文摘
内质网(ER)是一种细胞细胞器负责多个重要的细胞功能包括新合成蛋白质的生物合成和折叠注定分泌,如胰岛素。ER参与所有分支的新陈代谢,营养传感与细胞信号传导。许多病理和生理因素扰乱功能和诱导内质网压力。ER应激触发了一个自适应信号级联,叫做展开的蛋白质反应(UPR),来缓解压力。UPR解决ER应激的失败会导致病理条件等细胞功能障碍和死亡,和II型糖尿病。然而,更了解细节的控制和监管的ER高血糖反应(glucotoxicity),高脂血症(lipotoxicity),两者的结合(glucolipotoxicity)。本文认为最近的见解如何响应监管,这可能为ER stress-mediated机制提供线索细胞功能障碍和死亡在glucolipotoxicity-induced II型糖尿病的进展。
1。介绍
二型糖尿病是一个异构综合征带来进步的障碍β在目标组织细胞胰岛素分泌和胰岛素抵抗。II型糖尿病患病率,身体试图弥补胰岛素抵抗,增加胰岛素分泌,增加了因为上升的肥胖1]。然而,越来越清楚的是,胰腺β细胞功能障碍也会导致II型糖尿病(2]。健康的胰腺β肽显示一个戏剧性的应对营养和肥胖相关胰岛素抵抗通过分泌过多的胰岛素来维持体内平衡的能量。但是,在II型糖尿病,β肽无法维持一个代偿反应,导致β细胞功能障碍和死亡(3]。虽然代谢恶化的原因是未知的,提出了几种假说,包括线粒体功能异常、氧化应激、ER应激,高血糖(glucotoxicity),血脂异常(lipotoxicity),两者的结合(glucolipotoxicity) [4- - - - - -7]。
最近的研究表明,血糖升高,随着循环游离脂肪酸(远期运费协议),尤其是那些来自腹腔脂肪储存在胰岛素抵抗和主要的罪魁祸首β细胞功能障碍(6,7]。慢性高血糖和高脂血症引起不利影响定义为glucolipotoxicityβ细胞功能和生存7]。然而,潜在的分子和细胞机制glucolipotoxicity贡献βII型糖尿病细胞功能障碍和死亡仍在争论中。最近观察基于实验、临床和遗传学证据表明,内质网(ER)可能负责glucolipotoxicity导致的分子机制β细胞功能障碍在II型糖尿病8,9]。在本文中,我们讨论的参与在glucolipotoxicity-induced ERβ细胞线粒体功能障碍和死亡的参与。
2。ER应激反应
胰腺β肽显示明显响应通过平衡营养信号合成胰岛素和胰高血糖素分解代谢的激素,用于维持体内平衡能量。挂载一个适当的回应,胰腺β肽需要合适的传感器和信号分子,将这些信号来调节胰岛素分泌来维持体内平衡。
ER蛋白质合成是不可或缺的因素,折叠,成熟,走私、退化,它可能是一个理想的网站亚细胞营养的感觉(10]。ER的质量控制机械操作通过特殊蛋白质和一个特定的化学环境,以确保适当的分泌蛋白质的折叠和处理,降解蛋白质的错误折叠/展开,包括胰岛素、葡萄糖维持体内平衡。然而,重载机械使更多的积累蛋白质错误折叠/展开ER和减少的质量和数量,导致ER应激(11]。应对这种情况,细胞激活一个自适应系统连接ER腔与细胞质和核称为展开的蛋白质反应(UPR)。衰减的UPR恢复体内平衡,全球蛋白质翻译降低过载和通过增加基因的表达,从而诱导蛋白质折叠,也促进ER-associated蛋白质降解(ERAD)删除错误折叠的蛋白质12]。
