Mechanisms by which variants in the TCF7L2 gene increase the risk of developing Type 2 diabetes

Abstract: Popular Abstract in Chinese 概括 II型糖尿病的發展趨勢在全世界範圍內非常迅速。我國目前有超過九千萬II型糖尿病患者，另外有大量血糖不正常的糖尿病高危人群。其中只有三成病人對自己的病情有所了解。II型糖尿病的病人與日俱增。 說到糖尿病，自然就會想到胰島素，以及血糖和胰島素的關系。胰島素是人體中非常重要的激素（荷爾蒙）。人體所需要的糖分主要是從食物中的澱粉類食物（米飯，面食）中來的，肉類也含有一部分的糖分。糖分從小腸吸收進入血液循環。胰島素的功能是讓身體細胞把血液中的糖分吸收進入細胞（比如肌肉細胞）加以使用，同時降低血液中的血糖成份。如果胰島素分泌不足，或者人體細胞對胰島素的敏感性降低會引起血糖升高，長期高血糖會損害血管和臟器的健康，最終導致糖尿病並發癥的發生。糖尿病並發癥是一種常見的慢性並發癥，後果相當嚴重，足部壞疽、腎功能衰竭、尿毒癥、視力模糊不清、失明、腦血管病變（腦梗）、冠心病、心臟神經病變引起的心梗、皮膚病等都是糖尿病最常見的並發癥，也是導致糖尿病患者死亡的主要原因。胰島素是由人體胰腺貝塔細胞分泌產生的。所以了解貝塔細胞功能、知道貝塔細胞為何不正常分泌胰島素成為了防治糖尿病的關鍵。 糖尿病可以細分成四種類型。第一種，I型糖尿病。多數發生在兒童與青少年中。I型糖尿病是由於自身免疫系統在抵抗外來感染時，錯誤地摧毀自身胰腺貝塔細胞引起的。第二種，II型糖尿病。絕大多數人患的是II型糖尿病。II型糖尿病的發病是多因素的，有人類基因的內因因素加之與環境的外在因素相互作用引起II型糖尿病的發生。由於長期缺乏鍛煉，加上不合理飲食，造成胰腺貝塔細胞功能減退，無法分泌人體所需要的胰島素，II型糖尿病在中老年階段發病的幾率很高。第三種，壬辰糖尿病，孕婦懷孕二十四周左右很可能發生的妊娠糖尿病，一般妊娠糖尿病在懷孕結束後會自動消除，但是妊娠糖尿病會造成胎兒過大，而且胎兒今後得糖尿病風險升高。第四種，罕見的“年青的成年發病型糖尿病”，這類糖尿病是由單個關鍵基因突變造成貝塔細胞病變。這類糖尿病在人類人口中的比重很少，經常會被誤診為 I型糖尿病。 糖尿病的發病是要有遺傳與環境兩方面因素共同作用才會產生。從同卵雙胞胎的研究中得到證明，雙胞胎中的一人有糖尿病，另外一人的風險會上升，但是發病不是絕對的。II型糖尿病的遺傳性比I型糖尿病高，這可能是因為遺傳基因相近，加上親人之間生活飲食習慣相似的緣故。光有遺傳易感性是不夠致病的，一定要有環境因素觸發糖尿病發生。 我博士階段的論文課題是TCF7L2在糖尿病中的發病機理。我的博士論文的重要意義在於闡述TCF7L2在胰腺貝塔細胞中的重要作用。貳零零陸年隨著人類基因多樣性研究方法的快速發展，冰島遺傳學家用統計學方法從冰島民眾基因組中發現這個基因裏的遺傳信號與糖尿病密切相關，說明這個基因可能是II型糖尿病的重要致病基因。TCF7L2是第一個以高通量的醫學統計方法，對比糖尿病人群與非糖尿病人群的基因組成差異而確定的跟疾病有關的基因。這一結果在全世界不同的民族、不同地區的人群中相繼得到證實。貳零零陸年以後，有超過65個基因被確定為II型糖尿病致病基因。這些基因有著不同的功能，對糖尿病的影響也各不相同。 TCF7L2的功能原本只在癌癥中有所研究。在貳零零陸年之前，TCF7L2一直被公認為是導致直腸癌的致病基因，先前這個基因在導致II型糖尿病裏的角色並不被人所知。人體每個基因總是有兩個拷貝， 一個來自父親，另一個來自母親。很多臨床數據顯示，擁有一個缺陷TCF7L2基因的病人空腹時血液中的胰島素比帶正常基因拷貝的人低，而且進食後胰島素的分泌也比後者分泌得少，他們血液中不成熟、功能不全的胰島素比例升高很多。加之他們天生貝塔細胞就比其他人少。