- 胰岛β细胞调亡的主要分子机制
- 作者:母义明|发布时间:2013-06-20|浏览量:4064次
【摘要】β细胞凋亡是1型和2型糖尿病发病机制中的关键环节,但1型和2 型糖尿病β细胞凋亡的分子机制有所不同。fasl、穿孔素和颗粒酶、il-1β、tnf-α、ifn-γ和no在1型糖尿病的β细胞凋亡中起着重要的作用。炎症应激、氧化应激和内质网应激在2型糖尿病的β细胞凋亡中发挥着关键作用。北京301医院内分泌科母义明
细胞凋亡( apoptosis)是指为维持内环境稳定,由基因控制的细胞自主的有序的死亡,又称为程序性细胞死亡 ( programmed cell death),是真核细胞的一种特殊的死亡形式[1]。细胞凋亡,是局部环境生理或病理性变化引起的、由自身内部机制调节的一种主动的、按一定程序进行的细胞自发性死亡方式,是以一种与细胞有丝分裂完全相反的方式来调节细胞群体相对恒定的重要机制,是一个多步骤发生的、受基因调控的遗传机制。在凋亡过程中,由于内源性核酸内切酶的激活,使dna在核小体连接区断裂,形成以180~200bp整倍数的dna片段;细胞呈现胞体变小,皱缩,染色质浓集,核固缩,进而核碎裂形成被膜包围的凋亡小体,最后被周围吞噬细胞吞噬降解。细胞凋亡涉及一系列基因的激活、表达以及调控等的作用,它对生物个体的发育、存活以及保持正常生理功能都有重要意义,是机体为更好地适应生存环境而主动争取的一种死亡过程。但如果细胞凋亡规律异常,会给人类造成许多疾病,包括糖尿病、心血管疾病、神经退行性疾病等多种疾病的发生,β细胞凋亡在1、2 型糖尿病的发病中扮演了重要角色[2]。
1. β细胞凋亡与糖尿病
糖尿病患者普遍存在β细胞总数减少。β细胞总数减少受以下四个因素来调节:①β细胞的复制;②β细胞的体积;③新的β细胞生成;④β细胞的凋亡。每个因素对于维持β细胞总数的作用,都随着生长发育的不同阶段以及不同的代谢负荷而有所不同。在新出生婴儿时期,由于β细胞的大量复制和随后而来的β细胞的新生,大大超过了凋亡的速度,所以β细胞总数明显增加。在儿童及青少年时期,复制、新生及凋亡的速度都有显著的下降。到了成人阶段,β细胞的寿命大约为60天,在大多数情况下,每天约有0.5%的β细胞凋亡,但有复制和少数新生的β细胞补充。而β细胞的大小始终相对比较恒定,所以,正常成人的β细胞数量维持在一个相对衡定的状态。但在肥胖人群中,β细胞复制加速、肥大,并有新生的β细胞,使β细胞总数增多,来代偿肥胖引起的代谢负荷以及随之而来的胰岛素抵抗。
在糖尿病整个病理过程中,β细胞凋亡呈现持续增加的趋势。在1型糖尿病中,β细胞凋亡起着决定性作用,在1型糖尿病诊断时,β细胞量减少约75%甚至90%以上。目前关于在2型糖尿病发病机制中,β细胞量减少还是β细胞本身分泌功能减低,哪种作用更为重要尚有争议。但动物模型和人体尸检均证实在2型糖尿病中β细胞量是明显减少的。在沙鼠的2型糖尿病模型中,早期β细胞新陈代谢率增加(增殖和凋亡增加),β细胞量轻度增加。随着疾病的进展,β细胞凋亡逐渐占优势,表现为糖尿病终末期β细胞量显著减少。bulter等[3]通过尸检研究了糖尿病患者的β细胞量的变化。他们发现肥胖伴有空腹血糖升高患者的β细胞量比肥胖非糖尿病者减少40%,肥胖伴糖尿病患者较单纯肥胖者β细胞量减少63%;非肥胖糖尿病患者相对β细胞量比既无肥胖又无糖尿病者减少41%。他们认为β细胞凋亡增加是2型糖尿病患者β细胞量减少的主要原因,而β细胞的新生和增殖保持正常甚至稍微增高。其他学者的研究[4-5]也证实2型糖尿病患者β细胞量较非糖尿病对照人群明显减少。
