2型糖尿病患者β細(xì)胞去分化信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)機(jī)制研究進(jìn)展

蔡皓偉 李春月 杜 君 李 靜 楊永歆 李 忠

伴隨著我國(guó)人口老齡化進(jìn)程的加快和生活方式的改變，我國(guó)成人糖尿病患病率顯著增加。據(jù)相關(guān)研究顯示，我國(guó)18歲及以上人群糖尿病患病率為10.4%。2017年國(guó)際糖尿病聯(lián)盟指出，預(yù)計(jì)到2045年全球糖尿病患者將增至6.09億。目前我國(guó)人群糖尿病發(fā)病以2型糖尿病為主，1型糖尿病及其它類型糖尿病少見(jiàn)，但2型糖尿病的發(fā)病機(jī)制尚不明確，其病理、生理學(xué)特征為胰島素調(diào)控能力下降伴隨β細(xì)胞功能缺陷。胰島β細(xì)胞功能障礙是2型糖尿病發(fā)生的重要環(huán)節(jié)之一。以往的觀點(diǎn)認(rèn)為2型糖尿病患者的胰島功能下降是胰島細(xì)胞的過(guò)早凋亡，而研究發(fā)現(xiàn)胰島β細(xì)胞凋亡的增加并不能完全解釋胰島功能衰退，功能性胰島β細(xì)胞數(shù)量的下調(diào)是其主要原因。在各種代謝環(huán)境下β細(xì)胞發(fā)生去分化改變，分化成了具有多項(xiàng)分化潛能的內(nèi)分泌祖細(xì)胞。影響細(xì)胞去分化有多個(gè)環(huán)節(jié)因素，其最重要的是轉(zhuǎn)錄因子通過(guò)不同的信號(hào)通路對(duì)β細(xì)胞的去分化產(chǎn)生影響。干預(yù)去分化或轉(zhuǎn)分化將為2型糖尿病的治療帶來(lái)新的方向，然而β細(xì)胞分化為其它細(xì)胞的途徑機(jī)制涉及多種因子和信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路，系統(tǒng)性認(rèn)識(shí)轉(zhuǎn)導(dǎo)信號(hào)通路有助于了解胰島細(xì)胞功能的本質(zhì)，本文將從細(xì)胞去分化過(guò)程中可能涉及的信號(hào)通路和相關(guān)信號(hào)因子做以下綜述。

1 胰島β細(xì)胞去分化概述

細(xì)胞分化是原始細(xì)胞分裂功能之一，分化的細(xì)胞失去特有的結(jié)構(gòu)和功能，在各種因素作用下回到未分化祖細(xì)胞特性的過(guò)程稱為細(xì)胞去分化，細(xì)胞去分化的調(diào)控可以在不同的水平上進(jìn)行，如轉(zhuǎn)錄水平、翻譯水平以及蛋白質(zhì)形成后活性調(diào)節(jié)水平等。β細(xì)胞從胚胎時(shí)期到成熟的過(guò)程，需要多種基因復(fù)雜的調(diào)控，多種信號(hào)通路中有各種轉(zhuǎn)錄因子參與其中，精細(xì)調(diào)控著細(xì)胞的分化，而這一過(guò)程目前尚未完全闡明，有研究提出，在糖尿病發(fā)病機(jī)制中，β細(xì)胞去分化具有重要作用，其中轉(zhuǎn)錄因子胰腺十二指腸同源盒(pancreatic duodenal homeobox-1，PDX-1)、肌腱膜纖維肉瘤癌基因同系物A及葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白2表達(dá)下降，β細(xì)胞回到原始幼稚狀態(tài)。這種分化主要是β細(xì)胞轉(zhuǎn)化為內(nèi)分泌前體細(xì)胞狀態(tài)，或者轉(zhuǎn)分化為α細(xì)胞、pp細(xì)胞等其他內(nèi)分泌細(xì)胞。在胰腺發(fā)育早期可由祖細(xì)胞分泌轉(zhuǎn)錄因子神經(jīng)元素3，對(duì)細(xì)胞調(diào)控去分化起主要作用。是何種信號(hào)通路對(duì)去分化產(chǎn)生關(guān)鍵作用目前尚不清楚，因?yàn)樵诩?xì)胞的分化、轉(zhuǎn)分化的過(guò)程中，細(xì)胞因子通過(guò)不同信號(hào)通路進(jìn)行信息傳遞。

