胰岛内源性胰高血糖素样肽-1信号的研究进展

杨梦萦 袁莉

华中科技大学同济医学院附属协和医院内分泌科，武汉 430022

经典的理论表明，肠道内分泌L细胞、胰岛α细胞以及一些神经元细胞表达胰高血糖素原(GCG)基因，然而肠道L细胞特异性表达激素原转换酶(PC)1/3进而特异性的产生胰高血糖素样肽-1(GLP-1)；相反，胰岛α细胞特异性表达PC2，由此产生胰高血糖素。但肠道来源的GLP-1到达血循环经二肽基肽酶(DPP)Ⅳ降解后只有不足15%能到达胰岛发挥其肠促胰素作用。近年来越来越多的研究表明，在肥胖、糖尿病、胰岛素抵抗、妊娠等代谢应激的条件下，胰岛α细胞中的PC1/3/GLP-1信号被诱导表达，并且通过局部旁分泌形式作用于相邻的β细胞，发挥对胰岛β细胞的代偿性保护作用，如抗凋亡、促增殖，维持β细胞的特异性身份及促进胰岛素分泌等。而且，研究表明胰岛局部的GLP-1信号与肠道来源的GLP-1相比，对胰岛生存及功能的调节和机体糖代谢的调控可能发挥更为重要的作用[1]。本文就胰岛内源性GLP-1信号的产生及其作用的发挥、调控其表达水平的各种生理及病理因素等的研究进展作一综述。

1 胰岛内源性GLP-1信号的产生

研究表明，在胰岛局部存在GLP-1信号。在胚胎发育早期及特定的新生期，胰岛内胰高血糖素免疫阳性细胞也共表达PC1/3，随着胚胎的发育成熟，胰高血糖素阳性细胞中PC1/3的表达逐渐减少，直至在成熟α细胞(即胰高血糖素阳性细胞)中检测不到PC1/3的表达[2-3]。表明胰岛内源性PC1/3/GLP-1信号在胰岛胚胎发育过程中是存在的，并且对胰岛细胞发育、分化、成熟可能起重要的瞬时作用。对人及大鼠成熟胰岛及α细胞系的研究表明，在正常条件下成熟的α细胞也可以表达低水平的PC1/3及产生极少量的GLP-1[4]。而在妊娠、高脂喂养或链脲佐菌素(STZ)诱导啮齿类动物糖尿病模型、肥胖及T2DM患者中，胰岛α细胞可以表达高水平的PC1/3，同时有生物活性的GLP-1产生明显增多[5-10]。表明在胰岛β细胞受到代谢损伤的过程中，胰岛α细胞的GLP-1信号被代偿性激活。在体外用STZ直接干预大鼠的胰岛造成β细胞的破坏之后，胰岛GLP-1的分泌明显增加，并且GLP-1的产生水平与胰岛β细胞被破坏的程度呈明显的正相关[4]。Hansen等[5]在正常、糖尿病患者及啮齿类动物的胰腺中都检测到了具有生物活性的GLP-1(7-36)酰胺式及GLP-1的N末端衍生式的存在，并且都与胰高血糖素共表达于α细胞中。同样，Marchetti等[11]对非T2DM及T2DM患者的胰岛研究发现，在非T2DM患者胰岛局部也存在GLP-1信号，其表达受营养物质如葡萄糖、精氨酸信号的刺激，T2DM患者胰岛GLP-1信号的表达明显上调。另有研究表明，人胰岛GLP-1的分泌量与机体体重指数呈正相关[12]。但O′Malley等[13]研究发现，T2DM模型小鼠随着糖尿病病程的逐渐进展，胰岛内GLP-1的表达逐渐增加，但在T1DM模型小鼠中，胰岛内GLP-1的表达没有随着病程的进展而增加。表明T1DM和T2DM状态下胰岛内GLP-1的产生可能存在差异。但其机制仍不清楚，尚有待研究。总之，以上各种体内、外研究都证明了胰岛内源性GLP-1信号的存在。

