胰腺α細胞向β細胞轉分化研究進展

高媛媛 陳 琦 袁 莉

糖尿病是一種以持續高血糖為特征的常見慢性病,如果不加以控制會導致嚴重并發癥,影響患者生存質量甚至導致死亡。現有療法只能幫助緩解高血糖癥和并發癥的進展,達到治愈的目的仍遙遙無期。因此,糖尿病的最終治療需要研發β細胞替代策略來補償胰島素缺乏。通過胰島移植彌補1型糖尿病患者丟失的β細胞,在穩定血糖方面表現出顯著的益處。但胰島供體的缺乏以及健康胰島難以避免免疫攻擊限制其廣泛應用[1]。因此,β細胞的內源性再生成為了備受關注的話題。α細胞是β細胞替代的理想來源:①α細胞和β細胞來自共同的內分泌祖細胞,有密切的譜系關系;②α細胞增生在糖尿病動物和患者中很常見,構成了轉分化的潛在豐富來源;③α細胞分泌胰高血糖素促進血糖升高,若α細胞轉分化為β細胞將減少其數量,有助于降血糖;④在β細胞極度缺失后,α細胞轉分化為β細胞是可行的[2]。為了使α細胞更多地轉分化為β細胞,必須了解β細胞發育和再生的相關機制,以及有哪些手段可以促進該轉分化的發生。

一、胰腺β細胞發育、分化過程

人類胰腺來自內胚層的背側和腹側,在胚胎的不同時期形成背側和腹側胰腺芽,這些胰芽由表達胰腺十二指腸同源框蛋白1(Pdx1)的多能祖細胞組成,隨后,多能祖細胞分化為尖端和雙能干細胞。尖端細胞進一步分化為腺泡細胞,而雙能干細胞分化為導管細胞或內分泌細胞。在內胚層背側和腹側區域的Pdx1+細胞是內分泌祖細胞的起始[3]。神經元素3(Ngn3)是始動內分泌祖細胞分化為內分泌細胞的關鍵轉錄因子[4]。由于髓鞘轉錄因子1(Myt1)和Ngn3的表達不同,使內分泌祖細胞呈現異質性。Myt1+、Ngn3+的內分泌祖細胞向β細胞發育,Myt1-、Ngn3+細胞向α細胞發育[5]。肌腱膜纖維肉瘤癌基因同源物A(MafA)促進β細胞最終成熟,NK6同源盒1(Nkx6.1)僅存在于β細胞中,如果缺少Nkx6.1會導致β細胞發育異常,而不影響胰腺中其他細胞的分化與發育。最后分化成熟的β細胞表達Pdx1、MafA、Nkx6.1、NK2同源盒2(Nkx2.2)和配對盒基因6(Pax6)等轉錄因子。

二、參與α細胞向β細胞轉分化的轉錄因子

參與胰島β細胞分化的轉錄因子主要包括Pdx1、MafA、Pax4、Arx、Nkx6.1、肝細胞核因子4α(hepatocyte nuclear factor 4α, HNF4α)等相關的轉錄因子,這些基因協調表達決定了胰島β細胞的分化[6]。因此,增強β細胞標志基因表達和(或)抑制α細胞標志基因表達的因子可用于設計從體內α細胞再生β細胞或體外發育β樣細胞的方案。

1．Pdx1:Pdx1是一種含有同源框的轉錄因子,在早期胰腺上皮形成、β細胞發育過程和成熟胰島β細胞中必不可少。缺乏該因子的人類或小鼠無法產生導管、外分泌或內分泌細胞類型而導致胰腺發育不全。成熟β細胞中,Pdx1的消耗和減少會導致葡萄糖耐受不良,這表明Pdx1在維持β細胞功能中的關鍵作用[7]。Pdx1在胚胎內分泌祖細胞中的高表達導致圍生期α細胞通過以胰島素/胰高血糖素共表達為特征的中間階段轉化為β樣細胞,并且細胞表型也發生變化,導致胰高血糖素陽性細胞轉變為胰島素陽性細胞。敲除成熟β細胞中Pdx1,并用譜系示蹤劑追蹤,發現Pdx1缺失導致β細胞身份喪失,獲得了β細胞到α細胞重編程的超微結構、α細胞生理特征以及與內源性α細胞高度相似的轉錄譜[8]。

