热休克蛋白对2型糖尿病发病的作用机制研究进展

张秀琴 综述 李敬华 审校

热休克蛋白，又称热应激蛋白，是机体在环境高温及其他应激状态下诱导合成的一组分子伴侣蛋白，具有协助细胞内蛋白质正确折叠、转运、组装的作用，保护细胞免受应激损伤及促进损伤修复，对维持细胞正常功能具有重要作用。按照分子量大小分为HSP110、HSP90、HSP70、HSP60、HSP40、sHSP 6个家族。除分子伴侣作用外，HSP还具有调节免疫、抗氧化、抗炎等作用。越来越多研究证实，HSP家族与2型糖尿病的发病及并发症的进展有关。

1 HSP110

HSP110是一组大分子HSP家族，分子量100-110KD，广泛分布于大脑皮层、海马、丘脑和下丘脑中。成员包括：HSP94，HSP104，HSP105，HSP110。关于HSP110家族与糖尿病关系研究较少，主要集中在其神经保护方面。有研究报道，在环境应激下小鼠海马中HSP105表达显著增加，当海马HSP105降低时出现抑郁样行为[1]。HSP110还作用于巨噬细胞及T细胞，能够同时诱导天然免疫和适应性免疫，对免疫系统具有双重调节作用。糖尿病被认为存在自身免疫反应，糖尿病患者肿瘤及神经疾病发生率明显高于非糖尿病患者，HSP110在糖尿病中的作用有待进一步研究。

2 HSP90

HSP90是哺乳动物含量最多的蛋白，分子量为83-90KD，包括HSP90α、HSP90β、GRP94、TRAP1。HSP90在T2DM中高表达，被认为是调节糖尿病及并发症病变的关键因子。有研究发现，抑制HSP90功能可改善肥胖小鼠和糖尿病小鼠的胰岛素敏感性和高血糖[2]。在糖尿病动脉粥样硬化斑块中检测到HSP90高表达，且与斑块不稳定有关，抑制HSP90可减轻机体炎性反应、改善糖尿病相关动脉粥样硬化及肾损伤[3]。Zheng等[4]发现，肝脏HSP90与血脂水平高度相关，敲除HSP90可显著降低中性脂质和胆固醇的含量。以上研究提示HSP90在T2DM中可能起到诱导和促进病情进展作用。另有研究认为，HSP90能够介导内皮型一氧化氮合酶(eNOS)活性、调节NO和超氧化物的产生、保护内皮功能的作用，为糖尿病的保护性因子，但高糖可影响HSP90与eNOS的结合及eNOS的磷酸化，导致HSP90和eNOS解偶联，产生大量的活性氧自由基，降低HSP90的内皮保护功能，因此良好血糖控制有助于HSP90发挥抗应激作用[5]。此外HSP90能够促进表皮细胞迁移，促进糖尿病创面愈合[6]，还可改善线粒体呼吸能力，降低糖尿病神经元的氧化应激损伤[7]。

GRP94称为葡萄糖调节蛋白94，在胰腺腺泡及胰岛中大量表达，是胰岛β细胞发育的重要调节因子。实验小鼠在胚胎期敲除GRP94可出现胰腺发育不全[8]，抑制GRP94功能和/或表达可降低葡萄糖依赖性胰岛素分泌、缩短胰岛素原半衰期，降低细胞内胰岛素原及血胰岛素水平。有研究发现在T2DM患者胰岛中可见GRP94 mRNA过度表达[9]，但与T2DM病程、剩余胰岛功能关系尚不明确。

TRAP1称为肿瘤坏死因子受体相关蛋白1，存在于线粒体中，对维持线粒体功能具有重要作用。有研究发现高糖状态下心肌细胞TRAP1表达降低，同时伴线粒体膜电位和细胞活力降低、细胞内ROS生成增加，推测TRAP1可能在高糖环境下对心肌细胞有保护作用[10]。但目前相关研究较少。

3 HSP70

HSP70家族分子量为66-78KD，有20多个成员，是目前热休克蛋白与糖尿病关系的研究的热点。HSP70在改善炎症、氧化应激和葡萄糖敏感性方面具有有益的作用。有报道基因敲除 HSP72(HSP70家族成员之一)后小鼠出现葡萄糖不耐受、胰岛素抵抗、胰岛素分泌受损和肝糖原分解增强等现象[11]。

3.1 HSP70分布与T2DM的关系 细胞内HSP70(iHSP70)和细胞外HSP70(eHSP70)作用不同。iHSP70为保护性因子，在应激条件下维持蛋白质的自然折叠，具有抗凋亡、抗炎、抗氧化和抑制免疫的作用，并且与维持正常胰岛素敏感性相关。iHSP70降低提示慢性炎性反应状态和胰岛素敏感性下降。eHSP70主要指血清HSP70，被认为是促炎性因子，激活机体炎症、氧化应激反应及免疫反应，与胰岛素敏感性降低、胰岛β细胞功能减退有关。有报道eHSP70在肥胖和T2DM患者中升高，而iHSP70在T2DM患者中降低[12]。也有研究者推测HSP70在细胞外和细胞内的分布比例可能决定炎症和胰岛素抵抗的结果[13]，但目前相关报道较少。