2 胰岛内源性GLP-1信号的生物学功能

2.1 生理条件下 Masur等[14]研究发现，胰岛素瘤细胞系及大鼠原代胰岛在正常培养条件下，胰岛细胞也可以产生并且分泌GLP-1。在用GLP-1受体(GLP-1R)抑制剂ex9-39干预后，胰岛β细胞的生存及胰岛素的分泌功能都明显受到抑制。说明在正常条件下胰岛也存在GLP-1信号，并且对β细胞生存及功能的维持起重要作用。

但Traub等[15]的研究表明，在正常条件下，胰岛GLP-1产生的减少并不会对β细胞的特性及功能产生影响。而在老年及代谢应激的条件下，胰岛来源的GLP-1对于β细胞的胰岛素分泌功能及机体的糖代谢调控是必不可少的。Traub等[15]发现，在正常组中特异性敲除α细胞PC1/3基因会导致胰岛GLP-1产生减少，但此时小鼠的糖耐量仍维持正常。但在糖尿病组及老年组的小鼠中特异性敲除α细胞PC1/3基因会导致机体糖耐量进一步恶化。Chambers等[1]研究显示，用ex9-39干预野生型小鼠会导致糖耐量受损，但在全身敲除GCG基因后再在肠道中特异性的重激活GCG基因的小鼠中使用ex9-39干预，并不会导致糖耐量的进一步受损；相反，只在胰岛中特异性的再激活GCG基因的小鼠中使用ex9-39却会导致糖耐量的严重受损。此研究不仅证明了胰岛来源的GLP-1对正常条件下机体糖代谢起重要的调控作用，而且第一次在体内证明了与肠道相比，胰岛来源的GLP-1对于机体糖代谢的调控可能起着更为重要的作用。综上所述，胰岛内源性的GLP-1信号对于正常条件下胰岛功能及β细胞生存的维持是否起着必要的作用尚无结论，仍有待进一步研究。

2.2 代谢应激条件下 Thyssen等[2]用STZ干预新生大鼠20 d后，胰岛β细胞出现了明显的再生，血糖水平也由最初升高恢复至正常水平。进一步研究发现，STZ干预后，α细胞出现了明显的增生，胰腺内GLP-1含量及GLP-1/GCG比值明显增加。在用ex9-39干预后发现，β细胞的再生明显减少，糖耐量也进一步恶化，并没有出现糖尿病恢复的现象。即阻断胰岛内GLP-1信号后，β细胞受损后的代偿性再生过程受到明显的抑制。表明β细胞受到损伤后，α细胞来源的GLP-1信号对于β细胞受损后的再生过程起着必要的促进作用。同样，有研究发现，在胰岛素抵抗及糖尿病模型小鼠中，胰岛α细胞表达GLP-1及葡萄糖依赖性促胰岛素释放肽(GIP)均代偿性增加。而在GLP-1R/GIP受体基因双敲除的小鼠中，胰岛应对胰岛素抵抗的代偿性变化消失，表现为胰岛的量及β细胞的量减少，增殖减少[16]。表明α细胞来源的GLP-1/GIP信号对于胰岛素抵抗及糖尿病时胰岛发生的适应性代偿性变化起着非常重要的作用。胰岛来源的GLP-1不仅可以促进β细胞受损后的再生及增殖，还可以促进β细胞的胰岛素分泌。高糖培养人的胰岛，GLP-1的产生及胰岛素分泌明显增多，再用ex9-39干预阻断胰岛局部的GLP-1信号之后，葡萄糖刺激的胰岛素分泌明显受到抑制[5, 11]。笔者课题组的前期研究结果也证明，胰岛局部的GLP-1对代谢应激下β细胞损伤的代偿性保护作用[10]。在高脂喂养的糖耐量受损的小鼠模型中，存在胰岛内源性GLP-1的增加及β细胞去分化(β细胞失去了其特异性的身份)的现象，在体外使用棕榈酸干预原代胰岛，发现β细胞去分化明显增加，并且伴随胰岛GLP-1分泌的增加，用ex9-39阻断胰岛内源性的GLP-1信号后，脂毒性诱导的β细胞去分化进一步加重。表明在代谢应激的条件下，胰岛内的GLP-1信号作为代偿性保护机制对于β细胞身份的维持也起着非常重要的作用。

