昼夜节律和生物钟基因与糖尿病视网膜病变发病的相关性研究进展.pdf

文献综述昼夜节律和生物钟基因与糖尿病视网膜病变发病的相关性研究进展田思雯刘秋平马继贤杨佳洁李晶明引用:田思雯刘秋平马继贤等.昼夜节律和生物钟基因与糖尿病视网膜病变发病的相关性研究进展.国际眼科杂志():基金项目:国家自然科学基金资助项目(.)江西省自然科学基金项目(.)作者单位:()中国江西省南昌市南昌大学附属眼科医院()中国陕西省西安市西安交通大学第一附属医院眼科:田思雯和刘秋平对本文贡献一致作者简介:田思雯南昌大学在读硕士研究生刘秋平毕业于南昌大学博士副主任医师硕士研究生导师研究方向:玻璃体视网膜疾病通讯作者:李晶明毕业于中山大学博士副主任医师硕士研究生导师研究方向:糖尿病视网膜病变的发病机制.收稿日期:修回日期:摘要糖尿病视网膜病变()是糖尿病患者最常见的微血管并发症已成为全球工作年龄人群视力障碍的主要原因之一 的发生是多种机制共同作用的结果越来越多的研究表明昼夜节律及生物钟基因与 的发病密切相关 昼夜节律是受生物钟基因调控以 为周期与外界明暗变化相一致的生理过程生物钟调控机体的各种生理活动 昼夜节律紊乱通过影响糖尿病患者的血糖水平和眼部的生理稳态等诱导 的发生生物钟基因可能通过调控 的氧化应激反应、炎症反应、视网膜自噬节律、线粒体功能障碍以及内皮祖细胞功能等各方面参与 的发病 本文介绍了昼夜节律的产生及调控机制以及视网膜内在昼夜节律生物钟深入探讨了昼夜节律系统以及生物钟基因在 发生发展过程中的影响旨在为 的预防及治疗提供参考关键词:糖尿病视网膜病变昼夜节律生物钟基因:./.:(.)(.):.:().:.()():引言糖尿病视网膜病变()是糖尿病最常见的微血管并发症占比约为.目前我国际眼科杂志 年 月 第 卷第 期 :/.电话:电子信箱:.国的糖尿病患者人数位列全球第一国际糖尿病联盟 年报告显示我国工作年龄人群糖尿病患病率为.远高于全球其他国家 同时由于人群总体预期寿命延长因 导致视力损害的人数可能会继续增加 是一种进行性的终身疾病其病理过程主要为视网膜微血管系统受损血视网膜屏障()破坏及神经元的功能障碍最终导致视力下降目前 的发病机制尚未完全阐明在参与 发病的诸多因素中昼夜节律及生物钟基因的作用受到越来越多学者的关注 本文现就昼夜节律、生物钟基因与 发病的相关性作一综述旨在为 的预防、治疗及预后提供新的思路 昼夜节律及昼夜节律紊乱与 的发病.昼夜节律的产生及调控机制昼夜节律是一种存在于所有生物体中并受生物钟系统调控的时间程序涉及从基因表达到行为调控等各个层面该过程大约以 为一个周期 生物钟自主调节睡眠/觉醒行为、认知、进食、心跳、血压、肾功能以及消化等各种生物学活动 哺乳动物 的 生 物 钟 系 统 由 位 于 下 丘 脑 视 交 叉 上 核()的中央生物钟和外周生物钟共同组成 位于 的中央生物钟接受内在光敏性视网膜神经节细胞()所投射的光信号整合机体的代谢过程使其与外界环境变化同步 中央生物钟系统通过转录翻译反馈环()机制调控基因和蛋白质的周期性表达 在哺乳动物细胞中 和 组成的异二聚体:可激活 和 的基因转录 和 蛋白在细胞质中累积并形成复合物:进入到细胞核抑制:转录活性降低其自身的表达这一调控过程称为核心 此外 和 可被 泛素连接酶降解解除其对:的转录抑制作用 除 和 基因外:靶基因还包括/:可激活/转录而/可与转录激活因子/竞争 启动子上的 反应元件抑制 转录形成第二个 /确保了 的节律性表达有助于维持生物钟的稳定 中有近 个生物钟细胞这些细胞相互作用形成强大的节律控制网络 等对 器官切片及单细胞测序分离得到 个不同的参与昼夜节律控制的神经元亚群并揭示了 神经肽能轴信号通路为 周期和节律调节的关键因子 核心 与/之间的协同作用保证了生物钟系统的抗干扰能力有助于维持精确的昼夜节律周期从而优化参与外周生理反应的基因表达 另外昼夜节律受多种因素的影响其中最重要的影响因子是光线 光感受器在感知到光信号后通过各种级联反应致使生物体内源性周期与外界环境因素变化相同步 在现代生活中夜间光线的过度使用会影响扰乱昼夜节律破坏机体的生理动态平衡造成各种代谢性疾病发生.