MafA基因治療糖尿病的研究進展

　作者：趙勇,王道榮,湯東,李洪波　　作者單位：江蘇省蘇北人民醫(yī)院　胃腸外科(江蘇　揚州)

　　【摘要】糖尿病是一種嚴重危害人類健康的疾病。1型糖尿病主要因胰島β細胞破壞引起胰島素缺乏，2型糖尿病患者晚期也以胰島素分泌嚴重不足為主，需要外源性胰島素治療。MafA蛋白在胰腺中表達，是胰島素基因轉(zhuǎn)錄的有效活化劑。與Pdx-1和Beta2聯(lián)合作用，MafA基因發(fā)揮明顯的促胰島素生成作用。如果能利用MafA基因誘導(dǎo)糖尿病患者體內(nèi)胰腺外細胞表達胰島素，替代病變的胰腺β細胞，將極大的改善糖尿病患者的預(yù)后。
　　【關(guān)鍵詞】 基因，MafA•基因表達•糖尿病

　　糖尿病嚴重危害人類健康，發(fā)病率呈逐年升高趨勢。1型和2型晚期糖尿病患者都存在內(nèi)源性胰島素缺乏，目前臨床上的治療不能滿足重建患者胰島β細胞分泌功能的需求。人們曾嘗試移植胰島細胞來重建胰腺內(nèi)分泌功能，但移植排異、免疫抑制的副作用及手術(shù)并發(fā)癥等諸多因素制約了臨床的應(yīng)用和治療效果。胚胎干細胞和胰腺干細胞一度成為治療糖尿病的種子細胞，但又受到了取材不便和倫理學(xué)的限制。目前發(fā)現(xiàn)，MafA基因在Pdx-1、NeuroD等其他基因的聯(lián)合作用下，能夠誘導(dǎo)體外胰島素分泌，對糖尿病的治療有重大的意義
　　1　Maf蛋白的結(jié)構(gòu)和功能

　　Maf蛋白屬于巨噬細胞激活因子(macrophage-activating factor, Maf)家族，由4個包含N末端的酸性轉(zhuǎn)錄激活區(qū)域(acidic transc[x]ription activating domain TAD)的大Maf蛋白(MafAL-Maf，MafBKreisler，c-Maf和NRL)和3個包含bZIP的小Maf蛋白(MafF，MafG和MafK)組成[1-2]。其中MafA蛋白是胰島素基因轉(zhuǎn)錄的有效活化劑[3]。成年哺乳動物體內(nèi)只有胰腺β細胞表達胰島素，MafA蛋白的正常表達維持胰腺結(jié)構(gòu)和功能。MafA蛋白通過連接胰島基因啟動區(qū)域的順式作用元件RIPE3b響應(yīng)由血清葡萄糖水平調(diào)節(jié)的胰島素轉(zhuǎn)錄[4]。MafA蛋白缺乏的小鼠Pdx-1、Beta2及NeuroD轉(zhuǎn)錄因子的表達降低，β細胞與α細胞的比例降低，影響胰島素分泌[5]。
　　2　MafA基因在胰島素轉(zhuǎn)錄中的作用

