硫氧還蛋白相互作用蛋白在糖尿病及其并發(fā)癥中的作用

張永蘭，綦遠(yuǎn)豪，張 嬌

(重慶理工大學(xué) 藥學(xué)與生物工程學(xué)院， 重慶 400054)

0 引言

糖尿病是一種常見的代謝性疾病，其特征是胰島細(xì)胞功能障礙及機(jī)體對胰島素敏感性降低導(dǎo)致的血糖持續(xù)升高[1]。機(jī)體長期處于高血糖狀態(tài)會導(dǎo)致各種急性并發(fā)癥的發(fā)生發(fā)展，藥物治療通常很難逆轉(zhuǎn)這一過程，因此盡早預(yù)防是緩解糖尿病及其并發(fā)癥的重要途徑[2-3]。胰島β細(xì)胞在糖尿病發(fā)病中起著關(guān)鍵作用[4]，盡管目前已有多種胰島素制劑和口服降糖藥上市，但都不能從根本上改善β細(xì)胞功能，而直接移植胰島則會引起機(jī)體嚴(yán)重的免疫抑制反應(yīng)，因此如何促進(jìn)β細(xì)胞存活、防止其凋亡以及延長β細(xì)胞生命周期成為新的關(guān)注點(diǎn)。

β細(xì)胞中抗氧化酶水平很低，易受到氧化應(yīng)激的影響，而硫氧還蛋白相互作用蛋白(thioredoxin-interacting protein,TXNIP)在維持細(xì)胞氧化還原狀態(tài)中起著重要作用[5]。細(xì)胞中活性氧(ROS)作用產(chǎn)生的氧化蛋白可被硫氧還蛋白(thioredoxin,TXN)還原，TXNIP可結(jié)合并負(fù)向調(diào)節(jié)TXN的活性，導(dǎo)致TXN活性降低，細(xì)胞內(nèi)氧化應(yīng)激損傷加劇，進(jìn)而引起細(xì)胞損傷凋亡[6]。靶向降低TXNIP蛋白水平可降低細(xì)胞內(nèi)氧化應(yīng)激，改善β細(xì)胞凋亡，增加胰島素分泌[7]，因此，TXNIP可能作為治療糖尿病及其并發(fā)癥的潛在靶點(diǎn)。綜述TXNIP在細(xì)胞氧化還原狀態(tài)中的作用，及其與糖尿病之間的聯(lián)系，以期為TXNIP在糖尿病防治中的應(yīng)用提供參考。

1 TXNIP與細(xì)胞氧化還原狀態(tài)

TXNIP最早發(fā)現(xiàn)于1,25-二羥維生素D3處理的人急性早幼粒白血病HL-60細(xì)胞中，因此又稱為維生素D3上調(diào)蛋白1(vitamin D3 upregulated protein 1,VDUP1)[8-9]。研究表明此蛋白能與TXN相結(jié)合從而抑制TXN的表達(dá)和活性，因此重新命名為TXNIP[10]。TXNIP是一種α-抑制蛋白，在脂肪組織、胰腺、肝臟和骨骼肌等部位都有表達(dá)，作為多功能支架蛋白參與蛋白-蛋白相互作用，廣泛介導(dǎo)信號傳遞過程[9,11]。

TXNIP與細(xì)胞氧化狀態(tài)密切相關(guān)，細(xì)胞內(nèi)氧化還原平衡受到包括TXN系統(tǒng)、谷胱甘肽系統(tǒng)在內(nèi)的眾多氧化還原系統(tǒng)的調(diào)節(jié)，如圖1所示。

