血管紧张素转换酶2对胰岛β细胞脱分化的影响及作用机制研究进展

乔 晶，王 彦

2017年，国际糖尿病联合会报告显示，全世界有4.25亿糖尿病病人，据预测，在未来28年内，罹患糖尿病的人数仍会继续增长，到2045年将达到6.29亿人[1]。目前已证实，胰岛素抵抗在糖尿病发生、发展中占据着重要地位，β细胞功能衰竭是其原因或结果尚不确定。不过，糖尿病从根本上说是一种β细胞异常的疾病，当β细胞暴露于体内营养过剩和胰岛素抵抗引起的细胞应激时，这一点就表现得很明显[2]。近年来，越来越多的临床和实验证据支持β细胞功能衰竭在2型糖尿病(T2DM)发病机制中的重要作用。除了β细胞凋亡，β细胞脱分化也是导致功能性β细胞数量减少及质量下降的另一主要原因[3]。在某些条件下，成熟β细胞可能在不同程度上失去其分化的表型和细胞特性，并回归到分化程度较低的状态，称之为β细胞脱分化。

人类和啮齿动物胰腺中表达完整的肾素-血管紧张素系统(RAS)，在高糖高脂条件下，胰腺内局部RAS被激活。血管紧张素Ⅱ(AngⅡ)/血管紧张素Ⅱ 1型受体(AT1R)轴激活后会诱导胰岛细胞发生炎症、氧化应激、凋亡、脱分化等，加剧糖代谢紊乱。然而，RAS也能改善胰岛细胞功能及血糖调节，血管紧张素转换酶2(ACE2)/血管紧张素(1-7)[Ang(1-7)]/Mas轴的上调被认为是改善血糖调节的重要参与者[4]。另外，ACE2还可减弱AngⅡ对胰岛的作用。了解这些机制可能有助于防止β细胞脱分化，从而恢复β细胞功能。因此，本研究就ACE2和β细胞脱分化之间的关系及机制进行探讨。

1 ACE2在胰岛中的分布及表达

ACE2最早是在人类心力衰竭和淋巴瘤cDNA文库中发现的，后来被证明是严重急性呼吸综合征(SARS)冠状病毒的受体[5]。ACE2是首个序列同源性为42%的血管紧张素转换酶(ACE)同系物，与ACE不同的是，这种锌金属丙烯酰化酶仅含有一个HEXXH同源序列，从而产生单羧肽酶活性。虽然ACE2具有ACE的催化结构域，但对ACE抑制剂不敏感[6]。ACE2在胰腺中主要表达于α细胞和胰岛微血管内皮中，与血糖稳态和保护胰岛功能有关[7]。其主要底物是AngⅡ，从AngⅡ中切割末端的苯丙氨酸残基生成Ang(1-7)，从而降低AngⅡ水平，Ang(1-7)通过结合Mas受体起到对抗AngⅡ的生理作用[8]。胰腺ACE2表达降低使T2DM病人RAS过度激活与糖代谢受损之间产生了联系，它对调节血糖的有益作用主要是通过Ang(1-7)/Mas信号传导和AngⅡ/AT1R信号降低而介导的[9-10]。因此，维持胰腺正常内源性ACE2的代偿活动对改善β细胞功能至关重要。

2 β细胞脱分化在糖尿病中的发生机制

不同T2DM小鼠模型的证据证实β细胞可以通过脱分化来逃避凋亡，认为它是逃避应激条件下细胞死亡的一种潜在性适应机制[11]。Weir等[12]将β细胞脱分化定义为一种可能导致关键成分丢失的表型，而这关键成分决定了细胞最佳性能，包括胰岛素分泌。这一定义也涵盖了β细胞中可能导致功能受损的许多变化，如转录因子表达和葡萄糖刺激胰岛素分泌(GSIS)的变化。现从基因表达的调控、炎症、内质网应激(ERS)、氧化应激等方面逐一阐述β细胞脱分化在糖尿病中的发生机制。

