中，自噬水平隨著年齡增加而減少，可能與線粒體ROS的產(chǎn)生加劇線粒體功能損傷及消除有關(guān)〔18〕。

T2DM中自噬的不同變化情況的原因之一可能是過多的營(yíng)養(yǎng)成分和胰島素能抑制自噬，而氧化應(yīng)激反應(yīng)則可使得自噬激活，T2DM過程中，營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)、胰島素及氧化應(yīng)激同時(shí)存在，共同調(diào)節(jié)自噬。糖尿病前期多伴有肥胖，過多的營(yíng)養(yǎng)素和胰島素能抑制自噬，后期因胰島素缺乏，氧化應(yīng)激增強(qiáng)等原因自噬增強(qiáng)，但也有患者因蛋白質(zhì)降解增加，導(dǎo)致血中氨基酸增加，從而通過激活mTOR途徑抑制自噬〔19〕。

3.2自噬對(duì)胰島β細(xì)胞凋亡、增殖的影響T2DM患者的胰島素分泌量下降、胰島β細(xì)胞數(shù)量減少，這與胰島β細(xì)胞增殖過程受損和凋亡增加有密切關(guān)系?；A(chǔ)自噬的缺失使胰島β細(xì)胞損傷加重，敲除小鼠胰島β細(xì)胞內(nèi)自噬相關(guān)蛋白 Atg7后，發(fā)現(xiàn)小鼠出現(xiàn)糖耐量低減，血清胰島素水平下降而且 β細(xì)胞凋亡增多、增殖減少〔20〕，這提示自噬對(duì)于維持細(xì)胞數(shù)量及活性具有重要作用。高脂飲食干預(yù)后，正常對(duì)照組大鼠胰島細(xì)胞區(qū)域擴(kuò)大了2倍，但自噬基因敲除鼠的胰島細(xì)胞卻沒有出現(xiàn)增殖，而且自噬基因敲除后會(huì)造成胰島素分泌異常及糖耐量降低，也與缺少胰島β細(xì)胞代償性增殖有關(guān)〔12〕，這提示自噬對(duì)于胰島β細(xì)胞增殖極為重要。

自噬增強(qiáng)時(shí)軟脂酸(PA)誘導(dǎo)胰島β細(xì)胞死亡減少，相反在自噬被抑制時(shí)，PA會(huì)誘導(dǎo)胰島β細(xì)胞死亡增加。自噬可以保證在應(yīng)激情況下胰島細(xì)胞代償性增生并減少其死亡，從而在維持胰島細(xì)胞數(shù)量上起到重要意義。

自噬維持胰島β細(xì)胞數(shù)量的機(jī)制主要有：控制T2D氧化損傷造成的胰島細(xì)胞炎癥過程，并可緩解氧化應(yīng)激壓力〔21〕；減少胰島淀粉樣多肽(IAPP)引起的胰島細(xì)胞損傷，IAPP是與胰島素一起由胰島β細(xì)胞分泌的激素，IAPP抑制胰高血糖素的分泌，且與胰島素結(jié)合共同調(diào)控糖的代謝，T2DM中，胰淀素的大量分泌、胰淀素聚集形成淀粉樣的斑塊可加速胰島β細(xì)胞凋亡，在此過程中，自噬相關(guān)蛋白p62對(duì)于減少IAPP引起的細(xì)胞凋亡起重要作用〔22〕；另外，自噬可調(diào)控胰腺內(nèi)分泌環(huán)境及胰島β細(xì)胞的分泌功能，調(diào)整胰島β細(xì)胞的生存環(huán)境及功能〔13〕。

4研究局限

自噬研究中的技術(shù)問題之一是缺乏方便和可靠的方法來檢測(cè)自噬。其次，在自噬小體的形成后抑制自噬的進(jìn)展，反而會(huì)導(dǎo)致電鏡觀察下自噬小體數(shù)量的增加，而這一點(diǎn)對(duì)于區(qū)分穩(wěn)態(tài)自噬水平和自噬活動(dòng)很重要。再者，檢測(cè)穩(wěn)態(tài)自噬水平可能對(duì)自噬的過程進(jìn)行了封鎖，這些困難在動(dòng)物模型上尤為顯著。因此，對(duì)自噬水平的檢測(cè)除了使用電鏡之外，還應(yīng)結(jié)合使用自噬相關(guān)蛋白含量檢測(cè)及蛋白質(zhì)降解實(shí)驗(yàn)等方法〔2〕。

綜上所述，近年來，自噬在T2DM中的作用受到越來越多的重視。自噬作為多種藥物的作用靶點(diǎn)之一，對(duì)維持胰島β細(xì)胞數(shù)量及功能有著重要意義，噻唑烷二酮類藥物可通過5'-AMPK通路激活自噬以減少軟脂酸造成的胰島β細(xì)胞凋亡〔23，24〕，但仍存在一些問題，如應(yīng)激環(huán)境下對(duì)胰島β細(xì)胞增殖、凋亡、自噬多個(gè)方面的調(diào)控作用涉及多個(gè)信號(hào)通路，尚不清楚哪一條通路起主要作用，或是多條通路起協(xié)同作用。但相信隨著對(duì)自噬檢測(cè)方式的進(jìn)步及對(duì)不同環(huán)境下胰島β細(xì)胞的自噬水平及相關(guān)信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路等研究的不斷深入，調(diào)節(jié)自噬藥物的使用將為T2DM疾病的治療開辟新的領(lǐng)域。

5參考文獻(xiàn)

1Xie Z,Klionsky DJ.Autophagosome formation:core machinery and adaptations〔J〕.Nat Cell Biol,2007;9(10):1102-9.

