Bmal1 對(duì)胰島β 細(xì)胞作用的研究進(jìn)展

葉綠，許偉紅，吳華香

(浙江大學(xué)醫(yī)學(xué)院附屬第二醫(yī)院風(fēng)濕免疫科，浙江 杭州)

0 引言

2 型糖尿病是影響人類健康的主要慢性疾病之一，隨著人口老齡化和現(xiàn)代社會(huì)生活方式的改變，發(fā)病率逐年升高，但其病因尚不明確，目前多數(shù)學(xué)者認(rèn)為糖尿病的發(fā)病過程與多種遺傳因素和環(huán)境因素密切相關(guān)[1]。胰島β 細(xì)胞功能損傷是2 型糖尿病發(fā)生發(fā)展的關(guān)鍵因素[2]，因此，進(jìn)一步明確β 細(xì)胞損傷的分子機(jī)制，保護(hù)和恢復(fù)β 細(xì)胞功能對(duì)預(yù)防和治療2 型糖尿病有重要意義。多項(xiàng)研究表明，生活方式的改變包括晝夜輪班工作、夜間進(jìn)食等引起的晝夜節(jié)律紊亂與代謝綜合征、心血管疾病、肥胖和糖尿病密切相關(guān)[3]。Elaine 等人發(fā)現(xiàn)胰腺生物鐘功能異?？蓪?dǎo)致β 細(xì)胞功能障礙[4]，提示時(shí)鐘系統(tǒng)在糖尿病發(fā)病中的重要作用。芳香烴受體核轉(zhuǎn)位蛋白樣1 基因(brain and muscle Arnt-like protein-1，Bmal1)是核心生物鐘基因之一，調(diào)節(jié)其他生物鐘基因以及大量與代謝密切相關(guān)的鐘控基因，并在胰島β 細(xì)胞功能的調(diào)節(jié)中起重要作用[5,6]。因此，本文對(duì)Bmal1 與β 細(xì)胞功能的研究進(jìn)展進(jìn)行綜述，為2 型糖尿病的預(yù)防和治療提供新思路。

1 生物鐘基因概述

時(shí)鐘系統(tǒng)普遍存在于哺乳動(dòng)物中，參與調(diào)控機(jī)體的行為和生理過程，如脂代謝、糖代謝、體溫、睡眠/ 覺醒周期和激素分泌[5]。中樞生物鐘是生物節(jié)律的起搏器，位于下丘腦視交叉上核，通過神經(jīng)和激素信號(hào)調(diào)控外周組織生物鐘。時(shí)鐘系統(tǒng)由一系列生物鐘基因構(gòu)成的反饋環(huán)路調(diào)節(jié)，包括起正反饋?zhàn)饔玫暮诵某蓡TBmal1 和時(shí)鐘基因以及負(fù)反饋基因周期基因1、周期基因2、周期基因3、隱色素基因1 和隱色素基因2[6]。時(shí)鐘系統(tǒng)控制生物體內(nèi)多種能量代謝和行為的節(jié)律。人體幾乎所有的生命活動(dòng)均表現(xiàn)出明顯的周期性節(jié)律變化，是生命現(xiàn)象的基本特征之一，如血壓、心率、體溫、糖代謝。研究表明，血糖、胰高血糖素和胰島素分泌具有晝夜節(jié)律性[7]，有助于維持葡萄糖穩(wěn)態(tài)。近年來，由于生活方式的改變，包括夜間進(jìn)食、睡眠剝奪等導(dǎo)致的晝夜節(jié)律紊亂，引起2 型糖尿病發(fā)病風(fēng)險(xiǎn)明顯增加[8]。生物鐘基因突變或被敲除會(huì)引起晝夜節(jié)律紊亂，導(dǎo)致代謝綜合征、肥胖和2 型糖尿病[9]。多項(xiàng)研究表明，Bmal1基因功能異常與糖尿病發(fā)病密切相關(guān)，其可能的機(jī)制包括β 細(xì)胞胰島素分泌下降以及節(jié)律異常，β 細(xì)胞增殖下降、數(shù)量減少和氧化應(yīng)激水平增加、抗氧化能力下降，引起β 細(xì)胞損傷，最終導(dǎo)致2 型糖尿病[10-13]。

