2型糖尿病易患基因在胰岛素分泌中的作用

杨海莲(综述)，刘宁生(审校)

(1.宁波大学医学院，宁波 315211； 2.南京医科大学病理教研室/卫生部抗体技术重点实验室，南京 210029)

2型糖尿病是一种极为普遍的流行性疾病，目前我国成人中2型糖尿病的发病率为9.7%,糖尿病患者达9200多万，居世界首位[1]。2型糖尿病不仅与环境因素(如高糖摄入、缺乏运动等)相关，还与遗传因素高度相关。随着基因组范围关联研究(genome wide association studies,GWAS)技术和Meta分析的发展，发现了一批与2型糖尿病发病相关的单核苷酸多态性(single nucleotide polymophism，SNP)位点。对2型糖尿病患者一级亲属成员进行的高糖及正糖-高胰岛素钳夹研究发现，2型糖尿病患者一级亲属成员都存在不同程度的胰岛素分泌缺陷，而胰岛素抵抗不明显，提示影响胰岛素分泌的基因突变可能是个体发生2型糖尿病的关键易患因素[2]。

该文对2型糖尿病致病贡献较高的12个易患基因进行归纳总结，以便于人们更好地认识参与胰岛素合成、分泌相关基因的重要性。另外，利用2型糖尿病相关SNP进行2型糖尿病早期的基因突变筛查诊断，有可能为预防和治疗2型糖尿病带来新思路。

1 影响胰岛素合成的易患基因

影响胰岛素合成的易患基因包括核转录因子7类似物2(transcription factor 7-like 2，TCF7L2)、肝细胞核转录因子(hepatocyte nuclear factor，HNF)1β、HNF-1α、HNF-4α、干细胞表达的同源基因(haematopoietically expressed homeobox，HHEX)/胰岛素降解酶及胰岛素样生长因子2 mRNA结合蛋白2的基因等。这些基因通过编码转录因子，参与多种信号通路，从而调节胰岛素基因或胰岛素基因表达所需要的蛋白。

TCF7L2基因是运用候选基因法发现的，后来被GWAS进一步证实，在所有已知易患基因中与2型糖尿病相关性最高，其编码核转录因子7类似物2，参与Wnt信号通路，与β联蛋白构成二聚体，调节多种基因的转录，包括胰岛素基因、肠高血糖素原基因、肠降胰岛素受体相关基因、胰岛素前体降解相关蛋白基因以及对β细胞分裂至关重要的基因等[3]。Lyssenko等[4]用siRNA处理人胰岛中TCF7L2基因，结果胰岛β细胞凋亡增加5倍，β细胞增生减少，葡萄糖刺激的胰岛素分泌也减少；相反，TCF7L2基因过表达可保护胰岛免遭慢性高血糖和细胞因子介导的β细胞凋亡和功能损害，因此TCF7L2对维持胰岛素分泌和β细胞生存是必需的。用siRNA干扰TCF7L2可引起人胰岛内胰高血糖素样肽1(glucagon-like peptide-1,GLP-1)受体(GLP-1R)和葡萄糖依赖性促胰岛素多肽/肠抑胃肽(gastric inhibitory polypeptide,GIP)受体(GIP-R)表达减少，并伴有GLP-1和GIP引起的Akt磷酸化减少，而过表达TCF7L2可恢复胰岛内GLP-1R和GIP-R的蛋白表达，其他学者的研究也表明，GLP-1R和GIP-R的表达依赖于TCF7L2的表达[5]。该基因上的5个SNP：rs12255372、rs7903146、rs7901695、rs11196205和rs7895340均与2型糖尿病致病有很强的关联性，尤其是rs7903146，多项研究证实了TCF7L2基因变异与胰岛素分泌功能减退有关，但是否与胰岛素抵抗有关尚不清楚。

HNF-1α、HNF-1β及HNF-4α是肝细胞核转录因子家族的成员，在胰岛β细胞中，参与转录因子调控网络，调节胰岛素基因的表达，调节与葡萄糖的转运和代谢有关蛋白的表达及线粒体的代谢。HHEX和胰岛素降解酶间的连锁不平衡域也存在多个与2型糖尿病有关的SNP，即rs1111875、rs7923837、rs154421和rs2251101等。HHEX是干细胞表达的同源基因，其编码的蛋白作为一种转录因子，是胚胎中肝脏和胰腺发育所必需的[6]。新近研究发现，HHEX基因是Activin/Nodal、骨形成蛋白和Wnt信号通路的靶基因，HHEX的表达可以调节胰岛β细胞的增殖[7]。另外,编码胰岛素样生长因子2 mRNA结合蛋白2的基因属于mRNA结合蛋白家族，在胰岛细胞中高度表达，联合胰岛素信号分子胰岛素样生长因子2，参与胰腺的发育、生长以及刺激胰岛素分泌。

