何風(fēng)英 孫琳楠 王玉潔 楊孟迪 丁雨露 甄東戶

糖尿病是一種以高血糖為特征的代謝性疾病。糖尿病的患病率在全球范圍內(nèi)迅速上升，中國(guó)的一項(xiàng)全國(guó)性調(diào)查研究顯示，成年人患病率達(dá)11.2%(根據(jù)世界衛(wèi)生組織診斷標(biāo)準(zhǔn))[1]。糖尿病的病因很復(fù)雜。起初，人們認(rèn)為胰島素抵抗是2型糖尿病(type 2 diabetes,T2DM)發(fā)病的主要原因，而且胰島素抵抗被認(rèn)為是肥胖的標(biāo)志并且可能是導(dǎo)致胰島β細(xì)胞衰竭的原因。然而，基于大多數(shù)肥胖人群并沒有發(fā)展成T2DM的事實(shí)，目前關(guān)于T2DM發(fā)病機(jī)制的研究更多地關(guān)注胰島β細(xì)胞功能障礙。動(dòng)物實(shí)驗(yàn)和臨床研究都證實(shí)了胰島β細(xì)胞在高血糖狀態(tài)下能夠去分化為類似祖細(xì)胞的狀態(tài)，而不是凋亡[2, 3]。在此，筆者綜述了T2DM患者發(fā)生β細(xì)胞去分化的機(jī)制的相關(guān)研究，這些發(fā)現(xiàn)有望阻止β細(xì)胞去分化或者促進(jìn)去分化后的β細(xì)胞再分化，為T2DM的治療提供新思路。

一、胰島β細(xì)胞去分化的證據(jù)

胰島β細(xì)胞去分化是指成熟的胰島β細(xì)胞在高糖、氧化應(yīng)激、脂毒性等環(huán)境下向原始祖細(xì)胞退化，變成內(nèi)分泌祖細(xì)胞樣細(xì)胞，喪失部分或全部分泌胰島素的能力[4]。起初，人們只是在糖尿病模型小鼠中觀察到內(nèi)分泌祖細(xì)胞標(biāo)志物的存在，而后在15例糖尿病遺體捐獻(xiàn)者的胰腺中，發(fā)現(xiàn)β細(xì)胞發(fā)生了去分化，并向α細(xì)胞、δ細(xì)胞轉(zhuǎn)化[2]。有研究者對(duì)多例器官捐獻(xiàn)者(包括兒童、健康成人、1型和2型糖尿病患者)的胰島進(jìn)行了單細(xì)胞RNA測(cè)序，結(jié)果顯示，來自兒童的胰島α和β細(xì)胞表現(xiàn)出的基因特征不如成年人，值得注意的是，來自T2DM的胰島α和β細(xì)胞具有在兒童中可見的表達(dá)譜，表明部分細(xì)胞發(fā)生了去分化[5]。之后，日本的一項(xiàng)研究證實(shí)人體胰腺活檢組織中也存在β細(xì)胞去分化的現(xiàn)象，該研究的組織標(biāo)本來自于26例糖尿病患者和11例非糖尿病患者行胰膽管腫瘤切除邊緣部分，通過熒光免疫組化檢測(cè)到糖尿病組胰島的內(nèi)分泌細(xì)胞數(shù)量與對(duì)照組比較差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，但β細(xì)胞數(shù)量明顯減少，α細(xì)胞明顯增加，之后研究者將增加的這一部分α細(xì)胞，即嗜鉻粒蛋白A表達(dá)陽性，而4種主要胰島激素(胰島素、胰高血糖素、生長(zhǎng)抑素、胰多肽)表達(dá)陰性的細(xì)胞，認(rèn)為是β細(xì)胞發(fā)生去分化后的細(xì)胞，并證實(shí)這類細(xì)胞在糖尿病病程中大幅上升[6]。

