β细胞功能相关2型糖尿病易患基因的研究进展

刘乃嘉(综述)，闻　杰(审校)

(复旦大学附属华山医院内分泌科，上海 200040)



β细胞功能相关2型糖尿病易患基因的研究进展

刘乃嘉△(综述)，闻杰※(审校)

(复旦大学附属华山医院内分泌科，上海 200040)

摘要：2型糖尿病是环境和遗传因素共同作用引起的代谢紊乱，是以胰岛素分泌不足和作用障碍引起高血糖为特征的临床综合征。此前，大多数关联分析和候选基因研究只发现了少量的2型糖尿病相关疾病易患基因位点，而全基因组关联研究的出现改变了这种格局，发现了大量与2型糖尿病相关性较强的基因位点，其中大多与β细胞功能下降相关。2型糖尿病易患基因的发现，有助于人们更好地了解其发病机制，并制订相应的诊断、预防和治疗措施。该文就2型糖尿病易患基因与β细胞功能的相关性予以综述。

关键词：糖尿病，2型；易患基因；β细胞

糖尿病是一种全球范围内流行的复杂代谢性疾病，由血糖水平过高而引起器官组织结构功能异常。当胰岛素的产生和分泌不能满足机体的代谢需要时，就导致了糖尿病。2型糖尿病是糖尿病最主要的类型，且发病率呈逐年上升的趋势[1]。其遗传方式为多基因遗传、多因子参与,既可由一个主基因与其他微效基因加上环境因素共同作用所致,也可以由许多微效基因共同参与形成叠加效应再加上环境因素所致[2]。因此，2型糖尿病是遗传和环境因素之间相互作用所导致的复杂遗传性疾病。现就β细胞功能相关2型糖尿病易患基因的研究进展予以综述。

12型糖尿病易患基因的研究方式

在全基因组关联研究(genome-wide association study,GWAS)出现以前，2型糖尿病的遗传学研究主要是连锁分析和候选基因研究策略，这些策略只能发现少量与2型糖尿病相关的基因。随着高通量单核苷酸多态性(single nucleotide polymorphisms, SNPs)基因分型技术的发展和人类基因组单体型数据库的应用，人们实现了从人类基因组数百万个SNPs中筛查成千上万的连锁不平衡的SNPs，使GWAS成为2型糖尿病等复杂疾病遗传学研究的重要策略。目前为止，发现的糖尿病易患基因接近60个[3]，其中大部分易患基因与β细胞的功能相关[4]。2型糖尿病的发病风险是由多种机制导致的，胰岛β细胞功能缺陷和胰岛素抵抗是2型糖尿病最基本的病理生理学特征，也是2型糖尿病发生和发展的两个重要环节。研究显示，无论是肥胖还是非肥胖的2型糖尿病患者,与其体质指数相当的非糖尿病人群相比,其胰岛β细胞数目明显减少,胰岛细胞凋亡发生率也明显高于正常人群[5]，提示β细胞的功能障碍在2型糖尿病发生、发展中有重要作用。GWAS鉴定出来的与糖尿病相关的易患基因大多表达在胰岛β细胞中，并且与β细胞的生长和功能相关[6-8]。

2β细胞功能相关的2型糖尿病易患基因

有较长的2型糖尿病病史的患者通常会有β细胞功能降低和数量减少。人们一直致力于揭示2型糖尿病中β细胞功能降低和数量减少的确切机制。氧化应激、内质网应激、低氧应激和细胞因子的诱导均可导致β细胞的功能障碍，β细胞会出现增殖受限、凋亡增加、自我吞噬，胰岛β细胞甚至还可以去分化或转分化为其他类型的胰岛细胞[9]。

2.1forkhead box protein O1(FoxO1)基因FoxO1基因编码胰岛素/胰岛素样生长因子-磷脂酰肌醇3-激酶-丝/苏氨酸蛋白激酶B信号下游的重要靶转录因子,在β细胞中表达丰富；FoxO1是一个参与细胞增殖、凋亡、衰老、分化、自噬和代谢的多功能蛋白，可以通过转录调控细胞周期抑制剂周期素依赖激酶抑制因子1B(p27kip1)和周期素依赖激酶抑制因子1(p21)抑制细胞增殖；FoxO1还可以促进凋亡、早衰以及通过诱导抗氧化酶对抗氧化应激；FoxO1还可以调控肌细胞、脂肪细胞以及胰腺细胞的分化[10]。目前的证据表明，胞质中的FoxO1通过与autophagy-related protein 7(ATG7)的相互作用调节细胞的自噬作用[11]。并且，FoxO1在肝脏的葡萄糖和脂质代谢以及下丘脑的能量代谢中起重要作用[12-13]。FoxO1的多种作用可能是由于其参与了细胞内的多个信号通路。胰岛十二指肠同源盒因子1(pancreatic duodenal homeobox-1,PDX-1)参与了FoxO1调控胰岛β细胞增殖的过程，PDX-1是诱发胰岛β细胞分化和胰岛素基因表达的关键转录因子,可以促进胰岛β细胞增殖并抑制其凋亡[14]。FoxO1的结合可抑制PDX-1的转录，而forkhead box protein A2(FoxA2)是β细胞中PDX-1的上调因子。因此，FoxO1和FoxA2竞争性结合于PDX-1启动子的同一个DNA结合位点,从而抑制PDX-1的转录活性，进一步抑制β细胞增殖[15]。而神经元素3是对内分泌细胞的排列特异性有重要作用的转录因子[16]。hairy enhancer of split 1(Hes1)是神经元素3的转录抑制蛋白,Notch信号可通过Hes1的参与来调节胰腺内分泌和外分泌的分化和发展,而FoxO1可与Notch信号相互作用,共同调节Hes1基因表达[9,17]。最近还有研究表明，FoxO1可以通过抑制神经元素3的转录，阻止β细胞去分化而保持β细胞的特性[9]。

