胰岛素基因突变与糖尿病关系的研究进展

中国14个省市最新糖尿病流行病学研究结果指出:中国人糖尿病患病率已达9.7%，人数达9 240 万，而前期糖尿病的患病率达15. 5%，人数高达 1.482亿[1]。中国已超过印度，成为世界第一糖尿病发病大国。而糖尿病的急、慢性并发症是该病致残、致死的主要原因，糖尿病的防治形势十分严峻。

美国糖尿病协会(American Diabetes Association , ADA)现行的糖尿病最新分型诊断标准将糖尿病分为4种类型:1型,2型、特殊类型和妊娠糖尿病[2]。在特殊类型糖尿病中，胰岛p细胞功能遗传缺陷导致6种类型青少年成人起病型糖尿病(maturity onset diabetes in young, MODY)。最近研究指出胰岛素基因突变亦可引起MODY[3] ,是其第10种类型。胰岛素是胰岛p细胞分泌的体内惟一发挥降低血糖作用的激素，胰岛素基因不同功能位点的突变可导致不同类型的糖尿病和异常胰岛素病的发生。胰岛素分 泌缺陷是引起胰岛素作用缺陷，导致糖尿病发生的主要机制。研究证实，胰岛素基因突变可导致异常胰岛素病、永久性新生儿糖尿病(permanent neonatal diabetes mellitus, Pl}'DM) ,MODY及部分自身抗体阴性的1型糖尿病[5]。在糖尿病发病率持续土升的今天，其致病机制的研究和应用将有助于日益庞大的糖尿病人群的分子学诊断和个体化治疗。本文就胰岛素基因突变与糖尿病关系研究的最新进展进行综述。

1.胰岛素的发现、基因定位与分子结构及功能

1.1胰岛素的发现 1921年加拿大学者Ranting和Best从狗的胰腺组织中提取胰岛素，并发现了其降糖作用。1922年胰岛素开始应用于临床，使因糖尿病及其并发症无法医治的患者得到挽救。因此，胰岛素的发现成为糖尿病史上的一个里程碑。

1.2胰岛素的基因定位与分子结构 胰岛素基因定位于11号染色体短臂11P15.5, 人胰岛素基因全长1 430 by，包括3个外显子和2个内含子，该基因编码信号肤,B链、C肤和A链组成的前胰岛素原分子，而胰岛素由通过2个二硫键相连接的A链和B链组成。该基因外显子1包括42个碱基，为非翻译区;外显子2包括204个碱基，起始部分为5’非翻译区，其后依次编码信号肤和B链以及C肤起始部分;外显子3包括219个碱基，依次编码C肤后部、A链及3’非翻译区。

1.3胰岛素合成与功能研究进展 胰岛素由胰岛昌细胞合成。胰岛素的生物合成包括胰岛素基因转录为mRNA，再由mRNA翻译成前胰岛素原;随后前胰岛素原在激素转换酶PC1/3 和PC2的作用下切除信号肤转化成胰岛素原，胰岛素原又在梭基肤酶作用下切除C肚转变为胰岛素[6]。 胰岛素的作用主要是调节葡萄糖在体内的转运以及糖类、脂类和蛋白质代谢，其作用的靶器官主要是肝脏、肌肉和脂肪。胰岛素除了在末梢具有降糖作用之外，在中枢神经系统亦可调节葡萄糖代谢下丘脑的胰岛素信号对一于葡萄糖生成具有双向调节作用:即向大鼠第三脑室灌注胰岛素可抑制葡萄糖的产生，该效应不依赖于循环中胰岛素或其他调节激素的水平;相反，中枢性胰岛素信号抵抗.可影啊循环中胰岛素抑制葡萄糖生成的能力，提示胰岛素在葡萄糖产生上可能有新的作用位点，而下丘脑胰岛素抵抗亦可促进2型糖尿病高胰岛素血症的发生。最近Tan等[7]指出，诱发高胰岛素血症能明显降低高分子和总脂联素水平，但是增加血清处理人类血管内皮细胞核因子KB (nuclear factor-KB , NF-KB ) 活性。高胰岛素血症可以改变高分子脂联素的生理节律及NF-KB的活性，该研究为两种分子与肥胖及 2型糖尿病的胰岛素抵抗相关提供r新的见解。胰岛素在大脑尚有多种功能，这些功能失调可导致生命后期神经变性疾病如阿尔茨海默病、血管性痴呆、帕金森病和亨廷顿舞蹈症的发生。此外，胰岛素能改善认知功能，即胰岛索能提高阿尔茨海默病患者以及健康年长者的记忆力;在血糖正常的前提下，胰岛素尚能增加血清生长激素水平[8].

