人类β细胞增殖与细胞内信号转导第2部分：无路线图仍在黑暗中行驶

摘要

引言

诱导人类β细胞增殖是目前1型和2型糖尿病研究的主要目标。过去20年来，在理解小鼠和人类β细胞规范所需关键基因的转录控制方面取得了巨大进展。最近，在诱导人类胚胎干细胞和诱导多能干细胞向内分泌谱系分化方面取得了进展。与此同时，在理解小鼠和人类β细胞中细胞周期进展的控制方面取得了重大进展。相比之下，一个很大的领域仍然缺乏研究，特别是在人类β-细胞中，是将β-细胞表面的细胞外营养素和生长因子作用与细胞周期机制联系起来的细胞内信号通路网络。

最近糖尿病展望文章中，我们讨论了啮齿动物β细胞中几种重要的细胞内信号通路的已知情况，并将大量数据与人类β细胞细胞内信号途径的补充数据相对较少进行了对比(1). 这些观点集中于胰岛素受体底物/磷脂酰肌醇-3激酶/Akt（IRS-PI3K-Akt）途径、糖原合成酶激酶-3（GSK3）和雷帕霉素（mTOR）-S6激酶途径的哺乳动物靶点、蛋白激酶Cζ（PKCζ）途径及其下游细胞周期分子靶点。在本文中，我们现在将注意力转向与β细胞增殖相关的其他重要信号通路。我们的目标是双重的。首先，我们为β细胞研究人员提供与β细胞增殖相关的细胞内信号通路的“引物”或资源。其次，我们强调，人们对人类β细胞内的细胞内事件知之甚少，如果我们要在体外或体外扩增人类β细胞用于治疗性开发，了解这一尚待研究的领域是多么重要。

葡萄糖与代谢有丝分裂信号传导

在某些生理环境下，葡萄糖显然是啮齿动物β细胞中的有丝分裂营养素，因为葡萄糖输注和体外葡萄糖暴露已被反复证明可以驱动小鼠和大鼠β细胞的复制。在这个模型中，葡萄糖通过啮齿动物的GLUT2（或人类的GLUT1）进入β细胞，并被葡萄糖激酶（GK）磷酸化。作为K的结果，GK充当β细胞的葡萄糖传感器_米这是血糖生理范围的中心。GK产生的葡萄糖-6-磷酸（G-6-P）进入糖酵解途径生成ATP和其他代谢信号，如丙酮酸、消耗AMP和ADP。这些代谢信号激活以下三条平行的下游有丝分裂途径：图1很明显，这些下游有丝分裂作用是由葡萄糖和GK介导的，因为在高血糖的GK中β细胞增殖无法发生^−/−老鼠(2). 相反，即使使用药物GK激活剂治疗的低血糖小鼠，其β细胞增殖也会增加(三).

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图1

通过mTOR、ChREBP/cMyc和NFAT实现β细胞增殖的葡萄糖信号通路。A类：啮齿动物β细胞的信号机制。B类：人类β细胞中确认的信号分子。灰色的分子和箭头表示已知存在于啮齿动物中的途径，但在人类β细胞中尚未研究。简而言之，葡萄糖通过GLUT2（啮齿动物）或GLUT1（人类）进入β细胞，GLUT1的动力学确保磷酸化和随后的分解代谢与血糖水平成正比。葡萄糖被GK磷酸化为G-6-P，并进入糖酵解。在图的右侧，这会生成ATP，耗尽ADP和AMP，从而抑制AMP激酶，从而激活mTOR信号以促进增殖。同时，在图的中间，葡萄糖的代谢激活了ChREBP，这导致cMyc和细胞周期蛋白的激活，从而导致β细胞增殖。在图的右侧，与其他途径平行，生成ATP的葡萄糖代谢通过钾内向整流/磺酰脲受体复合物阻断钾进入，导致电压依赖性钙通道去极化，从而导致钙进入。这会激活钙调素，进而激活磷酸酶、钙调神经磷酸酶，从而导致NFAT和CRTC2家族等增殖分子的去磷酸化。在生长因子和胰岛素刺激下，Akt和ERK磷酸化并灭活TSC2，释放对Rheb的抑制并激活mTOR复合物1（mTORC1）。相反，AMPK和GSK3β磷酸化和激活TSC2抑制mTOR信号。mTORC1通过磷酸化4E-BP 1、2和3以及核糖体蛋白S6激酶（S6K1和2）调节mRNA翻译来控制生长（细胞大小）和增殖（细胞数量）。4E-BP的磷酸化触发其从eIF4E释放并启动cap-dependent转换。有关更多详细信息，请参阅文本。（该图的高质量彩色表示可在在线期刊上找到。）

上述信息大多来自啮齿动物模型(图1A类)，但强调与人类β细胞有关的两点很重要(图1B类). 首先，在啮齿动物中，GLUT2是主要的β细胞葡萄糖转运蛋白。相反，在人类中，GLUT1是主要的葡萄糖转运蛋白(4,5). 第二，GK在人类β细胞增殖中的重要性得到了额外的支持，这来自于具有激活GK突变的人类新生儿，这些新生儿表现出β细胞增殖和质量增加，从而导致低血糖(6).