2 影响胰岛β细胞敏感性的易患基因

胰岛β细胞的敏感性主要包括胰岛β细胞对葡萄糖降解产生的ATP的敏感性、对肠促胰岛素的敏感性，胰岛β细胞受到葡萄糖、激素等刺激后会引起细胞膜的去极化。

膜电位控制钾离子通道亚单位基因定位于第11号染色体11p15.5，长约400 kb，编码膜电位控制钾离子通道(IKs)的α亚单位，通常称为KvLQT1。该基因是首次以亚洲人为对象确定的2型糖尿病相关易患基因，在日本和欧洲人群中的研究中均认为在KCNQ1基因内含子15上rs2237892、rs2237895和rs2237897与2型糖尿病致病相关。Liu等[8]对中国大陆人群的研究结果也支持此结论。Ullrich等[9]用IKs拮抗剂293B处理胰岛素分泌细胞INS-1，膜片钳检测后发现293B可以降低β细胞的电流输出量达60%，且动作电位延长，明显提高胰岛素分泌。由于胃肠中的IKs主要参与激素和电解质的转运，推测广泛分布于胃肠道的KCNQ1有可能在GLP-1、GIP的转运过程中发挥重要作用。

褪黑素受体包括褪黑素受体1A基因及褪黑素受体1B基因，研究认为褪黑素与褪黑素受体结合后，促使褪黑素受体1A基因、褪黑素受体1B基因与肠促胰岛素受体(如GIP-R、GLP-1R等)结合，以阻断肠促胰岛素对腺苷酸环化酶的活化，抑制第二信使(cAMP、cGMP)的产生[10]，这种潜在的效应将使依赖或非依赖蛋白激酶A途径的胰岛素分泌进行性减少。KCNJ11(ATP依赖的钾离子通道亚单位)编码ATP依赖的钾离子通道亚单位——内向整流钾通道蛋白(Kir6.2)。在胰岛β细胞中，该蛋白通过结合葡萄糖降解的ATP，调节K+内向整流，从而使β细胞去极化，Ca2+水平升高，触发胰岛素的释放[11]。最近的研究发现[12]，在高葡萄糖浓度的刺激下，细胞周期依赖蛋白激酶5的调节亚单位相关蛋白1(cyclin-dependent kinase 5 regulatory subunit associated protein 1-like 1，CDKAL1)剔除的鼠胰岛β细胞胞质内Ca2+水平升高延迟或缓慢，且在膜片钳实验中ATP依赖的钾离子通道(KATP)对葡萄糖刺激的响应能力亦减弱，另外葡萄糖刺激的胞质内ATP水平也降低。在剔除细胞周期依赖蛋白激酶5后，并没有改变CDKAL1突变对β细胞胰岛素分泌的影响，因此认为CDKAL1突变降低胰岛β细胞中第一时相的葡萄糖刺激的胰岛素分泌，主要是通过降低KATP对葡萄糖刺激的响应能力，减缓KATP的K+输出和降低Ca2+通道的活性。

3 影响胰岛素颗粒运输的基因

3.1WFS1突变触发β细胞内质网应激 Wolfram 综合征基因编码内质网的一个跨膜糖蛋白Wolframin，已证实该基因突变可导致Wolfram综合征。Xu等[13]运用反转录聚合酶链反应、Western杂交及免疫荧光分别检测Sprague-Dawley大鼠的E15.5、E18.5、初生鼠和成年鼠的胰腺中WFS1蛋白的表达，发现WFS1的表达高峰出现在胰腺β细胞形成的关键阶段，即鼠胚胎18.5 d，因此认为WFS1蛋白与胚胎期胰腺β细胞的发育相关。剔除WFS1基因的大鼠表现为葡萄糖耐受、内质网应激增加、β细胞减少以及胰岛素分泌受损[14]。研究发现，WFS1主要分布于成年鼠胰腺β细胞内质网上，Takei等[15]在HEK293细胞中剔除WFS1基因后，内质网Ca2+水平下降；相反，过表达WFS1，内质网Ca2+水平上升。内质网Ca2+水平降低会导致内质网对蛋白质的折叠能力下降，未折叠蛋白或错误折叠蛋白积累而触发内质网应激[16]。因此推测,WFS1突变可能通过影响内质网Ca2+水平进而影响非折叠蛋白反应通路，引起内质网应激。

