文摘
心血管疾病(CVD)是糖尿病患者死亡的主要原因。然而,分子和细胞机制,使糖尿病患者动脉粥样硬化的发展和进展,大多数心血管疾病的根本原因,我们并不了解。本文总结了我们的知识的当前状态的途径和机制糖尿病和高血糖与动脉粥样化形成。我们强调我们实验室最近的工作,别人的,支持ER应激的作用在这些流程。继续调查现有的通道,连接高血糖和糖尿病动脉粥样硬化,和小说的识别机制和目标很重要的发展新的有效antiatherosclerotic疗法适合患有糖尿病。
1。介绍
在世界范围内,心血管疾病(CVD)是过早死亡的主要原因在男性和女性。心血管疾病的危险因素包括血脂水平异常、吸烟、高血压、腹部肥胖,压力,久坐不动的生活方式,和糖尿病1]。而心血管疾病的发病率下降了在许多发达国家,这一趋势有望扭转在不远的将来[2]。这主要是由于全球戏剧性,增加糖尿病的发病率。由于生活方式的变化和不断升级的肥胖,糖尿病患者的数量可能已经高达3.5亿3,4]。糖尿病是一个主要的独立危险因素为心血管疾病(CVD)和个人患有糖尿病的2到3倍更有可能死于心血管原因的人比没有糖尿病的历史,甚至在控制了其他心血管危险因素(5- - - - - -9]。这些个体的风险也在增加心血管疾病和动脉粥样硬化相关疾病包括高血压和肾功能衰竭。最终,这意味着糖尿病患者的心血管死亡率约75% (6,7]。糖尿病发病率的增加意味着这种慢性疾病的全球负担医疗资源在可预见的未来将继续上升。
目前尚不清楚为什么患有糖尿病的易患心血管疾病。最近的报告从临床试验研究强化血糖降低心血管风险的影响,包括协议(控制糖尿病心血管风险行动)(10),提前(行动在糖尿病和心血管疾病:Preterax和Diamicron先生控制评价)(11),表明(英国前瞻性糖尿病研究)12],VADT(退伍军人事务部糖尿病试验)13),表明高血糖与心血管疾病之间的关系是复杂的。尽管大量的研究,目前治疗只显示有限的简历效益和心血管疾病仍然是死亡的主要原因。
高血糖之间有很强的相关性和微和macrovascular疾病(14- - - - - -18]。葡萄糖水平升高对血管功能的负面影响包括内皮细胞增殖,减少血管损伤的一些参数的响应性,并增加内皮细胞程序性死亡(19- - - - - -21]。良好的,积极的血糖降低显著降低微血管疾病的发病率和严重程度包括视网膜病变、肾功能衰竭和周围神经功能障碍(14,15]。最近的证据表明,增加血糖控制与减少macrovascular疾病;然而,血糖降低和减少心血管疾病之间的关系更加难以证明(15]。提出合理化有好几种解释,临床试验的能力展示强劲改善心血管结果通过血糖控制包括试验的可能性是动力不足,在持续时间太短,或者过于专注于空腹血糖,而不是餐后血糖水平。另外,这些发现可能表明的质量目前血糖控制可实现的不足可有效防止macrovascular疾病。因此,即使短期偏差的控制血糖可以促进血管功能障碍。
T2D-associated心血管疾病的病理生理学是进一步复杂化多个风险因素,统称为代谢综合征,通常伴随慢性高血糖。代谢综合征是临床上定义为腹部肥胖、胰岛素抵抗(前驱糖尿病),动脉粥,和高血压22]。代谢综合征是一种与心血管疾病发病率和死亡率的主要原因是主要的临床结果(22]。其他并发症包括呼吸困难、慢性骨骼肌问题、胆囊疾病、不孕症、肝脂肪变性、循环系统疾病和某些癌症(23,24]。
因此,高血糖的作用在动脉粥样硬化的发展和发展是由大量的基础研究,葡萄糖水平升高在macrovascular疾病的临床作用尚不明朗。此外,尽管大量的研究机制,可能高葡萄糖浓度与疾病的分子与细胞通路发展并不完全理解。本文将重点讨论潜在的直接proatherogenic高血糖的后果。
2。机制和途径糖尿病和高血糖与心血管疾病和加速动脉粥样硬化