2. 1型糖尿病和β细胞凋亡
1型糖尿病中β细胞的死亡模式是坏死.还是凋亡,或二者兼有尚无定论,但越来越多的证据表明,凋亡在胰岛β细胞自身免疫性破坏中占有重要地位。此外,trudean等推测,新生鼠胰岛β细胞凋亡高
峰有可能是引起自身免疫性糖尿病的触发因素。在1型糖尿病的病理过程中,许多免疫效应细胞,包括cd8+、cd4+t细胞和巨噬细胞、树突状细胞及其效应分子,如穿孔素/颗粒酶b、白介素-1β(il-1β)、肿瘤坏死因子(tnf-α)和干扰素-γ(ifn-γ)以及其效应分子、补体、金属离子等参与了胰岛β细胞凋亡的过程。
2.1 1型糖尿病β细胞凋亡的分子机制
1型糖尿病β细胞破坏的主要机制包括:1.表达于激活的cd8+ t淋巴细胞的fas配体(fasl)和表达于胰岛β细胞的fas受体,激活凋亡的死亡受体途径;2.激活的cd8+ t淋巴细胞释放穿孔素和颗粒酶,诱导β细胞凋亡;3.浸润于胰岛细胞的各种免疫细胞释放细胞因子,包括白介素-1β(il-1β)、肿瘤坏死因子(tnf-α)和干扰素-γ(ifn-γ),促进β细胞凋亡;4.巨噬细胞、树状突细胞和β细胞释放活性氧元件,如一氧化氮(no),调控β细胞凋亡。
2.1.1 fas和fasl
fas(又称cd95/apo-1)属于肿瘤坏死因子超家族的亚型,fas分子胞内段带有特殊的死亡结构域(dd, death domain),它与其配体fasl结合可以启动凋亡信号的转导引起细胞凋亡。fas和fasl分别表达于β细胞表面和浸润于胰岛细胞的cd8+t细胞。fas激活后诱导形成fas三聚体,三聚化的fas和fasl结合后,使三个fas分子的死亡结构域相聚成簇,受体通过死亡区域直接或间接与细胞内衔接蛋白( adoptor protein) fadd(fas-associated protein with death domain)相偶联。fadd是一种胞浆蛋白,其c端含有死亡区域(dd, death domain),n端是与死亡信号传导的必需成分,称死亡效应区域( death effect domain, ded),fadd是死亡信号转录中的一个连接蛋白。dd结构域负责和fas分子胞内段上的dd结构域结合,该蛋白再以ded连接另一个带有ded的后续成分,由此引起n端ded随即与无活性的半胱氨酸蛋白酶8(caspase-8)酶原前体发生同源性交联,聚合多个caspase8的分子。当fadd与受体结合后 ,借助于ded与无活性的caspase8酶原前体偶联形成disc( death inducing signaling complex)复合物,caspase-8酶原前体,其n端也含有ded,c端含有典型ice蛋白酶结构域,裂解后导致caspase- 8自我活化,激活其下游效应caspase诱导细胞凋亡。体外研究表明caspase-8能与caspase-3,-4,-7,-9等分子结合,遂由单链酶原转成有活性的双链蛋白,进而引起随后的级联反应,即caspases,后者作为酶原而被激活,引起下面的级联反应[6],诱导β细胞发生凋亡。研究表明fas受体基因突变的nod小鼠不会发展为糖尿病[7],对nod小鼠胰岛细胞的fas相关的死亡域蛋白突变可抵抗fas和细胞因子诱导的β凋亡[8]。
2..1.2 穿孔素和颗粒酶
