熱休克蛋白對2型糖尿病發(fā)病的作用機制研究進(jìn)展

張秀琴 綜述 李敬華 審校

熱休克蛋白，又稱熱應(yīng)激蛋白，是機體在環(huán)境高溫及其他應(yīng)激狀態(tài)下誘導(dǎo)合成的一組分子伴侶蛋白，具有協(xié)助細(xì)胞內(nèi)蛋白質(zhì)正確折疊、轉(zhuǎn)運、組裝的作用，保護(hù)細(xì)胞免受應(yīng)激損傷及促進(jìn)損傷修復(fù)，對維持細(xì)胞正常功能具有重要作用。按照分子量大小分為HSP110、HSP90、HSP70、HSP60、HSP40、sHSP 6個家族。除分子伴侶作用外，HSP還具有調(diào)節(jié)免疫、抗氧化、抗炎等作用。越來越多研究證實，HSP家族與2型糖尿病的發(fā)病及并發(fā)癥的進(jìn)展有關(guān)。

1 HSP110

HSP110是一組大分子HSP家族，分子量100-110KD，廣泛分布于大腦皮層、海馬、丘腦和下丘腦中。成員包括：HSP94，HSP104，HSP105，HSP110。關(guān)于HSP110家族與糖尿病關(guān)系研究較少，主要集中在其神經(jīng)保護(hù)方面。有研究報道，在環(huán)境應(yīng)激下小鼠海馬中HSP105表達(dá)顯著增加，當(dāng)海馬HSP105降低時出現(xiàn)抑郁樣行為[1]。HSP110還作用于巨噬細(xì)胞及T細(xì)胞，能夠同時誘導(dǎo)天然免疫和適應(yīng)性免疫，對免疫系統(tǒng)具有雙重調(diào)節(jié)作用。糖尿病被認(rèn)為存在自身免疫反應(yīng)，糖尿病患者腫瘤及神經(jīng)疾病發(fā)生率明顯高于非糖尿病患者，HSP110在糖尿病中的作用有待進(jìn)一步研究。

2 HSP90

HSP90是哺乳動物含量最多的蛋白，分子量為83-90KD，包括HSP90α、HSP90β、GRP94、TRAP1。HSP90在T2DM中高表達(dá)，被認(rèn)為是調(diào)節(jié)糖尿病及并發(fā)癥病變的關(guān)鍵因子。有研究發(fā)現(xiàn)，抑制HSP90功能可改善肥胖小鼠和糖尿病小鼠的胰島素敏感性和高血糖[2]。在糖尿病動脈粥樣硬化斑塊中檢測到HSP90高表達(dá)，且與斑塊不穩(wěn)定有關(guān)，抑制HSP90可減輕機體炎性反應(yīng)、改善糖尿病相關(guān)動脈粥樣硬化及腎損傷[3]。Zheng等[4]發(fā)現(xiàn)，肝臟HSP90與血脂水平高度相關(guān)，敲除HSP90可顯著降低中性脂質(zhì)和膽固醇的含量。以上研究提示HSP90在T2DM中可能起到誘導(dǎo)和促進(jìn)病情進(jìn)展作用。另有研究認(rèn)為，HSP90能夠介導(dǎo)內(nèi)皮型一氧化氮合酶(eNOS)活性、調(diào)節(jié)NO和超氧化物的產(chǎn)生、保護(hù)內(nèi)皮功能的作用，為糖尿病的保護(hù)性因子，但高糖可影響HSP90與eNOS的結(jié)合及eNOS的磷酸化，導(dǎo)致HSP90和eNOS解偶聯(lián)，產(chǎn)生大量的活性氧自由基，降低HSP90的內(nèi)皮保護(hù)功能，因此良好血糖控制有助于HSP90發(fā)揮抗應(yīng)激作用[5]。此外HSP90能夠促進(jìn)表皮細(xì)胞遷移，促進(jìn)糖尿病創(chuàng)面愈合[6]，還可改善線粒體呼吸能力，降低糖尿病神經(jīng)元的氧化應(yīng)激損傷[7]。

