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糖尿病的分子机制糖尿病的分子机制11级病理班级病理班2唐同学，男，唐同学，男，15岁。三个月岁。三个月前受凉感冒，之后常感觉口前受凉感冒，之后常感觉口渴、总想喝水、感觉没有力渴、总想喝水、感觉没有力气，体重减轻气，体重减轻5斤。斤。诊断：诊断：1型糖尿病，糖尿病酮型糖尿病，糖尿病酮症酸中毒。症酸中毒。1型糖尿病 IDDM是人类一种内分泌疾病，多数情是人类一种内分泌疾病，多数情况下是由自身免疫系统损伤了胰况下是由自身免疫系统损伤了胰岛岛细胞所致的细胞所致的当胰腺中超过了当胰腺中超过了90的的细胞受细胞受损时出现临床表现（空腹高血糖，损时出现临床表现（空腹高血糖，糖尿及酮症酸中毒）糖尿及酮症酸中毒）1型糖尿病的分类 免疫介导糖尿病（免疫介导糖尿病（1A）特发性糖尿病特发性糖尿病(1B)1A研究中使用的动物模型NOD小鼠（非肥胖糖尿病小鼠）小鼠（非肥胖糖尿病小鼠）BB大鼠（大鼠（Biobreading大鼠）大鼠）证实了证实了T细胞是细胞是细胞破坏的启动者和最终效应者细胞破坏的启动者和最终效应者NOD小鼠NOD小鼠的小鼠的MHC中缺乏中缺乏类类E（与（与HLA-DR同源）同源）1A发病与发病与HLA复合物上复合物上DQ-A和和DQ-B有关有关自身抗原到底是胰岛素还是谷氨酸脱羧酶自身抗原到底是胰岛素还是谷氨酸脱羧酶（GAD）?自身免疫的胰腺炎白白细细胞胞:胰胰岛岛外周外周积积累除了累除了ER-MP25+还还有有MOMA-1+巨噬巨噬细细胞胞:BM8+巨噬巨噬细细胞胞T淋巴淋巴细细胞胞:CD4+CD8+B淋巴淋巴细细胞胞:对对T淋巴淋巴细细胞有胞有辅辅助作用（助作用（APC）直接和间接直接和间接B淋巴细胞的辅助作用NOD/Jsd小鼠小鼠NOD/Lt小鼠小鼠实验发病雌性发病雌性NOD小鼠小鼠CD4+和和CD25+的的T细胞增多细胞增多未发病雌性未发病雌性NOD小鼠小鼠CD4+和和CD25+的的T细胞未增多细胞未增多通过通过RT-PCR技术检测发病的技术检测发病的NOD小鼠的小鼠的CD4+T细胞更偏向于分泌辅助细胞细胞更偏向于分泌辅助细胞TH1的的致炎淋巴因子，其中尤其是致炎淋巴因子，其中尤其是INF-。自身免疫的胰腺炎还有研究表明当还有研究表明当T细胞诱导发育为细胞诱导发育为TH2时不时不会者产生会者产生1AIL-12和和IL-18是是T淋巴细胞向淋巴细胞向TH1分化的相关细胞因子分化的相关细胞因子NOD/Born（环磷酰胺加速糖尿病发病的（环磷酰胺加速糖尿病发病的NOD小鼠）小鼠）LADA和1BLADA（成人隐匿性免疫糖尿病）（成人隐匿性免疫糖尿病）1B细胞凋亡的信号转导死亡受体介导的信号途径死亡受体介导的信号途径线粒体途径线粒体途径颗粒酶颗粒酶B途径途径死亡受体介导的信号途径IFN-B细胞细胞FasDISCFas受体多聚化受体多聚化诱导诱导表达表达募集募集Caspase8/10DDFADD使使Caspase8水解活化水解活化激活效应激活效应Caspase3,6,7线粒体途径激活效应激活效应Caspase-3，6，7Cyt-cATPApaf-1Caspase9颗粒酶B途径颗粒酶颗粒酶B存在于存在于CTL细胞和细胞和NK细胞中细胞中T细胞活化之后会释放颗粒酶和穿孔素细胞活化之后会释放颗粒酶和穿孔素激活激活Caspase3，7，8，10Caspase（半胱天冬蛋白酶）通过剪切核内底物通过剪切核内底物（核纤层蛋白，细胞骨架蛋白等）（核纤层蛋白，细胞骨架蛋白等）使细胞凋亡使细胞凋亡 II型糖尿病患者不需要依靠胰岛素，可以使型糖尿病患者不需要依靠胰岛素，可以使用口服降糖药物来控制血糖，又称非胰岛素依用口服降糖药物来控制血糖，又称非胰岛素依赖糖尿病。