穿孔素和颗粒酶存在于cd8+ t细胞的颗粒中,cd8+ t细胞受体识别β细胞表面的自身抗原后通过胞吐作用释放这些毒素分子至细胞外环境。穿孔素可在细胞表面形成孔洞,丝氨酸蛋白酶颗粒酶通过这些孔进入细胞,引起一系列的级联反应,如caspase的激活和bid蛋白的活化,引起β细胞凋亡。在穿孔素存在时,颗粒酶b能直接激活caspase3,7,8,l0诱导靶细胞快速凋亡,还可通过旁路途径如裂解bid为短链bid促进细胞凋亡。目前认为穿孔素/颗粒酶是t细胞介导β细胞凋亡的主要介质。在l型糖尿病中,自身反应性细胞毒性t淋巴细胞(ctl)通过fas/fasl途径和穿孔素/颗粒酶途径诱导β细胞凋亡,但通过穿孔素/颗粒酶途径导致自身免疫性糖尿病的效率是通过fas/fasl途径的3o倍,在疾病早期主要通过fas/fasl途径介导β细胞凋亡,而在疾病进展期则颗粒酶介导的β细胞凋亡起主导作用。穿孔素缺乏的rip-lcmv小鼠(一种病毒诱发的糖尿病模型)可耐受lcmv的感染,不出现糖尿病表型。而穿孔素基因敲除的nod小鼠尽管有严重的胰岛炎,但很少出现糖尿病[9-10]。
2.1.3 炎症因子
除了上述2种cd8+特异性杀伤机制,β细胞凋亡还可通过il-1β、ifn-γ和tnf-α等促炎症因子诱导。
il-1β与受体(il-1r)结合后诱导受体的胞浆域形成多蛋白复合物,如il-1受体附件蛋白(il-1racp),tollip,myd88,irak-1和irak-4。irak-4磷酸化irak-1,激活irak-1,使其自il-1r蛋白复合物中释放。然后irak-1活化tnf受体相关因子-6(traf-6),traf-6兴奋ikk,ikk使与nf-κb结合的iκb降解,将nf-κb 释放使其核转位,发挥基因调控的作用。实验证明nf-κb抑制剂转基因小鼠对多次小剂量链脲菌素造成的糖尿病模型具有抵抗作用[11]。此外il-1β还可激活mapk信号途径中的p38和jnk。il-1r基因敲除小鼠可延缓糖尿病的发生[12],nod小鼠采用il-1r拮抗剂阻断il-1的信号转导,可预防链脲菌素诱导的糖尿病发生,抑制胰岛β细胞的凋亡[13]。il-1β除促β细胞凋亡的作用外,还可影响β细胞功能。该效应是通过il-1β降低胰岛素囊泡与β细胞膜的锚定而实现的[14]。
ifn-γ与其受体结合后诱导其寡聚化并且募集jak1和jak2,jak1和jak2通过磷酸化激活stat-1,然后stat-1转移至细胞核内调节在启动子区含gas基因的表达,如fas,caspases和inos等。研究发现,阻滞胰岛stat-1基因的表达,可防止链脲菌素诱导的糖尿病发生[15]。而ifn-r基因敲除小鼠抑制胰岛炎和糖尿病的发生[16]。
tnf-α与tnf受体-1(tnf-r1)结合后,tnf-r1形成三聚体募集tnfr1相关的死亡结构域蛋白(tradd),然后tradd征募traf-2和色氨酸苏氨酸激酶rip,traf-2激活mapk和nf-κb途径。traf-2与rip通过激活ikk复合物协同诱导nf-κb。此外tnf-α还通过traf-2诱导β细胞mapk中的p38和jnk磷酸化。tnf-r1募集tradd还可激活caspase-8酶原前体,从而激活caspase-8级联诱导凋亡[13]。tnf-r1基因突变的nod小鼠可避免糖尿病的发生[10],与此相类似,抗tnf-α抗体在nod小鼠可抑制糖尿病的发生[17]。
这些细胞因子还通过协同作用发挥作用。在体外环境中,tnf-α和ifn-γ均无法单独诱导β细胞凋亡,而单独使用il-1β仅有轻微的促凋亡效应。然而但这些细胞因子协调发挥效应时,其诱导凋亡的作用大大增强[18]。这些细胞因子还可促进诱导型一氧化碳合酶(inos)合成,产生大量no。inos启动子区包含nf-κb的两个可被il-1β和tnf-α激活结合位点和一个可被ifn-γ激活的stat-1结合位点。
