Ⅱ型糖尿病β 细胞损伤机制

Ⅱ型糖尿病 β细胞损伤机制 班级：02级临床 3班 姓名：王博 指导教师：梁静 [摘 要] Ⅱ型糖尿病的病人胰岛 β细胞损伤增加。游离脂肪酸（FFAs）、高血糖均可诱导 β细胞损伤，使其 发生凋亡。此外，高血糖和游离脂肪酸还可以通过共同通路——氧化应激，发挥协同效应而导致 β 细胞凋 亡。了解Ⅱ型糖尿病胰岛 β 细胞凋亡的机制，对深入认识Ⅱ型糖尿病的发病机制和致病过程，更好地防治 Ⅱ型糖尿病具有重要意义。 [关键词] β细胞损伤；Ⅱ型糖尿病；游离脂肪酸；高血糖；氧化应激；胰淀素 [Abstract] Significant loss of islet β cells has long been found in type 2 diabetes. Free fatty acids (FFAs) and hyperglycemia are two key factors leading to β-cell destruction and subsequently apoptosis. Besides their individual effects, FFAs and hyperglycemia synergistically cause β cell apoptosis through some common means such as oxidative stress. Understanding the mechanism of β cell injury in type 2 diabetes is the key step leading to effective prevention and treatment of the disease. [Key words] β cell injury; type 2 diabetes mellitus; FFA; hyperglycemia; oxidative stress；IAPP Ⅱ型糖尿病是一种终身存在并缓慢进展的疾病，其发病过程是糖耐量调节受损的渐进过 程，发病的中心环节是胰岛素抵抗和胰岛 β细胞功能缺陷。但仅有胰岛素抵抗还不足以发展 为糖尿病，只有当 β细胞功能障碍、凋亡增加，分泌的胰岛素不能满足机体所需时，才会发 生Ⅱ型糖尿病。因此近年来，β细胞损伤机制逐渐成为人们关注的热点，通过保护 β细胞功 能，就可降低糖尿病发生的危险，有效控制糖尿病病情。 一、脂毒性作用引起 β细胞损伤 当机体内脂肪分解增多时，血中游离脂肪酸（free fatty acids, FFAs）增多，进入胰岛 β 细胞的 FFAs超过了其对脂肪酸氧化的能力，从而导致过多的脂质在细胞内的堆积。而长期 暴露于高 FFAs可引起 β细胞脂质过载，细胞增生下调，凋亡增加，胰岛素分泌减少。FFAs 诱导 β细胞凋亡机制如下： （一）神经酰胺介导的路径[1，2] 血浆 FFA 水平持续升高，β 细胞摄取 FFA 增多，导致胞质中脂酰 CoA 增加，软脂酰 CoA与丝氨酸在丝氨酸神经酰胺转移酶（SPT）催化下，合成神经酰胺。神经酰胺介导的 β 细胞凋亡路径主要有以下四种： 1．神经酰胺在 Ca2+作用下，活化多种激酶，使细胞停止在 G0/G1期，同时活化的各种 Ca+依赖性酶可进一步激活核酸内切酶、蛋白质酶、磷酸磷脂酶、蛋白磷酸酶、谷氨酰胺转 移酶，导致 β细胞凋亡。 2．神经酰胺通过活化核因子-κB（NF-κB）上调诱导型一氧化氮合酶（iNOS），使一氧 化氮（NO）合成增加，自由基生成增多，DNA受损，引起 β细胞凋亡。 3．在心肌细胞，神经酰胺是通过直接抑制线粒体呼吸链或抑制蛋白激酶 B（Akt）的活 性来诱导凋亡的。Akt催化的蛋白磷酸化参与促凋亡因子 Bad、Bax、Bid、Bim的失活。高 水平的神经酰胺和长链脂酰 CoA可直接抑制 Akt的促磷酸化作用，而使凋亡因子活化。 4．神经酰胺水平增高还可干扰 prosurvival 通路及抑制磷脂酰肌醇 3 激酶（PI-3K）/蛋 白激酶 B（PKB）通路而增加 β细胞的凋亡。 （二）胰岛素受体底物-2（IRS-2）信号通路途径[2] IRS-2除参与胰岛素的信号转导外，同时具有调控细胞的增殖、分化和凋亡的作用。FFA 在 β细胞内的堆积可激活 nPKC(novel class of PKC)，后者可增强 IRS-2丝氨酸/苏氨酸磷酸 化。IRS-2丝氨酸/苏氨酸磷酸化是 IRS-2导致细胞凋亡的重要环节，因为 IRS-2丝氨酸/苏氨 酸磷酸化可引起 IRS-2的泛素化，后者将引发蛋白小体降解作用而使 IRS-2水平下降，从而 使胰岛素信号转导发生障碍，最终诱导 β细胞凋亡。 （三）Caspase途径[1] 软脂酸可降低 β细胞线粒体腺嘌呤核苷酸转位分子（ANT）的达。ANT可催化 ATP 和 ADP通过内膜交换，ANT下降，引起 ATP/ADP交换受阻，线粒体肿胀，外膜受损，线 粒体内细胞色素 C进入胞质，活化 Caspase蛋白酶，激活 Caspase路径，引起 β细胞凋亡。 此作用在成年鼠体内发现，具体途径仍不清楚。 （四）过氧化物酶体增殖物活化受体（PPARs）路径[1] PPARs为 2型核受体超家族的核转录因子。FFA作为配体与 PPARs结合，激活 PPARs， 抑制 NF-κB的抗凋亡作用，使 Caspase蛋白表达增高，引起细胞凋亡。 （五）内质网路径[2] FFA启动了内质网（ER）应激。ER中既含有促进凋亡的因子如增强子结合蛋白同源蛋 白/诱导生长抑制和 DNA损害的基因 153（CHOP/GADD153）、Caspase，也含有抑制凋亡的 因子如 ORP150、GRP78等，在 ER应激过强时，促凋亡机制占主导，能独立诱导 β细胞凋 亡。 （六）Bcl-2路径[1] Bcl-2 在细胞内具有抗氧化特性，可通过抑制活性氧形成或作用于活性氧而抑制凋亡。 FFA诱导 β细胞凋亡同时，Bcl-2mRNA表达明显下降，提示此凋亡效应可能为 Bcl-2调节。 （七）TG长期堆积[1] 最新研究发现，FFA的脂性凋亡作用与其饱和度有关。饱和脂肪酸促进 β细胞凋亡，抑 制其增殖和胰岛素分泌，单不饱和脂肪酸促进 β细胞增殖，不影响其凋亡水平。且不饱和脂 肪酸可通过诱导饱和脂肪酸合成甘油三酯（TG）来阻断饱和脂肪酸诱导的细胞凋亡。正常 β 细胞可通过形成 TG 阻碍胞内 FFA 水平增高，保护其免遭 FFA 诱导的细胞凋亡效应，但 体内 TG 长期堆积可使其抗凋亡作用下降或消失，此时 FFA 可通过前面所述路径发挥其诱 导 β细胞凋亡的作用。 总之，持续的 FFA 负荷下诱导的凋亡可能通过不只一条途径，而且不同细胞间也可能 不同，即使在同一细胞的不同时间点也可能不同。 二、糖毒性作用引起 β细胞损伤 葡萄糖是 β细胞合成胰岛素最强有力的刺激因子，而长期高血糖使胰岛素需求不断增加， β细胞处于持续活化状态，最终出现 β细胞耗竭及葡萄糖失敏感，葡萄糖刺激的胰岛素分泌 （GSIS）受损[3]。高糖诱导 β细胞损伤机制如下： （一）氧化应激[4] 在高糖状态下，β 细胞内氧化和抗氧化作用失衡，发生氧化应激反应，导致活性氧簇 （ROS）产生。而胰岛 β细胞内含有较低水平自由基清除酶如超氧化物歧化酶、过氧化氢酶 和 ROS 清除蛋白如硫氧还原蛋白，因此对 ROS 较敏感。ROS 可损伤胰岛 β 细胞核和线粒 体，导致胰岛素 mRNA 表达水平下降，β 细胞分泌胰岛素水平降低。氧化应激引起 β 细胞 损伤具体途径如下： 1．通过氧化应激，c-Jun氨基端激酶（JUK）途经被活化，在抑制胰岛素基因表达的同 时还可能通过改变胰十二指肠同源盒-1（PDX-1）磷酸化状态，使 PDX-1 DNA活性下降， 抑制了胰岛素基因转录，导致胰岛素分泌水平下降。 2．在氧化应激状态下，p21在胰岛 β细胞内表达增加。p21也称野生型 p53活性片段 1 （WAF1），广泛表达于各种组织和细胞，维持细胞形态和功能，在细胞周期中起关键调节 作用。