向志宇，林樹梅，任　雙，吳　倩，楊沛霖，呂　灝，胡建民

(沈陽農(nóng)業(yè)大學畜牧獸醫(yī)學院，遼寧沈陽 110866)

?

內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應激與炎癥對2型糖尿病胰島β細胞凋亡的影響研究進展

向志宇，林樹梅，任雙，吳倩，楊沛霖，呂灝，胡建民*

(沈陽農(nóng)業(yè)大學畜牧獸醫(yī)學院，遼寧沈陽 110866)

摘要：2型糖尿病(type 2 diabetes mellitus，T2DM)是一個以高血糖癥為特征的復雜的代謝紊亂過程，其病因是胰島抵抗和胰島β細胞功能障礙。越來越多的試驗表明，內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應激(ERS)和炎癥反應是導致胰島β細胞凋亡而引發(fā)T2DM的重要原因。胰島細胞具有發(fā)達的內(nèi)質(zhì)網(wǎng)，對ERS非常敏感。ERS時，內(nèi)質(zhì)網(wǎng)通過未折疊蛋白反應(UPR)調(diào)節(jié)應激。但持續(xù)的應激使UPR反應失調(diào)，最終導致胰島β細胞大量凋亡。另外，炎癥反應也可通過UPR反應的介導使胰島β細胞凋亡。因此，以減輕應激和炎癥為目標的治療手段對于糖尿病治療有著良好的前景。論文討論了ERS和炎癥過程對于T2DM胰島β細胞凋亡的影響機制。

關鍵詞：內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應激;炎癥;細胞凋亡;未折疊蛋白反應

內(nèi)質(zhì)網(wǎng)是哺乳動物細胞中重要的細胞器，是儲存鈣離子的重要場所。它具有調(diào)節(jié)細胞內(nèi)蛋白質(zhì)合成、折疊以及控制細胞內(nèi)鈣離子水平等功能。內(nèi)質(zhì)網(wǎng)對鈣離子平衡紊亂和內(nèi)環(huán)境改變具有高度的敏感性，所以當內(nèi)質(zhì)網(wǎng)腔中鈣離子濃度降低、蛋白糖基化被抑制、細胞受到化學毒性物質(zhì)刺激、發(fā)生氧化應激或大量非折疊蛋白質(zhì)堆積時，其生理功能就會受到損傷，這種現(xiàn)象被稱為內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應激( endoplasmic reticulum stress,ERS)，即多種原因?qū)е挛凑郫B或錯誤折疊蛋白在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)內(nèi)堆積，打破內(nèi)質(zhì)網(wǎng)穩(wěn)態(tài)[1]。胰島β細胞具有發(fā)達的內(nèi)質(zhì)網(wǎng)，能夠合成大量的胰島素和其他蛋白質(zhì)，與T2DM關系密切。有研究表明，胰腺細胞、心肌細胞、神經(jīng)元細胞所發(fā)生的內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應激可能分別是糖尿病、心腦組織缺血梗死、退行性神經(jīng)疾病等的重要原因[2]。

1內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應激與未折疊蛋白反應

當ERS時，細胞會針對應激激活一系列信號傳導通路，即未折疊蛋白反應(unfolded protein response, UPR)。它能識別未折疊或錯誤折疊蛋白，將其從內(nèi)質(zhì)網(wǎng)腔中高效去除，并激活一系列反應增加內(nèi)質(zhì)網(wǎng)生物合成能力，重新建立內(nèi)質(zhì)網(wǎng)的動態(tài)平衡，從而起到保護細胞、緩解ERS的作用[3]。但當持續(xù)而嚴重的應激作用于內(nèi)質(zhì)網(wǎng)時，內(nèi)質(zhì)網(wǎng)內(nèi)未折疊或錯誤折疊蛋白堆積過多，UPR無法通過一般調(diào)節(jié)使內(nèi)質(zhì)網(wǎng)內(nèi)的動態(tài)平衡重新被建立，此時UPR會誘導大量錯誤折疊蛋白的細胞程序性死亡，即細胞凋亡。大量的細胞凋亡會造成機體穩(wěn)態(tài)被打破，進而引發(fā)疾病。有研究表明，當體內(nèi)存在大量的游離脂肪酸持續(xù)刺激時，會導致胰島β細胞ERS，UPR激活凋亡因子，最終導致胰島β細胞凋亡，引發(fā)T2DM[4]。

