内质网应激与微小核糖核酸在胰岛β细胞凋亡中的作用

内质网应激与微小核糖核酸在胰岛β细胞凋亡中的作用

吉慧珍1，2，孙琦1，杨静2，邢小平1

1中国医学科学院 北京协和医学院 北京协和医院内分泌科 卫生部内分泌重点实验室，北京100730

2山西医科大学附属第一医院内分泌科，太原030001

【关键词】内质网应激;微小核糖核酸;胰岛β细胞;凋亡

胰岛β细胞功能障碍是2型糖尿病由临床前期向临床期进展的关键环节，主要表现为胰岛素合成分泌的减少以及胰岛β细胞数量的下降。研究显示，2型糖尿病患者的胰岛β细胞数量较同体重指数的肥胖以及非肥胖人群分别减少63%及41%，而β细胞凋亡水平分别是肥胖及非肥胖人群的3倍和10倍［1］，因此胰岛β细胞凋亡在2型糖尿病发生发展中具有十分重要的作用。在2型糖尿病中有多种机制参与胰岛β细胞的凋亡，包括近年的研究热点——内质网应激(endoplasmic reticulum stress，ERS)与微小核糖核酸(microRNA，miRNA)。研究发现ERS与miRNA密切相关，两者的相互作用也影响着细胞的凋亡水平。本文就ERS与miRNA在胰岛β细胞凋亡中的作用展开综述。

内质网应激与胰岛β细胞凋亡

内质网是真核细胞内多数蛋白质合成、折叠、修饰以及转运的场所，其需要足量且活性正常的功能蛋白、高浓度的钙离子及一定的氧化环境来完成生理功能。在正常情况下，内质网对新合成多肽链进行折叠、修饰并通过囊泡转运至高尔基体，而错误折叠的蛋白则通过内质网相关降解途径进行清除。当细胞内外环境受到干扰时，内质网对蛋白的处理能力受损，使得错误折叠或未折叠蛋白在内质网中堆积，即ERS。

ERS通过激活位于内质网膜上的三种跨膜蛋白——肌醇需求激酶1α(inositol-requiring enzyme 1α，IRE1α)、PKR样内质网调节激酶(protein kinase RNA-like endoplasmic reticulum kinase，PERK)及活化转录因子6(activating transcription factor 6，ATF6)来启动适应性未折叠蛋白反应(unfolded protein response，UPR)，进而改善ERS，包括扩张内质网的容积，提高内质网的蛋白折叠能力，减少基因的转录翻译，以及增强对错误及未折叠蛋白的清除。当促适应反应无法恢复内质网稳态时，UPR则启动细胞的凋亡途径［2-4］。研究表明，IRE1α以及PERK信号通路参与UPR促凋亡反应的启动。IRE1α是一类具有核糖核酸酶活性的跨膜蛋白，在ERS诱导凋亡的阶段，IRE1α的核糖核酸酶活性增强，一方面通过启动IRE1α依赖的mRNA降解程序(regulated IRE1-dependent decay，RIDD)，降解与细胞功能相关蛋白的mRNA，促进细胞凋亡［5］;另一方面通过裂解miR-17等miRNA的前体，使得其靶蛋白caspase 2的表达水平增高，诱导细胞凋亡［6］;同时miR-17的减少也使得另一个靶蛋白硫氧还原蛋白相互作用蛋白(thioredoxin-interacting protein，TXNIP)的表达水平迅速增加，从而促进NOD样受体蛋白3(NOD-like receptor protein 3，NLRP3)炎症小体介导的细胞凋亡［7］。此外，激活的IRE1α还可以通过与其他功能蛋白的结合调控细胞凋亡。研究发现，IRE1α可以与凋亡相关的Bcl-2家族蛋白以及肿瘤坏死因子受体相关因子2 (TNF receptor associated factor 2，TRAF2)相作用，而IRE1α-TRAF2可以激活与细胞凋亡相关的凋亡信号调节激酶1/C-Jun氨基末端蛋白激酶(apoptosis signalregulating kinase 1/C-Jun N-terminal kinase，ASK1/JNK)和核因子-κB(nuclear factor κB，NF-κB)信号通路［8-10］。另一条UPR信号通路PERK则主要通过其下游的活化转录因子4(activating transcription factor 4，ATF4)蛋白参与细胞凋亡的诱导。研究发现过表达ATF4可以促进细胞凋亡［11］，这可能与ATF4对C/EBP同源蛋白(C/EBP homologous protein，CHOP)的诱导以及对凋亡蛋白抑制因子(inhibitor of apoptosis proteins，IAPs)的抑制相关［12］，而CHOP作为UPR促凋亡途径的关键蛋白，可以调节Bcl-2家族蛋白的表达水平。此外PERK也可通过诱导TXNIP的表达促进细胞凋亡［13］。

