1、高糖对胰岛 细胞功能影响研究进展cellsJ.MuratRes,2005,581(12):14115219WangY,KlijnJGM,ZhangY,eta1.Geneexpressionprofilestopredictdistantmetastasisoflymphnode-negativemarybreastcancerJ.Lancet,2005,365:67167920JazaefiAA,AwtreyCS,ChandramouliGV,eta1.GeneexpressionprofilesassociatedwithresponsetochemotherapyinepitheliMov
2、ariancancer8J.ClinCancerRes,2005,11(17):6300631021IsabellarlT,DaiM,OwenDA,eta1.Genome-wideexpressionanalysisoftherapyresistanttumorsrevealsSPARC88anoveltargetforcancertherapyJ.JClinInvest,2005,115(6):14921502高糖对胰岛 p 细胞功能影响研究进展李励,罗佐杰(审较)(广西医科大学研究生院,南宁 530021)文章编号1673-7768(2007)05-0824-04摘要诸多研究表明长期而持续
3、的高血糖是导致 13 细胞功能缺陷的重要因素,包括早期减少葡萄糖刺激的胰岛素分泌和最终不可避免地减少胰岛素基因转录和 13 细胞数量,本文就近几年来有关高血糖对胰岛 13 细胞功能影响的研究进展作简要归纳,深人认识糖尿病的发病机制和致病过程,将更好地防治 2 型糖尿病具有重要意义.关键词 高糖 ,胰岛 13 细胞中图法分类号R587.1 文献标识码A糖尿病是一种由于体内胰岛素的相对或绝对不足而引起糖,脂肪和蛋白质代谢紊乱的全身慢性代谢性疾病.由于其对视网膜,肾小球的微血管和周围神经及心脏,脑,下肢的大血管的损害而大大缩短预期寿命和降低生活质量.13 细胞是胰岛中分泌胰岛素的内分泌细胞,影响 1
4、3 细胞分泌胰岛素的因素有血糖,氨基酸,激素,神经递质等,其中最重要的是血糖.无论是 1 型糖尿病,还是 2 型糖尿病,最主要的代谢紊乱是高血糖,越来越多的研究表明慢性高血糖对 13 细胞有毒害作用,可进一步加重糖尿病时 13 细胞功能缺陷.以下就近几年来有关高血糖对胰岛 13 细胞功能影响的研究进展作简要归纳.1 糖尿病流行及其后果最近几十年中,全球糖尿病患者以惊人的速度在迅速增长.国际糖尿病联合会估计,2003 年全球有 1.94 亿糖尿病患者,预计到 2025 年全球糖尿病患者将有 3.33 亿,届时中国的糖尿病患者将达到 5000 万.糖尿病可以引起冠心病,脑卒中,失明,截肢等严重后果
5、,造成了严重的经济负担和社会压力.2 长期高血糖损害 B 细胞的胰岛素分泌功能高血糖被广泛地认为是引起糖尿病和糖尿病并发症的根源,包括早期减少葡萄糖刺激的胰岛素分泌和最终不可避免地减少胰岛素基因转录和 13 细胞数量.存在糖耐量低减的病人中,降低血糖水平可以减缓发展为 2 型糖尿病的进程,提示糖毒性在糖耐量低减进展成为糖尿病的过程中扮演了非常重要的角色.2.1 高血糖减少葡萄糖刺激的胰岛素分泌(glucose-stimulatedinsulinsecretion,GSIS)葡萄糖刺激胰岛素分泌的机制是葡萄糖增加 ATP 的合成,减少游离 ADP,导致 ATP 敏感性 K 通道关闭,细胞去极化,
6、Ca 通过 Ca 电压门控通道内流,并产生一系列的级联放大效应使胰岛素分泌颗粒胞吐,胰岛素分泌到细胞外.正常的葡萄糖刺激胰岛素分泌是一个双相分泌模式】:第一相是快速分泌相,持续 510rain,是由于激动了依赖 ATP 敏感性 K 通道的 ca“内流,第二相是持续相,由一系列第二信使调节包括 DAG,cAMP,Ca“等.在 2 型糖尿病病人中这种分泌模式紊乱,出现第一相缺失,第二相平坦.2.1.1UCP2 的激活解偶联蛋白(uncouplingproteins,UCP)是表达于线粒体内膜,从 ATP 合酶中解开呼吸链的一类蛋白 ,能够通过解偶联氧化磷酸化作用调节细胞的 ATP 产生.UCP2表
