胰島β細胞退分化在β細胞功能衰竭中的作用*

李俊男， 于 洋， 杜紅偉, 2△

(吉林大學 1基礎醫(yī)學院藥理學系， 2白求恩第一醫(yī)院兒科， 吉林 長春 130021)

隨著生活水平的提高和飲食結構的改變，2型糖尿病患病率逐年增高，預防和治療2型糖尿病已經(jīng)成為一個亟待解決的問題[1-2]。除了胰島素抵抗之外，胰島β細胞功能衰竭亦是引起2型糖尿病發(fā)生發(fā)展的中心環(huán)節(jié)。通常認為由胰島β細胞凋亡引起的胰島細胞數(shù)量減少是引起糖尿病的重要致病機制[3]，然而近年來研究發(fā)現(xiàn)，胰島β細胞凋亡程度與胰島素下降程度不平行，因而胰島素分泌功能的研究成為熱點。引起β細胞分泌功能缺陷的作用機制目前尚不十分明確。研究表明，成熟β細胞具有一定的可塑性，在多種因素的作用下能夠退分化(de-differentitation)成其它無胰島素分泌功能的胰島細胞[4-5]。β細胞的退分化對于β細胞功能障礙的發(fā)生發(fā)展十分重要，因此本文就引起β細胞的退分化的影響因素及其作用機制進行簡要綜述。

1 β細胞退分化在2型糖尿病β細胞功能衰竭中的關鍵作用

1.12型糖尿病進程中β細胞功能的變化 2型糖尿病是以胰島β細胞功能衰竭為主要病理基礎的慢性代謝性疾病。胰島β細胞負責在葡萄糖和脂肪酸等信號分子刺激下合成并分泌胰島素。而β細胞的分化、凋亡及再生等狀態(tài)直接影響2型糖尿病的發(fā)展進程。最新研究證明，在2型糖尿病發(fā)病過程中，胰島β細胞主要發(fā)生3個階段的病理變化：(1)由于糖脂毒性和氧化應激等因素導致胰島β細胞對代謝調(diào)節(jié)的敏感性受損，胰島素促進葡萄糖攝取和利用的效率降低，從而引起胰島素代償性的分泌增多，以維持機體正常血糖[6]；(2)為避免過度代償分泌胰島素而使胰島β細胞功能受損，胰島β細胞退分化或向α細胞、δ細胞和PP細胞轉(zhuǎn)化，這樣的“休息”有利于保護胰島β細胞的功能[4]；(3)當細胞應激的環(huán)境持續(xù)得不到改善時，胰島β細胞由代償向失代償轉(zhuǎn)化，加速胰島素抵抗。這3個病理變化相互作用，導致胰島β細胞功能受損，最終表現(xiàn)為胰島β細胞衰竭，加速2型糖尿病的發(fā)病進程。

1.2β細胞退分化與β細胞功能衰竭 由于2型糖尿病胰島素抵抗持續(xù)存在，胰島β細胞的負荷逐漸加重，甚至在糖尿病前期就存在一定程度的胰島β細胞功能衰竭，且其衰竭程度隨著病程進展持續(xù)加重。過去有學者認為，胰島β細胞凋亡是β細胞功能衰竭的主要原因。而近期研究者發(fā)現(xiàn)， β細胞凋亡程度與β細胞胰島素分泌功能衰竭程度并不平行，因此β細胞退分化引起越來越多的關注。成熟β細胞也具有一定的可塑性，在多種因素的作用下能夠與其它類型的胰島細胞相互轉(zhuǎn)分化，從而引起胰島細胞類型的重構[4-5]。胰島β細胞基因表達和結構及功能蛋白的變化可使胰島β細胞的表型發(fā)生改變，使得部分分化成熟的正常胰島β細胞反向褪去成熟細胞的特征，進而喪失部分或全部胰島素分泌能力，這一現(xiàn)象被命名為“β細胞退分化”[7]。目前， β細胞退分化作為2型糖尿病新的發(fā)病機制備受關注。在2型糖尿病早期動物模型的胰島中，觀察到大量(>80%)胰島素陰性和嗜鉻粒蛋白A(內(nèi)分泌前體細胞的標志物)陽性的細胞[8]， 其表面標志物POU結構域5類轉(zhuǎn)錄因子1(POU domain， class 5， transcription factor 1， Pou5f1/Oct4)、L-myc-1 proto-oncogene protein (L-Myc-1)和Nanog顯著上調(diào)，這說明在早期2 型糖尿病病程中出現(xiàn)了胰島β細胞退分化，產(chǎn)生大量無效胰島細胞。Wang等[5]研究發(fā)現(xiàn)，高血糖是胰島β細胞退分化的驅(qū)動因素，而退分化的過程是可逆的，在給予胰島素治療解除高糖毒性后，退分化的胰島β細胞可重新分化為成熟的胰島β細胞[5]。因此，阻止β細胞退分化或誘導它們再次分化的方式可能會改善2型糖尿病患者β細胞功能，促進體內(nèi)的葡萄糖代謝平衡。

