糖尿病发病机制与相关基因分子生物学病因

糖尿病发病机制与相关基因分子生物学病因 张柯 【摘要】（糖尿病已成为当今社会医疗急需解决的问题，我国糖尿病的发病率逐年升高，其病因及发病机制纷繁复杂，长期发展下去可引起多个器官组织的病变。探索糖尿病的的发病机制以及病因已成为当务之急。更多的研究显示，糖尿病发病与细胞免疫、基因组学等有着不可分割的关系。本文从遗传分析、环境因生物学功能和分子作用机制等多个方面全面的概述了糖尿病分子生物学的病因和发病机制、研究的现状。系统的阐述了糖尿病从基因发病以及细胞免疫的关键影响因素，使临床医学工作者或基础医学工作者对糖尿病有一个较为完整的认识，并在研究糖尿病和深入探索解析人类血糖增高机制中开拓研究思路。） 【关键词】 糖尿病；病因；遗传因子分析；分子作用机制；     从医学的一般角度看，分子生物学涵概了基因遗传、生物组学等复杂深奥的学科。其中糖尿病的病因及发病机制是极为纷繁复杂的，迄今也无法完全阐明。一般认为，糖尿病是一种由多种病因引起的以慢性高血糖为特征的代谢性疾病。是由于胰岛素分泌和（或）作用去诶按所致。当今中国糖尿病的发病率已居于世界前三，并且糖尿病的发生能够导致碳水化合物、脂肪、蛋白质三大营养物质代谢紊乱，长期发展下去可引起多个器官组织的病变，危害患者，给糖尿病的治疗带来了许多难题，同时也给许多家庭造成了沉重的负担，也会间接阻碍社会的发展。     糖尿病主要分为三型。1型糖尿病为胰岛β细胞的破坏，导致胰岛素绝对缺乏；2型糖尿病以胰岛素抵抗为主伴胰岛素进行性分泌不足发展到以胰岛素进行性分泌不足为主伴胰岛素抵抗；第三类为特殊类型，其中包括β细胞功能遗传缺陷、胰岛素的遗传缺陷、胰腺其它病变所致糖尿病、内分泌疾病、化学物质诱导糖尿病、感染、其他自身免疫病、伴糖尿病遗传综合征共八种类型。不同类型的糖尿病的病因不尽相同，因为在同种类型中也体现着异质性，较为明确的是，遗传和环境因素一同参与其中，并且大部分为多种基因发病同时存在，由此也产生了临床糖尿病症状的多样性。     1型糖尿病：现在为止已有多种研究证实此种类型为自身免疫性疾病。首先，遗传因素在1型糖尿病的发病已经占到了很大比例，遗传易感基因类型广泛，其中主要有HLA和非HLA基因，其中关键环节为Th1和Th2细胞及其达细胞因子失衡[1]。虽然所有基因类型未被完全识别，但其对糖尿病发病有着举足轻重的影响，由此可得出，人类基因类型上的缺陷在个体遗传上的差异。但应注意的是，1型糖尿病有着遗传差异性，遗传背景不同的亚型及其临床表现也不尽相同。第二，近年来，陆续报道1型糖尿病与病毒感染也有着密切关系。其中包括风疹病毒、腮腺病毒、柯萨奇病毒、巨细胞病毒等。这些病毒侵入机体后可直接损伤β细胞，主要造成β细胞的死亡及数量的减少，质量及功能均有不同程度损伤。当β细胞数量下降到一定程度，增加的胰岛素不能代偿胰岛素抵抗时，机体才表现出葡萄糖耐量受损，并最终发展为明显的高血糖血症。高血糖继而又加重胰岛细胞功能的缺陷，进一步加剧β细胞的的凋亡[2]。并且病毒的感染还能通过损伤β细胞而使其抗原成分暴露，破坏了自身免疫耐受，尤其启动自身免疫反应。目前，这是认为病毒感染导致β细胞损伤的主要机制。第三，化学毒物和饮食。经证实，类似于灭鼠剂吡甲硝苯脲一些化学物品所引发的糖尿病属于非免疫介导性β细胞破坏，又或者为免疫介导性β细胞破坏。