Caspase家族與2型糖尿病胰島β細胞凋亡的關系

李娟　陳莊

【摘要】 2型糖尿病已成為繼心腦血管疾病和惡性腫瘤之后危害人類健康的第三大非傳染性疾病，嚴重影響患者的生命和健康。2型糖尿病的發病機制尚未完全闡明，目前認為2型糖尿病是一種慢性炎癥性的疾病，研究發現在糖尿病的早期階段就已經出現β細胞凋亡和胰島體積的縮小。但引起β細胞凋亡的機制有許多因素牽涉在內，如胰島β細胞長期受到高血糖癥、高游離脂肪酸、過多的胰島淀粉樣物質沉積及炎癥細胞因子的影響或這些因素的聯合慢性作用，使β細胞內環境逐漸破壞，導致胰島β細胞功能障礙及凋亡。Caspase家族在細胞凋亡的過程中處于關鍵地位，涉及死亡受體途徑、線粒體信號途徑和內質網途徑，為進一步了解2型糖尿病的凋亡機制提供幫助。

【關鍵詞】 Caspase家族； 2型糖尿病； 胰島β細胞； 凋亡

中圖分類號 R587.1 文獻標識碼 A 文章編號 1674-6805（2016）4-0154-02

doi：10.14033/j.cnki.cfmr.2016.4.086

糖尿病是一種慢性代謝性疾病，分為1型和2型糖尿病，其中2型占糖尿病患者的90%。2型糖尿病的發病機制主要有兩個環節，即胰島β細胞分泌胰島素不足和胰島素抵抗。現在越來越多的研究發現胰島β細胞凋亡導致胰島素分泌不足在2型糖尿病的發生、發展中起著重要作用，將Caspase家族與2型糖尿病胰島β細胞凋亡相關的凋亡途徑進行總結，現報告如下。

1 半胱氨酸蛋白酶（Caspase）與細胞凋亡

1.1 Caspase的定義及分類

Caspase家族在細胞凋亡的過程中處于關鍵地位，它是直接導致凋亡細胞裂解的具有特異天冬氨酸半胱氨酸的半胱氨酸蛋白酶系統。誘導細胞凋亡的因素很多，大致可以分為兩大類：胞內細胞因子和細胞外刺激因子。證據表明，在一些內外誘導因素的作用下，任何一種或多種凋亡信號傳導途徑在細胞內被活化，最終都將集中在Caspase家族。迄今為止，在哺乳動物中，已經發現至少有14種Caspase成員參與了細胞凋亡。刺激不同的蛋白酶，激活的Caspase誘發的細胞凋亡也不盡相同。但在哺乳動物細胞凋亡的過程中，最終執行凋亡效應大都要經過Caspase-3這一核心作用。

1.2 Caspase與胰島β細胞凋亡

到目前研究發現，與激活Caspase有關的凋亡信號轉導通路有以下幾條。

1.2.1 死亡受體/細胞質膜信號傳導途徑 位于細胞膜上的死亡受體（death receptor，DR）與死亡配體（death ligand，DL）特異性結合后，組成死亡誘導信號復合體，將凋亡信號由胞外傳至胞內，激活caspase的級聯反應，導致凋亡的發生。現發現的死亡受體/配體系統有：Fas/FasL、TNFR1/TNF-α、DR4、DR5/TRAIL、DR3/APO-3L等，其中Fas/FasL目前研究最多。

Ou等[1]研究發現TRAIL介導的細胞凋亡通路與1型糖尿病發病有關，但在2型糖尿病中的機制尚不清楚。在正常的胰島β細胞表面并不表達Fas，但在2型糖尿病患者的胰島β細胞表面可檢測到異常表達的Fas[2]。除此之外脂毒性、瘦素、白細胞介素-1β（IL-1β）均可誘導Fas的上調[3-5]。Park等[6]最新研究發現胰島淀粉樣多肽（IAPP）的沉積也可上調胰島β細胞表面的Fas受體，啟動凋亡級聯反應。其余受體介導的胰島細胞凋亡途徑目前報道甚少。

1.2.2 線粒體信號轉導途徑 當細胞受到某些病理性或生理性刺激時，可導致細胞內線粒體的通道性轉換孔道開放，使線粒體基質內的大分子物質釋放出來，如細胞色素C、Pro-Caspase-2、Pro-Caspase-9。釋放出來的細胞色素C與調亡細胞蛋白酶活化因子（apoptosis protease activating factor-1，Apaf-1）結合形成復合物激活下游的Caspase-9、Caspase-3等從而導致細胞凋亡。

