葡萄糖激酶基因与2型糖尿病
作者：班博* 王华
单位：210029 南京医科大学第一附属医院内分泌科；*现在济宁医学院附属医院
关键词：
临床内科杂志990608 班博* 王华 综述 何戎华 审阅
2型糖尿病是一种多基因遗传病,约占糖尿病的90%。葡萄 糖激酶(glucorinase,GCK)是糖代谢的第一个限速酶,如果葡萄糖激酶功能缺隐或表达减少将 使肝脏葡萄利用受阻及胰岛β细胞胰岛素分泌减少,因此,葡萄糖激酶基因的变异可能是糖尿 病的发病原因之一。
GCK的来源、结构和功能
哺乳动物组织含有4种不同的已糖激酶(Hexokinase,HK),按负电荷由小到大顺序命名为Ⅰ～ Ⅳ型,其中HKⅣ被称作葡萄糖激酶(GCK)。GCK与其他同工酶在分子结构和功能特性上均不同 。GCK有465个氨基酸,分子量51919Da,等电点4.85。GCK也不完全相同,在结构上,酶的NH2 端有15个氨基酸不同。在GCK的调节上具有组织特异性,在肝脏主要受胰岛素调节,不管有无 葡萄糖存在,胰岛素均可诱使GCK活性升高。与肝脏相比,胰岛β细胞GCK则只受葡萄糖的调节 ,而不受胰岛的调节。血糖升高可直接导致GCK活性加强,外周组织器官葡萄糖代谢速度加快 。在生理葡萄糖范围内,GCK活性、葡萄糖诱导的胰岛素释放及葡萄糖利用三者间呈线性关系 。由于胰岛β细胞分泌胰岛素，主要受细胞内葡萄糖代谢影响，故GCK活性加强所导致的葡 萄糖代谢速度加快，可刺激胰岛素分泌增加,因此,可以说GCK是胰岛β细胞和肝细胞的葡萄 糖感受器和代谢信息产生器。
, 百拇医药
GCK基因、基因多态性
GCK基因位于第7号染色体的短臂上(7P),为单拷贝基因,有12个外显子,包括两个组织特异性 启动子(β细胞-外显子1β,503bp;肝细胞-外显子1H,203bp)和9个共同外显子(2～10),另 外还有一个可以任意选择的盒式外显子2H。胰岛β细胞GCK基因总长度为27.5kb,cDNA长度 2739 bp;肝脏细胞GCK基因总长度为15.5 kb,cDNA长度为2493 bp。肝脏和胰岛β细胞GCK 基因5’端上游调控区结构也不同,这与它们接受不同因子的调节相一致。
在GCK基因的两侧,各有一个二核苷酸重复序列片段(CA)n,分别距5’端6.0kb和3’端8.0 kb,是重要的基因标记,因该部位很容易出现缺失或插入2 n个核苷酸片段,这种高度的多态 性为研究基因及其连锁疾病的手段提供了方便。
GCK基因对2型糖尿病发病机制的意义
, 百拇医药
一、GCK基因突变对GCK活性的影响:GCK基因突变常致GCK分子氨基酸顺序改变,从而降低酶的 催化活性。生化研究显示酶活性降低表现在Vmax的降低,Km值的升高。从突变的发生部位上, 一些突变发生在酶活性部位的功能区上,造成酶活性的下降;另一些突变则在远离酶活性部位 ,但由于底物诱导的构型改变造成酶活性部位的关闭,酶作用降低直至消失。这些突变的特点 决定了GCK关键部位的改变与2型糖尿病发病有关。
二、MODY病人的GCK基因突变,MODY(幼 年起病的成年型糖尿病)是糖尿病的一个亚型,其特点是起病年龄小于25岁,有三代以上家族 遗传史,符合常染色体显性遗传规律。自1992年Froguel等首次在法国的16个MODY家系中发现 了第7号染色体短臂上的GCK基因与MODY紧密连锁后,法国、英国等国家的研究进一步证实了G CK基因突变是糖尿病的一种单基因突变病。最近的研究[1]又 在35个MODY家系中 发现了16个GCK基因突变,其中14个为新的突变。GCK基因突变并不均匀分布于整个基因,其中 多簇集于外显子4～8,尤其是外显子7和8。GCK基因的突变影响了GCK的活性。Tappy等[ 2]对V 203A突变的MODY病人,给予静脉注射葡萄糖发现其内源性葡萄糖的产生仅减少29%, 而具有同样高血糖水平的对照组则减少80%。说明高血糖不能充分抑制MODY病人内源性葡萄 糖的产生,是由于V 203A突变使肝脏GCK的活性降低,从而促进了高血糖的发生。尽管MODY这 一亚型的病人长期存在着高血糖、葡萄糖激酶不足,但糖尿病的微血管和大血管并发症的发 生率较低,肥胖、高血压和脂蛋白异常等合并症也少见。