GRP94稱為葡萄糖調(diào)節(jié)蛋白94，在胰腺腺泡及胰島中大量表達(dá)，是胰島β細(xì)胞發(fā)育的重要調(diào)節(jié)因子。實驗小鼠在胚胎期敲除GRP94可出現(xiàn)胰腺發(fā)育不全[8]，抑制GRP94功能和/或表達(dá)可降低葡萄糖依賴性胰島素分泌、縮短胰島素原半衰期，降低細(xì)胞內(nèi)胰島素原及血胰島素水平。有研究發(fā)現(xiàn)在T2DM患者胰島中可見GRP94 mRNA過度表達(dá)[9]，但與T2DM病程、剩余胰島功能關(guān)系尚不明確。

TRAP1稱為腫瘤壞死因子受體相關(guān)蛋白1，存在于線粒體中，對維持線粒體功能具有重要作用。有研究發(fā)現(xiàn)高糖狀態(tài)下心肌細(xì)胞TRAP1表達(dá)降低，同時伴線粒體膜電位和細(xì)胞活力降低、細(xì)胞內(nèi)ROS生成增加，推測TRAP1可能在高糖環(huán)境下對心肌細(xì)胞有保護(hù)作用[10]。但目前相關(guān)研究較少。

3 HSP70

HSP70家族分子量為66-78KD，有20多個成員，是目前熱休克蛋白與糖尿病關(guān)系的研究的熱點。HSP70在改善炎癥、氧化應(yīng)激和葡萄糖敏感性方面具有有益的作用。有報道基因敲除 HSP72(HSP70家族成員之一)后小鼠出現(xiàn)葡萄糖不耐受、胰島素抵抗、胰島素分泌受損和肝糖原分解增強等現(xiàn)象[11]。

3.1 HSP70分布與T2DM的關(guān)系 細(xì)胞內(nèi)HSP70(iHSP70)和細(xì)胞外HSP70(eHSP70)作用不同。iHSP70為保護(hù)性因子，在應(yīng)激條件下維持蛋白質(zhì)的自然折疊，具有抗凋亡、抗炎、抗氧化和抑制免疫的作用，并且與維持正常胰島素敏感性相關(guān)。iHSP70降低提示慢性炎性反應(yīng)狀態(tài)和胰島素敏感性下降。eHSP70主要指血清HSP70，被認(rèn)為是促炎性因子，激活機體炎癥、氧化應(yīng)激反應(yīng)及免疫反應(yīng)，與胰島素敏感性降低、胰島β細(xì)胞功能減退有關(guān)。有報道eHSP70在肥胖和T2DM患者中升高，而iHSP70在T2DM患者中降低[12]。也有研究者推測HSP70在細(xì)胞外和細(xì)胞內(nèi)的分布比例可能決定炎癥和胰島素抵抗的結(jié)果[13]，但目前相關(guān)報道較少。

血清HSP70在不同糖代謝異常人群中均有變化，多項研究均觀察到血清HSP70水平在T2DM患者中顯著升高，且與病程、HOMA-IR、血糖呈正相關(guān)，在健康人群中不升高且與上述指標(biāo)無相關(guān)性[12，14]。Islam等[15]報道，健康受試者血清HSP70與HOMA-IR呈負(fù)相關(guān)。而Krause等[16]報道，在非糖尿病老年人中，血清HSP70與胰島素抵抗呈正相關(guān)，并可能介導(dǎo)β細(xì)胞功能衰竭。在妊娠糖尿病(GDM)孕婦的外周血及胎盤組織中也觀察到HSP70水平升高，并參與介導(dǎo)GDM孕婦胎盤纖維化[17]。綜上可見血清HSP70在T2DM不同階段及不同人群中差異較大，不能作為T2DM的預(yù)測因子。