7、达于胰岛 13 细胞,是胰岛素分泌的负性调节因子,它能减少葡萄糖刺激胰岛素分泌.UCP2 的作用包括:(1)控制 ATP合成;(2)调节脂肪酸代谢 ;(3)控制活性氧簇的产生.在胰腺B 细胞 UCP2 介导的质子运动减少了由葡萄糖引起的 ATP 生成.有学者研究发现,在 UCP2 缺陷的大鼠的胰岛中,ATP水平增高及增加葡萄糖刺激的胰岛素分泌.UCP2 在 ob/ob 小鼠中(一种肥胖型糖尿病模型)显着增加,在敲除了 UCP2 基因的 ob/ob 小鼠中恢复了 I 相胰岛素分泌,血糖水平下降 ,血浆胰岛素水平增加.Patane 等也发现在高血糖时胰岛的 UCP2是增加的.由此可见,高血糖引起线
8、粒体过氧化物生成增加导致 UCP2 激活,结果损害了葡萄糖诱导的胰岛素分泌.2.1.2MafA 和 MarK 过度表达损害葡萄糖刺激胰岛素分泌反应 MafA 是转录因子 Mar 家族的成员之一,属于碱性亮氨酸拉链转录因子,它对 13 细胞内胰岛素基因转录有着重要作用.Kitamura 等1 叫发现在活体内高血糖抑制 MafA 表达.而 Nomu-ra 等 “发现在小肠中使 MafA 过度表达能诱导小肠上皮细胞产生和释放胰岛素.Shimohata 等研究发现,小鼠因为葡萄糖刺激胰岛素分泌功能的受损而出现早发的高血糖,组织学上出现胰岛的肥大,通过电泳分析发现 MafA 在转基因小鼠中显着增加,出现
9、了代偿反应.2.1.3 葡萄糖转运蛋白 2(GLUT2)表达减少葡萄糖转运蛋自 2 是葡萄糖转运蛋自(GLUTs) 家族的一员.葡萄糖转运蛋自能催化血中葡萄糖的转运,促进葡萄糖进入靶组织,降低其内斟 2007 年 1O 月第 2 卷第 5 期浓度.目前已经发现了 5 个确定功能的亚基(GLUT1-4 和GLUTXI),GLUT2 是一种存在于肝,肠,肾和胰岛 B 细胞的低亲和力的葡萄糖转运蛋白.生理情况下,葡萄糖经 GLUT2 进入细胞内,与葡萄糖激酶共同形成葡萄糖感受器,调节胰岛 B细胞中的胰岛素分泌.在糖尿病动物模型中观察到高血糖使B 细胞的 GLUT2 减少,造成葡萄糖转运障碍,影响葡萄
10、糖刺激的胰岛素分解(GSIS).但学者对 GLUT2 减少是否会减少 B 细胞葡萄糖敏感性提出了异议“,在 B 细胞中过度表达 Ras 癌蛋白的转基因小鼠中出现了 B 细胞 GLUT2 的显着减少,但小鼠的血糖是正常的,B 细胞也表现出正常的 GSIS,从这些转基因小鼠中分离的胰岛也表现出对葡萄糖正常的磷酸化和氧化作用.结果提示:在糖尿病中 GLUT2 的减少可能是导致 B 细胞功能缺陷的原因,但是 GLUT2 表达减少并不一定能引起血糖升高.2.1.4 葡萄糖失敏感(desensitizationoftheinsulinsecretingbetacel1)葡萄糖失敏感是指慢性高血糖能使 B
11、细胞对葡萄糖脱敏.Nesher 等报道用葡萄糖或精氨酸连续多次短时刺激离体大鼠胰岛结果发现,抑制胰岛的胰岛素分泌反应.Boden 在体内实验也提示 B 细胞长期处于高糖水平将降低其对葡萄糖的敏感性.saJ(o 等认为脱敏是由于 B 细胞过度受刺激所致,而不是高血糖本身,B 细胞对葡萄糖的脱敏和糖毒性是不同的,后者是不可逆的损害.Brock 等研究发现当B 细胞株 INS 一 1 在经过高糖培养 4d 后,细胞内的胰岛素 mRNA含量下降将近 90%,但当将此细胞再次在低糖条件培养 4d,这种细胞内的胰岛素 mRNA 含量下降的情况能得到部分逆转 .其机制可能与 3 个主要的 Ca“异常有关:(
12、1) 增加细胞内基础的 Ca“浓度.(2)减弱葡萄糖刺激引起的 Ca“浓度增高.(3)干扰葡萄糖刺激后 ca“浓度慢速率(0.20.5/min)变化的节律.2.2 减少胰岛素基因的表达2.2.1 胰腺十二指肠同源异型盒(PDX 一 1)胰腺十二指肠同源异型盒编码胰腺十二指肠同源框蛋白一 1,它是胰腺发育及胰岛素启动子中非常重要的转录因子,正常时 PDX 一 1 进入细胞核与胰岛素基因结合引起胰岛素 mRNA 转录.长期高血糖可以降低 PDX.1 的活性,抑制胰岛素基因的转录.Robertson 等观察到 HITT15 细胞株在高糖水平数个月后出现了胰岛素基因的逐渐缺失及 PDX.1 在 mRN
