МОДИ диабет

Молекулярные механизмы развития диабета у молодых (MODY)
Иванова Е.О.
1. Введение.
инсулин и его биологические эффекты
Инсулин – двухцепочечный полипептидный гормон, синтезируемый из проинсулина и
секретируемый -клетками поджелудочной железы.
Глюкоза, манноза и лейцин - мощные стимуляторы синтеза проинсулина и секреции инсулина.
Когда в крови увеличивается концентрация глюкозы, секретируется инсулин, чтобы
восстановить ее исходную равновесную концентрацию. В целом, избыток инсулина
способствует
анаболическим
процессам,
т.е.
синтезу
гликогена,
жирных
кислот
и
триацилглицеролов, а также синтезу белка ; в то же время повышенное количество антагонистов
или недостаток инсулина облегчает катаболические процессы, т.е. гидролиз триацилглицеролов,
окисление жирных кислот, кетогенез, протеолиз, гликогенолиз. Следует отметить, что инсулин
не только стимулирует анаболические процессы, но и увеличивает отношение углеводы/жиры в
смеси энергетических веществ, поступающих в ткани, особенно - мышечную и жировую.
Биологические эффекты инсулина объединяют в 4 группы:
1) очень быстрые (секунды): гиперполяризация мембран некоторых клеток, изменения
мембранного транспорта глюкозы и ионов;
2) быстрые (минуты): активация или торможение многих ферментов, что приводит к
преобладанию
анаболических
процессов;
одновременно
ингибируются
катаболические
процессы;
3) медленные (от минут до часов): повышенное поглощение аминокислот клетками,
избирательная индукция или репрессия синтеза ферментов (индуцируемые ферменты
катализируют скорость-ограничивающие этапы анаболических реакций; репрессируемые играют ключевую роль в противоположных катаболических реакциях);
4) самые медленные (от часов до суток): митогенез и размножение клеток.
сахарный диабет: формы, этиология и патогенез
Сахарный диабет - заболевание, в основе развития которого лежит абсолютная и/или
относительная недостаточность инсулина в организме, вызывающая нарушение обмена
веществ. Занимает первое место среди эндокринной патологии, третье место как причина
смерти (после сердечно-сосудистых и онкологических заболеваний), которая может наступить
из-за острых (кома) или поздних осложнений диабета.
выделяют следующие формы сахарного диабета:
- инсулинзависимый диабет (ИЗД), или сахарный диабет 1 типа;
- инсулиннезависимый диабет (ИНЗД), или сахарный диабет 2 типа;
- симптоматический, или вторичный диабет, сопровождающий эндокринные заболевания акромегалию, болезнь Иценко-Кушинга, и заболевания поджелудочной железы - панкреатиты и
др.;
- диабет беременных (выявленный впервые при беременности)
Установлено,
что
в
основе
ИЗД
и
ИНЗД
лежат
разные
варианты
генетической
предрасположенности.
У больных, страдающих ИЗД, чаще всего выявляются диабетогенные гены системы главного
комплекса гистосовместимости. Результатом изменений этих генов является аутоиммунная
деструкция -клеток, приводящая к абсолютному дефициту инсулина. В этиолоии ИЗД имеют
значение вирусы эпидемического паротита, кори, врожденной краснухи, аденовирусы, вирусы
Коксаки. Полагают, что эти вирусы инициируют повреждение --клеток у лиц с генетической
предрасположенностью к такому повреждению. Развивается инсулит, который является
морфологическим отражением аутоиммунных процессов. Данный тип заболевания в основном
наблюдается у детей, подростков и лиц молодого возраста.
ИНЗД является крайне гетерогенным заболеванием. Среди причин, приводящих
к его развитию, выделяют нарушение секреции инсулина в ответ на стимуляцию
глюкорецепторов глюкозой, снижение числа и аффинности инсулиновых рецепторов, дефект
пострецепторных механизмов, секрецию аномального инсулина, гиперпродукцию глюкозы
печенью и др. Генетическая предрасположенность к данному типу намного выше, чем к ИЗД.
Данный тип сахарного диабета, как правило, наблюдается у лиц зрелого и старческого возраста.
2.MODY
MODY (maturity-onset diabetes of the young) - моногенетический
подтип диабета 2 типа с
аутосомно-доминантным типом наследования. MODY - наследуемый в семье диабет,
проявляющийся в раннем возрасте (детство, подростковый период, юношеский период) и
связанный с нарушениями секреции инсулина.