的三个分支UPR ER-membrane关联介导的蛋白质活跃(蛋白激酶类似ER激酶),IRE1α(肌醇需要酶1),ATF6(激活转录因子6)。在没有压力的情况下,这三种蛋白质是由丰富的ER女伴毕普/ glucose-regulated蛋白78 (GRP78) n端结构域的活跃和IRE1α和羧基末端的ATF6,防止他们的聚合和呈现他们不活跃(13]。ER应激条件下,活跃autophosphorylated反过来磷酸化丝氨酸51真核翻译起始因子2α(eif2α),使它无法有效地启动翻译,导致全球抑制蛋白质合成,同时诱导转录因子ATF4的翻译。ATF4蛋白质把细胞核移植ER应激目标基因,包括C / EBP同源蛋白质(切)和下游增长逮捕和DNA damage-inducible蛋白质(GADD34)作为非酶的辅因子对蛋白质phosphatase-1 (PP-1),导致eif2α脱磷酸作用转化恢复(14,15]。
ER应激条件下,激活ATF6包括离解毕普/ GRP78的腔的域和易位的高尔基体蛋白水解处理,裂解活性形式,把成核诱导监护人如毕普/ GRP78蛋白基因,GPR94, calreticulin提高蛋白质折叠(16]。IRE1α,第三个压力传感器,是一种1型跨膜蛋白与内切核糖核酸酶的活动。类似于活跃,IRE1α是autophosphorylated回应积累ER中的蛋白质错误折叠/展开。一旦激活,IRE1α催化的拼接X-box-binding蛋白1 (XBP-1) mRNA,导致翻译的活跃转录因子XBP-1诱导基因的表达所需蛋白质折叠,ER高尔基运输,endoplasmic-reticulum-associated蛋白质降解(ERAD) [17]。
3所示。UPR在Glucolipoadaptationβ的肽
适应代谢变化需要许多稳态系统的监管和协调,因为可用的营养物质的质量和数量不暂时匹配细胞需要。急性暴露β肽高葡萄糖诱发轻度UPR信号伴随着IRE1磷酸化和激活α,导致glucose-induced胰岛素生物合成(18]。相反,IRE1失活α信号可以阻止或抑制IRE1α磷酸化阻碍glucose-induced胰岛素生物合成,这表明急性IRE1α需要激活胰岛素原的生物合成。然而,令人吃惊的是,急性高glucose-induced IRE1α被发现不拼接XBP-1下游目标,这意味着愤怒吗α介导XBP-1拼接不是胰岛素原生物合成所必需的。
另一项研究表明,瞬态高葡萄糖上调ER居民蛋白质氧化还原酶1α(ERO1α),一个激活的蛋白二硫化物异构酶(PDI),在二硫键的形成起着重要的作用。因此,ERO1α加强二硫键的形成可能激活胰岛素生物合成的胰岛素原在ER (19]。资助和考夫曼建议eif2α磷酸化限制胰岛素原mRNA翻译在低糖条件下(10]。然而,矛盾的是,eif2a磷酸化似乎需要移植胰岛素原mRNA翻译妥协控制胰岛素翻译针对生理间歇性高葡萄糖水平[11]。稳态eif2α在glucose-induced磷酸化蛋白质翻译是短暂的,它可以迅速脱去磷酸生理刺激通过信号通路激活GADD34和PPI (20.]。
与葡萄糖,饱和脂肪和不饱和远期运费协议引出不同的ER应激信号进行定量定性β肽。大多数调查人员使用油酸棕榈酸酯或脂肪酸的选择,因为他们代表的主要物种β肽可能暴露在活的有机体内(21]。然而,考虑到特定脂肪酸的影响β油酸棕榈酸细胞生存能力,更强大的比在克隆和初级啮齿动物触发ER应激β肽,在人类胰岛(22- - - - - -24]。暴露于长链远期运费协议在生理范围内可以直接刺激胰岛素分泌通过改变钙(Ca2 +)处理25]。ER被认为是主动态的细胞内Ca2 +存储室β肽。棕榈酸酯会增加磷酸化和IRE1活跃的分支α激活XBP-1拼接的形式,但油酸的影响不太显著26]。PERK-eif2的显著激活α磷酸化的棕榈酸酯导致感应ATF4和切表达,从而抑制蛋白质的翻译(27]。因此,远期运费协议不同调节UPR反应在生理条件下维持体内平衡。越来越多的证据支持这一概念,早期激活UPR信号得到改善β在glucolipoadaptation细胞内稳态。
