血管緊張素轉(zhuǎn)換酶2對胰島β細(xì)胞脫分化的影響及作用機(jī)制研究進(jìn)展

喬 晶，王 彥

2017年，國際糖尿病聯(lián)合會報告顯示，全世界有4.25億糖尿病病人，據(jù)預(yù)測，在未來28年內(nèi)，罹患糖尿病的人數(shù)仍會繼續(xù)增長，到2045年將達(dá)到6.29億人[1]。目前已證實(shí)，胰島素抵抗在糖尿病發(fā)生、發(fā)展中占據(jù)著重要地位，β細(xì)胞功能衰竭是其原因或結(jié)果尚不確定。不過，糖尿病從根本上說是一種β細(xì)胞異常的疾病，當(dāng)β細(xì)胞暴露于體內(nèi)營養(yǎng)過剩和胰島素抵抗引起的細(xì)胞應(yīng)激時，這一點(diǎn)就表現(xiàn)得很明顯[2]。近年來，越來越多的臨床和實(shí)驗(yàn)證據(jù)支持β細(xì)胞功能衰竭在2型糖尿病(T2DM)發(fā)病機(jī)制中的重要作用。除了β細(xì)胞凋亡，β細(xì)胞脫分化也是導(dǎo)致功能性β細(xì)胞數(shù)量減少及質(zhì)量下降的另一主要原因[3]。在某些條件下，成熟β細(xì)胞可能在不同程度上失去其分化的表型和細(xì)胞特性，并回歸到分化程度較低的狀態(tài)，稱之為β細(xì)胞脫分化。

人類和嚙齒動物胰腺中表達(dá)完整的腎素-血管緊張素系統(tǒng)(RAS)，在高糖高脂條件下，胰腺內(nèi)局部RAS被激活。血管緊張素Ⅱ(AngⅡ)/血管緊張素Ⅱ 1型受體(AT1R)軸激活后會誘導(dǎo)胰島細(xì)胞發(fā)生炎癥、氧化應(yīng)激、凋亡、脫分化等，加劇糖代謝紊亂。然而，RAS也能改善胰島細(xì)胞功能及血糖調(diào)節(jié)，血管緊張素轉(zhuǎn)換酶2(ACE2)/血管緊張素(1-7)[Ang(1-7)]/Mas軸的上調(diào)被認(rèn)為是改善血糖調(diào)節(jié)的重要參與者[4]。另外，ACE2還可減弱AngⅡ?qū)σ葝u的作用。了解這些機(jī)制可能有助于防止β細(xì)胞脫分化，從而恢復(fù)β細(xì)胞功能。因此，本研究就ACE2和β細(xì)胞脫分化之間的關(guān)系及機(jī)制進(jìn)行探討。

1 ACE2在胰島中的分布及表達(dá)

ACE2最早是在人類心力衰竭和淋巴瘤cDNA文庫中發(fā)現(xiàn)的，后來被證明是嚴(yán)重急性呼吸綜合征(SARS)冠狀病毒的受體[5]。ACE2是首個序列同源性為42%的血管緊張素轉(zhuǎn)換酶(ACE)同系物，與ACE不同的是，這種鋅金屬丙烯?；竷H含有一個HEXXH同源序列，從而產(chǎn)生單羧肽酶活性。雖然ACE2具有ACE的催化結(jié)構(gòu)域，但對ACE抑制劑不敏感[6]。ACE2在胰腺中主要表達(dá)于α細(xì)胞和胰島微血管內(nèi)皮中，與血糖穩(wěn)態(tài)和保護(hù)胰島功能有關(guān)[7]。其主要底物是AngⅡ，從AngⅡ中切割末端的苯丙氨酸殘基生成Ang(1-7)，從而降低AngⅡ水平，Ang(1-7)通過結(jié)合Mas受體起到對抗AngⅡ的生理作用[8]。胰腺ACE2表達(dá)降低使T2DM病人RAS過度激活與糖代謝受損之間產(chǎn)生了聯(lián)系，它對調(diào)節(jié)血糖的有益作用主要是通過Ang(1-7)/Mas信號傳導(dǎo)和AngⅡ/AT1R信號降低而介導(dǎo)的[9-10]。因此，維持胰腺正常內(nèi)源性ACE2的代償活動對改善β細(xì)胞功能至關(guān)重要。

