突变亨廷顿蛋白对葡萄糖代谢的影响及其机制

孙 云李 臻丁丹丹曹玉洁秦 婉张 琪叶翠芳*

（1华中科技大学同济医学院基础医学院组织胚胎学教研室；

2华中科技大学同济医学院2011级五年制临床医学二大班，武汉 430030）

〔摘要〕亨廷顿病（Huntington’s disease，HD）是一种常染色体显性遗传性的神经退行性疾病，主要累及中老年人群。HD患者除了表现出运动失调、认知异常、体重减轻外，还有明显的葡萄糖糖代谢异常，甚至发生糖尿病。本文综述了 HD葡萄糖代谢紊乱及其机制的研究现状。突变的亨廷顿蛋白（huntingtin，Htt）在神经元和外周组织如胰岛内广泛表达，并对细胞造成毒性损伤。突变Htt诱发葡萄糖代谢异常和糖尿病的机制尚不明确。以往的研究已经证实突变Htt可能通过多个机制损伤胰岛β细胞功能：胰岛素分泌小泡数减少，胰岛素基因表达降低，胰岛素分泌的抑制和线粒体功能损伤所致的系统能量稳态失衡。其中线粒体损伤和能量代谢异常是多种神经退行性疾病和 II型糖尿病共有的发病机制。

〔关键词〕亨廷顿病；亨廷顿蛋白；糖尿病；血糖；胰岛素

〔中图分类号〕Q591.4 〔文献标识码〕A DOI：10.16705／j.cnki.1004-1850.2015.05.023

综 述

突变亨廷顿蛋白对葡萄糖代谢的影响及其机制

孙 云1李 臻2＃丁丹丹2曹玉洁2秦 婉2张 琪2叶翠芳1*

（1华中科技大学同济医学院基础医学院组织胚胎学教研室；

2华中科技大学同济医学院2011级五年制临床医学二大班，武汉 430030）

〔摘要〕亨廷顿病（Huntington’s disease，HD）是一种常染色体显性遗传性的神经退行性疾病，主要累及中老年人群。HD患者除了表现出运动失调、认知异常、体重减轻外，还有明显的葡萄糖糖代谢异常，甚至发生糖尿病。本文综述了 HD葡萄糖代谢紊乱及其机制的研究现状。突变的亨廷顿蛋白（huntingtin，Htt）在神经元和外周组织如胰岛内广泛表达，并对细胞造成毒性损伤。突变Htt诱发葡萄糖代谢异常和糖尿病的机制尚不明确。以往的研究已经证实突变Htt可能通过多个机制损伤胰岛β细胞功能：胰岛素分泌小泡数减少，胰岛素基因表达降低，胰岛素分泌的抑制和线粒体功能损伤所致的系统能量稳态失衡。其中线粒体损伤和能量代谢异常是多种神经退行性疾病和 II型糖尿病共有的发病机制。

〔关键词〕亨廷顿病；亨廷顿蛋白；糖尿病；血糖；胰岛素

〔中图分类号〕Q591.4 〔文献标识码〕A DOI：10.16705／j.cnki.1004-1850.2015.05.023

神经退行性疾病是一类严重影响人类健康的常见病，如亨廷顿病（Huntington’s disease，HD），阿尔茨海默病 （Alzheimer’s disease，AD），帕金森病（Parkinson’s diseases，PD），脊小脑共济失调（Spino-cerebellar ataxia，SCA）等。多数神经退行性疾病发病较晚，中老年发病，病情进展缓慢，目前无有效治疗方法。与正常人群相比，亨廷顿病、阿尔茨海默病（AD）和帕金森病（PD）等约 20多种神经退行性疾病患者糖尿病的发病率显著增加［1］。

糖尿病（Diabetes mellitus，DM）是因葡萄糖代谢异常所致的血糖升高的疾病。胰岛素通过激活葡萄糖转运至细胞质而降低血糖浓度，胰岛素缺乏或者功能损伤均引起血糖代谢异常。依据世界卫生组织分类标准，糖尿病分为I型糖尿病、II型糖尿病、妊娠糖尿病和其他特殊类型的糖尿病［2］。I型糖尿病是由于胰岛 β细胞自身免疫缺陷所致，主要累及儿童。II型糖尿病为非胰岛素依赖型，主要见于中老年人群。特殊类型的糖尿病包括各种综合征，如亨廷顿病，阿尔茨海默病（AD）和帕金森病（PD）等综合征所致的血糖代谢异常。尽管 HD等神经退行性疾病患者易发糖尿病的机制尚不清楚，但是，值得注意的是典型的神经退行性疾病与 II型糖尿病发病机制有一些相似的遗传学或生物化学的特点，如细胞核或线粒体基因组中多个基因的突变以及线粒体代谢损伤等［1］。这里我们综述了 HD葡萄糖代谢紊乱及其机制的研究现状。