1.3β細胞退分化的影響因素及特征 β細胞通過葡萄糖刺激調(diào)節(jié)胰島素的分泌來維持機體血糖穩(wěn)態(tài)，其通常對葡萄糖濃度敏感性保持在一個非常狹窄的范圍， 約為65～150 mg/dL[7]。線粒體在胰島β細胞的胰島素合成和分泌過程中扮演著重要的角色。正常胰島β細胞具有選擇合適的底物調(diào)整線粒體代謝原料的能力，通過氧化呼吸作用產(chǎn)生ATP產(chǎn)能以供胰島素合成和分泌。在禁食期間，通過脂肪酸氧化用來維持胰島素分泌，而餐后血糖上升再由線粒體利用葡萄糖驅(qū)動ATP產(chǎn)生能量刺激離子通道開放，釋放胰島素[9]。當機體被迫處于持續(xù)性高血糖狀態(tài)時，胰島β細胞的功能及其基因表達出現(xiàn)一系列的改變，引起胰島β細胞受損，這種現(xiàn)象被稱為葡萄糖毒性[10-11]。而當β細胞處于糖毒性狀態(tài)時， β細胞失去了為線粒體選擇合適能量底物的能力，ATP敏感的離子通道突變，β細胞胰島素分泌功能受損。此時胰島素水平代償性地高于正常人群，但胰島β細胞對葡萄糖刺激已經(jīng)不敏感，胰島β細胞線粒體代謝底物主要為脂質(zhì)而非葡萄糖，線粒體過度脂質(zhì)氧化導致代謝產(chǎn)物堆積，最終導致β細胞退分化[12]。由此可知，β細胞退分化的一個顯著特點是β細胞喪失分泌胰島素的能力，胰島素分泌功能衰竭，主要表現(xiàn)為胰島素顆粒的減少和胰島β細胞的減少。在βV59M小鼠模型中，通過免疫組化觀察小鼠胰島的染色情況，發(fā)現(xiàn)糖尿病小鼠的胰島素顆粒較正常小鼠明顯減少[13]。通過3D電鏡掃描技術觀察小鼠胰島β細胞時也發(fā)現(xiàn)，糖尿病小鼠胰島β細胞中胰島顆粒較正常小鼠明顯減少[14]。近年來，有學者認為這種胰島素顆粒減少的機制可能是細胞的分泌自噬[15]。β細胞通過溶酶體降解胰島素顆粒的過程就被稱為分泌自噬，電鏡拍攝觀察βV59M小鼠胰島β細胞發(fā)現(xiàn)很多溶酶體與胰島素顆粒融合的空泡狀復合體，而利用鉀離子通道偶聯(lián)磺酰脲類藥物治療βV59M小鼠后發(fā)現(xiàn)， 該類溶酶體復合物數(shù)量明顯減少，自噬作用得到緩解[15]。因此， 胰島β細胞退分化引起的胰島素的分泌減少主要是由于細胞內(nèi)的自噬，而離子通道可能作為一個促進胰島素分泌，緩解β退分化的靶點進行治療2型糖尿病。

