2型糖尿病易患基因在胰島素分泌中的作用

楊海蓮(綜述)，劉寧生(審校)

(1.寧波大學醫學院，寧波 315211； 2.南京醫科大學病理教研室/衛生部抗體技術重點實驗室，南京 210029)

2型糖尿病是一種極為普遍的流行性疾病，目前我國成人中2型糖尿病的發病率為9.7%,糖尿病患者達9200多萬，居世界首位[1]。2型糖尿病不僅與環境因素(如高糖攝入、缺乏運動等)相關，還與遺傳因素高度相關。隨著基因組范圍關聯研究(genome wide association studies,GWAS)技術和Meta分析的發展，發現了一批與2型糖尿病發病相關的單核苷酸多態性(single nucleotide polymophism，SNP)位點。對2型糖尿病患者一級親屬成員進行的高糖及正糖-高胰島素鉗夾研究發現，2型糖尿病患者一級親屬成員都存在不同程度的胰島素分泌缺陷，而胰島素抵抗不明顯，提示影響胰島素分泌的基因突變可能是個體發生2型糖尿病的關鍵易患因素[2]。

該文對2型糖尿病致病貢獻較高的12個易患基因進行歸納總結，以便于人們更好地認識參與胰島素合成、分泌相關基因的重要性。另外，利用2型糖尿病相關SNP進行2型糖尿病早期的基因突變篩查診斷，有可能為預防和治療2型糖尿病帶來新思路。

1 影響胰島素合成的易患基因

影響胰島素合成的易患基因包括核轉錄因子7類似物2(transcription factor 7-like 2，TCF7L2)、肝細胞核轉錄因子(hepatocyte nuclear factor，HNF)1β、HNF-1α、HNF-4α、干細胞表達的同源基因(haematopoietically expressed homeobox，HHEX)/胰島素降解酶及胰島素樣生長因子2 mRNA結合蛋白2的基因等。這些基因通過編碼轉錄因子，參與多種信號通路，從而調節胰島素基因或胰島素基因表達所需要的蛋白。

TCF7L2基因是運用候選基因法發現的，后來被GWAS進一步證實，在所有已知易患基因中與2型糖尿病相關性最高，其編碼核轉錄因子7類似物2，參與Wnt信號通路，與β聯蛋白構成二聚體，調節多種基因的轉錄，包括胰島素基因、腸高血糖素原基因、腸降胰島素受體相關基因、胰島素前體降解相關蛋白基因以及對β細胞分裂至關重要的基因等[3]。Lyssenko等[4]用siRNA處理人胰島中TCF7L2基因，結果胰島β細胞凋亡增加5倍，β細胞增生減少，葡萄糖刺激的胰島素分泌也減少；相反，TCF7L2基因過表達可保護胰島免遭慢性高血糖和細胞因子介導的β細胞凋亡和功能損害，因此TCF7L2對維持胰島素分泌和β細胞生存是必需的。用siRNA干擾TCF7L2可引起人胰島內胰高血糖素樣肽1(glucagon-like peptide-1,GLP-1)受體(GLP-1R)和葡萄糖依賴性促胰島素多肽/腸抑胃肽(gastric inhibitory polypeptide,GIP)受體(GIP-R)表達減少，并伴有GLP-1和GIP引起的Akt磷酸化減少，而過表達TCF7L2可恢復胰島內GLP-1R和GIP-R的蛋白表達，其他學者的研究也表明，GLP-1R和GIP-R的表達依賴于TCF7L2的表達[5]。該基因上的5個SNP：rs12255372、rs7903146、rs7901695、rs11196205和rs7895340均與2型糖尿病致病有很強的關聯性，尤其是rs7903146，多項研究證實了TCF7L2基因變異與胰島素分泌功能減退有關，但是否與胰島素抵抗有關尚不清楚。

HNF-1α、HNF-1β及HNF-4α是肝細胞核轉錄因子家族的成員，在胰島β細胞中，參與轉錄因子調控網絡，調節胰島素基因的表達，調節與葡萄糖的轉運和代謝有關蛋白的表達及線粒體的代謝。HHEX和胰島素降解酶間的連鎖不平衡域也存在多個與2型糖尿病有關的SNP，即rs1111875、rs7923837、rs154421和rs2251101等。HHEX是干細胞表達的同源基因，其編碼的蛋白作為一種轉錄因子，是胚胎中肝臟和胰腺發育所必需的[6]。新近研究發現，HHEX基因是Activin/Nodal、骨形成蛋白和Wnt信號通路的靶基因，HHEX的表達可以調節胰島β細胞的增殖[7]。另外,編碼胰島素樣生長因子2 mRNA結合蛋白2的基因屬于mRNA結合蛋白家族，在胰島細胞中高度表達，聯合胰島素信號分子胰島素樣生長因子2，參與胰腺的發育、生長以及刺激胰島素分泌。