Вариабельность фенотипа больных MODY говорит о генетической гетерогенности этого
заболевания (см. табл. 1).Мутации в генах хромосом 20q, 7p, 12q, 13q, 17cen-q21.3, кодирующих
MODY1/ядерный фактор 4а гепатоцитов (HNF-4a), MODY2/глюкокиназу (GCK),MODY3/HNF1a, MODY4/промоторный фактор 1 инсулина (IPF-1) и MODY5/HNF-1b соответственно в
большинстве случаев играют решающую роль в патогенезе заболевания. Более того, похоже, что
существуют и другие гены, связанные с возникновением MODY, т.к. в некоторых семьях с
MODY не удалось выявить маркеров, тесно связанных с пятью известными генными локусами
MODY.
Таблица 1. Подтипы MODY.
MODY1
MODY2
MODY3
MODY4
MODY5
MODYX
20q
7p
12q
13q
17cen-q21.3
?
Белок
HNF-4
глюкокиназа
HNF-1
IPF-1
HNF-1/TCF-2
Частота
редко
10-65%
20-75%
редко
редко
10-20%
Постпуберталь-
детство
Постпуберталь-
Начало
Постпуберталь-
Гетерогенный
ный
полового
ный
?
Генный
локус
встречаемости
(в семьях с MODY)
Возраст
ный
созревания
Первичный
Поджелудочная
Поджелудочная
Поджелудочная
Поджелудоч-
Поджелудочная
Поджелудоч-
дефект
железа/печень
железа/печень
железа/почки/
ная железа/
железа/почки/
ная железа/
Другие органы
Другие органы
Другие органы
гетерогенный
?
Тяжесть
++
+
++
+
+
Частота
осложнений
+/(гетерогенная)?
заболевания
++
+
++
+
+
?
Рисунок
1.
Схематическое
изображение
сети
ДНК-связывающих
факторов,
вовлеченных в транскрипцию генов в эндокринных клетках поджелудочной железы. Dcoh –
кофактор HNF-la ;NeuroDl/Beta2 – фактор транскрипции в
β-клетках; GLUT2 – ген
транспортера глюкозы 2; HNF – ядерный фактор гепатоцитов; IP1 – промоторный фактор
инсулина.
Последние исследования показали, что 2-3% пациентов с диагнозом диабет 2 типа, на самом
деле имеют MODY. Обследование 67 семей с MODY во Франции показало, что у 63% из них
был подтип MODY2, а 21% имели подтип MODY3. У 16% семей за развитие заболевания
отвечали неизвестные генные локусы MODY. Напротив, Frayling и соавторы отмечали , что
частота встречаемости MODY2 составляла лишь 11% от всех случаев MODY в ряде английских
семей, в то время как превалировали мутации гена HNF-1 (их частота составила 73%). Такие
противоречащие результаты могут объясняться различиями в генетическом фоне двух
исследованных групп больных или могут отражать, по крайней мере частично, необъективность
в отборе семей. Тем не менее, видно, что среди пациентов с MODY , наиболее часты случаи с
MODY2 и MODY3. Что же касается MODY1, MODY4 и MODY5, то эти подтипы встречаются
редко.
Мутации глюкокиназы и MODY2
Глюкокиназа фосфорилирует глюкозу до глюкозо-6-фосфата в --клетках поджелудочной
железы и гепатоцитах и играет главную роль в регуляции и интеграции метаболизма глюкозы.
На сегодняшний день описано более 80 различных мутаций гена глюкокиназы. Исследования
показали, что ферментативная активность мутантных белков понижена, что характеризуется
уменьшением Vmax и/или уменьшением сродства ферментов к глюкозе. Результатом снижения
ферментативной активности глюкокиназы является уменьшение скорости гликолиза в
панкреатических -клетках. Это ведет к повышению уровня глюкозы в крови, что запускает
секрецию инсулина и сдвиг вправо кривой зависимости уровня секреции инсулина от
минимальной концентрации глюкозы в крови, запускающей эту секрецию. У больных,
дефицитных по глюкокиназе, наблюдалось уменьшение аккумуляции гликогена в печени и
увеличение интенсивности глюконеогенеза после приема пищи, что также вносило свой вклад в
"послеобеденную" гипергликемию у лиц, страдающих MODY2.