表皮生长因子和血小板衍生生长因子与增殖

自1993年在小鼠胰岛素瘤细胞系中鉴定出β细胞复制蛋白（BTC）以来，表皮生长因子（EGF）家族的蛋白质在β细胞复制领域备受关注(38)提示BTC可能是胰岛素瘤表型发展的促因。事实上，BTC是INS-1胰岛素瘤细胞体外有效的有丝分裂原(39)和啮齿动物体内胰腺β细胞(40,41). BTC介导的β细胞有丝分裂效应需要激活EGF/ErbB1和ErbB2受体，并上调IRS2(42) (图2A类).

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图2

EGF和PDGF在调节β细胞增殖中的信号传递。啮齿动物EGF蛋白家族和PDGF激活的信号通路示意图(A类)和人类(B类)β细胞。EGF蛋白家族的多个成员，包括BTC、EGF、HB-EGF、TGF-α和表调节蛋白，已被证明在β细胞中起作用。ErbB受体家族在β-细胞和与ErbB1结合的BTC中表达，也称为EGFR，据报道ErbB2可激活IRS2/PI3K通路，进而通过PDK-1信号调节Akt和PKCζ。EGF与β细胞中ErbB受体的结合导致Akt和ERK信号通路的激活。GLP-1通过激活ADAM蛋白可导致作用于ErbB受体的β细胞分泌BTC。这些途径的激活导致啮齿动物β细胞增殖增强，这是人类β细胞未知的一个方面。PDGF受体在β细胞中表达，但在衰老过程中其表达减弱。PDGF与PDGFR结合可激活ERK1/2，增加组蛋白甲基转移酶、Ezh2的表达，抑制细胞周期抑制剂p16^墨水4β细胞增殖增加。这一途径在幼年人β细胞中得以保留，并导致复制增强。灰线是已知存在于啮齿动物中但在人类β细胞中未知的分子和通路。（该图的高质量彩色表示可在在线期刊上找到。）

小鼠模型中EGF受体（EGFR）缺乏导致β细胞增殖和糖尿病显著降低，与细胞外信号相关激酶（ERK）和Akt活性降低相关(43–45). 此外，EGFR-deficient小鼠在高脂喂养或怀孕期间无法扩大β细胞质量，其中β细胞复制是代偿性β细胞生长的主要机制(43). 此外，胰高血糖素样肽1（GLP-1）在INS-1细胞中的促有丝分裂作用需要EGFR激活(46). 因此，在GLP-1诱导和胰岛素抵抗状态下，出生后β细胞增殖需要完整的EGFR途径。然而，与BTC相反，两种EGFR配体，EGF或转化生长因子（TGF）-α，只能适度增加啮齿动物β细胞的增殖(39,46). 此外，肝素结合（HB）-EGF的转基因过表达并未导致β细胞增殖增加(47). 综上所述，这些结果表明，尽管正常β细胞增殖和扩增需要EGFR激活，但EGF、HB-EGF或TGFα可能不是激活该受体的天然配体。最近，另一种表皮生长因子受体配体，表雄激素，已被证明能增加体外β细胞增殖(48). 这些研究强调了涉及这一大家族配体和受体的β细胞有丝分裂效应的复杂性，并指出需要分析ErbB受体和配体在β细胞增殖和扩张中的作用。

20世纪90年代的体外实验表明，血小板衍生生长因子（PDGF）与PDGF受体（PDGFR）的联合转染可促进胰岛细胞增殖(49,50). 最近，Chen等人的一项优雅研究(51)研究表明，PDGFR的表达以年龄依赖的方式减少，降低了成人β细胞中该生长因子的增殖潜力。向幼年小鼠胰岛外源性添加PDGF-AA导致组蛋白甲基转移酶Ezh2（p16的阻遏物）的表达增加^墨水4)β细胞增殖增加(51). 然而，在成年小鼠胰岛中未观察到这些影响。幼年小鼠β细胞中PDGFR-α的条件性失活导致β细胞增殖和质量显著降低，并发展为高血糖和糖耐量异常(51). 重要的是，PDGFR失活会损害成年小鼠经链脲佐菌素治疗后的β细胞再生和β细胞质量的恢复。另一方面，转基因小鼠β细胞中PDGFR-α活性形式的过度表达导致老年小鼠β细胞显著增殖。总之，这些研究表明PDGFR信号是生理性β细胞增殖和扩增所必需的，其激活足以维持小鼠体内成年β细胞的扩增。Erk1/2的激活，而不是PI3K或磷脂酶C-γ的激活，负责PDGFR信号介导的β细胞增殖(图2A类).