2 不同信號(hào)通路參與去分化過(guò)程

2.1 哺乳動(dòng)物雷帕霉素靶蛋白復(fù)合物1(mechanistic target of rapamycin complex 1，mTORC 1)信號(hào)通路 mTORC 1是一種多蛋白復(fù)合物，由哺乳動(dòng)物雷帕霉素靶蛋白mTOR、同源蛋白mLST8、調(diào)節(jié)蛋白R(shí)aptor、Akt底物1-PRAS40和交互蛋白DEPTOR組成。其功能是促進(jìn)細(xì)胞生長(zhǎng)、生物合成、營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的吸收等，也能抑制細(xì)胞自噬。雷帕霉素、生長(zhǎng)因子、胰島素、理化因素等因素能夠控制 mTORC 1的生物活性。這些因素通過(guò)下游的真核轉(zhuǎn)錄因子4E結(jié)合蛋白1和S6K1,使mRNA 5’端起始復(fù)合物激活，實(shí)現(xiàn)調(diào)控細(xì)胞增殖、分化。研究發(fā)現(xiàn)，胰島細(xì)胞mTORC 1通過(guò)調(diào)節(jié)Cyclin D2(β細(xì)胞周期，增殖和質(zhì)量的關(guān)鍵調(diào)節(jié)劑)進(jìn)而影響胰島β細(xì)胞的增殖、生長(zhǎng)。激活mTORC1可以促進(jìn)胰島細(xì)胞胰島素的分泌。國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)血糖正常的部分(60%)胰腺切除術(shù)的小鼠觀察發(fā)現(xiàn)，mTORC1途徑可介導(dǎo)β細(xì)胞代償性增殖，促進(jìn)葡萄糖耐量和葡萄糖刺激的胰島素分泌，但并未影響外周組織中的胰島素敏感性。破壞mTORC1信號(hào)后不僅可以抑制細(xì)胞增殖，同時(shí)能減少細(xì)胞周期蛋白D2蛋白的濃度。另一研究顯示，S6K通過(guò)磷酸化負(fù)調(diào)控區(qū)域的位點(diǎn)參與正反饋調(diào)節(jié)刺激mTORC1的活性，進(jìn)而調(diào)控胰島素的分泌。mTOR分為mTORC1和mTORC2兩個(gè)因子，當(dāng)出現(xiàn)胰島素抵抗時(shí)，機(jī)體通過(guò)增加β細(xì)胞中的mTORC1/mTORC2信號(hào)可以增加β細(xì)胞數(shù)量和促進(jìn)胰島素分泌。但是，當(dāng)這些反饋機(jī)制失效時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)2型糖尿病。國(guó)外學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)敲除小鼠mTORC1關(guān)鍵組蛋白R(shí)apko，這些轉(zhuǎn)基因小鼠在出生后4周即出現(xiàn)了顯性糖尿病，并存在嚴(yán)重的胰島素分泌缺陷，8周后在胰島細(xì)胞觀察到尚未分化成熟的細(xì)胞。mTORC1間接調(diào)控HIF-1α和膽固醇結(jié)合蛋白來(lái)調(diào)節(jié)糖代謝，以促進(jìn)葡萄糖的吸收與利用，抑制α酮戊二酸脫氫酶活性；其還通過(guò)磷酸化自噬相關(guān)蛋白ATg13抑制細(xì)胞自噬。因此，mTORC1可以影響胰島β細(xì)胞分化趨勢(shì)。研究發(fā)現(xiàn)mTOR介導(dǎo)的信號(hào)傳導(dǎo)途徑對(duì)于β細(xì)胞生長(zhǎng)是非必需的，只在正?；蛘咛悄虿⌒纬蓷l件下參與了調(diào)節(jié)β細(xì)胞分泌功能。因此，所有影響這一信號(hào)通路的因子能夠干預(yù)β細(xì)胞的去分化，但不是主要的途徑。