4所示。ER应激下Glucolipotoxicity
越来越多的证据表明,glucolipotoxicity导致β细胞功能障碍在II型糖尿病的发展。慢性接触的β肽supraphysiological水平的葡萄糖或远期运费协议已被证明是细胞毒性和原因β细胞功能障碍和衰竭(28- - - - - -30.]。Briaud等人提供了证据表明lipotoxicity发生在与此同时高浓度的葡萄糖的存在(31日]。提出了几种机制glucolipotoxicity-inducedβ细胞功能障碍和衰竭,如活性氧增加,神经酰胺,一氧化氮的水平,和线粒体扰动(32- - - - - -34]。最近的证据表明,ER应激与糖尿病和胰岛素抵抗也发现ER的扩张β肽的II型糖尿病患者(35,36]。此外,增加表达ER应激标记已经证明在db / db小岛和老鼠β肽的2型糖尿病患者(23,36]。这些发现表明,ER应激可能是一种病理生理事件负责β在二型糖尿病细胞功能障碍和衰竭。
内质网钙2 +是一个重要的信号分子的β细胞和Ca的波动2 +在ER水平可以影响内质网的许多功能,包括蛋白质合成、加工、和interchaperone互动(37]。然而,实验数据表明,饱和,在较小程度上,不饱和远期运费协议,触发ER应激反应通过消耗ER Ca2 +商店(26,38,39]。数的差异出现在研究FFA-induced ER Ca2 +损耗,但机制似乎类似于直接作用于sarcoplasmic-endoplasmic网Ca2 +ATPase-2b (SERCA)泵活动(39]。ER Ca2 +在ER损耗影响蛋白质折叠,因为高腔的Ca2 +对蛋白水解加工和折叠的胰岛素原至关重要37]。此外,棕榈酸酯引起快速的再分配和降解羧肽酶E (CPE)消耗ER Ca2 +。CPE中可溶性膜结合酶分泌颗粒参与胰岛素处理。退化的CPE棕榈酸酯被发现导致积累的未加工的胰岛素原分泌途径(40]。随着损耗的ER Ca2 +棕榈酸,也妨碍了ER-to-Golgi贩卖,监控使用热敏水泡性口炎病毒G蛋白,导致错误折叠蛋白质的积累和影响ER完整性和功能(41]。
5。展开死亡反应
如上所述,升高血糖和FFA协同作用导致导致多效性的影响β细胞代谢失调,细胞凋亡在II型糖尿病。它已经表明,棕榈酸酯诱发β细胞功能障碍,通过激活细胞凋亡的ER应激。这激活UPR恢复正常ER功能;当UPR未能充分恢复ER功能,结果导致细胞凋亡信号通路(42,43]。ER-localized毕普/ GRP78蛋白是一种多功能的伴护蛋白质错误折叠和传感器和控制激活UPR应答的ER应激。毕普/ GRP78在ER应激调节;超表达毕普/ GRP78在高血糖的条件下提高胰岛素水平,β细胞功能(44]。在老鼠MIN6细胞,毕普/ GRP78过度降低ER应激和部分保护细胞免受脂肪段细胞凋亡(23]。C / EBPbeta, CCAAT / enhancer-binding蛋白(C / EBP)家庭基本亮氨酸拉链(bZip)转录因子被发现增加糖尿病胰岛和阻止毕普的感应/由于抑制GRP78 transactivation ATF6α,从而增加的脆弱性β肽ER应激(45]。然而,毕普的角色/ GRP78 palmitate-induced ER应激是有争议的。BRIN-BD11细胞中,棕榈酸酯暴露不诱导毕普/ GRP78 [46]。这些差异可能是依赖于细胞类型,和之间的直接比较研究将被要求理解的现象,发生在这些实验条件。
