生物鐘基因表達改變與糖尿病發病的關系研究進展

杜運松，王曜暉，侯拉梅，李麗娟

(遵義醫學院病理生理學教研室，貴州遵義563099)

·綜述·

生物鐘基因表達改變與糖尿病發病的關系研究進展

杜運松，王曜暉，侯拉梅，李麗娟

(遵義醫學院病理生理學教研室，貴州遵義563099)

生物鐘基因包括外周生物鐘基因和中樞生物鐘基因。目前發現的生物鐘基因主要有芳香烴受體核轉位蛋白樣1基因(BMAL1)、時鐘基因(CLOCK)、隱色素基因1(Cry1)、隱色素基因2(Cry2)、周期基因1(Per1)、周期基因2(Per2)、周期基因3(Per3)等。研究表明外周生物鐘基因和中樞生物鐘基因表達改變均與糖尿病(DM)的發病有關，如肌肉、外周血中的BMAL1基因，肝臟、胰腺中的CLOCK、BMAL1基因，下丘腦視交叉上核中的CLOCK、BMAL1、Per、Cry基因等。這些生物鐘基因表達異常可引起葡萄糖代謝紊亂、葡萄糖耐受性降低、胰島素分泌障礙、胰島素抵抗，最終導致DM的發病。

生物鐘基因；糖尿病；時鐘基因；芳香烴受體核轉位蛋白樣1基因；糖代謝紊亂；胰島素抵抗

我國是全球DM患者最多的國家[1]。DM是由遺傳和環境因素共同作用引起的以慢性高血糖為特征的全身代謝性疾病[2]。DM發病的關鍵環節是胰島β細胞功能受損和胰島素抵抗。生物體內的各種生理活動普遍呈現明顯的節律性，如內分泌、睡眠、體溫等均受生物鐘的調控。生物鐘是生物體生命活動的內在節律性。1971年，Konopka等[3]在果蠅基因突變實驗中發現了生物鐘基因的組件，隨后有研究陸續報道了數十種生物鐘基因，如芳香烴受體核轉位蛋白樣1基因(BMAL1)、時鐘基因(CLOCK)、隱色素基因1(Cry1)、隱色素基因2(Cry2)、周期基因1(Per1)、周期基因2(Per2)、周期基因3(Per3)等，其中CLOCK和BMAL1是核心生物鐘基因[4]。生物鐘基因的mRNA和蛋白表達都表現出24 h的振蕩周期[5]，這種振蕩周期是生物鐘產生的前提。哺乳動物體內的生物鐘包括中樞生物鐘和外周生物鐘。中樞生物鐘存在于下丘腦的視交叉上核(SCN)，SCN可以獨自產生并維持機體的日周期節律，其發出的信息能控制機體行為和生理節律，如睡眠、體溫和內分泌等；外周生物鐘存在于SCN以外的大部分組織，如肌肉、肝臟、胰腺等，外周生物鐘并不能自主產生生理節律，而是由SCN控制下的神經、體液等其他信號分子進行調控[6～8]。許多不良生活方式可破壞生物鐘基因的振蕩表達模式，從而改變生物鐘，引起包括DM在內的疾病。目前，生物鐘改變在DM發病中的作用已備受關注。本文收集了近年來有關生物鐘基因表達改變與DM發病的關系的研究，現綜述如下。

1 外周生物鐘基因表達改變與DM發病的關系

1.1 肌肉生物鐘基因 肌糖原是肌肉中葡萄糖的儲存形式。正常的生物鐘是肌糖原合成與分解平衡的前提。Harfmann等[9]敲除小鼠骨骼肌中的BMAL1基因后，發現骨骼肌纖維類型有轉變，肌節結構異常，線粒體的呼吸作用減弱，同時伴有葡萄糖代謝異常，主要表現為葡萄糖耐量降低和胰島素敏感性減弱。Dyar等[10]進一步證實，骨骼肌中特異性敲除BMAL1基因的大鼠，骨骼肌葡萄糖轉運蛋白4(GLTT-4)基因表達下調，胰島素促進骨骼肌攝取葡萄糖的功能受損；同時丙酮酸脫氫酶(PDH)活性減弱，葡萄糖代謝異常。另外，Young等[11]特異性敲除小鼠心肌的BMAL1基因后，亦發現該小鼠心肌葡萄糖利用受到抑制。這些研究表明，肌肉中BMAL1基因的正常表達對葡萄糖代謝有重要調控作用，當肌肉中BMAL1基因表達出現異常時，葡萄糖代謝將隨之發生改變，表現出一定的葡萄糖耐受性降低和胰島素抵抗效應，這可能是DM發病的重要機制。

