硫氧还蛋白相互作用蛋白在糖尿病及其并发症中的作用

夏 锐， 赵晓琴

(太原理工大学体育学院体育教育系， 太原 030024)

硫氧还蛋白相互作用蛋白(thioredoxin interaction protein，TXNIP)于1994年首次在1，25-二羟维生素D3作用的HL-60早幼粒细胞白血病细胞系中发现，又命名为维生素D3上调蛋白1(vitamin D3up-regulated protein 1，VDUP1)。随后，通过酵母双杂交鉴定TXNIP是一种硫氧还蛋白(thioredoxin，Trx)结合蛋白质，将其命名为硫氧还蛋白相互作用蛋白。TXNIP几乎在所有正常组织细胞中广泛表达，可被紫外线、过氧化氢和高糖等多种应激所诱导。TXNIP具有极其重要的生物学功能，能够调节氧化应激、细胞凋亡、炎症反应和细胞自噬等。TXNIP不仅参与了糖尿病的发生发展，且与糖尿病心肌病、糖尿病肾病、糖尿病性视网膜病等并发症紧密相关。本文就TXNIP与糖尿病及其并发症的研究进展进行综述。

1 硫氧还蛋白相互作用蛋白概述

人体TXNIP基因位于染色体1q21.1上，全长4 174 bp，由391个氨基酸残基组成，分子量为46 kD。TXNIP蛋白含有类抑制蛋白的N端(10～152 aa)及C端(175～298 aa)，氧化型的TXNIP在Cys-63和Cys-247之间含有二硫键，其Cys-247可以与Trx的Cys-32反应形成稳定的复合物，这对TXNIP与硫氧还蛋白的有效相互作用至关重要。TXNIP是硫氧还蛋白的负调节因子，TXNIP可以通过与硫氧还蛋白相互结合进而抑制其活性，促进蛋白质半胱氨酸磺化和亚硝酸化，诱发氧化应激反应。TXNIP的C端有2个PPXY基序(331～334 AA和375～378 AA)，它能与E3泛素连接酶(E3 Ubiquitin Ligases，E3)的WW结构域相互作用，从而促进TXNIP的蛋白酶体降解[1]。此外，TXNIP启动子中包含有主要转录激活因子碳水化合物反应元件(carbohydrate response element，ChoRE)，该元件是葡萄糖诱导TXNIP转录的充分必要条件，参与葡萄糖调控β细胞基因表达的分子机制，这对于TXNIP参与糖脂代谢的调控十分重要。ChoRE在原代培养过表达TXNIP的人体主动脉内皮细胞中可促进早期细胞凋亡，并损害一氧化氮的生物活性。血管内皮生长因子(vascular endothelial growth factor，VEGF)和一氧化氮的生成则可降低TXNIP过表达。而内皮细胞凋亡的增加和一氧化氮生物活性的受损，将进一步导致内皮功能障碍。心血管疾病是糖尿病的主要并发症，而内皮功能障碍被认为是心血管疾病的最早可检测阶段，TXNIP表达水平与内皮功能障碍的相关性提示，TXNIP可能是糖尿病病人心血管并发症的潜在生物标志物[2]。此外，TXNIP能够通过氧化应激、细胞凋亡、内质网应激、炎症、自噬和代谢在许多不同的疾病(例如糖尿病、心血管疾病、神经退行性疾病、癌症等)中发挥重要作用[3, 4]。

2 硫氧还蛋白相互作用蛋白参与糖尿病的发生发展

糖尿病是由胰岛素分泌缺陷或受损所致的以高血糖为特征的代谢性疾病，而TXNIP是葡萄糖和脂质代谢的主要调节剂。TXNIP通过穿梭在细胞质、线粒体、细胞外基质及细胞核中发挥调节糖脂代谢的作用[5]。位于细胞质膜上的TXNIP能通过内吞作用抑制糖转运蛋白1(glucose transporter 1，GLUT1)的葡萄糖摄取功能[6, 7]。转运到细胞外基质的TXNIP能促进糖转运蛋白1内化，限制葡萄糖摄取和糖酵解[8]。下调细胞核内的TXNIP能够上调糖转运蛋白1的表达，促进了GLUT1的葡萄糖摄取[9, 10]。总之，TXNIP在糖尿病发病前期对调节葡萄糖稳态发挥关键作用。研究发现在糖尿病前期，TXNIP、硫氧还蛋白的表达已明显升高，而通过阻断TXNIP的生成或拮抗其作用，可以降低糖尿病的发生，避免进一步发展为糖尿病及其并发症[11]。