圖1 TXNIP在細(xì)胞氧化還原過程中的作用

細(xì)胞內(nèi)氧化還原水平的失衡會使ROS過度產(chǎn)生，導(dǎo)致氧化應(yīng)激狀態(tài)，嚴(yán)重?fù)p傷細(xì)胞的結(jié)構(gòu)功能[12]。TXN有TXN1和TXN2兩種異構(gòu)體[5]，TXN1具有二硫鍵還原活性，主要存在于胞漿，而TXN2一般只存在于線粒體[13]。在細(xì)胞中，TXNIP結(jié)合并抑制TXN1，從而影響TXN1還原氧化蛋白的能力，引起細(xì)胞內(nèi)氧化蛋白積聚增加，導(dǎo)致氧化應(yīng)激并加劇細(xì)胞對凋亡的敏感性[14-15]。TXNIP還可轉(zhuǎn)位到線粒體中，競爭干擾凋亡信號調(diào)節(jié)激酶(apoptosis signal regulating kinases 1,ASK-1)與TXN2的結(jié)合，導(dǎo)致ASK-1的釋放與磷酸化、細(xì)胞色素C(Cyt C)釋放，啟動β細(xì)胞的凋亡信號級聯(lián)反應(yīng)[6]，促使細(xì)胞凋亡。另外，在細(xì)胞核中，TXNIP還可以通過誘導(dǎo)miR204的表達(dá)而下調(diào)胰島素轉(zhuǎn)錄因子(MafA)的表達(dá)，導(dǎo)致胰島素分泌減少[16-17]。

2 TXNIP在糖尿病及其并發(fā)癥中的作用

2.1 TXNIP與糖尿病

β細(xì)胞功能障礙和胰島素分泌減少是導(dǎo)致糖尿病的關(guān)鍵因素，正常機(jī)體內(nèi)β細(xì)胞合成并釋放足夠量的胰島素以維持血糖水平[18]，但β細(xì)胞內(nèi)較低的抗氧化酶水平導(dǎo)致其易受氧化應(yīng)激的影響，氧化還原失衡引起的ROS過量積聚會加劇胰島素抵抗，擾亂β細(xì)胞的功能[19]，因此β細(xì)胞氧化還原平衡對糖尿病的發(fā)生發(fā)展至關(guān)重要。TXNIP與細(xì)胞氧化狀態(tài)密切相關(guān)，研究發(fā)現(xiàn)，糖尿病患者β細(xì)胞中TXNIP表達(dá)上調(diào)，TXNIP通過增加細(xì)胞內(nèi)氧化應(yīng)激水平、激活A(yù)SK-1下游的細(xì)胞凋亡途徑發(fā)揮促細(xì)胞凋亡作用[20]，因此抑制TXNIP的表達(dá)可從一定程度上提高β細(xì)胞的存活率。

Lam等[21]報道，維拉帕米(verapamil)能夠有效地降低嚙齒類動物和人類胰島β細(xì)胞中TXNIP的表達(dá)，減少糖尿病患者β細(xì)胞的凋亡，其具體作用機(jī)制是通過阻斷L型鈣通道，降低細(xì)胞內(nèi)游離鈣離子的濃度，從而抑制TXNIP的轉(zhuǎn)錄。Xu等[22-23]也研究了維拉帕米降低TXNIP水平的具體機(jī)制，發(fā)現(xiàn)維拉帕米可通過降低細(xì)胞內(nèi)鈣水平，抑制鈣調(diào)磷酸酶的信號傳遞，影響碳水化合物反應(yīng)元件結(jié)合蛋白與TXNIP啟動子的結(jié)合，進(jìn)而抑制TXNIP的表達(dá)，最新的RNA測序也進(jìn)一步證實了維拉帕米可通過調(diào)節(jié)TXN系統(tǒng)，增加人胰島細(xì)胞抗氧化、抗凋亡作用，持續(xù)口服維拉帕米可以有效延緩T1DM進(jìn)展。在一項比較維拉帕米和其他口服鈣通道阻滯劑的試驗中，發(fā)現(xiàn)服用維拉帕米受試者的2型糖尿病(type 2 diabetes mellitus,T2DM)發(fā)生率更低[24]。Ovalle等[25]進(jìn)行了隨機(jī)雙盲試驗，對24例新診斷的T2DM患者給予口服維拉帕米或安慰劑，并在基線、3個月和12個月時評估β細(xì)胞功能及維持血糖控制所需的胰島素日總劑量(the total daily dose of insulin,TDDI)。在12個月時，安慰劑組的TDDI增加了70%，而維拉帕米組只增加了27%，這表明在標(biāo)準(zhǔn)胰島素方案基礎(chǔ)上每日口服一次維拉帕米，可以改善β細(xì)胞功能，減少胰島素的需求，防止低血糖的發(fā)生[25]。另外，Shalev團(tuán)隊近來從30多萬化合物中篩選了一種口服生物利用度高且無毒副作用的小分子(SRI-37330)，該小分子可通過抑制TXNIP的表達(dá)及信號傳導(dǎo)而有效逆轉(zhuǎn)鏈脲佐菌素誘導(dǎo)的小鼠糖尿病[26]，這種靶向TXNIP的化合物可能是糖尿病治療的新方法。