哺乳動物UPR的發(fā)生依賴于其內(nèi)質(zhì)網(wǎng)上的3種跨膜激酶，它們通過不同的信號通路并相互配合形成了一個復雜的信號網(wǎng)實現(xiàn)對細胞的自我保護。3種跨膜蛋白分別是雙鏈RNA 活化蛋白激酶PKR樣內(nèi)質(zhì)網(wǎng)激酶(PERK)、肌醇蛋白1(inositol requiring1, IRE1)和活化轉錄因子6(ATF6)。另外，葡萄糖調(diào)節(jié)蛋白78(glucose regulated protein 78 ku,GRP78)，又被稱作內(nèi)質(zhì)網(wǎng)分子伴侶免疫球蛋白重鏈結合蛋白(immunoglobulin heavy chain binding pro-tein,BiP)是UPR反應的中央調(diào)節(jié)器。正常生理條件下，3種跨膜蛋白分別與GRP78結合，處于無活性狀態(tài)，當ERS時，3種跨膜蛋白分別與GRP78分離而具有活性，通過各自的信號通路緩解ERS[5]。

2內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應激的信號通路

PERK是內(nèi)質(zhì)網(wǎng)上重要的跨膜蛋白，在胰腺中表達量很高。當ERS時，PERK被激活，使Ser51上的eIF2α磷酸化，并與之結合，調(diào)節(jié)蛋白質(zhì)的合成。此外，PERK-eIF2α還能誘導ATF4信使(m)RNA翻譯，激活凋亡因子C/EBP同源蛋白(CHOP)翻譯，使細胞凋亡。在PERK缺失的人類和小鼠的研究中發(fā)現(xiàn)，當ERS時，PERK缺失的人類或小鼠細胞的凋亡率顯著升高[6]。說明PERK信號通路能夠使細胞凋亡率降低。另外一項研究發(fā)現(xiàn)，胰島β細胞內(nèi)質(zhì)網(wǎng)缺少PERK能導致人類新生兒糖尿病[7]。這表明PERK信號通路在胎兒生長發(fā)育過程中對胰島有著積極的的影響，其機制與胰島β細胞凋亡有關。

IRE1信號通路是UPR的重要途徑，被認為是內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應激信號的中央調(diào)節(jié)器。ERS時，IRE1被激活并與X盒結合蛋白1(X-box binding protein 1,XBP1)結合，使內(nèi)質(zhì)網(wǎng)擴張，表面積增加，進而加強內(nèi)質(zhì)網(wǎng)對蛋白質(zhì)的加工、修飾能力及處理錯誤折疊蛋白能力。胰島細胞內(nèi)IRE1信號受抑制會導致蛋白質(zhì)折疊水平下降，胰島素的生物合成受阻，進而引發(fā)T2DM。Lee A H等[8]研究發(fā)現(xiàn)，胰島β細胞中XBP1表達受阻的小鼠隨著IRE1活化雖然引起胰島β細胞增殖，但胰島素分泌減少。表明XBP1在保證胰島素分泌和控制血糖中起到重要作用，因此它也被認為是UPR的一個關鍵調(diào)節(jié)因子。

UPR的另一反應途徑是由ATF6轉導的。正常狀態(tài)下ATF6固定在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)上，當發(fā)生ERS時，ATF6被激活，在蛋白酶位點1和蛋白酶位點2處裂解，并轉運到高爾基體中，引導細胞核靶向轉錄分子伴侶，激活內(nèi)質(zhì)網(wǎng)相關的降解途徑，減少應激。ATF6還可以通過促進PERK和IRE1信號通路，使抑制凋亡的UPR信號強度增加，從而進一步緩解應激[9]。另有研究報道，在胰島素瘤細胞中敲除ATF6，結果表明在PERK 和IRE1途徑?jīng)]有改變的情況下，胰島β細胞凋亡增加[10]。說明ATF6能夠抑制胰島β細胞凋亡，在T2DM中扮演重要角色。

3內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應激與胰島β細胞凋亡

當ERS持續(xù)存在導致嚴重應激時，凋亡信號通路被激活，最終導致細胞凋亡。CHOP通路、IRE1-JNK通路和caspase-12通路等至少3個途徑參與應激介導的胰島β細胞凋亡。

