自噬與胰島β細(xì)胞功能及2型糖尿病

曹萌 韋曉 劉超

·綜述·

自噬與胰島β細(xì)胞功能及2型糖尿病

曹萌 韋曉 劉超

β細(xì)胞衰竭是2型糖尿病發(fā)病的重要機(jī)制。自噬是一種細(xì)胞內(nèi)的代謝降解過(guò)程，能夠有效地降解胞內(nèi)聚集的蛋白和損傷的細(xì)胞器。研究顯示，抑制自噬會(huì)導(dǎo)致胰島素分泌減少及高血糖。而刺激自噬則可以改善糖尿病、增加胰島素分泌、防止β細(xì)胞凋亡。這些結(jié)果提示：自噬在維持內(nèi)環(huán)境穩(wěn)定，保護(hù)胰島β細(xì)胞的結(jié)構(gòu)和功能等方面發(fā)揮重要作用。除此之外，自噬在緩解胰島素抵抗?fàn)顟B(tài)下的應(yīng)激反應(yīng)過(guò)程中也發(fā)揮重要作用。自噬功能的損傷會(huì)使個(gè)體更易于患2型糖尿病。

自噬；2型糖尿?。灰葝uβ細(xì)胞

自噬是真核細(xì)胞在其生長(zhǎng)、發(fā)育、老化過(guò)程中存在的一種細(xì)胞蛋白和細(xì)胞器的循環(huán)利用機(jī)制，其在細(xì)胞生長(zhǎng)、發(fā)育和疾病發(fā)生中起重要作用[1]。自噬機(jī)制的異常與糖尿病、阿爾茲海默癥等多種衰老性疾病相關(guān)[2-3]。研究表明，自噬在基礎(chǔ)狀態(tài)和應(yīng)激情況下對(duì)胰島β細(xì)胞數(shù)量、結(jié)構(gòu)和功能均發(fā)揮重要的保護(hù)作用[4]。對(duì)自噬進(jìn)程的深入探討將有助于了解自噬在糖尿病發(fā)生、發(fā)展過(guò)程中的作用，從而為糖尿病的治療提供新的治療方向。

1 自噬的概念、分類和調(diào)節(jié)方式

1.1 自噬的概念 自噬是一種真核細(xì)胞中普遍存在的生理現(xiàn)象。自噬過(guò)程中，待降解的胞質(zhì)組分(錯(cuò)誤折疊的蛋白、胞質(zhì)內(nèi)受損的細(xì)胞器、胞內(nèi)聚集的毒素以及胞內(nèi)感染微生物等)被包裹在一種具有雙層膜結(jié)構(gòu)的自噬小體中，然后自噬小體與溶酶體融合形成自噬-溶酶體，以降解其所包裹的內(nèi)容物，最后自噬體膜脫落再循環(huán)利用，以實(shí)現(xiàn)細(xì)胞代謝、能量循環(huán)、細(xì)胞器更新和胞內(nèi)防御的需要[5]。

1.2 自噬的分類 根據(jù)細(xì)胞內(nèi)底物運(yùn)送到溶酶體腔室方式的不同，哺乳動(dòng)物細(xì)胞的自噬可分為3種主要方式：大自噬、小自噬和分子伴侶介導(dǎo)的自噬。其中，大自噬即通常所說(shuō)的自噬。在大自噬過(guò)程中，待降解的蛋白和細(xì)胞器被非溶酶體來(lái)源的雙層膜結(jié)構(gòu)所包裹，形成自噬小體，并由自噬小體將其攜帶到溶酶體中降解加工[6]。

1.3 自噬的調(diào)節(jié)和檢測(cè) 參與自噬調(diào)節(jié)的基因統(tǒng)稱為自噬相關(guān)基因(Atg),其編碼的蛋白參與自噬的誘導(dǎo)、產(chǎn)生、成熟和再循環(huán),同時(shí)，自噬還受一些信號(hào)途徑如磷脂酰肌醇3激酶/蛋白激酶B/哺乳動(dòng)物雷帕霉素靶蛋白(mTOR)等的調(diào)控。檢測(cè)自噬的金指標(biāo)為：電子顯微鏡下觀察到內(nèi)含胞質(zhì)成分的空泡狀雙層膜樣結(jié)構(gòu)，也可檢測(cè)自噬體膜標(biāo)志性蛋白質(zhì)LC3。此外，beclin-1蛋白也是檢測(cè)自噬的常用指標(biāo)[7]。

