生物钟基因表达改变与糖尿病发病的关系研究进展

杜运松，王曜晖，侯拉梅，李丽娟

(遵义医学院病理生理学教研室，贵州遵义563099)

·综述·

生物钟基因表达改变与糖尿病发病的关系研究进展

杜运松，王曜晖，侯拉梅，李丽娟

(遵义医学院病理生理学教研室，贵州遵义563099)

生物钟基因包括外周生物钟基因和中枢生物钟基因。目前发现的生物钟基因主要有芳香烃受体核转位蛋白样1基因(BMAL1)、时钟基因(CLOCK)、隐色素基因1(Cry1)、隐色素基因2(Cry2)、周期基因1(Per1)、周期基因2(Per2)、周期基因3(Per3)等。研究表明外周生物钟基因和中枢生物钟基因表达改变均与糖尿病(DM)的发病有关，如肌肉、外周血中的BMAL1基因，肝脏、胰腺中的CLOCK、BMAL1基因，下丘脑视交叉上核中的CLOCK、BMAL1、Per、Cry基因等。这些生物钟基因表达异常可引起葡萄糖代谢紊乱、葡萄糖耐受性降低、胰岛素分泌障碍、胰岛素抵抗，最终导致DM的发病。

生物钟基因；糖尿病；时钟基因；芳香烃受体核转位蛋白样1基因；糖代谢紊乱；胰岛素抵抗

我国是全球DM患者最多的国家[1]。DM是由遗传和环境因素共同作用引起的以慢性高血糖为特征的全身代谢性疾病[2]。DM发病的关键环节是胰岛β细胞功能受损和胰岛素抵抗。生物体内的各种生理活动普遍呈现明显的节律性，如内分泌、睡眠、体温等均受生物钟的调控。生物钟是生物体生命活动的内在节律性。1971年，Konopka等[3]在果蝇基因突变实验中发现了生物钟基因的组件，随后有研究陆续报道了数十种生物钟基因，如芳香烃受体核转位蛋白样1基因(BMAL1)、时钟基因(CLOCK)、隐色素基因1(Cry1)、隐色素基因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是核心生物钟基因[4]。生物钟基因的mRNA和蛋白表达都表现出24 h的振荡周期[5]，这种振荡周期是生物钟产生的前提。哺乳动物体内的生物钟包括中枢生物钟和外周生物钟。中枢生物钟存在于下丘脑的视交叉上核(SCN)，SCN可以独自产生并维持机体的日周期节律，其发出的信息能控制机体行为和生理节律，如睡眠、体温和内分泌等；外周生物钟存在于SCN以外的大部分组织，如肌肉、肝脏、胰腺等，外周生物钟并不能自主产生生理节律，而是由SCN控制下的神经、体液等其他信号分子进行调控[6～8]。许多不良生活方式可破坏生物钟基因的振荡表达模式，从而改变生物钟，引起包括DM在内的疾病。目前，生物钟改变在DM发病中的作用已备受关注。本文收集了近年来有关生物钟基因表达改变与DM发病的关系的研究，现综述如下。

1 外周生物钟基因表达改变与DM发病的关系

1.1 肌肉生物钟基因 肌糖原是肌肉中葡萄糖的储存形式。正常的生物钟是肌糖原合成与分解平衡的前提。Harfmann等[9]敲除小鼠骨骼肌中的BMAL1基因后，发现骨骼肌纤维类型有转变，肌节结构异常，线粒体的呼吸作用减弱，同时伴有葡萄糖代谢异常，主要表现为葡萄糖耐量降低和胰岛素敏感性减弱。Dyar等[10]进一步证实，骨骼肌中特异性敲除BMAL1基因的大鼠，骨骼肌葡萄糖转运蛋白4(GLTT-4)基因表达下调，胰岛素促进骨骼肌摄取葡萄糖的功能受损；同时丙酮酸脱氢酶(PDH)活性减弱，葡萄糖代谢异常。另外，Young等[11]特异性敲除小鼠心肌的BMAL1基因后，亦发现该小鼠心肌葡萄糖利用受到抑制。这些研究表明，肌肉中BMAL1基因的正常表达对葡萄糖代谢有重要调控作用，当肌肉中BMAL1基因表达出现异常时，葡萄糖代谢将随之发生改变，表现出一定的葡萄糖耐受性降低和胰岛素抵抗效应，这可能是DM发病的重要机制。

1.2 肝脏生物钟基因 肝糖原是肝脏葡萄糖的储存形式，正常的生物钟亦是肝糖原合成与分解平衡的基础。Zhang等[12]研究发现，存在胰岛素抵抗的db/db(患有2型DM)小鼠肝脏生物钟基因Cry1的表达明显上调，同时小鼠表现出高血糖和胰岛素敏感性降低。Machicao F等[13]研究亦发现Cry2在肝脏能量代谢中可促进甘油三酯的储存，同时可以限制葡萄糖的产生。Doi等[14]研究证实，糖原合成的限速酶糖原合酶2(Gys2)的表达受肝脏生物钟调节；当小鼠肝脏中CLOCK基因发生突变时，Gys2的表达受到抑制，肝糖原合成受到影响，表现出一定的胰岛素抵抗效应。Zhou等[15]以siRNAs技术敲减小鼠肝脏细胞中的CLOCK或BMAL1基因后，亦可诱导肝脏出现胰岛素抵抗；而通过尾静脉给DM小鼠注射过表达CLOCK、BMAL1基因的腺病毒后，则可改善小鼠对胰岛素的敏感性。有学者[16]发现特异性敲除小鼠肝脏中的BMAL1基因后，可引起脂肪肝和胰岛素抵抗。可见，肝脏CLOCK、BMAL1基因的正常表达是调控肝糖原合成及肝脏对胰岛素敏感性的重要环节。当肝脏生物钟基因出现异常表达时，可导致胰岛素抵抗及糖代谢紊乱，从而有可能导致DM的发病。