提出了几种机制来解释proatherogenic糖尿病和高血糖的影响。一般来说这些都集中在细胞内的葡萄糖水平升高的影响,和葡萄糖代谢的增加,血管壁的细胞。有证据表明高血糖与醛糖还原酶活性增加有关,可能导致增加NADPH的消费和消耗的谷胱甘肽水平导致高浓度的活性氧(ROS)和随后的细胞损伤25,26]。Glucose-induced PKC激活已经涉及到减少内皮血管舒张(27和增加活性氧的生产28这可能导致内皮功能障碍。它也提出,山梨糖醇的转化率3-deoxyglucosone晚期糖基化终末产物可以喂到生产(年龄)。年龄是通过非酶的形成过程,称为美拉德反应,包括醛的反应组还原糖与氨基酸蛋白质组(29日,30.]。有几个潜在通路AGE-modified蛋白质可以被破坏;的形成年龄可能改变蛋白质的功能(31日),破坏细胞外基质(31日,32),和/或导致脂蛋白颗粒从而提高atherogenicity的修改。然而年龄似乎发生的主要血管效应通过他们与愤怒(受体年龄)上发现的巨噬细胞和内皮细胞和平滑肌细胞33- - - - - -35]。AGE-RAGE交互触发信号转导级联,导致细胞内ROS的产生,可以启动炎症反应(36,37]。
而临床证据支持氧化应激在动脉粥样化形成的诱发作用38- - - - - -41),几乎所有的、严谨的临床试验未能显示糖尿病患者接受抗氧化补充剂心血管获益(42- - - - - -46]。有几种方法可以合理质疑这个明显的悖论:特定的抗氧化剂测试,规定的剂量和/或试验本身的力量和持续时间。然而,这些临床观察结果可能表明存在的其他重要分子机制或通路在糖尿病动脉粥样化形成中发挥决定性作用除了氧化应激。
2.1。己醣胺通路
高血糖条件也导致分流多余的细胞内葡萄糖通过己醣胺生物合成途径(HBP)。在一个典型的细胞,在normoglycemic条件下,1 - 3%的总将转化为磷酸glucosamine-6葡萄糖酶谷氨酰胺:磷酸fructose-6 amidotransferase (GFAT) [47]。当细胞内的葡萄糖水平上升时,通过这个途径通量增加。此外,增加GFAT表达式和活动在组织从人类糖尿病患者已报告48]。最终的结果是一个细胞内的葡萄糖胺的浓度升高。这种影响一直在观察培养细胞的挑战与葡萄糖浓度升高以及血管和高血糖的动物的肝组织49- - - - - -52]。
增加己醣胺途径通量已经涉及到几种糖尿病危害并发症包括胰岛素抵抗[47,53)和胰β细胞死亡(54),以及动脉粥样硬化(55]。背后的分子机制的致病效应增加了HBP通量并不完全理解。大多数研究都集中在UDP-N-acetylglucosamine的角色(UDP-GlcNAc) HBP的最终产品通路和O -和N-linked基质蛋白糖化,病原体。完善,氨基葡萄糖浓度升高驱动O-linked糖基化的蛋白质,包括转录因子(56)和核孔蛋白(57],以及信号因素[58)这可能改变其功能、稳定性和/或活动。具体地说,研究表明,O-glycosylation可能调节转录,血浆脂质、糖质新生的调节激活RNA聚合酶II (59),angiopoietin-like蛋白3 (60],FoxO1, CRTC2 [61年,62年),分别(进一步审查63年])。葡萄糖胺已经被证明可以降低刺激葡萄糖摄取的脂肪细胞(47)和骨骼肌细胞(64年),可能通过抑制葡萄糖转运体的易位,GLUT4,细胞表面65年]。此外,己醣胺通路活动增加可以促进促炎及凝血因子的转录包括TGF -αTGF -β,PAI-1 [66年- - - - - -68年]。因此,高血糖诱导O-GlcNAc修饰的蛋白质可能会改变基因表达模式和改变的功能有助于proatherogenic特定因素,prothrombophilic血管环境。需要更多的研究来测试这个理论和精确确定的因素和下游通路可能参与血管疾病的加速度。
UDP-GlcNAc N-linked生长的基质蛋白糖化,发生在内质网(ER)。N-glycosylation是一个重要的新兴的蛋白质转译后的修改适当的蛋白质折叠的关键(69年]。特定蛋白质的天冬酰胺残基的突变,这对N-glycosylation至关重要,导致中断折叠,分泌和/或活动(70年- - - - - -72年]。衣霉素、UDP-GlcNAc拮抗剂可以抑制N-glycosylation和激活细胞的质量控制机制:展开的蛋白质反应(73年- - - - - -75年]。最终,N-glycation过程中断会导致展开/错误折叠蛋白质的积累的ER扰乱ER稳态平衡;这就是所谓“ER应激。“额外的细胞内葡萄糖胺的影响,尚未进行糖尿病和动脉粥样硬化的背景下,是能够促进ER的展开蛋白质的积累,从而导致ER障碍和细胞损伤(75年- - - - - -78年]。