CHOP是重要的促凋亡因子。正常情況下CHOP的表達量很低，當ERS時，CHOP被激活，隨著CHOP表達量的升高，細胞內(nèi)鈣離子代謝受到影響，進而通過改變Bcl家族使細胞凋亡[11]。CHOP能夠使凋亡基因Bax/Bak上調(diào)，抗凋亡基因Bcl-2下調(diào)。且3條通路都可誘導CHOP表達量增加，促進胰島β細胞凋亡[12]。研究表明敲除CHOP的糖尿病小鼠的胰島β細胞機能增強，凋亡明顯減少[13]。在遺傳或飲食誘導的胰島素抵抗模型中，CHOP表達量低使胰島β細胞的超微結構得到改善，促進細胞存活[14]。證明了CHOP的表達能夠使胰島β細胞功能減弱，促進胰島β細胞凋亡，與T2DM關系密切。且研究發(fā)現(xiàn)，從CHOP-/-小鼠中胰島細胞中UPR相關基因表達水平上調(diào)，氧化應激反應相關基因表達水平下調(diào)[15]。說明CHOP的表達與UPR反應關系密切。

IRE1通過招募腫瘤壞死因子受體相關因子2(TRAF2)，與激酶凋亡信號調(diào)節(jié)激酶(ASK1)形成IRE1-TRAF2-ASK1復合體，激活JNK凋亡途徑，誘導胰島β細胞凋亡。

IRE1也能促進caspase-12活化。當ERS時，活化的caspase-12切割并激活caspase-9酶原，使caspase-9被激活，進而激活caspase-3，啟動caspase凋亡途徑，最終導致胰島β細胞凋亡。有研究表明，caspase-12敲除的小鼠，對細胞凋亡的抵抗能力增強[16]。

另外，BAX/Bcl2能促進內(nèi)質(zhì)網(wǎng)內(nèi)鈣離子的釋放，對胰島β細胞凋亡起促進作用[17]。

4炎癥與內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應激、胰島β細胞凋亡的關系

研究發(fā)現(xiàn)炎癥與UPR反應之間的多種信號傳導機制關系密切。包括c-Jun氨基末端激酶 (c-jan N-terminal kinases,JNKs)、核轉錄因子κB(nuclear factor κB,NF-κB)、胰島淀粉樣蛋白(islet amyloidpolypeptide,IAPP)、內(nèi)質(zhì)網(wǎng)內(nèi)鈣離子釋放及活性氧(ROS)等信號通路。通過炎性因子直接或間接的作用，使細胞凋亡，引發(fā)疾病[18]。

UPR途徑中，IRE1可以通過不同的機制影響JNKs激活炎癥信號通路[19]。當ERS時IRE1被激活，并與腫瘤壞死因子受體相關因子2 (tumor necrosis factor receptor-associated factor 2,TRAF2)形成復合體，進而激活細胞凋亡 信號激酶1 (apoptosis signal regulating kinase 1,ASK1),ASK1能與JNKs相互作用，促使細胞凋亡。有研究表明，敲除小鼠胚胎成纖維細胞中的IRE1，并刺激小鼠使其ERS，JNKs激活量明顯降低[20]。另有研究發(fā)現(xiàn)，敲除小鼠中的JNK，胰島β細胞對應激的反應明顯減弱[21]。說明JNKs在ERS介導的胰島β細胞凋亡過程中扮演著重要的角色。

NF-κB是一類轉錄因子蛋白，參與調(diào)控多種轉錄基因，是炎癥反應過程的重要因子。當細胞受到應激時，NF-κB被激活，轉移到細胞核內(nèi)，并與反應基因啟動子區(qū)域的特意性序列結合，參與炎癥反應的基因的轉錄調(diào)控[22]。NF-κB與UPR反應關系密切。IRE1和PERK途徑可通過多種機制激活NF-κB途徑，在炎癥和胰島素抵抗中發(fā)揮重要作用。ATF6能夠抑制NF-κB活化，從而調(diào)節(jié)許多其他炎性基因的轉錄[23]。

JNKs和NF-κB都能夠引起多種炎癥因子表達，如IL-8、IL-6、IL-1和TNF-α，促使胰島β細胞凋亡[24]。另外，NF-κB途徑還能夠激活NLRP3炎性體、促凋亡基因caspase-1、促炎細胞因子白細胞介素IL-1β和IL-18。這些促炎細胞因子也可誘發(fā)炎性，導致胰島素抵抗或胰島β細胞凋亡，進而引發(fā)糖尿病[25]。

另外，IAPP能通過激活NLRP3炎癥小體，從而促進IL-1β的產(chǎn)生，與胰島β細胞凋亡關系密切，影響T2DM的嚴重程度。在人胰腺切片和尸檢胰島中發(fā)現(xiàn)，胰島β細胞凋亡與淀粉樣蛋白沉積的水平相關[26]，證明了以上觀點。此外，人胰島淀粉樣多肽(hIAPP)的低聚物已被證明在胰島β細胞中可通過炎性體增加炎癥[27]。一些研究表明hIAPP與ERS有關，但其作用機制仍有待研究。動物胰島β細胞中，ERS引發(fā)hIAPP表達的淀粉樣蛋白亞型增加，導致hIAPP轉基因小鼠和大鼠胰島β細胞減少[28]。

