脂毒性促进胰岛β细胞凋亡在２型糖尿病中的作用

陆亚群　苏　珂

中图分类号：R363.2

文献标识码：A

文章编号：1006-1533(2009)09-0399-03

高脂血症在2型糖尿病(diabetes melitus，DM)发病机制中的地位日益得到重视，McGarry甚至在2002年提出了糖尿病是糖脂病的概念。脂毒性(1ipotoxielty)是指血中游离脂肪酸(FFA)水平升高后，超过脂肪组织的储备能力和各组织对FFA的氧化能力，使过多的FFA以甘油三酯(TG)形式在非脂肪组织中过度沉积而造成该组织的损伤。流行病学研究表明，2型DM患者中80％～90％属于肥胖或超重，肥胖者脂肪组织分解产生的FFA显著增加，参与胰岛素抵抗的发生。有关研究表明，FFA的长期作用可诱导β细胞凋亡，引起β细胞坏死，使β细胞数量减少。

1胰岛β细胞凋亡在2型DM中的作用

近年来，越来越多的证据证明，绝大多数的2型DM患者，无论胖、瘦都客观存在着β细胞总数的减少。β细胞总数受到β细胞的复制、β细胞的体积、新的β细胞生成(如来自胰腺导管上皮的新生β细胞)及β细胞的凋亡等多个因素的调节。在正常成年个体中，β细胞的生存期为60 d左右，β细胞的凋亡率维持在0.5％以下。在整个成年过程中，β细胞量保持相对稳定，维持在最佳水平。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细胞的总数增多，来代偿肥胖引起的代谢负荷以及随之而发生的胰岛素抵抗。进行性的β细胞总数减少，是由于B细胞的凋亡明显超过了β细胞复制与新的β细胞产生。随着该病的进展，β细胞复制与增生减少，胰岛细胞淀粉样变，导致β细胞数量不可逆地减少，最终只能以胰岛素替代治疗。在整个过程中，可以发现凋亡在β细胞数量的维持以及2型DM的发生中起着至关重要的作用。

2FFA诱导β细胞凋亡的机制

FFA是脂质的主要转运体，是机体供能的重要物质，它进入β细胞之后有3条代谢途径：一是形成TG储存；二是进入有氧氧化途径；三是进入无氧氧化途径。

2.1神经酰胺介导路径

脂肪组织过饱和导致的TG在非脂肪组织中的储存、β细胞内β氧化的不足以及瘦素分泌的减少导致TG在β细胞内的堆积和脂酰CoA池扩大。脂酰CoA的产生增多导致一种脂质第二信使——神经酰胺合成增加。

2.1.1诱导型一氧化氮合酶(iNOS)途径

神经酰胺通过活化NF-KB上调iNOS，使一氧化氮(NO)合成增加，自由基生成增多，DNA受损引起细胞凋亡。通过体外培养的NIT-1小鼠胰岛β细胞，用不同浓度的L-精氨酸(L-arg)处理，6h后采用Griess化学显色法检测细胞培养液内的NO水平，Annexin—V／PI双染流式细胞术检测细胞的凋亡。而后联合应用hemoglobin处理细胞，并用Western Blot检测P53蛋白的表达，发现NO可能通过P53的活化诱导NIT-1胰岛细胞凋亡。

2.1.2非iNOS路径

Cnop等研究发现，长期暴露于高FFA可诱导正常鼠β细胞凋亡，此效应不被线粒体型肉碱软脂酰转移酶1的拮抗剂etomoxir及抗氧化剂阻断，与NO生成无关。Lupi等将人的胰岛置于FFA中培育，发现神经酰胺水平上升，但iNOS mRNA表达无明显增高，NO合成抑制剂L-硝基精氨酸甲酯(L-NAME)不能减少β细胞凋亡。以上研究提示，神经酰胺可能通过非iNOS路径引起β细胞凋亡。

