杜運(yùn)松，王曜暉，侯拉梅，李麗娟

(遵義醫(yī)學(xué)院病理生理學(xué)教研室，貴州遵義563099)

·綜述·

生物鐘基因表達(dá)改變與糖尿病發(fā)病的關(guān)系研究進(jìn)展

杜運(yùn)松，王曜暉，侯拉梅，李麗娟

(遵義醫(yī)學(xué)院病理生理學(xué)教研室，貴州遵義563099)

生物鐘基因包括外周生物鐘基因和中樞生物鐘基因。目前發(fā)現(xiàn)的生物鐘基因主要有芳香烴受體核轉(zhuǎn)位蛋白樣1基因(BMAL1)、時(shí)鐘基因(CLOCK)、隱色素基因1(Cry1)、隱色素基因2(Cry2)、周期基因1(Per1)、周期基因2(Per2)、周期基因3(Per3)等。研究表明外周生物鐘基因和中樞生物鐘基因表達(dá)改變均與糖尿病(DM)的發(fā)病有關(guān)，如肌肉、外周血中的BMAL1基因，肝臟、胰腺中的CLOCK、BMAL1基因，下丘腦視交叉上核中的CLOCK、BMAL1、Per、Cry基因等。這些生物鐘基因表達(dá)異?？梢鹌咸烟谴x紊亂、葡萄糖耐受性降低、胰島素分泌障礙、胰島素抵抗，最終導(dǎo)致DM的發(fā)病。

生物鐘基因；糖尿?。粫r(shí)鐘基因；芳香烴受體核轉(zhuǎn)位蛋白樣1基因；糖代謝紊亂；胰島素抵抗

我國是全球DM患者最多的國家[1]。DM是由遺傳和環(huán)境因素共同作用引起的以慢性高血糖為特征的全身代謝性疾病[2]。DM發(fā)病的關(guān)鍵環(huán)節(jié)是胰島β細(xì)胞功能受損和胰島素抵抗。生物體內(nèi)的各種生理活動(dòng)普遍呈現(xiàn)明顯的節(jié)律性，如內(nèi)分泌、睡眠、體溫等均受生物鐘的調(diào)控。生物鐘是生物體生命活動(dòng)的內(nèi)在節(jié)律性。1971年，Konopka等[3]在果蠅基因突變實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)了生物鐘基因的組件，隨后有研究陸續(xù)報(bào)道了數(shù)十種生物鐘基因，如芳香烴受體核轉(zhuǎn)位蛋白樣1基因(BMAL1)、時(shí)鐘基因(CLOCK)、隱色素基因1(Cry1)、隱色素基因2(Cry2)、周期基因1(Per1)、周期基因2(Per2)、周期基因3(Per3)等，其中CLOCK和BMAL1是核心生物鐘基因[4]。生物鐘基因的mRNA和蛋白表達(dá)都表現(xiàn)出24 h的振蕩周期[5]，這種振蕩周期是生物鐘產(chǎn)生的前提。哺乳動(dòng)物體內(nèi)的生物鐘包括中樞生物鐘和外周生物鐘。中樞生物鐘存在于下丘腦的視交叉上核(SCN)，SCN可以獨(dú)自產(chǎn)生并維持機(jī)體的日周期節(jié)律，其發(fā)出的信息能控制機(jī)體行為和生理節(jié)律，如睡眠、體溫和內(nèi)分泌等；外周生物鐘存在于SCN以外的大部分組織，如肌肉、肝臟、胰腺等，外周生物鐘并不能自主產(chǎn)生生理節(jié)律，而是由SCN控制下的神經(jīng)、體液等其他信號(hào)分子進(jìn)行調(diào)控[6～8]。許多不良生活方式可破壞生物鐘基因的振蕩表達(dá)模式，從而改變生物鐘，引起包括DM在內(nèi)的疾病。目前，生物鐘改變?cè)贒M發(fā)病中的作用已備受關(guān)注。本文收集了近年來有關(guān)生物鐘基因表達(dá)改變與DM發(fā)病的關(guān)系的研究，現(xiàn)綜述如下。

1 外周生物鐘基因表達(dá)改變與DM發(fā)病的關(guān)系

1.1 肌肉生物鐘基因 肌糖原是肌肉中葡萄糖的儲(chǔ)存形式。正常的生物鐘是肌糖原合成與分解平衡的前提。Harfmann等[9]敲除小鼠骨骼肌中的BMAL1基因后，發(fā)現(xiàn)骨骼肌纖維類型有轉(zhuǎn)變，肌節(jié)結(jié)構(gòu)異常，線粒體的呼吸作用減弱，同時(shí)伴有葡萄糖代謝異常，主要表現(xiàn)為葡萄糖耐量降低和胰島素敏感性減弱。Dyar等[10]進(jìn)一步證實(shí)，骨骼肌中特異性敲除BMAL1基因的大鼠，骨骼肌葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白4(GLTT-4)基因表達(dá)下調(diào)，胰島素促進(jìn)骨骼肌攝取葡萄糖的功能受損；同時(shí)丙酮酸脫氫酶(PDH)活性減弱，葡萄糖代謝異常。另外，Young等[11]特異性敲除小鼠心肌的BMAL1基因后，亦發(fā)現(xiàn)該小鼠心肌葡萄糖利用受到抑制。這些研究表明，肌肉中BMAL1基因的正常表達(dá)對(duì)葡萄糖代謝有重要調(diào)控作用，當(dāng)肌肉中BMAL1基因表達(dá)出現(xiàn)異常時(shí)，葡萄糖代謝將隨之發(fā)生改變，表現(xiàn)出一定的葡萄糖耐受性降低和胰島素抵抗效應(yīng)，這可能是DM發(fā)病的重要機(jī)制。