胰岛β细胞因合成分泌胰岛素，极易发生ERS。除基因突变等遗传因素外，多种环境因素，如高糖、饱和游离脂肪酸、炎症因子、缺氧等均能诱导胰岛β细胞ERS的发生，其中过重的胰岛素蛋白负荷是形成慢性ERS的重要机制。研究显示，2型糖尿病患者及相关动物模型中胰岛β细胞长期处于ERS状态［14］，而与急性ERS促进β细胞胰岛素的合成及释放相对比，持续的ERS损伤胰岛β细胞的功能并促进其凋亡［15］。UPR促凋亡信号通路参与了ERS介导的胰岛β细胞凋亡。研究发现，CHOP蛋白的表达水平在高糖、高脂、缺氧以及毒胡萝卜素诱导的胰岛β细胞ERS中显著增加，而抑制CHOP的表达可以减少胰岛β细胞的凋亡［16-18］。此外，在胰岛β细胞中PERK以及IRE1α还可以通过促进TXNIP的表达，激活NLRP3炎症小体诱导细胞的凋亡［7，13］，但是Wali等［19］却发现激活和抑制NLRP3炎性小体并不影响ERS作用下的细胞凋亡，表明ERS诱导的胰岛β细胞凋亡并不依赖于NLRP3炎性小体途径。这可能与两项研究的应激源类型与研究对象的不同相关。同时IRE1α的另外两条凋亡相关通路caspase 2以及JNK也被证实不参与ERS诱导的胰岛β细胞凋亡。Němcová-Fürstová等［20］分别抑制人胰岛β细胞的JNK及caspase 2表达，发现胰岛β细胞的凋亡水平没有发生改变，但两者的抑制可以降低ERS相关蛋白——免疫球蛋白重链结合蛋白(immuno-globulin heavy chains binding protein，Bip)的表达水平，提示其参与了ERS的调节。由此可见，尽管ERS及UPR几乎存在于所有的细胞中，但其表达以及对细胞凋亡的影响可能因细胞类型而异，同时不同的应激也可能导致不同信号通路的激活，因此NLRP3、JNK以及caspase 2是否参与胰岛β细胞的凋亡还需作更深入研究。