有关食物方面，大概与胃肠道免疫失衡有关，引起1型糖尿病的发病率大幅增加。     经过多年持续的研究与探索，迄今为止，已有多种证据显示1型糖尿病为自身免疫性疾病，其中包括体液免疫和细胞免疫。     ⑴．体液免疫：目前已经发现接近100%的新诊断的1型糖尿病患者血清中存在针对β细胞的单株抗体，比较重要的有多株胰岛素抗体、胰岛素抗体、谷氨酸脱羧酶抗体等。胰岛素自身细胞抗体检测可预测1型糖尿病的发病及确定高危人群，并可协助糖尿病分型及指导治疗，应在临床上广泛应用。     ⑵．细胞免疫：目前认为细胞免疫异常在1型糖尿病发病中起着更重要的作用。细胞免疫失调表现为致病性和保护性T淋巴细胞比例失衡及其所分泌细胞因子或其他介质相互作用紊乱，其间关系错综复杂，一般认为发病经历三个阶段：①免疫系统被激活；②免疫细胞释放各种细胞因子；③胰岛β细胞受到激活的T淋巴细胞影响，或在各种细胞因子或其他介质单独或协同作用下，受到直接或间接的高度特异性的自身免疫性攻击，导致胰岛炎。1型糖尿病β细胞的破坏可分为坏死或凋亡，其中凋亡更为重要。 1型糖尿病的发生发展经历以下阶段：①个体具有遗传易感性，临床通常无任何异常表现；②某些触发事件如病毒感染可引起少量β细胞破坏并启动长期、慢性的自身免疫过程，此过程呈持续性或间歇性，期间伴随β细胞的再生；③出现免疫异常，通过检测可查出各种胰岛细胞抗体；④β细胞数目开始减少，但仍能维持糖耐量正常；⑤β细胞持续损伤到一定程度时（通常只残存很少量的β细胞），导致胰岛素分泌不足，出现糖耐量降低或临床糖尿病，需用外援胰岛素治疗；⑥β细胞几乎完全消失，需完全依赖外援胰岛素维持生命。 2型糖尿病：近年来糖尿病的发病逐渐年轻化，国际上及我们对早发2型糖尿病的病理生理特征研究显示，该类型患者胰岛β细胞功能缺陷表现的更显著，家族内的遗传倾向更强[3]。对正常机体来说，体内足量的β细胞是维护血糖不出现紊乱现象的必须前提。当人体内血糖升高或下降时，同时胰腺内的胰岛β细胞也会根据相应的反馈信息进行功能调节，以保证血糖浓度的恒定。糖尿病患者中超过90％的为2型糖尿病，发病机制主要是胰岛β细胞不能产生足够的胰岛素和机体不能有效利用胰岛素。当然，此种类型糖尿病发病机制也是由遗传及环境因素共同作用导致形成的多基因性复杂遗传病。 ⑴．遗传因素：目前认为，参与发病的基因很多，分别影响糖代谢有关过程中的某个中间环节，对血糖无直接影响。Po/ rksen[4]曾报道糖尿病患者子女胰岛素脉冲式分泌缺陷。Wilson等[5]通过7年随访结果显示糖尿病家族史可有效预测2 型糖尿病发生。遗传因素通过何种途径影响胰岛茁细胞第一分泌时相功能,迄今为止,尚未阐明。近来TCF7L2基因变异与2 型糖尿病的关联性引起了广泛的关注,该基因在胰岛内表达,使胰岛素和胰升糖素分泌紊乱,从而影响肝脏葡萄糖的代谢,TCF7L2基因变异与糖尿病的关联性在冰岛、丹麦、美国、白种人等得到证实,TCF7L2基因变异者发生2型糖尿病的危险性增加5倍,且TCF7L2的高危基因型与胰岛茁细胞功能受损相关,但与胰岛素抵抗不相关[6-8]。 ⑵．环境因素：环境因素包括年龄、营养、体力消耗不够、子宫内环境以及应激、化学毒物等。在遗传和上述环境因素共同作用下所引起的肥胖，尤其是中心性肥胖，与胰岛抵抗和2型糖尿病的发生密切相关。2型糖尿病与环境因素有关, 并且具有很强的遗传基础, 其中肥胖是重要的危险因素之一。