硫氧还蛋白互作蛋白(thioredoxin-interacting protein,TXNIP),又称为维生素D₃上调蛋白 (VDUP1)^[1],最早在1,25-二羟维生素D₃处理的HL-60细胞中发现。随后,研究人员在酵母双杂交系统中发现TXNIP能够与硫氧还蛋白 (thioredoxin,Trx) 结合,首次揭示了TXNIP的生物学功能可能与氧化应激有关^[2]。2002年在一项高糖刺激的人胰岛寡核苷酸基因表达微阵列研究中发现葡萄糖可诱导TXNIP表达的上调^[3],在TXNIP基因的启动子上存在碳水化合物应答元件 (carbohydrate response element,ChRE)^[4],并可引起胰岛β细胞功能异常及凋亡,提示TXNIP与糖尿病的发病有关。此外,研究人员还发现不稳定的血流也可导致内皮细胞中TXNIP表达的上调^{[5, 6]},从而激活炎症因子,增加黏附分子的表达,据此推测TXNIP可能是导致血管性疾病起始的原因。随着研究的深入,发现TXNIP有多种生物学功能,可对细胞的生长、凋亡、代谢和炎症反应进行调控,并与一些疾病的形成和进展有密切联系,如心肌重塑、血管生成、糖尿病和癌症^{[7, 8, 9]}。

人TXNIP是一个由39个氨基酸残基组成的分 子量为46 kD的蛋白,可在多种组织中表达,其基 因位于染色体1q21.1上,且在种属之间高度保守^[10]。TXNIP可与Trx结合,并降低Trx氧化还原能力,二者的相互作用是TXNIP发挥生物学作用的经典途径。由于Trx在生物机体内主要的生理功能是调节氧化应激,因此TXNIP与Trx的相互作用,也称为氧化还原依赖的功能^[9]。另外,TXNIP属于α-arrestin蛋白家族,这一家族的蛋白成员具有SH3和PPxY结构 域,因此TXNIP能够与许多其他蛋白相互作用,这是TXNIP发挥非氧化还原依赖的生物学作用的结构基础^[11]。

葡萄糖是TXNIP最强的生理刺激因子,不难看出高糖引起的TXNIP过表达可能与糖尿病形成与发展存在密切联系,这种关系现已成为研究人员广泛关注的焦点。

大量研究显示TXNIP的表达在mRNA和蛋白水平上均可受到调控 (图 1)。在mRNA水平上,一些刺激因子可引起TXNIP表达的上调,如葡萄糖、PPAR激动剂和氧化应激等; 在TXNIP蛋白自身的稳定性方面又受到AMPK信号通路的影响。

图 1

Figure 1

Figure 1 The modulation of TXNIP expression and clearance

葡萄糖是诱导TXNIP表达显著上调的最重要 的生理刺激因子。在首先发现葡萄糖能引起TXNIP的显著上调^[3],随后的研究在INS-1-β细胞中通过qRT-PCR和免疫印迹技术证实了这一结果^{[4, 12, 13]}。通过对顺式和反式作用因子的研究揭示TXNIP启动子附近存在一个保守的E-box重复序列。进一步的研究显示,在胰岛β细胞中TXNIP的启动子上存在可以结合碳水化合物应答元件结合蛋白(ChREBP) 的结合位点^[14]。而在心肌和骨骼肌细胞中,葡萄糖引起TXNIP的表达主要是通过ChREBP的同源物Mondo A调节^{[15, 16]}。确切地说,葡萄糖水平的增加促使糖酵解中间产物的增加,这些产物可诱导ChREBP/Mondo A- Max样蛋白 (Max-like protein,MIx) 复合物与TXNIP启动子上的ChRE结合,从而增加启动子活 性,促进TXNIP的表达。近期的一些研究支持上述结论,Yu等^[17]的研究结果显示线粒体氧化磷酸化抑制剂增加糖酵解流,降低糖酵解中间产物水平,而且这些中间产物对Mondo A和转录因子MIx的功能以及TXNIP的表达十分重要。Chai等^[18]的研究进一步显示,在低氧条件下,消除糖酵解中间产物能够抑制Mondo A-MIx的级联反应,并减少TXNIP的表达。

