胰岛β细胞去分化及可塑性

邓圆圆，刘红红，徐积兄

(南昌大学第一附属医院内分泌科,南昌 330006)

糖尿病已成为威胁人类健康最严重的疾病之一，据统计2019年全球有近5亿人患有糖尿病[1]。由于人口增长、老龄化、城市化、肥胖及缺乏运动的生活方式，预计在未来几十年，中国和印度的发病率将出现最大数量的增长，预计到2045年，全世界糖尿病患病人数将达到7亿。2型糖尿病(T2DM)是最常见的糖尿病类型，其病理生理基础是胰岛β细胞功能不全和胰岛素抵抗。T2DM是一种具有多种病因的异质性疾病[1-2]。β细胞功能不全包含β细胞数量的减少和胰岛素分泌功能下降，2型糖尿病中导致β细胞功能不全具体机制仍存在争议。虽然人们普遍认为，随着时间的推移，细胞凋亡的增加与β细胞渐进性衰竭有关，但大量欧洲动物胰腺病理学研究及一些人类病理学分析表明，细胞凋亡本身不足以解释已确诊的2型糖尿病中严重的胰岛功能障碍[3-4]。随后有学者对β细胞凋亡假说提出挑战，TALCHAI等[5-6]证明，胰岛素释放不足可能是由于β细胞去分化；胰岛β细胞这种在高糖环境下去分化的反应既是“自私”的，又是有利的，一方面，这会使患者血糖更难控制，另一方面可免于高糖引起的细胞应激，保存“实力”，在高糖环境条件改善时又重新分化[5，7-8]。

β细胞去分化可分为两阶段，第一：成熟β细胞标志物，功能相关的蛋白质和转录因子的丧失或下调(如胰岛素和转录因子FoxO1、MAFA、PDX1等)；第二：β细胞向胰岛内分泌祖细胞或干细胞状态转变；在此阶段NGN3、OCT4、Nanog和L-Myc等祖细胞标志性转录因子表达增加[5,9-10]。胰岛β细胞长期浸泡在高血糖的环境下，葡萄糖毒性导致其细胞衰竭[11]。有研究[12-13]显示，葡萄糖毒性涉及多种机制，包括活性氧(ROS)的产生，内质网(ER)应激的激活，己糖胺生物合成途径通量的增加及炎症因子的增多等。本文就2型糖尿病患者β细胞去分化可能机制及其可塑性进行阐述。

1 慢性氧化应激

胰岛中抗氧化酶如超氧化物歧化酶、过氧化氢酶和谷胱甘肽过氧化物酶的表达水平很低，而持续的高葡萄糖代谢可产生过量ROS[11]。有研究[14-15]显示，慢性氧化应激可导致胰岛β细胞去分化。在哺乳动物中表达4种FoxO亚型：FoxO1、FoxO3、FoxO4和FoxO6，胰岛细胞中富含FoxO1亚型[16]。FoxO1是一种多功能蛋白，具有调节细胞增殖、分化、抗应激、抗自噬和调节细胞代谢等作用[17]。在胰岛β细胞中，FoxO1通过调节MafA、PDX-1、NGN3等转录因子的表达维持成熟β细胞正常功能形态[18-19]。血糖正常情况下，持续分泌的胰岛素激活AKT激酶，而使FoxO1中的丝氨酸和苏氨酸位点磷酸化，进而使FoxO1定位于细胞质[7]，在轻度高血糖时，为了应对β细胞氧化应激，FoxO1去乙酰化并转移到细胞核[20]。氧化应激也会激活c-Jun NH2末端激酶(JNK)，使FoxO1在不同于AKT激酶磷酸化的丝氨酸和苏氨酸位点磷酸化，进一步增强FoxO1的核保留，以维持β细胞正常功能形态。当严重持续性血糖升高时，FoxO1则表达下降或消失[21]，使胰岛β细胞不能维持正常功能及形态而发生去分化改变[5]。PDX-1是一种胰腺发育所必需且内含同源域的转录因子，其在胰腺和十二指肠中表达，参与激活胰岛素、葡萄糖转运蛋白2(GLUT2)和葡萄糖激酶基因的表达[22]。正常情况下，受核定位信号(NLS)的作用，PDX-1仅定位于细胞核中[23]。MAF家族是细胞分化的关键调控因子,MAFA是MAF家族中的一员，也是胰岛β细胞形成和成熟所必需的[24]。PDX-1和RIPE-3b1激活剂为胰岛素基因启动子区域结合的重要转录因子，RIPE-3b1激活剂已被鉴定为MAFA。在慢性氧应激中，通过下调硫氧还蛋白相互作用蛋白(TXNIP)，激活STAT3依赖性途径，上调miR-204，从而导致MafA转录水平降低[25]。且在慢性氧应激中，经典的富含亮氨酸的核输出信号(NES)以JNK依赖性的方式被激活，从而覆盖NLS的功能，且PDX-1还通过激活的JNK途径介导细胞质转移。由于PDX-1基因被细胞核中PDX-1本身反式激活，持续性核质异位核中PDX-1表达减少，导致细胞中PDX-1亦进一步减少[23]。PDX-1和(或)MAFA的减少或丧失会导致胰岛素分泌缺陷[14]。在慢性氧应激的代谢压力下，表达胰岛素的细胞会减少，而NGN3细胞则增多[18]。还有研究[15]指出，己糖胺生物合成途径通过诱导慢性氧应激导致胰岛β细胞去分化。

