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(yáng)州)
【摘要】糖尿病是一種嚴(yán)重危害人類健康的疾病。1型糖尿病主要因胰島β細(xì)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(yán)重不足為主，需要外源性胰島素治療。MafA蛋白在胰腺中表達(dá)，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(xì)胞表達(dá)胰島素，替代病變的胰腺β細(xì)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(dá)•糖尿病
糖尿病嚴(yán)重危害人類健康，發(fā)病率呈逐年升高趨勢(shì)。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(xì)胞分泌功能的需求。人們?cè)鴩L試移植胰島細(xì)胞來(lái)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(xì)胞和胰腺干細(xì)胞一度成為治療糖尿病的種子細(xì)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(duì)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(xì)胞激活因子(macrophage-activating factor, Maf)家族，由4個(gè)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(gè)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(dòng)物體內(nèi)只有胰腺β細(xì)胞表達(dá)胰島素，MafA蛋白的正常表達(dá)維持胰腺結(jié)構(gòu)和功能。MafA蛋白通過(guò)連接胰島基因啟動(dòng)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(dá)降低，β細(xì)胞與α細(xì)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(xì)胞特異性表達(dá)，其轉(zhuǎn)錄受到循環(huán)中葡萄糖水平的調(diào)節(jié)。有資料報(bào)道未被鑒別出的β細(xì)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(duì)葡萄糖調(diào)節(jié)的表達(dá)很重要[5-6]。RT-PCR分析顯示MafA mRNA只能在晶狀體和胰腺β細(xì)胞被檢測(cè)到[7]。MafA蛋白和MafA mRNA受葡萄糖調(diào)節(jié)，與β細(xì)胞核提取物中結(jié)合于RIPE3b元件的MafA相一致。在瞬時(shí)熒光(素)酶分析顯示MafA基因的表達(dá)增加了胰島素啟動(dòng)子活性，同時(shí)引發(fā)來(lái)自MafA的顯性負(fù)相抑制[7]。因此，MafA基因可能涉及β細(xì)胞的功能和糖尿病的發(fā)病機(jī)制。
用MafA基因穩(wěn)定轉(zhuǎn)染胰島αTC6細(xì)胞，分析來(lái)自內(nèi)源性胰島素基因表達(dá)的研究發(fā)現(xiàn)，MafA基因在αTC6細(xì)胞異位表達(dá)誘導(dǎo)了可檢測(cè)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(méi)有被有效的活化[1]。此外，胰高血糖素的表達(dá)沒(méi)有受到MafA基因的影響，表明MafA基因不干涉α細(xì)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(xì)胞外信號(hào)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(rèn)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(gè)領(lǐng)域的作用被確認(rèn)，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(dú)立表達(dá)胰腺選擇性β細(xì)胞系的報(bào)告基因。在哺乳動(dòng)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(xì)胞。Jeffrey等[9]認(rèn)為，掌握第三區(qū)介導(dǎo)的活化，有助于深刻認(rèn)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(guò)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(shí)胰島素分泌的調(diào)節(jié)和機(jī)制
已有研究證實(shí)轉(zhuǎn)錄因子MafA是胰島素分泌和胰島結(jié)構(gòu)維護(hù)的一個(gè)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?yàn)镸afA基因作為轉(zhuǎn)錄因子與胰島素基因的促進(jìn)因子相關(guān)聯(lián)， MafA基因可以通過(guò)調(diào)節(jié)胰島素基因的轉(zhuǎn)錄來(lái)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(méi)有明顯的減少，這種矛盾的觀點(diǎn)可以用兩種假設(shè)來(lái)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?yàn)镸afA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(duì)MafA--胰腺穩(wěn)定期的胰島素水平卻沒(méi)有明顯的影響。另外一種可能就是對(duì)胰島素合成調(diào)節(jié)的過(guò)轉(zhuǎn)錄。Leroux等[16]報(bào)道，即使胰島素2轉(zhuǎn)錄的量沒(méi)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(cè)胰島素合成調(diào)節(jié)中存在過(guò)轉(zhuǎn)錄。