2型糖尿病胰島β細胞去分化的研究進展

于 磊，季 虹，劉寬芝

(河北醫科大學第三醫院 內分泌一科，河北 石家莊 050000)

·綜述·

2型糖尿病胰島β細胞去分化的研究進展

于 磊，季 虹，劉寬芝

(河北醫科大學第三醫院 內分泌一科，河北 石家莊 050000)

2型糖尿病(type2diabetesmellitus，T2DM)是一種以慢性高血糖為主要特征的代謝性疾病，胰島β細胞功能障礙是其主要病因之一，但參與β細胞功能減退的機制目前尚不清楚。近來研究表明多種原因可促使胰島β細胞發生去分化，去分化的β細胞轉化為具有多種分化潛能的內分泌前體細胞或分化成其他類型的胰島細胞，從而失去其特異的細胞表型和內分泌能力，最終導致胰島β細胞功能下降。此發現對阻止和逆轉β細胞功能進行性下降、延緩T2DM的發生提供了新思路。

糖尿病，2型；胰島β細胞；去分化

糖尿病是危害人類健康的重大疾病之一，已經成為全球第3位威脅人類健康的慢性殺手[1]，其患病率在全球范圍內迅速上升，預計到2035年糖尿病患者人數將增加到5.91億[2]，其中90%為2型糖尿病(type2diabetesmellitus，T2DM)。眾所周知胰島β細胞功能減退是T2DM的主要病因之一，當確診T2DM時胰島β細胞功能大約僅為正常的50%，在自然病程中，胰島β細胞功能將進行性下降[3]。之前普遍認為糖尿病患者胰島功能降低是由于胰島β細胞的過早凋亡[4]，但通過尸檢發現T2DM患者胰腺中β細胞雖然數量有所減少但與功能減退程度不成比例[5]，最新研究發現糖尿病動物模型胰島β細胞功能衰竭的主要原因是去分化而非凋亡[6]。本文對糖尿病胰島β細胞去分化相關研究進展進行綜述。

1 轉錄因子與β細胞去分化

細胞分化的調控可以在不同的水平上進行：轉錄水平、翻譯水平以及蛋白質形成后活性調節水平等，其中轉錄水平的調控對細胞分化起著重要作用。轉錄水平的調控是通過轉錄因子結合在某基因上游特異核苷酸序列上調控其基因的轉錄。在嚙齒類動物，β細胞包括3種必需的轉錄因子，即叉頭轉錄因子O1(forkheadboxtranscriptionfactorO1，FoxO1)[6]，NK6轉錄因子相關1(NK6transcriptionfactorrelated，locus1，NKX6．1)[7]和肌腱膜纖維肉瘤癌基因同系物A(v-mafmusculoaponeuroticfibrosarcomaoncogenehomologueA，MAFA)[8]

FoxO1是叉頭轉錄因子家族的重要成員，哺乳動物細胞表達4種FoxO亞型：FoxO1、FoxO3、FoxO4和FoxO6，其中FoxO1在肝臟、脂肪組織和胰腺β細胞中含量最多[9]。FoxO1是胰島素/胰島素樣生長因子(IGF-1)-磷脂酰肌醇3激酶(PI3K)-蛋白激酶B(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[10]。近期一些研究發現FoxO1在維持細胞分化上同樣發揮著重要作用。Talchai等[6]通過觀察發現正常血糖小鼠(血糖≤150mg/dl)胰島β細胞中FoxO1僅局限于胞漿中；當輕度高血糖時(血糖150～250mg/dl)，在β細胞胞核中發現少量FoxO1，這與Kitamura等[11]研究FoxO1在長期氧化應激作用下在β細胞中發生由胞漿至胞核的轉移結果相一致；隨著血糖逐漸升高(血糖≥500mg/dl)，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。為了進一步確定FoxO1是否參與胰腺β細胞分化過程，Talchai等[6]通過敲除胰島β細胞FoxO1基因的小鼠發現，一般情況下小鼠處于健康狀態，其糖耐量及β細胞內分泌功能均正常，然而在高齡或多次生產等β細胞高代謝情況下糖耐量嚴重受損，胰島素分泌減少，胰高血糖素分泌增加，并且小鼠胰島素原轉換酶的表達也明顯減少；對多產次FoxO1敲除小鼠世系追蹤法發現其β細胞發生去分化而不是丟失，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，失去其特異性的細胞表型和內分泌能力，最終導致胰島β細胞功能下降。由此可見FoxO1參與了抑制β細胞去分化，FoxO1活性降低介導的胰島β細胞去分化是胰島β細胞功能減退的一個重要病理生理基礎。多種機制均可引起β細胞去分化，如氧化應激、內質網應激和缺氧應激，進而導致β細胞功能減退，其與β細胞上FoxO1活性降低直接相關[12]。在T2DM發病機制中FoxO1主要以磷酸化和乙酰化發揮作用[13]。長期高糖環境引起的各種應激和炎癥因子作用下，受PI3K/Akt調節的FoxO磷酸化是FoxO磷酸化的主要方式，磷酸化的FoxO蛋白與細胞核中的伴侶蛋白14-3-3結合，促進FoxO從細胞核轉移至細胞漿，在細胞漿中伴侶蛋白14-3-3將FoxO核定位信號封閉，使其定位于細胞漿中，FoxO1的核定位減少，其轉錄活性也隨之下降[14]。同樣在氧化應激作用下，FoxO1通過Cbp/p300反式激活子1乙酰化，由于乙酰化發生于DNA結合區，使得FoxO1轉錄因子與DNA的結合活性和結合力降低，進而FoxO1的轉錄活性降低，并且乙酰化的FoxO1更容易發生磷酸化，容易被泛素化和降解[15]。FoxO1的失活和降解，促進了β細胞的去分化，加速了T2DM的發生發展。

