Txnip与胰腺β细胞功能障碍和细胞凋亡

2型糖尿病是一种因胰岛细胞功能障碍和β细胞凋亡导致胰岛素抵抗和胰岛素敏感性下降的常见代谢性疾病，严重影响人类的健康和生活。流行病学研究发现，2型糖尿病形成的早期会出现血糖水平异常升高，而高糖会诱导胰腺 β细胞过度分泌胰岛素来满足身体的需要，这不仅是胰腺 β细胞凋亡和障碍并最终导致 2型糖尿病的元凶，也是引起多种糖尿病并发症的重要致病因素。近年来，人们研究发现，硫氧还蛋白相互作用蛋白(thioredoxin-interacting protein，Txnip)不仅对糖脂代谢有重要的调节作用，而且与胰腺 β细胞凋亡和功能障碍密切相关，是影响 2型糖尿病形成和发展的重要分子[1]。

Txnip，又称维生素 D3上调蛋白(vitamin D3-upregulated gene 1，VDUP1)，最早发现于1,25-二羟维生素D3处理的HL-60细胞中[2]。1999年，Nishiyama等在酵母双杂交系统中发现Txnip能够与硫氧还蛋白(thioredoxin，Trx)结合，又将其命名为硫氧还蛋白相互结合蛋白-2(thioredoxinbindingprotein-2，TBP-2)，并首次提出Txnip可能与细胞内氧化应激有关，掀起了人们对Txnip研究的热潮[3]。3年后，Shalev等利用基因芯片技术证实，高糖可以明显上调胰腺β细胞中Txnip表达[4]。而且，在胰岛素抵抗的糖尿病小鼠模型中，Txnip蛋白水平也异常升高[5]。同时，大量流行病学统计结果表明，在高血脂和高血糖的患者血浆中，Txnip的水平也明显高于正常人[6]。与此同时，人们还研究证实，过表达Txnip能引起胰岛β细胞功能障碍和细胞凋亡；但敲除Txnip基因却能明显拮抗高糖诱导的胰腺 β细胞损伤和功能障碍，并显著改善胰岛素抵抗和2型糖尿病及其并发症症状。因此，Txnip正逐渐成为2型糖尿病及其并发症研究的重要靶点。

1 Txnip表达与调控

人 Txnip蛋白编码于1q21.1染色体，由391个氨基酸残基组成，分子量为46 KD，可分为硫氧还蛋白(thioredoxin，Trx)、还原型辅酶Ⅱ (n i cotinamide adenine dinucleotide phosphate，NADPH)和硫氧还蛋白还原酶(thioredoxinreductase，TrxR)3部分[7]。作为细胞内氧化还原系统的重要调节者，Txnip在β细胞内的表达水平对β细胞的功能和凋亡有着重要的影响，并与 2型糖尿病及其并发症的发生和发展密切相关。因此，调控Txnip表达也逐渐成为了2型糖尿病防治的一个新方向。

分子生物学研究结果显示，调节Txnip基因表达的关键位点是位于其启动子附近的碳水化合物应答元件结合蛋白(carbohydrate response element binding protein，CHREBP)的结合位点[8]。高糖和高营养都可以通过激活蛋白磷酸酶 2A(protein phosphatase 2A，PP2A)和抑制AMP依赖的蛋白激酶(AMP-dependent protein kinase，AMPK)的磷酸化，从而介导CHREBP的去磷酸化和活化。激活的CHREBP进入细胞核与其同源物MondoA-Max样蛋白(Max-like protein，MIX)形成复合物，由糖酵解形成的一些中间产物可以诱导CHREBP/Mondo A-Max复合物与Txnip启动子上的碳水化合物应答元件(carbohydrate response element，ChRE)结合，促进 Txnip 表达[9]。近年来，研究人员还在β细胞中发现了另一个Txnip转录的负调控因子 FoxO1(forkhead box O1)，它与CHREBP竞争性地同 Txnip启动子结合，抑制Txnip的转录；而且，调节FoxO1表达可逆转高糖诱导的 Txnip蛋白水平上调，减少高糖诱导的 β细胞损伤[10]。