2胰岛素基因突变与糖尿病

2. 1胰岛素基因突变与异常胰岛素病 异常胰岛素病又称异常胰岛素(原)血症，是由于胰岛素基因编码突变而引起的胰岛日细胞合成分 泌活性减弱且结构异常的胰岛素或胰岛素原所致，是糖尿病发病的原因之一[9]。胰岛素原在激素原转换酶和梭基肤酶H (carboxypeptidase H , CPH)的作用下，切掉A链氨基末端的Lys64-Arg65二肤和B链梭基末端的Arg31-Arg32二肤及C肚后转变为有活性的胰岛素。因此胰岛素基因在以上4个氨基酸编码区发生突变则会产生裂解不完全的胰岛素原，即结构异常的胰岛素原分子，导致循环体液中胰岛素原类似物的蓄积，该缺陷在遗传上表现为常染色体显性模式且是引起家族性高胰岛素原血症的主要原因胰岛素原只有微弱的胰岛素样生物活性，推测主要是由于C肤部位遮盖了胰岛素与其受体的结合面，或是在其结合时妨碍了胰岛素B链C末端的移动所致胰岛素原是一种具有聚集倾向的分子并有相对较低的折叠率，在正常a细胞中因成熟和加7_ 处理过程的综合作用而维持自然和大部分非自然折叠状态的内稳态平衡即胰岛素原平衡稳态。胰岛素原平衡稳态易受环境和遗传因素的影响。 最近研究[10]发现:胰岛素原平衡稳态紊乱引起了其后胰岛素原转化过程(胰岛素原转化为胰岛素和c肤)的缺陷，即胰岛素原/胰岛索比值增加，是导致糖尿病患者发生高胰岛素血症的一个致病因子，即胰岛素原成熟缺陷是a细胞胰岛素形成障碍的促发因素迄今共发现7种胰岛素基因突变导致异常胰岛素病，根据发现地点将突变分别命名为胰岛素芝加哥、胰岛素洛杉矶、胰岛素和歌山、胰岛素原普罗维登斯、胰岛素原东京、胰岛素原京都、胰岛素原牛津y。其中胰岛素原东京突变最多见，亚洲人和欧洲籍白种人中均有该突变。

