自噬对胰岛β细胞凋亡的影响及其机制研究进展

付海超综述 冷锦红审校

最新流行病学调查显示，2013年我国糖尿病患病率约为10.4%，且呈逐年显著上升趋势[1]。胰岛β细胞凋亡在糖尿病的发生发展过程中发挥主要作用，因此，抑制胰岛β细胞过度凋亡对糖尿病的治疗有关键意义。自噬作为真核细胞特有的一种维稳机制，对胰岛β细胞凋亡有重要调节作用。随着近年来对自噬研究的不断深入，胰岛β细胞自噬功能的缺失已被证实与糖尿病的发病有关，但其作用机制尚不明确。本文就自噬对胰岛β细胞凋亡的影响及其机制做一综述。

1 胰岛β细胞凋亡

胰岛β细胞是胰岛素合成、加工和分泌的重要场所，若胰岛β细胞受损或凋亡，将影响胰岛素的分泌。1型糖尿病患者胰岛β细胞数量不足正常人的10%，胰岛素分泌绝对不足；2型糖尿病发展到中后期，胰岛β细胞亦减少,故β细胞的损伤、凋亡是糖尿病发生发展的重要因素。细胞凋亡是细胞死亡的一种形式，目前研究表明，胰岛细胞凋亡与自身免疫损伤、高糖高脂毒性、内质网应激、自噬机制失衡等原因有关[2-3]。

2 细胞自噬的作用机制

2.1 细胞自噬 自噬是真核细胞独有的一种通过自噬—溶酶体介导、以细胞质空泡自噬化为特征的物质降解途径，以巨自噬研究最为广泛，分为选择性自噬和非选择性自噬。非选择性自噬是一种自体吞噬的整体降解型。选择性自噬由降解的特定靶标决定，如脂质滴自噬、线粒体自噬降解等。研究发现[4]，当机体遭遇饥饿等压力刺激，常触发细胞自噬应答，甚至引起细胞凋亡。

2.2 自噬的分子机制 自噬过程涉及许多基因、通路、蛋白相互合作，大致可分为3个阶段：起始—成核、膨胀—完成和降解—恢复。在起始—成核阶段，类UNC51激酶1(ULK1)复合物与调控凋亡相关蛋白Bcl-2的肌球蛋白样螺旋蛋白(Beclin 1)起中心作用，在饥饿条件下，雷帕霉素靶蛋白复合物1(mTORC1)被剥夺或雷帕霉素分解，释放的蛋白激酶1(Atg1)同源物(ULK1)磷酸化Atg家族的mAtg13启动自噬。ULK1同时磷酸化Beclin 1，Beclin 1与Ⅲ型磷脂酰肌醇激酶(Vps34、Vps15)和Atg14L形成复合物，Vps34、aⅢ类磷脂酰肌醇3-激酶(PI3K)产生磷脂酰肌醇3-磷酸(PI3P),进而募集FYV成员蛋白质(DFCP1和WIPI2)和Atg蛋白，开始形成隔离膜实现成核过程。在自噬体的膨胀—完成路径中，Atg蛋白起关键作用，Atg7、Atg10和Atg3起着类似泛素活化酶E1、E2的酶作用，Atg12-Atg5-Atg16L1是一种E3样酶复合物，Atg8通过Atg7作用与Atg3结合，然后Atg8与脂质结合靶、膜中的磷脂酰乙醇胺(PE)，形成自噬标志物LC3-Ⅱ[5]。LC3-Ⅱ定位在内、外自噬体膜的侧面，被释放到胞浆中，自噬体形成后与溶酶体融合，形成自噬溶酶体，其降解后的蛋白质和氨基酸等产物被循环利用，完成自噬过程的整个周期。