二、胰島β細(xì)胞去分化后相關(guān)轉(zhuǎn)錄因子表達(dá)變化

成熟的胰島β細(xì)胞表達(dá)特定譜系的轉(zhuǎn)錄因子，如叉頭盒轉(zhuǎn)錄因子(forkhead box transcription factor O1, FoxO1)、肌腱膜纖維肉瘤癌基因同源物A(musculoaponeurotic fibrosarcoma oncogene homolog A, MafA)、胰腺/十二指腸同源盒蛋白1(pancreas/duodenum homeobox protein 1, PDX1)、人類配對(duì)盒N基因(paired-box gene 6, PAX6)、NK6同源框1(NK6 homebox 1, NKX6.1)、NK2同源框2(NK2 homebox 2, NKX2.2)等，這些轉(zhuǎn)錄因子對(duì)維持β細(xì)胞身份和特異性有重要作用[2, 7]。研究表明，在高糖、高脂、炎癥、氧化應(yīng)激等因素下，胰島β細(xì)胞內(nèi)的轉(zhuǎn)錄因子發(fā)生變化，胰島β細(xì)胞發(fā)生去分化，表現(xiàn)為特異性的轉(zhuǎn)錄因子如FoxO1、MafA、PDX1表達(dá)下調(diào)，而出現(xiàn)內(nèi)分泌祖細(xì)胞的標(biāo)志物如神經(jīng)生成素3(neurogenin 3, NGN3)、八聚體結(jié)合轉(zhuǎn)錄因子4(octamer-binding transcription factor 4,OCT4)和醛脫氫酶1家族成員A3(aldehyde dehydrogenase 1 A3，Aldh1a3)[4, 8, 9]。近年來，一項(xiàng)研究發(fā)現(xiàn)，小鼠和人類胰島內(nèi)分泌細(xì)胞都表達(dá)CD81，在出生成長(zhǎng)的過程中β細(xì)胞表面的CD81表達(dá)水平逐漸降低，但在糖尿病小鼠模型中CD81表達(dá)上調(diào)，揭示CD81上調(diào)是β細(xì)胞不成熟的標(biāo)志，認(rèn)為CD81可以作為一種新型表面標(biāo)志物，用以標(biāo)記成年小鼠和人類胰島中的去分化的β細(xì)胞，進(jìn)一步研究β細(xì)胞的異質(zhì)性[10]。

三、相關(guān)轉(zhuǎn)錄因子的調(diào)節(jié)因子

轉(zhuǎn)錄因子通過與特定的增強(qiáng)子序列結(jié)合來調(diào)節(jié)基因表達(dá)。MafA、PDX1、NGN3是對(duì)胰島β細(xì)胞發(fā)育和成熟至關(guān)重要的轉(zhuǎn)錄因子。如NGN3在內(nèi)分泌祖細(xì)胞中表達(dá)并控制胰島分化和再生；PDX1對(duì)胰腺外分泌和內(nèi)分泌細(xì)胞的發(fā)育至關(guān)重要，還與調(diào)節(jié)元件結(jié)合并促進(jìn)胰島素基因轉(zhuǎn)錄；MafA與胰島素基因的增強(qiáng)子或啟動(dòng)子區(qū)域結(jié)合并在葡萄糖驅(qū)動(dòng)下促進(jìn)胰島素基因表達(dá)[11]。有一些特殊的調(diào)節(jié)因子如微核糖核酸、長(zhǎng)鏈非編碼RNA、細(xì)胞色素b5還原酶3、HMG20A、多梳抑制復(fù)合物2等調(diào)控上述β細(xì)胞相關(guān)轉(zhuǎn)錄因子表達(dá)，進(jìn)而影響胰島β細(xì)胞功能狀態(tài)(表1)。

表1 胰島β細(xì)胞去分化相關(guān)轉(zhuǎn)錄因子的調(diào)節(jié)因子

1.微核糖核酸：微核糖核酸(microRNAs, miRNAs)是一種內(nèi)源性的小分子單鏈RNA，長(zhǎng)度為18～24個(gè)核苷酸，通過與靶mRNA的3′端非編碼區(qū)(UTR)結(jié)合，降解mRNA或抑制mRNA翻譯，從而調(diào)控基因的表達(dá)，胰島β細(xì)胞中的miRNAs在維持胰島β細(xì)胞發(fā)育、增殖、胰島素合成和分泌中起著重要作用[12]。棕櫚酸鹽是一種已知的誘導(dǎo)β細(xì)胞內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激的因子，無論是棕櫚酸鹽還是內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激激活物誘導(dǎo)的MIN6細(xì)胞，其細(xì)胞中microRNA-24(miR-24)表達(dá)升高，而且內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激激活物處理的MIN6細(xì)胞中的Ngn3、Oct4和性別決定基因相關(guān)轉(zhuǎn)錄因子(sry-related HMGbox-containing transcription factor-2，SOX2)的表達(dá)水平也提升，MafA的表達(dá)明顯降低，PDX1的表達(dá)較小程度下降[13]。但是，在近年來的一項(xiàng)研究中，高脂飲食誘導(dǎo)的敲除microRNA-483(miR-483)的模型小鼠表現(xiàn)出高血糖和糖耐量下降，且表現(xiàn)出Aldh1a3的表達(dá)升高，而Aldh1a3是胰島β細(xì)胞發(fā)生去分化的標(biāo)志，這表示miR-483可能在保護(hù)β細(xì)胞不發(fā)生去分化方面具有潛在作用[14]。