3所示。内质网和展开的蛋白质反应
在一个典型的真核细胞中,ER负责适当的修改,折叠,贩卖大约三分之一的蛋白质。ER-localized新生蛋白质的修改包括二硫键的形成和N-linked糖基化,这是至关重要的蛋白质折叠(69年]。展开/错误折叠的蛋白质直接接受ER-associated退化(ERAD),在生理条件下,ER能够维持稳态平衡折叠和错误折叠的蛋白质(79年]。ER处理能力时不知所措,展开/错误折叠蛋白质的积累和扰乱ER稳态平衡;这就是所谓的ER应激。
传统ER-stress-inducing代理已知干扰蛋白质折叠通过干扰二硫化物键形成(二硫苏糖醇)80年),ER Ca2 +平衡(A23187 thapsigargin) (81年),ER膜结构(棕榈酸酯、unesterified胆固醇)[82年,83年)或通过阻断蛋白N-glycosylation(衣霉素)84年]。ER应激激活的蛋白质反应条件(UPR)功能恢复体内平衡(图1)。UPR三个叉信号级联,是由转移膜ER蛋白质被称为inositol-requiring酶1(愤怒),激活转录因子(ATF) 6, PKR-like ER激酶(活跃)85年]。启动这些途径减轻ER应激蛋白质合成减少,增加ER伴侣蛋白水平,促进退化不可逆转的错误折叠的蛋白质。慢性ER应激条件下,upregulation参与脂质积累的途径(如磷脂)和炎症(NF -κB)可能发生(49,86年- - - - - -88年]。如果UPR无法恢复体内平衡,proapoptotic(即信号因素。GADD153 /切)是调节启动程序性细胞死亡89年]。
3.1。ER压力和血管硬化
有越来越多的实验证据支持一个直接和决定性作用的ER应激的开发和/或动脉粥样硬化的进展。首先,一些心血管疾病的独立危险因素,包括高血糖(49),半胱氨酸(7,88年,肥胖90年),而高浓度的棕榈酸酯(91年)和unesterified胆固醇(92年),与ER应激有关,这表明这个途径可能代表一个共同的或统一的机制加速动脉粥样化形成的93年,94年]。其次,激活的UPR已经指出在动脉粥样硬化发展的所有阶段,从一个高级脂肪条纹闭塞的斑块(95年]。第三,ER应激条件也许可以激活/代谢途径,直接参与动脉粥样硬化病变的发展。ER-stress-inducing代理商促进脂质积累通过激活固醇调节元件结合蛋白(如),这些转录因子控制脂类的生物合成和吸收88年,96年,97年]。ER-stress-inducing代理也激活NF -κB,负责促进炎症基因表达的转录因子(98年,99年]。最后,还存在ER应激可以激活和促进细胞凋亡的人类主动脉内皮细胞和其他细胞类型(One hundred.,101年]。在一起,脂质积累、炎症和内皮细胞凋亡是动脉粥样硬化的标志特征102年,103年]。
3.2。Glucosamine-Induced ER应激
我们实验室最近过表达HBP率限制酶,GFAT,使用一个adenoviral表达系统在细胞培养和测量UPR基因表达显著增加,下游ER应激的影响包括脂质积累,炎症基因表达,和凋亡信号高血糖的条件下86年]。我们已经表明,外源性葡萄糖胺,或增加内源性葡萄糖胺的生产,可以破坏ER的能力来处理新生蛋白质和启动一个ER应激反应。此外,这种影响一直在观察到的细胞类型相关的动脉粥样硬化的发展,包括人类主动脉平滑肌细胞,monocyte-derived巨噬细胞,HepG2细胞(49,50,One hundred.,101年]。因此,高浓度的葡萄糖胺可能扮演重要的角色在ER和细胞功能障碍与动脉粥样化形成有关。