3 自噬在胰岛β细胞中的作用

胰岛β细胞凋亡与自身免疫损伤、高糖高脂毒性、内质网应激、自噬机制破坏或过度等诸多原因有关[2-3]，说明胰岛β细胞死亡的2种形式，即凋亡和自噬失衡可诱导细胞死亡。凋亡又名Ⅰ型程序性细胞死亡，自噬失衡诱导的细胞死亡又称为Ⅱ型程序性死亡。这体现了自噬对胰岛β细胞的重要作用：一方面，自噬有维持胞内环境稳定和细胞功能正常的作用。自噬对于胰岛β细胞的影响明显大于胰岛α细胞，自噬关键底物Atg7缺乏不影响胰岛α细胞的代谢谱[6]。另一方面，广泛过度的自噬或不适当的自噬清除可导致细胞死亡。自噬对胰岛β细胞具有双重作用。

3.1 适度自噬可减少胰岛β细胞凋亡 自噬在维持各种细胞的正常功能中起重要作用，包括产生胰岛素的胰岛β细胞。自噬的应激能力尤为突出，当细胞受到营养缺乏和病毒感染等刺激时，自噬作为细胞的一种防御机制，参与降解、回收再利用胞浆内的蛋白质、受损的细胞器和病原体等物质成分，以维持细胞内环境和组织的稳定。有研究显示，自噬关键基因Atg缺陷和关键底物Atg7的耗竭可导致小鼠胰岛β细胞质量降低、糖耐量受损、胰岛素分泌缺陷[7]。因缺乏自噬的胰岛β细胞表现出线粒体和内质网的形态和功能异常，加剧胰岛β细胞的死亡[8]。胰岛β细胞自噬可调节肠促胰素诱导的胰高血糖素在α细胞中的表达和释放,进而降低血糖[9]。所以自噬是胰岛β细胞内稳态的主要调控方式。

3.1.1 自噬与炎性因子介导的胰岛β细胞凋亡：1型糖尿病是一种以T淋巴细胞和自身免疫抗体介导的胰岛β细胞选择性破坏，导致胰岛素绝对缺乏为特征的自身免疫性疾病。自噬可调节T细胞和胰岛β细胞相关的免疫耐受。Fas是一种富含半胱氨酸的胞外结构域的Ⅱ型跨膜蛋白，与其Fas-L配体(CD8+T淋巴细胞和NK细胞的主要效应分子之一)相互作用，激活T淋巴细胞，并在胰腺中浸润，释放如肿瘤坏死因子α(TNF-α)、白介素(IL)-1β和干扰素(IFN)-γ等促炎细胞因子。进而与胰岛β细胞上的膜受体结合，溶酶体的活性受损，阻断了自噬发生，从而诱导、加剧了胰岛β细胞凋亡发生[10]。研究发现[11]，随着自噬抑制剂3-甲基腺嘌呤或减少炎性反应的SIRT6基因敲除，羟基酪醇(HT)对软骨细胞炎性反应的抑制作用也降低，说明HT通过SIRT6介导的自噬抑制软骨细胞的炎性反应。所以保证胰岛β细胞自噬作用，可抑制炎性细胞反应，在减少胰岛β细胞凋亡中有重要意义。

3.1.2 自噬与氧化应激介导的胰岛β细胞凋亡：完整适度的自噬可降解具有吞噬功能障碍的线粒体来抗氧化应激。若胰岛β细胞应激过度，参与胰岛β细胞凋亡的线粒体通路被激活，其中Bcl-2家族的Bcl-2、Bcl-x和MCL-1能够抑制胰岛β细胞凋亡；Bax和Bak可促进胰岛β细胞凋亡；Bad和Bix在内的BH3蛋白通过抑制细胞应激传感器的抗凋亡蛋白而诱导胰岛β细胞凋亡[12]。IL-1β和IFN-γ可通过内质网应激依赖5-单磷酸腺苷激活的蛋白激酶活化来刺激自噬的早期阶段，但因溶酶体功能受损，胰岛β细胞自噬通量不足，加剧了胰岛β细胞凋亡[10]。研究显示[13]，胰十二指肠同源异形盒基因(PDX)-1可减少线粒体的自噬体与溶酶体融合阻滞，保证胰岛β细胞存活。适度激活氧化应激会刺激PINK1-PARKIN通路泛素化线粒体外膜中的多种蛋白质，蛋白酶体和自噬体募集以降解线粒体，使线粒体膜电位降低[14-15]。自噬和抗氧化应激反应参与了同一种反馈回路，在回路中它们相互增强。总之，这突显了自噬对于抗氧化应激、减少内源性胰岛β细胞凋亡的重要作用。