血清HSP70在不同糖代谢异常人群中均有变化，多项研究均观察到血清HSP70水平在T2DM患者中显著升高，且与病程、HOMA-IR、血糖呈正相关，在健康人群中不升高且与上述指标无相关性[12，14]。Islam等[15]报道，健康受试者血清HSP70与HOMA-IR呈负相关。而Krause等[16]报道，在非糖尿病老年人中，血清HSP70与胰岛素抵抗呈正相关，并可能介导β细胞功能衰竭。在妊娠糖尿病(GDM)孕妇的外周血及胎盘组织中也观察到HSP70水平升高，并参与介导GDM孕妇胎盘纤维化[17]。综上可见血清HSP70在T2DM不同阶段及不同人群中差异较大，不能作为T2DM的预测因子。

关于iHSP70在糖尿病的作用研究相对较少，Sabbah等[18]发现iHSP70在单纯肥胖者中表达显著增高，而在肥胖伴代谢综合征(MetS)者中降低，提示iHSP70可能是MetS的保护性因素。Ohno等[19]发现iHSP70能够改善胰岛素抵抗、延缓甚至逆转T2DM疾病进程，机制与阻断c-Jun氨基末端激酶(JNKs)抑制细胞凋亡而与细胞保护相关。

3.2 HSP70基因多态性与T2DM关系 HSP70基因多态性与T2DM显著相关，且与性别有关。C等位基因与所有糖尿病患者相关，女性更为显著；有研究报道：HSP70杂合子突变(CT)基因型的女性T2DM发病率显著增加，而男性没有相关性[20]；当在应激状态下，CT基因型男性是T2DM发病的高危人群，而CT基因型女性则无明显相关性。另一项报道称HSP70A1B基因分型(AG、GG)中AG基因型与足部溃疡严重程度、截肢需要和住院时间显著相关，而HSP70A1L基因型(TT、CT、CC)与这些参数没有相关性[21]。

3.3 HSP70与糖尿病并发症的关系 HSP70与糖尿病多种并发症均相关，有研究观察到2型糖尿病心肌线粒体HSP70(mtHsp70)蛋白质含量减少甚至缺失，促进mtHsp70过度表达有助于线粒体蛋白的输入，促进线粒体功能的恢复[22]。Sayed等[23]研究发现T2DM合并糖尿病视网膜病变(DR)患者血HSP70显著升高，但不同DR分期之间HSP70水平无差异，这表明HSP70可能对T2DM患者具有保护作用而不是治疗作用，HSP70也不是DR发展的预测因子。在糖尿病合并足溃疡患者中发现血HSP70高于糖尿病无溃疡患者和健康人，提示HSP70糖尿病足溃疡中有特定作用。Singh等[24]发现糖尿病创面组织中HSP27、HSP47和HSP70及其下游分子表达均显著下调，但HSP70、HSP27水平随着糖尿病足Wagner伤口等级的增加而显著增加，提示糖尿病创面HSPs的下调有助于T2DM患者的创面愈合，具体机制尚不明确。HSP70能够修复线粒体功能，Ma等[25]发现通过药物调节HSP70可改善线粒体呼吸功能进而改善糖尿病神经病变相关指标。Chen等[26]通过运动诱导糖尿病痛性神经病变大鼠脊髓和周围神经过度表达HSP72可起到缓解神经痛的作用，且这种保护作用与TNF-α、IL-6等炎性因子无关。综上，HSP70可作为T2DM并发症的保护因子，未来能否将HSP70作为T2DM特定并发症的治疗靶点仍需要进一步深入研究。

4 HSP60

Hsp60又称HSPD1，分子量为60 KD，是一种脂肪因子，主要存在于线粒体中，是细胞应激与炎症反应相互作用的关键蛋白，也是维持线粒体形态和功能的重要物质。HSP60与T2DM关系目前尚不明确，研究报道结果不一致。Sell等[27]发现肥胖患者血HSP60显著升高，行减重手术后下降，但HSP60水平与是否患有T2DM无关，降糖药物对T2DM患者血HSP60也无影响。Märker等[28]研究发现糖尿病肥胖患者内脏脂肪和皮下脂肪HSP60比值高于无糖尿病的肥胖者。而Khadir等[29]发现糖尿病肥胖患者血清及脂肪组织中HSP60 表达均低于未患糖尿病的肥胖成人。Rong等[30]发现糖尿病小鼠HSP60和线粒体容量均低于单纯肥胖小鼠，提示糖尿病小鼠HSP60降低可能反映了脂肪组织中线粒体含量减少，而脂肪组织中线粒体含量决定脂肪氧化代谢及产热能力，因此HSP60可能参与机体能量代谢，且与脂肪代谢关系更为密切。

