胰腺发育不同阶段转录因子表达的研究进展

王洪刚，马玉珍 综述 韩为东，王清莲 审校

1包头医学院，内蒙古包头 014040；2内蒙古自治区人民医院 内分泌科，内蒙古呼和浩特 010017；3解放军总医院，北京 100853

胰腺起源于肠管内胚层(gut endoderm)，它是脊椎动物原肠胚形成后三个胚层之一，经过一系列的信号调节和逐级转录因子调节最终形成成熟的器官(Gittes 2009)。大鼠的胰腺产生最早是在胚胎的第8~8.5天(E8~E8.5 d)[1]，在胚胎的第13.5天(E13.5 d)大部分分泌激素细胞(α、β、δ和PP细胞)开始出现并组成内分泌胰岛[2-3]。其中胰腺β细胞是体内分泌胰岛素的细胞，糖尿病的发生与β细胞的破坏密切相关。近些年干细胞或其他终末分化的体细胞(主要指与胰腺发育相近的组织)转变为胰岛素分泌细胞的研究，成为了糖尿病治疗的新希望。本篇综述重点讨论胰腺祖细胞(pancreatic progenitor)、内分泌祖细胞(endocrine progenitor)和胰岛素产生细胞三个过程中主要转录因子表达及其作用。

1 胰腺祖细胞阶段的主要转录因子

Pdx-1基因在胰腺的形成和β细胞分化方面起着至关重要的作用，也是胰腺发育必需的转录因子及β细胞形成和成熟的标志。在小鼠胚胎的8~10d，胰腺祖细胞阶段Pdx-1基因呈现高表达，在β细胞分化的阶段出现再次的高水平表达。Pdx-1基因突变的小鼠，表现为胰腺器官缺乏、胰岛素表达下降或β细胞功能障碍等。在鼠胚胎干细胞诱导分化为分泌胰岛素细胞的过程中，Pdx-1基因的表达说明了胰腺组织的形成[4]。而在小鼠成体的胰腺组织中，只有胰岛β细胞中存在[5]。NK同源盒转录因子NKX2.2最早出现于小鼠胚胎8~9 d的胰腺祖细胞中，在成熟的胰腺组织中主要表达于内分泌细胞α、β和PP细胞中，而没有表达在δ细胞中。NKX2.2和Arx基因是必不可少的胰腺转录因子，在内分泌细胞谱系发育过程中NKX2.2基因的缺失或Arx基因的缺失，分别引起β细胞的表达下调或α细胞的表达下调[6]。而NKX6.1最早出现于小鼠胚胎的9~9.5 d的胰腺祖细胞中，而特异于表达在成熟的内分泌β细胞中，它的缺失则会使β细胞数量明显下降。

2 内分泌祖细胞阶段的主要转录因子

Ngn3基因是螺旋-环-螺旋(helix-loop-helix)家族转录因子中的一员，这些转录因子涉及了神经外胚层中神经前体细胞的分化。Ngn3基因最早出现于小鼠胚胎的第9天，在胰腺祖细胞阶段不表达，它的表达表明细胞已经处于内分泌祖细胞阶段，此阶段的细胞可以产生所有的胰岛内分泌细胞类型[7-8]。Ngn3突变的纯合子小鼠将不会产生胰岛样细胞[9]，这些小鼠没有朗格汉斯细胞胰岛形成。

神经源性分化蛋白(NeuroD)最早是在上个世纪90年代Lee等人做酵母双杂交实验研究bHLH结构时发现的，其表达开始于鼠胚胎9.5 d的内分泌祖细胞中。NeuroD主要表达在胰腺、肠和神经组织中，涉及早期的胰腺内分泌和神经分化作用，对于胰腺细胞的存活和分化非常重要[10]。NeuroD缺陷的小鼠出生后死于严重的糖尿病，他们的α和β细胞很少一部分进行了分化，胰岛也没有形成，而且大部分的β细胞丢失。敲除了＞90% NeuroD基因分化的分泌胰岛素细胞的小鼠，在葡萄糖刺激胰岛素分泌试验中，表现出糖耐量受损[11]。NeuroD最终在小鼠的成体胰腺组织中的四个内分泌细胞中都有表达，它的缺失将会导致内分泌细胞数量的减少。