　　胰島素基因在胰腺β細胞特異性表達，其轉(zhuǎn)錄受到循環(huán)中葡萄糖水平的調(diào)節(jié)。有資料報道未被鑒別出的β細胞特異性核因子結(jié)合到稱為RIPE3b的保守的順式調(diào)控元件，對葡萄糖調(diào)節(jié)的表達很重要[5-6]。RT-PCR分析顯示MafA mRNA只能在晶狀體和胰腺β細胞被檢測到[7]。MafA蛋白和MafA mRNA受葡萄糖調(diào)節(jié)，與β細胞核提取物中結(jié)合于RIPE3b元件的MafA相一致。在瞬時熒光(素)酶分析顯示MafA基因的表達增加了胰島素啟動子活性，同時引發(fā)來自MafA的顯性負相抑制[7]。因此，MafA基因可能涉及β細胞的功能和糖尿病的發(fā)病機制。
　　用MafA基因穩(wěn)定轉(zhuǎn)染胰島αTC6細胞，分析來自內(nèi)源性胰島素基因表達的研究發(fā)現(xiàn)，MafA基因在αTC6細胞異位表達誘導(dǎo)了可檢測的低水平的胰島素2mRNA，而其他可能的MafA應(yīng)答基因如Pdx-1和胰島素1沒有被有效的活化[1]。此外，胰高血糖素的表達沒有受到MafA基因的影響，表明MafA基因不干涉α細胞濃縮的MafB介導(dǎo)的激活作用。并且還發(fā)現(xiàn)MafA基因缺乏小鼠的胰島素1和胰島素2轉(zhuǎn)錄均顯著減少[4]。
　　Kajihara等[8]發(fā)現(xiàn)磷酸化與MafA基因大的激活活性有很大的關(guān)系，資料顯示磷酸化后MafA基因的轉(zhuǎn)錄活性和或在細胞外信號的穩(wěn)定性發(fā)生很大變化。
　　Jeffrey等[9]提出了MafA基因第三區(qū)的概念，認為在大鼠、小鼠和人的MafA基因第五側(cè)翼區(qū)已經(jīng)有6個領(lǐng)域的作用被確認，然而只有位于小鼠MafA基因核苷酸-8118和-7750之間的第三區(qū)有能力獨立表達胰腺選擇性β細胞系的報告基因。在哺乳動物中，第三區(qū)是保守的區(qū)域。用于第三區(qū)的因子可以直接使MafA基因轉(zhuǎn)錄至β細胞。Jeffrey等[9]認為，掌握第三區(qū)介導(dǎo)的活化，有助于深刻認知那些特殊的或者是新的轉(zhuǎn)錄因子在調(diào)節(jié)MafA基因的轉(zhuǎn)錄和胰腺發(fā)育過程中的作用，從而了解胰島素缺乏和糖尿病的遺傳缺陷。
　　3　MafA基因缺乏時胰島素分泌的調(diào)節(jié)和機制