2.MafA:MafA是基本亮氨酸拉鏈家族轉錄因子成員,在胰腺后期發育中能檢測到,可作為胰腺組織的特殊標志物[9]。在小鼠胰腺發育過程中失去MafA并不會改變胰島素陽性細胞的比例,然而缺乏MafA的小鼠在出生后會患上糖尿病,這表明MafA調節β細胞成熟并且是成人β細胞胰島素葡萄糖反應性表達所必需。MafA和Pdx1的共表達可促進胰島α細胞向β細胞轉分化。在一項動物實驗中通過胰管輸注攜帶Pdx1和MafA表達盒的腺相關病毒可將β細胞毒素誘導的糖尿病小鼠和自身免疫性非肥胖糖尿病小鼠中α細胞重新編程為功能性β細胞,也使血糖水平正常化持續4個月。在體外Pdx1和MafA的表達也能將人類α細胞重編程為β細胞[10]。

3.Pax4:Pax4在胰腺早期分化及成熟胰島細胞增殖過程中起重要作用。早期在胚胎胰芽中表達,晚期局限于分化的β細胞中,胰腺發育成熟后便不再表達。Pax4在胚胎α細胞中異位表達后,會導致其發育為β樣細胞,這表明了Pax4對誘導分化胰腺內分泌細胞為β細胞的重要性。通過腺病毒將Pax4轉入αTC1.9細胞中,可導致胰島素合成增加和胰高血糖素抑制,并上調β細胞轉錄因子Pdx1、MafA、Ngn3和Nkx6.1的表達。此外攜帶Pax4表達盒的腺病毒直接輸注到胰腺中會導致糖尿病小鼠的葡萄糖耐量略有改善[11]。因此,胰島中Pax4高表達不僅增加了β細胞質量,也使葡萄糖耐量得到改善。

4.Nkx6.1:Nkx6.1是一種含有同源框的轉錄因子,在胰腺發育的早期以及成人β細胞中表達。它通過同時誘導β細胞基因和抑制非β內分泌基因來促進β細胞數量的增加。例如Nkx6.1可通過與Arx基因激活劑Isl1的競爭直接抑制Arx。當β細胞中Nkx6.1缺失時,β細胞轉分化為δ細胞,不會轉分化為α或胰多肽生成細胞。Nkx6.1在Ngn3陽性區域中表達并不能促進β細胞分化發育,而當Nkx6.1在Pdx1陽性區域表達時,β細胞的分化發育完全恢復,提示Pdx1和Nkx6.1在β細胞分化與發育過程中及維持β細胞正常功能等方面可能具有重要的協同作用[12]。

5.Arx:Arx是維持α細胞表型所需的轉錄因子,其在α細胞中選擇性抑制后,可以促進α細胞轉化為β樣細胞。Chakravarthy等[13]滅活Arx和DNA甲基轉移酶1(Dnmt 1),3個月內導致α細胞向β細胞的轉變。新形成的β細胞在用RNA序列分析和譜系追蹤其基因表達時類似于天然β細胞,新β細胞的葡萄糖刺激胰島素分泌試驗也呈陽性。生理學研究表明,轉化的α細胞獲得標志性的β細胞電生理學,并顯示葡萄糖刺激的胰島素分泌,表明Arx是α細胞介導的β細胞新生主要觸發因子。

6．Hnf4α:Hnf4α是調節許多負責維持成人β細胞基因表達所必需的關鍵轉錄因子,據報道,它可以抑制胰高血糖素表達,誘導胰島素表達和分泌,并上調其他β細胞表型標志物,如Pax4、葡萄糖轉運蛋白2(glucose transporter-2, GLUT2)和葡萄糖激酶(glucokinase, GCK)。αTC1.9細胞系中Hnf4α的過表達上調Pax4,并抑制αTC1.9細胞中胰高血糖素的表達。Hnf4α具有誘導β樣細胞表型-胰島素表達和胰島素分泌的潛力,這包括β細胞特異性GLUT2以及未加工的胰島素原C肽成分的表達,還包括以葡萄糖劑量依賴性調節方式分泌胰島素的能力[14]。盡管Hnf4α在αTC1.9細胞中誘導了顯著的表型變化,但一些重要的β細胞轉錄因子如Pdx1沒有被誘導,因此重編程并不完整。