no是对细胞功能和凋亡存在着浓度依赖性的复杂作用,高浓度的no引起dna断裂,激活p53,活化parp引起由于dna修复时atp耗竭所导致的细胞凋亡。此外,高浓度的no还可与半胱氨酸、酪氨酸发生直接化学反应,修饰蛋白影响蛋白功能。no还可调节nf-κb和ap-1活性,与其他转录因子的锌指蛋白域相互作用,调节β细胞凋亡[19]。
2.2 1型糖尿病β细胞凋亡的遏制
目前认为,t淋巴细胞是引起β细胞凋亡的效应细胞,巨噬细胞和树状突细胞作为抗原呈递细胞和氧自由基以及其他细胞毒性因子的释放细胞在β细胞凋亡中起着重要作用,然而fasl、il-1β、ifn-γ、tnf-α和no等细胞因子,哪个因子在β凋亡中起着至关重要的作用还有争议。但随着人们对胰岛β细胞调亡机制、调节因素及其与糖尿病关系的认识,胰岛β细胞凋亡遏制的研究将为临床防治t1dm提供新途径。其一,消除或抑制促凋亡因素:对于1型糖尿病,自身免疫性破坏是胰岛β细胞损害的主要原因,故通过诱导免疫耐受、免疫赦免、阻断细胞因子及no的作用具有重要意义。诱导免疫耐受方面,可通过在胸腺内转基因表达胰岛素或胸腺内注射胰岛提取物质、胰岛b链、谷氨酸脱羧酶65等可清除与胰岛或b细胞抗原反应的胸腺细胞;口服自身抗原可经旁路抑制产生免疫耐受;阻断t细胞激活所需的协同刺激信号.如ctla4-ig,阻断协同刺激分子cd28-b7相互作用致t细胞无反应或凋亡等。同时,机体有些部位如睾丸可通过表达fasl诱导fas浸润t细胞凋亡而获得免疫赦免,将表达fasl的成肌细胞与胰岛共同移植,能显著延长胰岛存活期。但也有实验显示.转基因表达fasl的鼠同源胰岛移植物却受到中性粒细胞的破坏而萎缩,而抗fasl抗体能减轻胰岛炎、防止胰岛b细胞凋亡的发生。turvey等研究认为,除非能防止fasl依赖性的中性粒细胞介导的炎症反应,否则,通过异位表达fasl诱导浸润t细胞凋亡而防止移植物被排斥的策略就不可能实现。还可抑制或阻断细胞因子及no的促凋亡作用。如转基因表达il-1受体拮抗蛋白(1rap)、蛋白ib235(islet?brain)1和ib2、jnk抑制剂-细胞通透肽均可防止il-1β诱导的胰岛β细胞死亡。igf-i对细胞因子介导的细胞死亡也有保护效应,nos抑制剂、ca2+螯合物及ca2+依赖性蛋白酶calpain的抑制剂均可阻断no供体snap诱导的胰岛β细胞凋亡。其二,干预细胞凋亡过程保护胰岛:通过阻断死亡受体信号传导途径如诱导fas相关的死亡区域(fadd)、tnfr相关的死亡区域(tradd)失功能突变可以防止tnfr和fas介导的凋亡。增加抗凋亡蛋白的表达如转染bc1-2基因可以防止免疫反应介导的胰岛β细胞损伤,转基因表达bc1-xl的胰岛β细胞系生存能力增强。还可经抑制caspose的作用如转基因表达caspase-l,-8的抑制剂crma降低β细胞对致糖尿病性t细胞的易感性,减少nod鼠糖尿病的发生。另外热休克蛋白(hsp)的表达可通过保护线粒体功能、抑制应激激活的蛋白激酶及p38激酶的激活、防止p53介导的bax基因转录激活而发挥抗凋亡作用。
3. 2型糖尿病和β细胞凋亡
