5第五章内分泌及代谢性疾病的分子机制

第五章内分泌及代谢疾病的分子机制内分泌系统由分泌各种微量化学物质——激素的不同细胞群（内分泌腺）构成。激素通过血液循环到达靶细胞，与相应的受体结合，经复杂的信号转导过程，影响靶细胞的代谢、分裂、分化等行为而发挥广泛的全身性作用。内分泌细胞功能失常所致激素分泌量改变，均可引起病理生理变化。第一节内分泌及代谢系统的分子生物学特点一、内分泌代谢系统的进化单细胞生物多细胞生物外环境变化内分泌系统调节细胞与细胞间功能上统一细胞对自身供能调节，维持生存与繁衍直接交换信息适应环境改变维持生存与繁殖二、内分泌系统发育的分子调控内分泌细胞群的生长发育遗传信息环境变化信息生命体生长发育诱导细胞分化的信号：存在于胚胎细胞中：EGF、FGF、TGF等对诱导信号产生正确反应转录因子的时空表达程序（一）垂体发育相关的转录因子1.Pax6(pairedboxgene6)属于发育同源结构域转录因子家族，垂体发育中腹、背侧细胞分离，形成垂体前叶。Pax6缺陷的小鼠：垂体的背腹轴发生腹侧化，生长激素和催乳素分泌细胞减少；促甲状腺素和促性腺激素细胞增加。2.垂体特异性转录因子Pit1(pituitarytranscriptionfactor1,Pit1)控制垂体发育，调节生长激素、催乳素、促甲状腺素等激素的合成。Pit1基因突变：病人缺乏生长激素、催乳素、促甲状腺素3.垂体发育同源Pitx1和Pitx2(pituitaryhomeobox1,Pit1)4.T-box转录因子T-box转录因子基因突变:发育早期出现垂体性促肾上腺皮质激素（ACTH）分泌障碍。（二）胰腺发育相关基因胰腺的发育过程不仅有内分泌细胞与外分泌细胞，还有不同的内分泌细胞群。1.胰腺的分泌细胞：α细胞分泌胰高血糖素β细胞分泌胰岛素δ细胞分泌生长抑素PP细胞分泌胰多肽以上细胞精确的分化和发育过程是由特异性转录因子控制的基因时空差异性表达所致。胰腺发育及关键转录因子内胚层前肠背、腹胰形成上皮内陷管腔前体细胞胰岛腺泡HIxb9启动出现分支IPf1、P48IPf1、Pbx1、P48增殖及形态形成IPf1、Pbx1HIxb9、Ipf1P48分化2.与胰腺发育相关的重要转录因子1）HIxb9在成人胰腺表达，HIxb9基因剔除小鼠纯合子表现为胚胎期背胰发育障碍，在残余胰腺中胰岛素分泌细胞明显减少。2）IPf1与胰腺发育相关，IPf1基因剔除小鼠表现胰腺发育障碍。4）Pbx1Pbx1基因剔除纯合子小鼠在胚胎15－16死亡，胚胎性状可见胰腺严重畸形，杂子小鼠成熟个体有胰岛功能不全。3）Ptf1-p48Ptf1-p48（胰岛素-十二指肠分化基因），缺乏Ptf1-p48的胰腺上皮细胞，不再向胰腺发育，而是返回肠上皮。先天性无胰腺患儿是Ptf1-p48突变纯合子。（三）肾上腺、性腺发育相关基因三、肽类激素合成与分泌的分子调控特点1.氨基末端均有信号肽结构信号肽序列识别内质网膜中的特殊信号肽识别位点，引导新生肽进入分泌途径。2.需经过多层次翻译后修饰3.需在细胞内精确定位与分泌4.需激素分泌与合成调节的协调(SRP)胰岛素原四、内分泌代谢疾病的分子生物学机制1.激素分子结构和含量异常原因：1）基因（编码区、调控区）突变→mRNA、蛋白质改变2）特异性转录调控因子异常3）激素分泌相关因子异常2.激素靶细胞敏感性异常1）受体数量变化2）细胞内信号转导分子异常蛋白激酶、接头蛋白、蛋白磷酸酶等3）细胞效应相关分子代谢酶、细胞周期调节因子等第二节内分泌代谢疾病的分子机制举例侏儒症的分子机制侏儒症（dwarfism）病人大部分是由于生长激素（growthhormone,GH）缺乏所致，少部分是由于靶细胞对GH不敏感所致。现累计报道：有522种不同类型的侏儒症存在。