但是, 并非每个肥胖者最都发展成为糖尿病患者, 科学家们考虑其中存在个体的遗传易感性问题; 因此发现新的2型糖尿病的遗传易感基因成为科学家迫切任务之一; 目前为止, 已发现的2型糖尿病基因包括: 葡萄糖激酶、Calpain- 10、PPAR-C、胰岛素受体、11-β-羟类固醇脱氢酶( 11-β-HSD) 、UCP2、抵抗素( Resistin) 、脂联素( Adiponectin)等。其中, 研究发现, UCP2基因过度表达抑制胰岛β细胞功能, 参与高浓度FFA 进肥胖并最终导致2型糖尿病的发生发展过程; 其机制涉及: 肥胖诱导胰岛β细胞增生, 并增加UCP2表达数量, 进而损伤β细胞功能, 导致胰岛素抵抗失代偿和血糖升高, 最终发生2型糖尿病。因此, UCP2是联结肥胖、胰岛β细胞功能不良和2型糖尿病之间的纽带。近年来, 由于肥胖是2型糖尿病发生的重要诱因之一, 对UCPs与2型糖尿病的相关性研究成为目前国内外学者研究的焦点, 其中研究发现UCP2基因表达高低影响胰岛β细胞的功能优劣(即GSIS) , 因此UCP2在2型糖尿病发生中的作用显得更为重要[9]。鉴于糖尿病发病率随年龄的增加而增加的特点，对老年Wistar大鼠进行研究。Wistar大鼠是一个年老时发生糖耐量受损的啮齿类动物模型。研究结果显示GLP一1提高了老年Wistar大鼠的β细胞质量，并伴随血糖刺激胰岛素分泌的能力恢复 ，进一步证实功能β细胞在维持血糖平衡中的重要性。应用基因治疗的在动物体内表达GLP一1／IgG—Fc 和Exe4／IgG—Fc 的研究提示，GLP一1／Exe4不仅对2型糖尿病而且对1型糖尿病的血糖平衡都起重要作用。GLP一1／IgG—Fc可以使2型糖尿病倾向dβ／dβ鼠血糖降低至正常水平。在链脲佐菌素诱导的1型糖尿病模型鼠中，GLP一1／IgG—Fc和Exe4／IgG—Fc使13细胞质量明显提高、餐后血糖降低、糖耐量改善和糖尿病症状减轻 。提示通过GLP一1／Exe4来提13细胞质量的策略不仅对2型糖尿病，而且对急慢性13细胞损伤均具有潜在的治疗价值 。其中，年青的成人起病型糖尿病（MODY）是一种异质性常染色体显性遗传病［3］。虽然MODY在2型糖尿病患者中仅占很少一部分，但对此种类型糖尿病的研究也需要深入。较为清楚的是MODY的患病率在不同种族中有差异性，这可能与选择研究对象的，采用的筛查技术的差异和种族差异有关。国内这方面研究比较少，并且样本量都很小，大多数都是采用的敏感性很低的单链构象多态性技术；采用最敏感的突变筛查技术-DNA测序阐明MODY的患病率以及MODY3基因在我国人群2型糖尿病发病中的重要作用［3］。MODY3（HNF-1a）基因位于染色体12q24.3，共有10个外显子，它调控胰岛素基因的转录。目前已发现100多个突变。在Oji-Gree人群中发现Gly319Ser变异与2型糖尿病和胰岛素分泌有关[10],可导致HNFla体外转录活性下降一半[3]。Ala98Val与OGTT中30min胰岛素水平下降相关[11] ， 27Leu／27lle与胰岛素抵抗有关[12]，均表明在特定的人群可能存在更常见的MODY3基因变异影响普通的2型糖尿病易感性或表型。在香港，MODY3约占首发2型糖尿病的5%[13]。