3.1.3 自噬与内质网应激介导的胰岛β细胞凋亡：自噬可减少内质网(ER)应激介导的胰岛细胞凋亡。内质网应激源于未折叠和错误折叠的蛋白质积累，缺氧、高糖、游离脂肪酸(FFA)等都可引起胰岛β细胞的内质网应激。因胰岛β细胞易受内质网应激的影响，若应激条件不足，内质网应激就会启动而介导胰岛β细胞凋亡。在人体中，内质网应激可能导致人类胰岛淀粉样蛋白多肽(hIAPP)低聚物发展，自噬不全可导致hIAPP寡聚体的积累，这些聚集体与胰岛β细胞死亡和2型糖尿病的发展有关。

Kong等[16]发现内质网应激与胰岛β细胞关系密切，阻止自噬会增加ER应激。研究指出[17]，胰岛β细胞IAPP的含量受依赖P62溶酶体降解的自噬调节，保障胰岛β细胞自噬正常对于改善IAPP的细胞毒性作用十分重要。同时也有研究提出[18]，自噬可通过延迟凋亡和适应性反应减轻ER应激和DNA损伤来保障胰岛β细胞存活。自噬活跃的小鼠在靶向胰岛素诱导的Akt磷酸化和ER应激组织中具有改善胰岛素敏感性的功能[19]。Cheng等[20]发现糖脂毒性诱导的成纤维细胞生长因子(FGF21)通过激活AMPK通路，抑制mTOR调节因子而介导胰岛β细胞自噬，提高高糖高脂饮食(HFD)小鼠胰岛β细胞的数量和功能。胰高血糖素样肽(GLP-1)也可调节AMPK通路增强大鼠胰岛β细胞自噬作用，从而在高糖条件下对胰岛β细胞起到抗凋亡的保护作用[21]。

3.2 过度自噬加剧胰岛β细胞凋亡 与自噬能保护胰岛β细胞存活作用相反，若胰岛β细胞自噬过程被过度激活时，细胞内的相关蛋白和细胞器则会被过度降解，从而诱导β细胞的死亡，这提示可能发生自噬性细胞死亡，即Ⅱ型程序性死亡。

Yamamoto等[19]发现，敲除Becn1小鼠表现出持续主动自噬，与自噬正常小鼠相比，自噬亢进小鼠在高脂饮食下表现出糖耐量受损，短期抑制F121A小鼠的自噬可通过减少胰岛β细胞的自噬性凋亡来恢复胰岛素的分泌。亦有研究结果显示[22]，芪苈强心可能通过抑制过多的细胞自噬，激活Akt/mTOR通路，从而减轻自噬过多介导的细胞死亡来保护ISO诱导的心肌损伤。Liao等[23]发现通过上调小分子化合物Z36可形成过多的自噬体，致内质网吞噬加速并破坏内质网的稳态，触发内质网应激和未折叠蛋白反应，以及内质网吞噬依赖性细胞死亡。自噬也是他克莫司(Tac)诱导胰岛β细胞损伤的原因，Tac治疗增强了胰岛β细胞自噬体的形成以适应应激和溶酶体功能障碍，由于溶酶体功能障碍，使自噬清除受损，自噬体不能有效降解。因此，过多的自噬体形成加剧了胰岛β细胞凋亡。

4 小 结

综上所述，自噬对胰岛β细胞的存活与凋亡具有十分重要的作用。维持细胞稳定的自噬通量能够促进蛋白和受损细胞器的更新，保证胰岛细胞内部环境的动态平衡，实现对胰岛的保护作用，进而延缓糖尿病的发展。但持续过度自噬也可加剧胰岛β细胞凋亡，这体现自噬对胰岛β细胞的保护作用取决于细胞内外环境。随着对自噬研究的日益深入，保证胰岛β细胞自噬并找到调节细胞自噬的平衡点或可成为糖尿病早期预防和治疗的新方向。