内质网应激氧化应激及JNK通路与2型糖尿病

内质网应激氧化应激及JNK通路与2型糖尿病

侯志强 李宏亮 李光伟

卫生部中日友好医院内分泌代谢病中心

胰岛β细胞功能受损和外周组织胰岛素抵抗是2型糖尿病(T2DM)发病中的两个重要方面。目前研究发现T2DM时内质网应激（endoplasmic reticulum stress,ERS）和氧化应激（oxidative stress）被激活，而且二者之间可相互作用相互影响，并共同活化了c-Jun氨基端激酶（c-Jun N-terminal kinasse,JNK）通路参与了T2DM的发生发展。本文将内质网应激、氧化应激及JNK通路在导致胰岛β细胞功能受损及外周胰岛素抵抗中的作用及机制作一综述。 1．内质网应激与2型糖尿病

内质网（endoplasmic reticulum，ER）是真核细胞中蛋白质翻译合成和细胞内钙离子的储存场所，对细胞应激反应起调节作用。ERS是指由于某种原因使细胞内质网生理功能发生紊乱的一种亚细胞器病理状态。目前研究发现ERS在T2DM的胰岛β细胞功能受损、调亡及外周胰岛素抵抗中占据着重要的地位[1,2]。 1.1 内质网应激与胰岛β细胞

胰岛β细胞具有高度发达的内质网，在正常生理情况下，机体可通过ERS的PERK（RNA激活蛋白激酶的内质网类似激酶）-真核细胞翻译起始子（eIF2）磷酸化途径影响胰岛素的合成，调节β细胞胰岛素分泌功能[3]。但是，过度的ERS可能导致胰岛β细胞功能受损，甚至细胞调亡。

Scheuner D等[4]研究发现eIF2α突变纯合子鼠其胚胎和新生鼠体内均存在着严重的β细胞缺乏及胰岛素含量显著降低，杂合子突变鼠在高脂喂养后尽管胰岛的大小与野生型鼠无明显差别，但单个胰岛中胰岛素含量较野生型降低，而且葡萄糖和精氨酸刺激后胰岛素的分泌也明显减弱，从而提示eIF2α在高脂诱导的胰岛功能损伤中起到了保护作用。I型跨膜蛋白激酶/核糖核酸内切酶（IRE1）是ERS中另一条重要的调节β细胞胰岛素合成的途径。Lipson KL等[5]发现急性血糖升高可活化β细胞IRE1信号通路，从而促进胰岛素的合成，而阻断IRE1通路后可明显减低胰岛素的合成，说明IRE1信号通路参与了β细胞胰岛素合成，并可能成为改善β细胞功能的治疗靶点。 ERS通过CHOP，JNK和Caspases途径介导的β细胞调亡是导致糖尿病发病另一重要机制[6]。研究发现杂合子Akita小鼠，由于胰岛素2基因突变干扰了胰岛素A，B链间的二硫键形成，使胰岛素蛋白错误折叠，加重内质网应激，诱导CHOP表达增强导致β细胞调亡，促进了Akita鼠自发性糖尿病的发生，而在CHOP敲除小鼠中诱导Akita突变后，可保护β细胞数目并使得高血糖发生被延迟[7]。此外，Fornoni A等[8]在体外应用JNK的抑制性多肽（L-JNKI）处理鼠的胰岛及β细胞，发现L-JNKI可提高胰岛β细胞的存活率。 1.2 内质网应激与胰岛素抵抗