目前研究發現在慢性高糖、高游離脂肪酸的刺激下，氧化應激在2型糖尿病的發生、發展起了重要的作用。氧化應激是指自由基如活性氧（reac-tive oxygen species，ROS）和活性氮（reactive nitrogen species，RNS）的產生造成機體組織細胞DNA、蛋白質等的損傷。胰島β細胞比起其他細胞更容易遭受氧化應激的損害，因為胰島β細胞合成的過氧化物解毒酶較少，抗氧化能力差，隨著血糖的增高，產生的自由基也會增加。產生的ROS會攻擊線粒體膜上的心磷脂，而借助心磷脂錨定的Cyt-c會從線粒體內膜分離下來釋放到胞漿中[7]，進而激活Caspase-9、Caspase-3，誘導凋亡的發生。Bcl-2抗氧化家族在細胞內發揮著抗氧化作用，Bcl-2、Bcl-xl等抗凋亡蛋白與Bax、Bak、Bid促凋亡蛋白正常時維持著動態平衡，當高糖氧化應激時，Bax等促凋亡蛋白增加，促發細胞凋亡，其促發凋亡效應的機制是促凋亡蛋白Bax和Bak可能控制著線粒體凋亡途徑中的多個起始Caspase的激活[8]。研究發現不僅是高血糖，2型糖尿病患者因胰島素抵抗，會因脂質長期存在于細胞內導致過載引起的氧化應激導致胰島β細胞的功能衰退。其機制可能是因為飽和脂肪酸特別是軟脂酸會下降成年鼠胰島β細胞線粒體內膜ATP/ADP的交換，導致線粒體外膜受損通透性增加Cyt-c釋放，導致細胞凋亡[9]。Piro等[10]也發現鼠胰島分別暴露于高FFA和高糖環境中，β細胞凋亡增加。另外高ROS水平會直接激活炎癥因子的產生，如白介素-1、轉化生長因子β、細胞粘附分子、單核細胞趨化蛋白-1等，并引起NF-κB激活，誘導細胞損傷。梁瑜禎等[11]就發現高糖時，炎癥細胞因子增加會使胰島細胞通過激活NF-κB信號通路激活Caspase誘導凋亡。

1.2.3 內質網細胞凋亡信號傳導途徑 內質網擔負蛋白質的合成、翻譯后修飾和正確折疊及轉運的重要生理功能，在糖、脂代謝中起重要作用。當細胞遇到損害因素時，會造成大量未折疊或錯誤修飾的蛋白質在內質網中持續堆積，導致細胞凋亡。同時它還是細胞內最主要的鈣庫，維持細胞內鈣穩態。

胰島β細胞具有高度發達的內質網，研究發現IAPP、軟脂酸能使胰島β細胞出現內質網應激，導致胰島β細胞凋亡[12-13]。已知的內質網應激后可通過CHOP途徑、c-Jun氨基端激酶（JNK）途徑，Caspase-12途徑等誘導細胞凋亡。

CHOP是一種轉錄因子，正常生理條件下CHOP蛋白幾乎不表達，而在內質網應激時CHOP能被強烈誘導。研究證實CHOP敲除小鼠的胰島，表現出較少的細胞凋亡和增強的未折疊蛋白反應基因的表達[14]。其具體凋亡機制是可能是因為轉錄因子 ATF4、ATF6、XBP1 進入細胞核激活Caspase-3而誘導細胞凋亡的[15-16]。

Hotamisligil等[17]將大鼠胰島細胞用H2O2處理后，發現內質網應激中JNK信號通路被激活，胰島素基因表達水平出現了下降，而抑制JNK的活性可以保護β細胞免受傷害。Ozcan研究也發現在糖尿病肥胖小鼠的模型中，JNK蛋白的總活性是上升的[18]，改通路誘導凋亡的具體機制可能是（1）內質網應激激活的IRE-1募集腫瘤壞死因子受體相關因子2（TRAF-2）和凋亡信號調控酶1（ASK-1），使得JNK活化，再去激活促凋亡蛋白Bax、Bax分子增加線粒體通透性，釋放出細胞色素C，激活Caspase-3和Caspase-7，導致細胞凋亡[19]；（2）激活的IRE-1還可以促進Caspase-12的激活，然后促進Caspase的級聯反應誘導凋亡[20]。

內質網應激可以導致Ca2+的平衡紊亂，例如FFA誘導β細胞發生內質網應激能夠增加細胞庫容性的Ca2+內流，使Caspase-12和Caspase-3激活促進了β細胞的凋亡[21]。另外Bc1-2家族蛋白也參與了細胞內Ca2+的調節與釋放，ER應激后激活了CHOP蛋白和JNK激酶，兩者能夠抑制Bcl-2的抗凋亡功能，導致Bax和Bak構象發生變化，破壞了內質網膜的完整性，引起內質網釋放Ca2+，從而觸發細胞凋亡[22]。

總之，糖尿病胰島β細胞的凋亡途徑不是孤立的，而是相互聯系的。

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（收稿日期：2015-10-01）