Caspase家族与2型糖尿病胰岛β细胞凋亡的关系

李娟　陈庄

【摘要】 2型糖尿病已成为继心脑血管疾病和恶性肿瘤之后危害人类健康的第三大非传染性疾病，严重影响患者的生命和健康。2型糖尿病的发病机制尚未完全阐明，目前认为2型糖尿病是一种慢性炎症性的疾病，研究发现在糖尿病的早期阶段就已经出现β细胞凋亡和胰岛体积的缩小。但引起β细胞凋亡的机制有许多因素牵涉在内，如胰岛β细胞长期受到高血糖症、高游离脂肪酸、过多的胰岛淀粉样物质沉积及炎症细胞因子的影响或这些因素的联合慢性作用，使β细胞内环境逐渐破坏，导致胰岛β细胞功能障碍及凋亡。Caspase家族在细胞凋亡的过程中处于关键地位，涉及死亡受体途径、线粒体信号途径和内质网途径，为进一步了解2型糖尿病的凋亡机制提供帮助。

【关键词】 Caspase家族； 2型糖尿病； 胰岛β细胞； 凋亡

中图分类号 R587.1 文献标识码 A 文章编号 1674-6805（2016）4-0154-02

doi：10.14033/j.cnki.cfmr.2016.4.086

糖尿病是一种慢性代谢性疾病，分为1型和2型糖尿病，其中2型占糖尿病患者的90%。2型糖尿病的发病机制主要有两个环节，即胰岛β细胞分泌胰岛素不足和胰岛素抵抗。现在越来越多的研究发现胰岛β细胞凋亡导致胰岛素分泌不足在2型糖尿病的发生、发展中起着重要作用，将Caspase家族与2型糖尿病胰岛β细胞凋亡相关的凋亡途径进行总结，现报告如下。

1 半胱氨酸蛋白酶（Caspase）与细胞凋亡

1.1 Caspase的定义及分类

Caspase家族在细胞凋亡的过程中处于关键地位，它是直接导致凋亡细胞裂解的具有特异天冬氨酸半胱氨酸的半胱氨酸蛋白酶系统。诱导细胞凋亡的因素很多，大致可以分为两大类：胞内细胞因子和细胞外刺激因子。证据表明，在一些内外诱导因素的作用下，任何一种或多种凋亡信号传导途径在细胞内被活化，最终都将集中在Caspase家族。迄今为止，在哺乳动物中，已经发现至少有14种Caspase成员参与了细胞凋亡。刺激不同的蛋白酶，激活的Caspase诱发的细胞凋亡也不尽相同。但在哺乳动物细胞凋亡的过程中，最终执行凋亡效应大都要经过Caspase-3这一核心作用。

1.2 Caspase与胰岛β细胞凋亡

到目前研究发现，与激活Caspase有关的凋亡信号转导通路有以下几条。

1.2.1 死亡受体/细胞质膜信号传导途径 位于细胞膜上的死亡受体（death receptor，DR）与死亡配体（death ligand，DL）特异性结合后，组成死亡诱导信号复合体，将凋亡信号由胞外传至胞内，激活caspase的级联反应，导致凋亡的发生。现发现的死亡受体/配体系统有：Fas/FasL、TNFR1/TNF-α、DR4、DR5/TRAIL、DR3/APO-3L等，其中Fas/FasL目前研究最多。

Ou等[1]研究发现TRAIL介导的细胞凋亡通路与1型糖尿病发病有关，但在2型糖尿病中的机制尚不清楚。在正常的胰岛β细胞表面并不表达Fas，但在2型糖尿病患者的胰岛β细胞表面可检测到异常表达的Fas[2]。除此之外脂毒性、瘦素、白细胞介素-1β（IL-1β）均可诱导Fas的上调[3-5]。Park等[6]最新研究发现胰岛淀粉样多肽（IAPP）的沉积也可上调胰岛β细胞表面的Fas受体，启动凋亡级联反应。其余受体介导的胰岛细胞凋亡途径目前报道甚少。

1.2.2 线粒体信号转导途径 当细胞受到某些病理性或生理性刺激时，可导致细胞内线粒体的通道性转换孔道开放，使线粒体基质内的大分子物质释放出来，如细胞色素C、Pro-Caspase-2、Pro-Caspase-9。释放出来的细胞色素C与调亡细胞蛋白酶活化因子（apoptosis protease activating factor-1，Apaf-1）结合形成复合物激活下游的Caspase-9、Caspase-3等从而导致细胞凋亡。

