• 內(nèi)分泌醫(yī)學(xué)史 l 胰島素100年：簡史專業(yè)版**

自100年前胰島素被發(fā)現(xiàn)以來，對糖尿病的認(rèn)識和理解呈指數(shù)級增長。具體而言，糖尿病風(fēng)險的遺傳學(xué)基礎(chǔ)的發(fā)現(xiàn)和進(jìn)展，與對人類基因組的理解和大規(guī)模研究基因組學(xué)的能力發(fā)展是并行的；遺傳學(xué)的這些進(jìn)展伴隨并指導(dǎo)糖尿病治療進(jìn)展。

本文的內(nèi)容涉及：

• 相關(guān)基因發(fā)現(xiàn)的時間線和歷史，以及相應(yīng)的基因組學(xué)領(lǐng)域進(jìn)展；

• 單基因糖尿病的遺傳原因示例

• 討論這些基因中等位基因系列的持續(xù)擴(kuò)展以及這些基因現(xiàn)在對診斷解釋造成的挑戰(zhàn)以及患者分層的機(jī)會。

概述

在權(quán)威文獻(xiàn)的分類中，如WHO1999在特殊類型糖尿病的分類下，可以看到胰島β細(xì)胞功能單基因缺陷和胰島素作用單基因缺陷；而在WHO2019年更新的分類正式命名的單基因糖尿病歸屬為其他特殊類型糖尿病中，其下屬分類仍然為功能單基因缺陷和作用單基因缺陷（見下圖）。

本文主要介紹β細(xì)胞發(fā)育和功能的單基因缺陷，但需要知曉嚴(yán)重胰島素抵抗（胰島素受體基因缺陷）以及脂肪營養(yǎng)不良相關(guān)糖尿病屬于胰島素作用單基因缺陷疾?。?strong>下圖），并未納入本文的討論。

在發(fā)現(xiàn)并首次使用胰島素之后的20世紀(jì)30年代，Harold Percival Himsworth第一次對1型和2型糖尿病進(jìn)行了區(qū)分(Bryder& Harper 2013).然而，直到20世紀(jì)70年代，經(jīng)過數(shù)十年的觀察，Stefan Fajans和Robert Tattersall都對這一分類進(jìn)行了擴(kuò)展，以識別以常染色體顯性方式遺傳的糖尿病亞型的存在(Tattersall 1974,Tattersall & Fajans 1975) (圖1)。這種以遺傳為主的糖尿病最初被報告為“具有顯性遺傳的家族性輕度糖尿?。╩ild familial diabetes with dominant inheritance）”，隨后又被報告為“青年的成人起病型糖尿病(maturity-onset diabetes of the young，MODY)”，以將其與青少年起病1型糖尿病區(qū)分，并表明其臨床表現(xiàn)與成人型糖尿病(現(xiàn)稱為2型)的相似性(Tattersall & Fajans 1975)。近年來，可以看到越來越多地使用術(shù)語“單基因糖尿病”來涵蓋更廣泛的其他遺傳類型糖尿病，如新生兒糖尿病或綜合征糖尿病。在對人類基因組理解的穩(wěn)步提高以及技術(shù)進(jìn)步推動下，已經(jīng)可以看到對這些單基因形式糖尿病的遺傳原因的仔細(xì)剖析。這為研究負(fù)責(zé)產(chǎn)生和維持功能性胰島素分泌胰腺β細(xì)胞的機(jī)制提供大量見解(圖2)。

圖1 胰島素及其治療用途的背景下

圖2 胰腺β細(xì)胞示意圖

說明單基因糖尿病的三種主要發(fā)病機(jī)制

常染色體顯性遺傳糖尿病的再認(rèn)識

MODY定義為以非胰島素依賴為特征的常染色體顯性遺傳糖尿病，發(fā)病年齡早(至少有一名受影響的家庭成員在25歲前發(fā)病)，伴胰腺β細(xì)胞功能障礙。在20世紀(jì)50年代，F(xiàn)ajans和Conn試圖開發(fā)一種早期檢測糖尿病的方法；在這一探索過程中，他們在大約20%有糖尿病近親的受試者中發(fā)現(xiàn)了“未預(yù)料到的糖尿病”。他們注意到，不僅此類未被懷疑的“生化性糖尿病”不同于當(dāng)時所稱的青少年型糖尿病(現(xiàn)在稱為1型糖尿病)，而且遺傳也不同(Fajans & Conn 1959).