2.2 蛋白激酶B(protein kinase B，Akt)信號(hào)通路 蛋白激酶是催化蛋白質(zhì)磷酸化過(guò)程的酶，可分為蛋白激酶A、Akt、蛋白激酶C和鈣調(diào)蛋白激酶。1991年，Akt被鑒定屬于絲/蘇氨酸激酶家族，它廣泛表達(dá)于各組織。Akt是生長(zhǎng)因子和胰島素等重要生理刺激調(diào)節(jié)的受體酪氨酸激酶的下游靶分子。叉頭轉(zhuǎn)錄因子1(forkhead box transcrition factor 1,FoxO1)是Akt信號(hào)路徑的下游效應(yīng)分子，通過(guò)調(diào)節(jié)細(xì)胞的氧化應(yīng)激、增殖及凋亡等多種生理過(guò)程，參與機(jī)體的生長(zhǎng)發(fā)育、代謝及腫瘤形成。Akt通過(guò)調(diào)控FoxO1 的磷酸化，使其結(jié)合細(xì)胞核中的伴侶蛋白，促進(jìn)FoxO1從細(xì)胞核轉(zhuǎn)移至細(xì)胞漿。在細(xì)胞漿中伴侶蛋白將FoxO1核定位信號(hào)封閉，使其定位于細(xì)胞漿中。FoxO1主要表達(dá)在胰腺細(xì)胞、肝細(xì)胞、脂肪細(xì)胞中，是一種多功能蛋白，為叉頭蛋白大家族的分子之一，它在參與調(diào)節(jié)細(xì)胞增殖、凋亡、衰老、分化、應(yīng)激、自噬、代謝中發(fā)揮重要作用。另一項(xiàng)研究發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)oxO1可以維持β細(xì)胞終末分化狀態(tài)以及抑制胰腺祖細(xì)胞分化為β細(xì)胞，維持這一平衡狀態(tài)取決于磷酸化和去磷酸化水平。有研究發(fā)現(xiàn)大量胰島素表達(dá)陰性的細(xì)胞存在于2型糖尿病動(dòng)物模型的胰島中，F(xiàn)oxO1 的進(jìn)行性丟失使該類細(xì)胞能表達(dá)嗜鉻粒蛋白-A、神經(jīng)元素3、Oct等前β細(xì)胞標(biāo)志物。國(guó)外學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)正常血糖小鼠胰島β細(xì)胞中FoxO1 僅局限于胞漿中，當(dāng)高血糖狀態(tài)時(shí)，少量FoxO1出現(xiàn)在細(xì)胞核中,其機(jī)制可能是FoxO1失去了免疫熒光活性，同時(shí)β細(xì)胞喪失了胰島素分泌功能。FoxO1參與抑制β細(xì)胞去分化，敲除小鼠FoxO1在高齡或產(chǎn)后群體中胰島功能開(kāi)始下降，與其β細(xì)胞發(fā)生去分化有關(guān)。去分化后的β細(xì)胞轉(zhuǎn)化為具有多項(xiàng)分化潛能的內(nèi)分泌祖細(xì)胞樣細(xì)胞,影響內(nèi)分泌功能，導(dǎo)致胰島β細(xì)胞功能下降。關(guān)于在糖尿病中FoxO1的研究大多為動(dòng)物研究，還有研究發(fā)現(xiàn)，通過(guò)給予干預(yù)因素，增加FoxO1活性可降低胰島β細(xì)胞衰竭程度。

2.3 核因子κB(nuclear factor κB，NF-κB)通路 NF-κB是一種控制轉(zhuǎn)錄的DNA蛋白復(fù)合物，存在于所有動(dòng)物細(xì)胞類型中，是細(xì)胞內(nèi)重要的核轉(zhuǎn)錄因子，參與機(jī)體的炎癥反應(yīng)、免疫應(yīng)答，進(jìn)而調(diào)節(jié)細(xì)胞凋亡、應(yīng)激等反應(yīng)。它有NF-κB 1、NF-κB 2、RelA、RelB和c-Rel 5個(gè)成員，可分為兩組，NF-κB 1、NF-κB 2為一組，分別由前體裂解而成；RelA、RelB和c-Rel為另一組，無(wú)前體。 NF-κB信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路主要有經(jīng)典通路、非經(jīng)典通路和旁通路3種，作為轉(zhuǎn)錄因子可以正向調(diào)節(jié)1型血管緊張素II受體(angiotensin receptor，AngII)的基因表達(dá)，且血管緊張Ⅱ通過(guò)活性氧通路及絡(luò)氨酸激酶Src/蛋白激酶P13k通路激活NF-κB。非活化的NF-κB復(fù)合物包括p65亞基和抑制性核因子κB抑制因子a(nuclear factor κB inhibitor，IκB a)。機(jī)體處以應(yīng)激反應(yīng)時(shí)，激酶抑制性亞基IκBa從復(fù)合物釋放進(jìn)而促進(jìn)p65向細(xì)胞核轉(zhuǎn)移，從而產(chǎn)生基因的轉(zhuǎn)錄調(diào)控。血管緊張素原是目前己知血管緊張素受體的唯一前體蛋白，它被腎素水解生成無(wú)活性的血管緊張素I，再由血管緊張素轉(zhuǎn)化酶作用生成具有活性的AngII，是局部血管緊張素激活的核心標(biāo)志，通過(guò)與AnglI受體結(jié)合，維持血壓及水電解質(zhì)平衡。研究發(fā)現(xiàn)，長(zhǎng)期高血糖環(huán)境可激活胰島局部腎素-血管緊張素系統(tǒng)(renin-angiotensin system，RAS)系統(tǒng)，通過(guò)增強(qiáng)氧化應(yīng)激及炎癥通路導(dǎo)致β細(xì)胞凋亡增加減少細(xì)胞數(shù)量，還可以通過(guò)上調(diào)細(xì)胞血管緊張素受體亞型表達(dá)減少胰島局部血流和胰島素的生物合成。研究表明，血管緊張素轉(zhuǎn)化酶抑制劑能夠降低高血壓患者新發(fā)糖尿病的風(fēng)險(xiǎn)，先前考慮與其介導(dǎo)的血管收縮有關(guān)，后通過(guò)研究證明AngII是通過(guò)白細(xì)胞介素1β或NF-κB通路導(dǎo)致胰島炎癥損傷。AngII激活多種不同類型細(xì)胞的NF-κB通路，有實(shí)驗(yàn)研究表明RAS抑制劑在糖尿病中的心肌細(xì)胞保護(hù)作用可能與NF-κB炎癥反應(yīng)減少有關(guān)，而抑制IκB激酶可以防止AnglI誘導(dǎo)的促炎細(xì)胞因子水平上調(diào)。國(guó)內(nèi)學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)，通過(guò)阻斷RAS及其炎癥通路可以顯著減少神經(jīng)元素3陽(yáng)性表達(dá)面積，進(jìn)而減少胰島細(xì)胞的去分化。通過(guò)抑制RAS和NF-κB通路，β細(xì)胞重新獲得了特征性標(biāo)志物，在某些情況下，去分化可能是β細(xì)胞走向衰竭過(guò)程中的保護(hù)機(jī)制，而通過(guò)恢復(fù)這些中間狀態(tài)的分化細(xì)胞，可改善胰島素分泌狀態(tài)。