三、促進α細胞向β細胞轉分化的分子

1.γ-氨基丁酸(γ-aminobutyric acid, GABA):GABA是一種廣泛存在于中樞和外周神經系統的抑制性神經遞質,由谷氨酸脫羧酶作用于谷氨酸合成。研究發現,用GABA處理嚙齒動物可將α細胞轉化為大量β樣細胞[15]。Ben-Othman等[16]研究認為,用GABA處理αTC1.6細胞,可以抑制α細胞中Arx的表達,并使Arx從細胞核轉移到細胞質,導致胰高血糖素表達減少,胰島素和Pax4表達增加,說明GABA有利于體內α細胞向β細胞的轉化。Li等[17]創造了一種誘導型Arx過表達的小鼠Min6細胞系,并尋找能抑制Arx功能的藥物,發現青蒿素家族的抗瘧藥物(特別是蒿甲醚)能增強體內GABA信號,體外研究發現可改善人胰島細胞葡萄糖刺激的胰島素釋放,改變人類胰島的基因譜,誘導α細胞轉化為β細胞。

青蒿素已在臨床上用于瘧疾治療,盡管有龐大的患者隊列,但關于青蒿素對人類胰腺內分泌功能影響的體內研究數據仍然缺乏。除了在小鼠細胞系中觀察到青蒿素和GABA的作用,后續在小鼠(使用譜系追蹤)、大鼠和斑馬魚體內也得到證實。但近年來有研究表明,使用青蒿素或GABA對小鼠進行長期治療后,并沒有刺激α細胞向β細胞轉分化或胰島素分泌,因此對此途徑提出了質疑[19]。

2.胰高血糖素樣肽1(glucagon-like peptide-1, GLP-1):GLP-1是腸道L細胞因食糜刺激而分泌,已知具有重要的生理作用,它能誘導胰島素基因轉錄和胰島素生物合成,增強葡萄糖刺激的胰島素分泌,增強β細胞增殖,并抑制β細胞凋亡[20]。研究發現,胰腺α細胞是GLP-1作用靶點,在體外應用GLP-1激動劑(Exendin-4)和體內應用表達GLP-1的重組腺病毒(rAd-GLP-1)處理可促進α細胞增殖和轉分化。由GLP-1引起的α細胞擴增和轉分化可能有助于β細胞補償。用rAd-GLP-1處理小鼠,發現小鼠胰腺β細胞比例增加,說明rAd-GLP-1處理的小鼠中α細胞可能轉分化為β細胞,并且由GLP-1引起的α細胞增殖不會對葡萄糖的代謝控制產生不利影響。

成纖維細胞生長因子21(fibroblast growth factor 21, FGF21)是一種在肝臟中高表達的循環蛋白,在胰腺的α細胞和β細胞中也能檢測到其表達[21]。FGF21能誘導α細胞中Pdx1和Ngn3產生,刺激β細胞形成,而GLP-1通過α細胞中cAMP的增加,提高FGF21表達水平。用rAd-GLP-1或Exendin-4可以誘導FGF21,并隨后增加β細胞轉錄因子[22]。因此,GLP-1能增強Pdx1和Ngn3的表達,促進體外人胰島細胞和小鼠體內α細胞向β細胞的轉分化。然而GLP-1作為一類廣泛使用的降糖藥物,其降糖效應是否涉及人胰島α細胞向β細胞的轉分化,還需進一步臨床研究。