目前研究发现在慢性高糖、高游离脂肪酸的刺激下，氧化应激在2型糖尿病的发生、发展起了重要的作用。氧化应激是指自由基如活性氧（reac-tive oxygen species，ROS）和活性氮（reactive nitrogen species，RNS）的产生造成机体组织细胞DNA、蛋白质等的损伤。胰岛β细胞比起其他细胞更容易遭受氧化应激的损害，因为胰岛β细胞合成的过氧化物解毒酶较少，抗氧化能力差，随着血糖的增高，产生的自由基也会增加。产生的ROS会攻击线粒体膜上的心磷脂，而借助心磷脂锚定的Cyt-c会从线粒体内膜分离下来释放到胞浆中[7]，进而激活Caspase-9、Caspase-3，诱导凋亡的发生。Bcl-2抗氧化家族在细胞内发挥着抗氧化作用，Bcl-2、Bcl-xl等抗凋亡蛋白与Bax、Bak、Bid促凋亡蛋白正常时维持着动态平衡，当高糖氧化应激时，Bax等促凋亡蛋白增加，促发细胞凋亡，其促发凋亡效应的机制是促凋亡蛋白Bax和Bak可能控制着线粒体凋亡途径中的多个起始Caspase的激活[8]。研究发现不仅是高血糖，2型糖尿病患者因胰岛素抵抗，会因脂质长期存在于细胞内导致过载引起的氧化应激导致胰岛β细胞的功能衰退。其机制可能是因为饱和脂肪酸特别是软脂酸会下降成年鼠胰岛β细胞线粒体内膜ATP/ADP的交换，导致线粒体外膜受损通透性增加Cyt-c释放，导致细胞凋亡[9]。Piro等[10]也发现鼠胰岛分别暴露于高FFA和高糖环境中，β细胞凋亡增加。另外高ROS水平会直接激活炎症因子的产生，如白介素-1、转化生长因子β、细胞粘附分子、单核细胞趋化蛋白-1等，并引起NF-κB激活，诱导细胞损伤。梁瑜祯等[11]就发现高糖时，炎症细胞因子增加会使胰岛细胞通过激活NF-κB信号通路激活Caspase诱导凋亡。

1.2.3 内质网细胞凋亡信号传导途径 内质网担负蛋白质的合成、翻译后修饰和正确折叠及转运的重要生理功能，在糖、脂代谢中起重要作用。当细胞遇到损害因素时，会造成大量未折叠或错误修饰的蛋白质在内质网中持续堆积，导致细胞凋亡。同时它还是细胞内最主要的钙库，维持细胞内钙稳态。

胰岛β细胞具有高度发达的内质网，研究发现IAPP、软脂酸能使胰岛β细胞出现内质网应激，导致胰岛β细胞凋亡[12-13]。已知的内质网应激后可通过CHOP途径、c-Jun氨基端激酶（JNK）途径，Caspase-12途径等诱导细胞凋亡。

CHOP是一种转录因子，正常生理条件下CHOP蛋白几乎不表达，而在内质网应激时CHOP能被强烈诱导。研究证实CHOP敲除小鼠的胰岛，表现出较少的细胞凋亡和增强的未折叠蛋白反应基因的表达[14]。其具体凋亡机制是可能是因为转录因子 ATF4、ATF6、XBP1 进入细胞核激活Caspase-3而诱导细胞凋亡的[15-16]。

Hotamisligil等[17]将大鼠胰岛细胞用H2O2处理后，发现内质网应激中JNK信号通路被激活，胰岛素基因表达水平出现了下降，而抑制JNK的活性可以保护β细胞免受伤害。Ozcan研究也发现在糖尿病肥胖小鼠的模型中，JNK蛋白的总活性是上升的[18]，改通路诱导凋亡的具体机制可能是（1）内质网应激激活的IRE-1募集肿瘤坏死因子受体相关因子2（TRAF-2）和凋亡信号调控酶1（ASK-1），使得JNK活化，再去激活促凋亡蛋白Bax、Bax分子增加线粒体通透性，释放出细胞色素C，激活Caspase-3和Caspase-7，导致细胞凋亡[19]；（2）激活的IRE-1还可以促进Caspase-12的激活，然后促进Caspase的级联反应诱导凋亡[20]。

内质网应激可以导致Ca2+的平衡紊乱，例如FFA诱导β细胞发生内质网应激能够增加细胞库容性的Ca2+内流，使Caspase-12和Caspase-3激活促进了β细胞的凋亡[21]。另外Bc1-2家族蛋白也参与了细胞内Ca2+的调节与释放，ER应激后激活了CHOP蛋白和JNK激酶，两者能够抑制Bcl-2的抗凋亡功能，导致Bax和Bak构象发生变化，破坏了内质网膜的完整性，引起内质网释放Ca2+，从而触发细胞凋亡[22]。

总之，糖尿病胰岛β细胞的凋亡途径不是孤立的，而是相互联系的。

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（收稿日期：2015-10-01）