1.2 肝臟生物鐘基因 肝糖原是肝臟葡萄糖的儲(chǔ)存形式，正常的生物鐘亦是肝糖原合成與分解平衡的基礎(chǔ)。Zhang等[12]研究發(fā)現(xiàn)，存在胰島素抵抗的db/db(患有2型DM)小鼠肝臟生物鐘基因Cry1的表達(dá)明顯上調(diào)，同時(shí)小鼠表現(xiàn)出高血糖和胰島素敏感性降低。Machicao F等[13]研究亦發(fā)現(xiàn)Cry2在肝臟能量代謝中可促進(jìn)甘油三酯的儲(chǔ)存，同時(shí)可以限制葡萄糖的產(chǎn)生。Doi等[14]研究證實(shí)，糖原合成的限速酶糖原合酶2(Gys2)的表達(dá)受肝臟生物鐘調(diào)節(jié)；當(dāng)小鼠肝臟中CLOCK基因發(fā)生突變時(shí)，Gys2的表達(dá)受到抑制，肝糖原合成受到影響，表現(xiàn)出一定的胰島素抵抗效應(yīng)。Zhou等[15]以siRNAs技術(shù)敲減小鼠肝臟細(xì)胞中的CLOCK或BMAL1基因后，亦可誘導(dǎo)肝臟出現(xiàn)胰島素抵抗；而通過尾靜脈給DM小鼠注射過表達(dá)CLOCK、BMAL1基因的腺病毒后，則可改善小鼠對(duì)胰島素的敏感性。有學(xué)者[16]發(fā)現(xiàn)特異性敲除小鼠肝臟中的BMAL1基因后，可引起脂肪肝和胰島素抵抗。可見，肝臟CLOCK、BMAL1基因的正常表達(dá)是調(diào)控肝糖原合成及肝臟對(duì)胰島素敏感性的重要環(huán)節(jié)。當(dāng)肝臟生物鐘基因出現(xiàn)異常表達(dá)時(shí)，可導(dǎo)致胰島素抵抗及糖代謝紊亂，從而有可能導(dǎo)致DM的發(fā)病。

1.3 胰腺生物鐘基因 胰島素和胰高血糖素是由胰腺產(chǎn)生的，釋放至血液中以調(diào)控血漿葡萄糖水平的穩(wěn)定。胰腺胰島素和胰高血糖素的分泌亦受生物鐘的調(diào)控。Marcheva等[17]研究發(fā)現(xiàn)，胰腺生物鐘基因CLOCK、BMAL1突變的小鼠葡萄糖代謝明顯紊亂，同時(shí)表現(xiàn)出葡萄糖耐受性降低和胰島素分泌減少；并且隨著鼠齡的增加，胰島細(xì)胞增殖能力逐漸下降，葡萄糖耐受降低和胰島素分泌減少的狀況進(jìn)行性惡化。Saini等[18]進(jìn)一步證實(shí)，通過siRNA技術(shù)敲減人胰島細(xì)胞中的CLOCK基因后，胰島細(xì)胞分泌胰島素的晝夜節(jié)律模式被破壞，葡萄糖刺激胰島素分泌的敏感性降低；此外胰島素分泌相關(guān)基因的轉(zhuǎn)錄也受到明顯影響。有學(xué)者[19]研究發(fā)現(xiàn)，敲減小鼠胰腺中的BMAL1基因后，小鼠會(huì)發(fā)生嚴(yán)重的葡萄糖耐受不良和胰島素分泌減少。Perelis等[20]也證實(shí)，當(dāng)成年小鼠β細(xì)胞中BMAL1基因受到破壞后，小鼠可產(chǎn)生明顯的高血糖，葡萄糖耐受性降低，胰島素分泌不足，進(jìn)而發(fā)展為DM。有趣的是，小鼠在模擬輪班工作后，其晝夜節(jié)律發(fā)生失調(diào)，導(dǎo)致胰島素的釋放改變，進(jìn)而可能導(dǎo)致DM的發(fā)病，類似于小鼠β細(xì)胞中BMAL1基因敲除后的表現(xiàn)[21]?？梢?，當(dāng)胰腺中的生物鐘基因CLOCK、BMAL1表達(dá)出現(xiàn)異常時(shí)，可引起葡萄糖代謝紊亂和胰島素分泌障礙，并可能進(jìn)一步促進(jìn)DM的發(fā)生。