ERS不仅参与调节胰岛β细胞功能衰竭及介导β细胞调亡，而且与T2DM外周胰岛素抵抗密切相关[9,10]。Ozcan U等[1]发现肝细胞发生ERS时胰岛素受体底物1（IRS-1）的酪氨酸磷酸化明显降低，而JNK依赖性的丝氨酸磷酸化是升高的；而给于合成抑制剂SP600125或抑制性多肽-JIP阻断JNK通路后，可逆转ERS引发的上述变化，提示ERS可通过促进JNK依赖性的IRS-1丝氨酸磷酸化而影响胰岛素的受体信号通路，导致胰岛素抵抗。X-盒结合蛋白-1（XBP-1）是一种调节多种基因表达的转录因子，是调控ERS的关键因子。Ozcan U等[1]还发现高脂喂养的XBP-1基因突变杂合子（XBP-1+/-）小鼠同XBP-1+/+鼠比较，肝脏中的PERK磷酸化水平和JNK活性均显著增加，IRS-1酪氨酸磷酸化和Akt丝氨酸磷酸化均降低。进一步说明ERS可通过JNK通路活化导致细胞胰岛素受体信号通路抑制。

氧调节蛋白150（ORP150）是一种内质网分子伴侣，研究表明ORP150可保护细胞免受ERS所致损伤。Nakatani Y等[11]给予C57BL/KsJ-dbdb肥胖糖尿病鼠表达ORP150的腺病毒（Ad-ORP）后发现肝脏中ORP150表达明显增加，而且与表达绿色荧光蛋白（GFP）的腺病毒（Ad-GFP）处理者相比肝脏中ERS水平明显降低。采用正常血糖高胰岛素钳夹试验发现肝脏中ORP150过度表达可降低胰岛素抵抗，并可改善C57BL/KsJ-db/db鼠的葡萄糖耐量。此外，Ad-ORP处理鼠较Ad-GFP者IRS-1的酪氨酸磷酸化及Akt丝氨酸磷酸化明显增加。这些结果表明ORP150过度表达可降低肝脏中ERS水平，增强胰岛素信号，改善胰岛素抵抗和糖耐量。

上述资料表明，T2DM时胰岛β细胞过度的ERS可损伤β细胞分泌胰岛素的功能，甚至参与诱导β细胞调亡，而且ERS还可导致外周组织如肝脏中胰岛素信号转导通路受损，发生胰岛素抵抗。 2. 氧化应激与2型糖尿病

氧化应激是指活性氧簇（ROS）产生与内源性抗氧化防御系统对其的消除能力失去平衡，则过多的ROS氧化生物大分子，并最终导致细胞损伤。现认为T2DM时高血糖症诱导了氧化应激，而后者参与了胰岛β细胞功能受损、调亡及外周组织胰岛素抵抗的发生发展。 2.1 氧化应激与胰岛β细胞

对糖尿病患者及动物模型的研究发现糖尿病时氧化应激水平明显增高，而且由于胰岛β细胞中的抗氧化酶（如过氧化氢酶和谷胱苷肽过氧化物酶）表达相对较低，因而与其他组织相比β细胞对氧化应激更为敏感，提示氧化应激可能参与诱导了T2DM时胰岛β细胞功能损伤及调亡[12]。给于糖尿病动物模型，如C57BL/KsJ-db/db鼠和ZDF鼠等，抗氧化剂处理（如α硫辛酸等）可保护胰腺β细胞对抗氧化应激损伤，从而改善葡萄糖刺激的胰岛素分泌效应，减轻胰岛β细胞调亡，进一步说明氧化应激参与了糖尿病中β细胞功能损伤[13,14]。 目前对氧化应激损伤胰岛β细胞功能的具体机制尚不完全清楚。研究发现ROS可导致胰腺十二指肠同源异型盒（PDX-1）的mRNA水平降低，诱导PDX-1合成降低。在蛋白水平，氧化应激还可介导PDX-1 61和66位的丝氨酸磷酸化，影响PDX-1与DNA结合的活性，并增PDX-1蛋白的降解率和缩短其半衰期[15]。而且ROS还能导致PDX-1启动胰岛素基因的转录活性降低，从而使胰岛素合成减少。ROS对PDX-1基因表达及其活性的影响主要是通过激活JNK通路而实现的。此外，ROS可减少血浆谷胱苷肽（GSH）水平，并导致β细胞膜跨膜巯基氧化，进而损害胰岛β细胞膜的结构和功能，降低胰岛素的分泌。解偶联蛋白-2（UCP-2）可减少ROS生成，而且研究表明诱导UCP2表达上调可降低葡萄糖刺激的胰岛素分泌，并最终导致β细胞功能损伤[16]。采用反义寡核苷酸抑制UCP-2的表达可明显改善胰岛β细胞分泌胰岛素功能[17]，提示糖尿病时机体为对抗氧化应激诱导UCP2表达增加，而后者则参与了胰岛β细胞功能损伤过程。