1.2 肝臟生物鐘基因 肝糖原是肝臟葡萄糖的儲存形式，正常的生物鐘亦是肝糖原合成與分解平衡的基礎。Zhang等[12]研究發現，存在胰島素抵抗的db/db(患有2型DM)小鼠肝臟生物鐘基因Cry1的表達明顯上調，同時小鼠表現出高血糖和胰島素敏感性降低。Machicao F等[13]研究亦發現Cry2在肝臟能量代謝中可促進甘油三酯的儲存，同時可以限制葡萄糖的產生。Doi等[14]研究證實，糖原合成的限速酶糖原合酶2(Gys2)的表達受肝臟生物鐘調節；當小鼠肝臟中CLOCK基因發生突變時，Gys2的表達受到抑制，肝糖原合成受到影響，表現出一定的胰島素抵抗效應。Zhou等[15]以siRNAs技術敲減小鼠肝臟細胞中的CLOCK或BMAL1基因后，亦可誘導肝臟出現胰島素抵抗；而通過尾靜脈給DM小鼠注射過表達CLOCK、BMAL1基因的腺病毒后，則可改善小鼠對胰島素的敏感性。有學者[16]發現特異性敲除小鼠肝臟中的BMAL1基因后，可引起脂肪肝和胰島素抵抗。可見，肝臟CLOCK、BMAL1基因的正常表達是調控肝糖原合成及肝臟對胰島素敏感性的重要環節。當肝臟生物鐘基因出現異常表達時，可導致胰島素抵抗及糖代謝紊亂，從而有可能導致DM的發病。

1.3 胰腺生物鐘基因 胰島素和胰高血糖素是由胰腺產生的，釋放至血液中以調控血漿葡萄糖水平的穩定。胰腺胰島素和胰高血糖素的分泌亦受生物鐘的調控。Marcheva等[17]研究發現，胰腺生物鐘基因CLOCK、BMAL1突變的小鼠葡萄糖代謝明顯紊亂，同時表現出葡萄糖耐受性降低和胰島素分泌減少；并且隨著鼠齡的增加，胰島細胞增殖能力逐漸下降，葡萄糖耐受降低和胰島素分泌減少的狀況進行性惡化。Saini等[18]進一步證實，通過siRNA技術敲減人胰島細胞中的CLOCK基因后，胰島細胞分泌胰島素的晝夜節律模式被破壞，葡萄糖刺激胰島素分泌的敏感性降低；此外胰島素分泌相關基因的轉錄也受到明顯影響。有學者[19]研究發現，敲減小鼠胰腺中的BMAL1基因后，小鼠會發生嚴重的葡萄糖耐受不良和胰島素分泌減少。Perelis等[20]也證實，當成年小鼠β細胞中BMAL1基因受到破壞后，小鼠可產生明顯的高血糖，葡萄糖耐受性降低，胰島素分泌不足，進而發展為DM。有趣的是，小鼠在模擬輪班工作后，其晝夜節律發生失調，導致胰島素的釋放改變，進而可能導致DM的發病，類似于小鼠β細胞中BMAL1基因敲除后的表現[21]。可見，當胰腺中的生物鐘基因CLOCK、BMAL1表達出現異常時，可引起葡萄糖代謝紊亂和胰島素分泌障礙，并可能進一步促進DM的發生。

1.4 外周血生物鐘基因 Ando等[22]發現，DM患者外周血白細胞中的BMAL1、Per1及Per3的表達均顯著降低，該學者認為，這些外周生物鐘基因的表達改變可能與DM的發病有關。另外，研究者[23]發現，小于胎齡兒(SGA)血清胰島素水平較低，同時SGA的臍帶血和胎盤血淋巴細胞中的BMAL1基因表達水平較高，認為BMAL1基因的表達改變與血清胰島素分泌減少可能存在一定關系，這是否是SGA個體成年后罹患DM的重要機制，尚需要進一步證實[24，25]。