令人感興趣的是，早期文獻(xiàn)中對MODY的描述表明，此類受試者經(jīng)常接受磺脲類藥物治療以維持其葡萄糖水平(Fajans & Brown 1993)，這個現(xiàn)象在現(xiàn)在似乎可以得到解釋。即使在對MODY的各種亞型進(jìn)行遺傳學(xué)分析之前，很明顯就有具有不同臨床表型的家族。一些病例的特征為多年輕度空腹高血糖，而其他病例進(jìn)展為持續(xù)性空腹高血糖，通常在此之前出現(xiàn)不同程度的葡萄糖耐受不良(Fajans 1987,1990)。當(dāng)然，這與目前對葡萄糖激酶(GCK)與轉(zhuǎn)錄因子(HNF1A/HNF4A/HNF1B)MODY的潛在病理生理學(xué)差異的理解完全吻合。

導(dǎo)致MODY的遺傳亞型的數(shù)量在不同文獻(xiàn)中的報道并非一致。線上人類孟德爾遺傳(OMIM)列出14種遺傳亞型（下圖）；但是，并不是所有這些亞型都符合遺傳學(xué)相關(guān)的權(quán)威標(biāo)準(zhǔn)，比如美國醫(yī)學(xué)遺傳學(xué)學(xué)會的標(biāo)準(zhǔn)，而更廣泛地認(rèn)可的亞型僅為10種 (Zhang等. 2021)。雖然有多種遺傳原因，但臨床環(huán)境中的大多數(shù)病例是由其中三種基因(HNF1A、HNF4A、GCK)的突變引起的，這三種基因突變合起來可占所有MODY病例的90-95%以上(Shields等. 2010).

關(guān)于MODY診斷相關(guān)的進(jìn)一步臨床內(nèi)容：

• 臨床診治 l MODY-單基因糖尿病診斷途徑**
  

單基因糖尿病的亞型

盡管當(dāng)前仍使用MODY這一名稱，但近年來該領(lǐng)域已將這些疾病更名為有著更廣泛外延的單基因糖尿病，并使用致病基因名稱，例如“葡萄糖激酶糖尿病”或“轉(zhuǎn)錄因子糖尿病”(Ellard等，2008年,McDonald & Ellard 2013)。命名慣例的這種轉(zhuǎn)變反映出當(dāng)前對給定基因突變可能導(dǎo)致的廣泛表型譜的理解不斷擴(kuò)大，導(dǎo)致既往依賴于診斷年齡的非以遺傳命名之間的界限變得模糊(例如MODY與新生兒糖尿病)。當(dāng)我們解開單基因糖尿病的遺傳原因時(圖1)，隨著單基因形式的胰腺β細(xì)胞功能障礙這一新興主題的出現(xiàn)，這種思維轉(zhuǎn)變的合理性將變得顯而易見---即胰腺β細(xì)胞功能障礙主要是由于β細(xì)胞功能的內(nèi)在缺陷(如GCK，KCNJ11)、胰腺發(fā)育(如PDX1，HNF1A)或β細(xì)胞增殖和腫塊(如INS)引起的。下文會重點關(guān)注單基因糖尿病相關(guān)的最常見基因，同時一些不太常見的基因也會在病理機(jī)制上有所描述。

肝細(xì)胞核因子4α(HNF4A-MODY，MODY1)

1992年，通過連鎖分析在一個大的家系系譜(稱為RW系譜)中鑒定出染色體20p上含有HNF4A的位點(Bowden等. 1992)。然而，直到1996年，不同的文獻(xiàn)才報道了MODY1(HNF4A)和MODY3(HNF1A)基因的定位克隆。在這一發(fā)現(xiàn)之前，兩種轉(zhuǎn)錄因子都已認(rèn)識到在肝臟中的作用，但這些研究發(fā)現(xiàn)了一種既往并不知曉的在胰腺β細(xì)胞發(fā)育和功能調(diào)節(jié)中的作用(Yamagata等. 1996a,b).

HNF4A屬于一組肝細(xì)胞核轉(zhuǎn)錄因子，其中一些對調(diào)節(jié)胰島素分泌很重要(包括下文討論的HNF1A和HNF1B)(Yamagata等. 1996a)。顧名思義，這些轉(zhuǎn)錄因子都最初在肝臟中描述，但也在胰腺β細(xì)胞中起作用，直接調(diào)節(jié)對胰島細(xì)胞發(fā)育和葡萄糖代謝都很重要的基因表達(dá)，包括胰島素基因本身(Yamagata等. 1996a)。

HNF4A雜合性功能喪失突變患者的β細(xì)胞功能進(jìn)行性下降，大多數(shù)攜帶者在青春期或成年早期發(fā)生糖尿病。由于HNF4A也在膽固醇和脂肪酸代謝中起作用，HNF4A-MODY患者的膽固醇和甘油三酯水平可能有獨特的變化(Pearson等. 2005)。重要的是，HNF4A-MODY的診斷對治療有一定意義，因為患者通?？梢酝ㄟ^口服磺脲類藥物而非胰島素成功治療(Pearson等. 2003, Hattersley等. 2018).