此外，资料表明线粒体内的氧化应激是导致胰岛β细胞调亡的直接诱因[18]。ROS可通过细胞膜脂质过氧化及影响线粒体ATP生成，使细胞内游离钙离子增加，进而激活磷脂酶促进膜磷脂分解，并激活脂加氧酶和环加氧酶形成具有高度生物活性的炎性介质导致β细胞损伤调亡。

2.2 氧化应激与胰岛素抵抗

T2DM时氧化应激水平升高，不仅可导致胰岛β细胞功能受损及调亡，而且还参与了外周组织胰岛素抵抗的发生发展。研究发现氧化应激时被激活的多种应激敏感通路可能与胰岛素抵抗有关，如核因子-κB（NF-κB）、磷脂酰肌醇(-3)激酶（PI-3K）、p38丝裂原活化蛋白激酶（MAPK）及J NK通路等。IKK-β是调节NF-κB通路的一种丝氨酸激酶，其活化可抑制胰岛素的外周作用；而抑制IKKβ的活性可降低IRS-1丝氨酸磷酸化和增加酪氨酸磷酸化，改善胰岛素敏感性。采用基因敲除的方法研究发现IKKβ杂合子小鼠（IKKβ+/-）较同窝出生的小鼠（IKKβ+/+）对胰岛素更为敏感。PI-3K通路在胰岛素信号转导中具有重要作用，而氧化应激时作用在PI-3K上游的酪氨酸磷酸酶，及调节PI-3K信号通路的脂质磷酸酶（PIEN）被氧化失活，从而抑制糖尿病骨骼肌胰岛素信号转导中的PI-3K通路[20]。此外，氧化应激时H2O2含量增多，而后者可诱导L6肌肉细胞的p38 MAPK活化，抑制胰岛素信号转导通路，给予特异性的p38 MAPK抑制剂可逆转这种抑制作用。在中国仓鼠卵巢细胞中，氧化应激活化的JNK通路可增加IRS-1的丝氨酸磷酸化（307位）及抑制胰岛素刺激的酪氨酸磷酸化。因此，氧化应激诱导活化的多条通路均与外周胰岛素抵抗发生密切相关，其各通路之间可能还有交互作用，具体机制十分复杂，尚有待我们进一步研究证实。

总之，氧化应激在胰岛β细胞功能受损、调亡及外周胰岛素抵抗中均发挥了重要的作用，给予糖尿病患者抗氧化剂治疗可改善胰岛β细胞分泌胰岛素功能，增加外周组织胰岛素的敏感性，减轻胰岛素抵抗。 3. JNK通路与2型糖尿病

ERS和氧化应激导致T2DM胰岛β细胞功能损伤和外周胰岛素抵抗的机制均十分复杂，有许多的因子和通路被激活并发挥作用，而ERS和氧化应激均可通过诱导活化JNK通路参与T2DM的发生发展，阻断JNK通路可改善胰岛β细胞功能和胰岛素抵抗。 3.1 JNK通路与胰岛β细胞

Kaneto H等[21]发现在体外诱导小鼠胰岛发生氧化应激时先是JNK通路被活化，继而胰岛素基因被抑制。腺病毒介导的野生型JNK1（WT-JNK1）过度表达可抑制β细胞胰岛素基因表达和分泌，而显性负突变JNK1的过度表达（DN-JNK1）可改善氧化应激诱导的胰