与毕普/ GRP78, ATF6棕榈酸酯的影响α通路在β肽也有争议。瞬时转染INS-1细胞与HA-tagged ATF6α透露,ATF6α蛋白质是分布在细胞核和细胞的外围棕榈酸酯反应没有感应毕普/ GRP78,但无法控制或oleate-treated细胞(47]。相比之下,Kharroubi等人显示ATF6的感应α-GPR78 INS-1细胞信号通路由棕榈酸酯(48]。最近的证据也表明,在ATF6错义突变和多态性α可能与II型糖尿病(49,50]。因此,还需要进一步的研究来描述确切的ATF6α棕榈酸酯引起的信号通路β细胞失败。
相比之下,活跃删除患糖尿病的小鼠出生几周内将进步β细胞的损失,强调的重要性PERK-mediated ER应激反应的调节β细胞功能和生存51]。像其他传感器,保持活跃的活性毕普/ GRP78的绑定。一旦激活,活跃autophosphorylates和催化eif2的磷酸化α(52,53]。这导致衰减的翻译。几项研究已经表明,棕榈酸酯,并在较小程度上,油酸激活快速损耗的活跃的磷酸化ER钙导致eif2的磷酸化α在翻译,导致整体减少,但增加选定的蛋白质的翻译包括ATF3 ATF4,切23,39,47,54]。感应的ATF4上游PERK-eif2α导致切通过绑定的感应ATF4 C / EBP-ATF结合位点的切子(55]。棕榈酸诱导ATF3 proapoptotic蛋白质,导致β细胞凋亡(56]。此外,它已被证明,ATF3会使IRS-2的表达β肽(57]。相比之下,击倒的ATF3被发现增加palmitate-induced细胞凋亡,而不是防止细胞凋亡(56]。最近,Zmuda等人表明ATF3敲除老鼠用高脂肪饮食喂养12周血清胰岛素水平显著降低,在不影响胰岛素敏感性β被诱导细胞凋亡(58]。到目前为止,ATF3的下游目标β肽并不广为人知,需要进一步研究来澄清这些意想不到的结果。
切的表达由棕榈酸酯诱导细胞死亡通过转录调控的效应物生存和死亡。切被发现局部细胞核与细胞质中从糖尿病患者胰腺部分,表明切核易位是细胞凋亡诱导的离散和必要步骤(59]。切还会使凋亡蛋白bcl - 2的表达和细胞活性氧增加,这可能导致ER跟压力细胞死亡(60]。切还ERO1的上调表达α一个ER氧化酶,导致ER hyperoxidizing条件导致细胞凋亡(61年,62年]。
越来越多的证据表明,IRE1α-XBP-1通路被激活β肽由棕榈酸酯治疗,但不太敏感的油酸(单不饱和脂肪酸46,47,54]。油酸可以有效地抵消palmitate-induced XBP-1信使rna剪接,击倒的XBP-1油酸统治者——但不是palmitate-mediatedβ细胞凋亡,表明赞成和凋亡信号的微分激活下游IRE1α(63年]。在这方面,IRE1α新兵适配器蛋白质TNF receptor-associated因子2 (TRAF2)膜,导致激活物和下游proapoptotic信号(64年]。在啮齿动物β肽,IRE1协会α和TRAF2有助于ER-triggered细胞凋亡65年,66年]。水平的提高饱和远期运费协议导致物活化,IRS1 IRS2对丝氨酸/苏氨酸磷酸化,胰岛素信号和基因表达的差别,对这些67年]。此外,物的失活β肽防止palmitate-induced抑制胰岛素基因表达(68年]。此外,封锁palmitate-induced激活物使用物抑制剂部分保护β肽的影响棕榈酸酯(64年]。然而,下游物导致细胞凋亡的机制不清楚,这可能是通过激活半胱天冬酶介导的,这是下一节(图中描述1)。