2 影響胰島β細胞敏感性的易患基因

胰島β細胞的敏感性主要包括胰島β細胞對葡萄糖降解產生的ATP的敏感性、對腸促胰島素的敏感性，胰島β細胞受到葡萄糖、激素等刺激后會引起細胞膜的去極化。

膜電位控制鉀離子通道亞單位基因定位于第11號染色體11p15.5，長約400 kb，編碼膜電位控制鉀離子通道(IKs)的α亞單位，通常稱為KvLQT1。該基因是首次以亞洲人為對象確定的2型糖尿病相關易患基因，在日本和歐洲人群中的研究中均認為在KCNQ1基因內含子15上rs2237892、rs2237895和rs2237897與2型糖尿病致病相關。Liu等[8]對中國大陸人群的研究結果也支持此結論。Ullrich等[9]用IKs拮抗劑293B處理胰島素分泌細胞INS-1，膜片鉗檢測后發現293B可以降低β細胞的電流輸出量達60%，且動作電位延長，明顯提高胰島素分泌。由于胃腸中的IKs主要參與激素和電解質的轉運，推測廣泛分布于胃腸道的KCNQ1有可能在GLP-1、GIP的轉運過程中發揮重要作用。

褪黑素受體包括褪黑素受體1A基因及褪黑素受體1B基因，研究認為褪黑素與褪黑素受體結合后，促使褪黑素受體1A基因、褪黑素受體1B基因與腸促胰島素受體(如GIP-R、GLP-1R等)結合，以阻斷腸促胰島素對腺苷酸環化酶的活化，抑制第二信使(cAMP、cGMP)的產生[10]，這種潛在的效應將使依賴或非依賴蛋白激酶A途徑的胰島素分泌進行性減少。KCNJ11(ATP依賴的鉀離子通道亞單位)編碼ATP依賴的鉀離子通道亞單位——內向整流鉀通道蛋白(Kir6.2)。在胰島β細胞中，該蛋白通過結合葡萄糖降解的ATP，調節K+內向整流，從而使β細胞去極化，Ca2+水平升高，觸發胰島素的釋放[11]。最近的研究發現[12]，在高葡萄糖濃度的刺激下，細胞周期依賴蛋白激酶5的調節亞單位相關蛋白1(cyclin-dependent kinase 5 regulatory subunit associated protein 1-like 1，CDKAL1)剔除的鼠胰島β細胞胞質內Ca2+水平升高延遲或緩慢，且在膜片鉗實驗中ATP依賴的鉀離子通道(KATP)對葡萄糖刺激的響應能力亦減弱，另外葡萄糖刺激的胞質內ATP水平也降低。在剔除細胞周期依賴蛋白激酶5后，并沒有改變CDKAL1突變對β細胞胰島素分泌的影響，因此認為CDKAL1突變降低胰島β細胞中第一時相的葡萄糖刺激的胰島素分泌，主要是通過降低KATP對葡萄糖刺激的響應能力，減緩KATP的K+輸出和降低Ca2+通道的活性。

3 影響胰島素顆粒運輸的基因

3.1WFS1突變觸發β細胞內質網應激 Wolfram 綜合征基因編碼內質網的一個跨膜糖蛋白Wolframin，已證實該基因突變可導致Wolfram綜合征。Xu等[13]運用反轉錄聚合酶鏈反應、Western雜交及免疫熒光分別檢測Sprague-Dawley大鼠的E15.5、E18.5、初生鼠和成年鼠的胰腺中WFS1蛋白的表達，發現WFS1的表達高峰出現在胰腺β細胞形成的關鍵階段，即鼠胚胎18.5 d，因此認為WFS1蛋白與胚胎期胰腺β細胞的發育相關。剔除WFS1基因的大鼠表現為葡萄糖耐受、內質網應激增加、β細胞減少以及胰島素分泌受損[14]。研究發現，WFS1主要分布于成年鼠胰腺β細胞內質網上，Takei等[15]在HEK293細胞中剔除WFS1基因后，內質網Ca2+水平下降；相反，過表達WFS1，內質網Ca2+水平上升。內質網Ca2+水平降低會導致內質網對蛋白質的折疊能力下降，未折疊蛋白或錯誤折疊蛋白積累而觸發內質網應激[16]。因此推測,WFS1突變可能通過影響內質網Ca2+水平進而影響非折疊蛋白反應通路，引起內質網應激。

