转移核糖核酸相关失调与2型糖尿病发病机制研究进展

2019-04-04张晓川孙宝周政李晓萍

药学进展 2019年2期

张晓川，孙宝，周政，李晓萍*

（1.郑州大学第一附属医院中药科，河南郑州 450052；2.中南大学湘雅医院临床药理研究所，湖南长沙410008；3.中南大学临床药理研究所遗传药理学湖南省重点实验室，湖南长沙410078）

2型糖尿病（type 2 diabetes mellitus，T2DM）是一类慢性代谢性疾病，主要由于胰岛β细胞损伤和机体对胰岛素耐受引起，可并发或继发如心血管和周围血管疾病、糖尿病视网膜病变、神经病变和肾病等各种病症。目前，T2DM的发病率在全球范围内呈增长趋势，2015年全球有超过4.15亿T2DM患者，到2040年T2DM患病人数可能增至6.42亿[1]。研究表明：遗传变异和环境因素均与T2DM的发病机制有关[2]。

转移核糖核酸（transfer RNA，tRNA）是遗传信息传递过程中的“适配器”分子。既往业界普遍认为tRNA几乎没有额外的功能。然而，目前越来越多的证据表明，tRNA相关的失调与多种疾病的发生和发展有关[3]。其中，线粒体tRNA（mitochondrial-encoded tRNA，mt-tRNA）的突变可引起线粒体功能紊乱，从而导致胰岛β细胞损伤和葡萄糖诱导胰岛素分泌的减少，这在T2DM的发病机制中起着关键作用[4]。此外，缺乏重要的tRNA修饰可能对蛋白质合成具有深远的影响，反过来导致不同的人体疾病，包括T2DM、癌症和神经系统疾病等[5]。另有研究显示：氨酰-tRNA合成酶（aminoacyl-tRNA synthetase，AARS）不仅参与了tRNA的氨酰化，其失调也与肿瘤、神经系统疾病、自身免疫性疾病等相关[6]。因此，本文就tRNA突变、tRNA修饰和tRNA氨酰化等在T2DM发病机制中的作用作一综述，旨在为T2DM个体化治疗提供参考。

1 tRNA的结构和功能

tRNA参与蛋白质翻译，具有携带和运输氨基酸的基本功能，是蛋白质准确合成的关键。成熟的tRNA具有70 ～ 90个核苷酸，并折叠成“三叶草”的二级结构和L形的三级结构。在真核生物中，tRNA基因在RNA聚合酶Ⅲ（RNA polymeraseⅢ，PolⅢ）的催化下可得到初级转录产物及前体tRNA（precursor tRNA，pre-tRNA)，经历一系列复杂的加工转化为成熟tRNA[7]。值得注意的是，tRNA中存在超过90个特异性修饰，这些修饰对tRNA的功能起重要作用[8]。在蛋白质的翻译过程中，tRNA在其同源AARS催化下，3'末端与其同源氨基酸结合。最终，通过密码子-反密码子的相互作用，tRNA的反密码子环与mRNA的密码子特异性结合，从而确保遗传信息的精确传递[9]。

2 2型糖尿病中tRNA相关失调

2.1 2型糖尿病相关的tRNA突变

研究发现，tRNA突变与遗传疾病有着密切关系。在已鉴定的病例中，tRNA的致病突变全部发生在mttRNA[10]。mt-tRNA突变导致的疾病的基因型和表型之间的关系复杂，即相同的突变可以导致不同的疾病，而相同的疾病可以由不同的突变导致[11]。这与母系遗传线粒体的有丝分裂和异质性有关。迄今为止，已经发现许多tRNA突变与T2DM的发病机制密切相关，并且这些突变也存在于线粒体DNA（mitochondrial DNA，mtDNA）中。

母系遗传性糖尿病伴耳聋（maternally inherited diabetes and deafness，MIDD）和线粒体脑肌病伴高乳酸血症和卒中样发作（mitochondrial myopathy，encephalopathy，lactic acidosis and stroke-like episodes，MELAS）是常见的母系遗传性线粒体疾病。虽然这2种疾病的主要临床症状不同，但也有一些相同的表现，如卒中、痴呆、癫痫、脑肌病、听力障碍、糖尿病（diabetes mellitus，DM）和身材矮小[12-13]。tRNALeu(UUR)的A3243G突变最早发现在MELAS中，后来被确定为母系遗传性T2DM伴耳聋的致病因子[14]。研究发现，tRNALeu(UUR)的A3243G突变能够影响tRNALeu(UUR)的氨酰化[15]和反密码子的修饰[16]，导致线粒体翻译缺陷。最近，Lin等[17]发现，由单磷酸腺苷依赖的蛋白激酶（AMP-activated protein kinase，AMPK）信号通路介导的异常细胞反应可能会破坏携带A3243G突变的人皮肤成纤维细胞的代谢稳态，导致临床表型的改变。另有研究发现，tRNAGlu的T14709C突变能够降低线粒体呼吸链复合物Ⅰ、Ⅲ和Ⅳ的活性，从而增加患DM的风险[18]。与DM相关的tRNAGly的T10003C突变可同时降低tRNAGly的稳态水平、耗氧率（oxygen consumption rate，OCR）和线粒体膜电位，并增加细胞中活性氧（reactive oxygen species，ROS）的产生[19]。