關(guān)于iHSP70在糖尿病的作用研究相對較少，Sabbah等[18]發(fā)現(xiàn)iHSP70在單純肥胖者中表達(dá)顯著增高，而在肥胖伴代謝綜合征(MetS)者中降低，提示iHSP70可能是MetS的保護(hù)性因素。Ohno等[19]發(fā)現(xiàn)iHSP70能夠改善胰島素抵抗、延緩甚至逆轉(zhuǎn)T2DM疾病進(jìn)程，機制與阻斷c-Jun氨基末端激酶(JNKs)抑制細(xì)胞凋亡而與細(xì)胞保護(hù)相關(guān)。

3.2 HSP70基因多態(tài)性與T2DM關(guān)系 HSP70基因多態(tài)性與T2DM顯著相關(guān)，且與性別有關(guān)。C等位基因與所有糖尿病患者相關(guān)，女性更為顯著；有研究報道：HSP70雜合子突變(CT)基因型的女性T2DM發(fā)病率顯著增加，而男性沒有相關(guān)性[20]；當(dāng)在應(yīng)激狀態(tài)下，CT基因型男性是T2DM發(fā)病的高危人群，而CT基因型女性則無明顯相關(guān)性。另一項報道稱HSP70A1B基因分型(AG、GG)中AG基因型與足部潰瘍嚴(yán)重程度、截肢需要和住院時間顯著相關(guān)，而HSP70A1L基因型(TT、CT、CC)與這些參數(shù)沒有相關(guān)性[21]。

3.3 HSP70與糖尿病并發(fā)癥的關(guān)系 HSP70與糖尿病多種并發(fā)癥均相關(guān)，有研究觀察到2型糖尿病心肌線粒體HSP70(mtHsp70)蛋白質(zhì)含量減少甚至缺失，促進(jìn)mtHsp70過度表達(dá)有助于線粒體蛋白的輸入，促進(jìn)線粒體功能的恢復(fù)[22]。Sayed等[23]研究發(fā)現(xiàn)T2DM合并糖尿病視網(wǎng)膜病變(DR)患者血HSP70顯著升高，但不同DR分期之間HSP70水平無差異，這表明HSP70可能對T2DM患者具有保護(hù)作用而不是治療作用，HSP70也不是DR發(fā)展的預(yù)測因子。在糖尿病合并足潰瘍患者中發(fā)現(xiàn)血HSP70高于糖尿病無潰瘍患者和健康人，提示HSP70糖尿病足潰瘍中有特定作用。Singh等[24]發(fā)現(xiàn)糖尿病創(chuàng)面組織中HSP27、HSP47和HSP70及其下游分子表達(dá)均顯著下調(diào)，但HSP70、HSP27水平隨著糖尿病足Wagner傷口等級的增加而顯著增加，提示糖尿病創(chuàng)面HSPs的下調(diào)有助于T2DM患者的創(chuàng)面愈合，具體機制尚不明確。HSP70能夠修復(fù)線粒體功能，Ma等[25]發(fā)現(xiàn)通過藥物調(diào)節(jié)HSP70可改善線粒體呼吸功能進(jìn)而改善糖尿病神經(jīng)病變相關(guān)指標(biāo)。Chen等[26]通過運動誘導(dǎo)糖尿病痛性神經(jīng)病變大鼠脊髓和周圍神經(jīng)過度表達(dá)HSP72可起到緩解神經(jīng)痛的作用，且這種保護(hù)作用與TNF-α、IL-6等炎性因子無關(guān)。綜上，HSP70可作為T2DM并發(fā)癥的保護(hù)因子，未來能否將HSP70作為T2DM特定并發(fā)癥的治療靶點仍需要進(jìn)一步深入研究。