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三、2型糖尿病的GCK基因变异;7P上的GCK基因变异是迄今首先发现的糖尿病的基因异常,这 种病因可以解释2%左右的糖尿病病例(MODY)。这一发现给其他98%的糖尿病寻找致病基因带 来了希望。在GCK基因多态性与普通型Ⅰ型糖尿病的关联研究中,Chiu等在美国人中发现有5 种等位基因:Z-15,Z，Z+2,Z+4,Z+10,其中Z+4(199bp)等位基因与2型糖尿病有显著关联。日 本人与美国人的结果一致,而毛里求斯creole人等位基因Z+2和印度人等位基因Z与2型糖尿病 关联。提示GCK基因与2型糖尿病发病有关。但在GCK基因点突变与2型糖尿病的关系上,Lepre tre[3]Lotfi[4]等的研究表明GCK基因突变与2型糖尿病无相关性。Bosque [5]等对来自24个家庭的26例早发型Ⅱ型糖尿病,包括4例MODY病人的GCK外显子或外 显子与内含子连接区进行筛查,未发现突变。Allan[6]在妊娠期糖尿病患者中也未 发现GCK基因突变。
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四、GCK基因变异引起的糖尿病分子控制:目前还不很清楚。有资料证明最可能的机制为基因 -剂量机制。糖尿病患者GCK基因为杂合子(一个等位基因正常,另一个变异),因而GCK并不完 全缺乏,其活性为正常的50%～100%,视变异对活性的影响而异。如GCK活性下降15%,可使葡萄 糖诱导胰岛素分泌的葡萄糖阈值由5 mmol/L上升为6 mmol/L。具有连接和无义变异或误义变 异者,对酶活性影响大,可能表现为显性糖尿病,单纯误义变异对酶活性影响小,可能表现为糖 耐量异常和轻度空腹高血糖。
参考文献
[1]Velho G,Blanche H,Vaxillaire M,et al.Identifcation of 14 new glucoki nase mutation and description of the clinical profile of 42 MODY - 2 famillies. Diabetologia,1997,40∶217.
, 百拇医药
[2]Tappy L,Dussoix P,Iynedjian P,et al.Abnormal regulation of the young altput in maturity-onset diabetes of the young caused by a specific mutation o f the glucokinase gene.Diabetes,1997,46∶204.
[3]Lepretre F,Vionnet N,Budhan S,et al.Genetic studies of polymorphisms in the non-insulin-dependent diabetes mellitus candidate genes in Tamil Indians from Pondichery.Diabetes Metab,1998,24∶244.
[4]Lotfi K,Sund G,Lowe R,et al.The beta cell gluokinase promoter variant is an unlikely risk factor for diabetes mellitus.Diabetes Incidence Study in S weden(DISS).Diabetologia,1997,40∶959.
, http://www.100md.com
[5]Bosque PZ,Garcia GE,Jimenez RS,et al.Analysis of the glucokinase gene in Mexican families displaying eary-onset non-insulin-dependent diabetes mellitus including MODY families.Am J med Genet,1997,72∶387.
[6]Allan CJ,Arggropoulos G,Bowker M,et al.Gestational diabetes mellitus and gene mutations which affect insulin secretion.Diabetes Res Clin Pract,1997, 36∶135.