2.2Caspase途径

Caspase即天门冬氨酸特异性半胱氨酸蛋白水解酶超家族，是细胞凋亡的关键执行者。目前为止已发现有14种不同的Caspase，分为3个亚类：白细胞介素一1β转换酶亚类、凋亡起始亚类和凋亡效应亚类。caspase-3属于与细胞凋亡关系密切的凋亡效应亚类。Caspase-3的激活是在凋亡级联反应中的一个远端效应，其活化后再激活其它Caspase和许多相关的细胞蛋白，包括Caspase依赖的核酸内切酶等，加速细胞凋亡过程。研究发现，Caspase-6常在Caspase-3之前被激活，可与Caspase-3一起协同作用，共同促进细胞凋亡。Hirota等发现，将离体的小鼠胰岛B细胞放人棕榈酸中培养3 h后，Caspase-6的表达增加。培养6 h后，Caspase-3表达增加，小鼠胰岛β细胞凋亡数量较对照组明显增加，培养液加入肉毒碱棕榈酰转移酶-1抑制剂羟苯甘氨酸后可降低caspase－3和Caspase-6活性，减少小鼠胰岛β细胞凋亡数量。

2.3Bcl-2基因

Bcl-2为B淋巴细胞淋巴瘤白血病抗凋亡基因，也是研究最早的与凋亡有关的基因，在细胞内具有抗氧化特性，可通过抑制活性氧形成或作用于活性氧而抑制凋亡。Bax与Bcl－2同源，生物学作用是拮抗Bcl－2而促进细胞凋亡。Bax与Bcl-2可形成同源二聚体，Bax与Bel－2蛋白水平的高低与调控凋亡直接相关：Bax促进凋亡，Bcl－2抑制凋亡。研究表明，NO可下调Bcl－2的表达，而Bax的表达上调。因此认为，在引起胰岛β细胞凋亡的过程中，Bcl-2的作用可能较Bax更为重要。

2.4过氧化物酶体增殖物活化受体(PPARs)途径

PPARS为2型核受体超家族的核转录因子，FFA作为配体与PPARs结合，激活PPARs，抑制NF－kB的抗凋亡作用，使Caspases蛋白表达增高，引起细胞凋亡。Lalloyer等发现，无论是活体还是离体实验，PPAR-α基因缺陷的肥胖小鼠(ob／ob)的胰岛β细胞功能明显受损，对葡萄糖刺激后的胰岛素分泌功能下降，平均胰岛面积减少；而用PPAR-α激动剂干预组的胰岛素分泌功能、平均胰岛面积等指标明显改善，提示PPAR-α能提高胰岛β细胞对病理状态的适应能力。他们还将人的原代胰岛细胞分为2组培养，一组在高FFA浓度条件下，另一组在高FFA浓度条件下用PPAR-d激动剂培养。结果发现，PPAR-α激动剂对高FFA诱导的B细胞凋亡及TG沉积有明显改善作用。

2.5蛋白激酶C(protein kinase C，PKC)

PKC是凋亡信号的重要参与者。PKC是哺乳动物细胞浆内的脂质依赖性丝氨酸／苏氨酸蛋白激酶。在细胞生长信号转导通路中发挥重要作用，参与细胞增殖、生长、分化和凋亡的调节。在凋亡过程中，PKC-δ发挥着关键的作用。转位的PKC-δ对特定的底物进行磷酸化，从而诱导细胞死亡或生存。

2.6胰岛素受体底物-2(insulin receptor substrate-2，IRS-2)

胰岛素受体底物(insulin receptor substrate，IRS)是胰岛素信号转导通路中受体后水平的重要信号蛋白，起主要作用的是IRS-1和IBS-2。作为调节β细胞功能的重要信

号分子，IRS-1主要调节胰岛素分泌过程，IRS-2则主要调节β细胞增殖、生长和存活。转基因鼠的研究表明，胰岛β细胞的功能受胰岛素信号转导途径的调节，而IRS-2是维护β细胞功能的关键信号蛋白。Rhodes的研究发现，IRS-2在肝组织和一些胰岛素靶组织中抑制IR的发生，而且对提高β细胞生长和生存也非常重要，在平衡有效的胰岛β细胞数量和IR之间，IRS-2是一个关键的参与者。脂代谢紊乱后引起高FFA血症，使B细胞内脂质堆积，产生过多的长链乙酰CoA，能激活n蛋白激酶(novelclass of protein kinase C isoforms)，导致IRS分子的丝氨酸／苏氨酸磷酸化，进而诱导B细胞的凋亡。