3 调节胰岛产生GLP-1信号的因素

3.1 葡萄糖、脂肪酸 体外研究发现，仅用高糖(25 mmol/L)干预6 h就可以导致α细胞PC1/3启动子活性的明显增加，而对于PC2启动子的活性并没有影响[7]。PC1/3启动子中含有cAMP反应元件，磷酸化cAMP反应元件结合蛋白可以与之结合进而上调PC1/3启动子的活性。进一步研究表明，葡萄糖可通过激活cAMP/CREB信号进而激活PC1/3基因的转录[17]。同样，用不同浓度的葡萄糖干预沙鼠的胰岛后，胰岛分泌的GLP-1呈葡萄糖浓度依赖性增加[5]。在体外使用葡萄糖(11.1 mmol/L)和精氨酸(20 mmol/L)干预人胰岛也可以导致胰岛GLP-1/GCG的增加[11]。这些研究都表明了葡萄糖是胰岛产生GLP-1的一个重要的独立调节因素。不仅葡萄糖可以诱导胰岛GLP-1产生，同样的，脂肪酸也可以激活胰岛内的GLP-1信号。在高脂饮食诱导的肥胖小鼠模型中，胰岛α细胞PC1/3的表达水平明显增加，在体外用棕榈酸(一种游离脂肪酸)干预小鼠胰岛也可以诱导PC1/3的表达及GLP-1的产生和分泌。并且氧化应激参与了高脂诱导的胰岛内GLP-1信号的激活。使用抗氧化剂N-乙酰半胱氨酸干预后，高脂诱导的GLP-1的产生明显受到抑制[10]。还有研究表明，用高糖和高脂干预α细胞系都可以导致GLP-1分泌明显增加，但二者联合却不能增加GLP-1的分泌。可能是由于糖、脂毒性导致了α细胞的活性明显降低[18]。而且，研究表明，T2DM时胰岛β细胞表达的GLP-1受体明显下调[19]。可能是由于其受体水平表达下调才导致邻近的α细胞内GLP-1表达代偿性的增加，尚有待研究。

3.2 胰岛素 刘攀[20]用α细胞系进行体外研究，发现在高糖条件下，外源性胰岛素可以通过激活磷脂酰肌醇3激酶(PI3K)/蛋白激酶B信号和丝裂原活化蛋白激酶(MAPK)信号进一步促进α细胞PC1/3表达和GLP-1的产生及分泌，而PC2及GCG的产生却相应减少。其中PI3K信号在此过程可能起着相对重要的作用。表明在胰岛局部，α细胞产生的GLP-1和β细胞产生的胰岛素之间可能存在一个正反馈调节环路，二者通过旁分泌的形式相互促进。O′Malley等[13]研究发现，在伴有高胰岛素血症的T2DM模型鼠中，胰岛内GLP-1水平明显升高，而在缺乏胰岛素的T1DM模型鼠胰岛内GLP-1水平并没有增加。而在Hansen等[5]的研究中，与肥胖但非糖尿病组及正常组相比，糖尿病组胰腺内胰岛素的含量降低而GLP-1的含量升高。胰岛素水平与GLP-1水平呈负相关，可能表明在糖尿病条件下，胰岛素是α细胞产生GLP-1的一个负性调控因子。胰岛素通过激活细胞外信号调节激酶(ERK)/MAPK信号，对肠道L细胞GLP-1的产生及分泌起正性调节作用[21]。但胰岛素对α细胞GLP-1产生的调节作用仍需进一步的研究。

