陳煜 曹萌 劉超

·綜述·

自噬在2型糖尿病中的作用

陳煜 曹萌 劉超

胰島β細(xì)胞功能缺陷和胰島素抵抗是2型糖尿病發(fā)病的主要機(jī)制。自噬作為一種真核生物細(xì)胞中溶酶體降解胞質(zhì)成分的重要代謝過(guò)程，廣泛參與包括2型糖尿病在內(nèi)的多種疾病的病理過(guò)程。在2型糖尿病中，自噬水平的提高有利于維持胰島β細(xì)胞正常的結(jié)構(gòu)、功能以及改善胰島素抵抗。進(jìn)一步探究自噬與2型糖尿病發(fā)病機(jī)制之間的關(guān)系可能會(huì)給糖尿病的治療帶來(lái)新的靶點(diǎn)。

自噬；胰島β細(xì)胞；胰島素抵抗；2型糖尿病

糖尿病是由體內(nèi)胰島素分泌不足或作用缺陷引起的糖、脂肪、蛋白質(zhì)代謝紊亂，并以高血糖和多種并發(fā)癥共存為特點(diǎn)的代謝性疾病。其中2型糖尿病的發(fā)病機(jī)制主要涉及胰島素抵抗和胰島β細(xì)胞功能缺陷，而β細(xì)胞功能缺陷是發(fā)病的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，近年研究發(fā)現(xiàn)，自噬功能的異?？赡芘c以上兩種發(fā)病機(jī)制有關(guān)。

1 自噬

自噬是真核生物細(xì)胞中溶酶體降解胞質(zhì)成分的重要代謝過(guò)程。根據(jù)底物進(jìn)入溶酶體途徑的不同形式，自噬可分為3種類型：巨自噬、微自噬和分子伴侶介導(dǎo)的自噬。在巨自噬(通常所指的自噬)中，首先通過(guò)胞質(zhì)內(nèi)雙層膜結(jié)構(gòu)包裹需降解的胞質(zhì)成分如細(xì)胞器和蛋白質(zhì)，形成囊泡，稱為自噬體，其外膜再與溶酶體膜融合形成自噬溶酶體，溶酶體內(nèi)的酶釋放入自噬溶酶體中,對(duì)包裹的胞質(zhì)成分進(jìn)行降解再利用[1-2]。當(dāng)機(jī)體處于營(yíng)養(yǎng)缺乏、應(yīng)激等不良狀態(tài)時(shí)，自噬一方面可清除胞質(zhì)內(nèi)受損的細(xì)胞器、有害的蛋白質(zhì)等，保護(hù)細(xì)胞免受損害；另一方面可降解胞內(nèi)物質(zhì)，其降解產(chǎn)物可被再次利用為細(xì)胞提供能量，對(duì)細(xì)胞內(nèi)環(huán)境穩(wěn)態(tài)具有重要意義。

自噬作為細(xì)胞抵抗不良環(huán)境的一種防御機(jī)制，廣泛參與包括2型糖尿病在內(nèi)的多種疾病的病理過(guò)程[2]。胰島素及其下游調(diào)節(jié)因子哺乳動(dòng)物雷帕霉素靶蛋白均能對(duì)細(xì)胞中的自噬起抑制作用，而胰高血糖素則能上調(diào)胞內(nèi)自噬水平[3]。內(nèi)質(zhì)網(wǎng)和線粒體在維持β細(xì)胞生存和功能中必不可少，兩者功能的正常運(yùn)轉(zhuǎn)及β細(xì)胞自身的胰島素敏感性都依賴于自噬的作用[4- 5]。因此，自噬在β細(xì)胞功能和人體代謝方面起著必不可少的作用。

2 自噬和2型糖尿病

自噬對(duì)2型糖尿病的影響目前尚存爭(zhēng)議。大多數(shù)研究更傾向于，在2型糖尿病中，自噬水平的提高有利于維持胰島β細(xì)胞正常的結(jié)構(gòu)功能以及改善胰島素抵抗。

