硫氧還蛋白相互作用蛋白在糖尿病及其并發癥中的作用

張永蘭，綦遠豪，張 嬌

(重慶理工大學 藥學與生物工程學院， 重慶 400054)

0 引言

糖尿病是一種常見的代謝性疾病，其特征是胰島細胞功能障礙及機體對胰島素敏感性降低導致的血糖持續升高[1]。機體長期處于高血糖狀態會導致各種急性并發癥的發生發展，藥物治療通常很難逆轉這一過程，因此盡早預防是緩解糖尿病及其并發癥的重要途徑[2-3]。胰島β細胞在糖尿病發病中起著關鍵作用[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細胞功能，而直接移植胰島則會引起機體嚴重的免疫抑制反應，因此如何促進β細胞存活、防止其凋亡以及延長β細胞生命周期成為新的關注點。

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

1 TXNIP與細胞氧化還原狀態

TXNIP最早發現于1,25-二羥維生素D3處理的人急性早幼粒白血病HL-60細胞中，因此又稱為維生素D3上調蛋白1(vitamin D3 upregulated protein 1,VDUP1)[8-9]。研究表明此蛋白能與TXN相結合從而抑制TXN的表達和活性，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，作為多功能支架蛋白參與蛋白-蛋白相互作用，廣泛介導信號傳遞過程[9,11]。

TXNIP與細胞氧化狀態密切相關，細胞內氧化還原平衡受到包括TXN系統、谷胱甘肽系統在內的眾多氧化還原系統的調節，如圖1所示。

圖1 TXNIP在細胞氧化還原過程中的作用

細胞內氧化還原水平的失衡會使ROS過度產生，導致氧化應激狀態，嚴重損傷細胞的結構功能[12]。TXN有TXN1和TXN2兩種異構體[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]。在細胞中，TXNIP結合并抑制TXN1，從而影響TXN1還原氧化蛋白的能力，引起細胞內氧化蛋白積聚增加，導致氧化應激并加劇細胞對凋亡的敏感性[14-15]。TXNIP還可轉位到線粒體中，競爭干擾凋亡信號調節激酶(apoptosis signal regulating kinases 1,ASK-1)與TXN2的結合，導致ASK-1的釋放與磷酸化、細胞色素C(Cyt C)釋放，啟動β細胞的凋亡信號級聯反應[6]，促使細胞凋亡。另外，在細胞核中，TXNIP還可以通過誘導miR204的表達而下調胰島素轉錄因子(MafA)的表達，導致胰島素分泌減少[16-17]。

2 TXNIP在糖尿病及其并發癥中的作用

2.1 TXNIP與糖尿病

β細胞功能障礙和胰島素分泌減少是導致糖尿病的關鍵因素，正常機體內β細胞合成并釋放足夠量的胰島素以維持血糖水平[18]，但β細胞內較低的抗氧化酶水平導致其易受氧化應激的影響，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細胞的功能[19]，因此β細胞氧化還原平衡對糖尿病的發生發展至關重要。TXNIP與細胞氧化狀態密切相關，研究發現，糖尿病患者β細胞中TXNIP表達上調，TXNIP通過增加細胞內氧化應激水平、激活ASK-1下游的細胞凋亡途徑發揮促細胞凋亡作用[20]，因此抑制TXNIP的表達可從一定程度上提高β細胞的存活率。

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細胞中TXNIP的表達，減少糖尿病患者β細胞的凋亡，其具體作用機制是通過阻斷L型鈣通道，降低細胞內游離鈣離子的濃度，從而抑制TXNIP的轉錄。Xu等[22-23]也研究了維拉帕米降低TXNIP水平的具體機制，發現維拉帕米可通過降低細胞內鈣水平，抑制鈣調磷酸酶的信號傳遞，影響碳水化合物反應元件結合蛋白與TXNIP啟動子的結合，進而抑制TXNIP的表達，最新的RNA測序也進一步證實了維拉帕米可通過調節TXN系統，增加人胰島細胞抗氧化、抗凋亡作用，持續口服維拉帕米可以有效延緩T1DM進展。在一項比較維拉帕米和其他口服鈣通道阻滯劑的試驗中，發現服用維拉帕米受試者的2型糖尿病(type 2 diabetes mellitus,T2DM)發生率更低[24]。Ovalle等[25]進行了隨機雙盲試驗，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%，這表明在標準胰島素方案基礎上每日口服一次維拉帕米，可以改善β細胞功能，減少胰島素的需求，防止低血糖的發生[25]。另外，Shalev團隊近來從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的表達及信號傳導而有效逆轉鏈脲佐菌素誘導的小鼠糖尿病[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與糖尿病并發癥