对于人类β细胞(图2B类)，关于EGF/EGFR家族成员与增殖相关的信息几乎不存在。众所周知，BTC和EGFR在人类α细胞、β细胞和导管细胞中特异表达(52). 此外，有研究表明，人类胰岛素瘤也表达BTC，这表明BTC可能对人类胰岛生长很重要(52). 有趣的是，PDGFR-α存在于青少年人类胰岛中，但在成人胰岛中不存在，这表明PDGF信号衰减是老化人类β细胞的一个保留特征(51). PDGF诱导青少年人β细胞增殖显著增加，这种效应可能由Erk1/2激活介导，但在成人β细胞中无效(51). 不幸的是，在PDGF存在的情况下，将PDGFR转移到成人胰岛是否会导致β细胞增殖增强尚不清楚。

Wnt、β-连环蛋白与增殖

全基因组关联研究表明Wnt信号通路在2型糖尿病发病机制中的作用，转录因子7样2（TCF7L2）的变体传递2型糖尿病最强的遗传风险因子。典型的Wnt通路通过Wnt配体与Frizzled受体的结合而激活，诱导一连串事件，导致β-catenin的核定位，并通过与T细胞特异性因子/淋巴增强因子结合因子（TCF/LEF）转录因子的相互作用而转录激活(图3) (53,54). Wnt信号缺失允许β-连环蛋白通过激活包括axins、GSK3β和APC在内的蛋白质复合体而进行蛋白质体降解(55). 除了对Wnt配体的反应外，这一途径还由β细胞中GLP-1受体的激活诱导(56). 该信号通路在胰腺发育和β细胞增殖中起主要作用(57–62). Wnt3a诱导细胞周期蛋白D2、D1和cdk4的表达，并导致体外β细胞增殖增加(63). Wnt增加增殖似乎是由Pitx2诱导的细胞周期蛋白D2转录介导的。体内研究表明，β-catenin活性突变体的过度表达可增加β细胞增殖(63). 相反，axin过度表达抑制Wnt信号传导，阻止β细胞扩张，使用RIP-Cre或Pdx1-Cre小鼠的β细胞中β-catenin缺失，也对胰岛质量和增殖产生不利影响(57,63,64). 有趣的是，使用Pdx1-Cre或RIP2-CreER在胰腺中有条件地删除Wnt共受体TCF7L2^T2段正常情况下，β细胞质量没有明显缺陷(65,66). 然而，在糖尿病条件下，TCF7可能在β细胞增殖和再生中发挥作用，但其机制和细胞周期成分在很大程度上尚未探索(65,67,68).

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图3

瘦素、Wnt和β-catenin在调节β细胞增殖中的信号传递。A类：在小鼠模型中，瘦素通过JAK-STAT途径抑制PTEN并调节Akt/PKB和p70S6k。Akt/PKB也被生长因子（胰岛素/IGF-1）信号激活，调节GSK3β。Wnt/frizzled途径还调节GSK3β，阻止β-catenin磷酸化以控制Lef/Tcf7L2和cyclin D2的表达，并可能调控cyclin D1和cMyc以激活细胞周期和调节增殖。GLP-1或exendin-4激活的GLP-1受体信号传导导致cAMP的升高和蛋白激酶A的激活，其可以通过MEK/ERK1/2途径直接或间接磷酸化β-连环蛋白。胰岛素或IGF-1受体的激活导致IRS2中丝氨酸/苏氨酸残基的磷酸化，PI3K和Akt/PKB的激活，进而磷酸化和灭活GSK3β。B类：在人类β细胞中，已有瘦素受体、GLP-1受体和Wnt信号通路元件的报道。然而，与增殖反应相关的下游蛋白（标记为灰色）尚未完全被了解。（该图的高质量彩色表示可在在线期刊上找到。）

在人类中，大多数涉及Wnt信号在β细胞中作用的研究都集中于TCF7L2(图3B类). 在基础条件下，人胰岛TCF7L2的耗竭与β细胞增殖减少相关(69). 相反，TCF7L2过度表达逆转了慢性高糖诱导的β细胞增殖的减少(69). 人类胰岛暴露于Wnt3a刺激了Pitx2和cyclin D2的表达，尽管还没有证明β细胞扩增(63).

