内质网应激与炎症对2型糖尿病胰岛β细胞凋亡的影响研究进展

向志宇，林树梅，任　双，吴　倩，杨沛霖，吕　灏，胡建民

(沈阳农业大学畜牧兽医学院，辽宁沈阳 110866)



内质网应激与炎症对2型糖尿病胰岛β细胞凋亡的影响研究进展

向志宇，林树梅，任双，吴倩，杨沛霖，吕灏，胡建民*

(沈阳农业大学畜牧兽医学院，辽宁沈阳 110866)

摘要：2型糖尿病(type 2 diabetes mellitus，T2DM)是一个以高血糖症为特征的复杂的代谢紊乱过程，其病因是胰岛抵抗和胰岛β细胞功能障碍。越来越多的试验表明，内质网应激(ERS)和炎症反应是导致胰岛β细胞凋亡而引发T2DM的重要原因。胰岛细胞具有发达的内质网，对ERS非常敏感。ERS时，内质网通过未折叠蛋白反应(UPR)调节应激。但持续的应激使UPR反应失调，最终导致胰岛β细胞大量凋亡。另外，炎症反应也可通过UPR反应的介导使胰岛β细胞凋亡。因此，以减轻应激和炎症为目标的治疗手段对于糖尿病治疗有着良好的前景。论文讨论了ERS和炎症过程对于T2DM胰岛β细胞凋亡的影响机制。

关键词：内质网应激;炎症;细胞凋亡;未折叠蛋白反应

内质网是哺乳动物细胞中重要的细胞器，是储存钙离子的重要场所。它具有调节细胞内蛋白质合成、折叠以及控制细胞内钙离子水平等功能。内质网对钙离子平衡紊乱和内环境改变具有高度的敏感性，所以当内质网腔中钙离子浓度降低、蛋白糖基化被抑制、细胞受到化学毒性物质刺激、发生氧化应激或大量非折叠蛋白质堆积时，其生理功能就会受到损伤，这种现象被称为内质网应激( endoplasmic reticulum stress,ERS)，即多种原因导致未折叠或错误折叠蛋白在内质网内堆积，打破内质网稳态[1]。胰岛β细胞具有发达的内质网，能够合成大量的胰岛素和其他蛋白质，与T2DM关系密切。有研究表明，胰腺细胞、心肌细胞、神经元细胞所发生的内质网应激可能分别是糖尿病、心脑组织缺血梗死、退行性神经疾病等的重要原因[2]。

1内质网应激与未折叠蛋白反应

当ERS时，细胞会针对应激激活一系列信号传导通路，即未折叠蛋白反应(unfolded protein response, UPR)。它能识别未折叠或错误折叠蛋白，将其从内质网腔中高效去除，并激活一系列反应增加内质网生物合成能力，重新建立内质网的动态平衡，从而起到保护细胞、缓解ERS的作用[3]。但当持续而严重的应激作用于内质网时，内质网内未折叠或错误折叠蛋白堆积过多，UPR无法通过一般调节使内质网内的动态平衡重新被建立，此时UPR会诱导大量错误折叠蛋白的细胞程序性死亡，即细胞凋亡。大量的细胞凋亡会造成机体稳态被打破，进而引发疾病。有研究表明，当体内存在大量的游离脂肪酸持续刺激时，会导致胰岛β细胞ERS，UPR激活凋亡因子，最终导致胰岛β细胞凋亡，引发T2DM[4]。

哺乳动物UPR的发生依赖于其内质网上的3种跨膜激酶，它们通过不同的信号通路并相互配合形成了一个复杂的信号网实现对细胞的自我保护。3种跨膜蛋白分别是双链RNA 活化蛋白激酶PKR样内质网激酶(PERK)、肌醇蛋白1(inositol requiring1, IRE1)和活化转录因子6(ATF6)。另外，葡萄糖调节蛋白78(glucose regulated protein 78 ku,GRP78)，又被称作内质网分子伴侣免疫球蛋白重链结合蛋白(immunoglobulin heavy chain binding pro-tein,BiP)是UPR反应的中央调节器。正常生理条件下，3种跨膜蛋白分别与GRP78结合，处于无活性状态，当ERS时，3种跨膜蛋白分别与GRP78分离而具有活性，通过各自的信号通路缓解ERS[5]。