2 Bmal1 與胰島素分泌

動(dòng)物實(shí)驗(yàn)證實(shí)晝夜節(jié)律調(diào)節(jié)葡萄糖的動(dòng)態(tài)平衡，生物鐘基因功能異?？赡軐?dǎo)致糖尿病前期狀態(tài)或顯性糖尿病[14]。Bmal1 缺陷的小鼠出現(xiàn)脂代謝和糖代謝紊亂[15]。Pappa 等人研究發(fā)現(xiàn)，希臘人群中Bmal1 基因多態(tài)性與妊娠期糖尿病和2 型糖尿病有關(guān)[16]。這些數(shù)據(jù)提示生物鐘基因Bmal1 參與糖尿病的發(fā)病。多項(xiàng)研究顯示生物鐘基因在調(diào)節(jié)葡萄糖穩(wěn)態(tài)和胰島素分泌中發(fā)揮重要作用。例如，多數(shù)2 型糖尿病患者在早期階段出現(xiàn)胰島素分泌節(jié)律異常[17]。Bmal1 基因突變的小鼠以及Bmal1 基因胰腺特異性敲除的小鼠均表現(xiàn)出高血糖和低胰島素血癥[10]。此外，研究證實(shí)胰島β 細(xì)胞Bmal1 缺陷的小鼠出現(xiàn)葡萄糖刺激的胰島素分泌受損[13]。Marcheva 等人研究發(fā)現(xiàn)，Bmal1 缺陷損害胰島素囊泡運(yùn)輸和胞吐作用，繼而引起胰島素分泌減少[10]。

3 Bmal1 與胰島β 細(xì)胞增殖

嚙齒動(dòng)物和人類的研究表明，隨著肥胖程度增加，胰島素抵抗加重，β 細(xì)胞量代償性增加以分泌胰島素，維持血糖在正常范圍。 當(dāng)β 細(xì)胞數(shù)量無法再增加滿足代償需求時(shí)，血糖開始升高，逐漸進(jìn)展為2 型糖尿病[18]。Rakshit 等人的研究發(fā)現(xiàn)胰島β 細(xì)胞Bmal1 缺陷的小鼠β 細(xì)胞增殖、存活率和再生能力明顯降低，β 細(xì)胞數(shù)量減少，出現(xiàn)高血糖，糖耐量降低，葡萄糖刺激的胰島素分泌受損[11]。有研究表明，核心生物鐘基因Clock、Bmal1 可通過調(diào)控細(xì)胞周期檢查點(diǎn)蛋白的轉(zhuǎn)錄直接控制細(xì)胞分裂[19,20]。Rakshit 等人發(fā)現(xiàn)調(diào)節(jié)胰島β 細(xì)胞周期進(jìn)程基因的mRNA 表達(dá)具有晝夜節(jié)律性。β 細(xì)胞Bmal1 基因缺陷導(dǎo)致細(xì)胞周期正向調(diào)節(jié)因子表達(dá)下降(如Bcl2，Brca1，Ccnb2，Cdk6，Cdc-20)和細(xì)胞周期負(fù)向調(diào)節(jié)因子增加(如Wee1，Cdkn2b，Rbl2，Hus1，Gadd45a)，造成細(xì)胞增殖下降[11]。

4 Bmal1 與胰島β 細(xì)胞氧化應(yīng)激

氧化應(yīng)激是2 型糖尿病的主要發(fā)病機(jī)制。氧化應(yīng)激通過阻斷胰島素信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路，干擾胰島素的生理作用，從而引起胰島素抵抗；此外，胰島β 細(xì)胞內(nèi)抗氧化酶含量較低，在氧化應(yīng)激增強(qiáng)時(shí)，活性氧(reactive oxygen species，ROS)明顯增加，超出細(xì)胞清除氧化物的能力，可直接損傷β 細(xì)胞，促進(jìn)細(xì)胞凋亡[21,22]。Lee 等的研究顯示，Bmal1 基因缺陷小鼠的β 細(xì)胞出現(xiàn)ROS 增加、線粒體解偶聯(lián)、線粒體功能減弱、ATP 生成減少，小鼠表現(xiàn)出葡萄糖刺激的胰島素分泌下降和糖尿病[12,13]。同樣的，Song 等研究發(fā)現(xiàn)，Bmal1敲除后可引起心臟和肝臟組織內(nèi)ROS 水平明顯升高[23]。Lee等還發(fā)現(xiàn)Bmal1 基因缺陷使胰島β 細(xì)胞抗氧化基因包括Nrf2、Sesn2、Prdx3、Gclc 和Gclm 表達(dá)明顯下降，細(xì)胞抗氧化能力下降，對(duì)氧化應(yīng)激損傷更敏感[13]。

綜上所述，生物鐘基因Bmal1 基因缺陷與胰島β 細(xì)胞損傷密切相關(guān)，其主要通過影響胰島β 細(xì)胞胰島素分泌、β 細(xì)胞數(shù)量和氧化應(yīng)激狀態(tài)，引起β 細(xì)胞損傷。因此，研究Bmal1 基因?qū)Ζ?細(xì)胞的作用可能為2 型糖尿病的治療提供新靶點(diǎn)及理論依據(jù)。