自噬對胰島β細胞凋亡的影響及其機制研究進展

付海超綜述 冷錦紅審校

最新流行病學調查顯示，2013年我國糖尿病患病率約為10.4%，且呈逐年顯著上升趨勢[1]。胰島β細胞凋亡在糖尿病的發生發展過程中發揮主要作用，因此，抑制胰島β細胞過度凋亡對糖尿病的治療有關鍵意義。自噬作為真核細胞特有的一種維穩機制，對胰島β細胞凋亡有重要調節作用。隨著近年來對自噬研究的不斷深入，胰島β細胞自噬功能的缺失已被證實與糖尿病的發病有關，但其作用機制尚不明確。本文就自噬對胰島β細胞凋亡的影響及其機制做一綜述。

1 胰島β細胞凋亡

胰島β細胞是胰島素合成、加工和分泌的重要場所，若胰島β細胞受損或凋亡，將影響胰島素的分泌。1型糖尿病患者胰島β細胞數量不足正常人的10%，胰島素分泌絕對不足；2型糖尿病發展到中后期，胰島β細胞亦減少,故β細胞的損傷、凋亡是糖尿病發生發展的重要因素。細胞凋亡是細胞死亡的一種形式，目前研究表明，胰島細胞凋亡與自身免疫損傷、高糖高脂毒性、內質網應激、自噬機制失衡等原因有關[2-3]。

2 細胞自噬的作用機制

2.1 細胞自噬 自噬是真核細胞獨有的一種通過自噬—溶酶體介導、以細胞質空泡自噬化為特征的物質降解途徑，以巨自噬研究最為廣泛，分為選擇性自噬和非選擇性自噬。非選擇性自噬是一種自體吞噬的整體降解型。選擇性自噬由降解的特定靶標決定，如脂質滴自噬、線粒體自噬降解等。研究發現[4]，當機體遭遇饑餓等壓力刺激，常觸發細胞自噬應答，甚至引起細胞凋亡。

2.2 自噬的分子機制 自噬過程涉及許多基因、通路、蛋白相互合作，大致可分為3個階段：起始—成核、膨脹—完成和降解—恢復。在起始—成核階段，類UNC51激酶1(ULK1)復合物與調控凋亡相關蛋白Bcl-2的肌球蛋白樣螺旋蛋白(Beclin 1)起中心作用，在饑餓條件下，雷帕霉素靶蛋白復合物1(mTORC1)被剝奪或雷帕霉素分解，釋放的蛋白激酶1(Atg1)同源物(ULK1)磷酸化Atg家族的mAtg13啟動自噬。ULK1同時磷酸化Beclin 1，Beclin 1與Ⅲ型磷脂酰肌醇激酶(Vps34、Vps15)和Atg14L形成復合物，Vps34、aⅢ類磷脂酰肌醇3-激酶(PI3K)產生磷脂酰肌醇3-磷酸(PI3P),進而募集FYV成員蛋白質(DFCP1和WIPI2)和Atg蛋白，開始形成隔離膜實現成核過程。在自噬體的膨脹—完成路徑中，Atg蛋白起關鍵作用，Atg7、Atg10和Atg3起著類似泛素活化酶E1、E2的酶作用，Atg12-Atg5-Atg16L1是一種E3樣酶復合物，Atg8通過Atg7作用與Atg3結合，然后Atg8與脂質結合靶、膜中的磷脂酰乙醇胺(PE)，形成自噬標志物LC3-Ⅱ[5]。LC3-Ⅱ定位在內、外自噬體膜的側面，被釋放到胞漿中，自噬體形成后與溶酶體融合，形成自噬溶酶體，其降解后的蛋白質和氨基酸等產物被循環利用，完成自噬過程的整個周期。