Несмотря на эти множественные дефекты поджелудочной железы и печени, гипергликемия,
связанная с мутациями глюкокиназы часто слабо выражена, причем менее 50% больных имеют
ярко выраженные признаки диабета. В случае MODY2 микрососудистые осложнения
(ретинопатия и протеинурия) выражены меньше, чем в других подтипах MODY и в диабете
второго типа.
Мутации в генах факторов транскрипции.
Позиционное клонирование генов MODY позволило идентифицировать мутации в генах
четырех транскрипционных факторов: HNF-1, HNF-1, HNF-4 и IPF-1. HNF - это ядерные
белки, экспрессируемые в гепатоцитах. Они были хорошо известны как факторы транскрипции
генов, кодирующих альбумин и Аро С3, но роль этих факторов в панкреатических островках и в
почках была неизвестна до недавнего времени. Не так давно было показано, что многие из этих
экспрессируемых в островках Лангерганса ядерных факторов играют ключевую роль не только
в патогенезе некоторых подтипов диабета, но и в развитии плода (например, роль IPF-1 в
дифференцировке, пролиферации и неогенезе -клеток).
У больных с MODY, причиной которого стал дефект ядерного фактора, в большинстве случаев
выявлялись мутации по гену HNF-1. В различных популяциях было обнаружено более 80
разных мутаций, локализованных в промоторной или кодирующей областях гена. Большая часть
этих мутаций обнаруживалась в семьях с MODY, реже они встречались в семьях с атипическими
(не аутоимунными) формами диабета 1 типа.
Нарушения секреции инсулина в отсутствии устойчивости к нему наблюдались у лиц, имеющих
MODY3-мутации (как диабетиков, так и не диабетиков), что подтверждает предположение о
том, что HNF-1a вовлечен в функционирование -клеток поджелудочной железы. В отличие от
MODY2 MODY3 представляет собой тяжелую форму диабета, часто требующую введения
инсулина. Микрососудистые осложнения встречаются у больных с MODY3 так же часто, как и у
больных на поздних стадиях диабета 2 типа. HNF-1 также экспрессируется в почках, поэтому у
больных с MODY3 как правило наблюдается нарушение обратного всасывания глюкозы,
фосфатов и аминокислот наряду с нарушением функции -клеток.
Механизмы развития дефектов и гены-мишени в панкреатических -клетках у людей с MODY3
до сих пор не известны. Интересно, что гетерозиготные нокаутные мыши с мутацией в одном из
аллелей гена HNF-1 имеют нормальный фенотип, в то время как люди, больные MODY3, все
являются гетерозиготными по мутации этого гена и все имеют диабетический фенотип
(следовательно эти мутации являются доминантными). Однако экспериментальные данные
говорят о том, что только мутации, локализованные в трансактиваторном домене HNF-1а
являются доминантными. Мутации в любом другом участке гена не служат препятствием
функционированию нормального аллеля.
MODY1 встречается гораздо реже , чем MODY2 и MODY3. До недавнего времени в Америке
была известна только одна родословная, где присутствовали мутации по гену HNF-4а. Люди с
мутациями
по
этому
гену
страдали
тяжелой
формой
диабета,
которая
требовала
инсулинотерапии в 30% случаев и была связана с микрососудистыми осложнениями. У них
были также обнаружены дефекты -клеток поджелудочной железы.
HNF-4 - член суперсемейства рецепторов к стероидным и тиреоидным гормонам - является
регулятором
экспрессии
HNF-1а.
Интересно,
что
жирные
кислоты
с
длинными
углеводородными "хвостами" могут прямо изменять активность HNF-4, взаимодействуя с
лигандсвязывающим доменом этого белка. Связывание влечет за собой усиление или
ингибирование транскрипционной активности HNF-4а в зависимости от степени насыщения и
длины цепи лиганда. Это наблюдение важно для понимания роли диеты (в потреблении жиров)
в контроле секреции инсулина.
Относительно недавно в некоторых семьях были описаны мутации в гене HNF1,ассоциированные с диабетом и тяжелой формой почечной недостаточности. У таких больных
эти формы патологии, возможно, появились прежде, чем возникли нарушения толерантности к
глюкозе.
У
некоторых
пациентов
присутствовал
поликистоз
почек
и/или
особые
гистологические патологические образования в почках- меганефроны. Это подтверждает, что
ген HNF-1 может играть значительную роль в развитии почек и дифференцировке нефронов.
