脂毒性促進胰島β細胞凋亡在２型糖尿病中的作用

中圖分類號：R363.2

文獻標識碼：A

文章編號：1006-1533(2009)09-0399-03

高脂血癥在2型糖尿病(diabetes melitus，DM)發病機制中的地位日益得到重視，McGarry甚至在2002年提出了糖尿病是糖脂病的概念。脂毒性(1ipotoxielty)是指血中游離脂肪酸(FFA)水平升高后，超過脂肪組織的儲備能力和各組織對FFA的氧化能力，使過多的FFA以甘油三酯(TG)形式在非脂肪組織中過度沉積而造成該組織的損傷。流行病學研究表明，2型DM患者中80％～90％屬于肥胖或超重，肥胖者脂肪組織分解產生的FFA顯著增加，參與胰島素抵抗的發生。有關研究表明，FFA的長期作用可誘導β細胞凋亡，引起β細胞壞死，使β細胞數量減少。

1 胰島β細胞凋亡在2型DM中的作用

近年來，越來越多的證據證明，絕大多數的2型DM患者，無論胖、瘦都客觀存在著β細胞總數的減少。β細胞總數受到β細胞的復制、β細胞的體積、新的β細胞生成(如來自胰腺導管上皮的新生β細胞)及β細胞的凋亡等多個因素的調節。在正常成年個體中，β細胞的生存期為60 d左右，β細胞的凋亡率維持在0.5％以下。在整個成年過程中，β細胞量保持相對穩定，維持在最佳水平。但在肥胖人群中，β細胞復制加速、肥大，并有新生的β細胞，使β細胞的總數增多，來代償肥胖引起的代謝負荷以及隨之而發生的胰島素抵抗。進行性的β細胞總數減少，是由于B細胞的凋亡明顯超過了β細胞復制與新的β細胞產生。隨著該病的進展，β細胞復制與增生減少，胰島細胞淀粉樣變，導致β細胞數量不可逆地減少，最終只能以胰島素替代治療。在整個過程中，可以發現凋亡在β細胞數量的維持以及2型DM的發生中起著至關重要的作用。

2 FFA誘導β細胞凋亡的機制

FFA是脂質的主要轉運體，是機體供能的重要物質，它進入β細胞之后有3條代謝途徑：一是形成TG儲存；二是進入有氧氧化途徑；三是進入無氧氧化途徑。

2.1 神經酰胺介導路徑

脂肪組織過飽和導致的TG在非脂肪組織中的儲存、β細胞內β氧化的不足以及瘦素分泌的減少導致TG在β細胞內的堆積和脂酰CoA池擴大。脂酰CoA的產生增多導致一種脂質第二信使——神經酰胺合成增加。

2.1.1 誘導型一氧化氮合酶(iNOS)途徑

神經酰胺通過活化NF-KB上調iNOS，使一氧化氮(NO)合成增加，自由基生成增多，DNA受損引起細胞凋亡。通過體外培養的NIT-1小鼠胰島β細胞，用不同濃度的L-精氨酸(L-arg)處理，6h后采用Griess化學顯色法檢測細胞培養液內的NO水平，Annexin—V／PI雙染流式細胞術檢測細胞的凋亡。而后聯合應用hemoglobin處理細胞，并用Western Blot檢測P53蛋白的表達，發現NO可能通過P53的活化誘導NIT-1胰島細胞凋亡。

2.1.2 非iNOS路徑

Cnop等研究發現，長期暴露于高FFA可誘導正常鼠β細胞凋亡，此效應不被線粒體型肉堿軟脂酰轉移酶1的拮抗劑etomoxir及抗氧化劑阻斷，與NO生成無關。Lupi等將人的胰島置于FFA中培育，發現神經酰胺水平上升，但iNOS mRNA表達無明顯增高，NO合成抑制劑L-硝基精氨酸甲酯(L-NAME)不能減少β細胞凋亡。以上研究提示，神經酰胺可能通過非iNOS路徑引起β細胞凋亡。