糖尿病病理生理学的关键步骤是胰腺中负责胰岛素分泌的胰岛β细胞丧失。胰岛β细胞抗氧化剂含量低，易受氧化损伤导致细胞凋亡。而TXNIP在糖尿病时胰岛细胞凋亡进程中扮演着重要的角色。研究显示，在高糖刺激胰岛细胞1(insulin 1，INS-1)时，导致TXNIP表达显著提高的同时伴有大量的细胞凋亡，而给胰岛细胞1导入TXNIP基因引起TXNIP过表达，即便是正常糖浓度，INS-1细胞凋亡也有增加；培养TXNIP基因缺陷的小鼠胰岛组织，高糖则不会导致INS-1细胞凋亡[12]。TXNIP引起细胞凋亡主要是通过拮抗硫氧还蛋白的抗凋亡作用来激发细胞凋亡信号。TXNIP通过结合硫氧还蛋白并抑制其活性及表达，同时竞争性地阻碍硫氧还蛋白和凋亡信号调节激酶1(apoptosis signal regulating kinase-1，ASK1)的结合，使ASK1得以释放并激活其下游的p38蛋白激酶(p38 mitogen-activated protein kinase，p38 MAPK)，引发细胞凋亡[13]。研究表明，在高糖等应激条件下，TXNIP会穿梭进入线粒体。在线粒体中TXNIP与硫氧还蛋白2结合使其氧化，进而减少硫氧还蛋白与ASK1的结合，使得ASK1被激活，最终启动与细胞色素3和活化的胱天蛋白酶3(caspase-3 )相关的线粒体凋亡通路[14]。此外，TXNIP还能通过TXNIP-p38 MAPK-p16/p53通路来影响胰岛β细胞衰老。研究发现[15]，TXNIP过表达可促进INS-1细胞p38 MAPK磷酸化，进而使抑癌相关的p16、p53蛋白表达增加，从而引起INS-1细胞衰老。而TXNIP沉默可通过抑制p38 MAPK磷酸化，进而使p16、p53蛋白表达减少，最终减轻β细胞衰老。因此，抑制TXNIP生成能减轻糖尿病时胰岛β细胞的丢失，改善继发的胰岛素分泌和代偿不足，延缓糖尿病的进展。此外，DNA甲基化在基因表达调控中发挥重要作用。目前已有相关证据表明，TXNIP基因甲基化程度与糖尿病患病风险之间具有相互关系：TXNIP基因甲基化水平越低，糖尿病患病率越高[16, 17]。其中，TXNIP的3′UTR甲基化位点cg19693031与糖尿病有关，且cg19693031也与持续性高血糖相关[10]。DNA甲基化在糖尿病的发病机制中发挥重要作用，然而对于具体的作用机制尚需进一步研究。糖尿病是一种多基因遗传性疾病，单个基因的DNA甲基化改变难以全面揭示疾病发生的分子机制。各种表观遗传修饰酶抑制剂，以及有相似作用的药物不断被开发研究，有望干预或逆转DNA甲基化，从而治疗糖尿病及其并发症[18]。此外，运动与饮食等环境因素均可作为逆转糖尿病血管并发症DNA甲基化异常的有力调节剂。