2.1 基因表达调控在β细胞脱分化中的作用 随着对胰岛素作用和β细胞衰竭的认识深入到了重要阶段，不断有证据表明成熟β细胞内表达一组确定谱系的转录因子，包括胰腺十二指肠同源盒-1(Pdx1)、配对盒转录因子6(Pax6)、NK6转录因子相关1(Nkx6.1)、Nkx2.2、叉头转录因子O1(FoxO1)和肌腱膜纤维肉瘤癌基因同系物A(MafA)[13-14]。在来自人类T2DM和T2DM小鼠模型的β细胞中，某些与成熟β细胞功能相关的转录因子丢失，如Pdx1和MafA[15]。β细胞脱分化在基因学上涉及两方面：β细胞富集基因(包括关键转录因子、胰岛素、糖代谢基因、蛋白质加工和分泌途径基因)的表达下调，以及正常β细胞内抑制或水平异常低的基因(β细胞禁忌基因)表达上调[11]。

Sun等[16]阐述了调控β细胞脱分化的调节因子及可能机制，其中提及促使β细胞脱分化的因素包括高血糖、白细胞介素-1受体(IL-1R)、FoxO1、miR-24和miR-302s簇，这些因素通过调节β细胞识别蛋白和/或内分泌祖细胞识别蛋白的表达介导β细胞脱分化。Zhu等[17]用IPA(ingenuity®pathway analysis)显示miR-24通过直接抑制肌醇依赖性激酶1(IRE1)，进一步抑制ERS两个关键分支的下游效应，即X盒结合蛋白1(XBP1)和激活蛋白转录因子4(ATF4)，保护β细胞免受ERS诱导的细胞凋亡，但会引起β细胞的GSIS功能的损害。同时发现miR-24启动了靶向MafA的途径，从而指导β细胞在ERS条件下的脱分化。

研究表明FoxO1在维持β细胞功能的完整性起着重要作用[18]。Kitamura等[19]在胰岛组织免疫组化中观察到FoxO1、胰岛素与β细胞共定位，FoxO1在β细胞中的亚细胞定位是异质性的，有些细胞表现出特异性的胞浆或核免疫反应，有些表现出弥漫性免疫反应。Talchai等[20]研究证实，在正常血糖状态下，FoxO1定位于β细胞的胞浆，而在T2DM模型中，FoxO1会经历核移位，即观察到FoxO1定位于细胞核。随着高血糖恶化，β细胞核内FoxO1表达降低，同时作为胰岛祖细胞标记的Ngn3、Oct4、Nanog、L-Myc等表达被重新激活，β细胞转录因子无法阻止胰岛素生成的下降，并出现很大比例的β细胞缺失。丢失的β细胞大多数恢复到内分泌祖细胞阶段，另一部分β细胞则转化成其他胰岛细胞类型。