葡萄糖激酶(GCK-MODY，MODY2)

在前述報道20p染色體上的連鎖后不久，1992年在法國和英國家系中描述與7p染色體的連鎖(關(guān)鍵糖酵解酶葡糖激酶(GCK)的基因位于7p染色體上(Froguel等，1992年, Hattersleyet al. 1992) (圖1)。連鎖證明后，很快對GCK人基因進(jìn)行表征，并檢測到導(dǎo)致糖尿病的突變(Stoffel等，1992年)。GCK是己糖激酶家族的一員，主要在肝細(xì)胞和胰腺β細(xì)胞中表達(dá)，負(fù)責(zé)催化磷酸鹽從ATP轉(zhuǎn)移到葡萄糖，生成葡萄糖-6-磷酸(Magnuson等. 1989)。這種催化轉(zhuǎn)移是葡萄糖代謝的第一個限速步驟，因此GCK通常被認(rèn)為是β細(xì)胞的葡萄糖傳感器(Bedoya等. 1986)。GCK病中的單個失活突變會損害該葡萄糖傳感器以及β細(xì)胞對葡萄糖濃度升高的反應(yīng)能力，最終導(dǎo)致MODY。因此，患有GCK-MODY的個體中的高血糖基本上是由增加誘導(dǎo)胰島素分泌所必需的葡萄糖設(shè)定點引起的(Velho等. 1992)。迄今為止，體外研究已表明，功能缺陷的嚴(yán)重程度存在突變特異性變異；然而，在臨床環(huán)境中，雜合失活突變導(dǎo)致顯著相似的表型，而與特異性突變無關(guān)(Stride等. 2002)。這一觀察結(jié)果可以用WT等位基因的補(bǔ)償來解釋，該等位基因在翻譯后隨著循環(huán)葡萄糖水平的升高而上調(diào)(Gloyn等，2004c)。相比之下，激活GCK突變會導(dǎo)致胰島素分泌過多和低血糖，并且由于缺乏WT等位基因的補(bǔ)償，表型更加多樣(Glaser等. 1998,Gloyn 2003,Cuesta-Mu?oz等. 2004)。

GCK-MODY患者一生中有穩(wěn)定的輕度空腹高血糖；然而，由于輕度的高血糖和微血管或大血管并發(fā)癥的低發(fā)生率，患有GCK-MODY的個體通常不需要藥物治療(Steele等. 2014)。例外情況是在妊娠期間，在超聲觀察到胎兒生長加快的情況下（關(guān)于GCK-MODY和妊娠，可見公眾號內(nèi)鏈接：NEJM病例 l Case 06-2020 l 女性，34歲，高血糖(GCK-MODY)**，下圖），可考慮使用降糖藥物(Chakera等，2015年)。

肝細(xì)胞核因子1α(HNF1A-MODY，MODY3)

染色體12p上的連鎖信號的位置克隆，已在多個單基因糖尿病家族中得到鑒定，鑒定出另一個肝臟轉(zhuǎn)錄因子基因，肝細(xì)胞核因子1α(HNF1A)是單基因糖尿病的主要原因(Yamagata等. 1996b)。與HNF4A一樣，HNF1A是胰島素和其他參與胰島細(xì)胞發(fā)育和葡萄糖代謝基因的重要轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)因子。HNF1A也是腎臟鈉-葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)體(SGLT2)的關(guān)鍵轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)因子，因此，HNF1A-MODY患者的腎臟葡萄糖閾值較低(Pontoglio等，2000年)。

功能研究已經(jīng)證明，蛋白質(zhì)截短突變導(dǎo)致單倍體充足性(Harries等. 2004)，而錯義變體通過多種機(jī)制導(dǎo)致功能喪失(Althari等，2020年)。最近，對HNF1A在MODY中的作用的認(rèn)識有所擴(kuò)大，因為純合子型亞形態(tài)也被確定為MODY的原因(Misra等，2020年)。這些觀察結(jié)果與越來越多的證據(jù)相吻合，這些證據(jù)證明跨功能嚴(yán)重程度譜的遺傳變異對應(yīng)于表型(Althari等，2020年)。

HNF1A-MODY的特征為兒童期早期糖耐量正常，青春期或成年期發(fā)展為進(jìn)行性高血糖。由于HNF1A-MODY的進(jìn)行性，這些個體存在微血管并發(fā)癥的風(fēng)險，確實需要降糖治療(Lee等. 1999, Hattersley等. 2018)。重要的是，與HNF4A-MODY的診斷一樣，HNF1A-MODY患者通常可接受口服磺脲類藥物而非胰島素治療(Pearson等. 2003, Hattersley等. 2018)。

胰腺十二指腸同源盒因子1 (PDX1-MODY，MODY4)

胰十二指腸同源盒因子1 (PDX1)，以前被稱為胰島素啟動子因子1(IPF1)，是參與單基因糖尿病的另一種轉(zhuǎn)錄因子。PDX1位于13號染色體上，在決定胚胎胰腺發(fā)育中的細(xì)胞命運(yùn)以及胰腺β細(xì)胞的分化、成熟和功能方面發(fā)揮著核心作用(Stoffel等，1995年,Inoue等. 1996)。在1997年，Stoffers等首先通過證明純合子丟失會導(dǎo)致胰腺發(fā)育不全和新生兒糖尿病(NDM)闡明了這一關(guān)鍵轉(zhuǎn)錄因子（Stoffers等，1997b)，其次，這些突變的雜合載體具有缺陷的胰島素分泌，與先前描述的MODY表型一致(Stoffers等，1997a)。