所谓的赖糖尿病。所谓的2型糖尿病型糖尿病，是各种致病，是各种致病因素的作用下，经过漫长的病理过程而形成的。因素的作用下，经过漫长的病理过程而形成的。由于致病因子的存在，正常的血液结构平衡被由于致病因子的存在，正常的血液结构平衡被破坏，血中胰岛素效力相对减弱，经过体内反破坏，血中胰岛素效力相对减弱，经过体内反馈系统的启动，首先累及胰岛，使之长期超负馈系统的启动，首先累及胰岛，使之长期超负荷工作失去代偿能力。再继续下去，就像强迫荷工作失去代偿能力。再继续下去，就像强迫一个带病的人干活一样，最终累死。一个带病的人干活一样，最终累死。2型糖尿病型糖尿病2型的发病机制型的发病机制胰岛素抵抗的机制胰岛素抵抗的机制胰岛胰岛细胞凋亡的细胞凋亡的机制机制胰岛素的信号的转导通路胰岛素的信号的转导通路胰岛素受体胰岛素受体(INSR)胰岛素受体是一个四聚体，由两个胰岛素受体是一个四聚体，由两个亚基和两个亚基和两个亚基亚基通过二硫键连接。两个通过二硫键连接。两个亚基位于细胞亚基位于细胞质膜的外侧，其上有胰岛素的结合位点；两个质膜的外侧，其上有胰岛素的结合位点；两个亚基亚基是跨膜蛋白，起信号转导作用。无胰岛素结是跨膜蛋白，起信号转导作用。无胰岛素结合时，受体的酪氨酸蛋白激酶没有活性。当胰岛素与合时，受体的酪氨酸蛋白激酶没有活性。当胰岛素与受体的受体的亚基结合并改变了亚基结合并改变了亚基的构型亚基的构型后，酪氨酸蛋白激酶才被激活，激活后可催化两个反后，酪氨酸蛋白激酶才被激活，激活后可催化两个反应应使四聚体复合物中使四聚体复合物中亚基特异位点的酪氨酸残基亚基特异位点的酪氨酸残基磷酸化磷酸化,这种过程称为自我磷酸化这种过程称为自我磷酸化将胰岛素受体底将胰岛素受体底物物(IRS)上具有重要作用的十几个酪氨酸残基磷酸化，上具有重要作用的十几个酪氨酸残基磷酸化，磷酸化的磷酸化的IRS能够结合并激活下游效应物。能够结合并激活下游效应物。什么是胰岛素抵抗 IR是指机体在一定量的胰岛素水平作用下,葡萄糖摄取和处理能力降低,肌细胞和脂肪细胞不能利用糖,以及肝细胞不能有效抑制糖原分解和糖异生,而向血中释放过多葡萄糖,致使血糖浓度增高。(1)从胰岛素基因水平1.1胰胰岛岛素分子上的某一素分子上的某一个氨个氨基酸被代基酸被代替，而此替，而此氨氨基酸基酸对对胰胰岛岛素的生物活性素的生物活性起起关关键键性作用性作用1.2胰胰岛岛素原素原转换为转换为胰胰岛岛素的素的过过程中，正程中，正常的咸基常的咸基残残端被裂端被裂开开。B52突突变变（苯苯丙丙氨氨酸酸 亮亮氨氨酸）酸）INS一一级级结结构构改改变变-受体受体结结合障碍合障碍。