2 β細(xì)胞脫分化在糖尿病中的發(fā)生機(jī)制

不同T2DM小鼠模型的證據(jù)證實(shí)β細(xì)胞可以通過脫分化來逃避凋亡，認(rèn)為它是逃避應(yīng)激條件下細(xì)胞死亡的一種潛在性適應(yīng)機(jī)制[11]。Weir等[12]將β細(xì)胞脫分化定義為一種可能導(dǎo)致關(guān)鍵成分丟失的表型，而這關(guān)鍵成分決定了細(xì)胞最佳性能，包括胰島素分泌。這一定義也涵蓋了β細(xì)胞中可能導(dǎo)致功能受損的許多變化，如轉(zhuǎn)錄因子表達(dá)和葡萄糖刺激胰島素分泌(GSIS)的變化?，F(xiàn)從基因表達(dá)的調(diào)控、炎癥、內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激(ERS)、氧化應(yīng)激等方面逐一闡述β細(xì)胞脫分化在糖尿病中的發(fā)生機(jī)制。

2.1 基因表達(dá)調(diào)控在β細(xì)胞脫分化中的作用 隨著對胰島素作用和β細(xì)胞衰竭的認(rèn)識深入到了重要階段，不斷有證據(jù)表明成熟β細(xì)胞內(nèi)表達(dá)一組確定譜系的轉(zhuǎn)錄因子，包括胰腺十二指腸同源盒-1(Pdx1)、配對盒轉(zhuǎn)錄因子6(Pax6)、NK6轉(zhuǎn)錄因子相關(guān)1(Nkx6.1)、Nkx2.2、叉頭轉(zhuǎn)錄因子O1(FoxO1)和肌腱膜纖維肉瘤癌基因同系物A(MafA)[13-14]。在來自人類T2DM和T2DM小鼠模型的β細(xì)胞中，某些與成熟β細(xì)胞功能相關(guān)的轉(zhuǎn)錄因子丟失，如Pdx1和MafA[15]。β細(xì)胞脫分化在基因?qū)W上涉及兩方面：β細(xì)胞富集基因(包括關(guān)鍵轉(zhuǎn)錄因子、胰島素、糖代謝基因、蛋白質(zhì)加工和分泌途徑基因)的表達(dá)下調(diào)，以及正常β細(xì)胞內(nèi)抑制或水平異常低的基因(β細(xì)胞禁忌基因)表達(dá)上調(diào)[11]。

Sun等[16]闡述了調(diào)控β細(xì)胞脫分化的調(diào)節(jié)因子及可能機(jī)制，其中提及促使β細(xì)胞脫分化的因素包括高血糖、白細(xì)胞介素-1受體(IL-1R)、FoxO1、miR-24和miR-302s簇，這些因素通過調(diào)節(jié)β細(xì)胞識別蛋白和/或內(nèi)分泌祖細(xì)胞識別蛋白的表達(dá)介導(dǎo)β細(xì)胞脫分化。Zhu等[17]用IPA(ingenuity?pathway analysis)顯示miR-24通過直接抑制肌醇依賴性激酶1(IRE1)，進(jìn)一步抑制ERS兩個關(guān)鍵分支的下游效應(yīng)，即X盒結(jié)合蛋白1(XBP1)和激活蛋白轉(zhuǎn)錄因子4(ATF4)，保護(hù)β細(xì)胞免受ERS誘導(dǎo)的細(xì)胞凋亡，但會引起β細(xì)胞的GSIS功能的損害。同時發(fā)現(xiàn)miR-24啟動了靶向MafA的途徑，從而指導(dǎo)β細(xì)胞在ERS條件下的脫分化。