3 硫氧还蛋白相互作用蛋白参与糖尿病并发症的发生发展

糖尿病是一种慢性代谢紊乱疾病，且糖尿病并发症是糖尿病患者致死的主要原因。糖尿病并发症主要包括糖尿病性心肌病、糖尿病血管病变等。其中糖尿病并发症以心血管并发症危害最甚，其次是糖尿病血管病变。糖尿病血管病变是常见的糖尿病并发症之一，也是导致糖尿病病人死亡的主要原因之一。缺血性组织中血管生成受损是糖尿病的一个重要特征[19]。临床上糖尿病血管病变主要分为大血管病变和微血管病变[20]。由大血管动脉粥样硬化导致的大血管并发症(例如冠心病)是导致糖尿病病人过早死亡的主要原因，此外糖尿病还与微血管并发症(例如糖尿病肾病、糖尿病性视网膜病)有关[21, 22]。研究表明，冠心病(coronary artery disease，CAD)患者外周血白细胞TXNIP表达增加[23-25]。然而，外周血白细胞TXNIP过表达与冠心病发生发展的相关机制尚不明确，未来可进一步深入研究。最新证据显示，与cg19693031去甲基化相关的TXNIP表达的增加，可能通过NLRP3炎性小体途径，使单核细胞进入炎症激活状态，并在巨噬细胞和泡沫细胞的形成中发挥重要作用，进而参与冠心病的发展[26, 27]。糖尿病病人微血管病变的主要部位是肾和视网膜等处的微血管，其病理变化主要是毛细血管基底膜增厚。糖尿病肾病多与糖尿病性视网膜病变同时存在。视网膜微血管病变多见于青年起病型的糖尿病病人，是世界上成人失明的主要原因。

3.1 TXNIP与糖尿病心肌病

糖尿病并发症中以心血管并发症的危害最甚，并成为糖尿病人死亡的主要原因。长期的高血糖能够引起心肌代谢障碍和冠脉微血管病变，致使心肌发生局灶性坏死，病人出现心血管泵血功能下降，甚至心力衰竭。目前已证实，糖尿病可以引起心肌损伤和细胞凋亡，其凋亡的机制与糖尿病时TXNIP蛋白表达有关。糖尿病时TXNIP的上调会通过抑制硫氧还蛋白的活性，并减弱其抗凋亡功能进而诱导心肌细胞凋亡。而TXNIP的上调以及随后TXNIP-Trx1复合物的增加，是糖尿病诱导血管生成不足从而加重心肌缺血损伤的又一新发现的病理途径[14]。关于TXNIP对糖尿病心肌损伤的影响机制，可能不仅仅局限于其与硫氧还蛋白相互作用诱发心肌细胞凋亡[28]。Myers等[12]发现，高血糖诱导的TXNIP能通过GLUT1直接调节胰岛素依赖型葡萄糖摄取，导致心肌肌力储备受损。而Yu等[29]发现，糖尿病心肌缺血可上调心肌梗死区内皮细胞TXNIP 的表达和活性氧ROS水平(reactive oxygen species，ROS)，而TXNIP能通过ROS来调节Wnt/β-catenin信号通路(canonical Wnt/β-catenin pathway，Wnt/β-catenin)，进而抑制心肌内皮细胞增殖。以上结果提示，TXNIP必然参与糖尿病心肌损伤的发生发展，但具体机制还有待进一步探索。

糖尿病心血管并发症中以心肌缺血再灌注损伤(ischemia and reperfusion injury，IR)所占比例最为多见。研究发现，TXNIP在糖尿病心肌缺血再灌注损伤后高表达，而TXNIP敲除则可促进自噬标志物(microtubule-associated protein 1 light chain 3，LC3)从LC3I(胞浆型)向LC3II(膜型)的转化，降低p62蛋白表达，同时使肿瘤坏死因子α(tumor necrosis factor-α, TNF-α)和白细胞介素-6 (interleukin- 6，IL6)基因水平显著降低，提示TXNIP可能通过激活自噬和抑制炎症，进而减轻心肌缺血再灌注损伤[30]。最近，Gao等[31]首次报道了心肌TXNIP表达在缺血时被诱导，在再灌注时进一步增加。TXNIP在IR期间能诱导自噬小体的形成，同时TXNIP能够抑制自噬小体的清除，由于过度自噬诱导不受控制，再灌注期自噬小体清除减少，最终导致与自噬相关的心肌细胞凋亡。以上结果提示，TXNIP在糖尿病心肌缺血再灌注损伤的发生发展中发挥着重要作用。

