胰岛素变异的病理效应综述

王晚霞，蔡剑平

（1.甘肃省人民医院，甘肃 兰州 730000；2.北京医院/国家老年医学中心/卫计委老年医学重点实验室，北京 100730）

胰岛素变异的病理效应综述

王晚霞1，2，蔡剑平2*

（1.甘肃省人民医院，甘肃 兰州 730000；2.北京医院/国家老年医学中心/卫计委老年医学重点实验室，北京 100730）

胰岛素及其前体胰岛素原功能和结构异常是发生糖尿病的原因之一。人胰岛素基因变异影响胰岛素合成的各个环节，已经被确定为新生儿糖尿病、青少年早发性糖尿病、自身抗体阴性1型糖尿病和早发性2型糖尿病的病因。前胰岛素原突变可以引起糖尿病、高胰岛素血症和高胰岛素原血症，其机制主要与胰岛素原错误折叠、内质网应激及胰岛B细胞凋亡有关。

胰岛素；糖尿病；基因变异

胰岛素及其前体胰岛素原功能和结构异常是发生糖尿病的原因之一。胰岛素变异影响其与受体结合或其高尔基体进一步成熟，导致非高血糖血清胰岛素、胰岛素原或胰岛素原裂解物升高。变异还通过影响胰岛素内质网成熟，导致胰岛B细胞凋亡、减少。近年来，随着分子生物学和遗传学的发展，越来越多的胰岛素变异位点被发现，胰岛素变异在糖尿病发病机制中的作用日益受到重视。

1 胰岛素基因变异的病理效应

1.1 影响胰岛素基因转录和翻译

胰岛B细胞合成胰岛素时，胰岛素基因的转录和翻译均受严格的调控，而参与胰岛素基因表达的非编码区基因突变常会影响胰岛素的合成。已发现影响胰岛素基因转录和翻译的12种非编码区基因突变为隐性遗传[1-2]，其中5种位于胰岛素基因启动子区，导致启动子区缺失或DNA与调控蛋白结合位点丢失，90%的突变都会下调启动子的活性[2]。与糖尿病有关的非编码区基因突变有：缺失型（c.-366_-343del，c.-370-_186+del，c. -65_581del）、启动子区（c.-331 C＞A/G，c.-332C＞G+c.-331 C＞G，c.-218 A＞C）、3’UTR（c.*59 A＞G）、翻译起始区（c.3G＞T，c.3G＞A）和提前终止型[c.184C＞T（Q62X）][2]。

1.2 影响前胰岛素原在内质网的定位和移位

前胰岛素原包含一个疏水性的N-末端的信号肽，胰岛B细胞中，前胰岛素原信号肽的断裂触发胰岛素原单体的折叠[3]。前胰岛素原信号肽N或C末端突变易影响胰岛素原合成4个早期事件，即迁移的完成、内质网（Endoplasmic Reticulum，ER）信号肽酶催化的信号肽切除、触发B链折叠和触发二硫键的形成[4]。目前信号肽部分与糖尿病有关的胰岛素变异有4种，即R6C、R6H、L13R、A24D[5-7]。L13R和A24D变异常导致较为严重的新生儿永久性糖尿病，而R6C和R6H变异常表现为病情相对新生儿永久性糖尿病较轻的青少年早发性糖尿病，表明这些变异诱发糖尿病发生发展的分子机制不同。