2.2 炎症及ERS在β细胞脱分化中的作用 在糖尿病发病过程中，β细胞需要产生大量胰岛素来应对高血糖，导致未折叠的胰岛素在内质网腔中积累，引起ERS，为了减轻ERS，细胞开始启动未折叠蛋白反应(UPR)[21]。UPR可加强核转录因子-κB(NF-κB)的激活，而NF-κB是炎症的关键调节因子。另外，UPR的两个分支即IRE1/XBP1通路和PERK/ATF4/CHOP通路，均能介导β细胞对细胞因子促炎作用的敏感性[22]。Lombardi等[23]在INS-1E细胞和小鼠胰岛β细胞中分析ERS诱导的信号传导途径，发现糖毒性引起的ERS通过转录反应使β细胞在未凋亡的情况下脱分化，这些作用可能是通过激活细胞外信号调节激酶(ERK1/2)来实现的。研究表明，炎性因子会导致胰岛β细胞身份丧失，触发β细胞脱分化，从而引起β细胞功能障碍。Nordmann等[24]在高脂饮食联合链脲霉素诱导的糖尿病模型(DIO/STZ)小鼠离体胰岛中观察到白细胞介素-1β(IL-1β)、白细胞介素-6(IL-6)和肿瘤坏死因子-α(TNF-α)促进胰岛β细胞的脱分化，其中IL-1β是作用最强的，特别是维持β细胞身份的转录因子FoxO1在暴露于IL-1β后其表达被下调。抗IL-1β、抗TNF-α或NF-κB抑制剂水杨酸钠治疗后可改善离体胰岛的胰岛素分泌功能。然而，抗IL-1β作用未能有效阻止β细胞脱分化，只有抗TNF-α作用能部分恢复β细胞同一性基因的表达。Ibarra Urizar等[25]研究证实β细胞长期暴露在低浓度IL-1β中会诱导β细胞脱分化，并使得β细胞的GSIS功能受损，包括MafA和Ucn3在内的β细胞关键基因表达减少，H3K27ac基因位点降低，这表明炎性因子会引起表观遗传改变。而去除IL-1β后，β细胞功能恢复正常，胰岛素、Ucn3等β细胞同一性基因的表达恢复到刺激前水平。

2.3 氧化应激在β细胞脱分化中的作用 β细胞具有很高的代谢活性，当长期置于高糖高脂环境下会引起氧化应激，但它们的抗氧化酶含量低，因此，β细胞易受活性氧簇(ROS)的影响，可能导致β细胞脱分化及功能受损。胞内ROS/活性氮簇(RNS)表达过量时，通过硝基化、羰基化、过氧化和亚硝基化等化学修饰对DNA、蛋白质和脂质产生损伤[21]，这些分子改变会影响酶活性、离子通道转运或受体信号转导，从而导致相关基因表达失调并诱导β细胞分化表型改变。ROS/RNS可调节重要的细胞信号通路，如磷脂酰肌醇3-激酶(PI3K)/蛋白质丝氨酸苏氨酸激酶(Akt)、丝裂原活化蛋白激酶(MAPK)、C-Jun氨基酸末端激酶(JNK)和NF-κB等，这些通路控制着细胞增殖、炎症和细胞存活。例如，Pdx和MafA作为β细胞分化的主要调节因子，对氧化还原是敏感的。Guo等[15]模拟ROS应激，将β细胞暴露于H2O2条件下，结果表明氧化应激可抑制β细胞Pdx1、Nkx6.1和MafA的表达活性。ROS介导的JNK信号通过Pdx-1的核质易位导致胰岛素分泌减少[26]，Pdx-1是一种与胰岛素启动子结合并诱导胰岛素表达的关键转录因子。高血糖引起的内源性抗氧化水平不足以有效保护β细胞分化的表型，可能在β细胞脱分化中发挥着作用。Harmon等[27]将高表达内源性谷胱甘肽过氧化物酶-1(Gpx-1)转基因导入db/db小鼠β细胞中，发现Gpx-1的过表达可防止在非转基因db/db小鼠中观察到的MafA丢失，并在db/db小鼠模式下逆转糖尿病。

3 ACE2对β细胞脱分化的作用及机制

胰腺内存在两种RAS通路，即经典的ACE/AngⅡ/AT1R轴和代偿性负调控的ACE2/Ang(1-7)/Mas轴，它们之间的不平衡被认为是胰岛β细胞功能障碍的原因之一。

