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(xué)醫(yī)學(xué)院，寧波 315211； 2.南京醫(yī)科大學(xué)病理教研室/衛(wèi)生部抗體技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(fā)病率為9.7%,糖尿病患者達(dá)9200多萬，居世界首位[1]。2型糖尿病不僅與環(huán)境因素(如高糖攝入、缺乏運(yùn)動(dòng)等)相關(guān)，還與遺傳因素高度相關(guān)。隨著基因組范圍關(guān)聯(lián)研究(genome wide association studies,GWAS)技術(shù)和Meta分析的發(fā)展，發(fā)現(xiàn)了一批與2型糖尿病發(fā)病相關(guān)的單核苷酸多態(tài)性(single nucleotide polymophism，SNP)位點(diǎn)。對(duì)2型糖尿病患者一級(jí)親屬成員進(jìn)行的高糖及正糖-高胰島素鉗夾研究發(fā)現(xiàn)，2型糖尿病患者一級(jí)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(gè)體發(fā)生2型糖尿病的關(guān)鍵易患因素[2]。

該文對(duì)2型糖尿病致病貢獻(xiàn)較高的12個(gè)易患基因進(jìn)行歸納總結(jié)，以便于人們更好地認(rèn)識(shí)參與胰島素合成、分泌相關(guān)基因的重要性。另外，利用2型糖尿病相關(guān)SNP進(jìn)行2型糖尿病早期的基因突變篩查診斷，有可能為預(yù)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(zhuǎn)錄因子7類似物2(transcription factor 7-like 2，TCF7L2)、肝細(xì)胞核轉(zhuǎn)錄因子(hepatocyte nuclear factor，HNF)1β、HNF-1α、HNF-4α、干細(xì)胞表達(dá)的同源基因(haematopoietically expressed homeobox，HHEX)/胰島素降解酶及胰島素樣生長(zhǎng)因子2 mRNA結(jié)合蛋白2的基因等。這些基因通過編碼轉(zhuǎn)錄因子，參與多種信號(hào)通路，從而調(diào)節(jié)胰島素基因或胰島素基因表達(dá)所需要的蛋白。

TCF7L2基因是運(yùn)用候選基因法發(fā)現(xiàn)的，后來被GWAS進(jìn)一步證實(shí)，在所有已知易患基因中與2型糖尿病相關(guān)性最高，其編碼核轉(zhuǎn)錄因子7類似物2，參與Wnt信號(hào)通路，與β聯(lián)蛋白構(gòu)成二聚體，調(diào)節(jié)多種基因的轉(zhuǎn)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(guān)基因、胰島素前體降解相關(guān)蛋白基因以及對(duì)β細(xì)胞分裂至關(guān)重要的基因等[3]。Lyssenko等[4]用siRNA處理人胰島中TCF7L2基因，結(jié)果胰島β細(xì)胞凋亡增加5倍，β細(xì)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(dá)可保護(hù)胰島免遭慢性高血糖和細(xì)胞因子介導(dǎo)的β細(xì)胞凋亡和功能損害，因此TCF7L2對(duì)維持胰島素分泌和β細(xì)胞生存是必需的。用siRNA干擾TCF7L2可引起人胰島內(nèi)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(dá)減少，并伴有GLP-1和GIP引起的Akt磷酸化減少，而過表達(dá)TCF7L2可恢復(fù)胰島內(nèi)GLP-1R和GIP-R的蛋白表達(dá)，其他學(xué)者的研究也表明，GLP-1R和GIP-R的表達(dá)依賴于TCF7L2的表達(dá)[5]。該基因上的5個(gè)SNP：rs12255372、rs7903146、rs7901695、rs11196205和rs7895340均與2型糖尿病致病有很強(qiáng)的關(guān)聯(lián)性，尤其是rs7903146，多項(xiàng)研究證實(shí)了TCF7L2基因變異與胰島素分泌功能減退有關(guān)，但是否與胰島素抵抗有關(guān)尚不清楚。

