Bmal1 對胰島β 細胞作用的研究進展

葉綠，許偉紅，吳華香

(浙江大學醫(yī)學院附屬第二醫(yī)院風濕免疫科，浙江 杭州)

0 引言

2 型糖尿病是影響人類健康的主要慢性疾病之一，隨著人口老齡化和現(xiàn)代社會生活方式的改變，發(fā)病率逐年升高，但其病因尚不明確，目前多數(shù)學者認為糖尿病的發(fā)病過程與多種遺傳因素和環(huán)境因素密切相關[1]。胰島β 細胞功能損傷是2 型糖尿病發(fā)生發(fā)展的關鍵因素[2]，因此，進一步明確β 細胞損傷的分子機制，保護和恢復β 細胞功能對預防和治療2 型糖尿病有重要意義。多項研究表明，生活方式的改變包括晝夜輪班工作、夜間進食等引起的晝夜節(jié)律紊亂與代謝綜合征、心血管疾病、肥胖和糖尿病密切相關[3]。Elaine 等人發(fā)現(xiàn)胰腺生物鐘功能異?？蓪е娄?細胞功能障礙[4]，提示時鐘系統(tǒng)在糖尿病發(fā)病中的重要作用。芳香烴受體核轉位蛋白樣1 基因(brain and muscle Arnt-like protein-1，Bmal1)是核心生物鐘基因之一，調節(jié)其他生物鐘基因以及大量與代謝密切相關的鐘控基因，并在胰島β 細胞功能的調節(jié)中起重要作用[5,6]。因此，本文對Bmal1 與β 細胞功能的研究進展進行綜述，為2 型糖尿病的預防和治療提供新思路。

1 生物鐘基因概述

時鐘系統(tǒng)普遍存在于哺乳動物中，參與調控機體的行為和生理過程，如脂代謝、糖代謝、體溫、睡眠/ 覺醒周期和激素分泌[5]。中樞生物鐘是生物節(jié)律的起搏器，位于下丘腦視交叉上核，通過神經和激素信號調控外周組織生物鐘。時鐘系統(tǒng)由一系列生物鐘基因構成的反饋環(huán)路調節(jié)，包括起正反饋作用的核心成員Bmal1 和時鐘基因以及負反饋基因周期基因1、周期基因2、周期基因3、隱色素基因1 和隱色素基因2[6]。時鐘系統(tǒng)控制生物體內多種能量代謝和行為的節(jié)律。人體幾乎所有的生命活動均表現(xiàn)出明顯的周期性節(jié)律變化，是生命現(xiàn)象的基本特征之一，如血壓、心率、體溫、糖代謝。研究表明，血糖、胰高血糖素和胰島素分泌具有晝夜節(jié)律性[7]，有助于維持葡萄糖穩(wěn)態(tài)。近年來，由于生活方式的改變，包括夜間進食、睡眠剝奪等導致的晝夜節(jié)律紊亂，引起2 型糖尿病發(fā)病風險明顯增加[8]。生物鐘基因突變或被敲除會引起晝夜節(jié)律紊亂，導致代謝綜合征、肥胖和2 型糖尿病[9]。多項研究表明，Bmal1基因功能異常與糖尿病發(fā)病密切相關，其可能的機制包括β 細胞胰島素分泌下降以及節(jié)律異常，β 細胞增殖下降、數(shù)量減少和氧化應激水平增加、抗氧化能力下降，引起β 細胞損傷，最終導致2 型糖尿病[10-13]。