研究表明FoxO1在維持β細(xì)胞功能的完整性起著重要作用[18]。Kitamura等[19]在胰島組織免疫組化中觀察到FoxO1、胰島素與β細(xì)胞共定位，F(xiàn)oxO1在β細(xì)胞中的亞細(xì)胞定位是異質(zhì)性的，有些細(xì)胞表現(xiàn)出特異性的胞漿或核免疫反應(yīng)，有些表現(xiàn)出彌漫性免疫反應(yīng)。Talchai等[20]研究證實(shí)，在正常血糖狀態(tài)下，F(xiàn)oxO1定位于β細(xì)胞的胞漿，而在T2DM模型中，F(xiàn)oxO1會經(jīng)歷核移位，即觀察到FoxO1定位于細(xì)胞核。隨著高血糖惡化，β細(xì)胞核內(nèi)FoxO1表達(dá)降低，同時作為胰島祖細(xì)胞標(biāo)記的Ngn3、Oct4、Nanog、L-Myc等表達(dá)被重新激活，β細(xì)胞轉(zhuǎn)錄因子無法阻止胰島素生成的下降，并出現(xiàn)很大比例的β細(xì)胞缺失。丟失的β細(xì)胞大多數(shù)恢復(fù)到內(nèi)分泌祖細(xì)胞階段，另一部分β細(xì)胞則轉(zhuǎn)化成其他胰島細(xì)胞類型。

2.2 炎癥及ERS在β細(xì)胞脫分化中的作用 在糖尿病發(fā)病過程中，β細(xì)胞需要產(chǎn)生大量胰島素來應(yīng)對高血糖，導(dǎo)致未折疊的胰島素在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)腔中積累，引起ERS，為了減輕ERS，細(xì)胞開始啟動未折疊蛋白反應(yīng)(UPR)[21]。UPR可加強(qiáng)核轉(zhuǎn)錄因子-κB(NF-κB)的激活，而NF-κB是炎癥的關(guān)鍵調(diào)節(jié)因子。另外，UPR的兩個分支即IRE1/XBP1通路和PERK/ATF4/CHOP通路，均能介導(dǎo)β細(xì)胞對細(xì)胞因子促炎作用的敏感性[22]。Lombardi等[23]在INS-1E細(xì)胞和小鼠胰島β細(xì)胞中分析ERS誘導(dǎo)的信號傳導(dǎo)途徑，發(fā)現(xiàn)糖毒性引起的ERS通過轉(zhuǎn)錄反應(yīng)使β細(xì)胞在未凋亡的情況下脫分化，這些作用可能是通過激活細(xì)胞外信號調(diào)節(jié)激酶(ERK1/2)來實(shí)現(xiàn)的。研究表明，炎性因子會導(dǎo)致胰島β細(xì)胞身份喪失，觸發(fā)β細(xì)胞脫分化，從而引起β細(xì)胞功能障礙。Nordmann等[24]在高脂飲食聯(lián)合鏈脲霉素誘導(dǎo)的糖尿病模型(DIO/STZ)小鼠離體胰島中觀察到白細(xì)胞介素-1β(IL-1β)、白細(xì)胞介素-6(IL-6)和腫瘤壞死因子-α(TNF-α)促進(jìn)胰島β細(xì)胞的脫分化，其中IL-1β是作用最強(qiáng)的，特別是維持β細(xì)胞身份的轉(zhuǎn)錄因子FoxO1在暴露于IL-1β后其表達(dá)被下調(diào)。抗IL-1β、抗TNF-α或NF-κB抑制劑水楊酸鈉治療后可改善離體胰島的胰島素分泌功能。然而，抗IL-1β作用未能有效阻止β細(xì)胞脫分化，只有抗TNF-α作用能部分恢復(fù)β細(xì)胞同一性基因的表達(dá)。Ibarra Urizar等[25]研究證實(shí)β細(xì)胞長期暴露在低濃度IL-1β中會誘導(dǎo)β細(xì)胞脫分化，并使得β細(xì)胞的GSIS功能受損，包括MafA和Ucn3在內(nèi)的β細(xì)胞關(guān)鍵基因表達(dá)減少，H3K27ac基因位點(diǎn)降低，這表明炎性因子會引起表觀遺傳改變。而去除IL-1β后，β細(xì)胞功能恢復(fù)正常，胰島素、Ucn3等β細(xì)胞同一性基因的表達(dá)恢復(fù)到刺激前水平。