除了从mRNA水平上对Txnip的表达进行调控外，也有从蛋白水平调节 Txnip的报道。Bompada等在胰腺 β细胞中发现，高糖可通过促进组织蛋白的乙酰化而上调Txnip的表达[11]。Wu等发现，AMPK不仅可以通过CHREBP从转录水平对Txnip的表达进行调控，在高糖刺激的肝脏细胞中，AMPK激动剂还能促进 Txnip磷酸化而加速其降解，但其加速 Txnip降解的机制还尚不明确；同时，AMPK也可以通过 GLP-1/cyclicAMP信号通路促使Txnip经蛋白酶体途径降解，降低细胞内Txnip水平[12]。

2 Txnip与胰腺β细胞凋亡

细胞的氧化还原稳态对调节细胞的各种生理功能至关重要，同时也影响着机体健康。Trx系统是调节细胞氧化还原的重要体系，它包括 Trx和TrxR。Trx是一种硫醇-氧化还原酶，是细胞内抗氧化系统的重要组成部分，Trx通过自身2个半胱氨酸基团被氧化来减少细胞内其他蛋白的氧化而发挥抗氧化的作用，当其本身被氧化而失活时，失活的Trx再通过TrxR的还原作用而恢复活性，形成一个抗氧化的循环系统[13]。同时，Trx还能直接降解细胞中的H2O2，直接发挥其抗氧化作用[14]。

众所周知，Txnip是Trx的内源性抑制剂，在调控细胞内的氧化还原稳态中具有十分重要的作用。在胰腺β细胞中，Txnip蛋白水平受到细胞内葡萄糖浓度的调节。与此同时，Txnip也是葡萄糖诱导ROS生成和β细胞通过线粒体途径凋亡的关键调节剂。在胰腺 β细胞中，Txnip结合并抑制Trx1的活性诱导氧化应激，其作用机制是 Txnip通过半胱氨酸247与Trx的半胱氨酸32结合，形成二硫键[7]，抑制Trx活性，干扰其抗氧化的能力，诱导氧化应激，增强细胞的氧化性氧化还原电位，从而介导β细胞凋亡[15]。大量研究表明，Txnip还参与一些关键的氧化还原信号通路，例如与细胞内炎症反应相关的 ROS/Txnip/NLRP3 (NOD-like receptor pyrin domain-containing 3)信号通路[16]。在胰腺 β细胞中，高糖诱导细胞内氧化应激增强，显著上调细胞内ROS水平，ROS进一步引起Txnip从Trx解离[17]，产生“游离”Txnip，激活NLRP3炎症小体。NLRP3是一种大分子复合物，当细胞内发生氧化还原应激时，Txnip可以激活NOD样受体(NOD-like receptor，NLR)，激活无活性的半胱天冬酶-1(caspase-1)前体转化为有活性的胱冬肽酶-1，后者介导白细胞介素-1β (interleukin-1β，IL-1β)分泌，并诱导β细胞凋亡。

近来，研究人员又发现了另一个Txnip介导β细胞凋亡的途径。基于Txnip与Trx相互作用和作为细胞氧化应激的调控者，Txnip最初被认定位于细胞质中。然而，随后几项研究发现Txnip可在细胞内“穿梭”，根据细胞内位置的不同发挥不同的效应。Forred等指出，在正常状态下Txnip主要累积于 β细胞的细胞核，当细胞受到刺激发生氧化应激时，Txnip通过与importin-α(一种细胞核转运蛋白)结合从细胞核转移到线粒体中，参与Txnip/Trx2/ASK1线粒体细胞凋亡通路[15]。