2 Hur KY，Jung HS，Lee MS.Role of autophagy in β-cell function and mass〔J〕.Diabetes Obes Metab,2010;12(Suppl 2):20-6.

3Brech A,Ahlquist T,Lothe RA,etal.Autophagy in tumour suppression and promotion〔J〕.Mol Oncol,2009;3(4):366-75.

4Hoare M,Young AR,Narita M.Autophagy in cancer:having your cake and eating it〔J〕.Semin Cancer Biol,2011;21(6):397-404.

5Bogoyevitch MA,Ngoei KR,Zhao TT,etal.c-Jun N-terminal kinase(JNK)signaling:recent advances and challenges〔J〕.Biochim Biophys Acta,2010;1804(3):463-75.

6Elmore SP,Qian T,Grissom SF,etal.The mitochondrial permeability transition initiates autophagy in rat hepatocytes〔J〕.FASEB J,2001;15(12):2286-7.

7 Kroemer G,Levine B.Autophagic cell death:the story of a misnomer〔J〕.Nat Rev Mol Cell Biol,2008;9(12):1004-10.

8劉成益,許恩賜.自噬在細(xì)胞增殖和凋亡中的作用〔J〕.中國(guó)醫(yī)藥,2011;6(9):1151-2.

9Li M,Jiang X,Liu D,etal.Autophagy protects LNCaP cells under androgen deprivation conditions〔J〕.Autophagy,2007;4(1):54-60.

10劉慧慧,曹勇軍,張艷林,等.纖維蛋白誘導(dǎo)的自噬促進(jìn)人臍靜脈內(nèi)皮細(xì)胞增殖與血管腔樣結(jié)構(gòu)形成〔J〕.江蘇醫(yī)藥,2011;37(16):1885-8.

11Lo MC,Lu CI,Chen MH,etal.Glycoxidative stress-induced mitophagy modulates mitochondrial fates〔J〕.Ann N Y Acad Sci,2010;1201(1):1-7.

12 Ebato C,Uchida T,Arakawa M,etal.Autophagy is important in islet homeostasis and compensatory increase of beta cell mass in response to high-fat diet〔J〕.Cell Metab,2008;8(4):325-32.

13Marsh BJ,Soden C,Alarcón C,etal.Regulated autophagy controls hormone content in secretory-deficient pancreatic endocrine β-cells〔J〕.Mol Endocrin,2007;21(9):2255-69.

14Wang Q,Liang B,Shirwany NA,etal.2-Deoxy-D-glucose treatment of endothelial cells induces autophagy by reactive oxygenspecies-mediated activation of the AMP-activated protein kinase〔J〕.PLoS One,2011;6(2):e17234.

15 Yan J,Feng Z,Liu J,etal.Enhanced autophagy plays a cardinal role in mitochondrial dysfunction in type 2 diabetic Goto-Kakizaki(GK)rats:ameliorating effects of(-)-epigallocatechin-3-gallate〔J〕.J Nutrit Biochem,2012;23(7):716-24.

16Kim MJ,Woo SJ,Yoon CH,etal.Involvement of autophagy in oncogenic K-Ras-induced malignant cell transformation〔J〕.J Biol Chem,2011;286(15):12924-32.

17Masini M,Bugliani M,Lupi R,etal.Autophagy in human type 2 diabetes pancreatic beta cells〔J〕.Diabetologia,2009;52(6):1083-6.

18Cavallini G,Donati A,Taddei M，etal.Evidence for selective mitochondrial autophagy and failure in aging〔J〕.Autophagy,2007;3(1):26-7.

19何夢(mèng)婷,高麗輝,李玲.自噬與2型糖尿病相關(guān)性的研究進(jìn)展〔J〕.國(guó)際藥學(xué)研究雜志,2014;41(3)：301-6.

20Jung HS,Chung KW,Won Kim J,etal.Loss of autophagy diminishes pancreatic β cell mass and function with resultant hyperglycemia〔J〕.Cell metabolism,2008;8(4):318-24.

21Wang Y,Li Y,Yin J,etal.Autophagy regulates inflammation following oxidative injury in diabetes〔J〕.Autophagy,2013;9(3):272-7.

22Rivera JF,Gurlo T,Daval M,etal.Human-IAPP disrupts the autophagy/lysosomal pathway in pancreatic β-cells:protective role of p62-positive cytoplasmic inclusions〔J〕.Cell Death Different,2011;18(3):415-26.

23 Wu J,Wu JJ,Yang L,etal.Rosiglitazone protects against palmitate-induced pancreatic beta-cell death by activation of autophagy via 5′-AMP-activated protein kinase modulation〔J〕.Endocrine,2013;44(1):87-98.

24 Yan J,Yang H,Wang G,etal.Autophagy augmented by troglitazone is independent of EGFR transactivation and correlated with AMP-activated protein kinase signaling〔J〕.Autophagy,2010;6(1):67-73.

〔2015-02-19修回〕

(編輯李相軍)

通訊作者：魏聰(1979-)，女，博士，主任醫(yī)師，主要從事絡(luò)病學(xué)研究。

基金項(xiàng)目：國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃(973計(jì)劃)項(xiàng)目(No.2012CB518606)

〔中圖分類號(hào)〕R-33

〔文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼〕A

〔文章編號(hào)〕1005-9202(2015)22-6598-03；

doi：10.3969/j.issn.1005-9202.2015.22.138