6。呃是诱导细胞凋亡与线粒体有关
ER和线粒体有能力修改他们的结构和功能,以应对不断变化的环境挑战。这两种细胞器形成一个高度动态的互联网络激活细胞凋亡(69年]。然而,监管机制,确定细胞状态导致细胞生存或细胞死亡ER应激,尚未完善。线粒体中异构形状不同的细胞类型和能力有效功能是受他们的动态行为的影响。有趣的是,线粒体的形状和形态是由两个动态过程:反对聚变和裂变。消融聚变和裂变产生对细胞凋亡的发展产生深远的影响(70年]。它已经表明,线粒体β肽Zucker糖尿病老鼠的支离破碎,这意味着一个不平衡的调节线粒体融合与分裂(71年]。在正常情况下,线粒体β肽不断接受聚变和裂变,这些交互功能可能抵消长期接触的不利影响β肽在high-glucose条件下棕榈酸酯,导致线粒体分裂和损害网络动力学通过废除聚变和裂变的活动。然而,在缺乏棕榈酸酯、高葡萄糖不影响线粒体结构(72年]。
它已经清楚地表明,细胞凋亡诱导导致线粒体网络的碎片。此外,抑制线粒体Fis1裂变,外部线粒体膜裂变蛋白质决定线粒体分裂的频率,减少细胞凋亡β肽(72年]。这种质疑的另一项研究中,排除了分裂的可能性发生在细胞死亡通路(73年]。这些相互矛盾的结果可能和好,线粒体可以接收不同的压力信号和集成。那么,高脂肪的葡萄糖条件下促进线粒体分裂和凋亡吗?可假定的是相声ER与线粒体之间可以通过Ca确定细胞凋亡的承诺2 +。暴露的β肽脂葡萄糖条件引起Ca的释放2 +从内质网到细胞质,导致胞质Ca2 +集中反映线粒体钙增加2 +吸收。增加线粒体钙2 +吸收增强本地缓冲能力和释放的蛋白质能够激活细胞凋亡(74年]。随后,Ca2 +激活磷酸酶钙调磷酸酶,脱去磷酸dynamin-related蛋白1 (Drp1),使其失去活性,主调节器的线粒体分裂。有趣的是,抑制钙调磷酸酶激活部分阻止palmitate-induced凋亡[75年]。此外,palmitate-induced激活线粒体过渡的毛孔去极化引起的线粒体内膜和细胞色素c的释放到胞质,这刺激了组装caspase-9 apoptosome导致激活的,而反过来,激活caspase-3,导致DNA分裂和细胞死亡63年,64年,76年,77年]。此外,线粒体细胞色素c把呃,有选择地InsP3R结合,导致胞质持续上升的Ca2 +(78年]。
此外,蛋白质的bcl - 2家族在调停ER应激细胞凋亡中的作用。bcl - 2在正常情况下,可以绑定和隔离BH3-only蛋白质,防止这些蛋白质触发寡聚化和激活的伯灵顿和贝克79年]。刺激后,伯灵顿把细胞溶质的线粒体和oligomerizes贝克,导致线粒体外膜透化作用和细胞色素c的释放到胞质(80年,81年]。mcl1,凋亡bcl - 2蛋白家族的一员,阻止巴克斯隔离因素激活和易位的伯灵顿易位(81年]。Allagnat等人最近证明,lipotoxic条件下,mcl1表达下调β肽导致易位的伯灵顿到线粒体,细胞色素c的释放,caspase-3乳沟和细胞凋亡82年]。然而,支持这一概念,另一个研究表明翻译控制肿瘤蛋白的参与(TCTP)没有任何其他已知的蛋白质序列相似性。TCTP结合凋亡蛋白bcl - 2家族,如mcl1和Bcl-XL,对抗细胞凋亡增强这些蛋白质的凋亡行动83年]。Diraison等人表明,β肽、葡萄糖调节TCTP及其易位的表达从胞质细胞核被磷酸化和血糖水平影响的敏感性β肽细胞凋亡。棕榈酸酯治疗β肽TCTP下降,导致增加β细胞死亡和超表达TCTP预防β细胞死亡。这些作者也表明,TCTP部分把线粒体对葡萄糖的反应。但目前尚不清楚如何葡萄糖调节TCTP易位对各种细胞器和保护细胞凋亡刺激(84年]。