岛素基因表达降低，提示β细胞中JNK通路被活化可导致胰岛素基因表达降低。进一步研究发现，将胰岛β细胞瘤细胞—HIT细胞暴露于氧化应激环境中，内源性表达的PDX-1和外源性绿色荧光蛋白（GFP）标记的PDX-1均从细胞核易位至细胞质中[22]。而加入DN-JNK1后可抑制氧化应激诱导的PDX-1易位，提示JNK通路活化影响了转录因子PDX-1的细胞核/质易位，致使PDX-1与胰岛素启动子结合的活性发生改变，抑制了胰岛素基因的表达[23]。总之，JNK通路活化诱导PDX-1活性的降低，抑制胰岛素基因转录，造成了β细胞功能受损。

既然JNK通路在T2DM胰腺β细胞功能受损中发挥着重要作用，所以选择性抑制JNK通路是否可对T2DM带来有益的效应引起了众多学者的关注[24]。Kaneto等[21]将表达DN-JNK的小鼠胰岛移植到链脲佐菌素（STZ）诱导的糖尿病Swiss裸鼠肾脏中，发现其较对照组小鼠血糖水平明显降低，而且胰岛中胰岛素mRNA水平相对受到了保护。此外，Kaneto等[25]还构建JIP-1-HIV-TAT-FITC多肽（简称JHTF），一种FITC标记的细胞膜通透性的JNK抑制性多肽，经腹腔注射到C57BL/KsJ-db/db鼠体内。研究发现尽管同对照鼠之间体重和摄食无明显差异，但接受JHTF处理鼠的非空腹血糖水平明显降低，而且葡萄糖耐量试验也显示JHTF处理鼠的糖耐量得到明显改善。

3.2 JNK通路与胰岛素抵抗

目前认为JNK是外周胰岛素作用的中心调节因子，JNK通路活化参与了肥胖及T2DM外周组织胰岛素抵抗的发生[26]。

Hirosumi J等[27]将饮食诱导（高脂喂养）肥胖鼠的JNK基因敲除（JNK-KO）后，发现其同野生型的肥胖鼠比较血糖及胰岛素水平均明显降低，而且IRS-1的丝氨酸磷酸化水平降低，胰岛素敏感性增加。对JNK靶向性突变的遗传性肥胖鼠（ob/ob）研究也发现了胰岛素信号通路改善，胰岛素敏感性增加，提示JNK缺陷可对饮食性及遗传性糖尿病动物模型高脂环境下的胰岛素抵抗起到一定程度的改善作用。

此外，采用腺病毒介导的显性负相型JNK（Ad-DN-JNK）或JNK抑制性多肽阻断JNK通路进一步证实了JNK在胰岛素抵抗中作用。Nakatani Y等[28]发现给予肥胖糖尿病动物模型—C57BL/KsJ-db/db鼠Ad-DN-JNK处理后非空腹血糖水平明显降低，胰岛素敏感性增强。此外，同对照组相比Ad-DN-JNK处理鼠肝脏中IRS-1丝氨酸磷酸化水平明显降低及酪氨酸磷酸化显著增加，而且Akt丝氨酸473位磷酸化是降低的；与之相反，正常鼠肝脏中JNK过度表达可降低胰岛素敏感性。Kaneto H等[25]将JNK抑制性多肽－JHTF注射到C57BL/KsJ-db/db鼠体内也观察到类似的结果。接受JHTF处理鼠的非空腹血糖水平明显降低，胰岛素敏感性和糖耐量显著改善，进一步研究发现JHTF处理鼠的胰岛素靶器官（肝脏、脂肪和肌肉）中IRS-1的307位丝氨酸磷酸化水平降低，酪氨酸磷酸化水平升高，Akt的473位丝氨酸和308位苏氨酸磷酸化水平也是增高的。这些结果提示阻断JNK通路可减轻肥胖糖尿病鼠的胰岛素抵抗及改善糖耐量，对T2DM来说是一种潜在性治疗途径。

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