视网膜内在昼夜节律生物钟哺乳动物视网膜拥有一个内在的不受 影响的生物钟可调节眼内各种节律性变化例如视觉敏感性、眼压变化、褪黑素和多巴胺的释放、脱落吞噬以及视网膜对光的电反应 研究表明视锥细胞、多巴胺能无长突细胞和 等多种视网膜神经元中存在生物钟蛋白其中视锥细胞中可观察到所有生物钟蛋白的昼夜节律性表达多巴胺能无长突细胞中仅存在 的节律性表达而视杆细胞仅低水平表达生物钟蛋白 等的研究表明视网膜内源性生物钟蛋白独立于光感受器和 表达在内核层和神经节细胞层中 小鼠 只定位于内核层和神经节细胞层并且昼夜节律相关激素褪黑素的关键调节酶 也在视网膜的内核层和神经节细胞层进行转录 以上研究皆证明了视网膜内存在着独立的生物钟系统而视网膜生物钟系统紊乱会影响眼部的生理稳态促进疾病的发生发展在光诱导的昼夜节律中起主要作用的视网膜细胞包括视杆细胞、视锥细胞和 等研究发现小鼠视网膜 仅占总 细胞数的 这一小部分细胞向大脑传递光信号产生非图像形成功能 表达一种蓝光敏感的视色素 可以直接接受光信号这一过程不依赖于功能性视锥细胞和视杆细胞直接参与光诱导的昼夜节律调控 对 敲除小鼠(/)进行视网膜电图检测研究者们发现 缺失会导致视锥细胞的昼夜节律性减弱即 对光感受器产生的视觉信息的昼夜节律具有调节作用此外 具有调节视觉成像过程的功能且它的活动需要同步控制视网膜内部对光的电反应的视网膜生物钟细胞群 环境光信号的变化对睡眠的影响主要通过 将视细胞和 驱动的光信号输送到大脑以调节其昼夜节律 上述研究都证明了 及 对于维持视网膜昼夜节律的稳态具有不可比拟的重要性.昼夜节律紊乱与 的发病工业革命以来工作周期和工作环境的改变以及人工光源的过度使用使得人类视网膜接收的光照越来越多会引起睡眠周期及昼夜节律的改变 长期的轮班工作会扰乱生物钟系统造成昼夜节律紊乱增加 型糖尿病()的发病率 睡眠时间受昼夜节律和体内平衡机制调控是胰岛素抵抗和 的危险因素 中国一项关于 患者主观睡眠时间和睡眠质量的研究表明:.的 患者存在极端的睡眠时间(或).的 患者存在睡眠质量问题 此外有学者研究了血糖水平对、糖尿病前期()、正常糖耐量()者客观睡眠质量的影响结果显示三组患者的睡眠质量与糖化血红蛋白呈现显著负相关睡眠质量的下降普遍存在于糖尿病前期和 早期阶段其中 组的睡眠质量最差即使参与者尚未意识到其睡眠出现障碍睡眠质量仍随着血糖水平升高而显著降低 韩国一项基于 岁糖尿病患者的横断面研究发现过长()或过短()的睡眠时间均与男性 的患病率升高有关 过长或过短的睡眠时间可能通过破坏昼夜节律或引发糖代谢异常对 的发展产生影响 综上昼夜节律紊乱为 患者血糖控制带来了难度增加了微血管系统及神经系统的患病风险高血糖状态造成的视网膜微血管损伤和神经元功能障碍在 发生发展中起着重要作用 糖尿病早期甚至在 相关微血管改变之前就可观察到视网膜神经变性 糖尿病动物模型中初期就可观察到感光细胞凋亡 .:/.:.