NKX6.1是一個特異表達于成熟β細胞的轉錄因子，對β細胞的發育、終末分化和功能起著重要的作用[16-17]。Sander等[18]發現敲除NKX6.1的轉基因小鼠其功能性β細胞減少90%以上，而其他類型胰島細胞的發育未受到明顯的影響。并且當NKX6.1高表達時可顯著抑制胰高糖素基因，從而有利于胰島素轉錄活性[19]。Cinti等[20]近期研究發現正常對照組FoxO1分布在β細胞的胞漿中，NKX6.1分布在胞核內；糖尿病組FoxO1逐漸從胞漿中消失，NKX6.1由胞核內逐漸轉移至胞漿中，兩種轉錄因子的表達均明顯下降，且β細胞不再具有胰島素分泌功能。FoxO1的減少和NKX6.1由胞核轉至胞漿中體現了β細胞去分化的特征。

MAFA是一種具有亮氨酸拉鏈結構的轉錄因子，是巨噬細胞激活因子(macrophageactivatingfactor，Maf)家族一員，可調控胰島素的合成、分泌和糖代謝等相關基因的表達，對維持成年胰腺結構和功能穩定發揮著重要作用[21]，并且MAFA是唯一能將內分泌祖細胞分化成β細胞的激活因子[22]。Talchai等[6]發現胰島β細胞發生去分化與轉錄因子MAFA的減少有一定相關性。發生去分化的β細胞中神經元素3(Ngn3)、Sox-9、八聚體結合轉錄因 子4(Oct-4)、L-Myc等多潛能標志物的前體細胞表達增加的同時，β細胞中MAFA等標志物表達減少。敲除MAFA基因后小鼠胰島發育未受到影響，但胰島細胞失去分泌胰島素的功能[23]。之前普遍認為MAFA特異的存在于β細胞中，但近期Guo等[8]在α細胞中也發現了轉錄因子MAFA，所以MAFA是β細胞所必需的轉錄因子但并不具有特異性。

