韦晓，张少红，张梦潇，陈国芳，刘超

(南京中医药大学附属中西医结合医院内分泌科 江苏省中医药研究院瘿病证治重点研究室，南京 210028)

胰岛β细胞在高脂、高糖、炎症等因素存在的情况下会造成功能损伤，导致胰岛β细胞胰岛素合成和分泌功能丢失的原因有主要两个：①β细胞发生细胞凋亡；②β细胞发生去分化(或称身份丢失)[1]。以往认为，胰岛β细胞为终末分化的细胞，胰岛β细胞成熟后无法再向其他类型的细胞转变。随着研究的进展，越来越多的证据证实，终末分化的胰岛β细胞仍具有可塑性，它的去分化可能在胰岛β细胞身份丢失中扮演了更重要的角色[2-3]。利用2型糖尿病模型小鼠检测到，持续高糖环境下的胰岛β细胞胰岛素颗粒持续减少，但细胞凋亡水平仅有少量升高，其升高的水平不足以解释明显减少的胰岛素分泌。利用ATP敏感性钾离子通道基因敲除小鼠可以模拟新生儿糖尿病模型，通过高糖处理此模型小鼠，小鼠胰岛细胞的凋亡率仅有少量增加，但胰岛素分泌量显著不足[4-5]。此外，慢性高血糖和外周胰岛素抵抗均不足以导致人体胰岛细胞的大量凋亡[6]。所以，细胞凋亡可能不是导致胰岛β细胞功能丧失的主要原因，胰岛β细胞去分化的概念近年被提出，它解释了胰岛素分泌降低的可能原因是胰岛β细胞发生了去分化或转分化，而不是发生了胰岛β细胞凋亡，这种解释更接近胰岛β细胞功能丧失的病理表现。有学者在糖尿病模型小鼠中发现了胰岛素和胰高血糖素双标记阳性细胞，胰岛素和胰高血糖素共表达的细胞为一种中间态细胞，这种中间态细胞证实了胰岛β细胞可以被去分化和转分化，它们是胰岛细胞去转分化的直接证据[7]。现就胰岛β细胞去分化转分化的研究进展予以综述。

1 胰岛β细胞去分化

1.1胰岛β细胞去分化相关的转录因子 胰岛β细胞成熟过程中有许多转录因子的参与，这些转录因子的表达或抑制对胰岛β细胞身份的获得和维持至关重要。胰腺的发育起源于胚胎的内胚层细胞，神经元素3(neurogenin 3，Ngn3)是胰腺发育早期内分泌祖细胞特异性表达的转录因子，它可以调控胰腺祖细胞向内分泌细胞的分化[8]。利用Ngn3敲除小鼠研究其功能发现，Ngn3可以诱导其他内分泌细胞转录因子的表达，包括配对盒同源蛋白(paired box protein，Pax)4、Pax6、无芒相关同源框蛋白(aristaless-related homeobox protein，Arx)和神经源性分化因子1(neurogenic differentiation 1，NeuroD1)[9]。其中，胰岛β细胞的发育依赖Pax4的表达，在缺乏Pax4的情况下，胰岛β细胞和δ细胞数量减少，α细胞数量增加，在胰岛β细胞中过表达Pax4，可对抗不利因素诱发的胰岛β细胞凋亡[10]，Pax4突变会导致青少年发病的成人型糖尿病(maturity onset diabetes of the young，MODY)亚型9的发生[11]。NeuroD1含有碱性/螺旋-环-螺旋(basic/helix-loop-helix，bHLH)结构域，是维持胰岛β细胞身份必不可少的转录因子，它与胰岛素基因启动子区的bHLH结构域结合，激活E-box作用元件，启动胰岛素的表达[12]，其突变会导致MODY亚型6的发生[13]。