除了基因水平调节TXNIP外,机体还可通过蛋白水平对TXNIP进行调节。尽管这方面的研究相对较少,然而一些研究成果提示TXNIP在蛋白水平调节的重要意义。近期的一项研究显示,在脂肪细胞和前脂肪细胞中,100 nmol·L^-1胰岛素可通过激活泛素/蛋白酶体(ubiquitin/proteasome) 通路加速脂肪细胞中TXNIP的降解,有趣的是在胰岛β细胞和HepG2细胞中却没有这种作用。在这项研究中加入磷脂酰肌醇3激酶 (phosphatidyl inositol 3-kinase,PI3K) 抑制剂渥曼青霉素 (wortmannin) 显著抑制了胰岛素降解TXNIP的作用,这说明胰岛素降解TXNIP的作用 依赖于PI3K^[19]。另外,参与TXNIP调节的一个胞内关键蛋白是AMP依赖的蛋白激酶 (AMP-dependent protein kinase,AMPK)。AMPK是监测细胞能量的调节子,当胞内能量下降时,通过磷酸化胞内的一些关键蛋白抑制ATP的消耗并增加ATP的产生,从而恢复细胞的能量平衡^[20]。之前的证据显示AMPK调节ChREBP的应答效应,从而对TXNIP的表达产生影响。近期,研究人员利用AMPK的激动剂在高糖刺激的HepG2细胞中发现,AMPK的激活导致TXNIP的快速降解,并引发葡萄糖转运子1 (glucose transport 1,Glut 1) 的快速增加,从而促进葡萄糖的吸收^[21]。然而,关于AMPK激活后加速TXNIP的降解机制并不清楚,以及与泛素化/蛋白酶体降解TXNIP之间是否存在联系也尚未明确,这些问题需进一步研究。

TXNIP表达的上调与胰岛素敏感性的改变、葡萄糖吸收、胰岛素分泌、胰岛细胞凋亡和肝糖质新生的增加等过程有关,提示其在糖尿病病理进展中有重要作用。一项大规模的人群研究显示,糖尿病患者和糖尿病前患者骨骼肌中TXNIP的表达较健康人群高,而且TXNIP的表达与葡萄糖的吸收呈负相关性^[22]; 另外,多囊卵巢综合征患者血清中TXNIP水平与胰岛素抵抗也呈正相关性^[23]。在脂肪介导的高血糖和葡萄糖耐受的小鼠模型中,TXNIP敲除可改善葡萄糖的敏感性以及葡萄糖耐受能力。Yoshihara等^[24]报道在肥胖的小鼠模型中,TXNIP的缺陷提高了胰岛素的 敏感性,并伴有胰岛素受体底物1/蛋白激酶B (Akt) 的激活。Chutkow等^[25]的研究发现,高脂饲料喂养的TXNIP敲除鼠的胰岛素敏感性比对照组明显增加,而且在脂肪组织和骨骼肌组织中葡萄糖的运输也有所增加。近期,研究人员利用腺病毒载体向正常的小鼠导入TXNIP,结果显示过表达的TXNIP导致小鼠葡萄糖、胰岛素和丙酮酸的耐受能力受损,这是由于TXNIP的过表达致使机体对葡萄糖6磷酸 (glucose- 6-phosphatase,G6pc) 的抑制减弱,从而引起肝糖质新生 (hepatic gluconeogenesis) 的增加^[26]。这些临床数据和动物试验的结果均提示TXNIP过表达与糖尿病的形成存在明显的相关性。

胰岛β细胞受损和胰岛素抵抗是导致1型和2型糖尿病的主要原因。目前,大量的研究证明了TXNIP与胰岛β细胞功能受损存在明显的相关性。正常条件下,TXNIP缺陷的HcB-19小鼠胰岛β细胞体积增加。β细胞特定敲除的TXNIP bTKO小鼠对 低剂量链脲佐菌素 (STZ) 诱导的糖尿病有抵抗作用,而且胰岛β细胞的凋亡与对照组相比急剧下降^[27]。此外,硫氧还蛋白过表达可保护STZ诱导的损伤以及缓解NOD糖尿病小鼠的进程^[28]。这些结果表明在动物水平上TXNIP缺陷可保护胰岛β细胞。