2. 2胰岛索基因突变与PNDM PNDM是指足月产儿在产后6个月内出现的糖尿病，需胰岛素终身治疗，系一组遗传与临床表型均呈异质性的单基因遗传病。新生儿糖尿病在活产婴儿中的发病率为1:400 000一1:500 000，其中50%为 PNDM[11]。迄今发现11种基因突变可引起PNDM , 包括KC1VJ11, ABCC8, INS, GCK, IPF1, PTF1A, GLIS3, FOX3 ,EIF2AK3 ,GLUT2和HNF1 B突变[12]，这些基因突变大多数呈常染色体隐性遗传，除GCK以外均产生胰外表型特点。突变主要通过影响胰岛素原分子的折叠导致其他蛋白的错误折叠或者滞留于内质网，引起内质网应激和p细胞凋亡。有些突变阻碍胰岛素A链和B链之间的二硫键形成，有些突变导致甘氨酸缺失使胰岛素折叠异常，也有一些突变致前胰岛素原信号肤切除障碍引起氧化应激[4]。其中 编码ATP敏感性K通道(K aTa通道)Kir6. 2和SUR1 亚单位的KCNJ11和AF3CC8基因杂合激活突变是引起PNDM最常见原因[12,13]，二者约占所有PNDM和暂时胜新生儿糖尿病(transient neonatal diabetes mellitus , TNDM)的50%[13]。胰岛素突变是引起PNDM的另一常见原因[14]。编码前胰岛素原的胰岛索基因杂合子编码突变是引起PNDM主要因素，可在一定程度上解释PNDM病因[11,14]。而隐性胰岛素突变引起的新生儿糖尿病主要是因为基因缺失、翻译起始信号缺乏、mRNA稳定性改变机制引起的胰岛素生物合成减少所致[15]。前胰岛素原分子关键功能区域的突变，在胰岛素分泌通路中阻止胰岛素原的正常折叠和加工，异常折叠的胰岛素原分子在内质网可能诱导未折叠蛋白反应和降解，导致严重的内质网应激并通过凋亡机制引起p细胞死亡，可能引起 PNDM[16]. 研究显示从临床表型上来讲，kCNJ11 , ABCC8 和胰岛素基因突变的一组在性别、出生体质量以及胎龄上没有统计学差异，但与K>T「突变患者相比，携带胰岛素突变的患者诊断年龄较晚(11周和8周， P<0.01).并且诊断后均开始使用胰岛素“另外.在引起PNDM的10种胰岛素基因突变中，以 A24D ,F48C和P.89 C最为常见，占所有突变比例的 46。最近在一项PNDM胰岛素基因突变筛查中发现一例PNDM患者携带与Akita小鼠同样的胰岛素基因突变C96Y-0}。呈胰岛素基因突变的雄性 }lkita小鼠和Munich小鼠比雌性小鼠具有更为明显的表型，但是在患者人群中并未发现明显的性别差异4由于PNI)M发病年龄较早，所以易误诊为王型糖尿病。对人类白细胞抗原(human leukocyte antigen, HT A)的研究发现，在出生后6个月内诊断为糖尿病的新生儿极有可能为单基因新生儿糖尿病而不是自身免疫1型糖尿病。大部分出生后6个月内诊断为糖尿病的儿童没有自身免疫性发病机制。因此，基因研究对PNDM患者的诊断与治疗至关重要，对所有新生儿糖尿病患者进行胰岛素基因和K >Tr，通道突变遗传检测将有助于明确诊断，有利于个体化治疗方案的制定工[13 17]。