3.2影響胰島素分泌顆粒形成和運輸的易患基因 SLC30A8(蛋白鋅轉運體8，solute carrier family 30[zinc transporter],member 30)編碼蛋白鋅轉運體8，位于胰島β細胞中含有胰島素顆粒的囊泡中，推測該蛋白有可能通過調節胰島素分泌小泡上鋅的積聚，從而調節胰島素的生物合成、活化及貯存[17]。2型糖尿病相關突變位點rs10906115和rs12779790分布于CDC123(細胞周期相關蛋白，cell division cycle 123 homolog)和CAMK1D(鈣調蛋白激酶，calcium/calmodulin-dependent protein kinase 1D)基因間區域，CDC123編碼細胞周期相關蛋白，而CAMK1D編碼鈣調蛋白激酶，與胰島素分泌顆粒的聚集有關[18]，該區域與2型糖尿病相關的作用機制尚需更多實驗證明。Calpain10(半胱氨酸蛋白酶，the cystein protease calpain 10)基因編碼半胱氨酸蛋白酶Calpain-10(CAPN10)，其作用機制是在葡萄糖刺激INS-1細胞后，CAPN10通過感受胞質Ca2+水平，調節纖絲狀肌動蛋白重組裝而影響胰島素囊泡的運輸及細胞膜上的胰島素分泌[19]。

4 易患基因應用于2型糖尿病的預防和治療

2型糖尿病是多因素影響下的復雜疾病，早期干預(飲食、運動、藥物等)可以減緩甚至逆轉病程。美國糖尿病預防研究組針對2型糖尿病高危人群比較了生活方式干預及二甲雙胍類藥物治療對2型糖尿病的患者病程的影響，發現在2.8年的跟蹤試驗中，生活方式的干預可以使患2型糖尿病的風險降低58%，二甲雙胍的治療亦使患病風險降低31%[20]。

目前，2型糖尿病的臨床診斷主要依據2010年美國糖尿病協會糖尿病診斷標準，即通過糖化血紅蛋白、空腹血糖和糖耐量的相應指標來評估個體患有2型糖尿病的風險性。但由于2型糖尿病早期發病的癥狀輕微,而且這種診斷標準并沒有涉及發病的本質原因，大部分糖尿病患者并沒有被盡早的發現和診斷，從而延誤了預防和治療，加重病情。

隨著現代醫學的發展，人們對疾病治病機制的認識也在不斷深入，特別是人類基因組測序計劃的完成，以及后基因組時代對基因功能的研究成果，利用相關突變基因與個性化分子檢測相結合，對人群進行基因篩查，來預測和治療相關疾病，成為研究的重要方向。目前美國的多家生物公司已提供關于2型糖尿病基因篩查的早期診斷。通過基因檢測，了解個體對疾病的易患性，對不同患病風險的人群提供不同的健康管理方案，降低危險因素，減少個體患病風險。不同的公司通過評估相關流行病學的研究，并結合已發表的GWAS和Meta分析的研究結果來篩選與2型糖尿病高度相關的SNP，如deCODEme公司通過檢測21個與歐洲人群2型糖尿病患者高度相關的SNP來早期篩查歐洲個體的患病風險性，這些位點中大部分是參與胰島素合成與分泌的基因突變[21-22]。23andMe公司則針對歐洲、亞洲人群均提供9個相同的SNP檢測位點，這9個SNP都影響胰島素的合成與分泌[23]。針對風險人群，結合心理、飲食、運動等因素，提供患病評估，并提出具體干預措施，以降低或延緩糖尿病及多種并發癥的發生[24]。但在中國尚沒有公司提供關于2型糖尿病的基因篩查與診斷服務。

5 小結與展望

過去幾年中，隨著GWAS技術及Meta分析的發展與應用，與2型糖尿病發病相關的風險基因已達40個，在總結與2型糖尿病發病相關的易患基因的基礎上發現，致病較高的易患基因往往參與胰島素的合成和分泌過程。2型糖尿病易患基因應用于疾病的早期預防與治療將為2型糖尿病患者帶來新的希望，但目前這種診療方式的推廣尚面臨著諸多挑戰。一方面，高昂的診斷費用與實驗室設備需求，挑戰著分子診斷產業的成本利潤。醫療保險和報銷障礙、知識產權的保護力度不足、全球對分子診斷審查、批準與監管滯后等問題又使分子診斷的發展受到一定的限制。另一方面關于2型糖尿病的診斷檢測技術目前并不成熟，檢測并沒有綜合一些臨床風險因素，如性別、年齡、人群風險等，也沒有詳細評估基因早期篩查對于2型糖尿病診斷的準確度，如何提高SNP篩查風險人群的準確性，將進一步決定2型糖尿病早期基因篩查的臨床應用價值。

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