2.2 TXNIP與糖尿病并發(fā)癥

糖尿病患者體內(nèi)蛋白質(zhì)及糖脂代謝紊亂，可引起機(jī)體多個組織器官慢性病變，TXNIP作為TXN內(nèi)源性抑制劑在血糖升高時高表達(dá)，TXNIP水平增加會抑制TXN的功能，使糖尿病病情加重，導(dǎo)致糖尿病并發(fā)癥的發(fā)生[27-29]。

2.2.1TXNIP與糖尿病血管功能障礙

心血管疾病是糖尿病的主要并發(fā)癥之一，其主要特征是內(nèi)皮細(xì)胞功能障礙[30]。TXNIP可以調(diào)節(jié)血管內(nèi)皮生長因子(vascular endothelial growth factor,VEGF)的水平[31]。研究表明，高糖誘導(dǎo)的TXNIP過量表達(dá)可導(dǎo)致內(nèi)皮細(xì)胞功能受損，減少一氧化氮 (NO)釋放，降低VEGF產(chǎn)生和細(xì)胞對VEGF作用的敏感性，提高ROS水平和血管細(xì)胞粘附分子1(vascular cell adhesion molecule-1,VCAM-1)的表達(dá)[32]；而靶向敲除或沉默TXNIP可以逆轉(zhuǎn)高糖引起的內(nèi)皮細(xì)胞血管生成功能損傷[31,33]。Meszaros等[34]發(fā)現(xiàn)TXNIP的表達(dá)水平與血管生成和常規(guī)腎細(xì)胞癌術(shù)后復(fù)發(fā)密切相關(guān)。非諾貝特(fenofibrate)主要用于降低心血管疾病患者的膽固醇水平，近來研究發(fā)現(xiàn)，非諾貝特逆轉(zhuǎn)了高糖誘導(dǎo)的TXNIP的表達(dá)，而TXNIP腺病毒過表達(dá)可抑制非諾貝酸 (FFA)對損傷的內(nèi)皮細(xì)胞的修復(fù)作用，這表明FFA的修復(fù)作用是通過TXNIP介導(dǎo)的[35]。以上結(jié)果提示TXNIP在糖尿病血管生成障礙的發(fā)病機(jī)制中起重要作用。

2.2.2TXNIP與糖尿病腎病

糖尿病微血管另一主要并發(fā)癥為糖尿病腎病(diabetic nephropathy,DN)[36-37]。在DN中，長期高血糖引起腎小球濾過屏障形態(tài)改變和足細(xì)胞丟失，最終導(dǎo)致腎濾過功能受損[38]。雖然目前認(rèn)為慢性高血糖是DN的主要原因，但其明確的分子發(fā)病機(jī)制仍不清楚[39]。TXNIP在腎臟表達(dá)豐富[40]，研究表明TXNIP可誘導(dǎo)氧化應(yīng)激，導(dǎo)致DN病情發(fā)展[41]。TXNIP基因敲除后，Akt/mTOR通路受阻，脂肪酸合成受到抑制，脂肪酸β氧化增加，最終減輕了腎臟脂質(zhì)沉積，緩解了DN[42]。Xiao等[43]發(fā)現(xiàn)右美托咪定(dexmedetomidine)可通過抑制P38-MAPK通路，降低TXINP在糖尿病腎臟中的表達(dá)而改善DN。Ji等[44]發(fā)現(xiàn)，DN狀態(tài)下，調(diào)節(jié)FOXO1/TXNIP-TRX通路可以減弱細(xì)胞ROS的產(chǎn)生，預(yù)防高糖誘導(dǎo)的近端腎小管上皮細(xì)胞的損傷，提示TXNIP可能是DN的新治療靶點(diǎn)。另有報道，曲尼司特(tranilast)不僅具有抗炎抗纖維化的作用，而且還可以拮DN中的TXNIP上調(diào)和減弱氧化應(yīng)激[36]。因此，抑制TXNIP可能有助于DN的治療。

