MafA基因治疗糖尿病的研究进展

　作者：赵勇,王道荣,汤东,李洪波　　作者单位：江苏省苏北人民医院　胃肠外科(江苏　扬州)

　　【摘要】糖尿病是一种严重危害人类健康的疾病。1型糖尿病主要因胰岛β细胞破坏引起胰岛素缺乏，2型糖尿病患者晚期也以胰岛素分泌严重不足为主，需要外源性胰岛素治疗。MafA蛋白在胰腺中表达，是胰岛素基因转录的有效活化剂。与Pdx-1和Beta2联合作用，MafA基因发挥明显的促胰岛素生成作用。如果能利用MafA基因诱导糖尿病患者体内胰腺外细胞表达胰岛素，替代病变的胰腺β细胞，将极大的改善糖尿病患者的预后。
　　【关键词】 基因，MafA•基因表达•糖尿病

　　糖尿病严重危害人类健康，发病率呈逐年升高趋势。1型和2型晚期糖尿病患者都存在内源性胰岛素缺乏，目前临床上的治疗不能满足重建患者胰岛β细胞分泌功能的需求。人们曾尝试移植胰岛细胞来重建胰腺内分泌功能，但移植排异、免疫抑制的副作用及手术并发症等诸多因素制约了临床的应用和治疗效果。胚胎干细胞和胰腺干细胞一度成为治疗糖尿病的种子细胞，但又受到了取材不便和伦理学的限制。目前发现，MafA基因在Pdx-1、NeuroD等其他基因的联合作用下，能够诱导体外胰岛素分泌，对糖尿病的治疗有重大的意义
　　1　Maf蛋白的结构和功能

　　Maf蛋白属于巨噬细胞激活因子(macrophage-activating factor, Maf)家族，由4个包含N末端的酸性转录激活区域(acidic transc[x]ription activating domain TAD)的大Maf蛋白(MafAL-Maf，MafBKreisler，c-Maf和NRL)和3个包含bZIP的小Maf蛋白(MafF，MafG和MafK)组成[1-2]。其中MafA蛋白是胰岛素基因转录的有效活化剂[3]。成年哺乳动物体内只有胰腺β细胞表达胰岛素，MafA蛋白的正常表达维持胰腺结构和功能。MafA蛋白通过连接胰岛基因启动区域的顺式作用元件RIPE3b响应由血清葡萄糖水平调节的胰岛素转录[4]。MafA蛋白缺乏的小鼠Pdx-1、Beta2及NeuroD转录因子的表达降低，β细胞与α细胞的比例降低，影响胰岛素分泌[5]。
　　2　MafA基因在胰岛素转录中的作用

　　胰岛素基因在胰腺β细胞特异性表达，其转录受到循环中葡萄糖水平的调节。有资料报道未被鉴别出的β细胞特异性核因子结合到称为RIPE3b的保守的顺式调控元件，对葡萄糖调节的表达很重要[5-6]。RT-PCR分析显示MafA mRNA只能在晶状体和胰腺β细胞被检测到[7]。MafA蛋白和MafA mRNA受葡萄糖调节，与β细胞核提取物中结合于RIPE3b元件的MafA相一致。在瞬时荧光(素)酶分析显示MafA基因的表达增加了胰岛素启动子活性，同时引发来自MafA的显性负相抑制[7]。因此，MafA基因可能涉及β细胞的功能和糖尿病的发病机制。
　　用MafA基因稳定转染胰岛αTC6细胞，分析来自内源性胰岛素基因表达的研究发现，MafA基因在αTC6细胞异位表达诱导了可检测的低水平的胰岛素2mRNA，而其他可能的MafA应答基因如Pdx-1和胰岛素1没有被有效的活化[1]。此外，胰高血糖素的表达没有受到MafA基因的影响，表明MafA基因不干涉α细胞浓缩的MafB介导的激活作用。并且还发现MafA基因缺乏小鼠的胰岛素1和胰岛素2转录均显著减少[4]。
　　Kajihara等[8]发现磷酸化与MafA基因大的激活活性有很大的关系，资料显示磷酸化后MafA基因的转录活性和或在细胞外信号的稳定性发生很大变化。
　　Jeffrey等[9]提出了MafA基因第三区的概念，认为在大鼠、小鼠和人的MafA基因第五侧翼区已经有6个领域的作用被确认，然而只有位于小鼠MafA基因核苷酸-8118和-7750之间的第三区有能力独立表达胰腺选择性β细胞系的报告基因。在哺乳动物中，第三区是保守的区域。用于第三区的因子可以直接使MafA基因转录至β细胞。Jeffrey等[9]认为，掌握第三区介导的活化，有助于深刻认知那些特殊的或者是新的转录因子在调节MafA基因的转录和胰腺发育过程中的作用，从而了解胰岛素缺乏和糖尿病的遗传缺陷。
　　3　MafA基因缺乏时胰岛素分泌的调节和机制