4 HSP60

Hsp60又稱HSPD1，分子量為60 KD，是一種脂肪因子，主要存在于線粒體中，是細(xì)胞應(yīng)激與炎癥反應(yīng)相互作用的關(guān)鍵蛋白，也是維持線粒體形態(tài)和功能的重要物質(zhì)。HSP60與T2DM關(guān)系目前尚不明確，研究報道結(jié)果不一致。Sell等[27]發(fā)現(xiàn)肥胖患者血HSP60顯著升高，行減重手術(shù)后下降，但HSP60水平與是否患有T2DM無關(guān)，降糖藥物對T2DM患者血HSP60也無影響。M?rker等[28]研究發(fā)現(xiàn)糖尿病肥胖患者內(nèi)臟脂肪和皮下脂肪HSP60比值高于無糖尿病的肥胖者。而Khadir等[29]發(fā)現(xiàn)糖尿病肥胖患者血清及脂肪組織中HSP60 表達(dá)均低于未患糖尿病的肥胖成人。Rong等[30]發(fā)現(xiàn)糖尿病小鼠HSP60和線粒體容量均低于單純肥胖小鼠，提示糖尿病小鼠HSP60降低可能反映了脂肪組織中線粒體含量減少，而脂肪組織中線粒體含量決定脂肪氧化代謝及產(chǎn)熱能力，因此HSP60可能參與機體能量代謝，且與脂肪代謝關(guān)系更為密切。

最初認(rèn)為HSP60是線粒體特異性細(xì)胞應(yīng)激后產(chǎn)生，僅存在細(xì)胞內(nèi)，起分子伴侶、保證蛋白正確折疊的作用。最近研究表明HSP60可在細(xì)胞外分泌及表達(dá)，并作為一種促炎因子和氧化應(yīng)激因子參與動脈粥樣硬化及糖尿病并發(fā)癥病理改變。Hall等[31]將人HeLa細(xì)胞暴露于100 mM葡萄糖、200 μM H2O2和50 μM疊氮鈉3 d和7 d發(fā)現(xiàn)HSP60、HSP70蛋白水平增加2.43到5.08倍不等，同時細(xì)胞內(nèi)產(chǎn)生ROS也顯著增加，提示高血糖和氧化應(yīng)激均可誘導(dǎo)HSP60和HSP70的表達(dá)。Aluksanasuwan等[32]在糖尿病腎組織中也觀察到HSP60水平變化，發(fā)現(xiàn)HSP60對腎小管細(xì)胞內(nèi)蛋白聚集、ATP生成和氧化應(yīng)激中起調(diào)節(jié)作用，可能參與糖尿病性腎小管功能障礙。Weitgasser等[33]發(fā)現(xiàn)，糖尿病視網(wǎng)膜病變患者血清hsp65抗體滴度明顯高于無視網(wǎng)膜病變的糖尿病患者，且與代謝指標(biāo)控制不相關(guān)。既往研究發(fā)現(xiàn)糖尿病患者有冠心病和心梗病史者血清HSP60要明顯高于無心血管疾病的糖尿病患者，且血清Hsp60濃度與年齡、體重、體重指數(shù)(BMI)、血壓、血糖、膽固醇、高密度脂蛋白、低密度脂蛋白、甘油三酯、肌酐或C-反應(yīng)蛋白等指標(biāo)無相關(guān)性?？梢奌SP60作為獨立因素參與糖尿病相關(guān)并發(fā)癥發(fā)病過程，但目前研究多為臨床觀察性研究，基礎(chǔ)性研究較少，因此HSP60在糖尿病病變中的作用機制還需深入研究。