瘦素与增殖

据报道，瘦素受体在原代小鼠β细胞和胰岛素瘤细胞系中表达(70–72). 主要亚型ObRb被认为调节β细胞中瘦素的作用。瘦素通过直接或间接（通过Janus激酶/信号转导子和转录激活子[JAK-STAT]）激活SOCS3来抑制胰岛素基因转录，SOCS3反过来抑制胰岛素启动子活性。瘦素对β细胞增殖的影响是通过抑制激活PI3K/Akt的PTEN来实现的。另外，据报道，JAK-STAT的瘦素激活可直接调节β细胞增殖(图3A类).

体内模型也为瘦素在不影响下丘脑功能的情况下对胰岛生物学产生直接影响提供了证据。瘦素受体胰岛特异性缺失小鼠(73,74)体重或食物摄入量没有变化，但糖耐量有所提高，表明瘦素对胰岛素释放的强直抑制作用消失。这些研究表明，缺乏瘦素作用通过影响p70S6k和Akt的磷酸化促进β细胞生长。这些数据与Zucker肥胖大鼠的β细胞质量增加一致，后者也缺乏瘦素作用(75).

已知人类β细胞也表达ObRb受体，已知外源性瘦素在体外抑制人类胰岛的胰岛素分泌(71,76). 然而，瘦素对β细胞质量的影响尚不清楚(图3B类). 鉴于高胰岛素血症的影响，瘦素在2型糖尿病和肥胖患者体内的作用尚不明确，而高胰岛素血症反过来会导致脂肪细胞释放瘦素并促进瘦素抵抗(77).

雌激素、孕激素和增殖

雌激素

在啮齿类动物模型中，主要的雌性雌激素17β-雌二醇（E2）保护功能性β-细胞群免受与1型和2型糖尿病相关的损伤，包括氧化应激、淀粉样多肽毒性、糖脂毒性和细胞凋亡(78). E2在β细胞增殖中的作用尚不清楚，尽管E2在特定的生理和实验条件下也可能促进β细胞增殖(图4). 历史上，60年前，Houssay等人提出雌激素对胰岛再生的影响(79)他观察到，胰腺次全切除术后在剩余胰腺内植入雌激素颗粒可诱导周围胰岛再生。此外，在四氧嘧啶和链脲佐菌素糖尿病大鼠模型中还观察到雌激素对胰岛和β细胞再生的刺激作用(80). E2还增加培养的大鼠胰岛细胞增殖(81). 然而，在这些研究中，雌激素是在药理浓度下使用的，因此尚不清楚这些观察是否与生理学有关。然而，在一项研究中，据报道，生理剂量的雌激素可以增加β细胞增殖，并恢复切除卵巢的啮齿类动物胰腺次全切除术后β细胞质量的下降(82). 这种效应与通过CREB的激活增加IRS-2和Pdx1蛋白的表达有关(图4A类) (82). 因此，在经典的β细胞再生模型中，或在高剂量下，E2可以诱导β细胞增殖。相比之下，在大多数研究中，E2的使用剂量会导致雄性或雌性啮齿动物的生理血清浓度升高，而β细胞增殖没有显著诱导(83–85).

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图4

雌激素/孕酮信号通路参与增殖。A类：在啮齿类动物的β细胞中，GPER与妊娠期的β细胞增殖有关。在啮齿动物中，妊娠期间GPER表达上调，导致胰岛microRNA miR-338-3p表达降低，导致IRS-2、Pdx1、FOXM1和cyclin D2的mRNA表达增加，并刺激β细胞增殖。E2/GPER的这些作用依赖于cAMP和PKA。据报道，E2也会增加去卵巢啮齿动物胰腺次全切除术后的β细胞增殖。这种效应与IRS-2和PDX1蛋白的表达增加有关。B类：人类β细胞。灰色线条是已知存在于啮齿动物中但在人类β细胞中未知的分子和通路。人类β细胞信号路线图尚不完善。虽然已知FOXM1、IRS-2、cyclin D2、PDX-1存在于人类β细胞中，但它们与雌激素信号传导的关系尚未研究。E2暴露会降低人胰岛细胞中miR-338–3p的水平。然而，E2和miR-338-3p的沉默均未诱导培养的人类β细胞的复制。此外，尚未对人类β细胞中的孕酮信号进行研究。