Maf蛋白属于巨噬细胞激活因子家族，其中MafA基因是胰岛素基因转录的有效活化剂。MafA基因的表达最早被检测到是在出现分泌胰岛素细胞的早期阶段[12]。MafA基因结合Pdx-1和NeuroD，可以诱导小鼠肝脏组织中内源性胰岛素基因的表达。MafA基因存在于小鼠成熟的胰腺组织中，和MafB基因一起调节大部分胰腺基因感受血糖刺激和胰岛素分泌作用[13]。

成对盒基因4(PAX-4)出现于小鼠胚胎的9~9.5 d，在成熟的胰腺组织中没有表达或有很低的表达，而缺失此基因的胰腺则没有β和δ细胞的表达[14]。胰高血糖素样肽-1(GLP-1)的研究结果表明，GLP-1可以增加小鼠和大鼠β细胞的数量，同时可以增加PAX-4基因的表达，表明GLP-1降血糖的作用可能与PAX-4基因的表达有关[15]。PAX-6基因同样也出现于小鼠胚胎的9~9.5 d，但PAX-6基因在成熟的胰腺组织中表达情况和胚胎时的表达情况一样，而且表达在所有的四种内分泌细胞中(α、β、δ和PP细胞)。PAX-6基因在胰腺的形态形成过程中起到重要作用，NeuroD/BETA2基因是PAX-6基因的上游基因，调控着它的活性[16]。PAX-6基因的缺失会导致内分泌细胞数量的下降和激素基因表达量的下降[17]，Pax-6除了对β细胞的分化发挥重要作用外，同样也是胰岛α细胞分化和成熟所必需。

3 胰岛素产生细胞阶段表达的主要转录因子

突触相关蛋白25kU(SNAP-25)存在于细胞膜与分泌囊泡之间，功能与细胞的胞吐有关，SNAP-25蛋白的磷酸化是通过PKA和PKC两个激酶进行的，引起细胞的分泌量增加[18]。SNAP-25蛋白主要与细胞内分泌颗粒功能有关。胰腺β细胞ATP敏感的钾离子通道是内向整流型钾离子通道家族的成员之一，通过作用于细胞的代谢与敏感性调整胰岛素分泌。这个通道是一个异八聚体结构，由中间线样排列的Kir6.2道白和周围的胰岛β细胞功能相关的蛋白磺脲类受体(SUR1)组成。这两个钾离子通道蛋白在胰岛素的分泌过程起着同样的重要作用。SUR1或Kir6.2的突变会引起钾离子通道活性或表达的缺失，从而导致先天性的高胰岛素血症或新生糖尿病[19]。

葡萄糖转运蛋白2(Glut-2)是一个促进葡萄糖转运的载体蛋白，主要表达在肝、胰腺β细胞和少量存在肾、肠、脑的部分区域。由于它的低亲和力和较高的储存能力确保了葡萄糖在细胞内外的双向流动性，糖和激素可以调节它的表达。在2型糖尿病的小鼠模型研究中，发现了胰腺β细胞Glut-2的低表达[20]。在小鼠禁食实验中，发现了胰腺β细胞Glut-2 mRNA的表达量下降。

胰岛素基因增强结合蛋白1(ISL-1)最早表达在小鼠胚胎第9天的背侧间充质部位，在成熟的胰腺组织中表达于所有的四种内分泌细胞(α、β、δ和PP细胞)中。ISL-1基因对于胰岛的增殖和内分泌细胞的生存必不可少，它是胰岛素基因表达的转录水平激活剂。在地塞米松介导的ISL-1基因表达下调实验中，胰岛素的表达也受到了损害[21]。ISL-1基因在氧化应激条件下还可有抗胰腺细胞凋亡的作用，而且还可以通过结合一些细胞周期调节转录因子(CyclinD1，c-Myc，and CDK4)刺激成熟胰岛细胞的增殖[22]。

成熟的胰腺细胞在基因转录水平上具有各自独特的基因表型，代表胰腺细胞成熟的一些标志物如胰岛素原(INS-1、INS-2)、胰高血糖素(glucagon)、生长抑素(somatostatin)、胰多肽，分别表达于β、α、δ和PP细胞。成熟基因的表达过程是一个动态的过程，从未定型到定型，这个阶段的形成代表了细胞的成熟，因为这些激素的表达在各自的细胞都是特异的而且是唯一的。

4 结语

总之，胰腺细胞发育的基因转录是一个具有等级或级联反应的过程，每一个阶段都不是单独的基因在起作用，而是很多基因共同作用的结果。了解胰腺细胞的发育机制可以更好地控制其再生，更加准确地确定诱导胰腺细胞的发育阶段，从而有助于这种来源广泛的细胞诱导，应用于胰腺组织的再生研究以及糖尿病的临床治疗。

1 Merino PL. Developmental biology of the pancreas［J］. Cell Biochem Biophys，2004，40（3 Suppl）：127-142.

2 Oliver-Krasinski JM，Stoffers DA. On the origin of the beta cell［J］.Genes Dev，2008，22（15）：1998-2021.

3 Puri S，Hebrok M. Cellular plasticity within the pancreas-lessons learned from development［J］. Dev Cell，2010，18（3）：342-356.