2 自噬與β細(xì)胞功能及2型糖尿病

2.1 自噬與胰島β細(xì)胞功能

2.1.1 自噬調(diào)節(jié)胰島素的分泌和降解 β細(xì)胞內(nèi)胰島素的合成、降解與分泌是一個(gè)動(dòng)態(tài)平衡過(guò)程，其中胰島素的降解在維持胰島素穩(wěn)態(tài)及β細(xì)胞功能中發(fā)揮重要作用。當(dāng)體內(nèi)血糖升高時(shí)，胰島素降解速度下降從而分泌更多的胰島素，而當(dāng)血糖降低時(shí)，胰島素的降解速度又會(huì)提高。當(dāng)這種平衡被打破時(shí)，就會(huì)造成血糖的異常。自噬-溶酶體降解途徑在胰島素顆粒的分泌與降解過(guò)程中發(fā)揮重要作用。胰島素顆粒能夠被自噬小體包裹，進(jìn)而與溶酶體結(jié)合后被降解，從而調(diào)節(jié)胰島素的分泌。在胰島素抵抗的情況下，溶酶體降解胰島素的速率會(huì)明顯減慢。通過(guò)藥物干擾胰島素的分泌能夠刺激β細(xì)胞的自噬，加強(qiáng)胞內(nèi)胰島素的降解。同時(shí)，如果抑制β細(xì)胞自噬功能將會(huì)導(dǎo)致胰島素更新的障礙[8]。這些結(jié)果均提示胰島素的合成與分泌和自噬密切相關(guān)。

2.1.2 自噬穩(wěn)定胰島β細(xì)胞的內(nèi)環(huán)境 在外界刺激導(dǎo)致胞內(nèi)出現(xiàn)較多代謝廢物時(shí)，作為一種應(yīng)激保護(hù)機(jī)制，自噬水平會(huì)隨之上調(diào)。在多個(gè)糖尿病的體內(nèi)模型及糖、脂毒性的體外模型中，均發(fā)現(xiàn)胰島β細(xì)胞自噬水平顯著提高。在鏈脲佐菌素誘導(dǎo)的實(shí)驗(yàn)性糖尿病大鼠模型中，自噬是β細(xì)胞胞內(nèi)較早出現(xiàn)的反應(yīng)之一，以防止細(xì)胞遭受外來(lái)應(yīng)激損害[9]。而高脂喂養(yǎng)的非糖尿病C57BL/6小鼠其胰島β細(xì)胞內(nèi)自噬水平也明顯高于對(duì)照組[10]。相關(guān)研究顯示，β細(xì)胞內(nèi)非游離脂肪酸水平升高可影響其溶酶體活性及自噬水平。用游離脂肪酸處理人胰島β細(xì)胞后發(fā)現(xiàn)，胞內(nèi)溶酶體相關(guān)膜蛋白2的表達(dá)下調(diào)，從而阻礙了自噬流的形成。由于自噬流的阻斷，使得胰島淀粉樣多肽、錯(cuò)誤折疊的胰島素原等更易于在胞內(nèi)沉積，進(jìn)而造成細(xì)胞功能的破壞并誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡[11]。而自噬參與清除Zucker糖尿病大鼠β細(xì)胞內(nèi)以及高糖刺激后的胰島素瘤細(xì)胞內(nèi)的泛素化蛋白，提示自噬在清除胰島細(xì)胞內(nèi)聚集的有害蛋白過(guò)程中極為重要[12]。