在肝细胞、肌细胞以及脂肪细胞中FoxO1蛋白既可在核内也可在胞质中，而在β细胞中由于持续内源性胰岛素的产生，可以激活丝/苏氨酸蛋白激酶B(protein kinase B，PKB/Akt)使FoxO1蛋白可长期滞留在胞质中[18]。氧化应激时，FoxO1被乙酰化并转位到核内，乙酰化可以阻止FoxO1泛素化，因此可以提高其在核内停留时间[19]。在无血清或无葡萄糖培养基中培养β细胞，并不影响FoxO1的磷酸化和转位；而在氧化应激或高浓度葡萄糖中，可导致FoxO1被乙酰化转位至核内，而FoxO1的核转位是伴随着神经分化因子和肌腱膜纤维肉瘤癌基因同源物A基因表达而逐渐增加的，提示这2个基因是FoxO1的直接靶基因，神经分化因子和肌腱膜纤维肉瘤癌基因同源物A基因编码的蛋白是对β细胞的生理功能十分重要的转录蛋白，可显著提高胰岛素编码基因2的表达，使之在短时间内增加胰岛素的分泌，迅速达到降低血糖的目的[18,20]。FoxO1同时有对抗氧化应激的作用，氧化应激可以激活c-Jun氨基末端激酶(c-Jun N-terminal kinases, JNKs)；与AKT的磷酸化不同，JNKs可在丝氨酸和苏氨酸位点磷酸化FoxO1，更提高其在核内停留时间[21]。FoxO1基因可通过上调抗氧化酶基因的表达对抗氧化应激来保护β细胞[9]。研究表明，β细胞FoxO1特异性剔除的db/db小鼠与对照组小鼠相比，表现出更严重的糖耐量异常，也许就是因为缺乏FoxO1在β细胞中的保护作用[17]。然而，目前大多数FoxO1与2型糖尿病的相关性的证据是从动物实验中获得的，因此对于在人类中是否具有相同的作用机制还有待于进一步的研究。

2.2transcription factor 7-like 2(TCF7L2)基因TCF7L2是通过关联分析发现的一个2型糖尿病易患基因。2006年，Grant等[8]首次在冰岛人群中发现了TCF7L2基因的多态性与2型糖尿病显著相关，并且发现了与糖尿病显著相关的2个SNPs位点rs7903146(C/T)和rs12255372(G/T)。随后，2型糖尿病和TCF7L2 SNPs相关性在不同的种族人群GWAS中得到证实，且多数研究显示，TCF7L2风险变异体与胰岛素分泌下降有关，并在多个种族人群中证实了风险等位基因位于TCF7L2基因的3号内含子[22-23]。目前为止，该基因是被广泛证实的与2型糖尿病相关性最强的基因。TCF7L2基因编码一种转录因子，是Wnt信号通路的成员，在β细胞中表达活跃[24]。早期，Lyssenko等[25]研究发现，2型糖尿病患者TCF7L2的表达可增加5倍，离体的人胰岛细胞中TCF7L2过表达可减少葡萄糖刺激的胰岛素分泌，提示TCF7L2可能通过减少β细胞的胰岛素分泌、改变肠促胰岛素的作用从而影响胰岛素对食物的反应而引起2型糖尿病[26]。而Saxena等[27]研究发现，胰岛细胞中TCF7L2 信使RNA水平与胰岛素基因信使RNA呈正相关，与葡萄糖刺激的胰岛素分泌呈正相关，也提示了TCF7L2通过影响β细胞胰岛素的分泌导致2型糖尿病的发生。对于TCF7L2 基因变异影响β细胞胰岛素分泌的机制，da Silva Xavier等[28]认为，TCF7L2可调控与β细胞激素合成与分泌功能有关的若干基因的表达,其中包括调节浆膜上胰岛素颗粒融合和出胞运动的基因，在缺少了有活性的TCF7L2的组织中，分泌颗粒运动加快但囊泡融合受限,进而导致胰岛素释放不足。Takamoto等[29]利用相关技术使胚胎期的小鼠β细胞中TCF7L2基因显性失活，发现出生时小鼠胰岛β细胞的数量降低，胰岛素水平降低，提示β细胞中TCF7L2也可能通过调节β细胞的数量来调节糖代谢。然而还有截然相反的研究发现，在β细胞中剔除TCF7L2基因并不会引起β细胞功能下降，而对肝糖原的产生有重要作用[30]。而确切的作用机制还有待进一步研究。