　　已有研究證實轉(zhuǎn)錄因子MafA是胰島素分泌和胰島結(jié)構(gòu)維護的一個重要的調(diào)節(jié)因子[10]。胰島素的轉(zhuǎn)錄在MafA基因缺乏小鼠中明顯減少，但在胰腺中卻顯示正常水平，主要是因為MafA基因作為轉(zhuǎn)錄因子與胰島素基因的促進因子相關(guān)聯(lián)， MafA基因可以通過調(diào)節(jié)胰島素基因的轉(zhuǎn)錄來調(diào)節(jié)血清葡萄糖水平[11-15]。這些結(jié)果表明，MafA基因是體內(nèi)的胰島素轉(zhuǎn)錄重要的調(diào)節(jié)因子。與同種類型正常胰腺相比， MafA--的胰腺中胰島素水平并沒有明顯的減少，這種矛盾的觀點可以用兩種假設(shè)來解釋。異常的葡萄糖刺激胰島素分泌(glucose stimulated insulin secreion，GSIS)系統(tǒng)是一種可能，因為MafA基因缺乏小鼠的GSIS系統(tǒng)是受損的，使得胰島素的分泌減少，而受損的GSIS系統(tǒng)對MafA--胰腺穩(wěn)定期的胰島素水平卻沒有明顯的影響。另外一種可能就是對胰島素合成調(diào)節(jié)的過轉(zhuǎn)錄。Leroux等[16]報道，即使胰島素2轉(zhuǎn)錄的量沒有變化，在胰島素1不足的小鼠體內(nèi)，胰島素2的量仍較正常小鼠增加，推測胰島素合成調(diào)節(jié)中存在過轉(zhuǎn)錄。MafA基因缺乏對胚胎時期胰島的生長沒有直接的影響，這與Pdx-1和Beta2突變導(dǎo)致的結(jié)果形成了鮮明的對比。Pdx-1和Beta2對于體外的胰島素基因表達同樣重要，這些因子的缺乏會導(dǎo)致活體內(nèi)胰島發(fā)育的異常。Kataoka等[11]報道MafA基因在胰島細胞中的初表達是在胚胎發(fā)育第13.5天。但是在這一時期并沒有檢測到Nkx6.1無效突變體，推測MafA基因處于Nkx6.1的下游[14]。
　　研究表明，MafA基因缺乏小鼠的胰島對葡萄糖、精氨酸和氯化鉀不能給予相應(yīng)的應(yīng)答。GSIS包括離子型和非離子型兩條刺激通路。離子型的葡萄糖刺激通路(K+ ATP通道關(guān)閉，膜去極化，電壓調(diào)控的L型Ca2+通道激活，Ca2+流入，細胞質(zhì)中Ca2+增多)對β細胞胰島素的分泌發(fā)揮了主要作用。非離子型葡萄糖刺激通路也有重要的生理學(xué)意義(K+ ATP通道依賴性葡萄糖活動)。β細胞中cAMP蛋白激酶A途徑的激活能夠刺激胰島素的分泌，其發(fā)生機制是GLP-1增加了Ca2+的流入，從而促進了末端胰島素的分泌[17]。精氨酸和氯化鉀在葡萄糖存在的情況下也可以促進胰島素的分泌，兩者可以直接使β細胞膜去極化，激活Ca2+通道，刺激胰島素分泌。MafA基因缺乏小鼠和胰島異常對于葡萄糖、精氨酸和氯化鉀的無應(yīng)答，表明離子型和非離子型通道都受到影響。Samaras等[6]研究證實，Pdx-1的表達受到β細胞中的MafA基因的調(diào)節(jié)，因此可以用Pdx-1的減量調(diào)節(jié)來解釋在MafA基因缺乏小鼠中觀察到的異常的GSIS系統(tǒng)。
　　4　MafA和Pdx-1或Beta2等轉(zhuǎn)錄因子產(chǎn)生協(xié)同激活作用
　　內(nèi)源性胰島素轉(zhuǎn)錄的激活作用主要由分別結(jié)合到A3 (-201～-196 bp)、C1(-126～-101 bp)和 E1 (-100～ -91 bp)的Pdx-1、MafA和Beta2來控制[18]。MafA基因只在成人胰島的β細胞中表達，而Pdx-1和Beta2不局限于β細胞，還可存在于δ細胞的亞型。資料顯示， MafA基因似乎是由C1介導(dǎo)激活作用的主要調(diào)節(jié)劑; Pdx-1和Beta2因子控制由葡萄糖調(diào)節(jié)的胰島素基因的轉(zhuǎn)錄，同樣是β細胞功能的主要調(diào)節(jié)劑[19]。
　　MafA基因單獨作用對胰島素的轉(zhuǎn)錄影響不大，但與Pdx-1、Beta2三者聯(lián)合，則能顯著促胰島素生成。胰島素基因的β細胞的限制性表達是MafA、Pdx-1和Beta2這3個轉(zhuǎn)錄因子協(xié)同作用的結(jié)果。MafA基因和Pdx-1、Beta2之間直接的協(xié)同作用通過各自的順式作用因子和(或)共同激活作用增強了跨因子之間的親和力，從而穩(wěn)定了DNA蛋白質(zhì)復(fù)合物[20]。然而三者之間活性的協(xié)同作用并不是很明了。Nishimura等[21]發(fā)現(xiàn)，MafA基因缺乏小鼠會發(fā)展成年齡依賴型糖尿病。這種小鼠出生時胰島形態(tài)結(jié)構(gòu)是正常的，隨著年齡增長，其GSIS和胰島形態(tài)結(jié)構(gòu)逐漸異常。胰島素和葡萄糖轉(zhuǎn)錄子2(GLUT2，一種β細胞內(nèi)葡萄糖傳感系統(tǒng)的重要組成部分)在MafA基因缺乏小鼠的胰島中的表達降低。提示MafA基因不僅影響胰島素的轉(zhuǎn)錄，對胰島中β細胞的擴散與存在也有關(guān)鍵作用[22]。
　　MafA基因?qū)?beta;細胞的作用可以通過在β細胞和非β細胞中的過表達來實現(xiàn)[5,23]。MafA基因能夠?qū)ι婕?beta;細胞功能(如胰島素的合成和分泌)和葡萄糖代謝的其他基因(包括激素原轉(zhuǎn)化酶、K離子通道的亞基Kir6.2和SUR1、胰高血糖素樣肽1受體、GLUT2、葡萄糖激酶和丙酮酸羧化酶)進行調(diào)節(jié)。MafA基因同樣調(diào)節(jié)Pdx-1、Beta2和Nkx6.1等其他β細胞轉(zhuǎn)錄因子的表達。因此在維持β細胞功能方面，MafA是關(guān)鍵基因。
　　有觀點認為非β細胞(如肝臟細胞)中的MafA，Pdx-1和Beta2表達的同聲傳譯誘導(dǎo)內(nèi)源性胰島素基因和其他β細胞特殊基因(如葡萄糖激酶、K離子通道的亞基Kir6.2和SUR1)一些研究表明，MafA、Pdx-1和Beta2可能成為治療糖尿病不錯的潛在的靶基因[5，24]。
　　5　MafA基因?qū)σ认偻饧毎磉_胰島素的誘導(dǎo)