13、A 和蛋白水平的丢失,以及联合有 PDX?1mRNA 转录后修饰的终止.Olson 等发现在有胰岛素启动子异常的 HIT-T15 细胞株转染了 PDXI.eDNA 后,胰岛素启动子活性可部分恢复.Hamon 发现在缺失了 PDX.1而导致胰岛素基因表达缺陷的 ZDF 大鼠体内出现了严重的高血糖.促使 PDX 一 1 基因表达及使用胰岛素或降糖药能降低ZDF 大鼠体内的血糖水平.2.2.2CCAAT/增强子结合蛋白 BCCAAT/增强子结合蛋白(C/EBP)是一类含有碱性亮氨酸拉链的转录因子,参与急性期反应,组织分化发育,激素调节以及血细胞生成等相关基因的调节.C/EBPs 以二聚体形式结合于
14、DNA 的特定序列而发挥转录调节作用.整个 C/EBPs 家族包括 C/EBP,C/EBP(NF.II_6,LAP,II_6 一 DBP,AGP/EBP,CRP2,NF.M),C/EBP(Ig/825EBP),C/EBP(NFII_6 一 ,CRP3),C/EBP,andCHOP 一 10 等成员.其中 C/EBP 是胰岛素基因的转录抑制因子 ,可能与碱性螺旋一环一螺旋转录因子 FA7 在结构和功能上的相互作用有关,而后者能降低 B 细胞胰岛素启动子的活性.Lu 等研究发现在 HIT.T15 和 Ins 一 1 两个 B 细胞株中有 C/EBP13 的表达并受葡萄糖浓度的调节,在处于高葡萄水平
15、时出现了 C/EBP13 的不可逆增高.2,2,3RIPE3bRIPE3b 是保守的胰岛素增强子元件之一,对胰岛素基因的表达有重要调节作用并受葡萄糖浓度的调节.RIPE3b 结合蛋白对葡萄糖反应有重要调节作用.Lu 等发现处于长期高血糖水平 RIPE3b 结合蛋白能下调胰岛素基因的转录.2,3B 细胞肥大,凋亡高糖对胰岛 B 细胞的转归有双重作用:短期处于高糖水平对 B 细胞有促进增殖作用,长期有诱导凋亡作用.Langc 等研究发现 Ki-67 蛋白(一个细胞增殖标志)在血糖正常的小鼠中,B 细胞 Ki-67 标记指数在 0.14%一1.5%之间 ,而在糖尿病小鼠中 1%3%之间,这表明 B
16、细胞在葡萄糖刺激下出现了肥大增生.2.3.1Bcl 和 Bax 失衡 Bcl 被广泛认为是与调节细胞死亡有关的一类基因.Bel-2 属原癌基因,为一重要的凋亡抑制基因,Bel-2 蛋白具有抗调亡作用.Bax 基因属 bcl 一 2 家族成员,与bel-2 协同作用,调节细胞的凋亡,但它可诱导细胞色素 C 释放,激活 easpase3,诱导细胞凋亡 ,是细胞死亡的促进基因 .Bax和 Bel-2 这对正负凋亡调节基因在体内它们形成二聚体,其比值决定了细胞接受信号后的是否存活.当 bax 的量高于 bcl-2时,诱导细胞凋亡,反之,细胞存活.Jesmin 等研究发现在糖尿病大鼠模型的组织中 Bcl
17、 一 2 蛋白显着减少,使细胞调亡增加.康健等研究也表明,在糖尿病早期 Bax 表达数量增加 .2.3.2CMyc 表达增加 CMyc 是一类具有螺旋一环.螺旋.亮氨酸拉链的原癌基因的转录因子,也是维持正常细胞周期的重要因子,它可以刺激细胞的生长,增殖和抑制细胞的分化.人类的许多肿瘤都是由于 cMyc 基因活化而引起的 ,如肺癌,bur-kittg 淋巴瘤.在分化细胞中,包括成纤维细胞,平滑肌细胞,肝细胞,C Myc 过表达可刺激细胞增长增殖,减少细胞分化,增加细胞对凋亡的敏感性,这与 B 细胞长期处于高血糖所发生的变化非常相象(失去分化增殖能力,细胞肥大,出现凋亡).正常成人胰岛中 CMyc
18、 低表达,这与胰岛的低复制率是一致的,而在糖尿病大鼠 CMyc 表达增加.长期处于高血糖引起 B 细胞内 CMyc 表达增加是由于高糖导致的细胞内 Ca 和 cAMP 水平改变所致.B 细胞 CMyc 基因激活可导致增加增殖和凋亡,选择性下调胰岛素基因.Laybutt 等“研究发现在过表达CMyc 的转基因小鼠中胰岛体积显着增大,核凋亡增多,胰岛素免疫染色细胞显着减少,胰岛素 mRNA 及 GLUT2mRNA 减少.2.3.3053 蛋白糖尿病的生化反应之一是生成糖基化终末产物.在糖基化的过程中可活化转录因子 p53 蛋白,它是一种肿瘤抑制蛋白,可抑制细胞分化,诱导细胞凋亡.053 蛋白特异地