表6-1侏儒症部分代表性分子异常类型致病基因突变类型突变效应І型垂体性GHGH基因缺失、GH水平低下侏儒症GH基因剪接位点突变Ⅱ型垂体性GH受体第8外显子缺失细胞对GH无反应侏儒症R43X点突变血中IGF水平降低Ⅲ型垂体性PIT1转录因子点突变、移码突变联合垂体侏儒症基因剪接位点突变激素低下Ⅳ型垂体性GH不明，可能在17号有突变形成多聚体GH侏儒症糖尿病的分子机制糖尿病是一类以高血糖为特征的内分泌代谢疾病，在病因学、病理学和临床诊断治疗都存在极大的异质性。一、糖尿病类型1.І型糖尿病：胰岛B细胞在自身免疫机制下发生损伤和凋亡，与自身免疫反应密切相关,血中胰岛素水平低下，胰岛素治疗有效。2.Ⅱ糖尿病（非胰岛素依赖型糖尿病）：肌和脂肪组织对胰岛素反应能力降低。二、胰岛素分泌的遗传缺陷大部分І型糖尿病并非遗传性疾病。对少数具有遗传性的糖尿病家系，即常染色体显性遗传的青年成年发病型糖尿病（maturity-onsetdiabetesoftheyoung，MODY）的致病基因分析，目前至少发现6个基因与胰岛素分泌异常有关。三、胰岛素分泌缺陷相关基因1.葡萄糖激酶基因（1）基因产物的功能：催化G-6-P生成（2）突变效应：胰岛素分泌↓肝糖原储存↓（3）致病性：纯合子发生先天性糖尿病；杂合子发生MODY2.肝细胞核因子（hepatocytenuclearfactor,HNF)HNF-4α、HNF-1α、HNF-1β（1）基因产物的功能：转录因子，共同控制胰岛素、糖转运蛋白、糖酵解酶的合成（2）突变效应：胰岛B细胞中葡萄糖和其他信号诱导的胰岛素分泌减少（3）致病性：杂合子发生MODY3.胰岛素启动子结合因子(insulinpromoterfactor,IPF）IPF-1（1）基因产物的功能：转录因子，与胰腺发育有关、控制胰岛素、糖转运蛋白、葡萄糖激酶的合成（2）突变效应：胰岛B细胞中葡萄糖诱导的胰岛素分泌减少（3）致病性：纯合子发生胰腺发育障碍和先天性糖尿病，杂合子发生MODY4.胰岛B细胞E-反式激活因子2（B-cellE-boxtransactivator,BETA2)BETA（1）基因产物的功能：转录因子，与胰腺发育有关、控制胰岛素合成（2）突变效应：血中胰岛素水平降低（3）致病性：偶发MODY四、胰岛素受体介导的信号转导RINS葡萄糖糖原、脂质、蛋白质合成的特异基因表达细胞增殖分化葡萄糖经IRS（信号衔接蛋白）介导信号转导(PKB)代谢蛋白激酶B（proteinkinase,PKB）PKB是原癌基因c-akt的产物，又称Akt胰岛素的作用之一：促进糖原合成糖原合成酶P糖原合成酶激酶3活性糖原合成酶失活胰岛素促进糖原合成的机制糖原合成酶P糖原合成酶激酶3PKB糖原合成酶激酶3P失活活性活性胰岛素受体介导的信号转导糖原合成酶失活表6-1胰岛素受体信号通路相关分子基因剔除小鼠表型变化基因表达产物基因剔除小鼠表型变化胰岛素受体宫内正常生长，出生后3～7天死于糖尿病酮症IRS受体胰岛素抵抗、葡萄糖耐量降低、生长迟缓IRS-2胰岛素抵抗、胰岛B细胞发育障碍、Ⅱ型糖尿病IRS-3正常IRS-4正常AKt(PKB)肝、肌胰岛素抵抗表6-2组织特异性基因剔除小鼠表型变化基因表达产物基因剔除组织剔除后小鼠表型变化胰岛素受体骨骼肌葡萄糖耐量正常、脂肪增加肝葡萄糖耐量降低、高胰岛素血症、胰岛素清除能力降低胰岛B细胞失去葡萄糖诱导胰岛素分泌、进行性葡萄糖耐量降低、B细胞数量减少脑食欲增强，胰岛素抵抗葡萄糖激酶B-细胞出生后2～3天死于严重糖尿病肝中度高血糖、广泛葡萄糖代谢障碍І型糖尿病（Insulindependentdiabetesmellitus,IDDM)，IDDM属器官特异性自身免疫性疾病五、Ⅱ糖尿病（非胰岛素依赖型糖尿病）的分子机制Ⅱ糖尿病的重要特征是胰岛素抵抗效应，肌肉和脂肪组织对胰岛素的反应能力下降。患者除血糖升高外，血中胰岛素含量可增高、正常或降低，80％伴有肥胖。胰岛素受体前、受体和受体后异常是造成细胞对胰岛素反应性降低的主要原因。其中与信号转导障碍有关的是：1.