2内质网应激的信号通路

PERK是内质网上重要的跨膜蛋白，在胰腺中表达量很高。当ERS时，PERK被激活，使Ser51上的eIF2α磷酸化，并与之结合，调节蛋白质的合成。此外，PERK-eIF2α还能诱导ATF4信使(m)RNA翻译，激活凋亡因子C/EBP同源蛋白(CHOP)翻译，使细胞凋亡。在PERK缺失的人类和小鼠的研究中发现，当ERS时，PERK缺失的人类或小鼠细胞的凋亡率显著升高[6]。说明PERK信号通路能够使细胞凋亡率降低。另外一项研究发现，胰岛β细胞内质网缺少PERK能导致人类新生儿糖尿病[7]。这表明PERK信号通路在胎儿生长发育过程中对胰岛有着积极的的影响，其机制与胰岛β细胞凋亡有关。

IRE1信号通路是UPR的重要途径，被认为是内质网应激信号的中央调节器。ERS时，IRE1被激活并与X盒结合蛋白1(X-box binding protein 1,XBP1)结合，使内质网扩张，表面积增加，进而加强内质网对蛋白质的加工、修饰能力及处理错误折叠蛋白能力。胰岛细胞内IRE1信号受抑制会导致蛋白质折叠水平下降，胰岛素的生物合成受阻，进而引发T2DM。Lee A H等[8]研究发现，胰岛β细胞中XBP1表达受阻的小鼠随着IRE1活化虽然引起胰岛β细胞增殖，但胰岛素分泌减少。表明XBP1在保证胰岛素分泌和控制血糖中起到重要作用，因此它也被认为是UPR的一个关键调节因子。

UPR的另一反应途径是由ATF6转导的。正常状态下ATF6固定在内质网上，当发生ERS时，ATF6被激活，在蛋白酶位点1和蛋白酶位点2处裂解，并转运到高尔基体中，引导细胞核靶向转录分子伴侣，激活内质网相关的降解途径，减少应激。ATF6还可以通过促进PERK和IRE1信号通路，使抑制凋亡的UPR信号强度增加，从而进一步缓解应激[9]。另有研究报道，在胰岛素瘤细胞中敲除ATF6，结果表明在PERK 和IRE1途径没有改变的情况下，胰岛β细胞凋亡增加[10]。说明ATF6能够抑制胰岛β细胞凋亡，在T2DM中扮演重要角色。

3内质网应激与胰岛β细胞凋亡

当ERS持续存在导致严重应激时，凋亡信号通路被激活，最终导致细胞凋亡。CHOP通路、IRE1-JNK通路和caspase-12通路等至少3个途径参与应激介导的胰岛β细胞凋亡。

CHOP是重要的促凋亡因子。正常情况下CHOP的表达量很低，当ERS时，CHOP被激活，随着CHOP表达量的升高，细胞内钙离子代谢受到影响，进而通过改变Bcl家族使细胞凋亡[11]。CHOP能够使凋亡基因Bax/Bak上调，抗凋亡基因Bcl-2下调。且3条通路都可诱导CHOP表达量增加，促进胰岛β细胞凋亡[12]。研究表明敲除CHOP的糖尿病小鼠的胰岛β细胞机能增强，凋亡明显减少[13]。在遗传或饮食诱导的胰岛素抵抗模型中，CHOP表达量低使胰岛β细胞的超微结构得到改善，促进细胞存活[14]。证明了CHOP的表达能够使胰岛β细胞功能减弱，促进胰岛β细胞凋亡，与T2DM关系密切。且研究发现，从CHOP-/-小鼠中胰岛细胞中UPR相关基因表达水平上调，氧化应激反应相关基因表达水平下调[15]。说明CHOP的表达与UPR反应关系密切。

IRE1通过招募肿瘤坏死因子受体相关因子2(TRAF2)，与激酶凋亡信号调节激酶(ASK1)形成IRE1-TRAF2-ASK1复合体，激活JNK凋亡途径，诱导胰岛β细胞凋亡。