PDX1-MODY的特征是發(fā)病年齡通常比其他形式的MODY稍晚(Stoffers等，1997a)。部分患者僅有輕度葡萄糖耐量異常，而其他患者患有暴發(fā)性糖尿病，需要每日注射胰島素。盡管早期報告提示PDX1變體與PDX1介導(dǎo)的INS表達(dá)受損導(dǎo)致的糖尿病風(fēng)險增加有關(guān)(Ahlgren等，1998年)，更大的全基因組研究沒有證實這些早期發(fā)現(xiàn)(Edghill等，2011年)。由于PDX1-MODY中存在表型變異，因此必須根據(jù)患者個體進(jìn)行治療；選擇范圍從單獨的飲食改變到磺脲類或胰島素(Hattersley等. 2018, Delvecchio等. 2020)。

肝細(xì)胞核因子1β(HNF1B- MODY，MODY5)

HNF1B與HNF1A密切相關(guān)，實際上是與HNF1A二聚化(Mendel等. 1991)。不出所料，它在胰腺胚胎發(fā)育中起著類似的重要作用，但與HNF1A不同，它在腎單位胚胎發(fā)育中也起著重要作用(Horikawa等，1997年)。這導(dǎo)致了廣泛的表型，可能包括糖尿病或腎病單獨或兩者結(jié)合。腎臟疾病(通常為腎囊腫)在HNF1B-MODY中有一定的獨特性，因此對于同時患有糖尿病和腎臟疾病的年輕患者而言，應(yīng)予以考慮。HNF1B-MODY還可并發(fā)泌尿生殖道畸形、高尿酸血癥和痛風(fēng)(Firdous等，2018年)。有趣的是，HNF1B-MODY患者同時表現(xiàn)出胰島素分泌和胰島素敏感性缺陷(Pearson等. 2004)。

神經(jīng)源性分化-1 (Neurogenicdifferentiation-1 ，NEUROD1-MODY，MODY6)

神經(jīng)源性分化-1 (NEUROD1，也稱為β2)是一種螺旋-環(huán)-螺旋(HLH)轉(zhuǎn)錄因子，作為胰腺和神經(jīng)元發(fā)育的調(diào)節(jié)開關(guān)。NEUROD1的一個重要作用是通過結(jié)合INS啟動子上的關(guān)鍵E-box基序直接調(diào)節(jié)胰島素基因(INS)的表達(dá)(Malecki等，1999年)。NEUROD1在激活編碼β細(xì)胞內(nèi)胰島素分泌途徑組分的其他基因方面也具有重要作用，包括ABCC8、GCK和PAX6(Kim等. 2002, Marsich等. 2003, Moates等. 2003)。

2001年，Kristinsson等證實了雜合子NEUROD1突變是MODY的罕見病因(Kristinsson等，2001年)，而純合子功能喪失突變導(dǎo)致NDM伴神經(jīng)功能損害(Rubio-Cabezas等. 2010)。NEUROD1-MODY可在整個生命周期內(nèi)進(jìn)行診斷，早至兒童期直至70-80歲，最有可能反映某些變體的不完全外顯率以及對額外環(huán)境或遺傳風(fēng)險因素的要求。與許多其他MODY亞型一樣，即使在單個家族中，臨床表現(xiàn)和病程也可能存在很大差異(Delvecchio等，2020年);大約20%的患者需要胰島素治療，而其他患者可能對單獨的飲食調(diào)整或與口服降糖藥物的組合反應(yīng)良好。

β細(xì)胞外單基因糖尿病的遺傳原因

編碼羧基酯脂肪酶（carboxy-esterlipase）的CEL突變會導(dǎo)致早發(fā)性糖尿病伴外分泌胰腺功能障礙(CEL-MODY)，其特征是糞便彈性蛋白酶水平低(Raeder等.2006).值得注意的是，致病突變是由可變數(shù)目的串聯(lián)重復(fù)序列(VNTR)區(qū)的改變引起的，而不是由蛋白質(zhì)編碼序列(Raeder等. 2006)。這種類型的單基因糖尿病不常見，因為它似乎不直接涉及β細(xì)胞缺陷，而是涉及胰腺腺泡細(xì)胞，可能涉及促分裂原活化蛋白激酶(MAPK)信號傳導(dǎo)缺陷(R? der等，2014年)。這種非典型的單基因糖尿病可能被證明是其他類型糖尿病的一個范例，因為最近的多項研究表明外分泌胰腺在介導(dǎo)1型和2型糖尿病兩者的遺傳關(guān)聯(lián)信號中起作用(Ng等. 2019,Chiou等，2021年)。