2.3solute carrier family 30 (zinc transporter), member 8(SLC30A8)基因SLC30A8基因编码一种与胰岛素颗粒分泌和储存有关的蛋白质-锌转运体8(zinc transporter 8，ZnT8)，只在胰腺尤其是胰岛中高表达[31]。ZnT8位于胰岛素分泌颗粒膜中，能促进锌离子从细胞质到胞内胰岛素囊泡中的聚集，然后胰岛素与2个锌离子结合形成较稳定的六聚体储存起来，当胰岛β细胞受到刺激时才将其分泌出去[32]。因此，锌是胰岛素储存和分泌到细胞内囊泡的必需金属离子，ZnT8可以调节锌的动态平衡，是胰岛素分泌的关键蛋白，在胰岛素的加工和分泌过程中起重要作用[33]。SLC30A8 的SNPs主要通过胰岛素分泌的缺陷而引起2型糖尿病；同时，SLC30A8与2型糖尿病的相关性在多个种族人群中的研究中得到了一致结果[34-36]。SLC30A8的风险变异体可损害胰岛中ZnT8的表达、胰岛素分泌或者葡萄糖稳态，SLC30A8风险等位基因的携带者胰岛素原/胰岛素水平显著增加，提示可能与前胰岛素原的加工有关，风险等位基因携带者的胰岛素分泌减少，也许是因为β细胞对前胰岛素原的处理加工障碍，增加的前胰岛原素不能转化为胰岛素而被有效利用[37]。而SLC30A8影响前胰岛素的加工处理机制尚不明确。另有报道，SLC30A8可以调节肝脏胰岛素清除，当该基因的这种功能障碍时便可能导致2型糖尿病的发生[38]。此外，还有许多其他2型糖尿病的风险基因与β细胞的功能相关，如hematopoietically expressed homeobox(HHEX),cyclin-dependent kinase inhibitor 2A/B(CDKN2A/B)和insulin-like growth factor 2 mRNA-binding protein 2(IFG2BP2)等基因变异可导致葡萄糖刺激的胰岛素释放障碍，也与β细胞的功能损伤有关[39]。而这些基因影响β细胞功能的具体机制尚未完全阐明。

3小结

糖尿病及其并发症严重威胁着人们的健康，越来越多的研究证据表明，β细胞功能损伤是导致糖尿病的重要因素。GWAS鉴定出了大量2型糖尿病的易感基因，其大多在β细胞中表达活跃或参与调控β细胞的增殖、凋亡、基因表达以及胰岛素分泌，提示了β细胞在2型糖尿病发生、发展过程中的重要地位。研究2型糖尿病易患基因不仅可以预测其发病风险、提供更好的靶向药物治疗，更重要的是，未来人们可以通过运用基因疗法来降低2型糖尿病的发病风险。

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Research Progress in β-cell Function Associated Susceptible Genes of Type 2 DiabetesLIUNai-jia,WENJie.(DepartmentofEndocrinology,HuashanHospitalAffiliatedtoFudanUniversity，Shanghai200040，China)

Abstract：Type 2 diabetes mellitus (T2DM) is a complex metabolic disorder arising from a complicated influence of genetic and environmental factors.It is characterized by hyperglycemia,insulin resistance,and impaired insulin secretion.Despite numerous candidate gene and linkage studies,the field of T2DM genetics has succeeded in identifying only few genuine disease-susceptibility loci.The advent of genome-wide association study has transformed the situation,leading to an expansion in the number of established,robustly replicating T2DM loci,most of which are associated with pancreatic β cell dysfunction.Identification and characterization of genes involved in determining T2DM will contribute to a better understanding of the pathogenesis of T2DM,and ultimately might lead to the development of better diagnosis,prevention and treatment.Here is to make a review of the association between T2DM susceptibility genes and β cell function.

Key words：Diabetes mellitus, type 2； Susceptibility gene； β-cell

收稿日期：2014-08-14修回日期：2014-10-30编辑：郑雪

基金项目：国家自然科学基金(81270903)

doi：10.3969/j.issn.1006-2084.2015.11.002

中图分类号：R58

文献标识码：A

文章编号：1006-2084(2015)11-1924-04