2.1 自噬有利于維持胰島β細(xì)胞正常的結(jié)構(gòu)功能 Ebato等[6]探究了自噬在β細(xì)胞中的生理作用，該研究使用特異性敲除胰島β細(xì)胞自噬相關(guān)基因(Atg)7小鼠模型(Atg7Δβcell小鼠)，該模型小鼠以高血糖和低胰島素血癥為特征；形態(tài)學(xué)分析發(fā)現(xiàn)，與Atg7F/F小鼠相比，其胰島β細(xì)胞死亡率增加、細(xì)胞數(shù)量減少，同時(shí)伴隨泛素化蛋白和p62蛋白聚集，p62蛋白是自噬標(biāo)志性蛋白LC3的結(jié)合蛋白，其與LC3的相互作用是將泛素化蛋白轉(zhuǎn)運(yùn)至自噬體降解所必需的。除了形態(tài)學(xué)的病變，胰島β細(xì)胞功能也有變化。體外研究發(fā)現(xiàn)，Atg7Δβcell小鼠經(jīng)葡萄糖刺激后，其β細(xì)胞胰島素分泌量和鈣瞬變均顯著降低[7]。胰高血糖素樣肽-1類似物exendin-4，可提高胰島素基因的轉(zhuǎn)錄水平，促進(jìn)胰島素的釋放，從而控制血糖濃度。Exendin-4作用于自噬缺失性β細(xì)胞后，導(dǎo)致該細(xì)胞凋亡增加和胰島素分泌量下降，exendin-4增強(qiáng)了自噬缺失性β細(xì)胞胰島素分泌的抑制效應(yīng)[8]。

近年來(lái)，氧化應(yīng)激、線粒體功能障礙、內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激以及c-Jun氨基末端激酶(JNK)通路的活化等都被認(rèn)為是β細(xì)胞功能缺陷的可能機(jī)制。研究發(fā)現(xiàn)，自噬與幾種機(jī)制都存在聯(lián)系。由于胰島β細(xì)胞內(nèi)蛋白質(zhì)合成和分泌極其活躍，且內(nèi)質(zhì)網(wǎng)高度發(fā)達(dá)，因而β細(xì)胞極易受到內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激的損傷，因此對(duì)于β細(xì)胞自噬在2型糖尿病中的重要性研究也主要集中于內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激和未折疊蛋白反應(yīng)(或內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激反應(yīng))。Jung等[7]報(bào)道在自噬缺失性β細(xì)胞中觀察到內(nèi)質(zhì)網(wǎng)腫脹。與對(duì)照組相比，自噬缺失性β細(xì)胞中幾乎所有有關(guān)內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激反應(yīng)基因的表達(dá)均顯著降低，內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激狀態(tài)下缺少應(yīng)激反應(yīng)，提示β細(xì)胞處于一種失代償狀態(tài)[9]。因此可以認(rèn)為，自噬可能在調(diào)控未折疊蛋白反應(yīng)方面起著非常重要的作用[10]。內(nèi)質(zhì)網(wǎng)激活劑thapsigargin作用于自噬缺失性β細(xì)胞，相對(duì)于自噬正常的β細(xì)胞，自噬缺失性β細(xì)胞死亡率顯著增加[9]。與thapsigargin相比，游離脂肪酸是更理想的生理學(xué)方面的內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激激活劑。從Atg7Δβcell小鼠體內(nèi)提取的胰島細(xì)胞經(jīng)棕櫚酸刺激，其細(xì)胞死亡率顯著增加[11]。由此可見，自噬的存在對(duì)于β細(xì)胞內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激反應(yīng)適時(shí)適量的進(jìn)行必不可少，但自噬缺失性β細(xì)胞中內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激反應(yīng)基因表達(dá)下調(diào)的機(jī)制還不清楚。