胰腺发育中，Ngn3阳性细胞若表达了胰十二指肠同源异型盒基因1(pancreatic and duodenal homeobox 1，Pdx1)，就会分化为胰岛β细胞或δ细胞。因此，相对于胰岛其他类型的细胞，胰岛β细胞和δ细胞的同源性更高。在动物实验中，减少Pdx1的表达会降低胰岛β细胞数量[14]。体内胰岛细胞特异性敲除Pdx1基因会导致胰岛素分泌减少，表现出糖尿病症状，且其机制为胰岛β细胞发生了去分化。Pdx1是胰岛β细胞内合成胰岛素的必须转录因子，但不是所有表达Pdx1的细胞均具有分泌胰岛素的能力，只有约25%的Pdx1阳性细胞具备分泌胰岛素的能力[15]。不具备分泌胰岛素能力的Pdx1阳性细胞可能是正在发育过程中的胰岛前β细胞，胰岛前β细胞中的肌腱膜纤维肉瘤癌基因同源物(v-maf musculoaponeurotic fibrosarcoma oncogene homologue，Maf)B表达水平较高，葡萄糖转运蛋白2(glucose transporter type 2，Glut2)表达水平较低，这些前体细胞增殖能力较强，但胰岛素的分泌能力较弱，它们可能是胰岛β细胞分裂增殖的细胞源。

胰岛细胞中，Pdx1的表达受NK2同源框2(NK2 homeobox 2，Nkx2.2)和NK6同源框1(NK6 homeobox 1，Nkx6.1)的影响。其中，Nkx2.2敲除会导致胰岛功能发生重大变化，胰岛β细胞丧失分泌胰岛素的功能，同时胰岛α细胞和PP细胞数量减少[16]。Nkx2.2与Arx在内分泌祖细胞的发育早期存在相互抑制关系，Nkx2.2的表达可以诱导内分泌祖细胞向胰岛β细胞分化，而Arx的表达会诱导内分泌祖细胞向胰岛α细胞分化。Nkx2.2通过与甲基转移酶(DNA methyltransferase，Dnmt)和组蛋白去乙酰化酶1形成复合物，Nkx2.2/Dnmt/组蛋白去乙酰化酶1复合物可以占据Arx的启动子，抑制Arx的转录[17]。细胞内特异性沉默Dnmt会激活Arx的表达，诱导胰岛β细胞向胰岛α细胞转分化。

在胰岛细胞发育早期，Pdx1、Nkx2.2和Nkx6.1是胰岛β细胞发育的核心转录因子；在胰岛细胞发育晚期，Nkx2.2起到维持胰岛β细胞身份的作用。Nkx6.1作为Nkx2.2的下游调控蛋白，它与胰腺特异转录因子1a的表达相互抑制，表达胰腺特异转录因子1a的细胞会发育成胰腺外分泌部细胞，但在细胞内存在Nkx6.1的情况下可抑制胰腺特异转录因子1a的表达，使细胞发育为胰腺内分泌部细胞，通过本机制可诱导胰腺的腺泡细胞向胰岛细胞的定向分化[18]。在胰岛β细胞发育的后期阶段，MafA和MafB发挥了重要作用，两者均可与胰岛素基因结合，启动其表达[19]。MafB的表达早于MafA，其表达标志着胰岛素合成活动的开始。胰岛素的早期表达依赖MafB的存在，但在成熟的胰岛β细胞中，MafA会替代MafB的作用继续诱导胰岛素表达[20]。Glut2是胰岛β细胞内的葡萄糖感受器，其介导葡萄糖转运进入胰岛β细胞，slc2a2是编码Glut2的基因。Glut2表达水平的降低会诱导胰岛β细胞去分化，导致胰岛素的表达减少[21]。

1.2胰岛β细胞去分化相关的信号通路 许多信号通路参与了胰岛β细胞的发育和分化过程，其中叉头转录因子O1(forkhead box O1，FoxO1)信号通路与细胞的增殖、凋亡和分化过程密切相关。FoxO1在胞质处于游离状态，当有高糖刺激时，它会入核调控一些基因的表达，如MafA和NeuroD1[22]。有学者对胰岛β细胞特异性FoxO1敲除小鼠进行研究发现，正常状态下其血糖、血清胰岛素、胰高血糖素水平和糖耐量正常，表明缺失FoxO1在正常代谢下对胰岛β细胞无显著影响[23]。但在炎症、应激和衰老等代谢发生改变的情况下，FoxO1的缺失会导致胰岛β细胞向胰岛α细胞转分化，减少胰岛β细胞内Pdx1、MafA和胰岛素的表达，转而表达内分泌祖细胞的特征转录因子Ngn3，使细胞失去分泌胰岛素的能力。此外，在db/db小鼠的胰岛β细胞中存在FoxO1表达的缺失，缺失FoxO1会导致小鼠胰岛β细胞数量降低和胰岛α细胞数量增加，糖耐量和血糖调节能力下降[24]。其机制可能为胰岛β细胞在氧化应激状态下，表现出FoxO1表达缺失，导致MafA和胰岛素表达功能受损，显示去分化状态。FoxO1敲除小鼠的胰岛β细胞会过表达Ngn3、Oct4、c-Myc和Nanog，这些蛋白的过表达使胰岛β细胞去分化，且去分化的胰岛β细胞具有重新分化为胰岛α、δ和PP细胞的潜力[25]。