2型糖尿病是一个进展性疾病,尽管胰岛β细胞分泌胰岛素不足和胰岛素抵抗在2型糖尿病的发生发展中谁起主导作用仍是一个争议的问题:过去认为胰岛素抵抗在2型糖尿病病理生理机制中占主要位置,现在越来越多地认识到胰岛β细胞分泌胰岛素不足在2型糖尿病发生发展中起重要作用。一般来说,胰岛产生胰岛素的能力决定于β细胞的数量和β细胞的功能性活动.外周胰岛素抵抗和随之而来的胰岛素需求的不断增加都是通过β细胞活动和(或) β细胞团块的增加实现的。胰岛β细胞功能障碍是2型糖尿病发生的必要条件,胰岛β细胞凋亡是造成胰岛素分泌能力绝对下降的重要因素,β细胞凋亡在2型糖尿病的发病机制中起了重要的作用。
3.1 2型糖尿病患者增加β细胞凋亡的主要原因
引起β细胞凋亡的机制尚不清楚,但是许多因素牵涉在内,如高血糖症、高脂血症、胰岛淀粉样物质的沉积,或这些因素的联合作用,使机体的内环境稳定性逐渐破坏,而出现明显的糖尿病,并引起各种急慢性并发症。现将可能引起2型糖尿病胰岛β细胞凋亡增加的机制简单分述如下:
3.1.1 “糖毒性”作用
糖尿病是以血糖升高为临床特点,高血糖对机体的不良影响,称为“葡萄糖毒性作用”。 高血糖对β细胞的损伤作用是导致β细胞功能缺陷的重要因素。葡萄糖通过葡萄糖转运蛋白进入胰岛β细胞,被磷酸化后,可进入许多代谢途径,包括糖酵解。正常的β细胞可根据长期的营养状态调节胰岛素分泌能力,β细胞还能通过增殖来适应更长期的变化。但在长期高血糖水平下,胰岛β细胞凋亡增多而增殖减少,从而减少有功能的β细胞数量。长期高血糖增加β细胞凋亡的具体作用机制可能与以下因素有关:(1) 长期高血糖可能影响参与凋亡的基因表达,通过改变bcl蛋白家族之间的平衡来调节β细胞凋亡水平[20]。federici等发现在高葡萄糖(16.7mmol/l)条件下,高血糖能够持续增加促凋亡基因bad、bid、bik的表达,减少bcl-xl抗凋亡基因的表达,而对bcl-2抗凋亡基因的表达没有影响。高血糖打破了促凋亡和抗凋亡之间的平衡,并向着凋亡的方向发展,促进胰岛细胞凋亡。(2)糖毒性的生物化学机制可能是由慢性氧化应激引起。氧化和抗氧化作用失衡所致的氧化应激引起胰岛β细胞凋亡[21]。(3) 高血糖可通过上调fas受体和刺激fasl表达引起胰岛β细胞凋亡。2型糖尿病可能是一个炎症性过程,高血糖诱导β细胞产生炎性细胞因子il-1β,il-1β激活nf-κb而触发通过上调fas受体而引起β细胞的凋亡。(4)liu[22]等提出糖毒性诱导β细胞凋亡的机制之一可能是葡萄糖的代谢影响o-连接的n-乙酰氨基g对细胞内蛋白质的修饰,产生对糖负荷的适应,导致β细胞凋亡。
3.1.2 “脂毒性”作用
2型糖尿病患者存在脂代谢紊乱,常有血浆游离脂肪酸(ffa)的升高。ffa对β细胞的影响是双向的,有研究提示短期高浓度ffa可显著刺激胰岛素分泌,而长期高水平的血浆ffa浓度可导致胰岛β细胞分泌功能受损,胰岛素释放减少,即发生脂毒性作用。ffa的脂毒性作用最终可致β细胞凋亡增加,为了区别于其它原因导致的凋亡,将这种ffa引起的凋亡称之为脂凋亡。研究表明,长期暴露于高ffa可引起人和鼠胰岛β细胞脂质过载,细胞增生下调、凋亡增加,胰岛素分泌减少[23-24]。shimabukuro[25]等提出ffa可通过增加合成鞘髓磷脂醇产物一酰基鞘氨醇(一个细胞凋亡信息分子)导致β细胞凋亡,酰基鞘氨醇可上调nf-κb的表达,而后者又可上调no合酶的表达,使no产生增加;ffa可以通过一氧化氮独立机制的影响使正常的胰岛β细胞凋亡。甘油三酯是细胞内ffa的来源,胰岛素具有激活脂蛋白酯酶的作用,其相对不足时,血浆乳糜微粒和极低密度脂蛋白颗粒中的tg降解发生障碍,使血中甘油三酯水平升高。胰岛素抵抗可引起高甘油三酯血症,而后者又可影响胰岛素的活性,反过来导致胰岛素抵抗,造成恶性循环,因此高甘油三酯血症在糖尿病的发展过程中起着重要作用。shimabukuro[25]等用5mmol/l 的甘油三酯孵育正常大鼠胰岛72小时,胰岛的分泌功能较对照组降低。并且甘油三酯可使胰岛内由于细胞凋亡而产生的dna条带增加l5倍,而dna条带的增加是细胞凋亡的特征之一, 因此高甘油三酯本身可能引起β细胞凋亡。
