第24卷 第7期2012年7月生命科学
Chine Bulletin of Life Sciences
V ol. 24, No. 7
Jul., 2012
文章编号：1004-0374(2012)07-0606-05
糖尿病研究进展
郑 丽1，徐 涛1,2*
(1 中国科学院生物物理研究所，北京 100101；2 华中科技大学生命科学与技术学院，武汉 430074)
摘 要：糖尿病是一种以失控的高血糖为主要表现，多种并发症为主要损害的一种代谢性疾病，已严重影响人们的健康生活。从胰岛素靶器官的响应性、胰岛功能、胃肠分泌因子的调节和基因水平等方面对糖尿病的研究进展进行综述。
关键词：糖尿病；代谢性疾病；并发症；胰岛素响应性；胰岛功能
中图分类号：R581.7 文献标志码：
A Eyes on the progressive study of diabetes
ZHENG Li 1, XU Tao 1, 2*
(1 Institute of Biophysics, Chine Academy of Sciences, Beijing 100101, China; 2 College of Life Science and
Technology, Huazhong University of Science and Technology ,Wuhan 430074, China)
Abstract: Diabetes mellitus is a metabolism dia characterid by uncontrolled hyperglycemia, which is more dangerous with many complications. It riously impacts people's health and life. Here we will summari veral aspects on the rearch progress of diabetes, containing the insulin nsitivity of target tissues, pancreatic islet function, regulation of the stomach and intestine, as well as genes.
Key words: diabetes mellitus; metabolism dia; complications; insulin nsitivity; pancreatic islet function
慢生活的唯美句子收稿日期：2012-05-21
基金项目：中国科学院知识创新工程重大项目(KSCX1-YW-02)；国家自然科学基金项目(30801416)*通信作者：E-mail: xutao@ibp.ac
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紊乱疾病。随着生活水平的提高、人口老龄化和生活方式的改变以及诊断技术的进步，糖尿病的发病率在逐年上升，预计到2025年达到3亿人，成为继心血管和恶性肿瘤之后的第三大非传染病，严重危害人类健康和社会发展。
糖尿病的病因尚未完全阐明。目前公认2型糖尿病不是唯一病因导致的单一因素疾病，而是复合病因的综合征，与遗传、自身免疫、生活方式和环境有关。机体内的糖主要来自于食物的摄取和肝脏的糖异生。虽然进食是周期性的，但是小肠对葡萄糖的吸收、胰岛组织分泌的胰岛素和胰高血糖素的调节、胃肠分泌的小分子肽对胰岛组织的分泌活动的影响、肝脏在激素刺激下糖原合成和糖异生的调节以及外周组织对葡萄糖的吸收和代谢相互平衡使血糖控制在一个很窄的范围内(4~7 mmol/L )。其中任何一个环节出问题都会导致糖尿病的发生。
目前糖尿病研究主要分为几大方面：外周组织
对胰岛素的响应性、胰岛β细胞的功能研究、胃肠道的影响和基于基因水平上的易感性研究等。