3.3 白细胞介素-6(IL-6) IL-6在机体糖代谢中具有非常复杂的多向调节作用。在肥胖及糖尿病的状态下，循环血IL-6水平及胰岛局部产生的IL-6都明显增加。给小鼠急性或长期注射IL-6均可以促进肠道L细胞及胰岛α细胞GLP-1的分泌，进而促进胰岛素分泌，从而改善机体的糖代谢。而使用抗体中和机体内源性IL-6后会导致胰腺GLP-1含量减少及机体糖代谢的破坏。并且体外使用IL-6干预人的完整胰岛及人的α细胞后，胰岛及α细胞GLP-1的分泌及α细胞内GLP-1/GCG比值都明显增加。虽然α细胞及β细胞都表达PC1/3，但IL-6只能特异性激活α细胞中PC1/3的表达[22]。与其他类型的细胞相比，胰岛α细胞IL-6受体的表达水平最高。对人胰岛研究发现，胰岛局部IL-6水平与胰岛局部GLP-1水平呈明显的正相关。另外，Timper等[23]用GIP干预人及小鼠的胰岛后发现，GIP可以通过激活腺苷酸环化酶/cAMP/蛋白激酶A(PKA)信号促进α细胞中IL-6、PC1/3及GLP-1的产生，进而促进邻近β细胞胰岛素的分泌。此过程受炎性因子IL-1β的上调及钠-葡萄糖协同转运蛋白2的下调。同样用中和抗体中和胰岛内源性的IL-6之后，GIP的促GLP-1产生的效应消失。以上研究表明，α细胞局部的IL-6/IL-6受体轴对于α细胞GLP-1的产生及调节起着必要的中心作用。

3.4 外源性GLP-1 大鼠胰岛及αTC1-6细胞系在长期暴露于外源性GLP-1的条件下，α细胞自身产生及分泌的GLP-1也明显增加，进一步研究发现，GLP-1通过激活cAMP/MAPK通路增强转录因子配对盒因子(PAX)6及GCG基因的转录发挥作用，这种效应可以被ex9-39抑制[24]。同样有研究使用高糖及ex4(GLP-1受体激动剂)干预MIN6细胞系，发现短期及长期的ex4干预都可以增加基础及高糖诱导的GLP-1分泌[25]。其机制是使CREB结合蛋白水平增加，进而激活PAX6、GCG及PC1/3基因的转录。GLP-1可以抑制α细胞胰高血糖素的产生和分泌，使α细胞由一个主要产生升血糖激素——胰高血糖素转变成主要产生降血糖激素——GLP-1的细胞。目前越来越多的T2DM患者使用GLP-1类药物治疗，这可能导致循环血GLP-1水平逐渐增加并超过生理水平。GLP-1除了可以直接作用于β细胞，还可以通过增强胰岛内源性的GLP-1信号进而发挥其抗糖尿病作用。这可能是GLP-1类药物治疗糖尿病的一个新机制。但目前仍缺乏关于α细胞产生GLP-1的正反馈自我调节的体内相关研究。

3.5 胆囊收缩素(CCK) CCK作为一种非经典的肠促胰素，与GLP-1类似，具有促进胰岛素分泌及调节β细胞量的作用[26]。Irwin等[27]用CCK-8干预高脂喂养的小鼠，发现CCK-8除了可以改善糖耐量及胰岛素抵抗之外，还可以促进α细胞产生GLP-1，但其机制仍不明确。成熟的胰岛不表达CCK，但在肥胖、高脂饮食的条件下，胰岛α细胞及β细胞表达CCK明显增多，作用于胰岛细胞的CCK受体A(CCKAR)，与胰岛内源性的GLP-1信号类似，发挥对β细胞的代偿性保护作用[28]。在肥胖的非糖尿病个体中，胰岛内GLP-1的表达与CCK的表达呈正相关，二者可以相互调节、相互促进，CCK对胰岛GLP-1的产生起促进作用，GLP-1也可以通过上调β细胞中CCK/CCKAR轴，发挥其对β细胞的抗凋亡作用[12, 29]。在肥胖及糖尿病状态下，胰岛内源性的GLP-1信号及CCK信号都被激活，二者都通过自分泌或旁分泌形式对β细胞共同起着代偿性的保护作用。