3.1.3 葡萄糖脂肪毒性作用
2型糖尿病的β细胞功能缺陷是一个进展过程,脂肪酸(fa)作用与其共存的葡萄糖浓度有很大的关系。血糖正常时,慢性升高的fa就会在线粒体中被迅速氧化,不会损害β细胞功能;相反,当fa和血糖浓度都升高,fa酯化的代谢产物的积累可能会抑制葡萄糖诱导的胰岛素分泌和胰岛素的基因表达,β细胞的功能就会受到极大的损害。jacqueminet等的研究证明,在低糖浓度时,胰岛素分泌和胰岛素的基因表达正常,而在高糖浓度时却明显下降;随之他们研究又发现软脂酸盐诱导的细胞内甘油三酯的集聚仅在高糖存在时出现,依赖葡萄糖的中性脂质的聚集与胰岛素mrna的水平的联系是反向的。葡萄糖毒性和脂肪毒性的这种紧密相联在某种意义上说高血糖是脂毒性出现的必需条件,进一步来说,脂毒性可认为是糖毒性的一个机制,活性氧簇的产生可能是葡萄糖毒性和脂毒性共有的机制,胰岛在软脂酸中的暴露诱导活性氧簇的产生[26],用二甲双胍治疗胰岛能够防止fa的恶化作用[27]。因此可以认为:在损害β细胞功能上,葡萄糖毒性和脂毒性相互依赖地集中于这一点,且有协同作用。
3.1.4 胰岛淀粉样多肽(1app)的沉积
lapp为37氨基酸多肽,又称为胰淀素,是胰岛β细胞的正常分泌产物,与胰岛素合成及分泌并行,其中第20~29位氨基酸序列是lapp形成淀粉样纤维蛋白沉积的结构基础。iapp容易积存在β细胞之间,或β细胞和其他内分泌细胞之间,从而减少了有功能的β细胞数目和分泌区域。尸检发现,90%的2型糖尿病患者胰岛中有淀粉样纤维蛋白沉积,伴b细胞数量减少40%~60%,且胰岛淀粉样变性程度与糖尿病的病变程度一致,提示iapp可能造成t2dm 胰岛b细胞数量减少。人lapp可诱导细胞凋亡[28],且二者呈剂量相关性;有丝分裂期的胰岛细胞对人iapp诱导的β细胞凋亡较分裂间期的细胞更敏感[29]。转入人lapp基因的纯合子肥胖小鼠在高糖、高脂饮食、生长激素或糖皮质激素处理后胰岛内很快出现大量iapp变性沉积,β细胞凋亡水平大于复制水平,数量下降,最终发展为2型糖尿病[30-31]。lapp聚集物在胰岛形成淀粉样纤维素,中等大小的lapp聚集物,通过膜破坏对胰岛细胞有“细胞毒性作用”,诱导胰岛细胞的凋亡[32]。
3.2 2型糖尿病患者β细胞凋亡的分子机制
2型糖尿病患者β细胞量减少主要原因是由于凋亡增加,糖毒性、糖脂毒性炎症介质和胰淀素的沉积是导致2型糖尿病患者β细胞凋亡的原因。这些因素主要是通过炎症应激、氧化应激和内质网应激等分子机制调控β细胞凋亡[33]。
3.2.1 炎症应激
肥胖、胰岛素抵抗和肥胖相关的2型糖尿病患者循环中c-反应蛋白质、炎症因子水平增高,这些炎性变化可能是2型糖尿病的结果。高热量摄入、高血糖和高ffa引起的代谢应激可能是导致β细胞凋亡、引起β细胞功能减退的原因之一[34]。高糖可诱导胰岛细胞il-1β合成和分泌,促进fas触发的β细胞凋亡。在2型糖尿病患者中浸润于胰岛的巨噬细胞也可产生il-1β[35]。研究证实,在2型糖尿病患者应用il-1受体拮抗剂可改善血糖控制、提高β细胞分泌功能并降低血清中炎症指标[36]。
3.2.2 氧化应激