1.3 影响胰岛素原在内质网中的折叠

胰岛素原在多种内质网（ER）的分子伴侣蛋白作用下进一步折叠，并形成3个二硫键。据预测，约70%致前胰岛素原氨基酸变异的基因突变会影响胰岛素原在内质网中的正常折叠，其中一半以上已经在实验中证实。由于半胱氨酸对二硫键的形成至关重要，变异的氨基酸以有无涉及半胱氨酸的形成可分为两大类，然而这些变异均通过干扰内质网内二硫键的形成阻碍胰岛素原在内质网中正确折叠。涉及半胱氨酸的变异有C31Y、C43G、F48C、R55C、G84R、R89C、G90C、C95S、S101C、C96Y/S/R、Y103C、Y108C/X、C109F/Y/R，其中C96Y和C95S变异不仅可以见于人MIDY综合征，也可见于鼠类糖尿病模型，受到研究者广泛关注[8]。研究证实，这些变异扰乱了通过改变半胱氨酸或产生新的半胱氨酸干扰正常二硫键的形成，阻碍了后续的折叠步骤。例如体外表达突变体胰岛素原C96Y能改变野生型胰岛素原在ER中的稳态分布，影响B细胞功能[9]。与半胱氨酸无关但同样会影响胰岛素原在内质网折叠的变异有H29D、L30M/P/ V/Q、G32R/S、L35P、R46Q、L39Y40delinsH、G47V[6，8，10-12]，这些变异阻碍胰岛素原在内质网内正确形成二硫键，往往产生错配的二硫键，扰乱了胰岛素原的正常折叠。

1.4 影响胰岛素原的转运和成熟

正确折叠的胰岛素原将由ER进入高尔基体，两个内切蛋白酶PC1和PC2与外肽酶CPH协同作用，使胰岛素原转换为胰岛素。PC1裂解人胰岛素原B链/C链连接处羧基端Arg31和 Arg32，而PC2裂解A链/C链连接处Lys64和Arg65。CPH的主要作用是移除PC1和PC2作用后残留的碱性氨基酸，加速转换过程。

目前已发现的B链-C肽和C肽-A链交界处的胰岛素基因突变有5种。C肽-A链交界处的精氨酸可以被亮氨酸、组氨酸或脯氨酸取代，导致高胰岛素原血症、临界性糖耐量异常或迟发性糖尿病。相反，B链-C肽和C肽-A链交界处的精氨酸被半胱氨酸取代后则导致早发胰岛素缺乏型重度糖尿病。比较R89L和R89C变异发现，R89L变异时细胞可以分泌胰岛素原，而R89C变异可以导致胰岛素原错误折叠并在内质网内滞留。可见，这些变异所致的临床表现因剪接位点取代氨基酸的不同而不同。胰岛素原B链-C肽交界处R55C突变的患者C肽水平正常，胰岛素缺乏严重，尚不清楚胰岛素严重缺乏的原因。将R55C变异型转入MIN6细胞发现，变异胰岛素R55C通常位于分泌颗粒，造成ER应激和MIN6细胞减少[6]。

1.5 影响胰岛素与受体的结合能力

影响胰岛素和受体结合的氨基酸很多，主要是A链氨基末端和B链羧基末端区域的氨基酸。这些氨基酸的变异会导致胰岛素二级结构和三级结构构象的改变，影响胰岛素的稳定性及胰岛素与受体的亲和力。

关于B链结构与活性关系的研究最多，特别是B链的羧基末端。去除HisB5急剧降低胰岛素与受体结合活性，仅保留15%。LeuB6缺失变异将使胰岛素与受体的结合能力不足1%。HisB10对维持胰岛素的最大活性非常重要，当其被AspB10替代时，胰岛素原将不能转换为胰岛素，导致循环中胰岛素原增加。B链羧基末端一些进化上比较保守的氨基酸对胰岛素与受体的亲和力非常重要，包括 GlyB23、PheB24、PheB25和TyrB26，其中PheB24形成的氢键对二聚体形成至关重要。曾有研究发现，用其他氨基酸取代PheB24后，胰岛素活性显著下降。SerB24胰岛素类似物活性约为胰岛素活性的7%～15%，LeuB24胰岛素类似物活性约为胰岛素活性的10%～50%。最近，Zakova等[13]研究发现，用L型其他氨基酸替代PheB24，胰岛素生物活性和亲和力显著下降，非芳香族氨基酸LeuB24、SerB24和AlaB24胰岛素类似物亲和力多不超过20%，用甘氨酸取代PheB24，其亲和力约为22%～78%。总之，胰岛素单体这些区域对其与受体的结合非常重要，去除或替代这些区域氨基酸的胰岛素类似物与受体结合或激活受体的能力下降。