2 内质网应激

以前普遍认为糖毒性干扰内质网中的蛋白质折叠，从而诱导内质网应激导致胰岛β细胞凋亡[26]。目前，有动物研究[12，27-28]表明，糖毒性诱导的慢性内质网应激导致β细胞特异性转录因子逐渐丧失(包括FoxO1、PDX1、MAFA等)，NGN3和OCT4等内分泌祖细胞标志物的出现，即慢性内质网应激会导致β细胞去分化，其可能的机制为通过MEK-ERK通路触发的信号通路。PDX1、BETA2和MAFA协同激活胰岛素基因转录[29]，而C/EBP-β为胰岛素转录启动子的负调控因子[30]，以上4种转录因子均受ERK1/2活性的影响[31]。胰岛β细胞在糖诱导的慢性内质网应激下激活MEK-ERK通路，磷酸化的ERK酶通过影响转录或翻译后通路，使PDX1、BETA2和MAFA表达下降，C/EBP-β表达增强，进而使胰岛素分泌缺陷，胰岛β细胞发生去分化[12]。

3 细胞因子作用

糖尿病患者胰岛中富含炎症细胞，炎症细胞产生的细胞因子会诱导胰岛β细胞去分化[6,32-34]。由巨噬细胞产生的成纤维细胞生长因子(FGF)通过与FGFR1c受体结合激活MAPK通路，影响成熟β细胞标志物的表达使其去分化[32]。在培养的人类和小鼠胰岛内细胞因子IL-1β、IL-6和TNFα促进β细胞去分化，IL-1β是其中作用最强的。IL-1β与受体结合后激活NF-KB通路，使成熟β细胞表达的转录因子下调或丧失，影响FoxO1的表达[35]。血管紧张素Ⅱ(AngⅡ)是一种可使血管收缩的激素，SAUTER等[36]发现AngⅡ可诱导胰岛素分泌受损，其作用机制与缩血管作用无关。AngⅡ可使胰岛β细胞发生去分化，其可能的机制是AngⅡ与AT1R结合使IкB激酶(IKK)复合物磷酸化，释放IkBα，促进p65的核易位调节基因转录，从而使胰岛素、PDX1、FoxO1表达降低，而NGN3、OCT4等表达增强[13]。NF-KB通路通过促进血管紧张素Ⅱ型受体(AT1R)基因表达[37]，AngⅡ亦可促进IL-1β、IL-6等细胞因子的表达，2个信号通路相互交叉，共同作用，促进胰岛β细胞去分化[13]。

4 β细胞的可塑性

胰岛β细胞分化状态及功能方面具有异质性，即胰岛β细胞不是以一种固定的、终末分化的状态存在，其存在一定程度的细胞可塑性[9,38]。胰岛β细胞去分化为胰岛内分泌祖细胞，具有干细胞可塑的特性，在一定的条件下可以重新分化为胰岛β细胞或其他胰岛内分泌细胞[5，38-39]。强化胰岛素治疗可消除高糖环境的糖毒性而使去分化的胰岛β细胞重新分化[9]。胰高血糖素样肽-1(GLP-1)是一种主要由胃肠道L细胞释放的激素。GLP-1类似物治疗可使去分化的胰岛β细胞重新分化，其可能的机制为GLP-1降低血糖的效应，显著增加抗氧化应激相关基因，降低内质网应激相关蛋白的表达来降低氧化应激及内质网等细胞应激[40]，但其确切机制，有待进一步证实。ARX是α细胞发育及维持其成熟细胞稳定性所必需的转录因子[41]，有研究[28,42]表明，ARX的上调会抑制胰岛素基因的已知激活物PAX4的表达，干扰去分化的β细胞再分化为β样细胞，或直接转分化为α细胞。ARX抑制剂可能有助于人类去分化β细胞的再分化。去分化的胰岛β细胞这种可塑性并不是一直存在，糖尿病长病程患者无法恢复β细胞功能，说明糖尿病的阶段和β细胞再分化逆转之间存在某种联系[43]。

5 结语

糖尿病的治疗方法具有多样性，目前主要是降糖药物治疗，但有些患者血糖控制并不理想，胰岛β细胞去分化及其可塑性为糖尿病治疗带来新希望。尽管有动物实验证明胰岛β细胞去分化及可塑性的机制，但人体的机制是否与动物相似，干预治疗是否具有相同的效果，人体中是否存在其他未被发现的机制，有待进一步研究。