研究表明，肥胖能夠上調(diào)β細(xì)胞的內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激，Quan等[9]通過(guò)Atg7Δβcell小鼠和攜帶瘦素基因突變雜合子ob/w小鼠雜交來(lái)研究自噬缺失性β細(xì)胞中內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激，結(jié)果顯示，在ob/ob小鼠體內(nèi)未折疊蛋白反應(yīng)基因表達(dá)上調(diào)，但Atg7Δβcell-ob/ob小鼠體內(nèi)該基因表達(dá)下調(diào)，說(shuō)明自噬缺失性β細(xì)胞對(duì)肥胖引起的未折疊蛋白反應(yīng)調(diào)節(jié)能力下降，Atg7Δβcell-ob/ob小鼠出現(xiàn)了嚴(yán)重的糖尿病伴隨β細(xì)胞凋亡數(shù)量的增加，細(xì)胞總數(shù)的減少和細(xì)胞功能的損傷，提示體內(nèi)自噬缺失性β細(xì)胞對(duì)于肥胖誘導(dǎo)的未折疊蛋白反應(yīng)更易受損。對(duì)Atg7Δβcell小鼠進(jìn)行高脂飲食喂養(yǎng)，其β細(xì)胞數(shù)量并沒(méi)有適應(yīng)性的增加[6]。以上研究提示，自噬可能通過(guò)改善內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激、減少未折疊蛋白反應(yīng)而降低糖尿病的發(fā)生。由此推測(cè)，自噬作為一種自我保護(hù)機(jī)制，其在糖、脂代謝異常時(shí)活性增加，能使機(jī)體避免由代謝異常所致的進(jìn)一步損傷。

相反地，胰-十二指腸同源盒因子1，也稱胰島素啟動(dòng)因子，是控制胰腺生長(zhǎng)、β細(xì)胞成熟的重要啟動(dòng)因子，其缺失將降低胰島細(xì)胞增殖，并增加細(xì)胞程序性死亡[12]。敲除胰-十二指腸同源盒因子1基因后，LC3-Ⅱ和凋亡相關(guān)基因的表達(dá)均上調(diào)，因此自噬性細(xì)胞死亡的重要性還有待研究。由雷帕霉素誘導(dǎo)的β細(xì)胞功能和活力的損傷主要?dú)w因于自噬被過(guò)度的激活[13]。究竟自噬對(duì)于β細(xì)胞起保護(hù)作用還是有害作用，還需更深入的研究。

2.2 自噬增加有利于改善胰島素抵抗 胰島素抵抗是指各種原因使胰島素促進(jìn)葡萄糖攝取和利用的效率下降，機(jī)體代償性分泌過(guò)多的胰島素產(chǎn)生高胰島素血癥，以維持血糖的穩(wěn)定。目前關(guān)于胰島素抵抗和自噬之間關(guān)系的文獻(xiàn)報(bào)道還非常少。

肥胖是導(dǎo)致胰島素抵抗最主要的原因，2型糖尿病確診時(shí)80%伴有肥胖。在肥胖時(shí)增加的致病體液因子或代謝產(chǎn)物中，長(zhǎng)鏈飽和脂肪酸被認(rèn)為是引起胰島素抵抗的關(guān)鍵因素，而增加的血清游離脂肪酸也能夠誘導(dǎo)自噬水平的升高。Klionsky等[14]報(bào)道，油酸或棕櫚酸等長(zhǎng)鏈游離脂肪酸能夠增加INS-1細(xì)胞中自噬標(biāo)志性蛋白LC3-Ⅰ向LC3-Ⅱ的轉(zhuǎn)化。Choi等[11]用棕櫚酸酯處理INS-1細(xì)胞時(shí)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)自噬水平升高時(shí)棕櫚酸酯誘導(dǎo)的INS-1細(xì)胞死亡率降低；然而，在自噬體形成、自噬體與溶酶體融合或者溶酶體內(nèi)蛋白質(zhì)分解階段受阻時(shí)，由棕櫚酸酯誘導(dǎo)的INS-1β細(xì)胞死亡率顯著增加。游離脂肪酸誘導(dǎo)的β細(xì)胞內(nèi)自噬增加，可能是在胰島素抵抗增加條件下，為了生存而出現(xiàn)的保護(hù)β細(xì)胞的適應(yīng)性反應(yīng)。