1.突变亨廷顿蛋白引起葡萄糖代谢异常

亨廷顿病是一种常染色体显性遗传性的神经退行性疾病，其遗传学基础是：编码亨廷顿蛋白 （huntingtin，Htt）的基因第一外显子中CAG重复序列异常增多，重复数超过36个即引起 HD的发生［3］。患者的临床表现为：不自主的运动，认知障碍和情感异常，晚期有明显的体重减少。研究证实：HD患者有较高的糖尿病发病率和胰岛素异常。Podolsky等对14名 HD患者进行口服糖耐量试验和静脉内精氨酸耐受试验的研究显示，50%的患者糖耐量异常，出现高血糖症和高胰岛素血症［4］。1985年，Farrer等研究620例美国HD患者及其第一级和第二级亲属糖尿病的发病情况，结果显示：有65个 HD患者患有糖尿病，其发病率为10.5%。令人困惑的是：HD家族成员糖尿病的发病率显著增高，是非 HD家族成员的 7倍之多［5］。2014年，Hu等报道了一个五代的中国人HD家族成员糖尿病的发病情况。结果显示该家系HD患者 DM的发病率为72.7%，而普通中国人群糖尿病的发病率仅为 3.9%［6］。利用 HD转基因小鼠的模型研究也证实 HD增加糖尿病患病的风险［7-9］。表达人 HD基因第一外显子（含有150Q CAG重复序列）的转基因小鼠（R6／2 HD小鼠）在9周龄时有糖尿和葡萄糖耐受不良，14周龄时有超过70%的小鼠发生糖尿病［7］。值得一提的是，用突变Htt的DNA疫苗能有效缓解 R6／2小鼠的糖尿病症 状［10］。

关于 HD患者是否比正常人群更易患糖尿病仍有争议。Russo等研究揭示 HD患者与正常人群间空腹血糖、胰岛素敏感性与胰岛素的分泌没有显著差别，尽管 HD没有增加糖尿病的发病风险，但是表现出异常的葡萄糖调节，如口服葡萄糖后血糖曲线平坦和胰岛素分泌峰值延迟等［11］。突变亨廷顿蛋白对β细胞胰岛素分泌功能的影响与其含有的polyQ长度相关［12］。

2.突变亨廷顿蛋白损伤葡萄糖代谢的机制

DM的发病机制与 β细胞胰岛素分泌减少和外周组织胰岛素敏感性降低即胰岛素抵抗密切相关。目前，HD患者发生糖代谢异常的机制尚不明确，以往的研究显示突变Htt主要通过以下几个方面影响β细胞糖代谢和胰岛素分泌。

2.1 突变 Htt使 β细胞数量以及胰岛素分泌小泡量减少而导致胰岛素分泌减少

胰岛素是一种6kDa的小型蛋白质，主要是由胰腺 β细胞分泌。胰岛素的生理功能是调节葡萄糖吸收、糖原合成、糖异生、脂类代谢、饥饿、细胞生长和分化、基因表达和与蛋白质合成等［13］。胰岛素是调节体内葡萄糖代谢的重要激素之一，主要由胰岛分泌。Htt不仅广泛分布在神经元内，在外周组织如胰腺内也有表达［14］。尽管 Htt的生理功能还不完全明确，但是已经证实它参与细胞内的转录调节，囊泡运输和微管的功能［15］。大量研究证实突变 Htt在神经元内形成聚集物，从而对神经元产生细胞毒性，引起细胞凋亡或多种功能损伤。突变 Htt也在外周组织如胰岛 β细胞内广泛形成聚集物［9］。突变Htt是否通过影响胰岛 β细胞的功能进而引起糖代谢异常呢？利用R6／2 HD转基因小鼠的研究揭示，已处于疾病晚期的12周龄 R6／2小鼠表现为高血糖和低胰岛素血症，静脉注射葡萄糖耐量实验胰岛素释放减少。进一步研究揭示这些HD小鼠胰岛 β细胞数量显著减少，单个细胞中胰岛素分泌小泡数下降 96%，从而导致胰岛素胞吐量降低，分泌减少［9］。