洁净煤技术1 外周组织对胰岛素的响应性
外周组织，如脂肪组织和肌肉组织是负责降低餐后高血糖的主要组织。葡萄糖的跨膜转运是肌肉以及脂肪细胞吸收利用葡萄糖的主要限速步骤[1]。目前研究表明，这一过程是依靠细胞膜上的特殊转运蛋白来完成的，这种特殊转运蛋白称为葡萄糖转
运体(gluco transporter, GLUT)。已经证实GLUT4是肌肉以及脂肪细胞中在胰岛素作用下的主要的葡
萄糖转运体[2]
。静息状态下，该蛋白储存在胞内的囊泡(GLUT4 storage vesicle, GSV )里；当胰岛素刺
∙ 糖尿病专题 ∙
郑 丽，等：糖尿病研究进展
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激时，GSV囊泡上膜使得GLUT4大量转位到细胞膜上，促进葡萄糖的摄取。脂肪和肌肉组织细胞中的GSV响应胰岛素的刺激过程主要经历以下三个阶段。第一阶段，GSV从细胞内被转运到细胞膜下。这一过程不依赖于磷脂酰肌醇3激酶(PI3K)，只需要很低浓度的胰岛素便可完成[3]。第二阶段，通过与一
些蛋白质的相互作用(Exocyst复合体、Munc18c 等)，GSV栓系(tethering, GSV同细胞膜低亲和力相互作用的状态)、活化(activation, Munc18c/Synta-xin4构象进行调整)并进一步锚定(docking, GSV 同细胞膜高亲和力结合状态)在细胞膜上。AS160是在GSV的锚定过程中起关键作用的蛋白[4]。第三阶段，SNARE蛋白复合体形成，促使GSV与细胞膜发生融合(fusion, GSV的脂双分子层插入到细胞膜上)。在真核细胞中，囊泡的转运由SNARE 蛋白调控。尽管囊泡上的v-SNARE在GLUT4囊泡的锚定中起非常重要的作用，但是胰岛素刺激的GLUT4转运过程并不存在v-SNARE的特异性，V AMP2、3和8之间可能存在功能上的代偿[5]。通过发展GSV在活细胞中转位、锚定和融合步骤的实时跟踪技术，本研究组发现GSV与细胞膜锚定和融合的过程是胰岛素作用的关键位点[6]，在3T3-L1脂肪细胞中胰岛素的刺激能引起GSVs的分泌事件上升40倍[4]。案无留牍
在脂肪细胞中，目前已知胰岛素调节GSV囊泡的转运，主要通过两条平行的信号通路来完成。一条是PI3K通路[7]，另外一条是Cbl-CAP-CrkII-C3G-TC10。
在PI3K通路中，胰岛素与受体的结合会导致受体β亚基酪氨酸的自磷酸化并且激活其酪氨酸激酶活性。被激活的胰岛素受体会磷酸化胰岛素受体底物(IRS)，磷酸化的IRS可以进一步与PI3K的调节亚基p85结合，从而激活PI3K 的p110亚基。被活化的PI3K磷酸化4,5-二磷酸磷脂酰肌醇(PI(4,5) P2)生成3,4,5-三磷酸磷脂酰肌醇(PI(3,4,5)P3)。PI3K在GSV的转运和与细胞膜的融合过程中起着非常关键的作用。膜上PI(3,4,5)P3浓度的升高可以激活PDK的活性，PDK进一步激活蛋白激酶B(PKB/Akt)和非典
型蛋白激酶C(aPKC)[8-12]。
Akt/PKB同GLUT4循环的很多步骤都紧密相连，如：(1)胰岛素刺激后，Akt2会同GLUT4囊泡结合，并且磷酸化囊泡中的某些蛋白质组分[13]；(2)在细胞中过表达dominant-negative的Akt/PKB突变体会抑制GLUT4向内涵体的聚集[14]；(3)将GLUT4接上野生型Akt2会使GLUT4组成型的向细胞膜转运[15]，在GLUT4囊泡上载入持续失活型的Akt2则完全抑制了IRAP在胰岛素刺激后的向膜上转运[16]。Ng等[17]研究发现，利用rapalog在3T3-L1脂肪细胞中快速瞬间激活可诱导的Akt2也可以促进葡萄糖的转运以及GLUT4转移到细胞膜上。这些数据说明，在3T3-L1脂肪细胞中激活Akt2与胰岛素刺激有相同的效果，仅激活Akt2就足以促使GLUT4的转运。