65位（精位（精氨氨酸酸 非咸性非咸性氨氨基酸）基酸）蛋白酶蛋白酶识别识别点消点消失失 INS加工障碍加工障碍胰胰岛岛素原在素原在C肽肽和和B链链之之间间断断裂裂 妨碍受体妨碍受体识别识别（2）从胰岛素受体水平）从胰岛素受体水平01020304050607080901001101201301234 5 6 78910 11 12 1314 2122胰胰岛岛素素结结合合区区富含半胱富含半胱氨氨酸酸区区域域选择选择性可剪切性可剪切外外显显子子前受体胯加前受体胯加工工区区酷酷氨氨酸激酸激酶酶信信号号肽肽外外显显子子胰胰岛岛素受体基因素受体基因结结构构图图编码受体的基因改变编码受体的基因改变 胰岛素受体基因突变导致正常受体数量胰岛素受体基因突变导致正常受体数量减少：受体降解加速：受体酪氨酸酶活性降减少：受体降解加速：受体酪氨酸酶活性降低：受体再利用障碍：受体与胰岛素的亲和低：受体再利用障碍：受体与胰岛素的亲和力下降从而导致胰岛素抵抗，此时胰岛素力下降从而导致胰岛素抵抗，此时胰岛素细细胞代偿性分泌大量胰岛素，形成高胰岛素血胞代偿性分泌大量胰岛素，形成高胰岛素血症，持续高胰岛素血症进一步降低胰岛素的症，持续高胰岛素血症进一步降低胰岛素的生物效应，由此恶性循环。生物效应，由此恶性循环。（3）从胞内水平）从胞内水平胰岛素受体底物胰岛素受体底物IRS磷脂酰肌醇磷脂酰肌醇-3激酶激酶(PI3-K)葡萄糖激酶葡萄糖激酶糖原合成酶糖原合成酶胰岛素受体底物胰岛素受体底物IRS基因突变基因突变 编码胰岛素受体编码胰岛素受体IRS的基因发生突变的基因发生突变导致正常导致正常irs减少引起减少引起IR其他因素导致异常其他因素导致异常 肿瘤坏死因子肿瘤坏死因子(TNF)和代谢物和代谢物(多为多为FFA、葡萄糖、葡萄糖)均可促使均可促使IRS的丝氨酸磷酸化的丝氨酸磷酸化而抑制酪氨酸磷酸化和胰岛素信号转导而抑制酪氨酸磷酸化和胰岛素信号转导,从从而导致而导致IR;长期高血糖促使蛋白激酶长期高血糖促使蛋白激酶C活化活化,催化胰岛素受体底物丝氨酸磷酸化催化胰岛素受体底物丝氨酸磷酸化,抑制抑制PI-3K活性活性,导致导致IR IKK-的活化进而催化胰岛素受体底物的活化进而催化胰岛素受体底物 (IRS)(IRS)特定部位的特定部位的Ser/ThrSer/Thr残基磷酸化，抑制残基磷酸化，抑制信号分子的信号分子的TyrTyr残基磷酸化残基磷酸化,导致导致IRIR。磷脂酰肌醇磷脂酰肌醇-3激酶激酶(PI3-K)游离脂肪酸游离脂肪酸(FFA)释放增多，血清释放增多，血清FFA的升的升高可引起骨骼肌、肝脏的高可引起骨骼肌、肝脏的PI-3K活性降低，胰活性降低，胰岛素的信号传导通路中断，岛素的信号传导通路中断，致使葡萄糖无法进致使葡萄糖无法进入细胞内参与代谢，引起入细胞内参与代谢，引起IR。葡萄糖激酶葡萄糖激酶1b 1c23 7 8 910 ExonGCK结结构构示意示意图图4 5 61a 在起病早期或在起病早期或伴明显家族史的伴明显家族史的常见型常见型2型糖尿型糖尿病中见到病中见到GCK内内含子含子1b变异。导变异。导致该酶的结构改致该酶的结构改变从而无法将葡变从而无法将葡萄糖转化为萄糖转化为6-磷磷酸葡萄糖。酸葡萄糖。血糖增高血糖增高GCK表表达达葡萄糖葡萄糖6-磷酸葡萄糖磷酸葡萄糖胰胰岛岛素分泌素分泌肝糖元合成肝糖元合成糖原合成酶糖原合成酶在周围组织对葡萄糖的非氧化摄取、合成在周围组织对葡萄糖的非氧化摄取、合成糖原的过程中，糖原合成酶（糖原的过程中，糖原合成酶（GSY）基因）基因产物起到重要作用。这一过程的受阻可引产物起到重要作用。这一过程的受阻可引起周围组织对胰岛素的抵抗起周围组织对胰岛素的抵抗IR，在在2型糖尿病患者型糖尿病患者GSY基因中基因中发现发现了了双双核核苷苷酸酸复复序列多序列多态态性（性（TG）。）。