2型糖尿病患者β細胞去分化信號轉導機制研究進展

蔡皓偉 李春月 杜 君 李 靜 楊永歆 李 忠

伴隨著我國人口老齡化進程的加快和生活方式的改變，我國成人糖尿病患病率顯著增加。據相關研究顯示，我國18歲及以上人群糖尿病患病率為10.4%。2017年國際糖尿病聯盟指出，預計到2045年全球糖尿病患者將增至6.09億。目前我國人群糖尿病發病以2型糖尿病為主，1型糖尿病及其它類型糖尿病少見，但2型糖尿病的發病機制尚不明確，其病理、生理學特征為胰島素調控能力下降伴隨β細胞功能缺陷。胰島β細胞功能障礙是2型糖尿病發生的重要環節之一。以往的觀點認為2型糖尿病患者的胰島功能下降是胰島細胞的過早凋亡，而研究發現胰島β細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細胞數量的下調是其主要原因。在各種代謝環境下β細胞發生去分化改變，分化成了具有多項分化潛能的內分泌祖細胞。影響細胞去分化有多個環節因素，其最重要的是轉錄因子通過不同的信號通路對β細胞的去分化產生影響。干預去分化或轉分化將為2型糖尿病的治療帶來新的方向，然而β細胞分化為其它細胞的途徑機制涉及多種因子和信號轉導通路，系統性認識轉導信號通路有助于了解胰島細胞功能的本質，本文將從細胞去分化過程中可能涉及的信號通路和相關信號因子做以下綜述。

1 胰島β細胞去分化概述

細胞分化是原始細胞分裂功能之一，分化的細胞失去特有的結構和功能，在各種因素作用下回到未分化祖細胞特性的過程稱為細胞去分化，細胞去分化的調控可以在不同的水平上進行，如轉錄水平、翻譯水平以及蛋白質形成后活性調節水平等。β細胞從胚胎時期到成熟的過程，需要多種基因復雜的調控，多種信號通路中有各種轉錄因子參與其中，精細調控著細胞的分化，而這一過程目前尚未完全闡明，有研究提出，在糖尿病發病機制中，β細胞去分化具有重要作用，其中轉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及葡萄糖轉運蛋白2表達下降，β細胞回到原始幼稚狀態。這種分化主要是β細胞轉化為內分泌前體細胞狀態，或者轉分化為α細胞、pp細胞等其他內分泌細胞。在胰腺發育早期可由祖細胞分泌轉錄因子神經元素3，對細胞調控去分化起主要作用。是何種信號通路對去分化產生關鍵作用目前尚不清楚，因為在細胞的分化、轉分化的過程中，細胞因子通過不同信號通路進行信息傳遞。

2 不同信號通路參與去分化過程

2.1 哺乳動物雷帕霉素靶蛋白復合物1(mechanistic target of rapamycin complex 1，mTORC 1)信號通路 mTORC 1是一種多蛋白復合物，由哺乳動物雷帕霉素靶蛋白mTOR、同源蛋白mLST8、調節蛋白Raptor、Akt底物1-PRAS40和交互蛋白DEPTOR組成。其功能是促進細胞生長、生物合成、營養物質的吸收等，也能抑制細胞自噬。雷帕霉素、生長因子、胰島素、理化因素等因素能夠控制 mTORC 1的生物活性。這些因素通過下游的真核轉錄因子4E結合蛋白1和S6K1,使mRNA 5’端起始復合物激活，實現調控細胞增殖、分化。研究發現，胰島細胞mTORC 1通過調節Cyclin D2(β細胞周期，增殖和質量的關鍵調節劑)進而影響胰島β細胞的增殖、生長。激活mTORC1可以促進胰島細胞胰島素的分泌。國內學者對血糖正常的部分(60%)胰腺切除術的小鼠觀察發現，mTORC1途徑可介導β細胞代償性增殖，促進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信號后不僅可以抑制細胞增殖，同時能減少細胞周期蛋白D2蛋白的濃度。另一研究顯示，S6K通過磷酸化負調控區域的位點參與正反饋調節刺激mTORC1的活性，進而調控胰島素的分泌。mTOR分為mTORC1和mTORC2兩個因子，當出現胰島素抵抗時，機體通過增加β細胞中的mTORC1/mTORC2信號可以增加β細胞數量和促進胰島素分泌。但是，當這些反饋機制失效時，就會出現2型糖尿病。國外學者研究發現敲除小鼠mTORC1關鍵組蛋白Rapko，這些轉基因小鼠在出生后4周即出現了顯性糖尿病，并存在嚴重的胰島素分泌缺陷，8周后在胰島細胞觀察到尚未分化成熟的細胞。mTORC1間接調控HIF-1α和膽固醇結合蛋白來調節糖代謝，以促進葡萄糖的吸收與利用，抑制α酮戊二酸脫氫酶活性；其還通過磷酸化自噬相關蛋白ATg13抑制細胞自噬。因此，mTORC1可以影響胰島β細胞分化趨勢。研究發現mTOR介導的信號傳導途徑對于β細胞生長是非必需的，只在正常或者糖尿病形成條件下參與了調節β細胞分泌功能。因此，所有影響這一信號通路的因子能夠干預β細胞的去分化，但不是主要的途徑。