　　MafA基因的作用使人們對其能否誘導(dǎo)胰島外細胞表達胰島素充滿興趣。Hideaki等[25]在鏈脲酶素誘導(dǎo)的糖尿病鼠模型中發(fā)現(xiàn)，腺病毒轉(zhuǎn)染的Pdx-1、Beta2NeuroD和MafA可以誘導(dǎo)胰島素啟動子的活性，并且在肝臟胰島素基因表達中發(fā)揮強的協(xié)同作用，但未觀察MafA基因單獨作用的結(jié)果。Nomura等[26]研究了MafA基因單獨作用于體內(nèi)腸上皮細胞誘導(dǎo)胰島素表達的情況，結(jié)果顯示單獨表達MafA基因可以使鼠腸細胞分化為胰腺生成細胞。他們還發(fā)現(xiàn)MafA基因可以誘導(dǎo)包括GLP-1和GIP生成細胞等15種不同腸內(nèi)分泌細胞產(chǎn)生胰島素。腺病毒轉(zhuǎn)染的MafA基因治療的糖尿病鼠體內(nèi)，10%腸內(nèi)分泌細胞產(chǎn)生的胰島素水平與空腸內(nèi)GLP-1或GIP生成細胞產(chǎn)生胰島素的水平相當。
　　6　結(jié)語

　　在Pdx-1、NeuroD等因子的聯(lián)合作用下，MafA基因?qū)w內(nèi)胰島素水平的調(diào)控發(fā)揮關(guān)鍵作用。糖尿病小鼠模型經(jīng)過腺病毒轉(zhuǎn)染MafA基因，靶器官能夠分泌胰島素，使血糖下降，為利用MafA基因治療糖尿病提供了動物實驗依據(jù)。體內(nèi)的肝臟、肌肉、腦下垂體、造血干細胞和胃腸細胞都是胰島素生成細胞再生的靶器官，為基因治療提供了廣闊的空間。利用MafA基因誘導(dǎo)胰島外細胞產(chǎn)生胰島素有可能成為治療各型糖尿病的新途徑。
　　【參考文獻】
　　[1] Benkhelifa S. Provot S. Lecoq O, et al. MafA, a novel member of the maf proto-oncogene family, displays developpmental regulation and mitogenic capacity in avian neuroretina cells[J]. Oncogene, 1998,17(2) 247-254.

　　[2] Ogino H, Yasuda K. Induction of lens differentiation by activation of a bZIP transc[x]ription factor, L-Maf[J]. Science, 1998,280(5360)115-118.

　　[3] Kataoka K, Han SI, Shioda S, et al. MafA is a glucose-regulated and pancreatic beta-cell-specific transc[x]riptional activator for the insulin gene[J]. J Biol Chem, 2002,277(51)49903-49910.

　　[4] Moates JM, Nanda S, Cissell MA, et al. BETA2 activates transc[x]ription from the upstream glucokinase gene promoter in islet beta-cells and gut endocrine cells[J]. Diabetes, 2003,52(2)403-408.

　　[5] Kaneto H, Matsuoka TA, Nakatani Y, et al. A crucial role of MafA as a novel therapeutic target for diabetes[J]. J Biol Chem, 2005,280(18)15047-15052.

　　[6] Samaras SE, Zhao L, Means A, et al. The islet β cell-enriched RIPE3b1Maf transc[x]ription factor regulates pdx-1 ex[x]pression[J]. J Biol Chem, 2003 278(14)12263-12270.

　　[7] Nathan L, Vanderford, Sreenath S, et al. Glucose Induces MafA ex[x]pression in Pancreatic Beta Cell Lines Via the Hexosamine Biosynthetic Pathway[J]. J Biol Chem, 2007, 282(3)1577-1584.

　　[8] Kajihara M, Sone H, Amemiya M, et al. Mouse MafA, homologue of zebrafish somite Maf 1, contributes to the specific transc[x]riptional activity through the insulin promoter[J]. Biochem Biophys Res Comun, 2003, 312(3)831-842.