3.2影响胰岛素分泌颗粒形成和运输的易患基因 SLC30A8(蛋白锌转运体8，solute carrier family 30[zinc transporter],member 30)编码蛋白锌转运体8，位于胰岛β细胞中含有胰岛素颗粒的囊泡中，推测该蛋白有可能通过调节胰岛素分泌小泡上锌的积聚，从而调节胰岛素的生物合成、活化及贮存[17]。2型糖尿病相关突变位点rs10906115和rs12779790分布于CDC123(细胞周期相关蛋白，cell division cycle 123 homolog)和CAMK1D(钙调蛋白激酶，calcium/calmodulin-dependent protein kinase 1D)基因间区域，CDC123编码细胞周期相关蛋白，而CAMK1D编码钙调蛋白激酶，与胰岛素分泌颗粒的聚集有关[18]，该区域与2型糖尿病相关的作用机制尚需更多实验证明。Calpain10(半胱氨酸蛋白酶，the cystein protease calpain 10)基因编码半胱氨酸蛋白酶Calpain-10(CAPN10)，其作用机制是在葡萄糖刺激INS-1细胞后，CAPN10通过感受胞质Ca2+水平，调节纤丝状肌动蛋白重组装而影响胰岛素囊泡的运输及细胞膜上的胰岛素分泌[19]。

4 易患基因应用于2型糖尿病的预防和治疗

2型糖尿病是多因素影响下的复杂疾病，早期干预(饮食、运动、药物等)可以减缓甚至逆转病程。美国糖尿病预防研究组针对2型糖尿病高危人群比较了生活方式干预及二甲双胍类药物治疗对2型糖尿病的患者病程的影响，发现在2.8年的跟踪试验中，生活方式的干预可以使患2型糖尿病的风险降低58%，二甲双胍的治疗亦使患病风险降低31%[20]。

目前，2型糖尿病的临床诊断主要依据2010年美国糖尿病协会糖尿病诊断标准，即通过糖化血红蛋白、空腹血糖和糖耐量的相应指标来评估个体患有2型糖尿病的风险性。但由于2型糖尿病早期发病的症状轻微,而且这种诊断标准并没有涉及发病的本质原因，大部分糖尿病患者并没有被尽早的发现和诊断，从而延误了预防和治疗，加重病情。

随着现代医学的发展，人们对疾病治病机制的认识也在不断深入，特别是人类基因组测序计划的完成，以及后基因组时代对基因功能的研究成果，利用相关突变基因与个性化分子检测相结合，对人群进行基因筛查，来预测和治疗相关疾病，成为研究的重要方向。目前美国的多家生物公司已提供关于2型糖尿病基因筛查的早期诊断。通过基因检测，了解个体对疾病的易患性，对不同患病风险的人群提供不同的健康管理方案，降低危险因素，减少个体患病风险。不同的公司通过评估相关流行病学的研究，并结合已发表的GWAS和Meta分析的研究结果来筛选与2型糖尿病高度相关的SNP，如deCODEme公司通过检测21个与欧洲人群2型糖尿病患者高度相关的SNP来早期筛查欧洲个体的患病风险性，这些位点中大部分是参与胰岛素合成与分泌的基因突变[21-22]。23andMe公司则针对欧洲、亚洲人群均提供9个相同的SNP检测位点，这9个SNP都影响胰岛素的合成与分泌[23]。针对风险人群，结合心理、饮食、运动等因素，提供患病评估，并提出具体干预措施，以降低或延缓糖尿病及多种并发症的发生[24]。但在中国尚没有公司提供关于2型糖尿病的基因筛查与诊断服务。

5 小结与展望

过去几年中，随着GWAS技术及Meta分析的发展与应用，与2型糖尿病发病相关的风险基因已达40个，在总结与2型糖尿病发病相关的易患基因的基础上发现，致病较高的易患基因往往参与胰岛素的合成和分泌过程。2型糖尿病易患基因应用于疾病的早期预防与治疗将为2型糖尿病患者带来新的希望，但目前这种诊疗方式的推广尚面临着诸多挑战。一方面，高昂的诊断费用与实验室设备需求，挑战着分子诊断产业的成本利润。医疗保险和报销障碍、知识产权的保护力度不足、全球对分子诊断审查、批准与监管滞后等问题又使分子诊断的发展受到一定的限制。另一方面关于2型糖尿病的诊断检测技术目前并不成熟，检测并没有综合一些临床风险因素，如性别、年龄、人群风险等，也没有详细评估基因早期筛查对于2型糖尿病诊断的准确度，如何提高SNP筛查风险人群的准确性，将进一步决定2型糖尿病早期基因筛查的临床应用价值。

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