自噬對胰島β細胞凋亡的影響及其機制研究進展

付海超綜述 冷錦紅審校

最新流行病學(xué)調(diào)查顯示，2013年我國糖尿病患病率約為10.4%，且呈逐年顯著上升趨勢[1]。胰島β細胞凋亡在糖尿病的發(fā)生發(fā)展過程中發(fā)揮主要作用，因此，抑制胰島β細胞過度凋亡對糖尿病的治療有關(guān)鍵意義。自噬作為真核細胞特有的一種維穩(wěn)機制，對胰島β細胞凋亡有重要調(diào)節(jié)作用。隨著近年來對自噬研究的不斷深入，胰島β細胞自噬功能的缺失已被證實與糖尿病的發(fā)病有關(guān)，但其作用機制尚不明確。本文就自噬對胰島β細胞凋亡的影響及其機制做一綜述。

1 胰島β細胞凋亡

胰島β細胞是胰島素合成、加工和分泌的重要場所，若胰島β細胞受損或凋亡，將影響胰島素的分泌。1型糖尿病患者胰島β細胞數(shù)量不足正常人的10%，胰島素分泌絕對不足；2型糖尿病發(fā)展到中后期，胰島β細胞亦減少,故β細胞的損傷、凋亡是糖尿病發(fā)生發(fā)展的重要因素。細胞凋亡是細胞死亡的一種形式，目前研究表明，胰島細胞凋亡與自身免疫損傷、高糖高脂毒性、內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激、自噬機制失衡等原因有關(guān)[2-3]。

2 細胞自噬的作用機制

2.1 細胞自噬 自噬是真核細胞獨有的一種通過自噬—溶酶體介導(dǎo)、以細胞質(zhì)空泡自噬化為特征的物質(zhì)降解途徑，以巨自噬研究最為廣泛，分為選擇性自噬和非選擇性自噬。非選擇性自噬是一種自體吞噬的整體降解型。選擇性自噬由降解的特定靶標(biāo)決定，如脂質(zhì)滴自噬、線粒體自噬降解等。研究發(fā)現(xiàn)[4]，當(dāng)機體遭遇饑餓等壓力刺激，常觸發(fā)細胞自噬應(yīng)答，甚至引起細胞凋亡。

2.2 自噬的分子機制 自噬過程涉及許多基因、通路、蛋白相互合作，大致可分為3個階段：起始—成核、膨脹—完成和降解—恢復(fù)。在起始—成核階段，類UNC51激酶1(ULK1)復(fù)合物與調(diào)控凋亡相關(guān)蛋白Bcl-2的肌球蛋白樣螺旋蛋白(Beclin 1)起中心作用，在饑餓條件下，雷帕霉素靶蛋白復(fù)合物1(mTORC1)被剝奪或雷帕霉素分解，釋放的蛋白激酶1(Atg1)同源物(ULK1)磷酸化Atg家族的mAtg13啟動自噬。ULK1同時磷酸化Beclin 1，Beclin 1與Ⅲ型磷脂酰肌醇激酶(Vps34、Vps15)和Atg14L形成復(fù)合物，Vps34、aⅢ類磷脂酰肌醇3-激酶(PI3K)產(chǎn)生磷脂酰肌醇3-磷酸(PI3P),進而募集FYV成員蛋白質(zhì)(DFCP1和WIPI2)和Atg蛋白，開始形成隔離膜實現(xiàn)成核過程。在自噬體的膨脹—完成路徑中，Atg蛋白起關(guān)鍵作用，Atg7、Atg10和Atg3起著類似泛素活化酶E1、E2的酶作用，Atg12-Atg5-Atg16L1是一種E3樣酶復(fù)合物，Atg8通過Atg7作用與Atg3結(jié)合，然后Atg8與脂質(zhì)結(jié)合靶、膜中的磷脂酰乙醇胺(PE)，形成自噬標(biāo)志物L(fēng)C3-Ⅱ[5]。LC3-Ⅱ定位在內(nèi)、外自噬體膜的側(cè)面，被釋放到胞漿中，自噬體形成后與溶酶體融合，形成自噬溶酶體，其降解后的蛋白質(zhì)和氨基酸等產(chǎn)物被循環(huán)利用，完成自噬過程的整個周期。

3 自噬在胰島β細胞中的作用

胰島β細胞凋亡與自身免疫損傷、高糖高脂毒性、內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激、自噬機制破壞或過度等諸多原因有關(guān)[2-3]，說明胰島β細胞死亡的2種形式，即凋亡和自噬失衡可誘導(dǎo)細胞死亡。凋亡又名Ⅰ型程序性細胞死亡，自噬失衡誘導(dǎo)的細胞死亡又稱為Ⅱ型程序性死亡。這體現(xiàn)了自噬對胰島β細胞的重要作用：一方面，自噬有維持胞內(nèi)環(huán)境穩(wěn)定和細胞功能正常的作用。自噬對于胰島β細胞的影響明顯大于胰島α細胞，自噬關(guān)鍵底物Atg7缺乏不影響胰島α細胞的代謝譜[6]。另一方面，廣泛過度的自噬或不適當(dāng)?shù)淖允汕宄蓪?dǎo)致細胞死亡。自噬對胰島β細胞具有雙重作用。