UPR的促凋亡通路也参与2型糖尿病中胰岛β细胞的凋亡。研究发现，在2型糖尿病患者的胰岛中，CHOP以及Bcl-2蛋白家族中促凋亡蛋白的表达水平均有所增加［16-18］，同时通过ERS干预以及基因敲除的方法降低2型糖尿病小鼠CHOP蛋白的表达，可以减少胰岛β细胞的凋亡［21-22］。但是，近年来一些学者对此提出不同观点。Marchetti等［23］通过对体重指数相匹配的2型糖尿病患者和非糖尿病患者的胰岛进行分析，发现尽管糖尿病患者胰岛β细胞内的内质网数量增多，但两组的UPR相关蛋白的表达水平无显著差别，提出糖尿病患者的胰岛β细胞内虽然存在ERS及UPR，但还不足以引起胰岛β细胞的凋亡。而Omikorede等［24］对雌性Zucker糖尿病肥胖大鼠(female Zucker diabetic fatty rat，fZDF)研究发现，在高脂饮食诱导的fZDF肥胖大鼠向fZDF糖尿病大鼠转化的过程中，ERS相关的促适应反应蛋白以及促凋亡蛋白，包括CHOP蛋白的表达水平无明显改变，甚至有些蛋白的表达减少，因而提出在由肥胖向糖尿病进展的过程中，可能是由于UPR反应无法进一步增强满足细胞的需求而导致胰岛β细胞的功能障碍和凋亡，并非由慢性ERS引起。此外，对2型糖尿病患者以及db/db小鼠动物模型的研究也表明胰岛β细胞内UPR不足［25-26］。但是遗憾的是，上述研究并未直接探讨胰岛β细胞的凋亡状况。而最近Chan等［27］发现在糖尿病诱导的ERS相关β细胞凋亡中，与促适应反应相关的XBP1s蛋白和与促凋亡反应相关的CHOP蛋白的相对平衡较两者的绝对表达水平对细胞凋亡的影响更为重要。这也部分解释了上述研究中肥胖糖尿病大鼠的CHOP表达水平较肥胖大鼠无明显增加，而凋亡明显增加的原因。

miRNA与胰岛β细胞凋亡

miRNA是一类由18～25个核苷酸组成的单链非编码RNA，在转录后水平负性调节蛋白编码基因的表达水平。在哺乳动物细胞内，miRNA调控超过60%的基因mRNA，是细胞内最重要的调控物质［28］。有研究表明，miRNA可以调控胰岛β细胞的多种生命过程，包括细胞的增殖、分化、凋亡以及胰岛素的合成、分泌。目前发现的与胰岛β细胞凋亡相关的miRNA多以促凋亡以及抗凋亡蛋白为靶目标。

炎性因子是2型糖尿病中诱导胰岛β细胞凋亡的重要因素。Roggli等［29-30］在炎性因子(白细胞介素-1β为主)诱导的胰岛β细胞的凋亡中发现，miR-34a、miR-29、miR-21及miR-146a表达水平均显著增加，而过表达miR-29、miR-34a、miR-146a以及抑制miR-21可以增加炎性因子诱导的胰岛β细胞凋亡。研究显示，miR-34a抑制抗凋亡蛋白Bcl-2的表达［31］，miR-29抑制抗凋亡蛋白Mcl-1的表达［29］，这些都促进了细胞的凋亡;而miR-21则通过抑制其靶蛋白程序性细胞死亡因子4(programmed cell death 4，PDCD 4)表达，减少了PDCD 4对促凋亡蛋白Bax的激活，从而抑制炎性因子诱导的胰岛β细胞凋亡［32］。目前尚未明确miR-146的凋亡诱导机制，但已有的研究表明miR-146a可直接由NF-κB诱导产生，并参与NF-κB下游信号通路。此外还有一些miRNA的表达与炎性因子介导的胰岛β细胞凋亡相关。其中，过表达miR-199a-3p及抑制miR-203、miR-210和miR-383的表达可以促进炎性因子诱导的胰岛β细胞凋亡;而过表达miR-132、miR-338-3p和miR-451及抑制miR-184的表达则可以减少炎性因子诱导的胰岛β细胞凋亡，但是这些miRNA的具体作用机制目前仍未明确［33-34］。除炎性因子诱导的胰岛β细胞凋亡外，miR-375还参与棕榈酸诱导的胰岛β细胞凋亡［35］。Li等［35］在其研究中发现过表达miR-375可以通过抑制肌营养素(myotrophin)蛋白的表达，促进棕榈酸诱导的胰岛β细胞凋亡。

Guay等［36］的研究则从另一方面证明了miRNA与胰岛β细胞凋亡的关系。研究发现，胰岛β细胞可以分泌含有miRNA的分泌小体至细胞间隙来影响周围细胞的代谢。用细胞因子刺激胰岛β细胞后发现培养液中分泌小体内的miRNA水平发生改变，提取这些分泌小体，将其置于正常胰岛β细胞的培养液中则可以增加胰岛β细胞的凋亡，这表明miRNA不仅可以调节自身细胞的凋亡，还可以通过分泌的形式调控周围细胞的凋亡。