氧化应激通过抑制胰岛素分泌和增加β细胞凋亡导致2型糖尿病患者β细胞功能紊乱[37]。。糖毒性和糖脂毒性可通过产生过量的活性氧簇(ros)和其他自由基促进糖尿病的发生发展[38-39]。高血糖的致病作用在很大程度上是通过活性氧簇(ros)、活性氮(rns)生成和继发的氧化应激反应介导的。ros、rns除直接氧化损害dna、蛋白质、脂质、大分子物质外,还间接通过核因子κb(nf-κb)、p38丝裂原活化蛋白激酶、nh3末端jun激酗应激活化蛋白激酶(jnk/sapk)、己糖胺等细胞应激敏感途径损害组织。在2型糖尿病患者中,高血糖活化这些通路,导致线粒体的氧化应激损伤,从而出现胰岛素抵抗和胰岛素分泌受损。虽然氧化应激可在各种组织中发生,但由于胰岛β细胞的超氧物歧化酶、过氧化氢酶和谷胱甘肽过氧化物酶等抗氧化酶表达量低,因此β细胞特别易受到氧化应激的损害。除了抗氧化酶外,还原型谷胱甘肽和硫氧还蛋白也参与了维持β细胞的氧化还原状态。葡萄糖可诱导硫氧还蛋白的抑制剂(txnip)增加β细胞凋亡。通过对hcb-19小鼠的研究发现,由于其存在txnip的无义突变使其对葡萄糖诱导的凋亡具有抵抗作用[40]。在2型糖尿病患者β细胞处于自由基的慢性增加和细胞内氧化还原调节能力降低的环境,引起β细胞凋亡。这也可解释抗氧化分子可改善β功能。
3.2.3 内质网应激
各种原因导致的未折叠蛋白或错误折叠蛋白在内质网腔内的积聚,被称为内质网应激。这可能是在内质网生物合成活性增加时,内质网过载从而产生错误折叠或未折叠的蛋白。内质网应激引起内质网功能紊乱,包括内质网内未折叠蛋白或错误折叠蛋白的堆积等,其中由蛋白质堆积所引起的一系列后续反应称为未折叠蛋白反应(unfolded protein response,upr)。未折叠蛋白反应首先表现为蛋白质合成暂停,随着应激反应蛋白基因表达,可进一步改善细胞生理状态。但当应激原强度超过细胞自身处理能力时,内质网也会诱导特有的内质网性细胞凋亡通路,以消除受损又不能及时修复的细胞。在胰岛素抵抗和2型糖尿病时,由于胰岛素原的合成增加,当超过内质网的负荷,引起内质网应激,诱导β细胞凋亡[41]。细胞膜上存在抑制物阻抗性醋酶、双链依赖的蛋白激酶样内质网激酶和活化转录因子三种跨膜蛋白质,正常情况下这三种蛋白与侣伴蛋白结合保持无活性形式。在内质网应激反应过程中, 这3种跨膜蛋白质可感知信号并通过寡聚化和自身磷酸化由膜向细胞核和细胞质转导内质网应激信号。① 细胞周期阻滞活化的perk使真核细胞翻译起始因子2α磷酸化, 导致细胞周期蛋白d1翻译下调, 使细胞周期阻滞于g1期以决定细胞存活或凋亡。② 细胞保护性信号途径:perk和ire1β使eif2α磷酸化,引起所有蛋白质翻译抑制以减少新蛋白质的合成,活化的atf6和ire1使内质网蛋白靶基因转录上调(如免疫球蛋白结合蛋白/葡萄糖调节蛋白78、grp94和蛋白质二硫键异构酶等)以帮助蛋白质正确折叠、修饰和转运, 同时内质网相关蛋白质降解上调使内质网中非折叠或非正确折叠蛋白质转位于细胞质并通过泛素和蛋白酶体依赖性方式降解。③细胞凋亡性信号途径:如果这种内质网应激反应程度过强或持续时间过长,内质网稳态则不能重新建立,ire1信号转导的凋亡性效应分子通过cjun-氨基酸末端激酶(jnk)、caspase-12的活化和ccaat/增强子结合蛋白(chop)同源蛋白的转录上调诱导细胞凋亡[42-43]。通过对自发性糖尿病模型akita小鼠的研究,最早证实内质网应激参与了β细胞凋亡。akita小鼠是一种常染色体显性遗传糖尿病小鼠,存在胰岛素原基因的2个突变,胰岛β细胞量减少。学者们为证实内质网应激的假说,将akita小鼠的基因突变转染至chop基因敲除小鼠,发现高血糖发生延迟,并且β细胞量可以维持正常[44]。