2.2.3TXNIP與糖尿病視網(wǎng)膜病變

近年來，隨著糖尿病發(fā)病率逐漸上升，糖尿病性視網(wǎng)膜病變(diabetic retinopathy,DR)患者也日益增多。DR可引起不可逆的視網(wǎng)膜損傷，是糖尿病最常見的微血管并發(fā)癥之一[45]。視網(wǎng)膜是一個獨(dú)特的器官，它含有高濃度的多不飽和脂肪酸，需氧量很高[46]，因此視網(wǎng)膜及其血管系統(tǒng)更容易受到氧化應(yīng)激的影響。TXNIP在轉(zhuǎn)錄后水平直接激活免疫系統(tǒng)中負(fù)責(zé)炎癥反應(yīng)的NOD樣受體蛋白3炎癥小體(nod-like receptor protein 3,NLRP3)，在轉(zhuǎn)錄水平上，TXNIP可導(dǎo)致核因子κB (nuclear factor kappa-B,NF-κB)途徑的激活、促炎細(xì)胞因子的表達(dá)增加，從而引起視網(wǎng)膜炎癥及DR[47-48]。Duan等[49]發(fā)現(xiàn)TXNIP基因敲除可抑制高糖引起的ROS產(chǎn)生、血管遷移和Akt/mTOR通路激活，而TXNIP基因沉默可以通過阻斷VEGFR2及其下游信號通路Akt/mTOR的激活，抑制VEGF誘導(dǎo)的血管生成。最近一項關(guān)于視網(wǎng)膜神經(jīng)退行性疾病與TXN系統(tǒng)的研究表明，曲尼司特可顯著減少TRX抑制劑(auranofin)導(dǎo)致的視網(wǎng)膜損傷，其具體作用與TXNIP在DR中抑制TXN系統(tǒng)有關(guān)[50]。研究發(fā)現(xiàn)，非諾貝特可顯著增加糖尿病大鼠的視網(wǎng)膜血管通透性和視網(wǎng)膜毛細(xì)血管基底膜厚度，通過恢復(fù)VEGF和P65水平、降低TXNIP表達(dá)和氧化應(yīng)激水平，預(yù)防糖尿病引起的視網(wǎng)膜微血管功能障礙[51]。這些研究提示TXNIP也可能是治療糖尿病視網(wǎng)膜病變的潛在靶點(diǎn)。

3 結(jié)論

胰島β細(xì)胞功能障礙是糖尿病主要的發(fā)病機(jī)制之一。在糖尿病病理生理過程中，ROS生成增加，抗氧化系統(tǒng)活性下降，細(xì)胞長期處于氧化應(yīng)激狀態(tài)，進(jìn)而導(dǎo)致多種并發(fā)癥的發(fā)生。TXNIP表達(dá)的降低可以減少胰島β細(xì)胞凋亡，在炎癥和凋亡途徑中都發(fā)揮重要作用。目前已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，許多藥物可以通過不同的途徑(作用于L型鈣通道、抑制P38-MAPK通路的激活、調(diào)節(jié)FOXO1/TXNIP-TRX通路等)降低TXNIP的表達(dá)，從而預(yù)防糖尿病及其相關(guān)并發(fā)癥。但另一方面，由于TXNIP的抗腫瘤活性，在肝臟、腸道等組織長期抑制TXNIP水平可能會增加腫瘤發(fā)生的風(fēng)險，因此如何提高藥物的組織特異性是預(yù)防治療糖尿病及其相關(guān)并發(fā)癥發(fā)生發(fā)展的研究重點(diǎn)。