2.2 Caspase途徑

Caspase即天門冬氨酸特異性半胱氨酸蛋白水解酶超家族，是細胞凋亡的關鍵執行者。目前為止已發現有14種不同的Caspase，分為3個亞類：白細胞介素一1β轉換酶亞類、凋亡起始亞類和凋亡效應亞類。caspase-3屬于與細胞凋亡關系密切的凋亡效應亞類。Caspase-3的激活是在凋亡級聯反應中的一個遠端效應，其活化后再激活其它Caspase和許多相關的細胞蛋白，包括Caspase依賴的核酸內切酶等，加速細胞凋亡過程。研究發現，Caspase-6常在Caspase-3之前被激活，可與Caspase-3一起協同作用，共同促進細胞凋亡。Hirota等發現，將離體的小鼠胰島B細胞放人棕櫚酸中培養3 h后，Caspase-6的表達增加。培養6 h后，Caspase-3表達增加，小鼠胰島β細胞凋亡數量較對照組明顯增加，培養液加入肉毒堿棕櫚酰轉移酶-1抑制劑羥苯甘氨酸后可降低caspase－3和Caspase-6活性，減少小鼠胰島β細胞凋亡數量。

2.3 Bcl-2基因

Bcl-2為B淋巴細胞淋巴瘤白血病抗凋亡基因，也是研究最早的與凋亡有關的基因，在細胞內具有抗氧化特性，可通過抑制活性氧形成或作用于活性氧而抑制凋亡。Bax與Bcl－2同源，生物學作用是拮抗Bcl－2而促進細胞凋亡。Bax與Bcl-2可形成同源二聚體，Bax與Bel－2蛋白水平的高低與調控凋亡直接相關：Bax促進凋亡，Bcl－2抑制凋亡。研究表明，NO可下調Bcl－2的表達，而Bax的表達上調。因此認為，在引起胰島β細胞凋亡的過程中，Bcl-2的作用可能較Bax更為重要。

2.4 過氧化物酶體增殖物活化受體(PPARs)途徑

PPARS為2型核受體超家族的核轉錄因子，FFA作為配體與PPARs結合，激活PPARs，抑制NF－kB的抗凋亡作用，使Caspases蛋白表達增高，引起細胞凋亡。Lalloyer等發現，無論是活體還是離體實驗，PPAR-α基因缺陷的肥胖小鼠(ob／ob)的胰島β細胞功能明顯受損，對葡萄糖刺激后的胰島素分泌功能下降，平均胰島面積減少；而用PPAR-α激動劑干預組的胰島素分泌功能、平均胰島面積等指標明顯改善，提示PPAR-α能提高胰島β細胞對病理狀態的適應能力。他們還將人的原代胰島細胞分為2組培養，一組在高FFA濃度條件下，另一組在高FFA濃度條件下用PPAR-d激動劑培養。結果發現，PPAR-α激動劑對高FFA誘導的B細胞凋亡及TG沉積有明顯改善作用。

2.5 蛋白激酶C(protein kinase C，PKC)

PKC是凋亡信號的重要參與者。PKC是哺乳動物細胞漿內的脂質依賴性絲氨酸／蘇氨酸蛋白激酶。在細胞生長信號轉導通路中發揮重要作用，參與細胞增殖、生長、分化和凋亡的調節。在凋亡過程中，PKC-δ發揮著關鍵的作用。轉位的PKC-δ對特定的底物進行磷酸化，從而誘導細胞死亡或生存。

2.6 胰島素受體底物-2(insulin receptor substrate-2，IRS-2)

胰島素受體底物(insulin receptor substrate，IRS)是胰島素信號轉導通路中受體后水平的重要信號蛋白，起主要作用的是IRS-1和IBS-2。作為調節β細胞功能的重要信號分子，IRS-1主要調節胰島素分泌過程，IRS-2則主要調節β細胞增殖、生長和存活。轉基因鼠的研究表明，胰島β細胞的功能受胰島素信號轉導途徑的調節，而IRS-2是維護β細胞功能的關鍵信號蛋白。Rhodes的研究發現，IRS-2在肝組織和一些胰島素靶組織中抑制IR的發生，而且對提高β細胞生長和生存也非常重要，在平衡有效的胰島β細胞數量和IR之間，IRS-2是一個關鍵的參與者。脂代謝紊亂后引起高FFA血癥，使B細胞內脂質堆積，產生過多的長鏈乙酰CoA，能激活n蛋白激酶(novelclass of protein kinase C isoforms)，導致IRS分子的絲氨酸／蘇氨酸磷酸化，進而誘導B細胞的凋亡。