3 自噬在胰島β細胞中的作用

胰島β細胞凋亡與自身免疫損傷、高糖高脂毒性、內質網應激、自噬機制破壞或過度等諸多原因有關[2-3]，說明胰島β細胞死亡的2種形式，即凋亡和自噬失衡可誘導細胞死亡。凋亡又名Ⅰ型程序性細胞死亡，自噬失衡誘導的細胞死亡又稱為Ⅱ型程序性死亡。這體現了自噬對胰島β細胞的重要作用：一方面，自噬有維持胞內環境穩定和細胞功能正常的作用。自噬對于胰島β細胞的影響明顯大于胰島α細胞，自噬關鍵底物Atg7缺乏不影響胰島α細胞的代謝譜[6]。另一方面，廣泛過度的自噬或不適當的自噬清除可導致細胞死亡。自噬對胰島β細胞具有雙重作用。

3.1 適度自噬可減少胰島β細胞凋亡 自噬在維持各種細胞的正常功能中起重要作用，包括產生胰島素的胰島β細胞。自噬的應激能力尤為突出，當細胞受到營養缺乏和病毒感染等刺激時，自噬作為細胞的一種防御機制，參與降解、回收再利用胞漿內的蛋白質、受損的細胞器和病原體等物質成分，以維持細胞內環境和組織的穩定。有研究顯示，自噬關鍵基因Atg缺陷和關鍵底物Atg7的耗竭可導致小鼠胰島β細胞質量降低、糖耐量受損、胰島素分泌缺陷[7]。因缺乏自噬的胰島β細胞表現出線粒體和內質網的形態和功能異常，加劇胰島β細胞的死亡[8]。胰島β細胞自噬可調節腸促胰素誘導的胰高血糖素在α細胞中的表達和釋放,進而降低血糖[9]。所以自噬是胰島β細胞內穩態的主要調控方式。

3.1.1 自噬與炎性因子介導的胰島β細胞凋亡：1型糖尿病是一種以T淋巴細胞和自身免疫抗體介導的胰島β細胞選擇性破壞，導致胰島素絕對缺乏為特征的自身免疫性疾病。自噬可調節T細胞和胰島β細胞相關的免疫耐受。Fas是一種富含半胱氨酸的胞外結構域的Ⅱ型跨膜蛋白，與其Fas-L配體(CD8+T淋巴細胞和NK細胞的主要效應分子之一)相互作用，激活T淋巴細胞，并在胰腺中浸潤，釋放如腫瘤壞死因子α(TNF-α)、白介素(IL)-1β和干擾素(IFN)-γ等促炎細胞因子。進而與胰島β細胞上的膜受體結合，溶酶體的活性受損，阻斷了自噬發生，從而誘導、加劇了胰島β細胞凋亡發生[10]。研究發現[11]，隨著自噬抑制劑3-甲基腺嘌呤或減少炎性反應的SIRT6基因敲除，羥基酪醇(HT)對軟骨細胞炎性反應的抑制作用也降低，說明HT通過SIRT6介導的自噬抑制軟骨細胞的炎性反應。所以保證胰島β細胞自噬作用，可抑制炎性細胞反應，在減少胰島β細胞凋亡中有重要意義。

3.1.2 自噬與氧化應激介導的胰島β細胞凋亡：完整適度的自噬可降解具有吞噬功能障礙的線粒體來抗氧化應激。若胰島β細胞應激過度，參與胰島β細胞凋亡的線粒體通路被激活，其中Bcl-2家族的Bcl-2、Bcl-x和MCL-1能夠抑制胰島β細胞凋亡；Bax和Bak可促進胰島β細胞凋亡；Bad和Bix在內的BH3蛋白通過抑制細胞應激傳感器的抗凋亡蛋白而誘導胰島β細胞凋亡[12]。IL-1β和IFN-γ可通過內質網應激依賴5-單磷酸腺苷激活的蛋白激酶活化來刺激自噬的早期階段，但因溶酶體功能受損，胰島β細胞自噬通量不足，加劇了胰島β細胞凋亡[10]。研究顯示[13]，胰十二指腸同源異形盒基因(PDX)-1可減少線粒體的自噬體與溶酶體融合阻滯，保證胰島β細胞存活。適度激活氧化應激會刺激PINK1-PARKIN通路泛素化線粒體外膜中的多種蛋白質，蛋白酶體和自噬體募集以降解線粒體，使線粒體膜電位降低[14-15]。自噬和抗氧化應激反應參與了同一種反饋回路，在回路中它們相互增強。總之，這突顯了自噬對于抗氧化應激、減少內源性胰島β細胞凋亡的重要作用。