多囊卵巢综合征（polycystic ovary syndrome，PCOS）是一种复杂疾病，其特征为雄激素分泌过多、高胰岛素血症、排卵功能障碍和多囊卵巢。研究发现，PCOS患者发生胰岛素抵抗（IR）以及T2DM的风险较高[20]。Ding等[21]发现，tRNALeu(UUR)的 A3302G 突变可引起线粒体功能紊乱，最终导致PCOS伴IR，而且在患有PCOS伴代谢综合征（metabolic syndrome，MetS）的家庭中，其中2个家庭成员被诊断为T2DM，且发现了tRNALeu(UUR)C3275T、tRNAGlnT4363C和tRNALysA8343G 3个突变。除此之外，tRNALeu(CUN)T12317C、tRNAIleT4289C和COI/tRNASer(UCN)G7444A等突变，均与T2DM的发病机制有密切的关系[22-23]。因此，这些突变在一定程度上影响了线粒体蛋白质的合成，进而引起线粒体功能紊乱，最终导致了T2DM的进展。值得注意的是，Karicheva等[24]证实，线粒体靶向携带亮氨酰-tRNA合成酶相同元件的重组tRNA可以纠正A3243G突变的影响，这为线粒体疾病提供了一种潜在的治疗方法。

2.2 2型糖尿病相关的tRNA修饰

tRNA修饰以及相关的催化酶在T2DM的发病机制中起重要作用。事实上，多种研究表明tRNA修饰可能影响tRNA的稳定性，以及蛋白翻译的准确性和效率，并最终导致T2DM。

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全基因组关联研究（whole-genome association study，GWAS）显示，细胞周期素依赖性激酶5调节亚单位相关蛋白1类似物1（Cdk5 regulatory associated protein 1-like 1，CDKAL1）是T2DM的易感基因之一，其可催化tRNALys(UUU)中第37位的N6-苏氨酰-氨基甲酰腺苷（N6-threonyl carbamoyl adenosine，t6A）的甲硫基化，形成2-甲硫基-N6-苏氨酰-氨基甲酰腺苷（2-methylthio-N6-threonyl carbamoyl adenosine，ms2t6A）[25]。到目前为止，已经鉴定出CDKAL1基因中多种单核苷酸多态性（single nucleotide polymorphism，SNP）与T2DM有关。Steinthorsdottir等[26]发现，CDKAL1的rs7756992风险等位基因的纯合携带者比杂合子或非携带者的胰岛素反应大约低20%，表明这种变异可以通过减少胰岛素分泌来增加T2DM的患病风险。除此之外，CDKAL1的其他变体，如rs9465871、rs7766070和rs1012635等亦被证实与T2DM有关[27-29]。Wei等[25]发现，在敲除CDKAL1基因的小鼠中，胰腺肥大，葡萄糖刺激的胰岛素分泌减少；此外，CDKAL1缺乏可能影响胰岛素原加工成胰岛素，进而导致内质网应激和β细胞功能障碍。Xie等[30]建立了一种直接测量人外周血样本中 tRNALys(UUU)的 2-甲硫基（2-methylthio，ms2）修饰水平的方法，发现具有CDKAL1风险等位基因的个体ms2修饰水平较低。Zeng等[31]利用GWAS鉴定的T2DM易感基因突变构建了同基因的人胚胎干细胞（human embryonic stem cell，hESC），发现CDKAL1的变异能够导致从该细胞系分化出来的胰腺β样细胞葡萄糖分泌受损；通过高含量化学筛选发现了一种候选药物，证明该药物可通过抑制FOS/JUN通路来修复CDKAL1的特异性缺陷，这为糖尿病的精准治疗提供了新的思路。

tRNA甲基转移酶10同源物A（tRNA methyltransferase 10 homologue A，TRMT10A）是一种tRNA甲基转移酶，可以催化S-腺苷甲硫氨酸特异性修饰tRNA中第9位的鸟嘌呤[32]。最近研究发现：TRMT10A与小头畸形、智力残疾、身材矮小和糖尿病发病低龄化有关，尽管这些患者大多数未被诊断为T2DM，但他们具有许多T2DM特征，例如有非胰岛素依赖性、胰岛素抵抗等[33-34]。Igoillo-Esteve等[33]在TRMT10A中发现了一个突变，它可将127位精氨酸密码子改变为终止；TRMT10A基因沉默后，胰岛素分泌未受影响，但最终导致了β细胞的凋亡。值得注意的是，Gillis等[34]发现，TRMT10Ap.Gly206Arg纯合突变的患者最初可呈现酮症性和非酮症性低血糖，但均在青春期转化为DM。