除FoxO1信号通路外，Notch和Wnt信号通路也参与了胰岛β细胞功能的维持。抑制Notch信号通路会导致Hes家族bHLH转录因子1的表达减少，诱导Ngn3表达增加，这是内分泌祖细胞分化起始的重要特征[26]。但是，Notch信号通路对Ngn3表达的调节具有双向性。首先，减少Notch可以上调Ngn3的表达，但Notch可以激活SRY编码HMG家族蛋白9的表达，SRY编码HMG家族蛋白9对Ngn3的表达具有促进作用[27]。因此，Notch与Ngn3的关系需要更多的研究证实。Wnt信号通路可被转录因子7类似物2激活，后者已被证实是糖尿病相关基因。Wnt参与了胰岛β细胞内的多种生理过程，包括细胞增殖和细胞分化[28]。体外研究证实，过表达β联蛋白可以促进胰岛β细胞的增殖[29]。在人体中，转录因子7类似物2的缺失或下调会导致胰岛β细胞功能下降[30]。

激活或抑制单一的细胞信号通路，可能无法达到诱导再分化的目的，而联合多条通路的调控，可以增强胰岛β细胞的再分化。激活FoxO1同时抑制Notch通路可以获得胰岛β细胞的再分化效应，这种协同作用可能是通过调节不同的下游蛋白导致，也可能是对同一下游转录因子表达的增强作用。如FoxO1可以与Notch共同调控肝糖原生成相关基因的表达[31]，Wnt和Notch均可以调控β联蛋白的表达[32]。

2 胰岛β细胞转分化

研究表明，细胞转分化可以补充胰岛β细胞数量的缺失[33]，通过诱导胰岛其他类型细胞、胰腺外分泌部细胞或干细胞均可以形成类胰岛β细胞样细胞，补充胰岛素的合成和分泌，故细胞转分化为糖尿病的治疗提供了新手段。

2.1通过胰岛α细胞转分化补充胰岛β细胞 胰岛α细胞可以被转分化为胰岛β细胞，而Arx和Dnmt对维持胰岛α细胞身份至关重要，减少它们的表达会诱导胰岛α细胞向胰岛β细胞转分化[34]。组蛋白的甲基化修饰会调控基因活化与抑制，胰岛α细胞内Dnmt的减少，会上调组蛋白第三亚基四号赖氨酸的三甲基化和抑制组蛋白第三亚基二十七号赖氨酸的三甲基化水平，促使胰岛α细胞中Pdx1表达增加，诱导胰岛α细胞形成胰高血糖素和胰岛素双阳性细胞。这表明，胰岛α细胞具有向胰岛β细胞转分化的可塑性。

除通过抑制转录因子诱导胰岛α细胞向胰岛β细胞转分化外，生理或病理变化也可诱导转分化的发生。Thorel等[35]对表达白喉毒素受体的转基因小鼠进行研究发现，外源性注射白喉毒素会导致几乎全部胰岛β细胞损伤，这种胰岛β细胞的极度缺失会引发胰岛α细胞向胰岛β细胞的转分化，且随着时间的推移，这部分转分化生成的胰岛β细胞可以将血糖维持在正常水平。转分化形成的胰岛β细胞内Pdx1和Nkx6.1的表达增加，且存在一个短暂的胰岛素和胰高血糖素共表达阶段，然后失去胰高血糖素的表达只表达胰岛素。以上结果表明，转分化是在胰岛β细胞极度缺失的情况下诱发，在这种情况下，细胞的自我复制不能维持胰岛β细胞的数量和功能，因此需要转分化来补充胰岛β细胞数量。

在1型糖尿病的研究中发现，利用携带Pdx1和MafA基因的腺相关病毒通过胰腺管注入胰腺，可将胰岛α细胞转分化为胰岛β细胞，并使NOD糖尿病模型小鼠的血糖恢复正常[36]。这种基因治疗方法可以诱导胰岛α细胞向胰岛β细胞转分化，治疗4周后NOD小鼠已出现新转分化形成的胰岛β细胞，且恢复血糖的效果至少可以维持4个月[36]。

