硫氧還蛋白相互作用蛋白在糖尿病發病中的作用機制

范 源 李 曄 白 潔

(昆明理工大學醫學院，云南 昆明 650500)

糖尿病分為1型和2型糖尿病，1型糖尿病系自身免疫性疾病，其胰島受到巨噬細胞及T細胞所產生細胞因子、干擾素及腫瘤壞死因子(TNF)-α等作用后導致胰島β細胞凋亡；而2型糖尿病與胰島β細胞凋亡及胰島素抵抗有關〔1～3〕。β細胞減少可導致血糖增高；而長時間高血糖作用能促使β細胞群數量逐漸減少。高水平葡萄糖所導致的胰島炎癥、氧化應激、線粒體應激、內質網應激等在胰島β細胞凋亡中起重要作用〔4〕。加之人類胰島β細胞轉化率較慢〔5〕，故胰島β細胞受損后將導致糖尿病。然而，有關糖尿病發病機制尚不清楚。硫氧還蛋白相互作用蛋白(TXNIP)在糖尿病發病中起重要作用，是目前研究糖尿病的重要靶點。因此，本文對TXNIP在糖尿病中的作用機制的研究進展做一綜述。

1 TXNIP

TXNIP又被稱為維生素D3上調蛋白(VDUP)1和硫氧還蛋白結合蛋白(TBP)2。1994年，TXNIP首次在1,25-二羥維生素D3作用的HL-60早幼粒細胞白血病細胞系中被分離鑒定。研究發現TXNIP具有重要生物學功能，在細胞增殖、分化、凋亡過程及腫瘤、應激性疾病的發生發展中具有重要作用〔6～8〕。

外界環境如紫外線、γ射線、熱刺激、雙氧水、葡萄糖等可誘導TXNIP表達，TXNIP增加可使細胞周期滯留在G0/G1期，從而發揮其抗增殖及抑制生長作用，同時，TXNIP過表達加重氧化應激導致細胞凋亡〔9～11〕。因此，TXNIP的表達對β細胞的生存和增殖起重要作用，因而TXNIP也對維持葡萄糖內環境穩定起重要作用〔12〕。TXNIP的活性與硫氧還蛋白的相互作用有關。TXNIP可與硫氧還蛋白(TRX)1相互作用，抑制TRX1的還原活性，影響活性氧水平，從而產生對細胞生長調節的作用〔13〕。Junn等〔14〕應用酵母雜交實驗發現TXNIP與TRX1結合，TXNIP的134～395氨基酸與TRX的活性位點結合，因此TXNIP只能與還原型的TRX結合；TXNIP與TRX1結合導致凋亡信號激酶1(ASK-1)從TRX1分離并激活，導致下游Caspase-3被激活，進而誘導細胞凋亡〔7〕。反之，如果降低TXNIP表達則可緩解葡萄糖誘導的細胞凋亡〔15〕。

2 TXNIP與糖尿病

高糖導致TXNIP表達增加繼而造成胰島β細胞凋亡，葡萄糖通過細胞碳水化合物反應原件結合蛋白(ChREBP)、組蛋白H4乙酰化(histone H4 acetylation)、P300誘導胰島β細胞TXNIP表達增加〔16〕。高糖作用下，ChREBP通過去磷酸化進入核內的比率是低糖的3倍；葡萄糖促使ChREBP/Mlx(ChREBP的異質二聚體伴侶)與ChoRE結合，繼而通過ChREBP與P300直接交互反應與啟動子結合，募集的P300刺激組蛋白H4乙酰化，進行染色質修飾，同時促使RNA聚合酶Ⅱ(Pol Ⅱ)轉移到啟動子區，致使TXNIP基因開始轉錄〔17〕。Zhou等〔18〕研究發現，TXNIP參與炎癥因子NLRP3的啟動調節，NLRP3是一種負責調控免疫炎癥和免疫信使因子白細胞介素(IL)-1β生產的復合蛋白質。各種壓力和應激信號如感染等會促使TXNIP的激活，進而激活炎癥因子NLRP3并釋放出IL-1β。高血糖癥可導致基于TXNIP參與的IL-1β釋放，從而出現了在糖尿病患者中觀察到的慢性炎癥。同樣在Txnip(-/-)小鼠，Nlrp3(-/-)小鼠表現出葡萄糖耐量和胰島素敏感性增加的表現。