2.3 氧化應(yīng)激在β細(xì)胞脫分化中的作用 β細(xì)胞具有很高的代謝活性，當(dāng)長期置于高糖高脂環(huán)境下會引起氧化應(yīng)激，但它們的抗氧化酶含量低，因此，β細(xì)胞易受活性氧簇(ROS)的影響，可能導(dǎo)致β細(xì)胞脫分化及功能受損。胞內(nèi)ROS/活性氮簇(RNS)表達(dá)過量時，通過硝基化、羰基化、過氧化和亞硝基化等化學(xué)修飾對DNA、蛋白質(zhì)和脂質(zhì)產(chǎn)生損傷[21]，這些分子改變會影響酶活性、離子通道轉(zhuǎn)運(yùn)或受體信號轉(zhuǎn)導(dǎo)，從而導(dǎo)致相關(guān)基因表達(dá)失調(diào)并誘導(dǎo)β細(xì)胞分化表型改變。ROS/RNS可調(diào)節(jié)重要的細(xì)胞信號通路，如磷脂酰肌醇3-激酶(PI3K)/蛋白質(zhì)絲氨酸蘇氨酸激酶(Akt)、絲裂原活化蛋白激酶(MAPK)、C-Jun氨基酸末端激酶(JNK)和NF-κB等，這些通路控制著細(xì)胞增殖、炎癥和細(xì)胞存活。例如，Pdx和MafA作為β細(xì)胞分化的主要調(diào)節(jié)因子，對氧化還原是敏感的。Guo等[15]模擬ROS應(yīng)激，將β細(xì)胞暴露于H2O2條件下，結(jié)果表明氧化應(yīng)激可抑制β細(xì)胞Pdx1、Nkx6.1和MafA的表達(dá)活性。ROS介導(dǎo)的JNK信號通過Pdx-1的核質(zhì)易位導(dǎo)致胰島素分泌減少[26]，Pdx-1是一種與胰島素啟動子結(jié)合并誘導(dǎo)胰島素表達(dá)的關(guān)鍵轉(zhuǎn)錄因子。高血糖引起的內(nèi)源性抗氧化水平不足以有效保護(hù)β細(xì)胞分化的表型，可能在β細(xì)胞脫分化中發(fā)揮著作用。Harmon等[27]將高表達(dá)內(nèi)源性谷胱甘肽過氧化物酶-1(Gpx-1)轉(zhuǎn)基因?qū)雂b/db小鼠β細(xì)胞中，發(fā)現(xiàn)Gpx-1的過表達(dá)可防止在非轉(zhuǎn)基因db/db小鼠中觀察到的MafA丟失，并在db/db小鼠模式下逆轉(zhuǎn)糖尿病。

3 ACE2對β細(xì)胞脫分化的作用及機(jī)制

胰腺內(nèi)存在兩種RAS通路，即經(jīng)典的ACE/AngⅡ/AT1R軸和代償性負(fù)調(diào)控的ACE2/Ang(1-7)/Mas軸，它們之間的不平衡被認(rèn)為是胰島β細(xì)胞功能障礙的原因之一。

3.1 ACE2抑制AngⅡ-AT1R軸的促使β細(xì)胞脫分化作用 在RAS中起核心作用的是AngⅡ，AngⅡ也是促炎因子，由于它與炎癥、氧化應(yīng)激和線粒體功能障礙有關(guān)，這可能是RAS與糖尿病密切相關(guān)的原因[28]。Sauter等[29]研究發(fā)現(xiàn)人和小鼠胰島長期暴露于AngⅡ中可誘導(dǎo)IL-6和單核細(xì)胞趨化蛋白1(MCP-1)的表達(dá)，這種作用似乎是通過IL-1β/NF-κB通路的促炎反應(yīng)介導(dǎo)的，進(jìn)而損害線粒體功能，促進(jìn)β細(xì)胞凋亡，β細(xì)胞數(shù)量減少從而胰島素分泌隨之降低。Chan等[30]利用分離的小鼠胰島和克隆性β細(xì)胞進(jìn)一步研究AngⅡ?qū)е娄录?xì)胞功能障礙的作用機(jī)制，發(fā)現(xiàn)AngⅡ可觸發(fā)ERS，通過ROS和激活I(lǐng)P3受體進(jìn)而增加促炎因子mRNA表達(dá)，最終引起小鼠胰島β細(xì)胞功能障礙。至于有沒有影響β細(xì)胞脫分化尚未深入探討。不過，最近有新研究表明RAS激活可導(dǎo)致β細(xì)胞脫分化及胰島素分泌功能受損。Chen等[31]首次證實(shí)AngⅡ結(jié)合AT1R后通過NF-κB信號途徑誘導(dǎo)β細(xì)胞脫分化，同時發(fā)現(xiàn)FoxO1在AngⅡ的作用下，從細(xì)胞質(zhì)轉(zhuǎn)移到細(xì)胞核，這與之前報道的FoxO1在β細(xì)胞應(yīng)對氧化應(yīng)激時核質(zhì)易位是一致的。并且采用厄貝沙坦阻斷RAS或sc-514阻斷NF-κB信號途徑，觀察到Ngn3陽性區(qū)域減少20%，有效地逆轉(zhuǎn)了β細(xì)胞的脫分化狀態(tài)而促進(jìn)糖代謝，并且不影響β細(xì)胞數(shù)量。