此外，Merino等[35]利用途径富集分析方法证实，空腹血糖正常的人群的氮代谢途径及其相关成分(如牛磺酸、甘氨酸和苯丙氨酸等)的提高与患T2DM的风险显著相关。早期研究认为，mt-tRNAs中存在2种含牛磺酸修饰的尿嘧啶，表明牛磺酸参与了tRNA的修饰[36]。最近，Fakruddin等[37]发现，缺乏催化牛磺酸mt-tRNA修饰的线粒体优化剂1（mitochondrial optimization 1，Mto1），会严重损害线粒体功能，导致线粒体形态异常。另有研究已经证实，与T2DM相关的tRNA突变如A3243G，可能会导致突变tRNA的34位点缺乏牛磺酸修饰[38]。因此，笔者认为含牛磺酸的tRNA修饰缺陷可导致线粒体功能障碍，并最终发展为T2DM，但仍需更加深入的研究。

2.3 2型糖尿病相关的tRNA氨酰化

tRNA氨酰化是遗传翻译的第一步，通过AARS将单个氨基酸与其同源tRNA连接起来。Zhang等[39]发现，某些代谢途径如氨酰-tRNA生物合成途径与牛磺酸、亚牛磺酸的代谢途径等，参与了早期T2DM的发展，牛磺酸、亚牛磺酸等可作为早期T2DM的潜在生物标志物。另有研究证实，T2DM患者中双功能氨酰-tRNA合成酶（bifunctional aminoacyl-tRNA synthetase，EPRS）的水平下调，表明EPRS的低表达对炎症反应的保护作用减弱，可加重胰岛素抵抗和β细胞功能障碍[40]。此外，克隆INS-1832/13β细胞在脂毒性下的氨酰-tRNA合成途径受阻，可能影响葡萄糖反应性和胰岛素分泌[41]。亮氨酰-tRNA合成酶基因（leucyl-tRNA synthetase，LARS2）已被证明是T2DM的潜在易感基因，其翻译的蛋白质可催化亮氨酸与tRNALeu(UUR)的氨酰化[42]。新近研究表明：沉默谷胱甘肽 S-转移酶 A4（glutathione S-transferase A4，GSTA4）能够增加几种线粒体蛋白的羰基化，其中包括缬氨酰-tRNA合成酶，最终可引起脂肪细胞中线粒体功能障碍和胰岛素抵抗[43]。此外，色氨酰-tRNA合成酶2（tryptophanyl-tRNA synthetase 2，WARS2）可以调节棕色脂肪组织（brown adipose tissue，BAT）的功能，从而改善脂质和葡萄糖代谢，这可能与线粒体呼吸增加和胰岛素抵抗改善有关[44]。

3 结语

综上所述，T2DM是由环境因素和遗传因素综合作用引起的复杂性疾病，tRNA相关的失调如tRNA突变、tRNA修饰和tRNA氨酰化，与T2DM的发生发展密切相关。tRNA的致病突变可影响线粒体蛋白质的合成，引起严重的呼吸链缺陷和线粒体功能障碍，从而导致胰岛β细胞损伤和葡萄糖诱导的胰岛素分泌反应降低。同时，缺乏特异的tRNA修饰也可导致T2DM的进展，其机制包括干扰胰岛素原加工、导致β细胞凋亡和线粒体功能障碍等（见图1）。此外，tRNA氨酰化在T2DM发病机制中起关键作用。然而，这方面的研究相对较少，将来可能成为T2DM研究的热点。

目前，虽然已证实了T2DM与某些tRNA修饰之间的生理学联系，但对有关触发tRNA修饰缺陷以及tRNA修饰如何影响蛋白质翻译的分子机制尚未阐明。目前已知是tRNA修饰对mRNA翻译的保真度和效率等方面可产生重要影响。此外，由于T2DM中tRNA致病突变均发生在线粒体内，导致基因型和表型之间的关系复杂，即相同的突变可以导致不同的疾病，而相同的疾病可以由不同的突变导致。因此，还需进一步的研究来阐明基因型和表型之间的分子机制。tRNA相关的失调将为T2DM的发病机制和治疗研究提供新的思路。