2.長(zhǎng)鏈非編碼RNA：長(zhǎng)鏈非編碼RNA (long non-coding RNA, lncRNA)在細(xì)胞中含量豐富，在細(xì)胞分化過程中發(fā)揮著關(guān)鍵作用[15]。有研究顯示，30例糖尿病患者及30例健康人外周血中l(wèi)ncRNA-p3134的表達(dá)比較，差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，在MIN6細(xì)胞和db/db小鼠中過表達(dá)[16]。接著將MIN6細(xì)胞分別暴露在5.0mmol/L或33.3mmol/L葡萄糖下持續(xù)48h，由于糖毒性的作用，PDX1、MafA的表達(dá)顯著低于對(duì)照組，而lncRNA-p3134過表達(dá)逆轉(zhuǎn)了高糖刺激下MafA和PDX1表達(dá)的下降[16]。在β細(xì)胞系MIN6細(xì)胞中，lncRNA Meg3通過Rad21、Smc3和Sin3α啟動(dòng)子中組蛋白H3K27的三甲基化與zeste基因增強(qiáng)子同源物2(enhancer of zeste homolog 2,EZH2)結(jié)合，進(jìn)而抑制這些轉(zhuǎn)錄因子的表達(dá)，后續(xù)研究表明，這3個(gè)轉(zhuǎn)錄因子抑制MafA表達(dá)，影響胰島素基因的表達(dá)和胰島素的合成[17]。

3.細(xì)胞色素b5還原酶3：細(xì)胞色素b5還原酶3(cytochrome b5 reductase 3, Cyb5r3)是去分化的β細(xì)胞的RNA圖譜中確定的候選基因之一，參與線粒體電子傳遞鏈活化、抗氧化還原、脂肪酸去飽和和膽固醇的生物合成等過程[18]。研究發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)oxO1缺陷型小鼠中胰島β細(xì)胞內(nèi)的Cyb5r3的表達(dá)降低，而Cyb5r3基因缺陷型小鼠則表現(xiàn)出對(duì)葡萄糖的反應(yīng)遲鈍和胰島素分泌受損，而且FoxO1無法維持β細(xì)胞特性的關(guān)鍵標(biāo)志物表達(dá)，這說明Cyb5r3是FoxO1依賴的維持譜系穩(wěn)定性所必需的[19]。

4.HMG20A：HMG20A是高遷移率族蛋白(high mobility group proteins, HMG)的一員，通過組蛋白去甲基酶復(fù)合物L(fēng)SD1-CoREST激活或沉默染色質(zhì)，在抑制神經(jīng)祖細(xì)胞分化、促進(jìn)表皮細(xì)胞間質(zhì)轉(zhuǎn)化方面具有重要作用[20]。有研究將T2DM遺體捐獻(xiàn)者的胰島與非糖尿病的遺體捐獻(xiàn)者的胰島比較，結(jié)果顯示，T2DM遺體捐獻(xiàn)者胰島中的HMG20A轉(zhuǎn)錄水平降低了約60%，且葡萄糖刺激胰島素分泌功能顯著降低，隨著HMG20A的表達(dá)下降，MafA表達(dá)減少了50%，且證實(shí)HMG20A通過與Pax4基因啟動(dòng)子直接結(jié)合實(shí)現(xiàn)對(duì)Pax4的負(fù)調(diào)控[21]。

5.多梳抑制復(fù)合物2：多梳抑制復(fù)合物(polycomb repressive complex，PRC)，是對(duì)細(xì)胞命運(yùn)重要的染色質(zhì)調(diào)節(jié)系統(tǒng)，其中PRC2使組蛋白賴氨酸殘基H3K27甲基化，介導(dǎo)沉默基因表達(dá)[22]。在β特異性PRC2缺陷小鼠(βEedKO)中，8周齡的βEedKO小鼠具有葡萄糖耐受性，并出現(xiàn)胰島素過度分泌的趨勢(shì)，在16周齡時(shí)，表現(xiàn)出明顯的葡萄糖不耐受，到25周齡時(shí)，全部表現(xiàn)出明顯的糖尿病，并且β細(xì)胞成熟標(biāo)志物MafA、PDX1、NKX6.1和NKX2.2表達(dá)水平降低，認(rèn)為PRC2通過基因沉默這一方式穩(wěn)定β細(xì)胞功能和特性[23]。