Pro39Ala为我们首次发现，该突变在一个家系中与2型糖尿病呈现共分离，而对100名非糖尿病对照者进行DNA 测序未发现此变异，表明Pro39Ala突变可能是MODY3 基因致病突变，他们大多起病早，此突变点正好位于基因的转录活化区域，而此点附近其他的突变都被证实为致病突变[14,15]，但该突变的分子病理学意义需要进一步进行功能研究。在对lle27Leu和Ser487Asp病例对照研究中没有发现它们与糖尿病相关联，说明这些变异对2型糖尿病遗传易感性贡献较小或需要进行更大样本研究。 对于糖尿病的易感基因的探索和研究已经迫在眉睫。通过上述分析，对于糖尿病发病基因类型的研究还有待深入。但到目前为止，上述表明，糖尿病发病机制是由多种病因引起，但在很大比例上自身免疫占了很大部分，由此看出，糖尿病从分子生物学机制上来说在基因发病为重要环节。所以，分子生物学与临床相结合不仅十分重要，而且是必由之路，大有发挥作用的空间。在理论上，既然糖尿病是多基因、多因素参与的疾病，理应以复杂的多基因多因素组合和交互作用贯穿整个发病过程。在临床上，从糖尿病前期、发病到出现并发症的多个时段，其表型特征应由不同的多基因多因素组合和交互作用所决定。因此，糖尿病患者是各种环境因素与多基因相互作用的“天然模型”，利用这些宝贵的遗传资源，可以针对不同的临床状况，找出特异性基因或基因组合作为分子标签(signature)进行分期、分型、分类、病情转归提示和药物疗效判断等等，为糖尿病的防治及个体化诊疗提供新的科学途径、方法和技术。从这个角度看，糖尿病分子生物学可以在当前极受推崇的所谓转换性研究中大放异彩，不断将基础性研究成果转化为指导临床实际应用[16]。     如今糖尿病已成为当今常见疾病之一，严重威胁到了人类健康，并且受到了世界瞩目的公共卫生问题。并被广泛认为大病率高、治疗耗时，对患者及其家属从物质以及精神上带来的巨大冲击。糖尿病为慢性消耗性疾病，因此也造就了对患者的长期影响，包括眼、神经、血管、肾脏等组织器官的并发症，是严重危害人类的内分泌疾病。因此，对于糖尿病发病及病因的探索需要广大的医务工作者共同努力。本文对1型和2型糖尿病从遗传、免疫和环境因素论述了发病的原因及机制，但尚不能全面系统的阐述其所有的机理。对于患者来说，学习糖尿病知识是战胜糖尿病的第一步，只有学习糖尿病的基础知识，才能有效的参与治疗，开展自我检测和管理，这些对医务人员来说也是必需具备的理论基础。因为治疗糖尿病绝不可单纯依靠药物，应该根据病因、病机、病理使患者得到实质性的救治。糖尿病科学正确的治疗应该是针对其病因、病理，改变胰岛素抵抗，保护和修复胰腺β细胞的功能，使糖尿病患者得到及时、有效、正确、科学地从根本上的治疗，阻止糖尿病并发症的发生，杜绝并发症的发展。 参考文献 （1） 常颖，张桂珍，高申等．抗氧化微量营养素对糖尿病小鼠细胞因子基因表达的调控作用[J]．中国实验诊断学，2004年2月，8(1)：43． （2）刘瑞，李益明，王庆华等．胰岛β细胞质量下降在糖尿病发展中的作用[J]．国际内科学杂志，2008年5月，35(5)：266． （3）韩学尧，纪立农．MODY3基因在早发家族性2型糖尿病发病中的作用[J]．中国糖尿病杂志，2007，15(3)：153． (4)Po/ rksen N. 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