3.胰高血糖素受體單克隆抗體(GCGRmAb):GCGRmAb通過抑制胰高血糖素功能不僅可以改善血糖控制,還可以促進db/db小鼠和HFD+STZ誘導的T2D小鼠的胰島素分泌并增加β細胞質量[23]。GCGRmAb處理促進了α細胞回歸到祖細胞狀態,并誘導了祖細胞衍生的β細胞新生[24]。Cui等[25]通過使用了可誘導的Ngn3+細胞譜系追蹤2型糖尿病小鼠,發現GCGRmAb組胰島素陽性細胞比對照組多,表明GCGRmAb在2型糖尿病小鼠中誘導胰腺內分泌祖細胞重新激活并向β細胞分化。此外,發現GCGRmAb增強了胰島素分泌并上調了培養的原代小鼠胰島中與β細胞再生相關的基因的表達(Ngn3、Glut2和Pdx1),表明GCGRmAb對胰島細胞表型轉化有直接影響。

4.達格列凈:達格列凈是SGLT2抑制劑,除降糖作用外對β細胞具有直接保護作用。達格列凈上調嚙齒動物胰島和αTC1.9細胞中胰腺祖細胞和β細胞特異性標志物mRNA水平,表明達格列凈可能誘導α細胞轉化為β細胞,并通過使用α細胞譜系追蹤證實α細胞轉化為β細胞。此外,達格列凈上調Pcsk1(編碼激素原轉化酶1/3,一種將胰高血糖素前體加工成GLP-1的重要酶)的表達,并增加αTC1.9細胞中GLP-1的含量和分泌[26]。鑒于GLP-1具有增強β細胞增殖,促進干細胞向β細胞分化,并誘導α細胞到β細胞轉分化的能力,因此,達格列凈對β細胞再生的促進作用可能部分通過α細胞分泌的GLP-1介導。還發現達格列凈上調了培養的原代嚙齒動物胰島和αTC1.9細胞中Hnf4α的表達,如前所述Hnf4α促進α細胞向β細胞的轉化[14]。因此,Hnf4α可能參與了達格列凈誘導的胰腺內分泌細胞表型轉換。

5.白藜蘆醇:白藜蘆醇已成為一種很有前途的降糖藥,有研究報道其能誘導胰腺α細胞中幾種β細胞基因表達和胰島素生成。白藜蘆醇增加關鍵β細胞轉錄因子的表達,例如Pdx1、Ngn3、NeuroD1、Nkx6.1以及FOXO1。用白藜蘆醇處理細胞24h后,發現在細胞中以SirT1依賴性機制顯著增加小鼠胰島素mRNA的表達,而胰高血糖素mRNA沒有顯著改變。將HDAC抑制劑與白藜蘆醇結合使用可進一步增強mRNA和蛋白質水平的胰島素誘導[27]。

6.BRD7389:小分子BRD7389對α細胞具有特異性,可在終末分化的α細胞中以劑量依賴性上調胰島素和Pdx1的表達。BRD7389還增加人原代胰島細胞中β細胞特異性基因的表達,可能涉及的機制是BRD7389抑制p90核糖體S6蛋白激酶(Rsk)激酶活性,導致胰島素表達增加[28]。Rsk是高度保守的絲氨酸/蘇氨酸蛋白激酶家族,可作為Ras/Raf/MEK/ERK信號通路的下游效應器調節葡萄糖穩態。BRD7389在體外和細胞培養中具有作為Rsk家族激酶抑制劑的活性,通過同時抑制多個Rsk家族成員發揮作用,促進胰島α細胞向β細胞的轉分化。

綜上所述,α細胞在β細胞數量急劇減少的條件下可轉分化為β細胞的研究,提示α細胞可作為新的β細胞產生來源。成熟β細胞表達Pdx1、Ngn3、Pax4、MafA、Nkx6.1等轉錄因子,成功的轉分化即通過各種方式使α細胞表達β細胞標志物和(或)抑制α細胞標志物的表達,并使新形成的β樣細胞具有一定的生物學功能。幾種臨床藥物包括GLP-1、達格列凈和GABA,已被證明可促進成年嚙齒動物β細胞增殖,但在人體中是否具有相同的作用還缺乏相關數據。此外,轉分化細胞的生理調節功能仍需進一步研究,例如細胞是否在低葡萄糖條件下終止胰島素分泌,或者細胞是否對各種生理刺激如增加的代謝需求有反應,因此后續還需不斷地探索研究。總而言之,以α細胞轉分化為β細胞作為增加功能性β細胞數量的靶點,在糖尿病治療中具有巨大潛力。