2. 3胰岛素基因突变与MODY DIODY是一组临床表型、遗传基因与突变位点高度异质性的单基因遗传病。最近AD.4定义的胰岛日细胞功能遗传缺陷的特殊类型糖尿病中，除呈母系遗传的tRNA Lcu( UUR) A3243G突变引起的线粒体基因突变型糖尿病外，M0DY是另一种特殊类 型。2008年，Vaxillaire等[18]提出MODY的5个诊断指标:①常染色体显性遗传至少3代，家系成员有相似的表型;②其中至少1一2个家系成员在25岁前诊断为高血糖;③糖尿病确诊后至少5年内不需要胰岛素治疗或胰岛素治疗的患者具有能明显测出的 C肤水平;④胰岛素水平通常在正常范围内，但对于高血糖来说仍有不相称的降低，表明日细胞功能缺陷;⑤少见超重或肥胖。 MODY可占所有儿童青少年糖尿病的2%- 5% ,每个患有VIODY的父母所生的孩子有50%的概率会遗传同样类型的糖尿病，但大多数情况下这些病例都没有得到明确诊断。MODY经常被误认为是 I型糖尿病或2型糖尿病，正确的诊断对指导患者的治疗具有决定性意义[19]。 迄今为止，国际上已确定6种不同的MODY基因: HNF4cx/MODYI ,GCK/MODY2,HNF-la/MODY3,IPF-1/ IVIODY4、HXF一1 }3/MODYS、NeuroDl/Beta2/MODY6。另外.尚发现5种MIODY基因[20]。即KLFI 1 /MODY7 , CFf /MODY8/PAX4/MODY9、Insulin/ MO D Y10-3、BLK/ MODY11.最近研究指出，ABCC8突变可引起 MODY12，该突变的临床症状与HXF-I a/4。引起的 lIODY相似[22]。此外，KCNJ11基因突变不仅是新生儿糖尿病的病因，一也可引起MODY即"MODY13" `-3} 最近有研究指出胰岛素基因突变是导致MODY 的罕见原因[3]。Shield等在对临床表型和遗传方式确认的MODY家系糖尿病先证者的研究中发现， HNFla/MODY3突变和GCK/MODY2突变分别占 52%和32%，其次为HNF4a和HNF1b，而胰岛素基因或NEURODI突变发生最少，发病率< 1%. Molven。等[5]首先指出胰岛素基因突变可引起 NIODY。研究者在62个符合MODY诊断标准的家系中发现胰岛素杂合突变R46Q ( c. 1376 > A)，该突变引起前胰岛素原分子B链的第46位精氨酸替换为谷氨酸胺( R46 Q ) ,影响了胰岛索分子结构的稳定性。Edghill等在296名英国高加索MODY患者中发现1名R6C ( c. 16C > T)突变患者，而在222名英国高加索对照组染色体中没有发现该突变。R6是位于信号肤内的残基，杂合子R6C突变与MODY家系的糖尿病共分离。同时，研究者在463名土耳其裔早发2型糖尿病患者家系中发现1名L68M ( c. 2020 > A)突变患者，且_在170名土耳其对照中没有发现该突变[11]。L68位于C肤内;但在49名高胰岛素血症患者中没有发现杂合突变。综合遗传、进化和结构证据提示P6 C可能为致病性MODY突变，而L68 M可能为罕见的非功能性变异“。2010年， Meur等在1个M ODY家系中的5个糖尿病个体中发现L30M ( c. 88C > G)突变，但在292名法国非糖尿病对一照组中未发现该突变。研究表明，L30M突变携带者近50 07o的内质网出口被抑制，L30M突变前胰岛素原与MIN6细胞内质网应激有关。此外，该项研究在48名丹麦早发糖尿病患者中发现信号肤 R6H ( c. 17G > A)突变，提示该突变虽能正常地定向分泌颗粒，但是亦可造成大量的内质网应激 。

2. 4胰岛素基因突变与白身抗体阴性的1型糖尿病 根据对于1型糖尿病认识的历程，该型糖尿病经历，“青少年糖尿病、胰岛素依赖型糖尿病。 1型糖尿病”在命名分型上的变迁该型是青少年期发病，常导致胰岛素分泌绝对缺乏，因而是必须依赖胰岛素进行治疗的糖尿病业型。该型糖尿病占所有糖尿病5%一10%。1型糖尿病分为两种:一种为自身免疫介导性1型糖尿病，因自身免疫常导致胰岛素分泌绝对缺乏;另一种为尤自身免疫标记，自身抗体阴性的1型糖尿病即特发性1型糖尿病二两种类型主要差别为有无白身免疫抗体如谷氨酸脱浚酶(glutamic acid decarboxvlase , G AD)抗体、胰岛细胞自身抗体(islet cell autoaniihod}-,ICA) ,酪氨酸磷酸酶样蛋白抗体(1A-2, IA-2p)和胰岛素白身抗体(in- sulin autoantibodv, IAA)-2等研究发现，在新诊断为糖尿病的年龄小于18岁的儿童研究中发现，抗体阴性者约占19%，并且所有白身抗体阴性率随年龄增高。儿童中单基因型糖尿病很少，但常被误诊为 1型糖尿病’zs.zei ^ Molven等的最新研究指出，在 124名自身抗体阴性的1型糖尿病病例组中发现1例胰岛索杂合C. 163C > T突变患者，随后他们在99名白身抗体一阳性的1型糖尿病患者和双亲之一有糖尿病的受试者中进行筛查，没有发现该突变，推测该突变引起前胰岛素原分子55位残基发生半恍氨酸被精氨酸替代，R55 C突变影响了B链-C肤连接处的前两个精氨酸的第一个精氨酸，即胰岛索原转变为胰岛素的第一个蛋白酶加工位点R55 C突变先证者胰岛素抗体阳性，可测得到空腹C肤，但GAD 和I A-2阴性，并呈胰岛素依赖;其母亲诊断为I型糖尿病有相同表型，但其患2型糖尿病的外祖父和健康的外祖母均不是该突变携带者，因此先证者的母亲为新发突变[5]。此外，其患2型糖尿病的叔叔不携带突变。发病机制研究表明，极有可能是因为不成对半胧氨酸的引人，影响厂胰岛素的合成，这与 AkiTa小鼠的胰岛素C96Y突变引起前胰岛素原分子 的折叠缺陷所致结果相似。