5 HSP40

HSP40由于擁有J結(jié)構(gòu)域又被稱為DNAJ，分子量為40 KD，有學(xué)者將其歸為sHSP家族。除分子伴侶作用，在全基因組相關(guān)研究中，HSP40家族曾被鑒定為體重指數(shù)相關(guān)位點，因此可能參與脂肪代謝。DNAJC27是HSP40蛋白家族的一員，Cherian等[34]研究發(fā)現(xiàn)肥胖和2型糖尿病患者血漿及脂肪組織中DNAJC27升高，并與瘦素和抵抗素等肥胖生物標(biāo)志物呈正相關(guān)。Abu-Farh等[35]發(fā)現(xiàn)HSP40蛋白家族的另一成員DNAJB3在肥胖和糖尿病時表達(dá)下調(diào)，并與IP-10和RANTES24等關(guān)鍵促炎性反應(yīng)標(biāo)記物呈負(fù)相關(guān)。Abubaker等[36]研究顯示與肥胖的非糖尿病患者相比，肥胖的T2DM患者外周血單核細(xì)胞和皮下脂肪組織中DNAJB3表達(dá)減少，提高DNAJB3表達(dá)可促進(jìn)外周組織葡萄糖攝取，改善肥胖和胰島素抵抗。有研究發(fā)現(xiàn)DNAJC3與糖尿病及神經(jīng)病變有關(guān)，DNAJC3突變導(dǎo)致人類的一種單基因隱性糖尿病及廣泛神經(jīng)退行性病變，敲除DNAJC3小鼠可導(dǎo)致糖尿病發(fā)生[37]。

6 sHSP

sHSP分子量為15-30KD，正常組織細(xì)胞中含量極少，應(yīng)激狀態(tài)下迅速增加發(fā)揮細(xì)胞保護(hù)作用。其中HSP27為研究熱點。已有大量研究證實HSP27具有抗氧化作用，在糖尿病等各種應(yīng)激狀態(tài)下發(fā)揮細(xì)胞保護(hù)作用，抑制細(xì)胞凋亡，調(diào)節(jié)維持蛋白質(zhì)穩(wěn)態(tài)、抗動脈粥樣硬化的作用，因此與糖尿病相關(guān)并發(fā)癥關(guān)系密切。Jaroszyński等[38]研究發(fā)現(xiàn)，頸動脈粥樣硬化斑塊數(shù)量、內(nèi)中膜厚度與血清HSP27水平呈負(fù)相關(guān)，血清HSP27升高可穩(wěn)定斑塊、延緩動脈粥樣硬化的發(fā)展。動物實驗[39]表明通過有氧運動可以提高糖尿病大鼠心肌HSP27蛋白表達(dá)及活性，進(jìn)而改善心肌細(xì)胞纖維排列，恢復(fù)心臟舒張功能。HSP27在晶狀體全層均有分布，具有防止蛋白變性及聚集、保護(hù)晶狀體上皮的作用，動物研究發(fā)現(xiàn)HSP27可降低糖尿病大鼠晶狀體渾濁度、降低白內(nèi)障發(fā)生風(fēng)險。許建斌等[40]發(fā)現(xiàn)HSP27在正常大鼠視網(wǎng)膜中不表達(dá)或弱表達(dá)，而在糖尿病視網(wǎng)膜病變大鼠中表達(dá)呈進(jìn)行性增強，且主要表達(dá)在視網(wǎng)膜神經(jīng)節(jié)細(xì)胞層、內(nèi)外核層及內(nèi)界膜等，提示Hsp27對視網(wǎng)膜與視神經(jīng)細(xì)胞起到內(nèi)源性的保護(hù)作用。

另一種小分子熱休克蛋白HspB8在氧化應(yīng)激、內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激、炎癥反應(yīng)、細(xì)胞凋亡中均具有調(diào)控作用，但與糖尿病相關(guān)研究較少。蘇石等[41]研究發(fā)現(xiàn)糖尿病患者HspB8 mRNA表達(dá)顯著低于正常人群，但I(xiàn)GT患者HspB8 mRNA表達(dá)卻高于正常人群，作者認(rèn)為可能與IGT患者處于疾病的相對代償期，此時HspB8升高起到對機體的保護(hù)作用，進(jìn)展至糖尿病為失代償期，此時疾病對機體造成的損傷已經(jīng)超出HspB8對機體的保護(hù)功能，從而表現(xiàn)出HspB8表達(dá)水平的下降。

綜上所述，熱休克蛋白在2型糖尿病的疾病進(jìn)展中發(fā)揮重要作用，調(diào)控HSP可能成為2型糖尿病防治的新靶點，但目前研究以觀察性研究為主，具體作用機制尚不完全明確，仍需進(jìn)一步深入研究。