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細胞功能缺陷和胰島素抵抗是2型糖尿病發(fā)病的主要機制。自噬作為一種真核生物細胞中溶酶體降解胞質(zhì)成分的重要代謝過程，廣泛參與包括2型糖尿病在內(nèi)的多種疾病的病理過程。在2型糖尿病中，自噬水平的提高有利于維持胰島β細胞正常的結(jié)構(gòu)、功能以及改善胰島素抵抗。進一步探究自噬與2型糖尿病發(fā)病機制之間的關(guān)系可能會給糖尿病的治療帶來新的靶點。

自噬；胰島β細胞；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)癥共存為特點的代謝性疾病。其中2型糖尿病的發(fā)病機制主要涉及胰島素抵抗和胰島β細胞功能缺陷，而β細胞功能缺陷是發(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)病機制有關(guān)。

1 自噬

自噬是真核生物細胞中溶酶體降解胞質(zhì)成分的重要代謝過程。根據(jù)底物進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,對包裹的胞質(zhì)成分進行降解再利用[1-2]。當(dāng)機體處于營養(yǎng)缺乏、應(yīng)激等不良狀態(tài)時，自噬一方面可清除胞質(zhì)內(nèi)受損的細胞器、有害的蛋白質(zhì)等，保護細胞免受損害；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胞提供能量，對細胞內(nèi)環(huán)境穩(wěn)態(tài)具有重要意義。

自噬作為細胞抵抗不良環(huán)境的一種防御機制，廣泛參與包括2型糖尿病在內(nèi)的多種疾病的病理過程[2]。胰島素及其下游調(diào)節(jié)因子哺乳動物雷帕霉素靶蛋白均能對細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細胞生存和功能中必不可少，兩者功能的正常運轉(zhuǎn)及β細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2型糖尿病的影響目前尚存爭議。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細胞正常的結(jié)構(gòu)功能 Ebato等[6]探究了自噬在β細胞中的生理作用，該研究使用特異性敲除胰島β細胞自噬相關(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細胞死亡率增加、細胞數(shù)量減少，同時伴隨泛素化蛋白和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)運至自噬體降解所必需的。除了形態(tài)學(xué)的病變，胰島β細胞功能也有變化。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細胞后，導(dǎo)致該細胞凋亡增加和胰島素分泌量下降，exendin-4增強了自噬缺失性β細胞胰島素分泌的抑制效應(yīng)[8]。

近年來，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細胞功能缺陷的可能機制。研究發(fā)現(xiàn)，自噬與幾種機制都存在聯(lián)系。由于胰島β細胞內(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，因而β細胞極易受到內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激的損傷，因此對于β細胞自噬在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]報道在自噬缺失性β細胞中觀察到內(nèi)質(zhì)網(wǎng)腫脹。與對照組相比，自噬缺失性β細胞中幾乎所有有關(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細胞，相對于自噬正常的β細胞，自噬缺失性β細胞死亡率顯著增加[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)提取的胰島細胞經(jīng)棕櫚酸刺激，其細胞死亡率顯著增加[11]。由此可見，自噬的存在對于β細胞內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激反應(yīng)適時適量的進行必不可少，但自噬缺失性β細胞中內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激反應(yīng)基因表達下調(diào)的機制還不清楚。

研究表明，肥胖能夠上調(diào)β細胞的內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激，Quan等[9]通過Atg7Δβcell小鼠和攜帶瘦素基因突變雜合子ob/w小鼠雜交來研究自噬缺失性β細胞中內(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)基因表達上調(diào)，但Atg7Δβcell-ob/ob小鼠體內(nèi)該基因表達下調(diào)，說明自噬缺失性β細胞對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細胞凋亡數(shù)量的增加，細胞總數(shù)的減少和細胞功能的損傷，提示體內(nèi)自噬缺失性β細胞對于肥胖誘導(dǎo)的未折疊蛋白反應(yīng)更易受損。對Atg7Δβcell小鼠進行高脂飲食喂養(yǎng)，其β細胞數(shù)量并沒有適應(yīng)性的增加[6]。以上研究提示，自噬可能通過改善內(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，自噬作為一種自我保護機制，其在糖、脂代謝異常時活性增加，能使機體避免由代謝異常所致的進一步損傷。

相反地，胰-十二指腸同源盒因子1，也稱胰島素啟動因子，是控制胰腺生長、β細胞成熟的重要啟動因子，其缺失將降低胰島細胞增殖，并增加細胞程序性死亡[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)基因的表達均上調(diào)，因此自噬性細胞死亡的重要性還有待研究。由雷帕霉素誘導(dǎo)的β細胞功能和活力的損傷主要歸因于自噬被過度的激活[13]。究竟自噬對于β細胞起保護作用還是有害作用，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葡萄糖攝取和利用的效率下降，機體代償性分泌過多的胰島素產(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)系的文獻報道還非常少。

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80%伴有肥胖。在肥胖時增加的致病體液因子或代謝產(chǎn)物中，長鏈飽和脂肪酸被認(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]報道，油酸或棕櫚酸等長鏈游離脂肪酸能夠增加INS-1細胞中自噬標(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細胞時發(fā)現(xiàn)，當(dāng)自噬水平升高時棕櫚酸酯誘導(dǎo)的INS-1細胞死亡率降低；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，由棕櫚酸酯誘導(dǎo)的INS-1β細胞死亡率顯著增加。游離脂肪酸誘導(dǎo)的β細胞內(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β細胞的適應(yīng)性反應(yīng)。

肥胖者體內(nèi)胰島β細胞內(nèi)胰島淀粉樣多肽(IAPP)的表達升高，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細胞合成和分泌。在β細胞中表達人IAPP的轉(zhuǎn)基因小鼠僅表現(xiàn)為輕度葡萄糖不耐受，而β細胞自噬相關(guān)基因缺失的小鼠則發(fā)展為糖尿病，同時在其β細胞中可觀察到人IAPP的積累，可見自噬在清除體內(nèi)胰島β細胞中IAPP的表達、改善胰島素抵抗中起重要作用[15-16]。相反的報道也有，認(rèn)為胰島素抵抗可抑制自噬[17]?？梢?，自噬和胰島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，然而其具體機制還不清楚，因為自噬活性增強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，自噬作為細胞的一種防御機制越來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，許多問題還未得到解決。進一步探究自噬在2型糖尿病發(fā)生、發(fā)展中的作用機制，將會給糖尿病的治療帶來新的希望。

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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

國家自然科學(xué)基金資助項目(81471010)

10.3760/cma.j.issn.1673-4157.2016.05.16

210028 南京，中國中醫(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)