19、结合在 DNA 序列上,直到损坏的 DNA 得到修复为止,如果修复失败 p53 可诱发细胞凋亡.权金星等研究也表明人胰826岛 B 细胞在高糖环境中培养 72h 可显着增加胰岛 B 细胞中3mRNA 表达水平.2.3.4 内质网应激内质网是合成各种分泌蛋白和膜蛋白的器官,正常情况下这些蛋白在内质网通过陪伴分子正确的折叠装配,当未折叠蛋白水平增多陪伴分子负荷过重就会发生内质网应激.内质网应激是由于某种原因使细胞内质网生理功能发生紊乱的一种亚细胞器病理状态.在一种胰岛素基因自发突变的 Akita 小鼠中因胰岛索的错折叠引起内质网应激导致 B细胞数目的减少和 B 细胞的凋亡,这提示了一旦适当的刺激引
20、起了内质网应激就有可能引起 B 细胞的凋亡和 B 细胞功能的损害.2.3.5 胰岛淀粉样多肽胰岛淀粉样多肽(isletamyloidpolypeptide,lAPP)也称作淀粉素(amylin). 由胰岛 B 细胞产生,在葡萄糖和其他促分泌因子的作用下与胰岛素一起分泌,可引起胰岛淀粉样变性,而后者在 2 型糖尿病的发病机制中也起着重要作用.有报道 95%以上的 2 型糖尿病患者胰岛有淀粉样蛋白沉积且沉积量与糖尿病的严重程度有关 J.胰岛淀粉样多肽主要是作用于骨骼肌和肝脏,抑制糖原合成,抑制肌组织对葡萄糖的摄取,抑制肝细胞对葡萄糖的利用和促进肝糖的输出,诱导外周胰岛素抵抗.Butler 研究表明
21、胰岛淀粉样多肽沉积可增加胰岛 B 细胞凋亡.3 氧化应激在慢性高血糖损伤 B 细胞的中心作用许多临床研究表明 2 型糖尿病患者存在氧化应激.Gorogawa 等研究发现在高血糖状态下胰岛表达氧化应激标记物增加,如 8-羟基-2-脱氧鸟苷(8-OHdG) 和 4 一 hydroxy-2,3-none.hal(4-HNE).高糖引起胰岛 B 细胞损伤的途径主要包括葡萄糖自氧化,非酶糖基化作用,己糖胺通路等.3.1 葡萄糖自氧化早在 1987 年 Wolff 等就提出了葡萄糖自氧化的的概念及其与 ROS 在糖尿病中生成过多的后果.葡萄糖无氧酵解过程中产生磷酸化产物一 3 一磷酸甘油醛,在一定条件下经
22、过烯醇化作用形成活性阴离子,后者在有氧状态下产生超氧化物,继而经过 SOD 作用形成过氧化氢,对细胞产生损害.3.2 激活 c.Jun 氨基端激酶(JNK)信号转导途径 JNK 属于丝裂原活化蛋白激酶(MAPK)家族的成员,在细胞增殖,分化,发育和凋亡中起重要作用.由于高血糖引起的氧化应激活化了 JNK,抑制胰岛素基因表达,Elrick 等“发现激活化了 JNK在抑制胰岛素基因表达的同时还可能通过改变 PDX 一 1 磷酸化状态,使 PDX.1DNA 活性下降,抑制了胰岛素基因转录,导致胰岛素分泌水平下降.Kaneto 等研究也表明 JNK 的激活涉及氧化应激所引起的胰岛素基因表达减少,当抑制
23、 JNK 通路时能保护 B 细胞.3.3 非酶糖基化作用非酶糖基化作用是指蛋白质,脂质或核酸等大分子在没有酶参与的条件下,自发地与葡萄糖或其他还原单糖反应所生成的稳定的共价加成物,即晚期糖基化终末化产物(AGEs) 的反应.高糖状态下,乙二醛,丙酮醛,3 一脱氧葡萄糖醛酮通过与胞内外蛋白的氨基反应形成晚期糖基化终末化产物 AGEs,在 AGEs 形成过程中可以不断产生自由基.许多研究表明糖基化作用通过氧化应激抑制胰岛素基因转录,当HIT 细胞株(一种 B 细胞的衍生细胞株)处于一种很强的还原糖一 D 一核糖中,胰岛素基因启动子活性和 mRNA 表达被抑制,当加入氨基胍(AG)(一种非酶糖化抑制
24、剂) 或 N 一乙酰基一 L.半胱氨酸(一种抗氧化剂) 却能解除 D 一核糖对胰岛素基因启动子的抑制作用,这说明 D-核糖抑制胰岛素基因的转录是通过非酶糖基化作用引起的氧化应激来实现的加.3.4 氨基己糖通路在细胞内过量的葡萄糖作用下,6.磷酸果糖通过 6 一磷酸果糖酰氨基转移酶(GFAT)的作用形成 6 一磷酸葡萄糖胺,最后生成二磷酸尿嘧啶一 N 一乙酰葡萄糖胺 (UDPG1eNAe),而 UDPG1eNAe 有促进蛋白多糖合成和 O.连接糖蛋白形成的作用.这条通路被证实与 TGF 一仅,TGF.131,PAI.1,胰岛素抵抗有关.rIaka 研究发现 GFAT 过度表达损害葡萄糖刺激的胰岛