3.1.3 自噬與內質網應激介導的胰島β細胞凋亡：自噬可減少內質網(ER)應激介導的胰島細胞凋亡。內質網應激源于未折疊和錯誤折疊的蛋白質積累，缺氧、高糖、游離脂肪酸(FFA)等都可引起胰島β細胞的內質網應激。因胰島β細胞易受內質網應激的影響，若應激條件不足，內質網應激就會啟動而介導胰島β細胞凋亡。在人體中，內質網應激可能導致人類胰島淀粉樣蛋白多肽(hIAPP)低聚物發展，自噬不全可導致hIAPP寡聚體的積累，這些聚集體與胰島β細胞死亡和2型糖尿病的發展有關。

Kong等[16]發現內質網應激與胰島β細胞關系密切，阻止自噬會增加ER應激。研究指出[17]，胰島β細胞IAPP的含量受依賴P62溶酶體降解的自噬調節，保障胰島β細胞自噬正常對于改善IAPP的細胞毒性作用十分重要。同時也有研究提出[18]，自噬可通過延遲凋亡和適應性反應減輕ER應激和DNA損傷來保障胰島β細胞存活。自噬活躍的小鼠在靶向胰島素誘導的Akt磷酸化和ER應激組織中具有改善胰島素敏感性的功能[19]。Cheng等[20]發現糖脂毒性誘導的成纖維細胞生長因子(FGF21)通過激活AMPK通路，抑制mTOR調節因子而介導胰島β細胞自噬，提高高糖高脂飲食(HFD)小鼠胰島β細胞的數量和功能。胰高血糖素樣肽(GLP-1)也可調節AMPK通路增強大鼠胰島β細胞自噬作用，從而在高糖條件下對胰島β細胞起到抗凋亡的保護作用[21]。

3.2 過度自噬加劇胰島β細胞凋亡 與自噬能保護胰島β細胞存活作用相反，若胰島β細胞自噬過程被過度激活時，細胞內的相關蛋白和細胞器則會被過度降解，從而誘導β細胞的死亡，這提示可能發生自噬性細胞死亡，即Ⅱ型程序性死亡。

Yamamoto等[19]發現，敲除Becn1小鼠表現出持續主動自噬，與自噬正常小鼠相比，自噬亢進小鼠在高脂飲食下表現出糖耐量受損，短期抑制F121A小鼠的自噬可通過減少胰島β細胞的自噬性凋亡來恢復胰島素的分泌。亦有研究結果顯示[22]，芪藶強心可能通過抑制過多的細胞自噬，激活Akt/mTOR通路，從而減輕自噬過多介導的細胞死亡來保護ISO誘導的心肌損傷。Liao等[23]發現通過上調小分子化合物Z36可形成過多的自噬體，致內質網吞噬加速并破壞內質網的穩態，觸發內質網應激和未折疊蛋白反應，以及內質網吞噬依賴性細胞死亡。自噬也是他克莫司(Tac)誘導胰島β細胞損傷的原因，Tac治療增強了胰島β細胞自噬體的形成以適應應激和溶酶體功能障礙，由于溶酶體功能障礙，使自噬清除受損，自噬體不能有效降解。因此，過多的自噬體形成加劇了胰島β細胞凋亡。

4 小 結

綜上所述，自噬對胰島β細胞的存活與凋亡具有十分重要的作用。維持細胞穩定的自噬通量能夠促進蛋白和受損細胞器的更新，保證胰島細胞內部環境的動態平衡，實現對胰島的保護作用，進而延緩糖尿病的發展。但持續過度自噬也可加劇胰島β細胞凋亡，這體現自噬對胰島β細胞的保護作用取決于細胞內外環境。隨著對自噬研究的日益深入，保證胰島β細胞自噬并找到調節細胞自噬的平衡點或可成為糖尿病早期預防和治療的新方向。