2 中樞生物鐘基因表達改變與DM發病的關系

哺乳動物的中樞生物鐘位于SCN，SCN存在于下丘腦前部的起搏神經元聚集群，是人體生理節律的起博點，同時也是生理節律信號產生和輸送的源頭。有學者[26]研究發現，SCN的損傷會導致機體內分泌活動和行為的晝夜節律消失，證明了SCN對生物鐘的產生至關重要。SCN中表達的生物鐘基因有CLOCK、BMAL1、Per和Cry等[27]。研究[28]表明，特異性損傷小鼠雙側SCN后，其生物鐘基因表達將發生改變，進而干擾機體能量代謝平衡，最終導致胰島素抵抗的發生。Kinoshita等[29]研究表明，在慢性束縛的應激條件下小鼠SCN可減弱Per2基因的節律表達，增強糖原合成激酶3β(GSK-3β)的磷酸化作用，而GSK-3β是參與糖原代謝的關鍵酶，能使糖原合成酶磷酸化，進而減少糖原合成，使血糖升高。此外，CLOCK、BMAL1、Per1、Cry1等基因的表達受松果體分泌的神經內分泌激素褪黑素調控，松果體在SCN支配下以分泌褪黑素的形式將時間信息傳遞至全身其他部位。松果體被切除后的大鼠血糖水平明顯升高，胰島β細胞功能受損，而補充褪黑素可恢復因生物鐘基因表達紊亂誘導的葡萄糖耐受不良和胰島素抵抗[30～32]。上述研究結果提示，褪黑素對糖代謝的調節作用可能是通過調控SCN中生物鐘基因的表達而實現的，即SCN中生物鐘基因的正常表達與糖代謝及組織對胰島素的敏感性密切相關。SCN中生物鐘基因表達異常可引起糖代謝等紊亂，可能最終導致DM的發病。

總之，生物鐘與葡萄糖代謝和胰島素分泌密切相關，生物鐘基因表達紊亂參與DM的發生和發展。現代生活節奏加快、飲食習慣改變和生活環境污染，均可能導致生物鐘及生物鐘基因表達紊亂，進而導致DM發生；DM患者如果存在不健康的生活方式，即使有充足的藥物治療和胰島素補充，患者的病情也難以有效控制。從生物鐘的角度來研究DM的發病，這為尋找防治DM的新靶點和切入點開辟了新的視角，并為DM患者生活方式的基礎干預措施提供了理論依據。但是生物鐘及生物鐘基因表達的改變與DM的關系尚有諸多細節未明確，如生物鐘基因表達改變如何影響葡萄糖代謝、胰島素分泌，如何調節生物鐘基因表達以防治DM等。希望通過今后的深入研究能更清楚地闡明生物鐘基因表達改變與DM之間的關系，從而降低DM的發病率，改善DM患者的預后。

[1] Yang W, Lu J, Weng J, et al. Prevalence of diabetes among men and women in China[J]. N Engl J Med, 2010, 362(12):1090-1101.

[2] 趙宏,范秀華,馬勇.糖尿病的預防與治療臨床研究近況[J].糖尿病新世界,2014,17(34)：34-35．

[3] Konopka RJ, Benzer S. Clock mutants of Drosophila melanogaster[J]. Proc Natl Acad Sci U S A, 1971,68(9):2112-2116.

[4] 屠苗英,王秀敏.生物鐘基因對糖代謝的調控影響[J].國際兒科學雜志,2013,40(3)：243-246．

[5] Bell-Pedersen D, Cassone VM, Earnest DJ, et al. Circadian rhythms from multiple oscillators: lessons from diverse organisms[J]. Nat Rev Genet, 2005,6(7):544-556.

[6] 孫秀杰,陳亞瓊,劉浥.進食行為調控外周生物鐘節律的研究進展[J].生命科學,2015,27(11):1386-1391.

[7] 肖文琴,殷國建,王興鵬,等.生物鐘與消化系統疾病[J].胃腸病學和肝病學雜志,2014,23(12)：1492-1495.

[8] Hirota T, Fukada Y. Resetting mechanism of central and peripheral circadian clocks in mammals[J]. Zoolog Sci, 2004,21(4):359-368.

[9] Harfmann BD, Schroder EA, Esser KA. Circadian rhythms, the molecular clock, and skeletal muscle[J]. J Biol Rhythms, 2015,30(2): 84-94.

[10] Dyar KA, Ciciliot S, Wright LE, et al. Muscle insulin sensitivity and glucose metabolism are controlled by the intrinsic muscle clock[J]. Mol Metab, 2013,3(1):29-41.

[11] Young ME, Brewer RA, Peliciari-Garcia RA, et al. Cardiomyocyte-specific BMAL1 plays critical roles in metabolism, signaling, and maintenance of contractile function of the heart[J]. J Biol Rhythms, 2014,29(4):257-276.

[12] Zhang EE, Liu Y, Dentin R, et al. Cryptochrome mediates circadian regulation of cAMP signaling and hepatic gluconeogenesis[J]. Nat Med, 2010,16(10):1152-1156.