糖尿病患者體內蛋白質及糖脂代謝紊亂，可引起機體多個組織器官慢性病變，TXNIP作為TXN內源性抑制劑在血糖升高時高表達，TXNIP水平增加會抑制TXN的功能，使糖尿病病情加重，導致糖尿病并發癥的發生[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癥之一，其主要特征是內皮細胞功能障礙[30]。TXNIP可以調節血管內皮生長因子(vascular endothelial growth factor,VEGF)的水平[31]。研究表明，高糖誘導的TXNIP過量表達可導致內皮細胞功能受損，減少一氧化氮 (NO)釋放，降低VEGF產生和細胞對VEGF作用的敏感性，提高ROS水平和血管細胞粘附分子1(vascular cell adhesion molecule-1,VCAM-1)的表達[32]；而靶向敲除或沉默TXNIP可以逆轉高糖引起的內皮細胞血管生成功能損傷[31,33]。Meszaros等[34]發現TXNIP的表達水平與血管生成和常規腎細胞癌術后復發密切相關。非諾貝特(fenofibrate)主要用于降低心血管疾病患者的膽固醇水平，近來研究發現，非諾貝特逆轉了高糖誘導的TXNIP的表達，而TXNIP腺病毒過表達可抑制非諾貝酸 (FFA)對損傷的內皮細胞的修復作用，這表明FFA的修復作用是通過TXNIP介導的[35]。以上結果提示TXNIP在糖尿病血管生成障礙的發病機制中起重要作用。

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改變和足細胞丟失，最終導致腎濾過功能受損[38]。雖然目前認為慢性高血糖是DN的主要原因，但其明確的分子發病機制仍不清楚[39]。TXNIP在腎臟表達豐富[40]，研究表明TXNIP可誘導氧化應激，導致DN病情發展[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沉積，緩解了DN[42]。Xiao等[43]發現右美托咪定(dexmedetomidine)可通過抑制P38-MAPK通路，降低TXINP在糖尿病腎臟中的表達而改善DN。Ji等[44]發現，DN狀態下，調節FOXO1/TXNIP-TRX通路可以減弱細胞ROS的產生，預防高糖誘導的近端腎小管上皮細胞的損傷，提示TXNIP可能是DN的新治療靶點。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上調和減弱氧化應激[36]。因此，抑制TXNIP可能有助于DN的治療。

2.2.3TXNIP與糖尿病視網膜病變

近年來，隨著糖尿病發病率逐漸上升，糖尿病性視網膜病變(diabetic retinopathy,DR)患者也日益增多。DR可引起不可逆的視網膜損傷，是糖尿病最常見的微血管并發癥之一[45]。視網膜是一個獨特的器官，它含有高濃度的多不飽和脂肪酸，需氧量很高[46]，因此視網膜及其血管系統更容易受到氧化應激的影響。TXNIP在轉錄后水平直接激活免疫系統中負責炎癥反應的NOD樣受體蛋白3炎癥小體(nod-like receptor protein 3,NLRP3)，在轉錄水平上，TXNIP可導致核因子κB (nuclear factor kappa-B,NF-κB)途徑的激活、促炎細胞因子的表達增加，從而引起視網膜炎癥及DR[47-48]。Duan等[49]發現TXNIP基因敲除可抑制高糖引起的ROS產生、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誘導的血管生成。最近一項關于視網膜神經退行性疾病與TXN系統的研究表明，曲尼司特可顯著減少TRX抑制劑(auranofin)導致的視網膜損傷，其具體作用與TXNIP在DR中抑制TXN系統有關[50]。研究發現，非諾貝特可顯著增加糖尿病大鼠的視網膜血管通透性和視網膜毛細血管基底膜厚度，通過恢復VEGF和P65水平、降低TXNIP表達和氧化應激水平，預防糖尿病引起的視網膜微血管功能障礙[51]。這些研究提示TXNIP也可能是治療糖尿病視網膜病變的潛在靶點。

3 結論

胰島β細胞功能障礙是糖尿病主要的發病機制之一。在糖尿病病理生理過程中，ROS生成增加，抗氧化系統活性下降，細胞長期處于氧化應激狀態，進而導致多種并發癥的發生。TXNIP表達的降低可以減少胰島β細胞凋亡，在炎癥和凋亡途徑中都發揮重要作用。目前已經發現，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、調節FOXO1/TXNIP-TRX通路等)降低TXNIP的表達，從而預防糖尿病及其相關并發癥。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生的風險，因此如何提高藥物的組織特異性是預防治療糖尿病及其相關并發癥發生發展的研究重點。