2.4 不同通路聯(lián)合調(diào)控 在β細(xì)胞去分化復(fù)雜的過(guò)程中，很少是通過(guò)單一的通路完成去分化，大部分都是通過(guò)關(guān)鍵因子激活或者下調(diào)多種通路中的相關(guān)因子促進(jìn)β細(xì)胞去分化，而生物體這種高級(jí)聯(lián)合調(diào)控作用能夠更準(zhǔn)確地調(diào)節(jié)去分化信號(hào)片段，進(jìn)而完成再分化的目標(biāo)。研究發(fā)現(xiàn)，相互作用途徑的信號(hào)網(wǎng)絡(luò)抑制正常細(xì)胞的增殖并阻止異常分化的發(fā)生，而其中關(guān)鍵信號(hào)因子的激活可能引起多種通路同時(shí)進(jìn)行調(diào)節(jié)，表達(dá)不同的信號(hào)共同調(diào)節(jié)β細(xì)胞，同時(shí)形成反饋回路表達(dá)不同的因子，如Wnt/β-catenin信號(hào)激活通過(guò)抑制YAP/TAZ和Notch信號(hào)之間的正反饋回路抑制細(xì)胞生長(zhǎng),最終調(diào)節(jié)β聯(lián)蛋白的表達(dá)。研究發(fā)現(xiàn)，信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)與異常激活時(shí)會(huì)導(dǎo)致其他信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路相互作用，表明相互作用的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)網(wǎng)絡(luò)共同發(fā)揮作用，而不是單個(gè)信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路在抑制細(xì)胞異常分化，如Wnt/β蛋白、NF-κB和STAT3信號(hào)可被同時(shí)激活。在肝糖原相關(guān)基因的調(diào)控中，細(xì)胞周期蛋白D依賴性激酶可以將細(xì)胞外信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)與調(diào)節(jié)DNA復(fù)制和有絲分裂的細(xì)胞周期信號(hào)整合在一起，這一過(guò)程中依次涉及Ras、磷脂酰肌醇-3-OH激酶(PI3K)和Akt的信號(hào)通路。

綜上所述，β細(xì)胞失去原有的細(xì)胞形態(tài)轉(zhuǎn)分化為非β細(xì)胞或者祖母細(xì)胞身份這一復(fù)雜過(guò)程通過(guò)多種信號(hào)通路進(jìn)行信息調(diào)控、傳遞表達(dá)。胰島β細(xì)胞受損是引起胰島功能減退的主要原因之一，引起功能改變的不同信號(hào)通路之間有各自的獨(dú)立性，也相互影響。β細(xì)胞去分化在一定程度上是可逆的，通過(guò)代謝水平的改變，細(xì)胞形態(tài)也隨之發(fā)生變化。細(xì)胞分化、去分化為了解β細(xì)胞功能受損機(jī)制提供新的思路，也為2型糖尿病的治療帶來(lái)了新的靶點(diǎn)。研究胰島β細(xì)胞去分化信號(hào)通路有助于研究保護(hù)胰島細(xì)胞形態(tài)、促進(jìn)胰島β細(xì)胞增殖、提高胰島β細(xì)胞分泌轉(zhuǎn)錄因子的方法，為化學(xué)藥物、中藥、針灸等改善胰島細(xì)胞功能提供依據(jù)。因此，進(jìn)一步明確信號(hào)通路的關(guān)鍵調(diào)控基因至關(guān)重要，可以幫助了解2型糖尿病的發(fā)生、發(fā)展機(jī)制，為干預(yù)β細(xì)胞去分化、逆轉(zhuǎn)去分化提供參考。