[13] Machicao F, Peter A, Machann J, et al. Glucose-Raising Polymorphisms in the Human Clock Gene Cryptochrome 2 (CRY2) Affect Hepatic Lipid Content[J]. PLoS One, 2016,11(1):e0145563

[14] Doi R, Oishi K, Ishida N. CLOCK regulates circadian rhythms of hepatic glycogen synthesis through transcriptional activation of Gys2[J]. J Biol Chem, 2010,285(29):22114-22121.

[15] Zhou B, Zhang Y, Zhang F, et al. CLOCK/BMAL1 regulates circadian change of mouse hepatic insulin sensitivity by SIRT1[J]. Hepatology, 2014,59(6):2196-2206.

[16] Jacobi D, Liu S, Burkewitz K, et al. Hepatic Bmal1 Regulates Rhythmic Mitochondrial Dynamics and Promotes Metabolic Fitness[J]. Cell Metab, 2015,22(4):709-720.

[17] Marcheva B, Ramsey KM, Buhr ED, et al. Disruption of the clock components CLOCK and BMAL1 leads to hypoinsulinaemia and diabetes[J]. Nature, 2010,466(7306):627-631.

[18] Saini C, Petrenko V, Pulimeno P, et al. A functional circadian clock is required for proper insulin secretion by human pancreatic islet cells[J]. Diabetes Obes Metab, 2016,18(4):355-365.

[19] Sadacca LA, Lamia KA, Delemos AS, et al. An intrinsic circadian clock of the pancreas is required for normal insulin release and glucose homeostasis in mice[J]. Diabetologia, 2011,54(1):120-124.

[20] Perelis M, Marcheva B, Ramsey KM, et al. Pancreatic β-cell Enhancers Regulate Rhythmic Transcription of Genes Controlling Insulin Secretion[J]. Science, 2015,350(6261):aac4250.

[21] Lee J, Moulik M, Fang Z, et al. Bmal1 and β-cell clock are required for adaptation to circadian disruption and their loss of function leads to oxidative stress-induced β-cell failure in mice[J]. Mol Cell Biol, 2013, 33(11):2327-2338.

[22] Ando H, Takamura T, Matsuzawa-Nagata N, et al. Clock gene expression in peripheral leucocytes of patients with type 2 diabetes[J]. Diabetologia, 2009,52(2):329-335.

[23] 屠苗英,王秀敏,董關萍,等.小于胎齡兒Clock、Bmal1基因表達與胰島素、胰島素樣因子-1水平的臨床研究[J].浙江醫學,2016,38(13):1057-1060．

[24] Duan C, Liu M, Xu H, et al. Decreased expression of GLUT4 in male CG-IUGR rats May play a vital role in their increased susceptibility to diabetes mellitus in adulthood[J]. Acta Biochim Biophys Sin (Shanghai), 2016,48(10):872-882.

[25] Thorn SR, Rozance PJ, Brown LD, et al. The intrauterine growth restriction phenotype:fetal adaptactions and potential implications for later Life insulin resistance and diabetes[J]. Semin Reprod Med, 2011,29(3):225-236.

[26] Stephan FK, Zucker I. Circadian rhythms in drinking behavior and locomotor activity of rats are eliminated by hypothalamic lesions[J]. Proc Natl Acad Sci U S A, 1972,69(6):1583-1586.

[27] Takahashi JS, Hong HK, Ko CH, et al. The genetics of mammalian circadian order and disorder: implications for physiology and disease[J]. Nat Rev Genet, 2008,9(10):764-775.

[28] Coomans CP, van den Berq SA, Lucassen EA, et al. The suprachiasmatic nucleus controls circadian energy metabolism and hepatic insulin sensitivity[J]. Diabetes, 2013,62(4):1102-1108.

[29] Kinoshita C, Miyazaki K, Ishida N. Chronic stress affects PERIOD2 expression through glycogen synthase kinase-3β phosphorylation in the central clock[J]. Neuroreport, 2012,23(2):98-102.

[30] Von Gall C, Weaver DR, Moek J, et al. Melatonin plays a crucial role in the regulation of rhythmic clock gene expression in the mouse pars tuberalis[J]. Ann N Y Acad Sci, 2005,1040:508-511.

[31] Sharma S, Singh H, Ahmad N, et al. The role of melatonin in diabetes: therapeutic implications[J]. Arch Endocrinol Metab, 2015,59(5): 391-399.

[32] Mellado C, Rodriguez V, de Diego JG, et al. Effect of pinealectomy and of diabetes on liver insulin and glucagon receptor concentrations in the rat[J]. J Pineal Res, 1989,6(4):295-306.

10.3969/j.issn.1002-266X.2017.39.032

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2017-06-12)