3.6 胰高血糖素信号 在糖尿病状态下，存在胰岛素相对或绝对不足及胰高血糖素分泌过多的双激素失调的表现。研究发现，GCG受体基因敲除小鼠模型或应用抗GCG受体中和抗体及反义寡核苷酸链拮抗GCG受体的功能后，小鼠的糖尿病得到明显改善，β细胞功能增强，此时血GLP-1水平升高，胰岛GCG表达及GLP-1产生也明显增多[30- 31]。但肠道GLP-1的产生却没有增加。若阻断机体胰高血糖素信号的同时也阻断GLP-1受体信号，那么阻断胰高血糖素信号所产生的抗糖尿病作用就会消失。表明阻断胰高血糖素信号所发挥的抗糖尿病作用主要依赖于胰岛局部GLP-1信号的增强。但是阻断胰高血糖素信号导致胰岛GLP-1信号增强的机制不明确，可能是由于阻断胰高血糖素信号导致α细胞代偿性增生及功能代偿性增强所致。但有研究用胰高血糖素直接干预α细胞系，发现胰高血糖素对α细胞GLP-1的分泌并没有影响[18]。

3.7 基质细胞衍生因子(SDF)-1 在β细胞未成熟时可以产生SDF-1，但在成熟的胰腺中SDF-1只局限表达于胰腺基质细胞和血管内皮细胞中。而SDF-1受体(CXCR4)表达于胰岛α细胞及β细胞中。在β细胞受到代谢应激损伤时如在细胞因子、STZ、毒胡萝卜素干预下，β细胞可以被重新激活产生SDF-1，并且以局部旁分泌的形式作用于邻近的α细胞，促进其产生GLP-1。β细胞产生的SDF-1还可以通过自分泌形式作用于β细胞自身的CXCR4，发挥促β细胞生存及抗凋亡的效应[32]。表明在β细胞受到损伤后，胰岛局部的SDF-1/CXCR4轴和GLP-1/GLP-1受体轴被激活，二者通过旁分泌和自分泌的形式协同发挥对β细胞的保护作用。

3.8 脂质及胆汁酸G蛋白耦联受体(GPR) 胆汁酸GPR(TGR5)及一些游离脂肪酸受体如GPR120、GPR119等都表达于肠道L细胞及胰岛α细胞和β细胞。激活这些GPR后可以促进肠道L细胞分泌GLP-1及胰岛β细胞分泌胰岛素，进而改善机体的糖代谢。体内、外研究表明，激活α细胞上的TGR5后可以进一步促进高糖诱导的人及小鼠α细胞PC1/3的表达及GLP-1的产生，进而改善糖尿病模型小鼠的糖代谢。其机制依赖于腺苷酸环化酶/cAMP直接激活的交换蛋白/PKA/磷酸化CREB信号和腺苷酸环化酶/cAMP/cAMP直接激活的交换蛋白信号的激活[4, 33]。胆汁酸作为机体能量代谢的重要调控者，除了可以直接作用于β细胞，促进胰岛素的分泌外，还可以作用于α细胞抑制胰高血糖素的分泌及促进GLP-1的分泌[34]。除了TGR5外，一些脂质GPR如GPR120、GPR119也表达于α细胞，二者激活后都可以抑制α细胞分泌胰高血糖素，但只有GPR120激动剂可以促进α细胞PC1/3及GLP-1的产生[4]。表明以激活这些GPR为靶点的药物可能通过促进胰岛内GLP-1的产生，成为治疗糖尿病的一种新的有效手段。

综上所述，肠道来源的GLP-1在分泌入血后被DPP-Ⅳ所降解，导致其半衰期只有1～2 min，只有10%～15%肠道来源的GLP-1可以到达胰岛发挥效应。而在各种代谢应激的条件下，胰岛内源性的GLP-1信号被激活，通过旁分泌形式作用于邻近的β细胞发挥对其代偿性的保护作用，对于代谢应激条件下胰岛的功能及胰岛细胞量的维持可能起非常重要的作用。在此条件下胰岛α细胞产生激素种类的变化正是胰岛自我代偿的一种表现。多种胰岛内、外的生理及病理因素都可以通过内分泌或旁分泌的机制上调胰岛内源性GLP-1信号的表达。由此可见，与肠道来源的GLP-1相比，胰岛内产生的GLP-1可能对胰岛的生存及功能起着更为重要的作用，因此，促进胰岛内GLP-1信号产生或增强的药物可能会成为治疗T2DM的新靶点，深入研究将为探讨糖尿病的发病机制和治疗提供新的思路，为新的糖尿病治疗药物的研发提供新方向。