HNF-1α、HNF-1β及HNF-4α是肝細(xì)胞核轉(zhuǎn)錄因子家族的成員，在胰島β細(xì)胞中，參與轉(zhuǎn)錄因子調(diào)控網(wǎng)絡(luò)，調(diào)節(jié)胰島素基因的表達(dá)，調(diào)節(jié)與葡萄糖的轉(zhuǎn)運(yùn)和代謝有關(guān)蛋白的表達(dá)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(gè)與2型糖尿病有關(guān)的SNP，即rs1111875、rs7923837、rs154421和rs2251101等。HHEX是干細(xì)胞表達(dá)的同源基因，其編碼的蛋白作為一種轉(zhuǎn)錄因子，是胚胎中肝臟和胰腺發(fā)育所必需的[6]。新近研究發(fā)現(xiàn)，HHEX基因是Activin/Nodal、骨形成蛋白和Wnt信號(hào)通路的靶基因，HHEX的表達(dá)可以調(diào)節(jié)胰島β細(xì)胞的增殖[7]。另外,編碼胰島素樣生長(zhǎng)因子2 mRNA結(jié)合蛋白2的基因?qū)儆趍RNA結(jié)合蛋白家族，在胰島細(xì)胞中高度表達(dá)，聯(lián)合胰島素信號(hào)分子胰島素樣生長(zhǎng)因子2，參與胰腺的發(fā)育、生長(zhǎng)以及刺激胰島素分泌。

2 影響胰島β細(xì)胞敏感性的易患基因

胰島β細(xì)胞的敏感性主要包括胰島β細(xì)胞對(duì)葡萄糖降解產(chǎn)生的ATP的敏感性、對(duì)腸促胰島素的敏感性，胰島β細(xì)胞受到葡萄糖、激素等刺激后會(huì)引起細(xì)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(hào)染色體11p15.5，長(zhǎng)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(duì)象確定的2型糖尿病相關(guān)易患基因，在日本和歐洲人群中的研究中均認(rèn)為在KCNQ1基因內(nèi)含子15上rs2237892、rs2237895和rs2237897與2型糖尿病致病相關(guān)。Liu等[8]對(duì)中國大陸人群的研究結(jié)果也支持此結(jié)論。Ullrich等[9]用IKs拮抗劑293B處理胰島素分泌細(xì)胞INS-1，膜片鉗檢測(cè)后發(fā)現(xiàn)293B可以降低β細(xì)胞的電流輸出量達(dá)60%，且動(dòng)作電位延長(zhǎng)，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(zhì)的轉(zhuǎn)運(yùn)，推測(cè)廣泛分布于胃腸道的KCNQ1有可能在GLP-1、GIP的轉(zhuǎn)運(yùn)過程中發(fā)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(rèn)為褪黑素與褪黑素受體結(jié)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(jié)合，以阻斷腸促胰島素對(duì)腺苷酸環(huán)化酶的活化，抑制第二信使(cAMP、cGMP)的產(chǎn)生[10]，這種潛在的效應(yīng)將使依賴或非依賴蛋白激酶A途徑的胰島素分泌進(jìn)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(nèi)向整流鉀通道蛋白(Kir6.2)。在胰島β細(xì)胞中，該蛋白通過結(jié)合葡萄糖降解的ATP，調(diào)節(jié)K+內(nèi)向整流，從而使β細(xì)胞去極化，Ca2+水平升高，觸發(fā)胰島素的釋放[11]。最近的研究發(fā)現(xiàn)[12]，在高葡萄糖濃度的刺激下，細(xì)胞周期依賴蛋白激酶5的調(diào)節(jié)亞單位相關(guān)蛋白1(cyclin-dependent kinase 5 regulatory subunit associated protein 1-like 1，CDKAL1)剔除的鼠胰島β細(xì)胞胞質(zhì)內(nèi)Ca2+水平升高延遲或緩慢，且在膜片鉗實(shí)驗(yàn)中ATP依賴的鉀離子通道(KATP)對(duì)葡萄糖刺激的響應(yīng)能力亦減弱，另外葡萄糖刺激的胞質(zhì)內(nèi)ATP水平也降低。在剔除細(xì)胞周期依賴蛋白激酶5后，并沒有改變CDKAL1突變對(duì)β細(xì)胞胰島素分泌的影響，因此認(rèn)為CDKAL1突變降低胰島β細(xì)胞中第一時(shí)相的葡萄糖刺激的胰島素分泌，主要是通過降低KATP對(duì)葡萄糖刺激的響應(yīng)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(yùn)輸?shù)幕?/h2>