R55 C突变携带者C 肤水平在正常范围，因此表明有一部分胰岛索加L 和分泌，但迄今尚米完全了解为什么这些患者尽管有胰岛索分泌，但也有酮症酸中毒及随后的完全胰岛素替代治疗后呈现严重胰岛素缺陷表型的原因。发病年龄提示RS 5 C表型比引起新生儿糖尿病的胰岛素基因突变表型轻[5]。并且在4个研究种族中，特别是在西班牙和非裔美国人孩子，胰岛自身免疫抗体阴性者更多，而且，非自身免疫型糖尿病的比例存在于所有年龄组儿童并且在l0岁以后的儿童显著增加。 Bonfanti等[25]在326名临床上诊断为1型糖尿病患者的研究中发现7个先证者为5种1型糖尿病自身抗体阴性，对这些患者进行胰岛素基因筛查后，在2例患者中分别发现Gb8S(或者G32S)突变和前胰岛素原信号肽（ Asingal23S）别突变，而在糖耐量正常的受试者中没有发现突变。 胰岛素基因突变在1型糖尿病患者中较为少见，但筛查1 t+;g糖尿病患者的5种自身抗体后，如果发现其为阴性，接下来可继续筛查胰岛素基因突变-6Rubio-Cabezas等在252例年龄在6个月到17岁临床诊断为1型糖尿病的患者中筛查了单基因型糖尿病最常见的基因，包括新生儿糖尿病发病最常见的胰岛索和KCNJ11基因，以及MODY最常见的HNF1。和HNF4cx基因，结果发现25名白身抗体缺乏，其中有2例抗体阴性的患者携带新发胰岛素杂合突变c. 94G > A ( G32S)和c.265C >T(R89C). 在新生儿糖尿病患者中也曾报道以上两种杂合突变两个呈胰岛素基因突变的新生儿糖尿病患者，在临床上除了诊断年龄较晚外，其余表型与携带 ABCC8和KCNJ11突变者比常相似，推测这两种突变可能通过防止胰岛素原折叠和行进，作用于胰岛素分泌途径。异常折叠的胰岛素原分子可能引起未折叠蛋自效应，在内质网中发生降解，引起严重内质网应激和日细胞凋亡[4]。自身抗体阴性的1型糖尿病儿童与抗体阳性的糖尿病患者相比，确诊年龄较早(3. 85岁和6. 29岁，P=0.01)，病情进展较缓慢并保存残余日细胞功能;此外，胰岛素需要量较低并在确诊第1年内血糖控制较好。虽然单基因型糖尿病在1型糖尿病中并不常见，但胰腺自身抗体的缺乏可作为开展遗传检测的标志。

3结语综上所述，胰岛索基因突变可导致异常胰岛素病、永久性新生儿糖尿病、MODY以及部分自身抗体阴性的1型糖尿病。我国尚缺乏胰岛素基因突变导致各种类型糖尿病发病方面的报道。随着胰岛抗体及基因检测技术的开发和应用，将发现更多胰岛素基因突变。根据不同的突变位点制作不同的胰岛素制剂开展靶向治疗，将能够更好地控制血糖，减少和避免并发症的发生，提高糖尿病患者的生活质量。

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