时视网膜外核层厚度明显降低 研究发现 患者的视网膜内丛状层()和视网膜外层均变薄且这种改变与睡眠障碍具有显著相关性 睡眠时间受昼夜节律和体内平衡机制的控制而 可调控机体的昼夜节律 根据以上两点可推断 患者昼夜节律的紊乱与 功能障碍具有一定的相关性 等的研究证实了上述推断患者的 功能异常与昼夜节律失调及睡眠障碍有关 研究发现糖尿病患者睡眠质量差与威胁视力的 之间存在显著相关性 研究组对 严重性与睡眠质量的相关性进行了深入探讨结果显示 严重程度对睡眠质量没有影响研究者推论可能的原因是研究中所纳入的受试者至少存在一眼视力较好在视力较好眼中 功能可能还没有受损因此不会对患者的主观睡眠质量产生影响 参与许多生物节律的信息传递包括褪黑素的分泌和昼夜节律调控 对伴有或不伴有 的糖尿病患者的唾液褪黑素水平以及活动/休息间隔进行研究结果显示所有糖尿病患者凌晨时的褪黑素峰值和夜间平均褪黑素水平均显著降低然而仅伴有 的糖尿病患者的活动/休息间隔显示每日变异性增加表明 患者的昼夜节律出现紊乱 褪黑素具有脂溶性和水溶性且作为抗炎剂和强抗氧化剂可有效减轻糖尿病患者视网膜组织的局部氧化应激反应对高糖诱导的视网膜组织损伤具有保护作用 以上研究均表明 患者的 功能障碍与昼夜节律紊乱密切相关针对 患者 功能的治疗有望改善其视网膜损害 生物钟基因与 的发病 的发病机制错综复杂目前研究证明的机制主要包括氧化应激反应、炎症反应、自噬失调、线粒体功能受损和血管内皮祖细胞功能障碍等生物钟基因可能通过调控上述过程参与 的发生发展.生物钟基因调控 氧化应激反应 尽管 的发病机制涉及多种生化途径但对视网膜的主要损害是由氧化应激反应引起的 氧化应激启动了 发病机制中的四个主要通路如多元醇合成增加晚期糖基化终末产物()的形成蛋白激酶()的激活和己糖胺途径 高糖条件下周细胞内过量的葡萄糖转化为代谢缓慢的山梨醇并蓄积在细胞中机体蛋白质非酶糖化形成的 大量堆积均可引起周细胞死亡、视网膜血管内皮受损导致 破坏以及视网膜血管渗漏 糖尿病患者的视网膜中普遍观察到活性氧()水平升高 被认为是 发展的主要致病因素 高血糖状态下二酰甘油()合成增加进而激活 通路形成大量 造成视网膜血管通透性增加 大量积累的 导致糖酵解产物流入己糖胺途径生成的葡萄糖胺增加了过氧化物的产生导致氧化增加细胞内皮改变血管通透性增加 生物钟基因 和 可以通过启动子上的 元件调控 及其下游抗氧化应激蛋白的节律性表达发挥抗氧化应激作用 基因活性的丧失会损害线粒体的代谢功能造成线粒体的自噬受损而线粒体功能障碍所引起的氧化应激会促进 的发展 因此生物钟基因可通过调控氧化应激通路影响 的产生减少视网膜血管神经损伤.生物钟基因调控 炎症反应 在 的发生发展过程中始终伴随着炎症反应 促炎细胞因子的释放和视网膜毛细血管白细胞黏附是 发展的最初变化 高血糖所引起的 增加和氧化应激可通过 的核易位诱导视网膜炎症反应而视网膜炎症反应主要由小胶质细胞活化引起 过度反应的小胶质细胞会分泌大量促炎细胞因子和细胞毒性因子如肿瘤坏死因子()、白细胞介素()、和 活 性 氮()这些因子会引起慢性炎症导致糖尿病患者的 损伤进而加快 进展 小胶质细胞的过度反应和促炎细胞因子与趋化因子水平的升高是 的重要病理标志 脂多糖()可诱导小胶质细胞中促炎细胞因子的表达增加而在 缺陷小鼠的小胶质细胞中 诱导的 表达减弱即 可在小胶质细胞炎症反应中发挥作用 应用 激动剂 预处理小胶质细胞可通过抑制 通路降低 诱导的 与 的表达和分泌 上述研究均表明生物钟基因对于炎症反应具有重要的调节作用.