3.1WFS1突變觸發(fā)β細(xì)胞內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激 Wolfram 綜合征基因編碼內(nèi)質(zhì)網(wǎng)的一個(gè)跨膜糖蛋白Wolframin，已證實(shí)該基因突變可導(dǎo)致Wolfram綜合征。Xu等[13]運(yùn)用反轉(zhuǎn)錄聚合酶鏈反應(yīng)、Western雜交及免疫熒光分別檢測(cè)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(dá)，發(fā)現(xiàn)WFS1的表達(dá)高峰出現(xiàn)在胰腺β細(xì)胞形成的關(guān)鍵階段，即鼠胚胎18.5 d，因此認(rèn)為WFS1蛋白與胚胎期胰腺β細(xì)胞的發(fā)育相關(guān)。剔除WFS1基因的大鼠表現(xiàn)為葡萄糖耐受、內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激增加、β細(xì)胞減少以及胰島素分泌受損[14]。研究發(fā)現(xiàn)，WFS1主要分布于成年鼠胰腺β細(xì)胞內(nèi)質(zhì)網(wǎng)上，Takei等[15]在HEK293細(xì)胞中剔除WFS1基因后，內(nèi)質(zhì)網(wǎng)Ca2+水平下降；相反，過表達(dá)WFS1，內(nèi)質(zhì)網(wǎng)Ca2+水平上升。內(nèi)質(zhì)網(wǎng)Ca2+水平降低會(huì)導(dǎo)致內(nèi)質(zhì)網(wǎng)對(duì)蛋白質(zhì)的折疊能力下降，未折疊蛋白或錯(cuò)誤折疊蛋白積累而觸發(fā)內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激[16]。因此推測(cè),WFS1突變可能通過影響內(nèi)質(zhì)網(wǎng)Ca2+水平進(jìn)而影響非折疊蛋白反應(yīng)通路，引起內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激。

3.2影響胰島素分泌顆粒形成和運(yùn)輸?shù)囊谆蓟?SLC30A8(蛋白鋅轉(zhuǎn)運(yùn)體8，solute carrier family 30[zinc transporter],member 30)編碼蛋白鋅轉(zhuǎn)運(yùn)體8，位于胰島β細(xì)胞中含有胰島素顆粒的囊泡中，推測(cè)該蛋白有可能通過調(diào)節(jié)胰島素分泌小泡上鋅的積聚，從而調(diào)節(jié)胰島素的生物合成、活化及貯存[17]。2型糖尿病相關(guān)突變位點(diǎn)rs10906115和rs12779790分布于CDC123(細(xì)胞周期相關(guān)蛋白，cell division cycle 123 homolog)和CAMK1D(鈣調(diào)蛋白激酶，calcium/calmodulin-dependent protein kinase 1D)基因間區(qū)域，CDC123編碼細(xì)胞周期相關(guān)蛋白，而CAMK1D編碼鈣調(diào)蛋白激酶，與胰島素分泌顆粒的聚集有關(guān)[18]，該區(qū)域與2型糖尿病相關(guān)的作用機(jī)制尚需更多實(shí)驗(yàn)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(jī)制是在葡萄糖刺激INS-1細(xì)胞后，CAPN10通過感受胞質(zhì)Ca2+水平，調(diào)節(jié)纖絲狀肌動(dòng)蛋白重組裝而影響胰島素囊泡的運(yùn)輸及細(xì)胞膜上的胰島素分泌[19]。

4 易患基因應(yīng)用于2型糖尿病的預(yù)防和治療

2型糖尿病是多因素影響下的復(fù)雜疾病，早期干預(yù)(飲食、運(yùn)動(dòng)、藥物等)可以減緩甚至逆轉(zhuǎn)病程。美國糖尿病預(yù)防研究組針對(duì)2型糖尿病高危人群比較了生活方式干預(yù)及二甲雙胍類藥物治療對(duì)2型糖尿病的患者病程的影響，發(fā)現(xiàn)在2.8年的跟蹤試驗(yàn)中，生活方式的干預(yù)可以使患2型糖尿病的風(fēng)險(xiǎn)降低58%，二甲雙胍的治療亦使患病風(fēng)險(xiǎn)降低31%[20]。

目前，2型糖尿病的臨床診斷主要依據(jù)2010年美國糖尿病協(xié)會(huì)糖尿病診斷標(biāo)準(zhǔn)，即通過糖化血紅蛋白、空腹血糖和糖耐量的相應(yīng)指標(biāo)來評(píng)估個(gè)體患有2型糖尿病的風(fēng)險(xiǎn)性。但由于2型糖尿病早期發(fā)病的癥狀輕微,而且這種診斷標(biāo)準(zhǔn)并沒有涉及發(fā)病的本質(zhì)原因，大部分糖尿病患者并沒有被盡早的發(fā)現(xiàn)和診斷，從而延誤了預(yù)防和治療，加重病情。