2.2 蛋白激酶B(protein kinase B，Akt)信號通路 蛋白激酶是催化蛋白質磷酸化過程的酶，可分為蛋白激酶A、Akt、蛋白激酶C和鈣調蛋白激酶。1991年，Akt被鑒定屬于絲/蘇氨酸激酶家族，它廣泛表達于各組織。Akt是生長因子和胰島素等重要生理刺激調節的受體酪氨酸激酶的下游靶分子。叉頭轉錄因子1(forkhead box transcrition factor 1,FoxO1)是Akt信號路徑的下游效應分子，通過調節細胞的氧化應激、增殖及凋亡等多種生理過程，參與機體的生長發育、代謝及腫瘤形成。Akt通過調控FoxO1 的磷酸化，使其結合細胞核中的伴侶蛋白，促進FoxO1從細胞核轉移至細胞漿。在細胞漿中伴侶蛋白將FoxO1核定位信號封閉，使其定位于細胞漿中。FoxO1主要表達在胰腺細胞、肝細胞、脂肪細胞中，是一種多功能蛋白，為叉頭蛋白大家族的分子之一，它在參與調節細胞增殖、凋亡、衰老、分化、應激、自噬、代謝中發揮重要作用。另一項研究發現，FoxO1可以維持β細胞終末分化狀態以及抑制胰腺祖細胞分化為β細胞，維持這一平衡狀態取決于磷酸化和去磷酸化水平。有研究發現大量胰島素表達陰性的細胞存在于2型糖尿病動物模型的胰島中，FoxO1 的進行性丟失使該類細胞能表達嗜鉻粒蛋白-A、神經元素3、Oct等前β細胞標志物。國外學者研究發現正常血糖小鼠胰島β細胞中FoxO1 僅局限于胞漿中，當高血糖狀態時，少量FoxO1出現在細胞核中,其機制可能是FoxO1失去了免疫熒光活性，同時β細胞喪失了胰島素分泌功能。FoxO1參與抑制β細胞去分化，敲除小鼠FoxO1在高齡或產后群體中胰島功能開始下降，與其β細胞發生去分化有關。去分化后的β細胞轉化為具有多項分化潛能的內分泌祖細胞樣細胞,影響內分泌功能，導致胰島β細胞功能下降。關于在糖尿病中FoxO1的研究大多為動物研究，還有研究發現，通過給予干預因素，增加FoxO1活性可降低胰島β細胞衰竭程度。