TXNIP引起胰岛β细胞损伤的机制涉及以下几个方面 (图 2)。高糖刺激TXNIP表达上调带来的不利效应与包含pyrin蛋白结构域3的NOD样受体 (NOD-like receptor pyrin domain-containing 3,NLRP3) 炎症小体激活有关。TXNIP上调引起氧化应激的增加可以激活NLRP3炎症小体,继而通过caspase 1引发IL-1β的释放,从而诱导细胞死亡,这可能是TXNIP导致胰岛β细胞功能异常和死亡的原因之一^[29]。另外,TXNIP也抑制抗炎转录因子Kruppel-like factor 2 (KLF2) 的表达^[30],这一过程主要涉及到内皮细胞炎症的增加,也可能与胰岛β细胞功能异常有关。其次,基于TXNIP与Trx的相互作用以及细胞氧化还原状态的调节能力,TXNIP过表达导致Trx的抗氧化能力下降,而β细胞本身缺少抗氧化防御系统,因此这可能是导致胰岛β细胞凋亡的一个原因。更为重要的是,TXNIP可以转移到线粒体,并与Trx2结合,此时,凋亡信号调节激酶1 (apoptosis signal-regulating kinase 1,ASK1) 便与Trx 2脱离,引起细胞色素C从线粒 体中释放,诱发细胞凋亡^[31]。此外,TXNIP通过诱导miR-200/Zeb1/E-cadherin通路,使胰岛β细胞增殖功能丧失而凋亡^[32]。TXNIP还可调节miR-204引起β细胞胰岛素分泌功能障碍。最近的研究显示,TXNIP通过抑制STAT3的活性诱导miR-204的表达,而miR-204直接下调胰岛素转录因子MAFA,引起胰岛β细胞胰岛素分泌功能障碍^[33]。

图 2

Figure 2

Figure 2 The mechanism of pancreatic β cell and endothelial cell dysfunction mediated by TXNIP

糖尿病相关的并发症是糖尿病患者生活质量下降以及高致死率的主要原因。尽管糖尿病并发症的发生与糖基化终末产物 (advanced glycosylation end products,AGE) 的形成、氧化应激的增加以及炎症的激活有密切关系,然而更精确的机制仍不明确。近来,一些证据表明糖尿病肾病^{[34, 35]}、视网膜病变^{[36, 37]}、血管性病变的发生^{[38, 39]}可能与TXNIP表达的上调有密切关系。在这些研究中以糖尿病血管性病变与TXNIP的关系研究最为详实。

最近,一个更为直接的证据表明TXNIP过表达直接导致糖尿病性血管新生功能障碍。研究人员发现沉默Txnip基因可阻止高糖诱导的内皮细胞迁移障碍和血管形成损伤,而且动物实验也表明siRNA沉默TXNIP阻止缺血介导的糖尿病性血管新生障碍^[39],恢复血管内皮生长因子 (vascular endothelial growth factor,VEGF) 的产生以及VEGF的促血管新生能 力^[40],并且阻止高糖引起的内皮细胞NO水平的下降和eNOS的解偶联作用。这一结果在细胞水平上也得到了支持,即在低氧应激条件下,TXNIP过表达降低内皮细胞的存活与迁移能力,当TXNIP表达上调时可与Trx结合形成复合体,并迁移到细胞膜上致使血管内皮生长因子受体 (VEGFR2) 对VEGF的应答能力减弱^[41]。然而,有趣的是在体内试验中,TXNIP抑制血管新生的作用与Trx1活性无关^[39]。其他研究显示,TXNIP调节血管生成的机制与TXNIP-HIFα- VEGF通路有关。TXNIP的上调可降低缺氧诱导因子α (HIF-α) 的稳定性并促进其降解,从而抑制VEGF的信号^[42],这一过程是通过诱导HIF-α从细胞核向细胞质转移促进HIF-α降解实现的^[43]。