2 胰岛素变异与疾病

胰岛素基因突变可以引起糖尿病、高胰岛素血症和高胰岛素原血症，其机制主要与胰岛素原错误折叠、内质网应激及胰岛B细胞凋亡有关。

2.1 糖尿病

早期研究认为，胰岛素基因突变引起糖尿病的可能性很小，因为胰岛素基因突变较为罕见，不是致病的重要因素。然而，近几年有研究表明，胰岛素基因突变不仅是新生儿永久性糖尿病（Permanent Neonatal Diabetes Mellitus，PNDM）的常见原因，也能导致青少年早发性糖尿病（Maturity-Onset Diabetes of the Young，MODY）。此外，胰岛素基因变异是产生Akita和Munich糖尿病鼠的主要原因。

与糖尿病相关的前胰岛素原突变涉及19个氨基酸，包括23种错义突变、1种无义突变和1种插入缺失突变，它们分布在前胰岛素原C肽外所有区域：信号肽（2个）、B链（12个）、A链（8个）及C肽侧面成对的碱性氨基酸（2个）。C肽侧面碱性氨基酸位于B链-C肽（R55C）和A链-C肽（R89C）的酶切位点。到目前为止，其中13种突变出现超过1个先证者；5个密码子突变（A24D、G32S/R、F48C、R89C和C96Y/S）占所有突变的56%；6个残基被不同的氨基酸替代：R6C/H、A23S/T、L30M/P/V、G32S/R、C96Y/S和Y108C/X。有5种突变（R6C、R6H、L30M、R46Q和R55C）见于非新生儿期或婴儿期糖尿病，表明这些变异对胰岛B细胞有不同效应[14]。

2.2 家族性高胰岛素血症

胰岛素变异后产生的效应是多样的，并不是所有的胰岛素基因变异都与糖尿病有关，相反，胰岛素有些位点氨基酸变异后仅仅表现为高胰岛素血症，而B链10位天门冬氨酸转变为组氨酸的胰岛素类似物，发现该胰岛素类似物活性超强，与胰岛素受体的结合能力极强。引起高胰岛素血症的变异尚未引起广泛关注，其实探索高胰岛素血症的原因同样有利于阐明2型糖尿病的发病机制。Banting科学成就奖获得者Corkey提出[15-16]，2型糖尿病的先决原因是高胰岛素血症，而胰岛素抵抗是其后的代偿。

B链10位天门冬氨酸转变为组氨酸的胰岛素变异相继被发现。高胰岛素血症（His-B10-Asp）转基因小鼠模型也证实高胰岛素血症的小鼠胰岛Langerhans细胞中突变的激素原水平极高，这可能是胰岛通过不受调节旁路持续分泌突变酶原的结果。前胰岛素原89位精氨酸是胰岛素原转变为胰岛素所必需的，研究发现，这一位点转变为组氨酸、亮氨酸、脯氨酸后，均表现为高胰岛素血症。

3 结语

胰岛素缺乏和胰岛素作用障碍是糖尿病的主要特征，确定引起单基因糖尿病的特定基因变异不仅有利于个体化治疗，更有助于我们理解胰岛B细胞的生理，为更好地了解糖尿病的发病机制提供了重要信息。2型糖尿病中胰岛素基因变异罕见，其RNA和蛋白质水平是否存在这些相似的变异尚不清楚，可进一步从RNA或蛋白质水平寻找这些异常胰岛素，这有助于阐明糖尿病的发病机制。

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（*通讯作者：蔡剑平）

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1671-1246（2017）16-0157-03