抗糖尿病藥物EX-4在Ins-1細胞降低TXNIP表達，同時Caspase-3及Bax的明顯下降，表明減少TXNIP的表達能夠減緩胰島β細胞的凋亡。Chen等〔19〕在INS-1細胞、人胰島β細胞、肥胖型糖尿病BTBR小鼠胰腺組織及先天性TXNIP蛋白表達缺失的HcB-19小鼠胰腺組織對高糖毒性、TXNIP及β細胞凋亡三者之間關系進行分析，研究顯示TXNIP不僅是葡萄糖促胰島β細胞凋亡的關鍵因子，更是導致胰島β細胞凋亡的重要蛋白。Masson等〔20〕對Hcb-19/ TXNIP-/-小鼠及對照C3H小鼠進行皮下注射鏈脲佐菌素(STZ)實驗，在低劑量STZ條件(50 mg/kg)下，與對照C3H小鼠相比Hcb-19/TXNIP-/-小鼠沒有發生高血糖；在INS-1細胞實驗中，RNA干擾TXNIP表達下降，對高糖誘導的INS-1毒性具有抵抗作用。還有研究報道：TXNIP缺失可以抵抗線粒體介導的胰島β細胞凋亡而對脂肪酸介導的內質網應激反應沒有作用：其原因在于脂肪酸不能誘導TXNIP的表達〔21〕。以上研究可以看出葡萄糖可以誘導TXNIP，而TXNIP的表達增高促使胰島細胞凋亡，導致糖尿病發生。

3 TXNIP促胰島β細胞凋亡機制

高糖狀況下，TXNIP表達與葡萄糖濃度存在遞增效應關系，同時TXNIP表達增強可使細胞內活性氧(ROS)水平增高，敲除TXNIP能夠增加TRX1活性，使細胞內ROS水平減低。在高糖促TXNIP表達增強的情況下，可以導致氧化應激程度加重〔11〕。過表達TXNIP可以激活誘導型一氧化氮合酶(iNOS)介導的細胞損傷，研究顯示：TXNIP是蛋白質的巰基-亞硝基化內源性調節因子，TXNIP可直接與TRX1的活性位點Cys32結合，抑制Trx1介導的去亞硝基化，促使TRX1抵抗亞硝化應激下降〔22〕。Reich等〔23〕發現TXNIP可作為糖皮質激素誘導胰島β細胞凋亡的新調節因子，在糖皮質激素刺激的胰島β細胞中TXNIP被絲裂原活化蛋白激酶(MAPK)激活。另外，TXNIP缺失時Akt/Bcl-xL表達增加，這樣胰島細胞中抗凋亡和促存活的途徑被激活〔24〕，在STZ作用下胰島β細胞的存活力增強。線粒體途徑的胰島β細胞凋亡與多種分子有關，Akt/Bcl-xL信號體系非常重要，Akt信號途徑有助于維持胰島β細胞的存活，而且Bcl-xL是抗凋亡因子，可保護線粒體膜的完整性，增加Akt的表達及活性，這將促使胰島β細胞增殖并抑制胰島β細胞凋亡〔25〕。

此外，TXNIP具有調節激活炎癥體的作用。炎癥體是一種多蛋白復合體，控制著Caspase-1的活化及免疫功能，其主要組分為核苷酸結合與寡聚片段(NOD)樣受體蛋NLRP1、NLRP3、Caspase-1等，其中NLRP3及Caspase-1最為重要，完整的NLRP3炎癥體與Caspase-1一旦匯聚活化，則能產生并分泌IL-1β、IL-18，且NLRP3炎癥小體與ROS密切相關〔26〕。最近研究表明：TXNIP是NLRP3炎癥體激活途徑的信號分子，TXNIP可以特異性地與NLRP3的亮氨酸重復片段(LRR)及核苷酸結合與寡聚片段(NACHT)結合，在高糖作用下的情況下，胰島分泌IL-1β依賴于ROS-TXNIP-NLRP3炎癥體激活途徑。還有研究：TXNIP敲除的THP-1細胞的IL-1β水平下降，TXNIP-/-小鼠巨噬細胞產生的IL-1β降低，而THP-1細胞再過度表達TXNIP，其IL-1β水平恢復〔18，27〕。

綜上所述，高糖可促使TXNIP表達，通過ROS、ASK-1/AKT、NLRP3炎癥等途徑造成胰島β細胞凋亡。因此，TXNIP在葡萄糖毒性與胰島β細胞凋亡起重要作用，下調或減少TXNIP表達對胰島β細胞具有保護作用，因此，TXNIP是治療糖尿病的一個重要的靶點，進一步研究TXNIP的作用機制將有助于尋求新的糖尿病治療方法。

4 參考文獻

1Cnop M，Welsh N，Jorns A，etal.Mechanisms of pancreatic beta-cell death in type I and type II diabetes: many different，few similarities〔J〕.Diabetes，2005；54(Suppl)2:S97-107.

2Krishnan S，Fields DA，Copeland KC，etal.Sex differences in cardiovascular disease risk in adolescents with type 1 diabetes〔J〕.Gend Med，2012；9(4)：251-8.

3Yu FJ，Huang MC，Chang WT，etal.Increased ferritin concentrations correlate with insulin resistance in female type 2 diabetic patients〔J〕.Ann Nutr Metab，2012；61(1):32-40.

4Kaiser N，Leibowitz G.Failure of beta-cell adaptation in type 2 diabetes: lessons from animal models〔J〕.Front Biosci，2009；14:1099-115.

5Cnop M，Hughes SJ，Igoillo-Esteve M，etal.The long lifespan and low turnover of human islet beta cells estimated by mathematical modeling of lipofuscin accumulation〔J〕.Diabetologia，2010；53(2):321-30.