3. 3 2型糖尿病针对β凋亡的治疗新途径
随着对2型糖尿病发病机制研究的深入,产生了很多新的治疗靶点,尽管很多只处在实验室研究阶段,有些还有很多缺陷,但不可否认的是,它们为治疗糖尿病提供了很多新的途径。⑴ 降脂治疗对于2型糖尿病的意义从机制上更为明确了;⑵ 神经酰胺合成抑制剂fumonisin b几乎完全抑制ffa诱导的β细胞凋亡过程;⑶ 抗氧化剂氨基胍,既通过使no合成减少,阻断细胞凋亡途径使胰岛β细胞凋亡减少,又能使受到抑制的胰岛素基因启动转录因子-1表达部分恢复,从而使胰岛素分泌增加;⑷ 能与过氧化物酶体增殖物激活受体(ppars)相互作用的药物如噻唑烷二酮类药,能减弱ffa诱导的β细胞破坏;⑸ 瘦素,在营养摄入过多时,可通过增加fa的氧化和降低脂质生成保护非脂肪组织免于脂肪的过量堆积。⑹ 诱导型一氧化氮合酶抑制剂可降低no的生成,从而减少凋亡的发生;⑺ 进一步筛选、克隆胰岛β细胞凋亡相关基因,以及bcl-2基因转染;⑻ 胰升血糖素样肽-1 (glp-1),是由肠道l细胞分泌的一种肽类激素,它不仅具有促进胰岛素原合成、促进胰岛素基因表达和胰岛素释放等多重功效,还可以诱导新生β细胞形成,并且抑制β细胞凋亡。体外研究证实,glp-1可抑制许多细胞因子(il-1β、tnf-α和ifn-γ)诱导的β细胞凋亡,目前研究glp-1主要通过camp和pi3k途径抑制β细胞凋亡。同时glp-1不仅对β细胞具有抗凋亡作用,在神经元细胞也发现有抗凋亡效应。在离体实验中发现,glp-1可抑制新鲜分离的胰岛组织的自发凋亡,提高葡萄糖刺激的胰岛素分泌。体内研究也发现,glp-1可提高胰岛功能,改善胰岛形态。glp-1可抑制h2o2介导胰岛素瘤细胞的凋亡,对离体的人胰腺组织glp-1能更好地保持胰岛三维结构的稳定,延缓胰岛细胞数目减少。目前研究glp-1的抗凋亡作用可通过直接作用(抑制促凋亡因子caspase-3和增强抗凋亡因子bcl-xl, bcl-2 or iap-2)和间接作用(降低血糖和ffa)发挥效应,并且glp-1不依赖于其降糖作用来影响β细胞凋亡[45]。glp-1可增加β细胞再生,减少凋亡,改善β细胞功能,对2型糖尿病治疗意重大。但是,天然glp-1在人体会迅速降解而失活,因此临床应用受到限制。glp-1类似物利拉鲁肽在人体天然glp-1分子结构的基础上,更换了一个氨基酸,并增加了一个16碳棕榈酰侧链,这样,既保留了天然glp-1的各种生理特性,又克服了天然glp-1容易被降解的缺点。多项研究显示,利拉鲁肽对β细胞有直接影响,不仅可以增强β细胞功能,如增加第一时相胰岛素分泌,降低胰岛素原/胰岛素比率等,还可以增加β细胞数量(动物模型)等。vilsboll t [46]的研究显示,利拉鲁肽能够提高β细胞功能,有效降低患者的hba1c水平,改善t2dm患者的状态,进而成为临床使用的治疗新方案。
总结
综上所述,β细胞凋亡的分子机制非常复杂,涉及到多个细胞信号途径和多种细胞因子,并且多种细胞凋亡的转导通路和调控机制相互交叉。目前我们临床上使用的抗糖尿病药物尚无直接针对β细胞凋亡起效的药物,但即将上市的glp-1类似物等对β细胞凋亡具有直接抑制作用[47],为糖尿病的治疗开拓了一个新的领域。
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