1.4 外周血生物鐘基因 Ando等[22]發(fā)現(xiàn)，DM患者外周血白細(xì)胞中的BMAL1、Per1及Per3的表達(dá)均顯著降低，該學(xué)者認(rèn)為，這些外周生物鐘基因的表達(dá)改變可能與DM的發(fā)病有關(guān)。另外，研究者[23]發(fā)現(xiàn)，小于胎齡兒(SGA)血清胰島素水平較低，同時(shí)SGA的臍帶血和胎盤血淋巴細(xì)胞中的BMAL1基因表達(dá)水平較高，認(rèn)為BMAL1基因的表達(dá)改變與血清胰島素分泌減少可能存在一定關(guān)系，這是否是SGA個(gè)體成年后罹患DM的重要機(jī)制，尚需要進(jìn)一步證實(shí)[24，25]。

2 中樞生物鐘基因表達(dá)改變與DM發(fā)病的關(guān)系

哺乳動(dòng)物的中樞生物鐘位于SCN，SCN存在于下丘腦前部的起搏神經(jīng)元聚集群，是人體生理節(jié)律的起博點(diǎn)，同時(shí)也是生理節(jié)律信號(hào)產(chǎn)生和輸送的源頭。有學(xué)者[26]研究發(fā)現(xiàn)，SCN的損傷會(huì)導(dǎo)致機(jī)體內(nèi)分泌活動(dòng)和行為的晝夜節(jié)律消失，證明了SCN對(duì)生物鐘的產(chǎn)生至關(guān)重要。SCN中表達(dá)的生物鐘基因有CLOCK、BMAL1、Per和Cry等[27]。研究[28]表明，特異性損傷小鼠雙側(cè)SCN后，其生物鐘基因表達(dá)將發(fā)生改變，進(jìn)而干擾機(jī)體能量代謝平衡，最終導(dǎo)致胰島素抵抗的發(fā)生。Kinoshita等[29]研究表明，在慢性束縛的應(yīng)激條件下小鼠SCN可減弱Per2基因的節(jié)律表達(dá)，增強(qiáng)糖原合成激酶3β(GSK-3β)的磷酸化作用，而GSK-3β是參與糖原代謝的關(guān)鍵酶，能使糖原合成酶磷酸化，進(jìn)而減少糖原合成，使血糖升高。此外，CLOCK、BMAL1、Per1、Cry1等基因的表達(dá)受松果體分泌的神經(jīng)內(nèi)分泌激素褪黑素調(diào)控，松果體在SCN支配下以分泌褪黑素的形式將時(shí)間信息傳遞至全身其他部位。松果體被切除后的大鼠血糖水平明顯升高，胰島β細(xì)胞功能受損，而補(bǔ)充褪黑素可恢復(fù)因生物鐘基因表達(dá)紊亂誘導(dǎo)的葡萄糖耐受不良和胰島素抵抗[30～32]。上述研究結(jié)果提示，褪黑素對(duì)糖代謝的調(diào)節(jié)作用可能是通過調(diào)控SCN中生物鐘基因的表達(dá)而實(shí)現(xiàn)的，即SCN中生物鐘基因的正常表達(dá)與糖代謝及組織對(duì)胰島素的敏感性密切相關(guān)。SCN中生物鐘基因表達(dá)異?？梢鹛谴x等紊亂，可能最終導(dǎo)致DM的發(fā)病。

總之，生物鐘與葡萄糖代謝和胰島素分泌密切相關(guān)，生物鐘基因表達(dá)紊亂參與DM的發(fā)生和發(fā)展。現(xiàn)代生活節(jié)奏加快、飲食習(xí)慣改變和生活環(huán)境污染，均可能導(dǎo)致生物鐘及生物鐘基因表達(dá)紊亂，進(jìn)而導(dǎo)致DM發(fā)生；DM患者如果存在不健康的生活方式，即使有充足的藥物治療和胰島素補(bǔ)充，患者的病情也難以有效控制。從生物鐘的角度來研究DM的發(fā)病，這為尋找防治DM的新靶點(diǎn)和切入點(diǎn)開辟了新的視角，并為DM患者生活方式的基礎(chǔ)干預(yù)措施提供了理論依據(jù)。但是生物鐘及生物鐘基因表達(dá)的改變與DM的關(guān)系尚有諸多細(xì)節(jié)未明確，如生物鐘基因表達(dá)改變?nèi)绾斡绊懫咸烟谴x、胰島素分泌，如何調(diào)節(jié)生物鐘基因表達(dá)以防治DM等。希望通過今后的深入研究能更清楚地闡明生物鐘基因表達(dá)改變與DM之間的關(guān)系，從而降低DM的發(fā)病率，改善DM患者的預(yù)后。

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10.3969/j.issn.1002-266X.2017.39.032

R363.1

A

1002-266X(2017)39-0100-03

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(81260131)；貴州省自然科學(xué)基金項(xiàng)目(黔科合J字2011-2124)。

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2017-06-12)