3.1 適度自噬可減少胰島β細胞凋亡 自噬在維持各種細胞的正常功能中起重要作用，包括產(chǎn)生胰島素的胰島β細胞。自噬的應(yīng)激能力尤為突出，當(dāng)細胞受到營養(yǎng)缺乏和病毒感染等刺激時，自噬作為細胞的一種防御機制，參與降解、回收再利用胞漿內(nèi)的蛋白質(zhì)、受損的細胞器和病原體等物質(zhì)成分，以維持細胞內(nèi)環(huán)境和組織的穩(wěn)定。有研究顯示，自噬關(guān)鍵基因Atg缺陷和關(guān)鍵底物Atg7的耗竭可導(dǎo)致小鼠胰島β細胞質(zhì)量降低、糖耐量受損、胰島素分泌缺陷[7]。因缺乏自噬的胰島β細胞表現(xiàn)出線粒體和內(nèi)質(zhì)網(wǎng)的形態(tài)和功能異常，加劇胰島β細胞的死亡[8]。胰島β細胞自噬可調(diào)節(jié)腸促胰素誘導(dǎo)的胰高血糖素在α細胞中的表達和釋放,進而降低血糖[9]。所以自噬是胰島β細胞內(nèi)穩(wěn)態(tài)的主要調(diào)控方式。

3.1.1 自噬與炎性因子介導(dǎo)的胰島β細胞凋亡：1型糖尿病是一種以T淋巴細胞和自身免疫抗體介導(dǎo)的胰島β細胞選擇性破壞，導(dǎo)致胰島素絕對缺乏為特征的自身免疫性疾病。自噬可調(diào)節(jié)T細胞和胰島β細胞相關(guān)的免疫耐受。Fas是一種富含半胱氨酸的胞外結(jié)構(gòu)域的Ⅱ型跨膜蛋白，與其Fas-L配體(CD8+T淋巴細胞和NK細胞的主要效應(yīng)分子之一)相互作用，激活T淋巴細胞，并在胰腺中浸潤，釋放如腫瘤壞死因子α(TNF-α)、白介素(IL)-1β和干擾素(IFN)-γ等促炎細胞因子。進而與胰島β細胞上的膜受體結(jié)合，溶酶體的活性受損，阻斷了自噬發(fā)生，從而誘導(dǎo)、加劇了胰島β細胞凋亡發(fā)生[10]。研究發(fā)現(xiàn)[11]，隨著自噬抑制劑3-甲基腺嘌呤或減少炎性反應(yīng)的SIRT6基因敲除，羥基酪醇(HT)對軟骨細胞炎性反應(yīng)的抑制作用也降低，說明HT通過SIRT6介導(dǎo)的自噬抑制軟骨細胞的炎性反應(yīng)。所以保證胰島β細胞自噬作用，可抑制炎性細胞反應(yīng)，在減少胰島β細胞凋亡中有重要意義。

3.1.2 自噬與氧化應(yīng)激介導(dǎo)的胰島β細胞凋亡：完整適度的自噬可降解具有吞噬功能障礙的線粒體來抗氧化應(yīng)激。若胰島β細胞應(yīng)激過度，參與胰島β細胞凋亡的線粒體通路被激活，其中Bcl-2家族的Bcl-2、Bcl-x和MCL-1能夠抑制胰島β細胞凋亡；Bax和Bak可促進胰島β細胞凋亡；Bad和Bix在內(nèi)的BH3蛋白通過抑制細胞應(yīng)激傳感器的抗凋亡蛋白而誘導(dǎo)胰島β細胞凋亡[12]。IL-1β和IFN-γ可通過內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激依賴5-單磷酸腺苷激活的蛋白激酶活化來刺激自噬的早期階段，但因溶酶體功能受損，胰島β細胞自噬通量不足，加劇了胰島β細胞凋亡[10]。研究顯示[13]，胰十二指腸同源異形盒基因(PDX)-1可減少線粒體的自噬體與溶酶體融合阻滯，保證胰島β細胞存活。適度激活氧化應(yīng)激會刺激PINK1-PARKIN通路泛素化線粒體外膜中的多種蛋白質(zhì)，蛋白酶體和自噬體募集以降解線粒體，使線粒體膜電位降低[14-15]。自噬和抗氧化應(yīng)激反應(yīng)參與了同一種反饋回路，在回路中它們相互增強?？傊@突顯了自噬對于抗氧化應(yīng)激、減少內(nèi)源性胰島β細胞凋亡的重要作用。