细胞凋亡信号调节激酶 1(apoptosis signal regulating kinase，ASK1)为丝裂原活化蛋白(MAP)激酶激酶激酶，激活 c-Jun N末端激酶(c-jun N-terminal kinase，JNK)和 p38 MAP 激酶途径[18]，是肿瘤坏死因子(tumor necrosis factor-α，TNF-α)诱导癌细胞凋亡所必需的蛋白。有研究发现，过表达Txnip会诱导细胞凋亡，其作用机制主要是通过破坏 Trx2-ASK1复合物，激活 ASK1-JNKs和p38 MAP激酶途径，这不仅破坏细胞抗氧化防御机制，诱导促炎介质如TNF-α或 IL-1β的释放，引起细胞周期阻滞及细胞凋亡[16]，而且，还会激活 ASK1依赖的线粒体凋亡通路。在线粒体内，Txnip和ASK1竞争性与Trx2结合，释放并激活ASK1，使线粒体释放细胞色素C和切割caspase-3，导致线粒体功能失调和激活线粒体细胞凋亡通路，诱导胰岛 β细胞凋亡。相反，在小鼠原代胰岛细胞和INS-1细胞系上发现，Txnip敲除可以明显增加细胞内Trx2-ASK1复合物水平，抑制ASK1磷酸化，减少β细胞凋亡[19]。

3 Txnip与胰腺β细胞功能障碍

除了介导氧化应激和线粒体凋亡通路外，Txnip还通过一些其他途径调节胰腺β细胞分泌胰岛素细胞增殖和葡萄糖吸收等功能。在内质网上，Txnip与蛋白质二硫化物异构酶结合(protein disulfide isomerases，PDIs)，增强 PDIs的活性和调节未折叠蛋白反应(unfolded protein response，UPR)，限制蛋白质泛素化，间接地调节内质网功能，进而影响β细胞功能障碍[14]。此外，Txnip介导的内质网应激还会影响β细胞自噬，引起β细胞发生程序性死亡，从而介导β细胞功能障碍[20-21]。

Txnip的另外一个重要功能是调节胰腺β细胞分泌胰岛素。研究人员发现通过基因敲除获得的瘦素缺乏的BTBRob/ob小鼠，不仅会产生严重的肥胖和胰岛素抵抗，而且还会导致严重的糖尿病，通常在14～16周龄自然死亡。然而，当Txnip基因敲除后，却能够保护这些模型BTBRob/ob小鼠，减少糖尿病形成，并且使其血糖水平在 6个月完全正常化；此外，Txnip基因敲除的HcB-19小鼠胰岛 β细胞的数量和体积都明显增加，血浆中胰岛素水平也显著上升。Masson等发现Txnip干扰的糖尿病小鼠体内高血糖症和糖耐量明显改善；相反地，过表达Txnip却明显抑制葡萄糖诱导ATP产生和胰岛素分泌[5,22]。Koenen等在人和小鼠脂肪组织中发现，高糖可以通过Txnip上调脂肪组织中的胱冬肽酶-1介导1L-1β mRNA水平升高，进而引起胰岛素抵抗[23]。此外，无论是在大鼠原代胰岛细胞、INS-1细胞系，还是糖尿病大鼠模型(B6-obese, BTBRob/ob，A-ZIP/F-1)中，Txnip都可以通过miR-204直接调节胰岛β细胞中胰岛素转录因子MafA的活性，影响胰岛素基因的表达，从而抑制胰岛素的分泌[24]。上述这些研究结果表明，Txnip表达与葡糖糖代谢和胰岛素分泌有着重要的联系。

4 结语与展望

2型糖尿病是一种严重影响人类健康的代谢性疾病[25]，尽管目前 2型糖尿病的治疗取得了一些进展[26]，但是大部分治疗方式都是通过控制血糖水平来延缓和控制 2型糖尿病及其并发症的发生和发展，缺乏从根本上改善胰岛 β细胞功能障碍和细胞凋亡的治疗方式和药物。寻找新的防治2型糖尿病的有效靶点和治疗方式成为了当前 2型糖尿病研究的重要任务。

越来越多的研究结果表明，Txnip对胰岛素敏感性的改变、胰岛素分泌、葡萄糖吸收、β细胞凋亡和 2型糖尿病及其并发症都有着重要的影响。尽管到目前为止，基于Txnip的2型糖尿病药物还未面世，但随着研究人员对相关作用机制的进一步深入研究，越来越多基于Txnip的2型糖尿病防治策略和先导化合物将会被发现，Txnip因其多功能的特点也将成为 2型糖尿病及其并发症药物研发的重要靶点。

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