3.1 ACE2抑制AngⅡ-AT1R轴的促使β细胞脱分化作用 在RAS中起核心作用的是AngⅡ，AngⅡ也是促炎因子，由于它与炎症、氧化应激和线粒体功能障碍有关，这可能是RAS与糖尿病密切相关的原因[28]。Sauter等[29]研究发现人和小鼠胰岛长期暴露于AngⅡ中可诱导IL-6和单核细胞趋化蛋白1(MCP-1)的表达，这种作用似乎是通过IL-1β/NF-κB通路的促炎反应介导的，进而损害线粒体功能，促进β细胞凋亡，β细胞数量减少从而胰岛素分泌随之降低。Chan等[30]利用分离的小鼠胰岛和克隆性β细胞进一步研究AngⅡ导致β细胞功能障碍的作用机制，发现AngⅡ可触发ERS，通过ROS和激活IP3受体进而增加促炎因子mRNA表达，最终引起小鼠胰岛β细胞功能障碍。至于有没有影响β细胞脱分化尚未深入探讨。不过，最近有新研究表明RAS激活可导致β细胞脱分化及胰岛素分泌功能受损。Chen等[31]首次证实AngⅡ结合AT1R后通过NF-κB信号途径诱导β细胞脱分化，同时发现FoxO1在AngⅡ的作用下，从细胞质转移到细胞核，这与之前报道的FoxO1在β细胞应对氧化应激时核质易位是一致的。并且采用厄贝沙坦阻断RAS或sc-514阻断NF-κB信号途径，观察到Ngn3阳性区域减少20%，有效地逆转了β细胞的脱分化状态而促进糖代谢，并且不影响β细胞数量。

3.2 ACE2/Ang(1-7)/Mas通路在β细胞脱分化中介导的效应 ACE2/Ang(1-7)/Mas轴作为一种保护性RAS通路可以减弱AngⅡ结合AT1R后产生的损害效应。研究表明ACE2蛋白和mRNA的表达水平在年轻的糖尿病肥胖大鼠和幼龄db/db小鼠中有所提高[32-33]，这些变化可能是一种适应性补偿，以对抗ACE和AngⅡ水平增加引起的炎症、氧化应激、内质网应激等影响。Lu等[10]观察到ACE2基因敲除小鼠胰岛TUNEL阳性面积及IL-1β和诱导型一氧化氮合酶(iNOS)表达水平明显高于野生型小鼠，Ang(1-7)能提高Akt/内皮型NOS(eNOS)/NO通路的活性，保护MIN6细胞免受棕榈酸盐诱导的细胞凋亡。这提示ACE 2/Ang(1-7)/Mas轴通过改善胰岛微血管内皮细胞功能，在维持β细胞存活和功能方面起一定作用。在很多小鼠模型(db/db小鼠、FoxO1-KO小鼠和KATP-GOF小鼠)和人类T2DM中观察到，尽管β细胞分化表型发生明显改变，细胞质量降低，但β细胞凋亡率仍相对较低。最近，有研究进一步证实了ACE2/Ang(1-7)/Mas轴对β细胞分化表型的影响，在高脂膳食诱导下，ACE2基因敲除小鼠胰岛内的脱分化β细胞百分率高于野生型，而Ang(1-7)可减轻小鼠β细胞的脱分化状态，并且改善小鼠胰岛微循环，降低胰岛iNOS的生成[34]。推测ACE2/Ang(1-7)/Mas轴通过改善β细胞脱分化而发挥保护细胞功能作用，这种作用可能是通过改善胰岛微循环和抑制胰岛iNOS的表达来介导的。

4 问题与展望

ACE2作为RAS的其中一员参与并影响胰腺β细胞脱分化，这在糖尿病发病过程中起着重要作用。现有的研究已突显出脱分化在β细胞功能障碍中扮演的新角色，β细胞脱分化可能是一种以改变细胞身份和功能为代价，避免慢性高血糖下β细胞发生凋亡的适应性机制[11]。但ACE2与β细胞脱分化的关系尚有很多不确定性，关于这两者之间的联系仍有待广泛地深入探索，尤其是胰腺ACE2/Ang(1-7)/Mas通路在β细胞脱分化中的作用机制需深入研究，揭示这些相关机制将有望为预防及治疗糖尿病提供新的靶点。