内质网应激和miRNA与胰岛β细胞凋亡

多项研究发现ERS与miRNA密切相关。在ERS中，PERK-eIF2α信号通路的激活可以促进富含miRNA-mRNA复合体、Ago蛋白以及多种miRNA活性调节因子的囊泡-应激小体的形成，提示miRNA参与ERS介导的翻译抑制［37-38］。同时，一些miRNA的表达变化可以调节或受到UPR信号通路蛋白的调节，发挥促凋亡或促适应的作用［39］。目前已经发现数十个miRNA与ERS及UPR介导的细胞凋亡相关，这些miRNA作为UPR信号通路的一部分，或者由UPR相关蛋白调控其表达水平，或者由其他信号通路诱导，最终通过调节UPR信号通路相关蛋白的表达水平来介导细胞的促凋亡反应。此外，miRNA还可以通过影响凋亡通路来改变ERS诱导凋亡的作用，而对其他应激诱导的细胞凋亡无明显作用［40］。

在胰岛β细胞的凋亡中也存在ERS与miRNA的相互作用。TXNIP是UPR信号通路的下游分支。Filios等［41］在其研究中发现，在胰岛β细胞内TXNIP除自身诱导胰岛β细胞的凋亡外，还可以增加miR-200b的表达水平，而miR-200b的高表达可以通过抑制锌指增强子结合蛋白1(zinc finger E-box-binding homeobox 1，Zeb1)的表达来促进胰岛β细胞的凋亡。目前关于胰岛β细胞内ERS与miRNA的关系研究还很少，而作为细胞内保守存在的细胞调控机制，ERS与miRNA之间必然通过相互影响，调节细胞的凋亡等代谢过程，但是由于ERS以及miRNA对细胞的影响与细胞组织的类型以及应激的类型相关，因此还需要更多的研究来明确及验证胰岛β细胞的凋亡中ERS与miRNA的具体关系。

结论与展望

ERS与miRNA是介导胰岛β细胞凋亡的重要机制。ERS通过启动UPR介导高糖、高脂、炎症因子、缺氧等因素诱导的胰岛β细胞凋亡。研究表明，UPR促凋亡信号通路的激活以及促适应反应的不足均参与了诱导胰岛β细胞的凋亡，因此除抑制UPR的促凋亡途径外，也可通过增强UPR的促适应反应来减少胰岛β细胞的凋亡。miRNA是近年来的研究热点，已有研究表明，胰岛β细胞的凋亡与某些特定miRNA的表达水平有关。但是目前大部分miRNA的凋亡调节机制还未明确，同时部分凋亡相关的miRNA还参与胰岛素合成、分泌的调节，因此以miRNA为靶点的凋亡干预仍需进一步研究。目前已经在非胰岛β细胞中证实，ERS与miRNA之间通过多种途径相互影响，共同调节细胞的凋亡。因此可以将miRNA作为ERS的干预靶点，或者以ERS/UPR作为改变miRNA表达水平的途径，来干预细胞的凋亡。在胰岛β细胞的凋亡中也存在着ERS与miRNA的相互作用关系。已有研究表明，ERS/UPR的下游通路TXNIP可以通过miR-200b诱导胰岛β细胞的凋亡，而这一发现也为胰岛β细胞凋亡的干预提供了新的研究思路。但目前为止，关于胰岛β细胞的研究较少，还需要更多的研究来明确胰岛β细胞凋亡中ERS与miRNA的具体关系。

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通信作者：孙琦电话:[phone]，E-mail:[e-mail]

【中图分类号】R587.1;Q756

【文献标志码】A

【文章编号】1674-9081(2016)01-0048-05

DOI：10.3969/j.issn.1674-9081.2016.01.010

(收稿日期：2015-08-04)