IRE1也能促进caspase-12活化。当ERS时，活化的caspase-12切割并激活caspase-9酶原，使caspase-9被激活，进而激活caspase-3，启动caspase凋亡途径，最终导致胰岛β细胞凋亡。有研究表明，caspase-12敲除的小鼠，对细胞凋亡的抵抗能力增强[16]。

另外，BAX/Bcl2能促进内质网内钙离子的释放，对胰岛β细胞凋亡起促进作用[17]。

4炎症与内质网应激、胰岛β细胞凋亡的关系

研究发现炎症与UPR反应之间的多种信号传导机制关系密切。包括c-Jun氨基末端激酶 (c-jan N-terminal kinases,JNKs)、核转录因子κB(nuclear factor κB,NF-κB)、胰岛淀粉样蛋白(islet amyloidpolypeptide,IAPP)、内质网内钙离子释放及活性氧(ROS)等信号通路。通过炎性因子直接或间接的作用，使细胞凋亡，引发疾病[18]。

UPR途径中，IRE1可以通过不同的机制影响JNKs激活炎症信号通路[19]。当ERS时IRE1被激活，并与肿瘤坏死因子受体相关因子2 (tumor necrosis factor receptor-associated factor 2,TRAF2)形成复合体，进而激活细胞凋亡 信号激酶1 (apoptosis signal regulating kinase 1,ASK1),ASK1能与JNKs相互作用，促使细胞凋亡。有研究表明，敲除小鼠胚胎成纤维细胞中的IRE1，并刺激小鼠使其ERS，JNKs激活量明显降低[20]。另有研究发现，敲除小鼠中的JNK，胰岛β细胞对应激的反应明显减弱[21]。说明JNKs在ERS介导的胰岛β细胞凋亡过程中扮演着重要的角色。

NF-κB是一类转录因子蛋白，参与调控多种转录基因，是炎症反应过程的重要因子。当细胞受到应激时，NF-κB被激活，转移到细胞核内，并与反应基因启动子区域的特意性序列结合，参与炎症反应的基因的转录调控[22]。NF-κB与UPR反应关系密切。IRE1和PERK途径可通过多种机制激活NF-κB途径，在炎症和胰岛素抵抗中发挥重要作用。ATF6能够抑制NF-κB活化，从而调节许多其他炎性基因的转录[23]。

JNKs和NF-κB都能够引起多种炎症因子表达，如IL-8、IL-6、IL-1和TNF-α，促使胰岛β细胞凋亡[24]。另外，NF-κB途径还能够激活NLRP3炎性体、促凋亡基因caspase-1、促炎细胞因子白细胞介素IL-1β和IL-18。这些促炎细胞因子也可诱发炎性，导致胰岛素抵抗或胰岛β细胞凋亡，进而引发糖尿病[25]。

另外，IAPP能通过激活NLRP3炎症小体，从而促进IL-1β的产生，与胰岛β细胞凋亡关系密切，影响T2DM的严重程度。在人胰腺切片和尸检胰岛中发现，胰岛β细胞凋亡与淀粉样蛋白沉积的水平相关[26]，证明了以上观点。此外，人胰岛淀粉样多肽(hIAPP)的低聚物已被证明在胰岛β细胞中可通过炎性体增加炎症[27]。一些研究表明hIAPP与ERS有关，但其作用机制仍有待研究。动物胰岛β细胞中，ERS引发hIAPP表达的淀粉样蛋白亚型增加，导致hIAPP转基因小鼠和大鼠胰岛β细胞减少[28]。

总体而言， ERS引发UPR，UPR进一步激活炎症信号，由炎症信号诱导的细胞凋亡会导致大量的胰岛β细胞缺失，胰岛素分泌能力受损，进而导致T2DM。

5小结

许多刺激可以扰乱内质网动态平衡，导致内质网应激、炎症和胰岛β细胞凋亡。阐明应激、炎症和细胞凋亡的机制有利于理解这些过程，对于开发T2DM新治疗药物有着重要意义。

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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

基金项目：国家自然科学基金青年项目(31402160)

作者简介：向志宇(1988-)，男，黑龙江牡丹江人，硕士研究生，主要从事动物生理学研究。 *通讯作者

中图分类号:S852.3

文献标识码:A

文章编号:1007-5038(2016)06-0091-04