p21水平升高，可使周期依赖性蛋白激酶（Cdk）失活，从而抑制细胞进入 S期。同 时 p21还可使 DNA聚合酶失活，且影响蛋白激酶 A等信号分子的作用，使胰岛素基因转录 水平下降。 3．氧化应激反应使 β细胞内 6-磷酸果糖酰胺基转移酶（GFAT）过表达，抑制血糖刺激 的胰岛素释放，且下调在刺激胰岛素释放过程中起重要作用的葡萄糖转运蛋白 2（GLUT2） 和葡萄糖激酶（GK）基因等的表达及活性。 （二）长期高血糖会加速 β细胞凋亡，使有功能的 β细胞数量减少，可能机制如下[1]： 1．Bcl蛋白家族路径 Bcl 蛋白家族包含两类功能相反的蛋白，一类有抗凋亡作用，如 Bcl-2、Bcl-xl、Bcl-w 等；另一类可促进凋亡，如 Bad、Bid、Bik等。在高糖条件下，胰岛细胞促凋亡基因 Bad、 Bid、Bik过度表达，抗凋亡基因 Bcl-xl水平降低，Bcl-2表达水平无变化，胰岛 β细胞凋亡 水平明显升高。因此高血糖可能通过改变 Bcl蛋白家族间的平衡来调节 β细胞凋亡水平。 2．白介素（IL）-1β/NF-κB路径 在体外将正常人胰岛细胞培养于高糖溶液中，可导致 β细胞产生 IL-1β，NF-κB 活化， Fas 水平上调，β 细胞功能受损，DNA 碎片形成；阻断 IL-1 受体，可使人胰岛细胞免遭这 些有害效应。因此此研究说明，Ⅱ型糖尿病患者 β细胞在高糖刺激下，可通过产生 IL-1β， 活化 NF-κB，诱导 β细胞凋亡。 3．氨基己糖路径 高糖状态激活氨基己糖途经，从而导致糖基化作用，使胰岛 β细胞内由葡萄糖代谢产生 的 O-连接的 N-乙酰氨基葡萄糖（O-GlcNAC）增多，O-GlcNAC在其转移酶作用下刻度 RNA 多聚酶Ⅱ及其转录因子、核孔蛋白、转录因子 sp1、p53 等蛋白质的苏氨酸、丝氨酸残基进 行修饰，这种修饰作用提供了一种类似蛋白质磷酸化的调节功能，从而导致 β细胞凋亡。β 细胞中 O-GlcNAC 转移酶比其它组织更丰富，细胞内蛋白更易受其修饰，因此凋亡效应也 更加明显。 但需注意的是，在糖尿病前期患者无长期高血糖存在，故葡萄糖毒性可能不是早期胰岛 β细胞功能下降的关键[5]。而且糖尿病患者在血糖控制良好后，胰岛 β细胞功能仍出现进行 性衰退，导致血糖进一步升高。因此葡萄糖毒性可能是在胰岛素分泌异常出现后，才对胰岛 β细胞损伤有明显的作用。 三、糖脂毒性 糖脂代谢紊乱对 β细胞的损害被称为糖脂毒性。当高糖和高水平 FFA同时存在时，高糖 对 FFA诱导 β细胞凋亡有协同效应，FFA在高糖环境下毒性增强。 其可能机制如下[2，6]： （一）葡萄糖在细胞内的代谢产物可抑制 FFA的 β氧化 丙二酰辅酶 A系葡萄糖代谢的产物，具有抑制肉碱脂酰转移酶（CPT-1）活性的功能。 当细胞内葡萄糖的浓度增高时丙二酰辅酶 A生成增多，抑制下游 CPT-1 的活性，导致 FFA 向线粒体内转运进行 β 氧化减少，堆积的 FFA 则转向酯化即形成复合脂质，如甘油三酯及 神经酰胺等，通过脂毒性作用引起 β细胞损伤。同时，葡萄糖诱导和活化了脂肪合成及储存 的酶和转录因子，两者导致了细胞内长链酯酰 CoA的堆积，加剧了原有的 FFA水平增高， 加剧了 β细胞损伤。 （二）β细胞具有将葡萄糖转化为脂肪酸的能力 将胰岛在含有葡萄糖的液体中培养一定时间后，即可在培养液中检测到脂肪酸，增加葡 萄糖的浓度，培养液中的脂肪酸含量也随之增加。 （三）高糖还增加 β细胞对 FFA所诱导凋亡的敏感性。 由此可知，早期 β细胞功能障碍主要由脂毒性所致，糖尿病早期出现餐后高血糖时，可 与脂质协同加速 β细胞的凋亡，一旦高血糖形成，这一过程将更为加速[6]。 四、胰淀素沉积 高血糖与 FFA诱导 β细胞凋亡存在一条共同通路——氧化应激，氧化应激反应可产生氧 自由基。氧自由基的升高引起与胰岛素同步分泌的天然胰淀素结构破坏、异常折叠，最终形 成淀粉样沉淀（ADIA），在胰岛内形成占位性病变，导致胰岛内分泌和吸收功能障碍。 