生物钟基因调控视网膜自噬节律自噬是一种保守的细胞分解代谢机制通过形成自噬溶酶体以促进受损细胞成分的降解 在应激条件下自噬机制通过清除亚细胞碎片来维持细胞完整性 光感受器膜盘脱落在视网膜中具有昼夜节律性这种节律性与光感器外段的吞噬摄取和自噬降解的紧密联系是维持视网膜稳态的关键因素 而自噬失调将导致视网膜功能障碍和神经变性 研究发现自噬蛋白在小鼠和大鼠的视网膜神经元和血管内皮细胞中大量表达并表现出不同的昼夜节律 其中自噬相关蛋白 ()的表达水平在上午 左右达到峰值 和自噬标志物轻链()的表达水平在上午和晚上 左右达到最高水平 的表达在午夜观察到最高水平 然而在糖尿病小鼠中这些自噬蛋白的表达均显著减少其独特的昼夜节律也明显受损 自噬的关键调节因子 的活性受生物钟基因的调控节律性激活的 可反过来增强生物钟基因的调控功能 等的研究结果表明生物钟基因 是连接昼夜节律周期与 信号通路的翻译因子 深入研究生物钟基因与自噬调节因子之间的相互作用明确自噬节律在视网膜中的重要性可为 提供新的治疗策略.生物钟基因调控 线粒体功能障碍 线粒体是细胞进行有氧呼吸产生能量的重要部位 视网膜作为机体高耗能组织大量消耗葡萄糖会导致通过呼吸链的电子通量增加复合物的活性降低使得 积累增加 正常情况下 的生成受到内源性抗氧化剂的控制但高糖环境下线粒体()修复系统受损胞质内 持续破坏线粒体的完整性最终造成视网膜细胞凋亡 蛋白可以与线粒体膜转运蛋白 相结合进而控制线粒体的代谢功能生物钟基因 作为氧化代谢的正反馈因子其功能丧失会加剧线粒体功能障碍 糖尿病患者视网膜中线粒体融合蛋白()表达降低 通过调控线粒体 氧化、膜电位和氧化磷酸化来调节线粒体代谢 研究表明 缺失抑制了胰腺 细胞中 国际眼科杂志 年 月 第 卷第 期 :/.电话:电子信箱:.的蛋白表达导致线粒体膜电位和结构发生异常大量 积累 患者视网膜细胞中线粒体稳态出现异常生物钟基因 和 具有调节线粒体代谢的能力靶向 和 基因对于 的治疗具有一定的参考价值.生物钟基因调控 内皮祖细胞功能内皮祖细胞()起源于血管母细胞并保留了形成新生血管的能力 在高糖环境下功能失调导致血管修复不完全外周循环受损 血管修复不完全可导致 破坏诱发糖尿病性黄斑水肿的发生 糖尿病患者血液循环中的 数量减少迁移能力降低造成其修复能力下降可能导致视网膜血管损伤 患者中 的形态发生改变同时在增殖、黏连和血管新生等方面表现出功能障碍 生物钟基因 突变小鼠表现出进行性视网膜血管功能障碍视网膜血管通透性增加并生成新生血管 突变小鼠表现出的以上血管变化与糖尿病相似即 出现功能障碍 和 双敲除小鼠的内皮细胞增殖能力、迁移能力下降导致血管新生功能受损 上述研究均显示出生物钟基因可通过影响视网膜血管功能调控 的进展 小结综上所述昼夜节律的紊乱和生物钟基因的异常表达在 的发病过程中起着重要的作用但其具体的分子机制以及与 发病的因果关系尚未完全清楚 在今后的研究学习中应当系统性地将昼夜节律以及生物钟基因的作用机制和 的病理生理学联系在一起为 的综合防治提供更加全面有效的方案 现有研究提示针对 功能和生物钟基因调控功能的治疗方案可以为 的预防、治疗以及预后提供新的思路 此外使用褪黑素以及改善睡眠、加强锻炼有望成为辅助治疗手段参考文献 .:.():.:.:?():.():.():.:.():.():.():.():.():.().():.():周琦 祁玉麟 薛愚愚 等.眼的生物钟调控机制研究进展.国际眼科杂志():.:.():.():.():.():.():.:.():.:.():.():.():.():.():.():.:.():.():.:.():.:/.:.:.():.():.:刁慧杰 刘芳 李金颖 等.褪黑素对大鼠糖尿病视网膜病变的影响.国际眼科杂志():.:.:.:.:.():.().():.():.():.:.:.:.():.():.:.():.():.():.():.():.():.():.():.:.():.():.:.():.():.:.():.:.():.():.():.():国际眼科杂志 年 月 第 卷第 期 :/.电话:电子信箱:.