出生后6個月內(nèi)診斷為單基因糖尿病

在識別遺傳性糖尿病方面的許多早期進(jìn)展，特別是在描述關(guān)鍵MODY基因方面，依賴于染色體連鎖分析。2001年，人類基因組計劃公布了人類基因組的第一個完整序列，并由此引發(fā)了基因發(fā)現(xiàn)的新紀(jì)元(Lander等. 2001)。隨著遺傳研究能力不斷提高，對胰島素分泌和相關(guān)疾病的遺傳調(diào)節(jié)的理解也不斷提高，特別是在新生兒糖尿病方面(NDM)。NDM最早于1852年由J F Kitselle描述，常并發(fā)子宮內(nèi)生長不良和新生兒發(fā)育不良(Shield 2000)。NDM是一種異質(zhì)性疾病，定義為在出生后前6個月發(fā)病的糖尿病，單基因病因可在高達(dá)85%的病例中識別(Letourneau & Greeley 2018)。

NDM為一個疾病譜系，輕度型為短暫型(TNDM)并在出生18個月時自發(fā)消退，永久性型(PNDM)不消退，綜合征型可能伴有許多其他并發(fā)癥。值得注意的是，上述許多導(dǎo)致MODY的基因也可能與NDM相關(guān)，具有很強(qiáng)的基因型-表型相關(guān)性。在> 80%具有已知遺傳原因的NDM例中，文獻(xiàn)中已描述了18種以上的致病基因，但其中許多非常罕見，僅見于少數(shù)家族(Delépine等，2000年, Gloyn等. 2004c, Babenko等. 2006, St?y等. 2007,Flanagan等. 2014,De Franco等. 2015,2017,2019,2020a,Johnson等. 2017,De Franco 2020)。以下會涉及最常見的類型，以及為當(dāng)前關(guān)于β細(xì)胞生物學(xué)和糖尿病風(fēng)險持續(xù)性的思考提供信息的種類。

ATP敏感性鉀通道(KATP)缺陷(KATP-NDM)

胰腺KATP通道基因突變是NDM最常見的已知病因。這些通道由四個SUR1亞基(由ABCC8編碼)和四個Kir6.2亞基(由KCNJ11編碼)組成，對調(diào)節(jié)β細(xì)胞的膜興奮性和胰島素分泌至關(guān)重要(Shimomura & Maejima 2017)。在低血漿葡萄糖濃度下，KATP通道正常打開，細(xì)胞膜超極化，電壓依賴性鈣通道(VDCCs)關(guān)閉，從而抑制胰島素分泌。葡萄糖代謝會增加細(xì)胞內(nèi)(ATP)/(ADP)比值，關(guān)閉KATP通道，導(dǎo)致膜去極化，鈣通過VDCCs流入，并觸發(fā)胰島素釋放。

這兩個KATP通道亞單位在NDM的作用在2004年首次被認(rèn)識，當(dāng)時KCNJ11基因的雜合激活突變被報道為永久性新生兒糖尿病的主要原因(Gloyn等，2004b)。隨后在KCNJ11中鑒定出許多其他致病突變(Gloyn等，2004a, Sagen等. 2004Yorifuji等，2005年)。這些特異性突變的生理作用通過共表達(dá)突變的Kir6.2得到進(jìn)一步證實，并證明KATP通道對ATP的應(yīng)答顯著降低(Gloyn等，2004a,b, Tammaro等. 2005。.2005年，進(jìn)一步證明KCNJ11的獨特突變也可導(dǎo)致短暫性或緩解性糖尿病，提示該通道內(nèi)的某些異?？蓪?dǎo)致表型波動(Gloyn等，2005年)。不久之后，還證明某些具有特定KCNJ11突變的患者患有糖尿病并發(fā)其他神經(jīng)病學(xué)特征，這種綜合征被稱為發(fā)育遲緩、癲癇和新生兒糖尿病(DEND)(Gloyn等，2006年)。大約在同一時間，Babenko等鑒定了ABCC8中的七種新的激活突變，它們也導(dǎo)致NDM(Babenko等，2006年)。與導(dǎo)致NDM的激活突變形成直接對比的是，這些相同基因中的失活突變導(dǎo)致KATP通道活性降低、β細(xì)胞過度興奮和胰島素分泌過多(Kane等. 1996,Nichols等. 1996,Thomas等.1996,Dunne等. 1997, Huopio等. 2000).