2 Bmal1 與胰島素分泌

動物實驗證實晝夜節(jié)律調節(jié)葡萄糖的動態(tài)平衡，生物鐘基因功能異?？赡軐е绿悄虿∏捌跔顟B(tài)或顯性糖尿病[14]。Bmal1 缺陷的小鼠出現(xiàn)脂代謝和糖代謝紊亂[15]。Pappa 等人研究發(fā)現(xiàn)，希臘人群中Bmal1 基因多態(tài)性與妊娠期糖尿病和2 型糖尿病有關[16]。這些數(shù)據(jù)提示生物鐘基因Bmal1 參與糖尿病的發(fā)病。多項研究顯示生物鐘基因在調節(jié)葡萄糖穩(wěn)態(tài)和胰島素分泌中發(fā)揮重要作用。例如，多數(shù)2 型糖尿病患者在早期階段出現(xiàn)胰島素分泌節(jié)律異常[17]。Bmal1 基因突變的小鼠以及Bmal1 基因胰腺特異性敲除的小鼠均表現(xiàn)出高血糖和低胰島素血癥[10]。此外，研究證實胰島β 細胞Bmal1 缺陷的小鼠出現(xiàn)葡萄糖刺激的胰島素分泌受損[13]。Marcheva 等人研究發(fā)現(xiàn)，Bmal1 缺陷損害胰島素囊泡運輸和胞吐作用，繼而引起胰島素分泌減少[10]。

3 Bmal1 與胰島β 細胞增殖

嚙齒動物和人類的研究表明，隨著肥胖程度增加，胰島素抵抗加重，β 細胞量代償性增加以分泌胰島素，維持血糖在正常范圍。 當β 細胞數(shù)量無法再增加滿足代償需求時，血糖開始升高，逐漸進展為2 型糖尿病[18]。Rakshit 等人的研究發(fā)現(xiàn)胰島β 細胞Bmal1 缺陷的小鼠β 細胞增殖、存活率和再生能力明顯降低，β 細胞數(shù)量減少，出現(xiàn)高血糖，糖耐量降低，葡萄糖刺激的胰島素分泌受損[11]。有研究表明，核心生物鐘基因Clock、Bmal1 可通過調控細胞周期檢查點蛋白的轉錄直接控制細胞分裂[19,20]。Rakshit 等人發(fā)現(xiàn)調節(jié)胰島β 細胞周期進程基因的mRNA 表達具有晝夜節(jié)律性。β 細胞Bmal1 基因缺陷導致細胞周期正向調節(jié)因子表達下降(如Bcl2，Brca1，Ccnb2，Cdk6，Cdc-20)和細胞周期負向調節(jié)因子增加(如Wee1，Cdkn2b，Rbl2，Hus1，Gadd45a)，造成細胞增殖下降[11]。

4 Bmal1 與胰島β 細胞氧化應激

氧化應激是2 型糖尿病的主要發(fā)病機制。氧化應激通過阻斷胰島素信號轉導通路，干擾胰島素的生理作用，從而引起胰島素抵抗；此外，胰島β 細胞內抗氧化酶含量較低，在氧化應激增強時，活性氧(reactive oxygen species，ROS)明顯增加，超出細胞清除氧化物的能力，可直接損傷β 細胞，促進細胞凋亡[21,22]。Lee 等的研究顯示，Bmal1 基因缺陷小鼠的β 細胞出現(xiàn)ROS 增加、線粒體解偶聯(lián)、線粒體功能減弱、ATP 生成減少，小鼠表現(xiàn)出葡萄糖刺激的胰島素分泌下降和糖尿病[12,13]。同樣的，Song 等研究發(fā)現(xiàn)，Bmal1敲除后可引起心臟和肝臟組織內ROS 水平明顯升高[23]。Lee等還發(fā)現(xiàn)Bmal1 基因缺陷使胰島β 細胞抗氧化基因包括Nrf2、Sesn2、Prdx3、Gclc 和Gclm 表達明顯下降，細胞抗氧化能力下降，對氧化應激損傷更敏感[13]。

綜上所述，生物鐘基因Bmal1 基因缺陷與胰島β 細胞損傷密切相關，其主要通過影響胰島β 細胞胰島素分泌、β 細胞數(shù)量和氧化應激狀態(tài)，引起β 細胞損傷。因此，研究Bmal1 基因對β 細胞的作用可能為2 型糖尿病的治療提供新靶點及理論依據(jù)。