25、素分泌以及降低胰岛素,葡萄糖转运子 2(GLUT-2)和葡萄糖激酶 (GK)基因表达水平,而这些基因的重要转录因子 PDX 一 1 的 DNA 结合活性也显着降低.综上所述,高糖致胰岛细胞凋亡增加,可能的机制包括减少葡萄糖刺激的胰岛素分泌,减少胰岛素基因的表达,B 细胞肥大和氧化应激有关,从而导致早期减少葡萄糖刺激的胰岛素分泌和最终不可避免地减少胰岛素基因转录和 B 细胞数量的减少.糖尿病中高糖导致胰岛细胞凋亡机制的研究,有助于药物的研发,也为糖尿病的防治提供理论依据.参考文献1YoonKH,LeeJH,KimJW,eta1.Epidemicobesityandtype2diabetesinA
26、sia:arealisticviewJ.Lancet,2006,368(9548):168116882RobertsonRP,HarmonJ,TranPO,eta1.Glucosetoxicityinbeta.cells:type2diabetes,goodradicalsgonebad,andtheglutathioneconnectionJ.Diabetes,2003,52(3):5815873KnowlerWC,BarrettConnorE.FowlerSE,eta1.Reductionintheinci.denceoftype2diabeteswithlifestyleinterven
27、tionormetforminJ.NEnglJMed,2002,346(6):3934034RutterGA.Visualisinginsulinsecretion.TheMinkowskiLecture2004.Diabetologia,2004,47(11):186118725RorsmanP,RenstromE.InsulingranuledynamicsinpancreaticbetacellsJ.Diabetologia,2003,46(8):102910456LanginD.Theroleofuncouplingprotein2inthedevelopmentoftype2diab
28、etesJ.DrugsTeday(Barc),2003,39(4):2872957ZhangCY,BaffyG,PerretP,eta1.Uncouplingprotein-2negativelyregulatesinsulinsecretionandisamajorlinkbetweenobesity,betacelldysfunction,andtype2diabetesJ.Cell,2001,105(6):7457558ChanCB,DeLeoD,JosephJW,eta1.Increaseduncouplingprotein 一 2levelsinbeta?cellsaleassoci
29、atedwithimpairedglucose?stimulatedinsu?linsecretion:mechanismofactionJ.Diabete8,2001,50(6):1302131O9PataneG,AnelloM,PiroS,etai.RoleofATPproductionanduncoup?lingprotein 一 2intheinsulinsecretorydefectinducedbychronicexsuretohiglglucoseorfreefattyacidsandeffectsofperoxisomeproliferatoractivatedreceptorgammainhibitionJ.Diabetes,2002,51(9):2749275610KitamuraYI,KitamuraT,KruseJP,eta1.FoxO1protectsagainstpan?creaticbetacellfailurethroughNeuroDandMafAinductionJ.Cell