肥胖者體內(nèi)胰島β細(xì)胞內(nèi)胰島淀粉樣多肽(IAPP)的表達(dá)升高，從而起到抑制自噬的作用，并可導(dǎo)致胰島素抵抗。人IAPP是一種淀粉樣蛋白質(zhì)，和胰島素一樣由胰島β細(xì)胞合成和分泌。在β細(xì)胞中表達(dá)人IAPP的轉(zhuǎn)基因小鼠僅表現(xiàn)為輕度葡萄糖不耐受，而β細(xì)胞自噬相關(guān)基因缺失的小鼠則發(fā)展為糖尿病，同時(shí)在其β細(xì)胞中可觀察到人IAPP的積累，可見自噬在清除體內(nèi)胰島β細(xì)胞中IAPP的表達(dá)、改善胰島素抵抗中起重要作用[15-16]。相反的報(bào)道也有，認(rèn)為胰島素抵抗可抑制自噬[17]?？梢姡允珊鸵葝u素抵抗之間存在著密切的關(guān)聯(lián)，但二者之間的直接關(guān)系還有待于進(jìn)一步研究。

人體研究也發(fā)現(xiàn)，2型糖尿病患者的胰島中自噬體數(shù)量增加，然而其具體機(jī)制還不清楚，因?yàn)樽允苫钚栽鰪?qiáng)或者自噬中溶酶體降解環(huán)節(jié)受阻都有可能導(dǎo)致自噬體數(shù)量的增加[18]。

3 展望

近年來(lái)，自噬作為細(xì)胞的一種防御機(jī)制越來(lái)越受到研究者們的關(guān)注，其在2型糖尿病中的作用也越來(lái)越受到重視。然而，自噬在糖尿病領(lǐng)域的研究目前還處于初步階段，許多問(wèn)題還未得到解決。進(jìn)一步探究自噬在2型糖尿病發(fā)生、發(fā)展中的作用機(jī)制，將會(huì)給糖尿病的治療帶來(lái)新的希望。

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Roleofautophagyintype2diabetesmellitus

ChenYu,CaoMeng,LiuChao.

EndocrineandDiabetesCenter,JiangsuProvinceHospitalonIntegrationofChineseandWesternMedicine,NanjingUniversityofTraditionalChineseMedicine,JiangsuBranchofChinaAcademyofChineseMedicineScience,Nanjing210028,China

Correspondingauthor:LiuChao,Email:liuchao@nfmcn.com

Islet β cell failure and insulin resistance are key steps in the onset of type 2 diabetes mellitus. Autophagy is a catabolic process of the lysosomal degradation of cellular components which is crucial in the pathogenesis of numerous diseases including type 2 diabetes. The elevated level of autophagy in type 2 diabetes was helpful to stabilize the structure and function of β cell and ameliorate the state of insulin resistance. To further explore the mechanism between autophagy and type 2 diabetes will bring new hopes to the treatment of diabetes.

Autophagy; Islet β cell; Insulin resistance; Type 2 diabetes mellitus

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(81471010)

10.3760/cma.j.issn.1673-4157.2016.05.16

210028 南京，中國(guó)中醫(yī)科學(xué)院江蘇分院，南京中醫(yī)藥大學(xué)附屬中西醫(yī)結(jié)合醫(yī)院內(nèi)分泌代謝病院區(qū)

劉超，Email：liuchao@nfmcn.com

FundprogramNational Natural Science Foundation of China(81471010)

2015-09-06)