MafA基因缺乏對(duì)胚胎時(shí)期胰島的生長(zhǎng)沒(méi)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(duì)比。Pdx-1和Beta2對(duì)于體外的胰島素基因表達(dá)同樣重要，這些因子的缺乏會(huì)導(dǎo)致活體內(nèi)胰島發(fā)育的異常。Kataoka等[11]報(bào)道MafA基因在胰島細(xì)胞中的初表達(dá)是在胚胎發(fā)育第13.5天。但是在這一時(shí)期并沒(méi)有檢測(cè)到Nkx6.1無(wú)效突變體，推測(cè)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(duì)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(xì)胞質(zhì)中Ca2+增多)對(duì)β細(xì)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(dòng))。β細(xì)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(jī)制是GLP-1增加了Ca2+的流入，從而促進(jìn)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(jìn)胰島素的分泌，兩者可以直接使β細(xì)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(duì)于葡萄糖、精氨酸和氯化鉀的無(wú)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(shí)，Pdx-1的表達(dá)受到β細(xì)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(lái)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(lái)控制[18]。MafA基因只在成人胰島的β細(xì)胞中表達(dá)，而Pdx-1和Beta2不局限于β細(xì)胞，還可存在于δ細(xì)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(xì)胞功能的主要調(diào)節(jié)劑[19]。
MafA基因單獨(dú)作用對(duì)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(xì)胞的限制性表達(dá)是MafA、Pdx-1和Beta2這3個(gè)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(guò)各自的順式作用因子和(或)共同激活作用增強(qiáng)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(huì)發(fā)展成年齡依賴型糖尿病。這種小鼠出生時(shí)胰島形態(tài)結(jié)構(gòu)是正常的，隨著年齡增長(zhǎng)，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(xì)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(dá)降低。提示MafA基因不僅影響胰島素的轉(zhuǎn)錄，對(duì)胰島中β細(xì)胞的擴(kuò)散與存在也有關(guān)鍵作用[22]。
MafA基因?qū)?beta;細(xì)胞的作用可以通過(guò)在β細(xì)胞和非β細(xì)胞中的過(guò)表達(dá)來(lái)實(shí)現(xiàn)[5,23]。MafA基因能夠?qū)ι婕?beta;細(xì)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(jìn)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(xì)胞轉(zhuǎn)錄因子的表達(dá)。因此在維持β細(xì)胞功能方面，MafA是關(guān)鍵基因。
有觀點(diǎn)認(rèn)為非β細(xì)胞(如肝臟細(xì)胞)中的MafA，Pdx-1和Beta2表達(dá)的同聲傳譯誘導(dǎo)內(nèi)源性胰島素基因和其他β細(xì)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(cuò)的潛在的靶基因[5，24]。
5 MafA基因?qū)σ认偻饧?xì)胞表達(dá)胰島素的誘導(dǎo)
MafA基因的作用使人們對(duì)其能否誘導(dǎo)胰島外細(xì)胞表達(dá)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(dòng)子的活性，并且在肝臟胰島素基因表達(dá)中發(fā)揮強(qiáng)的協(xié)同作用，但未觀察MafA基因單獨(dú)作用的結(jié)果。Nomura等[26]研究了MafA基因單獨(dú)作用于體內(nèi)腸上皮細(xì)胞誘導(dǎo)胰島素表達(dá)的情況，結(jié)果顯示單獨(dú)表達(dá)MafA基因可以使鼠腸細(xì)胞分化為胰腺生成細(xì)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(xì)胞等15種不同腸內(nèi)分泌細(xì)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(xì)胞產(chǎn)生的胰島素水平與空腸內(nèi)GLP-1或GIP生成細(xì)胞產(chǎn)生胰島素的水平相當(dāng)。
6 結(jié)語(yǔ)
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(guò)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(dòng)物實(shí)驗(yàn)依據(jù)。體內(nèi)的肝臟、肌肉、腦下垂體、造血干細(xì)胞和胃腸細(xì)胞都是胰島素生成細(xì)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(xì)胞產(chǎn)生胰島素有可能成為治療各型糖尿病的新途徑。
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