自噬還能夠通過(guò)降解受損的細(xì)胞器(線粒體、內(nèi)質(zhì)網(wǎng)等)保護(hù)應(yīng)激狀態(tài)下的β細(xì)胞。2型糖尿病患者體內(nèi)的胰島素抵抗往往會(huì)造成β細(xì)胞的內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激和氧化應(yīng)激，產(chǎn)生內(nèi)質(zhì)網(wǎng)及線粒體的損傷。Jung等[13]發(fā)現(xiàn)，Atg7缺陷小鼠的胰島β細(xì)胞經(jīng)HE染色后可觀察到多囊結(jié)構(gòu)。超薄切片部分經(jīng)甲苯胺藍(lán)染色顯示，突變的胰島包含脹大的空泡細(xì)胞位于胰島周邊胞質(zhì)淡染部分相當(dāng)于HE染色的囊腫結(jié)構(gòu)。觀察顯示，空泡細(xì)胞很可能是退化的胰島β細(xì)胞。在Atg7缺陷鼠的胰島β細(xì)胞中能觀察到更多異常的超微結(jié)構(gòu)，如腫脹的線粒體、粗面內(nèi)質(zhì)網(wǎng)及高爾基復(fù)合體，由于線粒體和內(nèi)質(zhì)網(wǎng)是胰島細(xì)胞生存和功能保證的重要細(xì)胞器，自噬缺失而導(dǎo)致的重要細(xì)胞器結(jié)構(gòu)破壞，進(jìn)一步導(dǎo)致胰島β細(xì)胞凋亡的增加、增殖的降低以及胰島素分泌量的下降[14]。

2.1.3 自噬維持胰島β細(xì)胞的數(shù)量 研究顯示，敲除自噬基因后，大鼠胰島細(xì)胞凋亡增加，同時(shí)胰島細(xì)胞增殖障礙從而導(dǎo)致有功能胰島細(xì)胞數(shù)量的降低。而由于胰島細(xì)胞的數(shù)量降低和胰島素囊泡的減少，自噬基因敲除鼠的胰腺中胰島素的含量明顯低于正常對(duì)照組，胰島細(xì)胞中糖誘導(dǎo)的鈣離子增加也被抑制。Choi等[15]將INS-1細(xì)胞用 0.4 mmol/L軟脂酸和25 mmol/L葡萄糖干預(yù)12 h后發(fā)現(xiàn)，自噬體和自噬溶酶體的數(shù)目增加。綠色熒光標(biāo)記LC3蛋白的形成和LC3-Ⅰ到LC3-Ⅱ的轉(zhuǎn)變也增加。自噬的負(fù)相關(guān)因子mTOR磷酸化水平降低，從而促進(jìn)自噬的通路。雷帕霉素可以阻止mTOR通路，因此，用雷帕霉素干預(yù)后可以增加自噬體的數(shù)目，同時(shí)降低了軟脂酸誘導(dǎo)的INS-1細(xì)胞死亡。相反，通過(guò)敲除Atg5或使用絡(luò)霉素A1干預(yù)來(lái)阻止自噬體和溶酶體的融合，或通過(guò)E64d和抑肽素干預(yù)來(lái)抑制自噬的產(chǎn)生后則可以加速軟脂酸誘導(dǎo)的胰島β細(xì)胞的死亡。

2.2 自噬與2型糖尿病 2型糖尿病患者體內(nèi)存在著長(zhǎng)期的胰島素抵抗，顯著提高了機(jī)體對(duì)胰島素的需求量，因此胰島β細(xì)胞的內(nèi)質(zhì)網(wǎng)往往處于長(zhǎng)期超負(fù)荷狀態(tài)，從而導(dǎo)致內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激。長(zhǎng)期的內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激會(huì)影響β細(xì)胞的蛋白質(zhì)合成、分泌，損害細(xì)胞正常功能，更進(jìn)一步誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡。當(dāng)細(xì)胞凋亡過(guò)多導(dǎo)致殘存胰島β細(xì)胞無(wú)法代償胰島素抵抗?fàn)顟B(tài)下機(jī)體對(duì)胰島素的高需求時(shí)，就會(huì)發(fā)生高血糖。而高血糖所伴隨的糖毒性、脂毒性、氧化應(yīng)激、炎性反應(yīng)等病理過(guò)程又能進(jìn)一步加重胰島β細(xì)胞的功能衰退和凋亡，從而形成惡性循環(huán)，導(dǎo)致糖尿病的發(fā)生、發(fā)展。