Необходимо заметить также, что HNF-1 и HNF-1 формируют гетеродимеры для связывания с
ДНК.
Все эти генетические дефекты факторов транскрипции ведут к нарушению гомеостаза глюкозы,
и, таким образом, способствуют развитию хронической гипергликемии ,влияя на секрецию
инсулина и, возможно, на развитие панкреатических островков.
Было обнаружено в большой группе людей, объединенных кровным родством, что делеционная
мутация фактора транскрипции IPF-1(insulin promoter factor 1), известного также как IDX-1,
STF-1 и PDX-1, связана с наличием MODY. Результатом этой мутации является появление стопкодона в структуре гена IPF-1, прерывающего транскрипцию этого гена раньше времени, и,
вследствие этого, отсутствие у фактора транскрипции домена, необходимого для связывания с
ДНК. Фенотип людей, гетерозиготных по данной мутации, варьирует от нормального до
выраженного инсулин-независимого диабета. Ребенок, рожденный с гомозиготной мутацией по
этому гену, имел недоразвитую поджелудочную железу и страдал от диабета, так же как и от
экзокринной панкреатической недостаточности. Таким образом, очевидно, что IPF-1 необходим
как для развития панкреатических островков в эмбриональном периоде, так и для регуляции
тканеспецифичных генов эндокринной части поджелудочной железы у взрослых (таких, как ген
инсулина,
транспортера
глюкозы
2,
глюкокиназы,
соматостатина).
IPF-1
в
норме
экспрессируется во всех клетках поджелудочной железы у эмбриона, и отсутствие этого белка у
мышей останавливает эмбриональное развитие железы, что приводит к панкреатическому
агенезу.
Роль факторов транскрипции в развитии более широко распространенных и проявляющихся у
людей зрелого возраста форм диабета 2 типа пока исследуется. Мутации HNF-1 у афроамериканцев, японцев и кавказцев были идентифицированы с атипическими формами острого
неаутоиммунного диабета. Распространенный полиморфизм генов HNF-1 возможно связан с
незначительными дефектами секреции инсулина. Единичная мутация в гене HNF-4a и несколько
мутаций в гене IPF-1 были недавно найдены в нескольких французских семьях с типичным lateonset диабетом 2 типа. В некоторых из этих семей такие мутации, нарушающие трансактиваторную активность транскрипционных факторов, были ответственны за развитие диабета
2 типа, промежуточного по фенотипу между MODY и обычными формами диабета 2 типа.
Выводы
Отождествление гена глюкокиназы с геном восприимчивости клеток к глюкозе дало ключ к
пониманию того, сколь важна роль этого фермента в гомеостазе глюкозы как в норме, так и в
патологии. Помимо этого, признание роли транскрипционных факторов в развитии MODY
открыло новые перспективы к пониманию патогенеза и лечению диабета второго типа. Лишь
малая часть пациентов-диабетиков (в основном, членов семей с типичным MODY) имела
мутации в известных генах транскрипционных факторов в островках Лангерганса, которые
рассматривались как причина заболевания. Однако можно сделать предположение, что
нарушение экспрессии «контрольных» ядерных факторов островков Лангерганса, таких как
HNF-Зβ (как результат невосприимчивости инсулина на уровне -клеток) (см. рис.1) и/или
вторичное нарушение трансактиваторной активности факторов транскрипции, благодаря
длительному воздействию на них высоких концентраций глюкозы или свободных жирных
кислот, может также быть связанным с развитием диабета 2 типа. Недавно было показано, что
повышенная концентрация глюкозы в клетке понижает активность ядерных факторов. Эти
данные могут пролить свет на механизмы, посредством которых хроническая гипергликемия
нарушает функционирование -клеток у больных диабетом 2 типа, благодаря не только
пониженной транскрипции гена инсулина, но и воздействию на транскрипционные факторы,
вовлеченные в регуляцию секреции инсулина.
Источники
1. «Molecular Genetics of Maturity-onset Diabetes of the Young»
Philippe Froguel and Gilberto Velho
2. Физиология обмена веществ и эндокринной системы.
Дж. Теппермен, Х. Теппермен, 1989 г.
3. Патологическая физиология.
Под. ред. А. Д. Адо, 2001 г.
Москва, 2001г.