3.1.3 自噬與內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激介導(dǎo)的胰島β細胞凋亡：自噬可減少內(nèi)質(zhì)網(wǎng)(ER)應(yīng)激介導(dǎo)的胰島細胞凋亡。內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激源于未折疊和錯誤折疊的蛋白質(zhì)積累，缺氧、高糖、游離脂肪酸(FFA)等都可引起胰島β細胞的內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激。因胰島β細胞易受內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激的影響，若應(yīng)激條件不足，內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激就會啟動而介導(dǎo)胰島β細胞凋亡。在人體中，內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激可能導(dǎo)致人類胰島淀粉樣蛋白多肽(hIAPP)低聚物發(fā)展，自噬不全可導(dǎo)致hIAPP寡聚體的積累，這些聚集體與胰島β細胞死亡和2型糖尿病的發(fā)展有關(guān)。

Kong等[16]發(fā)現(xiàn)內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激與胰島β細胞關(guān)系密切，阻止自噬會增加ER應(yīng)激。研究指出[17]，胰島β細胞IAPP的含量受依賴P62溶酶體降解的自噬調(diào)節(jié)，保障胰島β細胞自噬正常對于改善IAPP的細胞毒性作用十分重要。同時也有研究提出[18]，自噬可通過延遲凋亡和適應(yīng)性反應(yīng)減輕ER應(yīng)激和DNA損傷來保障胰島β細胞存活。自噬活躍的小鼠在靶向胰島素誘導(dǎo)的Akt磷酸化和ER應(yīng)激組織中具有改善胰島素敏感性的功能[19]。Cheng等[20]發(fā)現(xiàn)糖脂毒性誘導(dǎo)的成纖維細胞生長因子(FGF21)通過激活A(yù)MPK通路，抑制mTOR調(diào)節(jié)因子而介導(dǎo)胰島β細胞自噬，提高高糖高脂飲食(HFD)小鼠胰島β細胞的數(shù)量和功能。胰高血糖素樣肽(GLP-1)也可調(diào)節(jié)AMPK通路增強大鼠胰島β細胞自噬作用，從而在高糖條件下對胰島β細胞起到抗凋亡的保護作用[21]。

3.2 過度自噬加劇胰島β細胞凋亡 與自噬能保護胰島β細胞存活作用相反，若胰島β細胞自噬過程被過度激活時，細胞內(nèi)的相關(guān)蛋白和細胞器則會被過度降解，從而誘導(dǎo)β細胞的死亡，這提示可能發(fā)生自噬性細胞死亡，即Ⅱ型程序性死亡。

Yamamoto等[19]發(fā)現(xiàn)，敲除Becn1小鼠表現(xiàn)出持續(xù)主動自噬，與自噬正常小鼠相比，自噬亢進小鼠在高脂飲食下表現(xiàn)出糖耐量受損，短期抑制F121A小鼠的自噬可通過減少胰島β細胞的自噬性凋亡來恢復(fù)胰島素的分泌。亦有研究結(jié)果顯示[22]，芪藶強心可能通過抑制過多的細胞自噬，激活A(yù)kt/mTOR通路，從而減輕自噬過多介導(dǎo)的細胞死亡來保護ISO誘導(dǎo)的心肌損傷。Liao等[23]發(fā)現(xiàn)通過上調(diào)小分子化合物Z36可形成過多的自噬體，致內(nèi)質(zhì)網(wǎng)吞噬加速并破壞內(nèi)質(zhì)網(wǎng)的穩(wěn)態(tài)，觸發(fā)內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激和未折疊蛋白反應(yīng)，以及內(nèi)質(zhì)網(wǎng)吞噬依賴性細胞死亡。自噬也是他克莫司(Tac)誘導(dǎo)胰島β細胞損傷的原因，Tac治療增強了胰島β細胞自噬體的形成以適應(yīng)應(yīng)激和溶酶體功能障礙，由于溶酶體功能障礙，使自噬清除受損，自噬體不能有效降解。因此，過多的自噬體形成加劇了胰島β細胞凋亡。

4 小 結(jié)

綜上所述，自噬對胰島β細胞的存活與凋亡具有十分重要的作用。維持細胞穩(wěn)定的自噬通量能夠促進蛋白和受損細胞器的更新，保證胰島細胞內(nèi)部環(huán)境的動態(tài)平衡，實現(xiàn)對胰島的保護作用，進而延緩糖尿病的發(fā)展。但持續(xù)過度自噬也可加劇胰島β細胞凋亡，這體現(xiàn)自噬對胰島β細胞的保護作用取決于細胞內(nèi)外環(huán)境。隨著對自噬研究的日益深入，保證胰島β細胞自噬并找到調(diào)節(jié)細胞自噬的平衡點或可成為糖尿病早期預(yù)防和治療的新方向。