胰岛β细胞中碳水化合物反应元件结合蛋白的研究进展

陆心雨，陈希田，韦晓博，陈瑞瑶，刘 斌综述，许 娜审校

(吉林医药学院:1.临床医学院，2.检验学院，3.教务处,吉林 吉林 132013)

YAMASHITA[1]于2001年首次在大鼠肝脏中发现了一种与碳水化合物反应元件(ChoRE)结合的蛋白质,命名为碳水化合物反应元件结合蛋白(carbohydrate response element binding protein，ChREBP)，是重要的调控细胞糖脂代谢的转录因子。该转录因子与靶基因结合的活性受碳水化合物的诱导，可直接调控糖酵解与脂肪合成关键酶的表达[2]。目前大部分研究都集中在肝脏和脂肪细胞中ChREBP对糖脂代谢的调节。但近年来研究发现在人、大鼠、小鼠的胰岛β细胞中均表达ChREBP[3]。体内或体外模型胰岛β细胞中ChREBP在葡萄糖作用后均显著上调，ChREBP通过介导葡萄糖对葡萄糖应答基因表达的调控，影响胰岛β细胞的增殖及胰岛素分泌。因此，进一步了解该转录因子调控的靶基因至关重要。

1 ChREBP概述

ChREBP是具有碱性螺旋-环-螺旋亮氨酸拉链结构(bHLH-LZ)的转录因子，由MLXIPL基因编码，分子量约为9.5×105[4]。其C-端和N-端均具有高度保守的结构域，N-端Mondo保守域(MCR)或称为葡萄糖感应组件(GSM),按功能可分为低糖抑制域(LID)和葡萄糖反应保守元件(GRACE)。低糖下LID抑制GRACE的转录能力，高糖解除这种抑制作用。MLX(Max-like protein X)是ChREBP的功能性分子伴侣，在葡萄糖刺激下，ChREBP与MLX形成异二聚体从细胞质穿梭到细胞核，与靶基因启动子上的ChoRE结合而反式激活转录[5]。另外，在胰岛β细胞中Ca2+和可溶性耐药相关钙结合蛋白(sorcin)也参与调控ChREBP核易位[6]。

2012年，HERMAN等[7]在脂肪组织中发现了一种新型ChREBP异构体ChREBPβ，与典型的ChREBP异构体ChREBPα(864个氨基酸)不同，ChREBPβ是由687个氨基酸构成的更短的转录产物，其缺乏N-端核输出信号、核定位信号及低糖抑制域，因此ChREBPβ是具有组成性活性的，在低糖和高糖作用下均显示增加的核定位及转录活性。

2 ChREBP对靶基因表达的调控

胰岛β细胞的主要功能是在葡萄糖和其他营养物质刺激后连续分泌适量的胰岛素。该过程涉及关键酶翻译后的快速调节以及在转录水平调节代谢基因的表达。研究证明葡萄糖可通过ChREBP促进体内和体外各种模型中β细胞的增殖。但慢性高血糖对β细胞会产生一种葡萄糖毒性作用，表现为细胞内脂肪蓄积，氧化应激，随后导致胰岛素基因表达和分泌减少并导致细胞凋亡。在高浓度葡萄糖长时间刺激下，ChREBP激活后通过调控多种下游靶基因表达导致胰岛β细胞功能障碍和凋亡。因此，ChREBP促进葡萄糖诱导的胰岛β细胞增殖和凋亡,反映了葡萄糖对β细胞的双重效应。

2.1 ChREBP调控β细胞增殖

葡萄糖是一种天然有丝分裂信号，可以促进啮齿类动物和人类胰岛β细胞增殖。在ChREBP-/-小鼠胰岛β细胞、INS-1衍生的832/13胰岛β细胞系、原代大鼠和人胰岛β细胞中低表达ChREBP抑制了胰岛β细胞的增殖。腺病毒过表达ChREBP可以促进大鼠和人胰岛β细胞增殖。在葡萄糖刺激下，细胞周期蛋白D2、A和E以ChREBP依赖的方式表达增加。学者发现转录因子Myc是ChREBP募集和活性所必需的，而在高糖下过表达ChREBP导致c-Myc mRNA显著增加，表明这两种转录因子之间可能存在潜在的反馈作用。Myc可直接受细胞周期蛋白调控，且未观察到ChREBP结合到细胞周期蛋白基因调控区域，葡萄糖可能部分通过葡萄糖代谢、ChREBP和Myc的激活以及细胞周期蛋白的激活促进胰岛β细胞增殖[3]。转录因子维甲酸相关孤儿受体(RORγ)选择性地参与调控葡萄糖诱导的晚期基因程序，如细胞周期基因。ChREBP直接调控编码RORγ的Rorc基因。RORγ活性在葡萄糖诱导的INS-1E细胞和原代大鼠β细胞的增殖中起重要作用[8]。