6Elgort MG，O'Shea JM，Jiang Y，etal.Transcriptional and translational downregulation of thioredoxin interacting protein is required for metabolic reprogramming during G(1)〔J〕.Genes Cancer，2010；1(9):893-907.

7Lu J，Holmgren A.Thioredoxin system in cell death progression〔J〕.Antioxid Redox Signal，2012：；17(12)：1738-47.

8Zitman-Gal T，Golan E，Green J，etal.Vitamin D receptor activation in a diabetic-like environment: potential role in the activity of the endothelial pro-inflammatory and thioredoxin pathways〔J〕.J Steroid Biochem Mol Biol，2012；132(1-2):1-7.

9SH Han，JH Jeon，HR Ju，etal.VDUP1 upregulated by TGF-β1 and 1,25-dihydorxyvitamin D3 inhibits tumor cell growth by blocking cell-cycle progression〔J〕.Oncogene，2003；22(26):4035-46.

10Masaki S，Masutani H，Yoshihara E，etal.Deficiency of thioredoxin binding protein-2 (TBP-2) enhances TGF-β signaling and promotes epithelial to mesenchymal transition〔J〕.PLoS One，2012；7(6):e39900.

11Zhou J，Chng WJ.Roles of thioredoxin binding protein (TXNIP) in oxidative stress，apoptosis and cancer〔J〕.Mitochondrion，2012；13(3)：163-9.

12Chai TF，Hong SY，He H，etal.A potential mechanism of metformin-mediated regulation of glucose homeostasis: inhibition of thioredoxin-interacting protein (Txnip) gene expression〔J〕.Cell Signal，2012；24(8):1700-5.

13Nivet-Antoine V，Cottart CH，Lemaréchal H，etal.Trans-resveratrol downregulates Txnip overexpression occurring during liver ischemia-reperfusion〔J〕.Biochimie，2010；92(12): 1766-71.

14Junn E,Han SH,Im JY,etal.Vitamin D3 up-regulated protein 1 mediates oxidative stress via suppressing the thioredoxin function〔J〕.J Immunol,2000;164(12):6287-95.

15Shi Y，Ren Y，Zhao L，etal.Knockdown of thioredoxin interacting protein attenuates high glucose-induced apoptosis and activation of ASK1 in mouse mesangial cells〔J〕.FEBS Lett，2011；585(12):1789-95.

16Cha-Molstad H，Saxena G，Chen J，etal.Glucose-stimulated expression of Txnip is mediated by carbohydrate response element-binding protein，p300 and histone H4 acetylation in pancreatic beta cells〔J〕.J Biol Chem，2009；284(25):16898-905.

17Yoshihara E，Fujimoto S，Inagaki N，etal.Disruption of TBP-2 ameliorates insulin sensitivity and secretion without affecting obesity〔J〕.Nat Commun，2010；1:127.

18Zhou R，Tardivel A，Thorens B，etal.Thioredoxin-interacting protein links oxidative stress to inflammasome activation〔J〕.Nat Immunol，2010；11(2):136-40.

19Chen J，Saxena G，Mungrue N，etal.Thioredoxin-interracting protein: a critical link between glucose toxicity and beta cell apoptosis〔J〕.Diabetes，2008；57(4):939-44.

20Masson E，Koren S，Razik F，etal.High-cell mass prevents streptozotocin-induced diabetes in thioredoxin-interacting protein-deficient mice〔J〕.Am J Physiol Endocrinol Metab，2009；296(6): E1251-61.

21Chen J，Fontes G，Saxena G，etal.Lack of TXNIP protects against mitochondria-mediated apoptosis but not against fatty acid-induced ER stress mediated-cell death〔J〕.Diabetes，2010；59(2):440-7.

22Michal T Forrester，Divya Seth，Alfred Hausladen，etal.Thioredoxin-interacting Protein is a feedback regulator of S-Nitrosylation〔J〕.J Biol Chem，2009；284(52):36160-5.

23Reich E，Tamary A，Sionov RV，etal.Involvement of thioredoxin-interacting protein (TXNIP) in glucocorticoid-mediated beta cell death〔J〕.Diabet，2012；55(4):1048-57.

24Chen J，Hui ST，Couto FM，etal.Thioredoxin-interacting protein deficiency induces Akt/Bcl-Xl signaling and pancreatic beta-cell mass and protects against diabetes〔J〕.FASEB J，2008；22(10):358135-94.

25Fatrai S，Elghazi L，Balcazar N，etal.Akt induces beta-cell proliferation by regulating cyclin D1,cyclin D2,and p21 levels and cyclin-dependent kinase-1 activity〔J〕.Diabetes，2006；55(2):318-25.

26Zhou R，Yazdi AS，Menu P，etal.A role for mitochondria in NLRP3 inflammasome activation〔J〕.Nature，2011；469(7329):221-5.

27Jin C，Flavell RA.The missing link: how the inflammasome senses oxidative stress〔J〕.Immunol Cell Biol，2010；88(5):510-2.