收稿:1998-12-07 修回:1999-04-12, http://www.100md.com
单位：210029 南京医科大学第一附属医院内分泌科；*现在济宁医学院附属医院
关键词：
临床内科杂志990608 班博* 王华 综述 何戎华 审阅
2型糖尿病是一种多基因遗传病,约占糖尿病的90%。葡萄 糖激酶(glucorinase,GCK)是糖代谢的第一个限速酶,如果葡萄糖激酶功能缺隐或表达减少将 使肝脏葡萄利用受阻及胰岛β细胞胰岛素分泌减少,因此,葡萄糖激酶基因的变异可能是糖尿 病的发病原因之一。
GCK的来源、结构和功能
哺乳动物组织含有4种不同的已糖激酶(Hexokinase,HK),按负电荷由小到大顺序命名为Ⅰ～ Ⅳ型,其中HKⅣ被称作葡萄糖激酶(GCK)。GCK与其他同工酶在分子结构和功能特性上均不同 。GCK有465个氨基酸,分子量51919Da,等电点4.85。GCK也不完全相同,在结构上,酶的NH2 端有15个氨基酸不同。在GCK的调节上具有组织特异性,在肝脏主要受胰岛素调节,不管有无 葡萄糖存在,胰岛素均可诱使GCK活性升高。与肝脏相比,胰岛β细胞GCK则只受葡萄糖的调节 ,而不受胰岛的调节。血糖升高可直接导致GCK活性加强,外周组织器官葡萄糖代谢速度加快 。在生理葡萄糖范围内,GCK活性、葡萄糖诱导的胰岛素释放及葡萄糖利用三者间呈线性关系 。由于胰岛β细胞分泌胰岛素，主要受细胞内葡萄糖代谢影响，故GCK活性加强所导致的葡 萄糖代谢速度加快，可刺激胰岛素分泌增加,因此,可以说GCK是胰岛β细胞和肝细胞的葡萄 糖感受器和代谢信息产生器。
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GCK基因、基因多态性
GCK基因位于第7号染色体的短臂上(7P),为单拷贝基因,有12个外显子,包括两个组织特异性 启动子(β细胞-外显子1β,503bp;肝细胞-外显子1H,203bp)和9个共同外显子(2～10),另 外还有一个可以任意选择的盒式外显子2H。胰岛β细胞GCK基因总长度为27.5kb,cDNA长度 2739 bp;肝脏细胞GCK基因总长度为15.5 kb,cDNA长度为2493 bp。肝脏和胰岛β细胞GCK 基因5’端上游调控区结构也不同,这与它们接受不同因子的调节相一致。
在GCK基因的两侧,各有一个二核苷酸重复序列片段(CA)n,分别距5’端6.0kb和3’端8.0 kb,是重要的基因标记,因该部位很容易出现缺失或插入2 n个核苷酸片段,这种高度的多态 性为研究基因及其连锁疾病的手段提供了方便。
GCK基因对2型糖尿病发病机制的意义
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一、GCK基因突变对GCK活性的影响:GCK基因突变常致GCK分子氨基酸顺序改变,从而降低酶的 催化活性。生化研究显示酶活性降低表现在Vmax的降低,Km值的升高。从突变的发生部位上, 一些突变发生在酶活性部位的功能区上,造成酶活性的下降;另一些突变则在远离酶活性部位 ,但由于底物诱导的构型改变造成酶活性部位的关闭,酶作用降低直至消失。这些突变的特点 决定了GCK关键部位的改变与2型糖尿病发病有关。
二、MODY病人的GCK基因突变,MODY(幼 年起病的成年型糖尿病)是糖尿病的一个亚型,其特点是起病年龄小于25岁,有三代以上家族 遗传史,符合常染色体显性遗传规律。自1992年Froguel等首次在法国的16个MODY家系中发现 了第7号染色体短臂上的GCK基因与MODY紧密连锁后,法国、英国等国家的研究进一步证实了G CK基因突变是糖尿病的一种单基因突变病。最近的研究[1]又 在35个MODY家系中 发现了16个GCK基因突变,其中14个为新的突变。GCK基因突变并不均匀分布于整个基因,其中 多簇集于外显子4～8,尤其是外显子7和8。GCK基因的突变影响了GCK的活性。Tappy等[ 2]对V 203A突变的MODY病人,给予静脉注射葡萄糖发现其内源性葡萄糖的产生仅减少29%, 而具有同样高血糖水平的对照组则减少80%。说明高血糖不能充分抑制MODY病人内源性葡萄 糖的产生,是由于V 203A突变使肝脏GCK的活性降低,从而促进了高血糖的发生。尽管MODY这 一亚型的病人长期存在着高血糖、葡萄糖激酶不足,但糖尿病的微血管和大血管并发症的发 生率较低,肥胖、高血压和脂蛋白异常等合并症也少见。