2.2通过胰岛δ细胞转分化补充胰岛β细胞 胰岛δ细胞与胰岛β细胞均为Pdx1阳性祖细胞分化形成，其被转分化为胰岛β细胞的困难程度最低。研究证实，在胰岛β细胞极度缺乏的情况下，胰岛β细胞受损的幼年小鼠的胰岛中，不仅会引发来自胰岛α细胞的转分化反应，还会诱发胰岛δ细胞向胰岛β细胞转分化[37]。胰岛δ细胞的转分化过程早于胰岛α细胞的转分化，且只发生在幼年小鼠的胰岛内，在成年小鼠中未见胰岛δ细胞向胰岛β细胞的转分化，成年小鼠只会利用胰岛α细胞转分化补充胰岛β细胞。幼年小鼠的胰岛δ细胞转分化过程中存在FoxO1信号通路的激活，诱导胰岛δ细胞分泌胰岛素，并表现出胰岛β细胞特征；在胰岛δ细胞内Pax4的表达增加，可以促使胰岛δ细胞向胰岛β细胞转分化，表现出分泌胰岛素的能力[37]。

2.3通过胰腺外分泌部细胞转分化补充胰岛β细胞 目前，仅通过胰岛细胞间的转分化补充胰岛β细胞，可能不足以弥补损失的胰岛β细胞数量，而利用胰腺外分泌细胞向胰岛β细胞转分化，可以弥补大量的胰岛β细胞。因此，对胰腺外分泌部的腺泡和导管细胞进行重编程，进行胰岛β细胞转分化，是补充胰岛β细胞的可行方案。体内研究证实，通过向胰腺组织内转染Ngn3、Pdx1和MafA可以启动胰腺腺泡细胞的重编程，使腺泡细胞表达胰岛素[38]。胰腺腺泡细胞转分化为胰岛β细胞可分为3步：①腺泡细胞向导管样细胞转分化，导管细胞与胰岛β细胞具有更高的同源性；②在Ngn3的诱导下，导管样细胞转分化为内分泌祖细胞样细胞；③内分泌祖细胞样细胞再分化为类β细胞样细胞，形成具有胰岛素分泌功能的细胞。

2.4通过干细胞分化补充胰岛β细胞 在胰岛移植领域，体外诱导干细胞分化形成胰岛β细胞一直是研究热点。胚胎干细胞和诱导性多能干细胞均具有分化成为胰岛β细胞的潜力。Pagliuca等[39]分别利用胚胎干细胞和诱导性多能干细胞诱导胰岛素阳性细胞，通过14 d的诱导得到表达胰岛素的类β细胞样细胞。干细胞的体外分化过程可分为6步：①体外诱导干细胞分化形成内胚层细胞；②诱导分化形成原肠管细胞；③诱导分化形成Pdx1阳性胰腺祖细胞；④诱导分化形成Pdx1阳性/Nkx6.1阳性胰腺祖细胞；⑤诱导分化形成内分泌祖细胞；⑥诱导分化形成胚胎胰岛样细胞。虽然体外诱导胰岛β细胞分化已经取得成功，但其应用于临床胰岛移植和治疗糖尿病还面临很多困难。随着对胰岛β细胞去分化与转分化机制研究的深入，通过干细胞分化补充胰岛β细胞的将成为可能。

3 小 结

胰岛β细胞身份丢失或称去分化是导致胰岛β细胞功能损伤的重要原因，维持胰岛β细胞身份标签的有以下转录因子，如Ngn3、Pdx1、Nkx2.2、Nkx6.1、Pax4、MafA、MafB、NeuroD1、Glut2，这些转录因子会与FoxO1、Notch和Wnt信号通路共同维持胰岛β细胞身份。在高糖、高脂和炎症等因素下，胰岛β细胞内的转录因子表达异常，失去合成和分泌胰岛素的能力。如果在胰岛其他细胞、胰腺外分泌部细胞和干细胞中，增加以上转录因子的表达，可以对这些细胞进行重编程，诱导其向胰岛β细胞转分化的发生，这对维持胰岛β细胞功能和逆转糖尿病具有重要作用。因此，寻找激活胰岛β细胞特异性转录因子的药物，或利用基因疗法增加转录因子的表达，可能成为治疗糖尿病的重要手段。