胰岛素受体（INSR）异常Seino等发现：INSR基因有120Kb，22个外显子，11个外显子编码α亚基，11个外显子编码β亚基，INSR分子含有1370个氨基酸，由两个α、β亚基构成的二聚体，肽链间由二硫键相连接，其两条α亚基（Cys是识别和结合胰岛素部位）位于细胞外部分；两个β亚基具有酪氨酸蛋白激酶（Tyrosineproteinkinase,TPK)活性。Caro等证明：INSRα亚基在肝、肌肉、脂肪组织中分子量、碳氢的比例、抗原性等不同。INSR基因表达突变了导致胰岛素耐受。1)遗传性胰岛素受体异常（1）受体合成减少；（2）受体与配体的亲和力降低，如：受体735精氨酸突变为丝氨酸；（3）受体TPK活性降低，如：1008甘氨酸突变为缬氨酸，胞内TPK结构异常2）自身免疫性胰岛素受体异常血液中存在抗胰岛素受体抗体3）继发性胰岛素受体异常任何原因引起的高胰岛素血症均可使胰岛素受体继发性下调。2.受体后信号转导异常研究发现：PI3K基因突变可产生胰岛素抵抗；目前认为：受体后信号转导分子PI3K传递TPK信号作用减弱，产生胰岛素抵抗糖尿病临床病例：殷某男57岁2007年3月16日16：00入院近1个月来无明显诱因出现口渴，多饮，体重逐渐消瘦，一个月下降10斤左右。查体：T36.50C,P93次/分，BP126/96mmHg生化检验：血糖：15mmol/L尿糖（＋）诊断：Ⅱ型糖尿病放射免疫测定：胰岛素释放试验（INS)单位,C肽释放试验（C-P）正常参考值：空腹(INS):5-25μIU/ml（C-P):0.8-4.0ng/ml病人放射免疫测定结果：空腹（INS):10.40μIU/ml空腹（C-P):1.01ng/ml30分（INS):16.71μIU/ml30分（C-P):1.63ng/ml60分（INS):21.68μIU/ml60分（C-P):1.89ng/ml120分（INS):25.40μIU/ml120分（C-P):2.06ng/ml180分（INS):12.55μIU/ml120分（C-P):1.36ng/ml胰岛素原葡萄糖耐量试验：正常参考值：空腹血糖：3.9-6.2mmol/L半小时血糖：6.2-10mmol/L该病人葡萄糖耐量试验：空腹血糖：15mmol/L1小时血糖：23.4mmol/L2小时血糖：28mmol/L3小时血糖：25.2mmol/L口服葡萄糖耐量试验（oralglucosetolerancetest，OGTT）OGTT是一种葡萄糖负荷试验，用以了解机体对葡萄糖的调节能力。当空腹血浆葡萄糖浓度在6～7mmol/L之间而又怀疑为糖尿病时，作此试验可以帮助明确诊断。WHO标准化的OGTT是：试验前3日，每日食物中糖含量应不低于150g，且维持正常活动。影响试验的药物应在3日前停用。试验前病人应10～16小时不进食。坐位取血后5分钟内饮入250ml含75g无水葡萄糖的糖水，以后每隔30分钟取血1次，共4次，历时2小时。儿童给予葡萄糖量为0.75g/kg体重。正常糖耐量正常人由于存在精细的代谢调节机制，服糖后0.5～1小时血糖浓度暂时略有升高，耐糖曲线显示峰值＜10mmol/L，尿糖阴性。1小时后血糖逐渐降低，一般2小时左右恢复至空腹水平。此种糖耐量曲线说明机体处理糖负荷的能力良好.①促进葡萄糖转运进入细胞；②加速糖原合成，抑制糖原分解；（增加磷酸二酯酶活性，降低cAMP水平，糖原合成酶活性↑，磷酸化酶活性↓）③加快糖的有氧氧化；（丙酮酸脱氢酶复合体活性↑，）④抑制肝内糖异生；（抑制磷酸烯醇式丙酮酸羧激酶；促进氨基酸进入肌组织，减少糖异生原料。⑤减少脂肪动员。（抑制激素敏感性脂肪酶活性）胰岛素的作用：糖尿病的生化改变：1.葡萄糖转运进入细胞↓2.糖原合成↓糖原分解↑3.糖的有氧氧化障碍4.肝内糖异生↑5.脂肪动员↑，代替葡萄糖供能血糖↑，糖尿渗透压↑渗透性利尿，尿量↑多尿体重↓