最初认为HSP60是线粒体特异性细胞应激后产生，仅存在细胞内，起分子伴侣、保证蛋白正确折叠的作用。最近研究表明HSP60可在细胞外分泌及表达，并作为一种促炎因子和氧化应激因子参与动脉粥样硬化及糖尿病并发症病理改变。Hall等[31]将人HeLa细胞暴露于100 mM葡萄糖、200 μM H2O2和50 μM叠氮钠3 d和7 d发现HSP60、HSP70蛋白水平增加2.43到5.08倍不等，同时细胞内产生ROS也显著增加，提示高血糖和氧化应激均可诱导HSP60和HSP70的表达。Aluksanasuwan等[32]在糖尿病肾组织中也观察到HSP60水平变化，发现HSP60对肾小管细胞内蛋白聚集、ATP生成和氧化应激中起调节作用，可能参与糖尿病性肾小管功能障碍。Weitgasser等[33]发现，糖尿病视网膜病变患者血清hsp65抗体滴度明显高于无视网膜病变的糖尿病患者，且与代谢指标控制不相关。既往研究发现糖尿病患者有冠心病和心梗病史者血清HSP60要明显高于无心血管疾病的糖尿病患者，且血清Hsp60浓度与年龄、体重、体重指数(BMI)、血压、血糖、胆固醇、高密度脂蛋白、低密度脂蛋白、甘油三酯、肌酐或C-反应蛋白等指标无相关性。可见HSP60作为独立因素参与糖尿病相关并发症发病过程，但目前研究多为临床观察性研究，基础性研究较少，因此HSP60在糖尿病病变中的作用机制还需深入研究。

5 HSP40

HSP40由于拥有J结构域又被称为DNAJ，分子量为40 KD，有学者将其归为sHSP家族。除分子伴侣作用，在全基因组相关研究中，HSP40家族曾被鉴定为体重指数相关位点，因此可能参与脂肪代谢。DNAJC27是HSP40蛋白家族的一员，Cherian等[34]研究发现肥胖和2型糖尿病患者血浆及脂肪组织中DNAJC27升高，并与瘦素和抵抗素等肥胖生物标志物呈正相关。Abu-Farh等[35]发现HSP40蛋白家族的另一成员DNAJB3在肥胖和糖尿病时表达下调，并与IP-10和RANTES24等关键促炎性反应标记物呈负相关。Abubaker等[36]研究显示与肥胖的非糖尿病患者相比，肥胖的T2DM患者外周血单核细胞和皮下脂肪组织中DNAJB3表达减少，提高DNAJB3表达可促进外周组织葡萄糖摄取，改善肥胖和胰岛素抵抗。有研究发现DNAJC3与糖尿病及神经病变有关，DNAJC3突变导致人类的一种单基因隐性糖尿病及广泛神经退行性病变，敲除DNAJC3小鼠可导致糖尿病发生[37]。

6 sHSP

sHSP分子量为15-30KD，正常组织细胞中含量极少，应激状态下迅速增加发挥细胞保护作用。其中HSP27为研究热点。已有大量研究证实HSP27具有抗氧化作用，在糖尿病等各种应激状态下发挥细胞保护作用，抑制细胞凋亡，调节维持蛋白质稳态、抗动脉粥样硬化的作用，因此与糖尿病相关并发症关系密切。Jaroszyński等[38]研究发现，颈动脉粥样硬化斑块数量、内中膜厚度与血清HSP27水平呈负相关，血清HSP27升高可稳定斑块、延缓动脉粥样硬化的发展。动物实验[39]表明通过有氧运动可以提高糖尿病大鼠心肌HSP27蛋白表达及活性，进而改善心肌细胞纤维排列，恢复心脏舒张功能。HSP27在晶状体全层均有分布，具有防止蛋白变性及聚集、保护晶状体上皮的作用，动物研究发现HSP27可降低糖尿病大鼠晶状体浑浊度、降低白内障发生风险。许建斌等[40]发现HSP27在正常大鼠视网膜中不表达或弱表达，而在糖尿病视网膜病变大鼠中表达呈进行性增强，且主要表达在视网膜神经节细胞层、内外核层及内界膜等，提示Hsp27对视网膜与视神经细胞起到内源性的保护作用。

另一种小分子热休克蛋白HspB8在氧化应激、内质网应激、炎症反应、细胞凋亡中均具有调控作用，但与糖尿病相关研究较少。苏石等[41]研究发现糖尿病患者HspB8 mRNA表达显著低于正常人群，但IGT患者HspB8 mRNA表达却高于正常人群，作者认为可能与IGT患者处于疾病的相对代偿期，此时HspB8升高起到对机体的保护作用，进展至糖尿病为失代偿期，此时疾病对机体造成的损伤已经超出HspB8对机体的保护功能，从而表现出HspB8表达水平的下降。

综上所述，热休克蛋白在2型糖尿病的疾病进展中发挥重要作用，调控HSP可能成为2型糖尿病防治的新靶点，但目前研究以观察性研究为主，具体作用机制尚不完全明确，仍需进一步深入研究。