此外,如前所述,FFA-induced激活物无常的磷酸化途径表达降低,增加bcl - 2,分别为(63年,76年,85年,86年]。磷酸化bcl - 2也增强了Ca2 +流出的ER和增加Ca2 +由线粒体摄取[87年]。事实上,过度的bcl - 2可以影响Ca的分布2 +ER和线粒体内,可以防止细胞凋亡(88年- - - - - -90年]。这些发现表明小说通路的存在涉及ER和线粒体,通过这些细胞器编排死亡的调控信号。在这个复杂的场景中,进一步理解这个链接应该给见解宝贵的治疗靶点的识别来保护β细胞功能和预防II型糖尿病。
7所示。治疗药物针对ER
ER应激被发现与肥胖、胰岛素抵抗和2型糖尿病。因此,代理降低ER应激是有用的在治疗肥胖、外周胰岛素抵抗,高血糖和II型糖尿病。这些代理减少或预防ER应激通过改善ER的折叠或处理能力。化学陪伴PBA和TUDCA等已被证明调节ER应激,提高胰岛素敏感性在活的有机体内(91年]。此外,salubrinal eif2的选择性抑制剂α脱磷酸作用,提出了作为一种新的治疗糖尿病。Salubrinal块eif2α蛋白质由单纯疱疹病毒脱磷酸化,抑制病毒复制(92年]。但是,在β肽,eif2的选择性抑制作用α发现加强lipotoxicity [27]。
越来越多的证据表明,glucagon-like肽1 (GLP-1)及其类似物改善实验性糖尿病和保存β细胞质量,保护β从细胞凋亡肽93年- - - - - -95年]。GLP-1受体的激活exendin-4显示改善的生存β肽暴露于化学诱导ER应激通过增加ATF4-CHOP表达式。有趣的是,在接触lipotoxic条件,GLP-1受体激活了β通过诱导细胞凋亡增加细胞防御毕普/ GPR78和凋亡蛋白junB [63年]。
最近,在寻找新颖的治疗药物,植物的黄酮类化合物被发现呈现出广泛的生物活性。他们显示一个非凡的一系列生物化学和药理行动,这可能会严重影响各种蜂窝系统的功能(96年]。类黄酮、methoxyflavonoids有有益的降血脂药作用和抑制ER应激在活的有机体内和在体外(97年,98年]。此外,槲皮素,在许多植物中发现的类黄酮,保护β肽的氧化损伤和保护β细胞的完整性(99年,One hundred.]。几项研究表明异黄酮染料木素,从豆类、分离具有抗糖尿病的作用可能由降血脂药效果,从而增加胰岛素敏感性。管理染料木黄酮增加胰岛细胞增殖,动物和人类胰岛细胞生存,和质量,由活化的营地/ PKA ERK1/2磷酸化(101年- - - - - -103年]。迄今为止,类黄酮的有益的活动主要是由于他们的抗氧化性能。需要详细的研究来揭示背后的机制在抗氧化活性的有利影响类黄酮在凋亡级联ER-mitochondrial连接。
8。结论
众所周知的实验证据ER应激导致组织功能障碍和glucolipotoxicity糖尿病造成的损害。然而,潜在的机制β细胞功能障碍在糖尿病和死亡是复杂的。理解这个复杂的场景和代理,调节ER应激反应β细胞抗lipotoxic压力对治疗有相当大的影响β细胞衰竭和II型糖尿病。因此,需要进一步的研究来确定ER压力和之间的联系β细胞失败。这可能导致开发新疗法预防II型糖尿病。
确认
这项工作得到了资助从韩国国家研究基金会(NRF)由韩国教育部科学技术(最高明的)(2011 - 0027844和2011 - 0027844号,世界一流大学项目(r32 - 10064)和区域核心研究项目/抗衰老和健康研究中心)。