總體而言， ERS引發(fā)UPR，UPR進一步激活炎癥信號，由炎癥信號誘導的細胞凋亡會導致大量的胰島β細胞缺失，胰島素分泌能力受損，進而導致T2DM。

5小結

許多刺激可以擾亂內(nèi)質(zhì)網(wǎng)動態(tài)平衡，導致內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應激、炎癥和胰島β細胞凋亡。闡明應激、炎癥和細胞凋亡的機制有利于理解這些過程，對于開發(fā)T2DM新治療藥物有著重要意義。

參考文獻:

[1]趙德勝, 張崇志. 內(nèi)質(zhì)網(wǎng)參與細胞凋亡信號轉導途徑的機制研究進展[J]. 動物醫(yī)學進展, 2015, 36(7): 86-89.

[2]Ozcan L, Tabas I. Role of endoplasmic retieulum stress in metabolic disease and other disorders[J]. Annu Rev Med, 2012, 6(3): 317-328.

[3]Hu R, Chen Z F, Yan J, et al. Endoplasmic reticulum stress of neutrophils is required for ischemia/reperfusion-induced acute lung injury[J]. J Immunol, 2015:10(16):4802-4809.

[4]Cui W, Ma J, Wang X Q, et al. Free fatty acid induces endoplasmic reticulum stress and apoptosis of β-cells by Ca2+/Calpain-2 pathways[J]. PLoS One, 2013, 8(3): 1-9.

[5]Janssens S，Pulendran B，Lambrecht B N. Emerging functions of the unfolded protein response in immunity[J]. Nat Immunol, 2014, 15(10): 910-919.

[6]Harding H P, Zeng H, Zhang Y, et al. Diabetes mellitus and exocrine pancreatic dysfunction in perk-/-mice reveals a role for translational control in secretory cell survival[J]. Mol Cell, 2001, 7(6): 1153-1163.

[7]Wang R, McGrath B C, Kopp R F, et al. Insulin secretion and Ca2+dynamics in beta-cells are regulated by PERK (EIF2AK3) in concert with calcineurin[J]. Biol Chem, 2013, 288(47): 33824-33836.

[8]Lee A H, Heidtman K, Hotamisligil G S, et al. Dual and opposing roles of the unfolded protein response regulated by IRE1alpha and XBP1 in proinsulin processing and insulin secretion[J]. Proc Natl Acad Sci USA, 2011, 108(21): 8885-8890.

[9]Dlugos C A. ATF6 and caspase 12 expression in purkinje neurons in acute slices from adult,ethanol-fed rats[J]. Brain Res, 2014, 1577: 11-20.

[10]Teodoro T, Odisho T, Sidorova E, et al. Pancreatic β-cells depend on basal expression of active ATF6α-p50 for cell survival even under nonstress conditions[J]. Am J Physiol Cell Physiol, 2012, 302(7): C992-C1003.

[11]Guo G K, Meng Y, Tan W, et al. Induction of apoptosis coupled to endoplasmic reticulum stress through regulation of CHOP and JNK in bone marrow mesenchymal stem cells from patients with systemic lupus erythematosus[J]. J Immunol Res, 2015, 2015.

[12]Pirog K A，Irman A，Young S，et al.Abnormal chondrocyte apoptosis in the cartilage growth plate is influenced by genetic background and deletion of CHOP in a targeted mouse model of pseudoachondroplasia[J]. PLoS One, 2014, 9(2): 1-13.

[13]Song B, Scheuner D, Ron D, et al. Chop deletion reduces oxidative stress, improves beta cell function, and promotes cell survival in multiple mouse models of diabetes[J]. Clin Invest, 2008, 118(10): 3378-3389.

[14]Liu B Q, Zhu Y T, Zhou J Y, et al. Endoplasmic reticulum stress promotes amyloid-beta peptides production in RGC-5 cells[J]. Cell Stress Chaperones, 2014, 19(6): 827-835.

[15]張錦航,馬麗霞,呂欣內(nèi). 內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應激與胰島β細胞凋亡的研究進展[J]. 生命的化學, 2015, 35(4): 574-578.

[16]李凱,吳正祥. 內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應激相關機制及其在炎癥性腸病中的作用[J]. 胃腸病學和肝病學雜志, 2015, 24(3): 253-256.