2.7 內質網應激

目前已證實，內質網應激可以通過多條路徑誘導細胞凋亡：1)C／EBP同源蛋白(C／EBP homologous protein，CHOP)誘導實驗發現，在內質網應激條件下，經上游轉錄元件鐵效應元件1、PERK和ATF6的調控，CHOP表達增強。通過下調抗凋亡基因Bcl-2表達及增加活性氧類產物而誘導細胞凋亡。當抑制CHOP mRNA的表達時，硫化氫誘導的凋亡也顯著下降。硫化氫誘導胰島分泌細胞凋亡是通過p38絲裂原活化蛋白激酶的激活作用來增強內質網應激的。2)c-Jun氨基末端激酶激活，c-Jun氨基末端激酶信號轉導蛋白家族可以調節基因表達，并在應激反應細胞凋亡過程中發揮重要作用。鐵效應元件1激活后，其細胞質激酶區結合到耦聯質膜受體和腫瘤壞死因子受體相關因子2上，并與凋亡信號調節激酶1結合，形成鐵效應元件1-腫瘤壞死因子受體相關因子2-凋亡信號調節激酶1復合物，從而激活c-Jun氨基末端激酶，誘導細胞凋亡。

2.8 氧化應激

正常生理狀態下，機體的活性氧簇(ROS)的產生與消除處于一個動態平衡中，DM患者一方面由于ROS的產生明顯增多，另一方面胰島β細胞內的抗氧化系統處于一個較低的水平，與機體其它組織細胞相比，胰島β細胞內超氧化物歧化酶、過氧化氫酶、谷胱甘肽過氧化物酶等抗氧化物水平較低，更容易受到ROS的損害，易發生胰島β細胞氧化應激反應，從而造成胰島β細胞的凋亡及功能下降，胰島素合成分泌明顯減少。

2.9 G蛋白偶聯受體(GPR40)

GPR40也稱游離脂肪酸受體-1即FFA(1)R，屬于G蛋白偶聯受體家族(G protein-coupled receptors，GPCRs)。Tomita等通過對手術中所取的大量人體組織分析，發現GPR40在胰島中的表達水平是整個胰腺的近20倍，而且GPR40在人的胰島素瘤組織中呈高表達，而在胰高血糖素瘤及胃泌素瘤組織中未能檢測出，故認為GPR40主要分布于胰島β細胞中。GPR40能識別C12～C16飽和脂肪酸和C18～C20不飽和脂肪酸，這些脂肪酸能活化GPR40，激活胰島β細胞內信號轉導途徑，調節胰島素分泌，促進胰島β細胞過度增殖，引起胰島β細胞功能缺陷，凋亡增加。

2.10 胰腺十二指腸同源異型盒-1(pancreatic duo-denal homebox-1，PDX1)

PDXl是胰島細胞中特異表達的轉錄因子，是胰島素基因最重要的轉錄調控因子。研究發現，PDX1純合缺失小鼠可以出現早期胰芽發育受阻，導致胰腺發育不全，找不到成熟的胰腺組織，還可以出現十二指腸區域異常，出生后不久即死于高血糖癥。PDX1雜合缺失小鼠盡管胰腺的發育正常，但成年后可出現糖耐量異常及糖尿病。Li等研究發現，胰高血糖素樣肽(GLP-1)受體激活劑E4可以刺激PDX1+／+小鼠B細胞增殖明顯增強，細胞中標記新生細胞的Brdu陽性細胞數明顯增多，β細胞凋亡數無明顯變化。而在PDxl-／-小鼠中B細胞增殖無明顯變化，但β細胞凋亡數明顯增加，進一步證實了PDX1基因在胰島細胞的增生和凋亡中的作用。

3 結語

隨著脂毒性誘導胰島β細胞凋亡的機制研究的不斷深入，控制2型DM患者胰島β細胞的進行性凋亡，就有可能改善該類患者β細胞數量減少的狀態，使得控制β細胞凋亡成為治療2型DM的可能和必需的手段。1)降脂治療有直接有效地降低脂毒性的作用；2)神經酰胺合成抑制劑Fumonisin B幾乎可完全抑制FFA誘導的β細胞凋亡過程；3)iNOS抑制劑可降低NO的生成，從而減少凋亡的發生；4)能與PPARs相互作用的藥物如噻唑烷二酮類藥，能減弱FFA誘導的β細胞破壞；5)抗氧化劑氨基胍，既可通過使NO合成減少，阻斷細胞凋亡途徑使胰島β細胞凋亡減少，又能使受到抑制的胰島素基因啟動轉錄因子-1(PDX-1)表達部分恢復，從而使胰島素分泌增加；6)進一步篩選、克隆胰島β細胞凋亡相關基因，以及Bcl-2基因轉染等一系列的治療措施的應用，有效地遏止B細胞凋亡將有助于減少和延緩2型DM的發生和發展。