Cbl-CAP-CrkII-C3G-TC10是另外一条调节GLUT4转运的通路，这条通路中所涉及的蛋白主要存在于细胞膜上的特殊结构——脂筏上。在辅助蛋白APS和CAP (Cbl-associated adaptor protein)的作用下，活化状态的胰岛素受体会磷酸化原癌基因c-Cbl的酪氨酸[18]。一但Cbl被磷酸化，Cbl-CAP-CrkII-C3G复合体就会转移到脂筏，同脂筏上的TC10结合。而C3G作为TC10的鸟苷酸转换因子(GEF)，可以使TC10从GDP状态转换为GTP状态[19]。活化的TC10可以同exo70直接相互作用，而exo70作为exocyst复合体的八个亚基之一，介导了GSV 同细胞膜的栓系过程[20]。另外近年来的研究发现，TC10的突变体能抑制胰岛素响应下的N-W ASP的定位以及F-actin的形成，从而抑制GLUT4的转运[21]。因此，N-WASP很可能就是TC10的下游效应分子，在不依赖PI3K的信号通路中通过F-actin的解
聚促进GLUT4对胰岛素的响应。
2型糖尿病患者和糖尿病模型鼠中都存在着严重的胰岛素敏感性下降，即胰岛素抵抗。细胞因子、炎症、脂类代谢紊乱和衰老等因素都会导致外周组织胰岛素抵抗，从而使得糖尿病水平失去控制。
2 胰岛β细胞功能
胰岛β细胞的主要功能是分泌胰岛素。胰岛素是由前体分子胰岛素原(proinsulin)通过I、II型内肽酶(PC1/3、PC2)及羧基肽酶-H(CPH)裂解产生的。胰岛素原加工产生胰岛素(insulin)和C肽(C-peptide)有以下两种途径，同时产生多种中间产物。其中的一个途径是，胰岛素原在PC2的作用下，在第65位氨基酸C端剪切成前胰岛素65-66，而后在CPH 酶作用下将第64和65位氨基酸剪切掉，然后在PC3和CPH共同作用下剪切成成熟的胰岛素和C 肽；另一种途径是，胰岛素原在PC1/3的作用下，在第32位氨基酸C端剪切成前胰岛素32-33，而后在CPH酶作用下将第31和32位氨基酸剪切掉，
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然后在PC2和CPH共同作用下剪切成成熟的胰岛素和C肽[22]。
正常生理情况下，胰岛素释放是双相的，主要受葡萄糖的调控。当血糖升高时，胰岛β细胞的ATP敏感的钾离子通道关闭，导致细胞的去极化，促进钙离子的内流和细胞内胰岛素库释放，即第一相分泌，
速度很快。当血糖持续高水平时，会促进胰岛素的进一步合成、加工、成熟和释放，这是第二相分泌，为慢速相。有证据表示，第一相分泌来源于锚定于细胞质膜上，可以立即被释放的囊泡，而第二相则来源于细胞内的囊泡储存库。参与二相分泌调控的分子机制尚不清楚。本研究组的研究表明，Munc13-1，一种突触小泡分泌所必需的蛋白[23]，缺失时会导致小鼠中慢相分泌显著减少，提示慢相的产生需要Munc13-1介导的致密核心大囊泡(DCV)启动过程。Munc13-1是二酯甘油(DAG)的作用底物，通过突变Munc13-1上单个氨基酸可以破坏与DAG的结合，该突变体的基因敲入鼠的慢相胰岛素分泌也显著减少，说明慢相的产生也需要DAG的参与[24]。2型糖尿病早期慢相分泌会显著增强，而糖尿病患者伴随的高糖或高脂肪环境会上调DAG，因此本研究组推测上调的DAG会激活Munc13-1来加速胰岛素储存囊泡的释放，从而上调胰岛素慢相分泌。
很多激素和神经递质能够通过不依赖钙离子的方式调节胰岛素的释放。其中人们最关注的就是胰高血糖素样肽-1(glucagon-like peptide-1, GLP-1)。GLP-1是一种小肠L细胞在葡萄糖或其他营养物质刺激后分泌的小肽，能够促进细胞内cAMP水平升高，诱导葡萄糖依赖的胰岛素释放，可能还具有神经营养作用，以及增强外周组织胰岛素敏感性和抑制食欲等功能。这也就解释了与静脉注射葡萄糖相比，口服糖时机体的胰岛素释放更为明显的现象。当然除了这些能够通过活化PKA或PKC激酶促进胰岛素释放的细胞因子外，还有很多抑制胰岛素分泌的激素存在，比如生长激素抑制素、肾上腺素等，这些作用可能是通过活化磷酸酶的途径[25]。