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三、2型糖尿病的GCK基因变异;7P上的GCK基因变异是迄今首先发现的糖尿病的基因异常,这 种病因可以解释2%左右的糖尿病病例(MODY)。这一发现给其他98%的糖尿病寻找致病基因带 来了希望。在GCK基因多态性与普通型Ⅰ型糖尿病的关联研究中,Chiu等在美国人中发现有5 种等位基因:Z-15,Z，Z+2,Z+4,Z+10,其中Z+4(199bp)等位基因与2型糖尿病有显著关联。日 本人与美国人的结果一致,而毛里求斯creole人等位基因Z+2和印度人等位基因Z与2型糖尿病 关联。提示GCK基因与2型糖尿病发病有关。但在GCK基因点突变与2型糖尿病的关系上,Lepre tre[3]Lotfi[4]等的研究表明GCK基因突变与2型糖尿病无相关性。Bosque [5]等对来自24个家庭的26例早发型Ⅱ型糖尿病,包括4例MODY病人的GCK外显子或外 显子与内含子连接区进行筛查,未发现突变。Allan[6]在妊娠期糖尿病患者中也未 发现GCK基因突变。
, 百拇医药
四、GCK基因变异引起的糖尿病分子控制:目前还不很清楚。有资料证明最可能的机制为基因 -剂量机制。糖尿病患者GCK基因为杂合子(一个等位基因正常,另一个变异),因而GCK并不完 全缺乏,其活性为正常的50%～100%,视变异对活性的影响而异。如GCK活性下降15%,可使葡萄 糖诱导胰岛素分泌的葡萄糖阈值由5 mmol/L上升为6 mmol/L。具有连接和无义变异或误义变 异者,对酶活性影响大,可能表现为显性糖尿病,单纯误义变异对酶活性影响小,可能表现为糖 耐量异常和轻度空腹高血糖。
参考文献
[1]Velho G,Blanche H,Vaxillaire M,et al.Identifcation of 14 new glucoki nase mutation and description of the clinical profile of 42 MODY - 2 famillies. Diabetologia,1997,40∶217.
, 百拇医药
[2]Tappy L,Dussoix P,Iynedjian P,et al.Abnormal regulation of the young altput in maturity-onset diabetes of the young caused by a specific mutation o f the glucokinase gene.Diabetes,1997,46∶204.
[3]Lepretre F,Vionnet N,Budhan S,et al.Genetic studies of polymorphisms in the non-insulin-dependent diabetes mellitus candidate genes in Tamil Indians from Pondichery.Diabetes Metab,1998,24∶244.
[4]Lotfi K,Sund G,Lowe R,et al.The beta cell gluokinase promoter variant is an unlikely risk factor for diabetes mellitus.Diabetes Incidence Study in S weden(DISS).Diabetologia,1997,40∶959.
, http://www.100md.com
[5]Bosque PZ,Garcia GE,Jimenez RS,et al.Analysis of the glucokinase gene in Mexican families displaying eary-onset non-insulin-dependent diabetes mellitus including MODY families.Am J med Genet,1997,72∶387.
[6]Allan CJ,Arggropoulos G,Bowker M,et al.Gestational diabetes mellitus and gene mutations which affect insulin secretion.Diabetes Res Clin Pract,1997, 36∶135.
收稿:1998-12-07 修回:1999-04-12, http://www.100md.com