糖尿病性动脉粥样硬化是导致糖尿病患者致死的主要原因,糖尿病患者动脉粥样硬化发生与患者的血糖水平、血脂异常以及高血压等因素有关,内皮细胞炎症、凋亡以及粘附分子的表达是动脉粥样硬化的起始因素。现有证据充分证明TXNIP表达上调与内皮细胞功能异常密切相关^{[5, 6, 44, 45]} (图 2)。TXNIP在内皮细胞功能中作用的发现源于其机械感受效应,当不稳定的血流作用于内皮细胞时,可引起TXNIP表达上调,通过TXNIP/TRX/ASK1通路引起内皮细胞炎症以及ICAM/VCAM的增加,进一步利用siRNA沉默TXNIP抑制了TNFα介导的ICAM和VCAM表达的上升^[5]。随后的研究发现TXNIP作为转录抑制子,抑制内皮细胞中抗炎因子KLF2的表达^[30],从而阐明了TXNIP上调诱导炎症的分子机制。这些结果提示TXNIP在血管性病变的进程中扮演着重要作用。尽管TXNIP与糖尿病动脉粥样硬化之间的关系研究甚少,但是由于高血糖可直接导致TXNIP上升,因此TXNIP的上升可能是糖尿病性动脉粥样硬化发病起始的原因之一。

尽管在过去的几十年中糖尿病的治疗已取得较大进展,但是除控制血糖外,几乎没有其他更好的手段来应对糖尿病的发展,尤其是糖尿病并发症的发生。胰岛β细胞功能异常和丢失是1型和2型糖尿病病理进程的共同特征,如何有效地保护胰岛β细胞,至今仍无有效手段。更为棘手的是高血糖导致的并发症,尤其是血管并发症,是导致糖尿病患者死亡的首要原因,但是目前尚无任何有效的药物防止血管并发症的发生。

抑制TXNIP对于缓解糖尿病及其血管并发症的作用体现在: ① 抑制TXNIP能够保护胰岛β细胞,并有助于恢复胰岛β细胞分泌胰岛素的能力; 减轻脂肪组织和肝脏对胰岛素的抵抗。因此,抑制TXNIP的过表达在理论上是潜在预防和治疗1型和2型糖 尿病的有效方法。② 在血管中,抑制TXNIP的过表达可防止高糖、氧化应激和紊乱血流以及其他因素带来的血管炎症,尤其体现在对血管内皮的保护作用。这些均表明TXNIP在治疗糖尿病动脉粥样硬化以及微血管病变中的重要意义。

特异性抑制TXNIP的一些先导化合物或者药物已在研究中^[9]。此外,目前一些临床应用的药物也具有降低TXNIP的作用,例如钙通道阻断剂维拉帕米可抑制TXNIP的表达,并保护STZ诱导的小鼠胰岛β细胞凋亡,动物实验的结果显示其有良好的治疗作用^[13]。另外,一些降糖药物也具有抑制TXNIP的作用。例如,胰岛素通过刺激PI3K信号通路抑制TXNIP的表达^[46]; GLP-1类似物增加cAMP,从而抑制胰岛β细胞中TXNIP的表达^[47]。尽管抑制TXNIP的药物在体外以及动物实验中显示出较好的防治糖尿病及其并发症的作用,然而在临床上应用特异性抑制TXNIP的药物治疗糖尿病及其并发症仍需一定的时间。但是,已有的结果提示以TXNIP作为治疗糖尿病及其并发症的靶点十分有前景。

值得注意的是,由于TXNIP在各个组织中均有一定程度的表达以及对前凋亡因子的抑制作用,抑制TXNIP的脱靶效应可能增加患肿瘤的风险。但是,TXNIP缺陷的HcB-19小鼠在整个生命周期中并未 显示出明显的肝细胞癌、淋巴瘤或其他癌症增加的风险^[48]。重要的是,对于防治糖尿病及其血管并发症,只需将TXNIP恢复到正常水平即可,而无需完全抑制。因此,TXNIP作为防治糖尿病及其并发症的潜在靶点及其小分子抑制剂的筛选值得进一步研究。