2.7内质网应激

目前已证实，内质网应激可以通过多条路径诱导细胞凋亡：1)C／EBP同源蛋白(C／EBP homologous protein，CHOP)诱导实验发现，在内质网应激条件下，经上游转录元件铁效应元件1、PERK和ATF6的调控，CHOP表达增强。通过下调抗凋亡基因Bcl-2表达及增加活性氧类产物而诱导细胞凋亡。当抑制CHOP mRNA的表达时，硫化氢诱导的凋亡也显著下降。硫化氢诱导胰岛分泌细胞凋亡是通过p38丝裂原活化蛋白激酶的激活作用来增强内质网应激的。2)c-Jun氨基末端激酶激活，c-Jun氨基末端激酶信号转导蛋白家族可以调节基因表达，并在应激反应细胞凋亡过程中发挥重要作用。铁效应元件1激活后，其细胞质激酶区结合到耦联质膜受体和肿瘤坏死因子受体相关因子2上，并与凋亡信号调节激酶1结合，形成铁效应元件1-肿瘤坏死因子受体相关因子2-凋亡信号调节激酶1复合物，从而激活c-Jun氨基末端激酶，诱导细胞凋亡。

2.8氧化应激

正常生理状态下，机体的活性氧簇(ROS)的产生与消除处于一个动态平衡中，DM患者一方面由于ROS的产生明显增多，另一方面胰岛β细胞内的抗氧化系统处于一个较低的水平，与机体其它组织细胞相比，胰岛β细胞内超氧化物歧化酶、过氧化氢酶、谷胱甘肽过氧化物酶等抗氧化物水平较低，更容易受到ROS的损害，易发生胰岛β细胞氧化应激反应，从而造成胰岛β细胞的凋亡及功能下降，胰岛素合成分泌明显减少。

2.9G蛋白偶联受体(GPR40)

GPR40也称游离脂肪酸受体-1即FFA(1)R，属于G蛋白偶联受体家族(G protein-coupled receptors，GPCRs)。Tomita等通过对手术中所取的大量人体组织分析，发现GPR40在胰岛中的表达水平是整个胰腺的近20倍，而且GPR40在人的胰岛素瘤组织中呈高表达，而在胰高血糖素瘤及胃泌素瘤组织中未能检测出，故认为GPR40主要分布于胰岛β细胞中。GPR40能识别C12～C16饱和脂肪酸和C18～C20不饱和脂肪酸，这些脂肪酸能活化GPR40，激活胰岛β细胞内信号转导途径，调节胰岛素分泌，促进胰岛β细胞过度增殖，引起胰岛β细胞功能缺陷，凋亡增加。

2.10胰腺十二指肠同源异型盒-1(pancreatic duo-denal homebox-1，PDX1)

PDXl是胰岛细胞中特异表达的转录因子，是胰岛素基因最重要的转录调控因子。研究发现，PDX1纯合缺失小鼠可以出现早期胰芽发育受阻，导致胰腺发育不全，找不到成熟的胰腺组织，还可以出现十二指肠区域异常，出生后不久即死于高血糖症。PDX1杂合缺失小鼠尽管胰腺的发育正常，但成年后可出现糖耐量异常及糖尿病。Li等研究发现，胰高血糖素样肽(GLP-1)受体激活剂E4可以刺激PDX1+／+小鼠B细胞增殖明显增强，细胞中标记新生细胞的Brdu阳性细胞数明显增多，β细胞凋亡数无明显变化。而在PDxl-／-小鼠中B细胞增殖无明显变化，但β细胞凋亡数明显增加，进一步证实了PDX1基因在胰岛细胞的增生和凋亡中的作用。

3结语

随着脂毒性诱导胰岛β细胞凋亡的机制研究的不断深入，控制2型DM患者胰岛β细胞的进行性凋亡，就有可能改善该类患者β细胞数量减少的状态，使得控制β细胞凋亡成为治疗2型DM的可能和必需的手段。1)降脂治疗有直接有效地降低脂毒性的作用；2)神经酰胺合成抑制剂Fumonisin B几乎可完全抑制FFA诱导的β细胞凋亡过程；3)iNOS抑制剂可降低NO的生成，从而减少凋亡的发生；4)能与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；5)抗氧化剂氨基胍，既可通过使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(PDX-1)表达部分恢复，从而使胰岛素分泌增加；6)进一步筛选、克隆胰岛β细胞凋亡相关基因，以及Bcl-2基因转染等一系列的治疗措施的应用，有效地遏止B细胞凋亡将有助于减少和延缓2型DM的发生和发展。