它它位于位于19号号染色体染色体载载脂蛋白脂蛋白C-2及富含及富含组组氨氨酸的酸的钙结钙结合蛋白基因之合蛋白基因之间间，拥拥有有10个个等位基因，等位基因，杂杂合度合度0.82，在，在2型型糖尿病糖尿病发发病及病及胰胰岛岛素抵抗中的作用机制素抵抗中的作用机制尚尚待待进进一步一步研研究。究。胰岛细胞凋亡细胞凋亡炎症应激氧化应激内质网应激糖毒性作用脂毒性作用炎症应激 高糖可诱导胰岛细胞高糖可诱导胰岛细胞IL-1合成和合成和分泌，促进分泌，促进Fas触发的触发的细胞凋亡。细胞凋亡。在在2型糖尿病患者中浸润于胰岛的巨型糖尿病患者中浸润于胰岛的巨噬细胞也可产生噬细胞也可产生IL-135。氧化应激 氧化应激（氧化应激（Oxidative Stress，OS）是指体内氧）是指体内氧化与抗氧化作用失衡，倾向于氧化，导化与抗氧化作用失衡，倾向于氧化，导 致中性粒细致中性粒细胞炎性浸润，蛋白酶分泌增胞炎性浸润，蛋白酶分泌增 加，产生大量氧化中间加，产生大量氧化中间产物。产物。高血糖的致病作用在很大程度上是通过活性氧高血糖的致病作用在很大程度上是通过活性氧簇簇（ROS）、活性氮（）、活性氮（RNS）生成和继发的氧化应）生成和继发的氧化应激反应介导的。激反应介导的。ROS、RNS除直接氧化损害除直接氧化损害 DNA、蛋白质、脂质、大分子物质外，还间接通过核因子蛋白质、脂质、大分子物质外，还间接通过核因子B（NF-B）、）、p38丝裂原活化蛋白激酶、丝裂原活化蛋白激酶、NH3末末端端Jun激酗应激活化蛋白激酶（激酗应激活化蛋白激酶（JNKSAPK）、己）、己糖胺等细胞应激敏感途径损害组织。糖胺等细胞应激敏感途径损害组织。在在2型糖尿病患者中，高血糖活化这些通路，但型糖尿病患者中，高血糖活化这些通路，但由于胰岛由于胰岛细胞的超氧物歧化酶、过氧化氢酶和谷细胞的超氧物歧化酶、过氧化氢酶和谷胱甘肽过氧化物酶等抗氧化酶表达量低，进而抗氧胱甘肽过氧化物酶等抗氧化酶表达量低，进而抗氧化能力低，因此化能力低，因此细胞特别易受到氧化应激的损害。细胞特别易受到氧化应激的损害。在在2型糖尿病患者型糖尿病患者细胞处于自由基的慢性增细胞处于自由基的慢性增加和细胞内氧化还原调节能力降低的环境，引加和细胞内氧化还原调节能力降低的环境，引起起 细胞凋亡。细胞凋亡。内内质质网网应应激激 各种原因导致的未折叠蛋白或错误折叠蛋白在内各种原因导致的未折叠蛋白或错误折叠蛋白在内质网质网 腔内的积聚，被称为内质网应激。在胰岛素腔内的积聚，被称为内质网应激。在胰岛素抵抗和抵抗和2型糖尿病时，由于胰岛素原的合成增加，型糖尿病时，由于胰岛素原的合成增加，当超过内质网的负荷，引起内质网应激，其中由当超过内质网的负荷，引起内质网应激，其中由蛋白质堆积所引起的一系列后续反应称为未折叠蛋白质堆积所引起的一系列后续反应称为未折叠蛋白反应（蛋白反应（unfolded protein response，UPR）。）。未折叠蛋白反应首先表现为蛋白质合成暂停，随未折叠蛋白反应首先表现为蛋白质合成暂停，随着应激反应蛋白基因表达，可进一步改善细胞生着应激反应蛋白基因表达，可进一步改善细胞生理状态。但当应激原强度超过细胞自身处理能力理状态。但当应激原强度超过细胞自身处理能力时，内质网也会诱导特有的内质网性细胞凋亡通时，内质网也会诱导特有的内质网性细胞凋亡通路，诱导路，诱导细胞凋亡。细胞凋亡。糖毒性作用糖毒性作用 长期高血糖可能影响参与凋亡的基因表长期高血糖可能影响参与凋亡的基因表达，通过改变达，通过改变Bcl蛋白家族之间的平衡来蛋白家族之间的平衡来调节调节细胞凋亡水平。