3.2 ACE2/Ang(1-7)/Mas通路在β細(xì)胞脫分化中介導(dǎo)的效應(yīng) ACE2/Ang(1-7)/Mas軸作為一種保護(hù)性RAS通路可以減弱AngⅡ結(jié)合AT1R后產(chǎn)生的損害效應(yīng)。研究表明ACE2蛋白和mRNA的表達(dá)水平在年輕的糖尿病肥胖大鼠和幼齡db/db小鼠中有所提高[32-33]，這些變化可能是一種適應(yīng)性補(bǔ)償，以對抗ACE和AngⅡ水平增加引起的炎癥、氧化應(yīng)激、內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激等影響。Lu等[10]觀察到ACE2基因敲除小鼠胰島TUNEL陽性面積及IL-1β和誘導(dǎo)型一氧化氮合酶(iNOS)表達(dá)水平明顯高于野生型小鼠，Ang(1-7)能提高Akt/內(nèi)皮型NOS(eNOS)/NO通路的活性，保護(hù)MIN6細(xì)胞免受棕櫚酸鹽誘導(dǎo)的細(xì)胞凋亡。這提示ACE 2/Ang(1-7)/Mas軸通過改善胰島微血管內(nèi)皮細(xì)胞功能，在維持β細(xì)胞存活和功能方面起一定作用。在很多小鼠模型(db/db小鼠、FoxO1-KO小鼠和KATP-GOF小鼠)和人類T2DM中觀察到，盡管β細(xì)胞分化表型發(fā)生明顯改變，細(xì)胞質(zhì)量降低，但β細(xì)胞凋亡率仍相對較低。最近，有研究進(jìn)一步證實(shí)了ACE2/Ang(1-7)/Mas軸對β細(xì)胞分化表型的影響，在高脂膳食誘導(dǎo)下，ACE2基因敲除小鼠胰島內(nèi)的脫分化β細(xì)胞百分率高于野生型，而Ang(1-7)可減輕小鼠β細(xì)胞的脫分化狀態(tài)，并且改善小鼠胰島微循環(huán)，降低胰島iNOS的生成[34]。推測ACE2/Ang(1-7)/Mas軸通過改善β細(xì)胞脫分化而發(fā)揮保護(hù)細(xì)胞功能作用，這種作用可能是通過改善胰島微循環(huán)和抑制胰島iNOS的表達(dá)來介導(dǎo)的。

4 問題與展望

ACE2作為RAS的其中一員參與并影響胰腺β細(xì)胞脫分化，這在糖尿病發(fā)病過程中起著重要作用。現(xiàn)有的研究已突顯出脫分化在β細(xì)胞功能障礙中扮演的新角色，β細(xì)胞脫分化可能是一種以改變細(xì)胞身份和功能為代價，避免慢性高血糖下β細(xì)胞發(fā)生凋亡的適應(yīng)性機(jī)制[11]。但ACE2與β細(xì)胞脫分化的關(guān)系尚有很多不確定性，關(guān)于這兩者之間的聯(lián)系仍有待廣泛地深入探索，尤其是胰腺ACE2/Ang(1-7)/Mas通路在β細(xì)胞脫分化中的作用機(jī)制需深入研究，揭示這些相關(guān)機(jī)制將有望為預(yù)防及治療糖尿病提供新的靶點(diǎn)。