2 β細胞退分化的相關轉(zhuǎn)錄調(diào)控機制

2.1叉頭框蛋白O1(forkhead box protein O1，F(xiàn)oxO1)在β細胞退分化中的作用機制 大量文獻表明轉(zhuǎn)錄因子在β細胞退分化中起著重要的作用，Accili等[6]發(fā)現(xiàn)在退分化的小鼠胰島β細胞中，F(xiàn)oxO1的水平明顯缺失。FoxO蛋白是含有Fox結構域的一個亞家族，與其它亞家族不同之處在于其第2和第3個α螺旋之間有5個氨基酸的插入[16]。FoxO1蛋白在C末端DNA結構域具有核定位和核輸出序列，激酶與其它蛋白的互相作用可以調(diào)節(jié)這些核定位序列和核輸出序列的有效性，使得FoxO1于核質(zhì)之間來回穿梭。細胞營養(yǎng)良好時，F(xiàn)oxO1停留在細胞質(zhì)之中，并且處于失活狀態(tài)；當處于生理性應激如高血糖時，F(xiàn)oxO1運行到細胞核并且最終消失。2012年美國哥倫比亞大學醫(yī)學中心的Talchai等[4]發(fā)表于Cell雜志的研究表明，對小鼠β細胞進行特異性FoxO1 敲除，發(fā)現(xiàn)FoxO1缺失的β細胞表達內(nèi)分泌前體標志物，如neurogenin3 (NGN3)、轉(zhuǎn)錄因子Oct4、Nanog和L-Myc-1蛋白顯著上調(diào)，同時β細胞的標志物如轉(zhuǎn)錄因子NKX6.1、MAFA和胰島素水平則明顯降低[4]。Cinit等[17]研究進一步表明，無論是基因干預動物模型還是2型糖尿病患者，均有β細胞退分化的表現(xiàn)，并與FoxO1表達呈負相關。在FoxO1突變小鼠中還發(fā)現(xiàn)一些功能基因表達的變化，比如過氧化酶體增殖物激活受體γ(peroxisome proliferator-activated receptor gamma，PPARγ)、CCAAT/增強子結合蛋白(CCAAT/enhancer-binding proteins，C/EBP)、CD36和肉毒堿棕櫚酰基轉(zhuǎn)移酶1α-β(Carnitine palmitoyltransferase 1α-β，Cpt1α-β)，可以降低脂質(zhì)利用率，增加碳水化合物反應元件結合蛋白(carbohydrate-responsive element-binding protein，ChREBP)，促進葡萄糖氧化[18]。以上實驗結果可說明FoxO1可以從胰島β細胞的功能和能量代謝兩個方面進行保護胰島β細胞，改善其退分化的現(xiàn)象。

2.2Notch信號通路在β細胞退分化中的作用機制 β細胞分化還受Notch信號通路調(diào)控[19]。Notch通路可以調(diào)控細胞的增殖、分化、發(fā)育和凋亡，對功能細胞的發(fā)育和成熟具有重要作用。在胰腺細胞早期形成過程中， Notch通路可以抑制NGN3-NEUROD1級聯(lián)反應，從而有效地抑制內(nèi)分泌前體細胞的早期分化，而抑制Notch通路后可以激活NGN3，誘導內(nèi)分泌前體細胞向功能性細胞分化。有研究發(fā)現(xiàn)， Notch的靶基因hairy and enhancer of split-1(Hes1)的缺陷可引起胰腺發(fā)育不全，Hes1是一種轉(zhuǎn)錄抑制因子，可以抑制內(nèi)分泌前體細胞中NGN3等相關轉(zhuǎn)錄因子的表達，當Notch通路持續(xù)活化時，可以上調(diào)Hes1的轉(zhuǎn)錄從而抑制下游靶基因的轉(zhuǎn)錄和表達，進而抑制或延遲祖細胞分化，同時也可抑制相鄰細胞的分化，此時，相應祖細胞只能進行增殖，而當Hes1表達被抑制時胰島細胞增殖和退分化也明顯減少[20]。敲除Notch1基因后飲食誘導肥胖(diet-induced obese，DIO)小鼠的胰島素抵抗得到顯著改善，說明抑制Notch信號可提高DIO小鼠的糖耐量和胰島素敏感性[21]。因此，Notch信號通路可成為體外誘導胰島β細胞再分化的潛在分子靶點。