在包括ob/ob、db/db等多種糖尿病動(dòng)物模型中均觀察到自噬水平的上調(diào)[16]。Kaniuk等[17]發(fā)現(xiàn)，自噬能夠降解Zucker大鼠由于高血糖和氧化應(yīng)激造成的泛素化蛋白堆積。在Akita小鼠模型上也觀察到，自噬流的升高有助于胰島功能的恢復(fù)。然而，一些研究卻得到了相反的結(jié)果，如Masini等[18]發(fā)現(xiàn)一些2型糖尿病患者的自噬過(guò)度激活與β細(xì)胞凋亡有密切關(guān)系。

近來(lái)也有學(xué)者嘗試以人為誘導(dǎo)自噬的方式對(duì)內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激狀態(tài)下的胰島β細(xì)胞進(jìn)行保護(hù)。Bachar-Wikstrom等[19]用雷帕霉素干預(yù)糖尿病Akita小鼠模型，結(jié)果顯示，Akita小鼠胰島β細(xì)胞的自噬溶酶體水平顯著升高，同時(shí)糖耐量、胰島素水平、β細(xì)胞的凋亡率以及內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激都明顯改善。Nair等[20]證實(shí)高爾基SNAR受體在自噬調(diào)節(jié)與胰島素分泌的過(guò)程中發(fā)揮重要作用。通過(guò)禁食等方式升高SNAR受體水平，能夠清除受損的線粒體，進(jìn)而改善由氧化應(yīng)激造成的細(xì)胞損傷。

3 展望

自噬是針對(duì)多重因素影響細(xì)胞穩(wěn)態(tài)時(shí)細(xì)胞的一種適應(yīng)性反應(yīng)。無(wú)論是基礎(chǔ)自噬還是刺激誘導(dǎo)產(chǎn)生的自噬均與胰島β細(xì)胞功能密切相關(guān)。雖然自噬的紊亂與2型糖尿病存在一定的聯(lián)系，但胰島細(xì)胞自噬水平的下降是否會(huì)在2型糖尿病個(gè)體中起關(guān)鍵的致病作用還值得進(jìn)一步探討。但可以肯定的是，通過(guò)限制能量攝入，可使肥胖者自噬活性升高，從而提高胰島素敏感性和存活力。因此，闡明自噬在胰島β細(xì)胞損傷及胰島素抵抗中的作用機(jī)制將有可能完善對(duì)2型糖尿病發(fā)病機(jī)制的認(rèn)識(shí)，為2型糖尿病的治療提供新的方向。調(diào)控胰島細(xì)胞中的自噬活性，可能會(huì)成為糖尿病治療的潛在靶點(diǎn)。

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Relationshipbetweenautophagyandisletβcellsfunction,type2diabetesmellitus

CaoMeng,WeiXiao,LiuChao.

EndocrineandDiabetesCenter,JiangsuProvinceHospitalonIntegrationofChineseandWesternMedicine,NanjingUniversityofTraditionalChineseMedicine,JiangsuBranchofChinaAcademyofChineseMedicalScience,Nanjing210028,ChinaCorrespondingauthor:LiuChao,Email:liuchao@jsatcm.com

β cell failure is crucial in the onset of type 2 diabetes mellitus. Autophagy is a cellular degradation-recycling process for aggregated proteins and damaged organelles. Inhibition of autophagy causes insulin deficiency and hyperglycemia. Autophagy deficient mice shows degenerated β-cell and impaired glucose tolerance with reduced insulin secretion. Stimulating autophagy can improve diabetes, increase pancreatic insulin content, and prevent β-cell apoptosis. These results suggest that autophagy plays an important role in maintaining internal environmental stabilization, protecting architecture and function of islet β cells. Autophagy also serves as a crucial element of stress response under insulin-resistant states. Impairment of autophagic function could thus predispose individuals to type 2 diabetes mellitus.

Autophagy;Type 2 diabetes mellitus;Islet beta cells

(IntJEndocrinolMetab，2015，35：53-55)

10.3760/cma.j.issn.1673-4157.2015.01.013

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(81270861)

210028 南京，中國(guó)中醫(yī)科學(xué)院江蘇分院，南京中醫(yī)藥大學(xué)附屬江蘇省中西醫(yī)結(jié)合醫(yī)院內(nèi)分泌代謝病院區(qū)

劉超，Email：liuchao@jsatcm.com

2014-09-09)