在2型糖尿病患者中，快速相分泌基本上是消失的。随着疾病的进展，胰岛素代偿性的分泌增加，持续高分泌导致第二相分泌也出现了严重的减少[26]。近年来的研究指出，在疾病发展的后期，β细胞由于胰岛素代偿性增加导致体内剪切酶的耗尽，同时伴随β细胞的功能缺失，大量的前体物质胰岛素原会释放到血液中，血液中胰岛素原/胰岛素的比值明显升高[27]。因此，除胰岛素抵抗指标外，目前临床上对胰岛素原及其部分加工产物的检测在2型糖尿病诊断及分期中的提示作用越来越重视。
很多细胞因子，如IL-1β、TNF-α、瘦素和抵抗素等，都会增加外周组织的胰岛素抵抗和胰岛β细胞的凋亡。PANDER(胰腺来源的因子)是2002年发现的肽类细胞因子，在小鼠的很多脏器都有表达，以胰腺组织丰度最高。在胰岛β细胞中，该因子存在于储存胰岛素的囊泡里，当高糖或高钾时，囊泡释放，胰岛素和PANDER分泌到胞外。PANDER 的作用是抑制外周组织对胰岛素的响应性，促进胰岛凋亡。在2型糖尿病患者中发现其高表达。长期高血糖刺激胰岛素释放的同时也伴随着PANDER 的释放增多，进一步导致胰岛的凋亡，最终胰岛功能失代偿，器官衰竭，加剧糖尿病症状。其受体在肝脏细胞表面有高表达。肝脏细胞也表达该因子。类似的还有肝脏细胞表达的抵抗素和脂联素，高水平的抵抗素会降低肝脏的胰岛素响应性，而高表达的脂联素则会促进肝脏的胰岛素响应性[28]。
3 胃肠道对胰岛素分泌的调节
胃肠道不仅作为食物的消化吸收场所，还会分泌各种细胞因子类物质，调节胰岛素的释放和外周组织
的胰岛素响应性。肠道菌群参与体重、脂肪分布、胰岛素敏感性以及葡萄糖和脂代谢。有证据表明，糖尿病人群的肠道菌群组成与健康人群的不同，而纠正肠道菌群可改善糖尿病症状，提示肠道菌群可能是糖尿病的致病因子。
在治疗2型糖尿病众多的药物中，还没有可以完全根治该疾病的，只能长期服药控制血糖。但是，近期发现治疗肥胖病的手术在2型糖尿病症状改善方面能够达到很好的效果。该手术主要有两种术式：胃束带手术和Roux-en-Y转流(RYGB)术，术后很快(几天内)就有糖尿病症状的改善[29]。这种作用不可能是由于体重的下降，因为体重下降需要很长的时间。可能的原因有外周组织的胰岛素敏感性增强和胰岛素释放的增加，尤其是GLP-1等肠分泌因子增加[30]。是否与肠道菌群的改变有关也需要进一步的研究。
4 基因水平研究
糖尿病的发生和基因的变异有着紧密的关系。1型糖尿病发病早，多是单一的基因突变导致的，如KCNJ11、ABCC8、INS和GCK等基因突变导
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抵御寒风
致[31-34]。2型糖尿病发病晚，是多基因遗传病。在很长的一段时间里，人们认为2型糖尿病是由于外周组织胰岛素抵抗导致的，但是近几年的数据表明该疾病更多是由于胰岛β细胞的功能下降导致的。随着人类基因组计划的完成和高通量技术的发展，近些年又开展了大量的全基因组连锁分析(GWAS)。针对2型糖尿病的GWAS研究对数百万的SNP位点进行分析，发现30多个位点与该疾病有相关性，20多个SNP位点与糖代谢有关[35-36]。由于糖尿病患者后期的各种并发症的发生存在明显的个体差异，因此针对糖尿病并发症的GWAS研究也在进行。5 展望
随着对2型糖尿病理论知识进一步的积累，对于该疾病有了更深入的认识。从各种口服降糖药，到注射胰岛素，到胃肠转流手术，再到改变肠道菌群等等，人们在尝试从各个方面去攻克疾病，提高患者的生存质量。在未来的研究和应用中，准确的分子诊断将为个性化地治愈疾病提供帮助。通过对患者的基因和分子标记物的分析，针对性的治疗将会给糖尿病患者带来更多的福音。
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