3.2 TXNIP与糖尿病肾病

糖尿病肾病又称肾小球硬化症，是由糖尿病引起的肾血流量增加导致肾小球系膜细胞及胞外基质增殖，肾小管上皮细胞凋亡，最后发展为以肾小球硬化为主的病理特征。其发病率逐年上升，已成为终末期肾病的第二大病因，是糖尿病病人严重的微血管并发症之一。糖尿病肾病的发生和发展与TXNIP的过表达密切相关。正常情况下TXNIP在肾小球不表达，在肾小管上皮细胞表达极少[32]；而糖尿病肾病病人及动物模型的肾皮质TXNIP蛋白表达和mRNA水平明显增加，同时体外高糖培养的肾小球系膜细胞，肾小管上皮细胞以及血管内皮细胞TXNIP蛋白表达和mRNA水平也明显增加[33]。在糖尿病大鼠肾病早期肾组织TXNIP表达水平即明显增加，同时其表达与肾组织的氧化应激水平，炎性浸润以及纤维化程度密切相关[34]。而敲除TXNIP能抑制高糖引发的肾细胞ROS的生成，显著缓解上述肾组织病变以及尿蛋白质的排泄[35]。以上结果提示，TXNIP必定参与了糖尿病肾病的发生发展。

TXNIP在糖尿病肾病中的作用机制尚不完全清楚。Huang[36]等报道，TXNIP可能通过自噬失调对糖尿病肾病发挥作用。糖尿病肾病时肾小管细胞的TXNIP、LC3Ⅰ/LC3-Ⅱ和p62的表达明显增加，细胞自噬空泡形成增多。siRNA转染沉默TXNIP可降低LC3-Ⅱ和p62的表达，以及减少肾小管细胞自噬空泡，阻断自噬体与溶酶体的融合，并损害LC3-Ⅱ和p62的降解。提示高糖诱导的TXNIP过度表达可能是糖尿病肾小管自噬功能障碍的原因之一。TXNIP对糖尿病肾病的影响还可能是通过TXNIP-NALP3(neutrophilic alkaline phosphatase-3，NALP-3)信号通路发挥作用。Gu等[37]报道，高糖环境能以时间依赖性和剂量依赖性的方式，通过上调肾组织TXNIP的表达和激活NLRP3炎症小体，进而增加IL-1和IL-18的分泌。而TXNIP基因沉默能抑制高糖引发的NLRP3炎症小体激活，以及IL-1和IL-18的表达[38]。此外，TXNIP对糖尿病肾病的足细胞表型改变具有潜在影响。Song等[39]报道，敲除TXNIP能破坏糖尿病肾病的肾小管上皮-间质转化，使ROS生成量减少，进而通过抑制雷帕霉素靶蛋白(mammalian target of rapamycin, mTOR)途径的激活，进而改善足细胞表型的改变，还能预防足细胞损伤和肾小球硬化。综上所述，抑制TXNIP可能是减缓及治疗糖尿病肾病的一种策略。

3.3 TXNIP与糖尿病性视网膜病

糖尿病性视网膜病是世界上成人失明的主要原因，糖尿病性视网膜病变也是糖尿病微血管并发症之一，是一种具有特异性改变的眼底病变。高血糖和眼内VEGF的过度积累会导致增生性糖尿病性视网膜病变，其特征是病理性血管生成和视力受损。研究发现，TXNIP的表达与糖尿病性视网膜病的发生和发展密切相关。在糖尿病状态下，视网膜内皮细胞会高度诱导TXNIP表达，Duan等[40]调查了TXNIP的缺失是否会改变糖尿病相关的视网膜血管生成。研究发现，将人视网膜微血管内皮细胞(human retinal microvascular endothelial cells，HRMECs)暴露于中高糖(high glucose，HG)环境中可促进细胞迁移和管状形成，但不能促进细胞增殖。敲除TXNIP可抑制HRMECs中的高糖诱导的ROS生成、迁移、管形成和蛋白激酶B Akt(protein kinase B，AKt)/mTOR途径的激活，进而抑制VEGF和高糖诱导的视网膜血管生成[41]。