2.2 突变 Htt选择性损伤胰岛素转录因子而使得胰岛素 mRNA水平降低

大量的研究证实突变 Htt通过影响细胞内基因转录而导致多种蛋白质表达异常和功能失调［16］。突变Htt细胞毒性所致的转录异常被认为是 HD的发病机制之一。

R6／2小鼠自4周至12周随月龄的增加，β细胞核内突变 Htt蛋白的聚集物增加，胰岛素 mRNA水平也呈年龄依赖式下降，相关胰岛素基因转录因子如胰岛同源异型蛋白 PDX-1和 E2A，以及共激活子CBP与 p300表达也进行性降低。这些结果可能解释了为什么R6／2小鼠随月龄的增加葡萄糖耐量损伤逐渐加重［17］。因此，突变 Htt通过抑制一系列胰岛素转录因子降低胰岛素的表达，进而诱发糖尿病的发生。对9例处于不同疾病阶段的 HD患者胰岛β细胞形态和功能的研究显示，与正常人群相比，胰岛素免疫反应强度，胰岛素转录水平和胰岛 β细胞数量并没有显著差异［18］。与 R6／2小鼠研究结果的差异可能源于HD患者标本数量过少以及这些患者仅有1例发生葡萄糖代谢异常。值得注意的是，胰岛素免疫反应结果显示该例发生糖代谢异常的 HD患者 β细胞面积最小，其胰岛素 mRNA水平也最低［18］，提示突变Htt可能通过影响胰岛素的转录而抑制其分泌，进而引发葡萄糖代谢异常。

2.3 突变 Htt对 β细胞胰岛素分泌的抑制作用与其含有的谷氨酰胺重复数有关

尽管大量的研究证实HD患者或转基因小鼠易诱发糖 尿 病 的 发生［5，7，8，19-24］，然 而，也 有 许 多 的 争议，突变 Htt似乎并没有导致 DM发生的风险［25-27］。HD发病的遗传学基础是其基因中编码谷氨酰胺的CAG序列异常增多超过 36个，研究证实CAG重复数与疾病的症状、发病年龄和存活期密切相关，重复数约多，发病越早，病情越重。突变 Htt的细胞毒性与 CAG重复数相关。这可能解释了为什么不同的HD患者或转基因小鼠模型呈现不同的 DM发病率或葡萄糖稳态失常。R6／2转基因小鼠所转入的HD基因含有150个 CAG重复数，该小鼠表现出明显的葡萄糖耐量受损和糖尿病症状［19-21］。R6／1转基因小鼠所转入的HD基因含有 115个 CAG重复数，该小鼠仅表现出葡萄糖耐量受损和 β细胞团减少［23］，而没有明显的糖尿病症状［21，22］。转入的 HD基因CAG重复数为 82个的小鼠（HD-171-82Q）仅表现出血糖增高而没有发生糖尿病［28］。

将含不同CAG重复数的突变HD基因第一外显子转入胰岛素瘤细胞（insulinoma cell，INS-1）中，检测细胞经葡萄糖刺激后胰岛素的释放。结果显示葡萄糖刺激的胰岛素释放降低与突变 Htt中所含的谷氨酰胺重复数密切相关，当重复数为 115个时，葡萄糖刺激的胰岛素释放显著降低，而表达重复数为 51的突变Htt与表达正常 Htt的 INS-1细胞，葡萄糖刺激的胰岛素释放没有显著差异［12］。此外，突变 Htt所致的胰岛素敏感性降低也与较高 CAG重复数有关［29，30］。这些结果可能解释了为什么表达高谷氨酰胺重复数的HD小鼠模型有较高的DM发生，而表达较少谷氨酰胺重复数（36-51）的 HD患者仅表现出DM前期的症状，如血糖正常、糖刺激后一期胰岛素分泌受损和胰岛素敏感性降低等［27］。

2.4 突变 Htt引起的线粒体功能损伤和系统能量平衡失常导致葡萄糖代谢异常

线粒体功能损伤引起的能量代谢异常是许多神经退行性疾病如HD、AD和 PD等的共同特点，研究证实约半数易发糖尿病的神经退行性疾病均有线粒体功能损伤［1］。近来的研究证实线粒体功能损伤也是2型糖尿病发生必不可少的因素之一，甚至部分2型糖尿病患者疾病发生与线粒体基因组的突变有关。因此，典型的神经退行性疾病与 2型糖尿病具有某些共同的遗传和／或生化特点［1，2］。线粒体的主要功能是进行氧化磷酸化、合成 ATP，为细胞的生命活动提供能量。近来，氧化磷酸化被引起了广泛关注，β细胞内胰岛素分泌直接依赖于氧化磷酸化介导的ATP依赖性钾通道的开放，胰岛素的分泌与线粒体功能有关。此外，β细胞数量的维持也受线粒体激活的蛋白质影响。骨骼肌细胞胰岛素耐受也与氧化磷酸化损伤有关。线粒体功能损伤影响细胞的营养代谢、磷酸化和凋亡等过程，是神经退行性疾病和2型糖尿病发病的共同机制之一。