將KATP通道突變與新生兒糖尿病聯(lián)系起來的發(fā)現(xiàn)對患者護(hù)理至關(guān)重要——在獲得該知識之前，患有新生兒糖尿病的個體需要終生接受胰島素治療才能存活。然而，由于這種病理直接是由于KATP通道未能響應(yīng)葡萄糖代謝產(chǎn)生的ATP而關(guān)閉所致，因此大多數(shù)此類糖尿病患者對口服磺脲類藥物有反應(yīng)，磺脲類藥物作用于SUR1以非ATP依賴性方式關(guān)閉通道，從而恢復(fù)胰島素分泌(Gloyn等，2004a, Sagen等. 2004)。這一發(fā)現(xiàn)使許多受影響的患者成功停用胰島素，磺脲類藥物通常比以前的胰島素治療更好地控制血糖。最近的研究顯示，大多數(shù)患者在10年隨訪時仍具有良好的血糖控制，證實磺脲類藥物是一種安全有效的長期治療方法(Bowman等. 2018)。這種對口服藥物的反應(yīng)性，以及強(qiáng)烈的基因型-表型相關(guān)性(Flanagan等.2006)這可以指導(dǎo)醫(yī)療決策和家庭咨詢，使得對NDM的早期分子診斷勢在必行。

INS-PNDM

胰島素基因(INS)突變被發(fā)現(xiàn)是導(dǎo)致糖尿病的原因，實際上研究多年；第一次描述的是患有高胰島素原性血癥而非糖尿病的患者(Gruppuso等，1984年)。像通常的情況一樣，其原因是突變位點和突變后果。一個由Graeme Bell領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊早在20世紀(jì)80年代早期就已經(jīng)克隆了該基因(Bell等. 1980)，而到了2007年，該團(tuán)隊將連鎖分析與候選基因方法相結(jié)合，才鑒定第一個引起糖尿病的INS突變，隨后在總共16個NDM先證者中鑒定出另外9個突變(stry等，2007年, Hodish等. 2010)。在該隊列中，受試者中位年齡為9周時出現(xiàn)糖尿病，且常并發(fā)酮癥酸中毒。由于突變位于胰島素基因本身內(nèi)，預(yù)測會阻止正常折疊和分泌，因此這些個體不符合磺脲類藥物治療的條件，磺脲類藥物作用于分泌途徑而非胰島素蛋白本身。已經(jīng)觀察到，具有類似錯誤折疊的胰島素蛋白的小鼠實際上可能由于極度內(nèi)質(zhì)網(wǎng)(ER)應(yīng)激而具有增加的β細(xì)胞死亡(stry等，2007年)。PNDM患者的大規(guī)模篩查發(fā)現(xiàn)INS突變是本病最常見的病因之一，僅次于KATP通道突變(Edghill等，2008年)。Balboa等最近的一項研究表明，來自攜帶INS突變的個體的體外分化誘導(dǎo)多能干細(xì)胞(iPSCs)產(chǎn)生的β樣細(xì)胞減少了β細(xì)胞增殖，導(dǎo)致β細(xì)胞質(zhì)量減少，可能在糖尿病發(fā)病機(jī)制中起作用(Balboa等. 2018)。隱性遺傳的INS突變也已被證明可引起PNDM，這是由于通過多種調(diào)節(jié)機(jī)制形成了胰島素生物合成減少的對比致病機(jī)制(Garin等，2010年)。

GCK-PNDM

前述的葡萄糖激酶，當(dāng)其以雜合突變形式存在時，是一種MODY致病基因，當(dāng)以純合或復(fù)合雜合突變形式存在時，也可引起永久性NDM(Nj? lstad等，2001年,2003)。這些個體具有與KATP相關(guān)NDM患者相似的特征，包括宮內(nèi)生長受限、出生體重低和出生后不久胰島素需求(Nj? lstad等，2003年)。但并非所有純合子或復(fù)合雜合子失活的GCK突變都會導(dǎo)致NDM。最近的一項研究表明，蛋白質(zhì)穩(wěn)定性是導(dǎo)致失活GCK突變嚴(yán)重程度的主要因素。通過對純合子GCK突變的研究，這一點變得顯而易見，該突變在青年期而非出生時表現(xiàn)為糖尿病(Raimondo等. 2014).

PDX1-PNDM

PDX1是另一個導(dǎo)致MODY的基因，也是導(dǎo)致新生兒永久性糖尿病的罕見但重要的原因。PDX1對胰腺發(fā)育至關(guān)重要(Jonsson等，1994年)，并且一些具有PDX1突變的個體很少或沒有功能性胰島的發(fā)育(Stoffers等，1997b)。雖然大多數(shù)病例經(jīng)證實為胰腺發(fā)育不全或發(fā)育不全，但也有一些報告稱，胰腺形態(tài)正常的患者可能仍會因PDX1突變而受到永久性NDM的影響(De Franco等. 2013)。通過調(diào)節(jié)許多重要胰島轉(zhuǎn)錄物(胰島素、葡萄糖激酶、生長抑素)的表達(dá)，PDX1充當(dāng)胰島內(nèi)基因表達(dá)的主調(diào)節(jié)因子(Hui & Perfetti 2002).其他對胰腺發(fā)育重要的基因，包括NKX2-2、GATA4、GATA6、GLIS3、RFX6和PTF1A，也被確定為NDM的罕見病因(Wang等. 2004, Senée等. 2006,Doyle & Sussel 2007,Chen等. 2008,Fukuda等. 2008,Smith等. 2010,Allen等. 2011,Carrasco等. 2012, Stanescu等. 2015, Xuan & Sussel 2016).