　　已有研究证实转录因子MafA是胰岛素分泌和胰岛结构维护的一个重要的调节因子[10]。胰岛素的转录在MafA基因缺乏小鼠中明显减少，但在胰腺中却显示正常水平，主要是因为MafA基因作为转录因子与胰岛素基因的促进因子相关联， MafA基因可以通过调节胰岛素基因的转录来调节血清葡萄糖水平[11-15]。这些结果表明，MafA基因是体内的胰岛素转录重要的调节因子。与同种类型正常胰腺相比， MafA--的胰腺中胰岛素水平并没有明显的减少，这种矛盾的观点可以用两种假设来解释。异常的葡萄糖刺激胰岛素分泌(glucose stimulated insulin secreion，GSIS)系统是一种可能，因为MafA基因缺乏小鼠的GSIS系统是受损的，使得胰岛素的分泌减少，而受损的GSIS系统对MafA--胰腺稳定期的胰岛素水平却没有明显的影响。另外一种可能就是对胰岛素合成调节的过转录。Leroux等[16]报道，即使胰岛素2转录的量没有变化，在胰岛素1不足的小鼠体内，胰岛素2的量仍较正常小鼠增加，推测胰岛素合成调节中存在过转录。MafA基因缺乏对胚胎时期胰岛的生长没有直接的影响，这与Pdx-1和Beta2突变导致的结果形成了鲜明的对比。Pdx-1和Beta2对于体外的胰岛素基因表达同样重要，这些因子的缺乏会导致活体内胰岛发育的异常。Kataoka等[11]报道MafA基因在胰岛细胞中的初表达是在胚胎发育第13.5天。但是在这一时期并没有检测到Nkx6.1无效突变体，推测MafA基因处于Nkx6.1的下游[14]。
　　研究表明，MafA基因缺乏小鼠的胰岛对葡萄糖、精氨酸和氯化钾不能给予相应的应答。GSIS包括离子型和非离子型两条刺激通路。离子型的葡萄糖刺激通路(K+ ATP通道关闭，膜去极化，电压调控的L型Ca2+通道激活，Ca2+流入，细胞质中Ca2+增多)对β细胞胰岛素的分泌发挥了主要作用。非离子型葡萄糖刺激通路也有重要的生理学意义(K+ ATP通道依赖性葡萄糖活动)。β细胞中cAMP蛋白激酶A途径的激活能够刺激胰岛素的分泌，其发生机制是GLP-1增加了Ca2+的流入，从而促进了末端胰岛素的分泌[17]。精氨酸和氯化钾在葡萄糖存在的情况下也可以促进胰岛素的分泌，两者可以直接使β细胞膜去极化，激活Ca2+通道，刺激胰岛素分泌。MafA基因缺乏小鼠和胰岛异常对于葡萄糖、精氨酸和氯化钾的无应答，表明离子型和非离子型通道都受到影响。Samaras等[6]研究证实，Pdx-1的表达受到β细胞中的MafA基因的调节，因此可以用Pdx-1的减量调节来解释在MafA基因缺乏小鼠中观察到的异常的GSIS系统。
　　4　MafA和Pdx-1或Beta2等转录因子产生协同激活作用
　　内源性胰岛素转录的激活作用主要由分别结合到A3 (-201～-196 bp)、C1(-126～-101 bp)和 E1 (-100～ -91 bp)的Pdx-1、MafA和Beta2来控制[18]。MafA基因只在成人胰岛的β细胞中表达，而Pdx-1和Beta2不局限于β细胞，还可存在于δ细胞的亚型。资料显示， MafA基因似乎是由C1介导激活作用的主要调节剂; Pdx-1和Beta2因子控制由葡萄糖调节的胰岛素基因的转录，同样是β细胞功能的主要调节剂[19]。
　　MafA基因单独作用对胰岛素的转录影响不大，但与Pdx-1、Beta2三者联合，则能显著促胰岛素生成。胰岛素基因的β细胞的限制性表达是MafA、Pdx-1和Beta2这3个转录因子协同作用的结果。MafA基因和Pdx-1、Beta2之间直接的协同作用通过各自的顺式作用因子和(或)共同激活作用增强了跨因子之间的亲和力，从而稳定了DNA蛋白质复合物[20]。然而三者之间活性的协同作用并不是很明了。Nishimura等[21]发现，MafA基因缺乏小鼠会发展成年龄依赖型糖尿病。这种小鼠出生时胰岛形态结构是正常的，随着年龄增长，其GSIS和胰岛形态结构逐渐异常。胰岛素和葡萄糖转录子2(GLUT2，一种β细胞内葡萄糖传感系统的重要组成部分)在MafA基因缺乏小鼠的胰岛中的表达降低。提示MafA基因不仅影响胰岛素的转录，对胰岛中β细胞的扩散与存在也有关键作用[22]。
　　MafA基因对β细胞的作用可以通过在β细胞和非β细胞中的过表达来实现[5,23]。MafA基因能够对涉及β细胞功能(如胰岛素的合成和分泌)和葡萄糖代谢的其他基因(包括激素原转化酶、K离子通道的亚基Kir6.2和SUR1、胰高血糖素样肽1受体、GLUT2、葡萄糖激酶和丙酮酸羧化酶)进行调节。MafA基因同样调节Pdx-1、Beta2和Nkx6.1等其他β细胞转录因子的表达。因此在维持β细胞功能方面，MafA是关键基因。
　　有观点认为非β细胞(如肝脏细胞)中的MafA，Pdx-1和Beta2表达的同声传译诱导内源性胰岛素基因和其他β细胞特殊基因(如葡萄糖激酶、K离子通道的亚基Kir6.2和SUR1)一些研究表明，MafA、Pdx-1和Beta2可能成为治疗糖尿病不错的潜在的靶基因[5，24]。
　　5　MafA基因对胰腺外细胞表达胰岛素的诱导