[17]Wang X, Welsh N. Bcl-2 maintais the mitochondrial membrane potential, but fails to affect production of reactive oxygen species and endoplasmic reticulum stress, in sodium paomitate-induced β-cell death[J]. Ups J Med Sci, 2014, 119: 306-315.

[18]Shuhei H, Arthur K, Richard S B.Role of endoplasmic reticulum stress and autophagy as interlinking pathways in the pathogenesis of inflammatory bowel disease[J]. Curr Opin Gastroenterol, 2015, 31(1): 81-88.

[19]Lanuza-Masdeu J, Arévalo M, Vila C, et al.InvivoJNK activation in pancreatic β-cells leads to glucose intolerance caused by insulin resistance in pancreas[J]. Diabetes, 2013,62(7): 2308-2317.

[20]Lin C H, Yu M C, Tung W H, et al. Connective tissue growth factor induces collagen I expression in human lung fibroblasts through the Rac1/MLK3/JNK/AP-1 pathway[J]. Biochimica et Biophysica Acta (BBA) - Mol Cell Res, 2013, 1833(12): 2823-2833.

[21]Kaneto H, Matsuoka T A, Nakatani Y, et al. Oxidative stress and the JNK pathway in diabetes[J]. Curr Diabetes Rev, 2005, 1(1): 65-72.

[22]Wali J A, Masters S L, Thomas H E. Linking metabolic abnormalities to apoptotic pathways in beta cells in type 2 diabetes[J]. Cells, 2013, 2(2): 266-283.

[23]Verfaillie T, Garg A D, Agostinis P. Targeting ER stress induced apoptosis and inflammation in cancer[J]. Cancer Lett, 2013, 2(332): 249-264.

[24]Montane J, Cadavez L, Novials A. Stress and the inflammatory process: a major cause of pancreatic cell death in type 2 diabetes[J]. Diabetes, Metabolic Syndrome Obesity: Targets and Therapy, 2014,7: 25-34.

[25]Dixit V D. Nlrp3 inflammasome activation in type 2 diabetes: is it clinically relevant[J]. Diabetes, 2013,62(1): 22-24.

[26]Alcarraz-Vizan G，Casini P，Cadavez L,et al. Inhibition of BACE2 counteracts hIAPP-induced insulin secretory defects in pancreatic β-cells[J]. FASEB J, 2015, 29(1): 95-104.

[27]Tiano J P, Mauvais-Jarvis F. Importance of oestrogen receptors to preserve functional β-cell mass in diabetes[J]. Nat Rev Endocrinol, 2012, 8(6):342-351.

[28]Montane J, Klimek-Abercrombie A, Potter K J, et al. Metabolic stress, IAPP and islet amyloid[J]. Diabetes Obes Metab, 2012, 14(3): 68-77.

Progress on Effects of Endoplasmic Reticulum Stress and Inflammation on Apoptosis of Beta Cells in Type 2 Diabetes

XIANG Zhi-yu, LIN Shu-mei, REN Shuang, WU Qian, YANG Pei-lin, LYU Hao, HU Jian-min

(CollegeofAnimalHusbandryandVeterinaryMedicine,ShenyangAgriculturalUinversity,Shenyang,Liaoning，110866,China)

Abstract:Type 2 diabetes mellitus (T2DM) is a complex metabolic disorder characterized by high blood glucose, which is characterized by pancreatic islet resistance and beta cell dysfunction. An increasing number of experiments show that the endoplasmic reticulum stress (ERS) and inflammatory response are important causes of T2DM induced apoptosis. Pancreatic islet cells have well-developed endoplasmic reticulum, which is very sensitive to ERS. At ERS, the endoplasmic reticulum (ER) is regulated by the unfolded protein response (UPR). But sustained stress causes the UPR reaction, which eventually led to a large number of beta cell apoptosis. In addition, the inflammatory response can also be mediated by the UPR reaction to the beta cell apoptosis. Therefore, to reduce the stress and inflammation as the target of treatment for diabetes has a good prospect. Here, we discussed the mechanism of ERS and the inflammatory process in the T2DM beta cell apoptosis.

Key words:endoplasmic reticulum stress; inflammation; apoptosis; unfolded protein response

收稿日期：2015-10-28

基金項目：國家自然科學基金青年項目(31402160)

作者簡介：向志宇(1988-)，男，黑龍江牡丹江人，碩士研究生，主要從事動物生理學研究。 *通訊作者

中圖分類號:S852.3

文獻標識碼:A

文章編號:1007-5038(2016)06-0091-04