细胞凋亡水平。Federici等发现在等发现在高葡萄糖（高葡萄糖（16.7mmol/L）条件下，高血条件下，高血糖能够持续增加促凋亡基因糖能够持续增加促凋亡基因Bad、Bid、Bik的表达，减少的表达，减少Bcl-xl抗凋亡基因的表抗凋亡基因的表达，而对达，而对Bcl-2抗凋亡基因的表达没有影抗凋亡基因的表达没有影响。高血糖打破了促凋亡和抗凋亡之间的响。高血糖打破了促凋亡和抗凋亡之间的平衡，并向着凋亡的方向发展，促进胰岛平衡，并向着凋亡的方向发展，促进胰岛细胞凋亡。细胞凋亡。脂毒性作用脂毒性作用 FFA可通过增加合成鞘髓磷脂醇产物一酰基可通过增加合成鞘髓磷脂醇产物一酰基鞘氨醇（一个细胞凋亡信息分子）导致鞘氨醇（一个细胞凋亡信息分子）导致细胞细胞凋亡，酰基鞘氨醇可上调凋亡，酰基鞘氨醇可上调NF-B的表达，而后的表达，而后者又可上调者又可上调NO合酶的表达，使合酶的表达，使NO产生增加；产生增加；FFA可以通过一氧化氮独立机制的影响使正常可以通过一氧化氮独立机制的影响使正常的胰岛的胰岛细胞凋亡。细胞凋亡。寻找新的致病基因寻找新的致病基因一实验目的 进一步寻找新的目的基因二实验原理 有方向：根据已有的方向进一步深入 无方向：用基因芯片的方法高通量筛选 科研的基本方法 伽利略：问题 提出猜想 设计实验方案 修正假说 结果对比 实验验证 （一）立题提出问题：该往哪个方向研究？是围绕胰腺展开 直面疾病 还是舍而取其次转攻其他相关的器官？文献查询：胰腺 肾脏 原则：实用性：有一定的临床研究价值可行性：在实验中不超过现有的实验条件科学性：尽量根据已有的一些研究成果缩小一下目标范围先进性：采用交心的前沿的技术和方法，以较先进的理论 作为研究的指导三 实验设计 根据一中筛选的可疑基因，通过查询相关文献进一步去除已知的基因 筛选出新的可疑基因 再按可疑度的高低逐个依次研究 于是问题到这一步转化成了：如何确定找到一个可疑的基因是否为致病基因1比较该基因在不同物种之间的分布原因：人和实验动物（如老鼠）毕竟是不同的，有些基因实验动物有而人没有，因此对人类而言也没有进一步的临床意义人类有人类有Y不同亲缘性动物对比不同亲缘性动物对比换下一个换下一个关于如何符合：可以分不同的层次展开1细胞水平：对人类某些组织细胞进行离体培养，对某些基因进行操作（如基因的敲除、沉默、低表达、过表达）观察其对细胞的影响2个体水平：小鼠小鼠 猴子猴子 猩猩猩猩验证思路不变不变 变变1 基因基因 疾病疾病 例：体外高糖培养小鼠肾小球足细胞例：体外高糖培养小鼠肾小球足细胞 检测检测NICDI表达与肾小球足细胞凋亡关系，并了解信表达与肾小球足细胞凋亡关系，并了解信号通路是否介导高糖对号通路是否介导高糖对NOTCH通路的激活通路的激活2 疾病疾病 基因基因，思路：（思路：（1）先做基因改变，再致病）先做基因改变，再致病 （2）先致病，再做基因改变）先致病，再做基因改变实例：1.材料：2.细胞培养：5%CO2 33摄氏度3.细胞分组4.western blotting 检测 NICIDI 的表达5.统计学处理展望：分子生物学家：分子生物学家：在我心中，有一个梦，能用基因治疗所有的痛；在我心中，有一个梦，能用基因治疗所有的痛；万千基因，谁是真的元凶，愿患者生命从此与过往不万千基因，谁是真的元凶，愿患者生命从此与过往不同；同；分子魂，基因梦，魂牵梦萦是动力的泵。分子魂，基因梦，魂牵梦萦是动力的泵。谢谢谢谢