胰淀素又称胰岛淀粉样多肽（IAPP），是 β细胞分泌的一种正常产物，含 37个氨基酸， 其中第 20—29位氨基酸序列是 IAPP形成淀粉样纤维蛋白（IA）沉积的结构基础。IAPP是 否形成 IA是 2型糖尿病是否发病的重要环节。Ⅱ型糖尿病患者胰岛 β细胞减少主要是由于 胰岛内外大量淀粉样蛋白沉淀沉积，具有毒性的胰淀素低聚体增加了 β细胞凋亡频率；且复 制的 β细胞对胰淀素低聚体的毒性更敏感，优先凋亡导致 β细胞数目逐渐减少[1]。 胰淀素诱导 β细胞凋亡机制[1，7]： （一）小的、新形成的 IAPP聚集物对胰岛细胞具有细胞膜毒性作用 25-6000 个分子范围的小的 IAPP 聚集物可形成中等大小毒性淀粉样蛋白质粒子 （ISTAPs），通过疏水区与细胞膜相互作用，引起脂质双层发生渗漏作用，进而引起非选择 性离子通道开放，诱导细胞死亡。在过度表达 IAPP的转基因小鼠的胰岛 β细胞，高浓度的 胰岛淀粉样多肽聚集并整合到细胞膜中，作为可渗透钙的异常离子通道起作用，使细胞内 Ca+浓度增加，改变线粒体膜通透性，释出细胞色素 C、凋亡蛋白酶诱导因子等，启动凋亡 途径；同时引起线粒体膜去极化，激活 Caspase，。活化的 Caspase呈级联放大效应，裂解破 坏细胞必须的结构成分，引起 DNA断裂，染色质浓缩，胰岛 β细胞凋亡。同时。用电压钳 技术观察到，新鲜溶解的 IAPP引起胰岛 β细胞膜不稳定，表现为膜电导和电噪声明显增加， 加速了膜的破坏，导致细胞空泡变性与死亡。但当 IAPP 成熟，分子数超过 106时，疏水区 将局限于沉积物内部，不能与细胞膜相互作用，细胞膜毒性作用将明显减弱或消失。 （二）IAPP可通过影响胰岛 β细胞氧化机制产生细胞毒效应 此作用是由于其与细胞表面受体结合，破坏细胞完整性，产生 ROS，干扰自由基产生 和抗氧化防御系统之间的平衡。IAPP 还可通过增加细胞间过氧化物水平对原代培养的胰岛 β 细胞产生毒性作用，这一过程主要受还原性尼克酰胺腺嘌呤二核苷酸氧化酶（NADPH oxidase）催化。NADPH oxidase可催化三羧酸循环中产生的氧（O2）生成超氧阴离子（O2-）。 在生理条件下它处于静息状态，只能产生少量的 O2-，在 IAPP作用下，NADPH oxidase活 性增强，产生大量的 O2-，超过机体清除能力而使之堆积，细胞膜脂质过氧化，RNA/DNA 代谢障碍，骨架降解，细胞受损甚至死亡。同时，IAPP在 NADPH oxidase作用下，诱导胰 岛 β细胞产生氧自由基，并通过细胞表面低密度脂蛋白（LDL）受体来增强细胞对脂蛋白的 摄取，使细胞内脂质沉积，产生脂毒性效应。 （三）人 IAPP诱导胰岛细胞（RINm5F胰岛细胞系）凋亡与凋亡相关基因 p53和 p21（野 生型 p53激活片断基因 1/细胞周期素依赖性激酶抑制蛋白 1（WAF1/CIP1））表达增强有关 如果细胞内 DNA 受损，p53 水平升高以终止增殖，使受损 DNA 有足够时间修复；如 果修复失败，p53水平持续升高，使细胞凋亡。在琼脂糖凝胶电泳中，受胰岛素作用的胰岛 β细胞 DNA规律性断裂，呈现出特征性的“梯状条带”。同时，p53作为转录因子与 DNA特 定序列结合，激活下游靶基因 p21WAF1/CIR1，后者使细胞周期停滞于 G1期。 综上所述，Ⅱ型糖尿病患者 β细胞损伤增加，机制与脂毒性、糖毒性、糖脂协同作用及 IAPP沉积有关。了解Ⅱ型糖尿病胰岛 β细胞凋亡的机制，对深入认识糖尿病的发病机制和 致病过程，更好地防治Ⅱ型糖尿病具有重要意义。 参考文献： 1. 惠晓丽，王惠芳，姚孝礼. β细胞凋亡与Ⅱ型糖尿病. 国外医学内分泌学分册，2005，1，25：23-24. 2. 陈璐璐. 脂代谢紊乱与 β细胞凋亡. 国外医学内分泌学分册，2005，1，25：156-157. 3. 李延兵，翁建平. 保护 β细胞功能以改善Ⅱ型糖尿病的自然病程. 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