隨著現(xiàn)代醫(yī)學(xué)的發(fā)展，人們對(duì)疾病治病機(jī)制的認(rèn)識(shí)也在不斷深入，特別是人類基因組測(cè)序計(jì)劃的完成，以及后基因組時(shí)代對(duì)基因功能的研究成果，利用相關(guān)突變基因與個(gè)性化分子檢測(cè)相結(jié)合，對(duì)人群進(jìn)行基因篩查，來預(yù)測(cè)和治療相關(guān)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(guān)于2型糖尿病基因篩查的早期診斷。通過基因檢測(cè)，了解個(gè)體對(duì)疾病的易患性，對(duì)不同患病風(fēng)險(xiǎn)的人群提供不同的健康管理方案，降低危險(xiǎn)因素，減少個(gè)體患病風(fēng)險(xiǎn)。不同的公司通過評(píng)估相關(guān)流行病學(xué)的研究，并結(jié)合已發(fā)表的GWAS和Meta分析的研究結(jié)果來篩選與2型糖尿病高度相關(guān)的SNP，如deCODEme公司通過檢測(cè)21個(gè)與歐洲人群2型糖尿病患者高度相關(guān)的SNP來早期篩查歐洲個(gè)體的患病風(fēng)險(xiǎn)性，這些位點(diǎn)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(duì)歐洲、亞洲人群均提供9個(gè)相同的SNP檢測(cè)位點(diǎn)，這9個(gè)SNP都影響胰島素的合成與分泌[23]。針對(duì)風(fēng)險(xiǎn)人群，結(jié)合心理、飲食、運(yùn)動(dòng)等因素，提供患病評(píng)估，并提出具體干預(yù)措施，以降低或延緩糖尿病及多種并發(fā)癥的發(fā)生[24]。但在中國尚沒有公司提供關(guān)于2型糖尿病的基因篩查與診斷服務(wù)。

5 小結(jié)與展望

過去幾年中，隨著GWAS技術(shù)及Meta分析的發(fā)展與應(yīng)用，與2型糖尿病發(fā)病相關(guān)的風(fēng)險(xiǎn)基因已達(dá)40個(gè)，在總結(jié)與2型糖尿病發(fā)病相關(guān)的易患基因的基礎(chǔ)上發(fā)現(xiàn)，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(yīng)用于疾病的早期預(yù)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(zhàn)。一方面，高昂的診斷費(fèi)用與實(shí)驗(yàn)室設(shè)備需求，挑戰(zhàn)著分子診斷產(chǎn)業(yè)的成本利潤(rùn)。醫(yī)療保險(xiǎn)和報(bào)銷障礙、知識(shí)產(chǎn)權(quán)的保護(hù)力度不足、全球?qū)Ψ肿釉\斷審查、批準(zhǔn)與監(jiān)管滯后等問題又使分子診斷的發(fā)展受到一定的限制。另一方面關(guān)于2型糖尿病的診斷檢測(cè)技術(shù)目前并不成熟，檢測(cè)并沒有綜合一些臨床風(fēng)險(xiǎn)因素，如性別、年齡、人群風(fēng)險(xiǎn)等，也沒有詳細(xì)評(píng)估基因早期篩查對(duì)于2型糖尿病診斷的準(zhǔn)確度，如何提高SNP篩查風(fēng)險(xiǎn)人群的準(zhǔn)確性，將進(jìn)一步?jīng)Q定2型糖尿病早期基因篩查的臨床應(yīng)用價(jià)值。

[1] Wild S,Roglic G,Green A,etal.Global prevalence of diabetes:estimates for the year 2000 and projections for 2030[J].Diabetes Care,2004,27(5):1047-1053.

[2] Pimenta W,Korytkowski M,Mitrakou A,etal.Pancreatic beta-cell dysfunction as the primary genetic lesion in NIDDM.Evidence from studies in normal glucose-tolerant individuals with a first-degree NIDDM relative[J].Jama,1995,273(23):1855-1861.

[3] Gui J,Yang B,Wu J,etal.Enormous influence of TNIK knockdown on intracellular signals and cell survival[J].Hum Cell,2011,24(3):121-126.