2.3 核因子κB(nuclear factor κB，NF-κB)通路 NF-κB是一種控制轉錄的DNA蛋白復合物，存在于所有動物細胞類型中，是細胞內重要的核轉錄因子，參與機體的炎癥反應、免疫應答，進而調節細胞凋亡、應激等反應。它有NF-κB 1、NF-κB 2、RelA、RelB和c-Rel 5個成員，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，無前體。 NF-κB信號轉導通路主要有經典通路、非經典通路和旁通路3種，作為轉錄因子可以正向調節1型血管緊張素II受體(angiotensin receptor，AngII)的基因表達，且血管緊張Ⅱ通過活性氧通路及絡氨酸激酶Src/蛋白激酶P13k通路激活NF-κB。非活化的NF-κB復合物包括p65亞基和抑制性核因子κB抑制因子a(nuclear factor κB inhibitor，IκB a)。機體處以應激反應時，激酶抑制性亞基IκBa從復合物釋放進而促進p65向細胞核轉移，從而產生基因的轉錄調控。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活性的血管緊張素I，再由血管緊張素轉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志，通過與AnglI受體結合，維持血壓及水電解質平衡。研究發現，長期高血糖環境可激活胰島局部腎素-血管緊張素系統(renin-angiotensin system，RAS)系統，通過增強氧化應激及炎癥通路導致β細胞凋亡增加減少細胞數量，還可以通過上調細胞血管緊張素受體亞型表達減少胰島局部血流和胰島素的生物合成。研究表明，血管緊張素轉化酶抑制劑能夠降低高血壓患者新發糖尿病的風險，先前考慮與其介導的血管收縮有關，后通過研究證明AngII是通過白細胞介素1β或NF-κB通路導致胰島炎癥損傷。AngII激活多種不同類型細胞的NF-κB通路，有實驗研究表明RAS抑制劑在糖尿病中的心肌細胞保護作用可能與NF-κB炎癥反應減少有關，而抑制IκB激酶可以防止AnglI誘導的促炎細胞因子水平上調。國內學者研究發現，通過阻斷RAS及其炎癥通路可以顯著減少神經元素3陽性表達面積，進而減少胰島細胞的去分化。通過抑制RAS和NF-κB通路，β細胞重新獲得了特征性標志物，在某些情況下，去分化可能是β細胞走向衰竭過程中的保護機制，而通過恢復這些中間狀態的分化細胞，可改善胰島素分泌狀態。

2.4 不同通路聯合調控 在β細胞去分化復雜的過程中，很少是通過單一的通路完成去分化，大部分都是通過關鍵因子激活或者下調多種通路中的相關因子促進β細胞去分化，而生物體這種高級聯合調控作用能夠更準確地調節去分化信號片段，進而完成再分化的目標。研究發現，相互作用途徑的信號網絡抑制正常細胞的增殖并阻止異常分化的發生，而其中關鍵信號因子的激活可能引起多種通路同時進行調節，表達不同的信號共同調節β細胞，同時形成反饋回路表達不同的因子，如Wnt/β-catenin信號激活通過抑制YAP/TAZ和Notch信號之間的正反饋回路抑制細胞生長,最終調節β聯蛋白的表達。研究發現，信號轉導與異常激活時會導致其他信號轉導通路相互作用，表明相互作用的信號轉導網絡共同發揮作用，而不是單個信號轉導通路在抑制細胞異常分化，如Wnt/β蛋白、NF-κB和STAT3信號可被同時激活。在肝糖原相關基因的調控中，細胞周期蛋白D依賴性激酶可以將細胞外信號轉導與調節DNA復制和有絲分裂的細胞周期信號整合在一起，這一過程中依次涉及Ras、磷脂酰肌醇-3-OH激酶(PI3K)和Akt的信號通路。

綜上所述，β細胞失去原有的細胞形態轉分化為非β細胞或者祖母細胞身份這一復雜過程通過多種信號通路進行信息調控、傳遞表達。胰島β細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通路之間有各自的獨立性，也相互影響。β細胞去分化在一定程度上是可逆的，通過代謝水平的改變，細胞形態也隨之發生變化。細胞分化、去分化為了解β細胞功能受損機制提供新的思路，也為2型糖尿病的治療帶來了新的靶點。研究胰島β細胞去分化信號通路有助于研究保護胰島細胞形態、促進胰島β細胞增殖、提高胰島β細胞分泌轉錄因子的方法，為化學藥物、中藥、針灸等改善胰島細胞功能提供依據。因此，進一步明確信號通路的關鍵調控基因至關重要，可以幫助了解2型糖尿病的發生、發展機制，為干預β細胞去分化、逆轉去分化提供參考。