啮齿动物β细胞中已鉴定出三种雌激素受体（ER），即ERα、ERβ和G蛋白偶联ER（GPER）（也称为GPR30）。与在细胞核中起配体激活转录因子作用的经典核ERs不同，β细胞ERs主要位于核外位置。它们通过与激酶（如Src、ERK和AMPK）或转录因子（如STAT3）的细胞溶质相互作用发挥作用(78,86,87). 有趣的是，最近GPER与β细胞增殖有关(88). 妊娠与功能性β细胞群的扩张有关，以适应不断增加的代谢需求。在啮齿类动物中，妊娠期间GPER表达强烈上调。此外，妊娠期间β细胞质量的增加与胰岛microRNA miR-338-3p表达的减少有关。在隔离的大鼠胰岛中，暴露于E2或GPER激动剂G1，miR-338-3p降低到妊娠期观察到的水平，这与β细胞增殖增加有关。E2的这些作用是cAMP依赖性的，并被cAMP-依赖性蛋白激酶（PKA）抑制剂阻断。

在人类β细胞中，啮齿动物体内也存在三种ER(78,84,85,89,90) (图4B类). E2和ER配体对培养的人类胰岛中β细胞存活、功能和营养平衡的有益作用(84,85,89,90). 此外，生理剂量的E2和ER激动剂的抗凋亡作用在体内高血糖环境中移植到小鼠体内的人胰岛中得以维持(84). 然而，在这些条件下，人类β细胞没有增殖(84). E2暴露降低人胰岛细胞中miR-338–3p的水平(88). 然而，E2和miR-338-3p的沉默均未诱导培养中的人类β细胞复制。因此，与本综述中描述的其他分子一样，在啮齿动物β细胞增殖中观察到的E2、GPER和miR-338–3p的显著作用在人类β细胞中没有观察到。最后，据报道，E2通过ERα促进成人胰岛源性前体细胞的增殖并抑制其分化(91).

结论

如前几节所述，连接细胞表面受体和通道与β细胞增殖机制的细胞内信号通路是复杂的。有趣的是，正如前面强调的那样(1)信号通路可以以多种不同的方式进入细胞周期机制，其中一些通路激活cdk，其他通路激活早期或晚期细胞周期蛋白，其他通路主要抑制细胞周期抑制剂，还有一些通路作用于其中几个靶点。信号传递的一个方面在这两个观点中没有被强调，但非常重要的是，信号传递途径之间的复杂串扰。例如，GSK3β是一种组成性活性激酶，参与PI3K/Akt信号和Wnt-β-catenin信号。IRS2可激活PI3K和RAS-MAPK通路中的下游信号。催乳素受体信号不仅可以激活其典型的下游JAK2-STAT5通路，还可以激活PI3K和MAPK信号。此外，这些路径，我们描述为线性的，自上而下的路径，实际上充满了自我抑制以及放大肢体。因此，通过IRS2的胰岛素和IGF2信号激活PI3K/mTOR通路，这些通路反馈抑制IRS2，从而减弱IRS2信号。这种复杂性具有挑战性，但也为激活β细胞增殖的小分子提供了多种丰富的靶点。

同样重要的是要强调的是，由于空间限制，这两个观点中还没有涵盖其他重要的细胞内信号途径。示例包括GH、Epo、ICA-512、JAK2、STAT5、SOCS-CISH信令；干细胞因子、c-kit信号；GPCR、cAMP、PKA、CREB、CREM信号；TGF-β、BMP、激活素、抑制素、肌抑制素和SMAD信号；RAS-MAPK信令的详细信息；毒蕈碱、肾上腺素能和大麻素信号；钙粘蛋白、整合素和粘着斑激酶；以及通过嘌呤能受体和腺苷激酶途径进行信号传递，由于高通量小分子β细胞筛选，这些途径最近变得相关。这些和其他方面值得在今后的审查中予以注意。

最后，重要的是要强调，对成人β细胞中这些途径的研究是多么少。虽然在幼年啮齿动物和成年人类β细胞中大致相似，但这些途径在重要细节上有所不同。阐明这些差异可能提供线索，解释为什么成人β细胞难以诱导增殖，以及诱导人类β细胞增殖的治疗机会。随着纯化人类β细胞技术的出现，目前有很大的机会探索和定义人类β细胞增殖的独特详细“解剖结构”。因此，在人类β细胞中，我们仍然在没有头灯的黑暗中行驶。是时候打开泛光灯了。

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