糖尿病引发视网膜病变的机制与氧化应激、炎性反应及细胞自噬等有关。而通过抑制TXNIP的表达，可以进一步抑制炎症因子水平，进而减轻糖尿病性视网膜病变大鼠视网膜的病理[41]。此外，最新研究发现[42]，TXNIP基因敲除会降低高糖培养视网膜细胞磷脂酰肌醇-3-羟激酶(phosphatidylinositol-3-hydroxykinase，PI3K)、AKT和mTOR的表达；而TXNIP基因敲除细胞在经PI3K途径抑制剂LY294002处理后，P62蛋白表达减少，细胞自噬相关复合体Atg12-Atg5(autophagy related gene，Atg)蛋白积聚，提示TXNIP可以通过抑制PI3K/AKT/mTOR信号通路，进行正向调控高糖条件下大鼠视网膜细胞自噬[43]。TXNIP作为重要的调节因子，在糖尿病性视网膜病变的氧化应激、炎性反应及自噬等过程中发挥重要作用，为糖尿病性视网膜病变的发病机制提供了新的认识。

3.4 TXNIP与糖尿病其他并发症

TXNIP还参与糖尿病其他并发症的发生发展。糖尿病病人患帕金森病的风险也高。TXNIP在高糖条件下可以通过调节Parkin(一种E3泛素连接酶)/PINK1(PTEN-included putative kinase protein 1，PINK1)介导多巴胺能细胞进行有丝分裂吞噬，靶向TXNIP可能是降低高血糖条件下帕金森疾病风险的一种有希望的治疗策略[44, 45]。血清TXNIP水平改变与2型糖尿病血管病变密切相关，控制血清TXNIP水平可能有助于控住2型糖尿病病人血管并发症的发生与发展[46]。此外，TXNIP还在糖尿病病人肌肉中的表达持续升高，致使糖尿病诱发骨骼肌胰岛素抵抗[47]，提示TXNIP可能是改善糖尿病骨骼肌胰岛素抵抗的潜在分子治疗靶点(Fig.1)。

4 问题与展望

TXNIP不仅参与了糖尿病的发生发展，而且通过氧化应激、细胞凋亡、炎症、自噬和代谢等多种途径在糖尿病及其并发症的病理进程中发挥决定性作用。TXNIP缺失和抑制能减轻糖尿病时胰岛β细胞的丢失，改善继发的胰岛素分泌和代偿不足，延缓糖尿病及其并发症的进展。因此，TXNIP有望成为减缓及治疗糖尿病及其并发症的潜在新靶点。

然而，TXNIP与糖尿病发生发展相关的研究较少，且仅在有限的人群中进行了探索，目前尚不完全了解TXNIP如何与其他蛋白质相互作用，在不同的细胞类型和不同的细胞定位中响应各种刺激的基本分子机制。糖尿病是一种多因素共同导致的疾病，其中TXNIP基因是如何与其他基因或危险因素协同作用共同参与糖尿病的发生发展尚不明确，TXNIP单个基因的DNA甲基化改变尚也难以全面揭示糖尿病及其并发症发生的分子机制。此外，饮食、运动等环境因素均可作为干预糖尿病血管并发症DNA甲基化异常的有力调节剂。目前国内外有关运动对TXNIP表达影响的研究较少，未来亦可作为相关研究重点。如果将来能够开发出更具特异性的TXNIP基因抑制剂，或是采用某种更加有效简便的方法将其沉默，必将为广大糖尿病病人带来福音。