2.3轉(zhuǎn)錄因子NKX2.2和NKX6.1信號通路在β細胞退分化中的作用機制 NKX2.2和NKX6.1是胰腺內(nèi)分泌細胞分化后期的一類調(diào)控因子，在β細胞的發(fā)育和終末分化中起著重要的作用[22-23]。NKX2.2在早期胰芽中表達， 以后只在胰島α、β和PP細胞中表達，可以直接調(diào)控胰島素基因的轉(zhuǎn)錄，是β細胞分化成熟和功能發(fā)育成熟必需的基因[24]。在小鼠中特異性敲除NKX2.2后發(fā)現(xiàn)，α和PP細胞數(shù)量明顯減少，β細胞被生長素細胞取代。NKX6.1是在成熟胰島β細胞中特異性表達的轉(zhuǎn)錄因子，Sander等[25]在小鼠上敲除NKX6.1后發(fā)現(xiàn)其功能性β細胞數(shù)量明顯減少，而其它類型胰島細胞未受到明顯的影響。NKX6.1對退分化的胰島β細胞再生也起著非常重要的作用，NKX6.1可以通過抑制aristaless相關同源異型盒蛋白(aristaless-related homeobox protein，ARX)抑制α細胞而維持β細胞的功能和性質(zhì)，從而有利于胰島素轉(zhuǎn)錄活性[26]。由此可見NKX2.2和NKX6.1在退分化中都起著重要的作用。

2.4MAFA和MAFB在β細胞退分化中的作用機制 MAF家族有MAFA和MAFB，可調(diào)控胰島素的合成、分泌和糖代謝等相關基因的表達，對維持成年胰腺結構和功能穩(wěn)定發(fā)揮著重要作用。在胰島β退分化后期，轉(zhuǎn)錄因子MAFA和MAFB都發(fā)揮著重要的作用。在胰島素的轉(zhuǎn)錄起始階段，MAFB隨著胰十二指腸同源異型盒蛋白1(pancreatic and duodenal homeobox protein 1，PDX1)的表達明顯升高[27]。當MAFB缺失時，盡管胰島分泌細胞總數(shù)沒有改變，但是胰島α和β細胞數(shù)明顯減少。隨著胰島素的分泌，MAFA隨之持續(xù)性表達在胰島β細胞中。在MAFB特異性缺陷的小鼠中發(fā)現(xiàn)，胰島素的表達降低，且該胰島β細胞缺乏PDX1、NKX6.1和葡萄糖轉(zhuǎn)運體2(glucose transporter 2，GLUT2)，呈假胰島β細胞。而在MAFA特異性缺乏的胰腺中，大約有三分之一的β細胞為了彌補MAFA的空缺持續(xù)表達MAFB，然而這些小鼠中，刺激胰島素分泌的相關基因明顯降低，葡萄糖耐受能力也明顯受損[28]。因此推測，MAFA和MAFB可能是通過調(diào)控胰島素的合成和分泌來影響退分化的進程。

3 小結與展望

胰島β細胞受損是2型糖尿病發(fā)病的中心環(huán)節(jié)，改善和保護胰島β細胞功能對于治療2型糖尿病至關重要。β細胞具有退分化成前體β細胞和其它無功能胰島細胞的潛能，2型糖尿病持續(xù)的高血糖可通過促進胰島β細胞退分化產(chǎn)生無效β細胞，進而喪失部分或全部胰島素分泌能力。由于β細胞的分化與退分化過程是可逆的，因此針對β細胞的的分化調(diào)控對于胰島素分泌功能和2型糖尿病治療具有重要意義。研究發(fā)現(xiàn)，胰島β細胞的退分化受很多轉(zhuǎn)錄因子的影響，包括FoxO1、NKX2.2、NKX6.1、MAFA以及MAFB等，它們在一定程度上都能影響β細胞退分化的作用且分別在不同的模型上得以證實，下調(diào)FoxO1后可明顯改善β細胞退分化的狀態(tài)，而NKX2.2、NKX6.1及MAF家族的活性都可能作為一個有效的靶點刺激退分化的β細胞再分化，進而促進胰島素分泌用于治療2型糖尿病。這些研究都為糖尿病的治療提供了新的理論依據(jù)。

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