2 β細胞去分化與T2DM

T2DM是一種以慢性高血糖為主要特征的代謝性疾病，胰島β細胞分泌的胰島素和α細胞分泌的胰高血糖素是調節血糖的主要激素。當機體處于高血糖時胰高血糖素的分泌將減少，胰島素的分泌增加；反之，當機體低血糖時，胰高血糖素分泌增加，胰島素的分泌受到抑制。α細胞和β細胞功能異常均可導致血糖水平的異常。正常情況下兩者處于平衡使機體血糖處于穩態[24]。之前動物研究發現，去分化后的胰島β細胞可轉化為具有多項分化潛能的內分泌前體細胞或分化成其他類型的胰島細胞如α、δ及PP細胞[6]，從而導致體內胰島素分泌減少及胰高血糖素分泌增加，最終導致血糖升高。隨后Cinti等[20]又對來自15例T2DM患者和15例非糖尿病器官捐贈者的胰腺組織開展了相關研究，結果發現，在T2DM患者胰腺組織中ALDH1A3為對照組的3倍，ALDH1A3是胰島β細胞前體細胞標志物，大量存在于人類胚胎期的胰腺中[25]，T2DM患者胰腺組織中ALDH1A3明顯增多，再次肯定了胰島β細胞發生了去分化。Cinti等[20]將胰腺組織中突觸素(synaptophysin，Syn)表達陽性，而胰島素(insulin)、胰高血糖素(glucagon，Gcg)、胰多肽(pancreaticpolypeptide，PP)、生長抑素(somatostatin，Ssn)和胃饑餓素(Ghrelin)等表達陰性的細胞定義為去分化細胞。結果顯示，T2DM患者胰島內分泌細胞的數量與對照組沒有明顯差異，但是T2DM組胰島素陽性細胞減少了32%，胰高血糖素陽性細胞增加了68%，Syn與胰島素雙陽性細胞的數量減少了26%，而Syn陽性同時Gcg/Ssn/PP陽性細胞的數量增加了36%，總之去分化細胞的數量增加了61%。12%的胰高血糖素陽性細胞胞漿中存在β細胞特定的轉錄因子FoxO1。由此可見，糖尿病患者血糖升高的原因之一是β細胞發生去分化后一部分再分化為α細胞。為了驗證此推論，Cinti等[20]收集了更多的樣本數，發現T2DM組中α細胞特定的轉錄因子ARX[26]和β細胞特定的轉錄因子FoxO1同時存在于15%的胰高血糖素陽性細胞，是對照組的7倍，但這些細胞中的FoxO1沒有活性，從而可以肯定一部分β細胞喪失了FoxO1的功能，并轉化為α細胞分泌胰高血糖素，這一結果可以解釋在T2DM初期會伴有空腹或餐后胰高血糖素水平的相對或絕對升高[27]。還觀察到有7.5%的Ssn陽性細胞胞漿中含有NKX6.1，從而推測一部分β細胞轉化為分泌Ssn的細胞。通過線性回歸分析發現，單個胰島葡萄糖誘導的胰島素分泌功能與去分化評分呈負相關，說明胰島β細胞去分化程度越高，胰島素分泌功能下降越明顯。

3 β細胞功能有無逆轉的可能？

雖然去分化的β細胞具有轉化或分化的特性，但并未有退行性改變及凋亡，因此去分化的β細胞能否逆分化并重新具有內分泌功能成為研究熱點。一些學者認為T2DM高血糖狀態是由于胰島β細胞超負荷分泌導致β細胞“筋疲力盡”所致，可以通過外源胰島素治療讓β細胞得到充分“休息”來恢復β細胞功能[28-29]。在高血糖的壓力下，胰島β細胞并沒有死亡，只是短暫的失去了功能，在驅除高糖毒性后，β細胞可以在很大程度上得到恢復。由此Wang等[30]提出β細胞去分化有可能是可逆的，其極有可能是在各種應激作用下的一種應對方式，在應用胰島素治療后去分化的β細胞可逆分化，并重新具有內分泌功能。隨后Wang等將K-GOF糖尿病小鼠動物模型分為未治療組和胰島素治療組，發現未經治療的K-GOF糖尿病小鼠胰腺組織中β細胞構架破壞明顯，胰島素分泌明顯減少；而經胰島素治療的K-GOF糖尿病小鼠β細胞功能可逐漸恢復，胰島素分泌量較前明顯增多。在應用胰島素之前糖尿病小鼠胰高糖素免疫反應陽性區域明顯增加，血漿胰高血糖素水平升高；但經過胰島素治療后胰高血糖素得到大幅度逆轉，分泌胰島素量增加而且磺脲類藥物的療效也明顯增強，在應用胰島素之前被標記為去分化的細胞也恢復正常。研究還發現通過胰島素治療逆分化的β細胞與去分化的β細胞具有相同的基因，這更有力地證明了逆分化的β細胞來源于之前去分化的β細胞，而不是胰腺導管和腺泡細胞。這也可以解釋為什么初發T2DM通過短期胰島素強化治療，可以解除高糖毒性，快速恢復胰島β細胞功能，從而達到糖尿病緩解[31-32]。

目前也有研究表明口服降糖藥例如瑞格列奈或瑞格列奈聯合二甲雙胍等在T2DM診斷初期可獲得與胰島素相似的強化降糖作用[33]。但口服降糖藥物是否也可將去分化的β細胞逆分化，使其恢復原有的內分泌功能，還有待探究。

4 小結

β細胞的去分化是引起胰島β細胞功能衰竭的主要原因，其與β細胞轉錄因子的調控密切相關。T2DM患者胰島β細胞去分化明顯增加，且去分化程度越高胰島素分泌功能下降越明顯。阻止胰島β細胞功能進行性下降和恢復β細胞功能是一切研究的目的，預防β細胞去分化和逆轉已經去分化的β細胞可作為治療靶點開發新型抗糖尿病藥物。

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劉寬芝，Email:liu-kuanzhi@163.com

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1004-583X(2017)06-0541-04

10.3969/j.issn.1004-583X.2017.06.022

2016-11-16 編輯:張衛國