现在还不知道如何增加葡萄糖胺的浓度(但不是甘露糖)破坏蛋白质折叠的ER。UDP-N-acetylglucosamine是一个重要的基质对O -和N-linked蛋白质糖基化,和蛋白质糖基化是一个重要的步骤在许多蛋白质的正确折叠69年]。众所周知,增加浓度的葡萄糖胺水平升高O-linked蛋白质糖基化的49)和改变N-linked特定蛋白质的糖基化模式包括ApoB100 [104年]。可能是这两种效应可以促进ER应激。我们实验室在培养HepG2细胞,表明,PUGNAc O-GlcNAcase的抑制剂,protein-O-GlcNAc水平增加而促进ER应激(49]。这可能表明glucosamine-induced ER应激引起的自由,而不是蛋白质O-linked葡萄糖胺。我们假设增加葡萄糖胺的水平,或葡萄糖胺的衍生物,可能会干扰一步N-linked糖化蛋白质导致错误折叠蛋白质的生产和激活的UPR。
高浓度的葡萄糖胺和glucosamine-induced ER应激之前已经涉及了胰岛素抵抗[47,53,105年,106年];然而,有一些争议,这种效应是否在人类生理有关。孵化的相对高浓度的葡萄糖胺(1 - 10更易/ L),脂肪,肌肉,或内皮细胞培养与受损的胰岛素作用[106年- - - - - -109年]。此外,高水平的静脉注射葡萄糖胺(等离子体浓度0.5 - -1.8更易/ L)在动物和人类身上也被证明导致胰岛素抵抗[110年,111年]。的推荐剂量口服补充葡萄糖胺,通常采取治疗关节疼痛,是低得多(~ 3的血浆浓度μmol / L),数据表明,这些补充剂对胰岛素敏感性(没有影响112年,113年]。需要更多的研究来确定内生慢性高血糖的影响,细胞内的葡萄糖胺水平和可能对胰岛素抵抗的影响。
4所示。高血糖、ER应激和加速动脉粥样硬化
探讨高血糖与动脉粥样硬化的分子机制,我们建立了一个模型,我们注入的载脂蛋白e−−/老鼠与多个低剂量链脲霉素(STZ) (49,50,114年]。使用这个模型我们发现高血糖之间的相关性,葡萄糖胺的积累在动脉壁血管ER压力,加速动脉粥样化形成(49)(图2)。值得注意的是,ER应激水平的内皮高血糖的老鼠增加动脉粥样硬化病变的发展,因此,与ER应激发挥决定性作用是一致的病变发展(50]。此外,加速病变发展中观察到这些糖尿病小鼠血脂异常的发病之前,表明高血糖足以独立促进proatherogenic激活流程(49]。
直接测试葡萄糖胺的硬化的潜力,我们最近发现的载脂蛋白e−−/老鼠给饮用水含氨基葡萄糖5% (w / v) 7周显著增加血管和肝脏ER应激水平除了比老鼠大的动脉粥样硬化病变常规水或水含有5%甘露醇(w / v) [115年]。这是符合报告来自Tannock等人发现,5周的补充葡萄糖胺增加病变大小在LDL-receptor-deficient老鼠116年]。我们的数据表明,glucosamine-induced ER应激中起直接和决定性作用加速动脉粥样化形成。
5。ER应激代谢综合征患者
有充足的证据在体外和在动物模型来支持一个角色ER应激的开发和糖尿病并发症。最近,小临床相关研究涉及人类与代谢综合征。糖尿病肾病患者已被证明有GFAT表达增加肾小球上皮和间质细胞,GFAT表达在大多数组织参与糖尿病并发症(48,117年]。胰腺β细胞分离出2型糖尿病已被证明有明显的表达ER应激标记(118年),ER应激的敏感性比非糖尿病患者控制(119年),ER应激可能导致il - 1β生产、轻度炎症胰岛(120年),而β电池故障(118年]。我们实验室最近表明,孤立的白细胞从人体代谢综合征,与健康受试者相比,有较高水平的ER应激标记和有一个协会之间的急性和慢性糖代谢和ER应激在人类86年]。这些试验符合糖尿病危害ER应激发挥临床相关在糖尿病并发症的发病机制中的作用。
6。潜在的治疗目标
ER应激的作用的识别和/或UPR在糖尿病危害动脉粥样硬化的发展和发展是重要的,不仅因为它让我们了解一个重要的疾病过程,也因为它照亮小说潜在目标治疗干预(图3)。努力发展策略来操纵UPR已经开始,尤其是其他疾病和障碍ER应激被认为扮演一个角色。至少有三个已经被用来解决这个问题的一般方法。首先是降低ER应激的水平直接减轻负载错误折叠的蛋白质虽然除了4-phenylbutyric酸等化学陪伴(4-PBA) taurine-conjugated熊去氧胆酸(TUDCA),或二甲亚砜(DMSO) [121年- - - - - -123年]。