　　MafA基因的作用使人们对其能否诱导胰岛外细胞表达胰岛素充满兴趣。Hideaki等[25]在链脲酶素诱导的糖尿病鼠模型中发现，腺病毒转染的Pdx-1、Beta2NeuroD和MafA可以诱导胰岛素启动子的活性，并且在肝脏胰岛素基因表达中发挥强的协同作用，但未观察MafA基因单独作用的结果。Nomura等[26]研究了MafA基因单独作用于体内肠上皮细胞诱导胰岛素表达的情况，结果显示单独表达MafA基因可以使鼠肠细胞分化为胰腺生成细胞。他们还发现MafA基因可以诱导包括GLP-1和GIP生成细胞等15种不同肠内分泌细胞产生胰岛素。腺病毒转染的MafA基因治疗的糖尿病鼠体内，10%肠内分泌细胞产生的胰岛素水平与空肠内GLP-1或GIP生成细胞产生胰岛素的水平相当。
　　6　结语

　　在Pdx-1、NeuroD等因子的联合作用下，MafA基因对体内胰岛素水平的调控发挥关键作用。糖尿病小鼠模型经过腺病毒转染MafA基因，靶器官能够分泌胰岛素，使血糖下降，为利用MafA基因治疗糖尿病提供了动物实验依据。体内的肝脏、肌肉、脑下垂体、造血干细胞和胃肠细胞都是胰岛素生成细胞再生的靶器官，为基因治疗提供了广阔的空间。利用MafA基因诱导胰岛外细胞产生胰岛素有可能成为治疗各型糖尿病的新途径。
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