　　[9] Jeffrey C, Raum. KG, Artner I, et al. Newgard, and roland stein FoxA2, Nkx -2.2, and PDX-1 regulate islet β-cell-specific MafA ex[x]pression through conserved sequences located between ba[x]se pairs _8118 and _7750 upstream from the transc[x]ription start site[J]. Mol Cell Biol, 2006, 26 (15)5735-5743.

　　[10] Zhang C, Moriguchi T, Kajihara M, et al. MafA is a key regulator of glucose-stimulated insulin secretion[J]. Mol Cell Biol doi, 2005, 25(12) 4969-4976.

　　[11] Kataoka K, Shioda S, Ando K, et al. Differentially expressed Maf family transc[x]ription factors, c-maf and MafA, activate glucagons and insulin gene ex[x]pression in pancreatic islet alpha-and beta-cell[J]. J Mol Endocrionl, 2004, 32(1)9-20.

　　[12] Kajihara MH, Sone M, Amemiya, et al. Mouse MafA, homologue of zebrafish somite Maf 1, contributes to the specific transc[x]riptional activity through the insulin promoter[J]. Biochem Biophys Res Commun, 2003, 312(3)831-842.

　　[13] Kataoka K, Han SI, Shioda S, et al. MafA is a glucose-regulated and pancreatic β-cell-specific transc[x]riptional activator for the insulin gene[J]. J Biol Chem, 2002, 277(51)49903-49910.

　　[14] Matsuoka TA, Artner I, Henderson E, et al. The MafA transc[x]ription factor appears to be responsible for tissue-specific ex[x]pression of insulin[J]. Proc Natl Acad Sci USA, 2004, 101(9)2930-2933.

　　[15] Olbrot M, Rud J, Moss LG, et al. Identification of β-cell-specific insulin gene transc[x]ription factor RIPE3b1 as mammalian MafA[J]. Proc Natl Acad Sci USA, 2002, 99(10)6737-6742.

　　[16] Leroux L, Desbois P, Lamotte L, et al. Compensatory responses in mice carrying a null mutation for Ins1 or Ins2[J]. Diabetes, 2001, 50(1)S150-153.

　　[17] Komatsu M, Schermerhorn T, Aizawa T, et al. Glucose stimulation of insulin release in the absence of extracellular Ca2+ and in the absence of any increase in intracellular Ca2+ in rat pancreatic islets[J]. Proc. Natl Acad Sci USA, 1995, 92(23)10728-10732.

　　[18] Melloul D, Marshak S, Cerasi E. Regulation of insulin gene transc[x]ription[J]. Diabetologia, 2002, 45(3)309-326.

　　[19] Matsuoka TA, Zhao L, Artner I, et al. Members of the large Maf transc[x]ription family regulate insulin gene transc[x]ripttion in islet βcells[J]. Mol Cell Biol, 2003, 23(17)6049–6062.

　　[20] Zhao L, Guo M, Matsuoka TA, et al. The islet beta-cell enriched MafA activator is a key regulator of insulin gene transc[x]ription[J]. J Biol Chem, 2005, 280(12)11887-11894.

　　[21] Nishimura W, Kondo T, Salameh T, et al. A switch from MafB to MafA ex[x]pression accompanies differentiation to pancreatic beta-cells[J].Dev Biol, 2006, 293(2)526-539.

　　[22] Aramata S, Han SI, Kataoka K. Roles and regulation of transc[x]ription factor MafA in islet beta-cell[J].Endocr J, 2007, 54(5)659-666.

　　[23] Wang H, Brun T, Kataoka K, et al. MAFA controls genes implicated in insulin biosynthesis and secretion[J]. Diabetologia, 2007, 50(2)348-358.

　　[24] Song YD, Lee EJ, Yashar P, et al. Islet cell differentiation in liver by combinatorial ex[x]pression of transc[x]ription factors neurogenin-3, BETA2 and RIPE3b1[J]. Biochem Biophys Res Commun, 2007, 354(2)334-339.

　　[25] Kaneto H, Matsuoka T, Nakatani Y, et al. A crucial role of MafA as a novel therapeutic target for diabetes[J]. J Biol Chem, 2005, 280(15)15047-15052.

　　[26] Nomura S, Nakamura T, Hashimoto T, et al. A MafA differentiates rat intestinal cells into insulin-producing cells[J]. Biochem Biophys Res Commun, 2006, 349(1)136-143.