[4] Lyssenko V,Jonsson A,Almgren P,etal.Clinical risk factors,DNA variants,and the development of type 2 diabetes[J].N Engl J Med,2008,359(21):2220-2232.

[5] Xiong X,Shao W,Jin T.New insight into the mechanisms underlying the function of the incretin hormone glucagon-like peptide-1 in pancreatic β-cells:the involvement of the Wnt signaling pathway effector β-catenin[J].Islets,2012,4(6):359-365.

[6] Niu X,Shi H,Peng J.The role of mesodermal signals during liver organogenesis in zebrafish[J].Sci China Life Sci,2010,53(4):455-461.

[7] Rankin SA,Kormish J,Kofron M,etal.A gene regulatory network controlling hhex transcription in the anterior endoderm of the organizer[J].Dev Biol,2011,351(2):297-310.

[8] Liu Y,Zhou DZ,Zhang D,etal.Variants in KCNQ1 are associated with susceptibility to type 2 diabetes in the population of mainland China[J].Diabetologia,2009,52(7):1315-1321.

[9] Ullrich S,Su J,Ranta F,etal.Effects of I(Ks) channel inhibitors in insulin-secreting INS-1 cells[J].Pflugers Arch,2005,51(3):428-436.

[10] Liao S,Liu Y,Tan Y,etal.Association of genetic variants of melatonin receptor 1B with gestational plasma glucose level and risk of glucose intolerance in pregnant Chinese women[J].PLoS One,2012,7(7):e40113.

[11] Pan S,Ryu SY,Sheu S.Distinctive characteristics and functions of multiple mitochondrial Ca2+influx mechanisms[J].Sci China Life Sci,2011,54(8):763-769.

[12] Ohara-Imaizumi M,Yoshida M,Aoyagi K,etal.Deletion of CDKAL1 affects mitochondrial ATP generation and first-phase insulin exocytosis[J].PLoS One,2010,5(12):e15553.

[13] Xu R,Xia B,Geng J,etal.Expression and localization of Wolfram syndrome 1 gene in the developing rat pancreas[J].World J Gastroenterol,2009,15(43):5425-5431.

[14] Han J,Kim EH,Choi W,etal.Glucose-responsive artificial promoter-mediated insulin gene transfer improves glucose control in diabetic mice[J].World J Gastroenterol,2012,18(44):6420-6426.

[15] Takei D,Ishihara H,Yamaguchi S,etal.WFS1 protein modulates the free Ca2+concentration in the endoplasmic reticulum[J].FEBS Lett,2006,580(24):5635-5640.

[16] Wang S,Kaufman RJ.The impact of the unfolded protein response on human disease[J].J Cell Biol,2012,197(7):857-867.

[17] Pound LD,Sarkar SA,Ustione A,etal.The physiological effects of deleting the mouse SLC30A8 gene encoding zinc transporter-8 are influenced by gender and genetic background[J].PLoS One,2012,7(7):e40972.

[18] Imamura M,Iwata M,Maegawa H,etal.Genetic variants at CDC123/CAMK1D and SPRY2 are associated with susceptibility to type 2 diabetes in the Japanese population[J].Diabetologia,2011,54(12):3071-3077.

[19] Turner MD,Fulcher FK,Jones CV,etal.Calpain facilitates actin reorganization during glucose-stimulated insulin secretion[J].Biochem Biophys Res Commun,2007,352(3):650-655.

[20] Knowler WC,Barrett-Connor E,Fowler SE,etal.Reduction in the incidence of type 2 diabetes with lifestyle intervention or metformin[J].N Engl J Med,2002,346(6):393-403.

[21] Bennett K,James C,Hussain K.Pancreatic beta-cell KATP channels:hypoglycaemia and hyperglycaemia[J].Rev Endocr Metab Disord,2010,11(3):157-163.

[22] Spagnoli FM,Brivanlou AH.The RNA-binding protein,Vg1RBP,is required for pancreatic fate specification[J].Dev Biol,2006,292(2):442-456.

[23] Groenewoud MJ,Dekker JM,Fritsche A,etal.Variants of CDKAL1 and IGF2BP2 affect first-phase insulin secretion during hyperglycaemic clamps[J].Diabetologia,2008,51(9):1659-1663.

[24] Zhao J,Bradfield JP,Zhang H,etal.Examination of all type 2 diabetes GWAS loci reveals HHEX-IDE as a locus influencing pediatric BMI[J].Diabetes,2009,59(3):751-755.