4 Chen S，Borowiak M，Fox JL，et al. A small molecule that directs differentiation of human ESCs into the pancreatic lineage［J］. Nat Chem Biol，2009，5（4）：258-265.

5 Edlund H. Pancreatic organogenesis--developmental mechanisms and implications for therapy［J］. Nat Rev Genet，2002，3（7）：524-532.

6 Mastracci TL，Wilcox CL，Arnes L，et al. Nkx2.2 and Arx genetically interact to regulate pancreatic endocrine cell development and endocrine hormone expression［J］. Dev Biol，2011，359（1）：1-11.

7 Jiang FX，Morahan G. Pancreatic Stem Cells：From Possible to Probable［J］. Stem Cell Rev，2011.［Epub ahead of print］.

8 Desgraz R，Herrera PL. Pancreatic neurogenin 3-expressing cells are unipotent islet precursors［J］. Development，2009，136（21）：3567-3574.

9 Magenheim J，Klein AM，Stanger BZ，et al. Ngn3（+） endocrine progenitor cells control the fate and morphogenesis of pancreatic ductal epithelium［J］. Dev Biol，2011，359（1）：26-36.

10 Appavoo M，Tuch B. Effect of upregulation of NeuroD in insulinproducing liver cells［J］. Islets，2009，1（1）：55-61.

11 Gu C，Stein GH，Pan N，et al. Pancreatic beta cells require NeuroD to achieve and maintain functional maturity［J］. Cell Metab，2010，11（4）：298-310.

12 Matsuoka TA，Artner I，Henderson E，et al. The MafA transcription factor appears to be responsible for tissue-specific expression of insulin［J］. Proc Natl Acad Sci U S A，2004，101（9）：2930-2933.

13 Hang Y，Stein R. MafA and MafB activity in pancreatic β cells［J］.Trends Endocrinol Metab，2011，22（9）：364-373.

14 Sosa-Pineda B，Chowdhury K，Torres M，et al.The Pax4 gene is essential for differentiation of insulin-producing beta cells in the mammalian pancreas［J］. Nature，1997，386（6623）：399-402.

15 Brun T，Hu He KH，Lupi R，et al. The diabetes-linked transcription factor Pax4 is expressed in human pancreatic islets and is activated by mitogens and GLP-1［J］. Hum Mol Genet，2008，17（4）：478-489.

16 Marsich E，Vetere A，Di Piazza M，et al. The PAX6 gene is activated by the basic helix-loop-helix transcription factor NeuroD/BETA2［J］. Biochem J，2003，376（Pt 3）：707-715.

17 St-Onge L，Sosa-Pineda B，Chowdhury K，et al. Pax6 is required for differentiation of glucagon-producing alpha-cells in mouse pancreas［J］. Nature，1997，387（6631）：406-409.

18 Gao J，Takeuchi H，Zhang Z，et al. Phospholipase C-related but catalytically inactive protein （PRIP） modulates synaptosomalassociated protein 25 （SNAP-25） phosphorylation and exocytosis［J］ .J Biol Chem，2012，287（13）：10565-10578.

19 Ashcroft FM. ATP-sensitive Potassium channelopathies： focus on insulin secretion［J］. J Clin Invest， 2005， 115（8）： 2047-2058.

20 Leturque A， Brot-Laroche E， Le Gall M. GLUT2 mutations，translocation， and receptor function in diet sugar managing［J］. Am J Physiol Endocrinol Metab， 2009， 296（5）： E985-E992.

21 Zhang H， Wang WP， Guo T， et al. The LIM-homeodomain protein ISL1 activates insulin gene promoter directly through synergy with BETA2［J］. J Mol Biol， 2009， 392（3）： 566-577.

22 Guo T， Wang W， Zhang H， et al. ISL1 promotes pancreatic islet cell proliferation［J］. PLoS One， 2011， 6（8）：e22387.