GLIS3-PNDM

Gli-similar 3(GLIS3)是一種Krüppel樣鋅指轉(zhuǎn)錄因子，在胰腺發(fā)育過程中的細(xì)胞分化和模式化過程中具有重要作用。GLIS3與其他重要的β細(xì)胞轉(zhuǎn)錄因子(包括PDX1和NEUROD1)相互作用，并直接與胰島素啟動子結(jié)合，以正向調(diào)節(jié)基因表達(dá)。在小鼠中，Glis3兩個拷貝的缺失都會導(dǎo)致新生兒糖尿病(Kang等. 2009,Yang等. 2009)。GLIS3在人類中也很重要，因為GLIS3的純合子突變是導(dǎo)致以新生兒糖尿病、先天性甲狀腺功能減退、多囊腎和面部異常為特征的綜合征的原因(Senée等，2006年)。已描述了至少1例混合雜合GLIS3突變患者；該患者存在孤立NDM但沒有其他特征(Dimitri等. 2011)。全基因組關(guān)聯(lián)研究(GWAS)也已證明GLIS3位點的變體與1型和2型糖尿病病都相關(guān)(Aylward等，2018年)。

綜合征型單基因糖尿病

新生兒糖尿病也已被確定為許多多系統(tǒng)綜合征的一個組成部分，其中許多已被確定為遺傳原因。這些綜合征大多罕見，且由于表現(xiàn)多樣，有延遲診斷或漏診風(fēng)險。盡管這些疾病具有異質(zhì)性，但對這些疾病的遺傳解剖和對潛在病理生理學(xué)的分子理解表明，存在一些共同的臨床特征和生物學(xué)機(jī)制。例如，大量NDM患者也有神經(jīng)系統(tǒng)癥狀(如癲癇、發(fā)育遲緩) (De Franco等. 2015,2020b)。神經(jīng)元和β細(xì)胞具有相似的電生理和信號機(jī)制，因此葡萄糖穩(wěn)態(tài)缺陷與神經(jīng)病學(xué)之間的頻繁關(guān)聯(lián)并不令人意外(De Franco等. 2020a,b)。與這些綜合征有關(guān)的大多數(shù)基因是轉(zhuǎn)錄因子，在兩種細(xì)胞類型的發(fā)育中起關(guān)鍵作用(例如PTF1A、NEUROD1、MNX1和NKX2-2)。

其他致病基因突變與ER應(yīng)激有關(guān)，要么是由于控制ER應(yīng)激反應(yīng)的重要檢查點發(fā)生突變，要么是由于突變直接導(dǎo)致蛋白錯折疊，隨后導(dǎo)致ER應(yīng)激(例如。EIF2AK3、SLC19A2、IER3IP1、WFS1、TRMT10A、PPP1R15B、EIF2S3(De Franco等. 2020b)。對于其中一些病因，糖尿病的臨床表現(xiàn)可在新生兒期后直至青春期進(jìn)行診斷。ER應(yīng)激引起的NDM的一個例子是沃爾科特-拉林森綜合征(Wolcott–Rallinson Syndrome，WRS)；高血親地區(qū)NDM綜合征最常見病因(Rubio-Cabezas等. 2009)。這是一種常染色體隱性遺傳疾病，除NDM外，常伴有骨骼發(fā)育不良、生長不良和肝功能障礙。真核生物翻譯起始因子2-α激酶3 (EIF2AK3，ER應(yīng)激反應(yīng)的關(guān)鍵組分)中的純合或復(fù)合雜合突變負(fù)責(zé)WRS(Delépine等. 2000)。

MODY中NDM基因界限的模糊化

與PDX1(首次在新生兒糖尿病NDM中描述突變)一樣，作為NDM主要病因的其他基因已被報告為嬰兒期以外的糖尿病病因，與MODY一致。這些包括編碼ATP敏感性鉀通道亞單位(ABCC8和KCNJ11)的那些。2012年，Bonnefond等使用全外顯子組測序(WES)對30%未進(jìn)行基因診斷的法國MODY患者進(jìn)行了研究。此分析確定KCNJ11突變，特別是p.E227K，是單家系MODY的原因(Bonnefond等，2012年)。同年，Bowman等在磺酰脲應(yīng)答MODY患者隊列中發(fā)現(xiàn)四種新的ABCC8突變(Bowman等. 2012)。術(shù)語MIDY(青少年突變型INS基因誘發(fā)的糖尿病，mutant INS-gene induced diabetes of youth)也用于描述在新生兒期以外出現(xiàn)INS（胰島素基因）突變的患者(Liu等. 2010,2012).