2.2 ChREBP调控β细胞内脂肪蓄积

通过缺失N-端低糖抑制域产生的ChREBP的葡萄糖非依赖性活性突变体称为组成性活性ChREBP(constitutively active ChREBP，caChREBP)，其诱导表达导致三酰甘油在832/13胰岛β细胞中的蓄积。相反，siRNA介导的ChREBP沉默显著降低细胞中的三酰甘油。ChREBP直接结合MIN6细胞和832/13细胞中的脂肪酸合酶(Fasn)启动子，ChREBP沉默导致细胞内三酰甘油的减少，并增强葡萄糖刺激的胰岛素分泌[9]。ChREBP还可调控其他脂肪生成酶如肝型丙酮酸激酶(L-PK)和3-磷酸甘油脱氢酶(GPDH)[10]。转录因子过氧化物酶体增殖物激活受体α(PPARα)激动剂有明显的降脂作用[11]。在动物和人类糖尿病模型中均可观察到PPARα的下调。这种下调可能通过损害胰岛β细胞的脂肪酸氧化能力而加剧游离脂肪酸水平升高对β细胞的损伤。BOERGESEN等[10]在INS-1细胞中观察到ChREBP通过ChREBP-Mlx异二聚体的介导抑制PPARα基因表达。Rgs16是调节G蛋白偶联受体信号转导的蛋白质之一。据报道，Rgs16的表达在成年胰岛中静止，慢性高血糖作用下可被重新激活。诱导表达caChREBP增加了β细胞中Rgs16的表达，而显性负性ChREBP(dominant negative ChREBP，dnChREBP)具有相反的作用。大鼠Rgs16的过表达导致832/13细胞中脂质的累积增加，这表明Rgs16作为ChREBP的靶基因，其功能性ChoRE序列的激活对促进脂质在葡萄糖毒性作用下蓄积起部分作用[12]。

2.3 ChREBP调控β细胞的凋亡和功能障碍

在NONcNZO10/LtJ小鼠中过表达caChREBP导致胰岛β细胞胰岛素分泌减少，进行性高血糖和体重减轻[9]。XAVIER等[13]研究显示，在高浓度葡萄糖刺激下，MIN6细胞和小鼠胰岛β细胞过表达ChREBP可抑制Pdx-1基因表达；在低糖下通过RNA沉默或抗体微注射可以增加Pdx-1的表达，而Pdx-1对胰岛细胞功能维持起重要作用。此外，caChREBP下调胰岛素启动子活性并抑制胰岛素基因表达，这可能是ChREBP通过抑制Pdx-1和MafA间接作用的[9]。研究表明转录因子芳香烃受体核易位蛋白(ARNT)或低氧诱导因子-1(HIF-1β)已经成为胰腺β细胞功能障碍和2型糖尿病发病机制中潜在的重要参与者。NOORDEEN等[14]证明ChREBP在INS-1细胞和原代小鼠胰岛β细胞中以葡萄糖依赖性方式直接结合ARNT/HIF-1β基因启动子，负向调节ARNT/HIF-1β基因表达，导致葡萄糖刺激的胰岛素基因表达和分泌障碍。高糖能引起硫氧还蛋白相互作用蛋白(thioredoxin interacting protein,TXNIP)在糖尿病模型小鼠及糖尿病患者胰岛β细胞中表达上调。葡萄糖可时间及剂量依赖性地招募ChREBP到TXNIP启动子ChoRE上，ChREBP与组蛋白乙酰转移酶p300相互作用，伴随组蛋白H4乙酰化[15]。在血糖调节受损患者中，胰岛细胞功能障碍与升高的TXNIP有关[16]。TXNIP促进线粒体TXNIP-TRX2-ASK1凋亡信号途径从而释放Cyt c及caspase-3。TXNIP的缺乏诱导了胰岛β细胞Akt/Bcl-xL通路的激活[17]，通过促进miR-200表达及抑制ZEB1促进β细胞凋亡[18]，并且还可以通过miR-204下调MafA，抑制胰岛素基因转录[19]。此外，TXNIP通过miR-124a和FoxA2增强IAPP的表达而促进炎症及细胞毒性[10]。