四、胰島β細(xì)胞去分化后轉(zhuǎn)分化

細(xì)胞轉(zhuǎn)分化是指終末分化細(xì)胞轉(zhuǎn)化為其他細(xì)胞類型，而不返回祖細(xì)胞樣狀態(tài)。研究表明，通過減重、強(qiáng)化降糖、代謝手術(shù)恢復(fù)個(gè)人脂肪閾值、解除糖脂毒性或改善腸道激素和腸道菌群，使去分化的胰島β細(xì)胞重新具備分泌胰島素的能力，也可以通過誘導(dǎo)胰島內(nèi)其他類型的內(nèi)分泌細(xì)胞或干細(xì)胞形成類β細(xì)胞來補(bǔ)充β細(xì)胞數(shù)量，增加胰島素的合成和分泌[24,25]。

在體外培養(yǎng)的人類多能干細(xì)胞(hunman pluripotent stem cells, hPSC)，其中就可以產(chǎn)生數(shù)億個(gè)對(duì)葡萄糖有反應(yīng)的β細(xì)胞，而且表達(dá)成熟β細(xì)胞的標(biāo)志物，將這些干細(xì)胞來源的β細(xì)胞移植到小鼠的體內(nèi)，發(fā)現(xiàn)這類細(xì)胞能以葡萄糖調(diào)節(jié)的方式將胰島素分泌到小鼠的血清中，證實(shí)這類β細(xì)胞可以改善糖尿病小鼠的高血糖[26]。骨髓的間充質(zhì)干細(xì)胞(mesenchymal stem cells, MSCs)通過介導(dǎo)Wnt-β-連環(huán)蛋白信號(hào)通路，促進(jìn)受損的內(nèi)皮細(xì)胞恢復(fù)，并改善胰島微循環(huán)[27]。研究表明，人T2DM胰島中IL-1β和TNF-α表達(dá)升高可以激活骨髓MSCs分泌IL-1Ra，降低了胰島炎性反應(yīng)，促進(jìn)胰島功能恢復(fù)[28]。隨后，有研究者將T2DM患者的MSCs移植入到db/db模型小鼠中，結(jié)果顯示與對(duì)照組比較，MSCs處理組中的去分化的β細(xì)胞數(shù)量顯著降低，表明MSCs可能逆轉(zhuǎn)了β細(xì)胞去分化[28]。之后，研究者將臍帶MSCs移植到db/db模型小鼠中，發(fā)現(xiàn)在胰島β細(xì)胞去分化的早期階段移植MSCs能顯著改善葡萄糖穩(wěn)態(tài)，并逆轉(zhuǎn)去分化，而在晚期移植只能輕度改善葡萄糖穩(wěn)態(tài)和部分地逆轉(zhuǎn)去分化，因此，認(rèn)為MSCs移植治療在β細(xì)胞去分化的早期階段逆轉(zhuǎn)作用大于晚期[29]。

五、展 望

本文主要探討了T2DM胰島β細(xì)胞去分化后的相關(guān)轉(zhuǎn)錄因子如FoxO1、MafA、PDX1表達(dá)下調(diào)，而出現(xiàn)內(nèi)分泌祖細(xì)胞的標(biāo)志物NGN3和OCT4,以及相關(guān)轉(zhuǎn)錄因子的調(diào)節(jié)因子。然而，要完全破解胰島β細(xì)胞功能障礙的機(jī)制，尤其胰島β細(xì)胞去分化方面，還有很多研究要做：(1)這些調(diào)節(jié)因子通過何種信號(hào)通路進(jìn)行調(diào)控轉(zhuǎn)錄因子還不明確。(2)如何將去分化后的胰島β細(xì)胞誘導(dǎo)成成熟的細(xì)胞也是目前研究的熱點(diǎn)。(3)目前臨床胰島移植技術(shù)逐漸成熟，其長(zhǎng)期療效逐漸接近胰腺移植，而干細(xì)胞移植還只停留在動(dòng)物實(shí)驗(yàn)上，且這類研究較少，干細(xì)胞移植術(shù)在未來能否成為糖尿病的治療手段之一還有待于進(jìn)一步研究[30]。