过氧化物酶体增殖物激活受体 γ共激活子-1α（peroxisome proliferatoractivated receptor γ coactivator-1α，PGC-1α）是线粒体生物合成和呼吸链的重要调节因子，也是调控包括脂肪酸 β氧化、胰岛素敏感性和碳水化合物代谢等在内的系统能量稳态的重要因子。在 HD患者和转基因小鼠模型中，突变Htt抑制肌肉和脂肪等组织中 PGC-1α及其靶基因的转录活性［29，31，32］，提示突变 Htt可能通过下调 PGC-1α而引起脂肪和葡萄糖代谢紊乱以及周围组织胰岛素敏感性降低。HD患者基础和胰岛素刺激后的静息能量消耗显著高于正常人群，因此，系统能量平衡紊乱也可能是突变 Htt引起糖代谢异常或 DM的重要原因之 一［29］。

3.结语

糖尿病的发生与胰岛素耐受和／或胰岛素分泌降低有关。胰岛素耐受是多数神经退行性疾病患者发生糖尿病或葡萄糖代谢异常的主要原因。神经元和胰岛 β细胞具有类似的生理特点，如高代谢活性和低再生率。这些特点使得它们对遗传和环境因素的变化反应极其敏感，比其他组织细胞更易发生一系列的功能损坏。尽管研究已经证实突变 Htt通过多种机制损伤 β细胞的功能，如抑制胰岛素转录因子和降低 β细胞数量以及胰岛素分泌小泡量，但是突变Htt降低胰岛素转录和分泌的分子机制仍然不清楚。突变Htt对β细胞胰岛素分泌的抑制作用与其含有的谷氨酰胺重复数有关，这可能解释了为什么不同的 HD转基因小鼠或患者葡萄糖代谢有明显的差异。然而，异常的谷氨酰胺重复数究竟怎样影响葡萄糖代谢的尚不明确。此外，HD患者体重减少、脂质代谢异常和胰岛素耐受失调的原因仍然不清楚。尽管线粒体功能损伤所致的能量代谢异常是多数神经退行性疾病和2型糖尿病发病的共同机制之一，然而，有趣的是，某些神经退行性疾病如脊髓小脑共济失调 3尽管也有线粒体功能失调，但这些患者却少见伴有糖尿病的发生。因此，HD等神经退行性疾病患者易患糖尿病的发病机制仍然有待于进一步研究。

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Effect of mutant huntingtin on glucose metabolism and its mechanism

Sun Yun1，Li Zhen2＃，Ding Dandan2，Cao Yujie2，Qin Wan2，Zhang Qi2，Ye Cuifang1*
（1Division of Histology and Embryology，School of Basic Medical Sciences，Tongji Medical College，Huazhong University of Science and Technology；2Class 2 of Grade 2011，Five-year Program of Clinical Medicine，Tongji Medical College，Huazhong University of Science and Technology，Wuhan 430030，China）

Huntington’s disease（HD）is an autosomal dominant neurodegenerative disease，affecting mainly the middle-aged and old population.HD patients have choreatic movements，dementia and weight loss.Further，they show disturbance of glucose metabolism and even have diabetes mellitus.This article reviews glucose metabolic disturbance and its mechanism in HD.Mutant huntingtin（Htt）is widely distributed in neurons and peripheral tissues such as pancreatic islets，and causes cytotoxicity.The mechanism of glucose metabolic disturbance and diabetes mellitus caused by mutant Htt is still unknown.Mutant Htt has been proved to impair pancreatic cells by several mechanisms：reduced number of insulin-containing secretory vesicles，decreased insulin gene expression，inhibition of insulin secretion，and imbalance of systemic energy homeostasis caused by mitochondria impairment.The last two are considered the common pathogenesis of several neurodegenerative diseases and type II diabetes mellitus.

Huntington’s disease；Huntingtin；Diabetes；Blood sugar；Insulin.

2015-05-29

2015-09-06

华中科技大学创新创业训练计划项目（13B339）；华中科技大学国家级大学生创新创业训练计划项目（201410487058）。

孙云，女 （1988年），汉族，硕士研究生

＃共同第一作者。

*通讯作者（To whom correspondences should be addressed）：yecf＠mails.tjmu.edu.cn