2.4 ChREBP对其他靶基因的调控

SCHMIDT等[8]发现高浓度葡萄糖使INS-1E细胞中的基因表达呈双相变化。涉及葡萄糖和脂质代谢的基因在第一时相中被急剧激活，随后第二时相中，细胞周期基因被激活，与胰岛素分泌和青少年起病成年型糖尿病(MODY)有关基因被抑制。ChREBP直接或间接地参与上述基因的激活与阻遏，这与之前所述ChREBP调控高糖诱导的胰岛β细胞增殖[3]与毒性[9]一致。

有学者研究表明caChREBP还可以上调其他糖脂代谢相关基因Eno1、Mdh1、Me1、Pdha1、Acly、Acaca、Elovl6、Midlip1的表达，而dnChREBP可下调其表达，编码脂质氧化酶的基因Cpt1a呈现相反的表达模式。在832/13细胞中，ChREBP对Srebp1c及其靶基因Irs2的表达没有影响，表明ChREBP可独立于固醇调节元件结合蛋白1c(SREBP-1c)调节几种代谢基因的表达[12]。

3 ChREBP异构体的相互调节

最近发现，ChREBPβ也在胰岛β细胞中表达。研究证明caChREBP可以上调ChREBPβ表达，且caChREBP和ChREBPβ具有相似的氨基酸序列。ChREBPβ启动子上存在功能性ChoRE序列，故ChREBPβ可以调节其自身表达[12,21]。在基本条件下与ChREBPα相比，ChREBPβ表达水平相对较低。但在葡萄糖作用下，尤其在高浓度葡萄糖条件下延长培养，ChREBPβ高度表达。此外，一种能降低ChREBPβ转录水平,且不影响ChREBPα表达及其活性的的小干扰RNA,可以减少了在葡萄糖刺激下INS-1细胞和大鼠胰岛细胞中ChREBP靶基因的表达,并抵制β细胞的增殖。ChREBPβ这种相对表达低但显著促进增殖的作用可能通过一种前馈放大作用产生。ChREBPα在葡萄糖刺激下部分由细胞质转移到细胞核，结合到具有组织特异性的ChREBPβ的ChoRE序列上，驱动ChREBPβ的表达。由于ChREBPβ具有组成性活性，可刺激自身产生,且具有比ChREBPα更强的转录活性,因此，持续的葡萄糖刺激下,ChREBPβ可能参与葡萄糖信号的转录放大效应[21]。然而，如果高浓度葡萄糖持续超过临界阈值，葡萄糖产生的糖毒性可以导致细胞凋亡[9]。

SHALEV等[22]在1型和2型糖尿病小鼠模型中也发现，ChREBPβ的表达水平上调而ChREBPα表达水平下调。高浓度葡萄糖条件下，ChREBPβ可以负反馈抑制ChREBPα介导的基因表达，敲低ChREBPβ可以抑制该负反馈作用，导致核ChREBPα和ChREBP介导的靶基因表达显著增加，包括TXNIP、L-PK、GPDH和ACC。然而有研究报道在糖尿病模型中，TXNIP表达水平在胰岛中升高。敲低ChREBPβ基因4 d后可以观察到TXNIP表达降低[21]。这可能解释为短期内与ChREBPα相比，ChREBPβ相对低的表达水平对整体ChREBP介导的基因转录贡献较低。ChREBPβ的表达可以提供保护性代偿机制,以限制ChREBPα过度的信号转导和葡萄糖诱导的有害基因Txnip的表达。在长期升高的葡萄糖水平下，ChREBPβ对基因转录的贡献增大，其本身可促进诱导靶基因表达，包括TXNIP、L-PK和GPDH[22]。

4 结 语

ChREBP是一种葡萄糖反应性的转录因子，但其如何影响胰岛β细胞正常的生长和功能还需大量深入地研究。2型糖尿病发病机制中，胰岛细胞凋亡和功能障碍扮演着重要角色，由于ChREBP可介导糖毒性对胰岛β细胞的损伤，故ChREBP及其调控的靶基因，可能成为治疗糖尿病及其他代谢综合征的新靶点。

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