1.3 胰腺生物钟基因 胰岛素和胰高血糖素是由胰腺产生的，释放至血液中以调控血浆葡萄糖水平的稳定。胰腺胰岛素和胰高血糖素的分泌亦受生物钟的调控。Marcheva等[17]研究发现，胰腺生物钟基因CLOCK、BMAL1突变的小鼠葡萄糖代谢明显紊乱，同时表现出葡萄糖耐受性降低和胰岛素分泌减少；并且随着鼠龄的增加，胰岛细胞增殖能力逐渐下降，葡萄糖耐受降低和胰岛素分泌减少的状况进行性恶化。Saini等[18]进一步证实，通过siRNA技术敲减人胰岛细胞中的CLOCK基因后，胰岛细胞分泌胰岛素的昼夜节律模式被破坏，葡萄糖刺激胰岛素分泌的敏感性降低；此外胰岛素分泌相关基因的转录也受到明显影响。有学者[19]研究发现，敲减小鼠胰腺中的BMAL1基因后，小鼠会发生严重的葡萄糖耐受不良和胰岛素分泌减少。Perelis等[20]也证实，当成年小鼠β细胞中BMAL1基因受到破坏后，小鼠可产生明显的高血糖，葡萄糖耐受性降低，胰岛素分泌不足，进而发展为DM。有趣的是，小鼠在模拟轮班工作后，其昼夜节律发生失调，导致胰岛素的释放改变，进而可能导致DM的发病，类似于小鼠β细胞中BMAL1基因敲除后的表现[21]。可见，当胰腺中的生物钟基因CLOCK、BMAL1表达出现异常时，可引起葡萄糖代谢紊乱和胰岛素分泌障碍，并可能进一步促进DM的发生。

1.4 外周血生物钟基因 Ando等[22]发现，DM患者外周血白细胞中的BMAL1、Per1及Per3的表达均显著降低，该学者认为，这些外周生物钟基因的表达改变可能与DM的发病有关。另外，研究者[23]发现，小于胎龄儿(SGA)血清胰岛素水平较低，同时SGA的脐带血和胎盘血淋巴细胞中的BMAL1基因表达水平较高，认为BMAL1基因的表达改变与血清胰岛素分泌减少可能存在一定关系，这是否是SGA个体成年后罹患DM的重要机制，尚需要进一步证实[24，25]。

2 中枢生物钟基因表达改变与DM发病的关系

哺乳动物的中枢生物钟位于SCN，SCN存在于下丘脑前部的起搏神经元聚集群，是人体生理节律的起博点，同时也是生理节律信号产生和输送的源头。有学者[26]研究发现，SCN的损伤会导致机体内分泌活动和行为的昼夜节律消失，证明了SCN对生物钟的产生至关重要。SCN中表达的生物钟基因有CLOCK、BMAL1、Per和Cry等[27]。研究[28]表明，特异性损伤小鼠双侧SCN后，其生物钟基因表达将发生改变，进而干扰机体能量代谢平衡，最终导致胰岛素抵抗的发生。Kinoshita等[29]研究表明，在慢性束缚的应激条件下小鼠SCN可减弱Per2基因的节律表达，增强糖原合成激酶3β(GSK-3β)的磷酸化作用，而GSK-3β是参与糖原代谢的关键酶，能使糖原合成酶磷酸化，进而减少糖原合成，使血糖升高。此外，CLOCK、BMAL1、Per1、Cry1等基因的表达受松果体分泌的神经内分泌激素褪黑素调控，松果体在SCN支配下以分泌褪黑素的形式将时间信息传递至全身其他部位。松果体被切除后的大鼠血糖水平明显升高，胰岛β细胞功能受损，而补充褪黑素可恢复因生物钟基因表达紊乱诱导的葡萄糖耐受不良和胰岛素抵抗[30～32]。上述研究结果提示，褪黑素对糖代谢的调节作用可能是通过调控SCN中生物钟基因的表达而实现的，即SCN中生物钟基因的正常表达与糖代谢及组织对胰岛素的敏感性密切相关。SCN中生物钟基因表达异常可引起糖代谢等紊乱，可能最终导致DM的发病。

总之，生物钟与葡萄糖代谢和胰岛素分泌密切相关，生物钟基因表达紊乱参与DM的发生和发展。现代生活节奏加快、饮食习惯改变和生活环境污染，均可能导致生物钟及生物钟基因表达紊乱，进而导致DM发生；DM患者如果存在不健康的生活方式，即使有充足的药物治疗和胰岛素补充，患者的病情也难以有效控制。从生物钟的角度来研究DM的发病，这为寻找防治DM的新靶点和切入点开辟了新的视角，并为DM患者生活方式的基础干预措施提供了理论依据。但是生物钟及生物钟基因表达的改变与DM的关系尚有诸多细节未明确，如生物钟基因表达改变如何影响葡萄糖代谢、胰岛素分泌，如何调节生物钟基因表达以防治DM等。希望通过今后的深入研究能更清楚地阐明生物钟基因表达改变与DM之间的关系，从而降低DM的发病率，改善DM患者的预后。

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

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2017-06-12)