擴(kuò)大單基因糖尿病基因

在2型糖尿病(T2D)風(fēng)險中的作用范圍

早期的2型糖尿病(T2D)遺傳學(xué)文獻(xiàn)受到設(shè)計和執(zhí)行不當(dāng)?shù)倪z傳關(guān)聯(lián)研究(Siontis等，2010年)。除了少數(shù)例外，大多數(shù)早期發(fā)現(xiàn)在擴(kuò)展到大型、功能完善的研究時無法復(fù)制。在經(jīng)受住時間考驗的早期研究中，值得注意的是，三項此類研究中的兩項包括與單基因形式的糖尿病有關(guān)的基因(PPARG、KCNJ11和TCF7L2(Altshuler等，2000年,Gloyn等，2003年,Grant等. 2006)。20世紀(jì)晚期，人們開始探索全基因組關(guān)聯(lián)研究(GWAS)在理解復(fù)雜疾病和特征方面的效用。GWAS對多個個體基因組進(jìn)行比較，以確定特定遺傳變化與給定疾病或性狀之間關(guān)聯(lián)。針對1型和2型糖尿病的國際努力在發(fā)現(xiàn)數(shù)百種關(guān)聯(lián)信號方面取得了巨大成功。與大多數(shù)復(fù)雜性狀的情況一樣，T1D和T2D的絕大多數(shù)GWAS信號都是通過非編碼變異體發(fā)揮作用的，推測具有調(diào)節(jié)作用(Mahajan等. 2018)。一個一致的發(fā)現(xiàn)是識別了單基因糖尿病中具有已知作用的基因中或其附近的信號，如HNF1A和KCNJ11。其中一些在整個頻譜中也有編碼變體，與T2D風(fēng)險改變相關(guān):有時它們對人群是特異性的(例如HNF1A中的p.E508K)(SIGMA Type 2 Diabetes Consortium等. 2014)而其他在人群中很常見(例如KCNJ11中的p.E23K)(Gloyn等，2003年)。該領(lǐng)域還發(fā)現(xiàn)了單基因糖尿病基因附近的常見調(diào)控變體，這些變體可能會以組織和發(fā)育時間特異性的方式產(chǎn)生影響(例如HNF4A)(Kathiresan等，2009年)。這些發(fā)現(xiàn)聚焦于這些基因的正常功能和功能完全喪失之間的連續(xù)統(tǒng)一體-等位基因譜-其中特定變體和隨后的疾病表現(xiàn)之間的關(guān)系不一定是直接的(Althari等，2020年)。大型生物庫(如UKBioBank，BioMe)的遺傳特征將有助于開展必要的研究，以充分了解單基因糖尿病基因的遺傳變異與臨床表型之間的關(guān)系，以及常見遺傳變異(如T2D遺傳風(fēng)險評分)對改變這些基因中變異體的表現(xiàn)的影響。遺傳學(xué)無疑為單基因形式的糖尿病提供了精確的藥物；下一個十年的挑戰(zhàn)是將它擴(kuò)展到所有類型的糖尿病。

觀點和展望

未來，對單基因和多基因糖尿病潛在遺傳變化的不斷了解，將繼續(xù)通過精準(zhǔn)診斷和治療學(xué)促進(jìn)個體化治療潛力。這些基因突破與臨床生物標(biāo)志物相結(jié)合，將能夠完善糖尿病亞型的分類和診斷，并提供循證診治，以確定最佳管理方法，降低與這些疾病相關(guān)的并發(fā)癥發(fā)生和致死。MODY和NDM的分子診斷的重要性本身是相當(dāng)明顯的；然而，在理解過程中奠定的基礎(chǔ)也將繼續(xù)為更復(fù)雜形式的糖尿病提供見解和指導(dǎo)。

最后

對單基因型糖尿病的遺傳病因進(jìn)行的研究，已經(jīng)建立了一個潛在機(jī)制框架，了解到常見遺傳變異如何發(fā)揮作用，而作為多基因的組成導(dǎo)致1型和2型糖尿病病等復(fù)雜型糖尿病的風(fēng)險增加?，F(xiàn)在已有報道單基因缺陷導(dǎo)致葡萄糖傳感、胰島素分泌、胰腺發(fā)育和β細(xì)胞數(shù)質(zhì)量改變的例子，以及這些相同機(jī)制如何影響1型和2型糖尿病病的每個例子。在紀(jì)念胰島素發(fā)現(xiàn)一百周年之際，看到其發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)化為臨床實踐變化的速度令人矚目。在了解糖尿病胰島細(xì)胞功能障礙的遺傳基礎(chǔ)方面取得的進(jìn)展，也已經(jīng)歷了令人難以置信的一個世紀(jì)，現(xiàn)在很難產(chǎn)生與班颋、貝斯特、克里普和麥克勞德100年前所作貢獻(xiàn)的影響，但技術(shù)進(jìn)步讓我們站在糖尿病診斷管理的重要拐點上，尤其是單基因糖尿病。

全文完，約10K字

陳康 2021-11

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