这些小分子功能的机制来降低ER应激水平不是很好。然而,这种策略已被证明是有效的在体外和体内,和4-phenylbutyric酸已被证明会减弱ApoE的动脉粥样硬化−−/小鼠模型(124年]。第二种战略是增强内生UPR的保护方面。这曾是通过ER-resident蛋白质陪伴包括GRP78的表达。第三种方法是针对一些有害的下游ER应激的影响。这种策略的例子包括使用salubrinal这抑制磷酸酶GADD34从eIF2重新焕发活力α翻译,从而保持活跃pathway-induced块(图1)。其他可能的干预目标将包括促炎和/或proapoptotic ASK1等因素,p38MAPK或GADD153 /切。事实上,GADD153 / CHOP-deficient小鼠抗加速动脉粥样硬化(125年,126年]。最近我们已经确定了谷氨酰胺:fructose-6-phosphate amidotransferase (GFAT)和糖原合成酶激酶3 (GSK)作为两个酶参与ER应激和潜在的治疗目标。
6.1。谷氨酰胺:Fructose-6-phosphate Amidotransferase (GFAT)
glucosamine-induced ER应激在糖尿病动脉粥样化形成的潜在作用凸显了谷氨酰胺的重要性:fructose-6-phosphate amidotransferase (GFAT),病原反应酶与葡萄糖胺葡萄糖的转化,也称为己醣胺通路(127年,128年]。核心地位的ER应激通路GFAT活动支持我们发现抑制GFAT变弱glucose-induced ER应激(49),超表达GFAT足以促进normoglycemic HepG2细胞培养中ER应激的条件(86年]。我们目前正在开发策略来调节GFAT活动在体外在我们的小鼠模型。这些工具将用于调查调节GFAT活动的潜在影响proatherogenic UPR在激活的过程。
6.2。糖原合酶激酶(GSK) 3
ER应激的机制,链接条件proatherogenic通路的激活是未知的。GSK-3α和β两个同源的丝氨酸/苏氨酸激酶参与不同数量的细胞内信号通路(129年]。我们展示了使用小分子抑制剂和GSK-3α−−/和GSK-3β−−/小鼠胚胎成纤维细胞,GSK-3-deficiency变弱ER-stress-induced细胞凋亡和脂质积累(114年,130年- - - - - -132年]。在活的有机体内我们已经表明,高血糖的老鼠与丙戊酸钠饮食补充,一种化合物抑制GSK-3活动,降低了肝GSK-3活动和主动脉窦损伤体积的减少(114年]。在一起,上述研究结果支持我们的假设,glucosamine-induced ER应激在加速动脉粥样化形成过程中发挥作用和识别GSK-3 antiatherogenic疗法的潜在目标。针对GSK-3来自中央的限制作用,这种激酶在许多不同的代谢过程和有害小分子抑制剂的副作用的可能性118年]。
7所示。结论
因为糖尿病和心血管疾病风险的增加2型糖尿病的患病率,至关重要的是,我们进一步了解如何以及为什么糖尿病和高血糖促进心血管疾病。目前,不久的将来,主要战略管理糖尿病人群的心血管疾病会通过高血糖的控制和治疗相关的并发症,如高血压和血脂异常的使用建立了血管紧张素转换酶抑制剂等药物,他汀类药物,一类。
持续识别和调查的通路连接高血糖和糖尿病动脉粥样硬化的发展是很重要的新的有效antiatherosclerotic适合糖尿病患者的治疗。大量的研究都集中于高血糖的作用发展和动脉粥样硬化的进展在细胞培养和动物模型系统。出现的几种机制已确定将葡萄糖proatherogenic流程。多元醇通路,最有前途的PKC激活,己醣胺通路,AGE-RAGE交互,展示潜力和积极的评价作为假定的目标antiatherogenic疗法。然而,到目前为止,所有针对高血糖的影响的干预措施,包括直接血糖降低,显示治疗微血管并发症的影响超过macrovascular疾病的控制。至少在一定程度上,这可能是由于动脉粥样硬化的复杂性和电流限制的动物模型提供给研究人员研究开发和动脉粥样硬化的进展。额外的研究显然是需要进一步的理解这一重要的疾病。