體外培養發現，如果貝塔細胞沒有TCF7L2，那麼細胞雕亡將大幅上升，胰島素分泌幾乎停止。 所以我博士論文的目的就是從分子水平上搞清為什麼缺陷TCF7L2可以引起這些病理癥狀。我的論文分為兩大部分，第一部分（兩篇論文）探討TCF7L2在貝塔細胞中正常的生理功能。了解正常生理功能是研究病理不可缺少的一步。我和課題組首先發現，TCF7L2基因可以調控一個重要的癌癥基因p53的表達（論文一）。p53的一個重要作用是促進細胞的程序性雕亡。在癌細胞裏，p53的活化可以減緩和防止癌癥發展，而它又似一把雙刃劍，在分泌胰島素的貝塔細胞裏，p53的活化卻會傷害這些細胞的存活。貝塔細胞對人類是十分珍貴的，人類的貝塔細胞在成年以後（孕婦除外）是不會再增殖分裂的。我的研究結果發現TCF7L2在正常情況下會抑制p53和p53INP1基因殺傷貝塔細胞，從而長期保護貝塔細胞。我於2011年十月將這一發現成果發表在《人類分子遺傳學》雜誌上。 我接下去發現，TCF7L2在貝塔細胞分泌胰島素的過程中，有著舉足輕重的作用（論文二）。這個基因在胰腺貝塔細胞中幾乎控制所有與胰島素分泌有關的分子通路的基因表達！TCF7L2控制三個其他重要的轉錄因子（MAFA，NEUROD1以及PDX1)，這三個轉錄因子是表達胰島素不可缺少的。胰島素是以前胰島素的形式在貝塔細胞中產生，並被包裝進入胰島素分泌囊中加工、成熟。這一過程也是受到TCF7L2的控制。前胰島素加工成胰島素，是由前荷爾蒙轉化酶來控制的。TCF7L2控制貝塔細胞中兩個最重要的轉化酶的表達。TCF7L2的功能如果出現問題，不僅胰島素的分泌總量下降，而且在分泌的胰島素中，不成熟沒有作用的前胰島素的比例大幅上升。這與臨床數據顯示一致。除此之外，TCF7L2還控制著十幾個II型糖尿病致病基因的表達。貳零零陸年以後，有超過65個基因被確定為II型糖尿病致病基因。我們觀察發現，其中十幾個基因的表達可以直接或間接地由TCF7L2調控。TCF7L2與這些基因之間的聯系有待進一步研究。目前這方面的局限，很大一部分在於這些糖尿病致病基因本身的功能還不明確，從而難以判斷TCF7L2在這些基因致病機理中的作用。我的觀察起碼說明TCF7L2對糖尿病的作用是很廣泛的。 博士論文的第二部分是了解到底缺陷TCF7L2的缺陷是什麼。在論文三中，我們用了不同的生物化學方法，分離出一個蛋白質HMGB1, 這個蛋白質在貝塔細胞中會增加TCF7L2的數量。TCF7L2的數量增加原本是有益於人體防治糖尿病發生的。但是我們發現，HMGB1可能增加了缺陷TCF7L2的比例，這樣更進一步的加大了糖尿病的風險。在論文四中，我們進一步探索了缺陷TCF7L2。這個基因一共有十七部分組成，其中第四、十三、十四、十五、十六部分可以被選擇性地排除的。這個現象叫基因的選擇性剪接，在人類所有的基因中都普遍存在，目的是用一個基因產生好幾種不同作用的蛋白質。TCF7L2因此就有很多種不同的形式。其中我們發現，第四部分對貝塔細胞有著很大的影響。包含第四部分的TCF7L2可能會降低胰島素分泌，並且影響貝塔細胞存活。我們正在嘗試用分子生物學方法人工去除TCF7L2的第四部分的表達，從而防治糖尿病的發生。 胰島素在貝塔細胞中的分泌，是所有哺乳動物中共有的機理。我們所發現的機理是所有人類與哺乳動物中都有的機理。我希望我的博士論文可以增加對糖尿病致病機理的了解，對今後可能的治療方法有所幫助。雖然TCF7L2是最大的糖尿病基因，但是真正的影響也只有百分之四十，有規律地適量鍛煉是預防糖尿病的關鍵。 Popular Abstract in Swedish Populäravetenskaplig Samanfattning Diabetes är en sjukdom där kroppen har högre blodsockernivåer än normalt. Detta kallas för hyperglykemi. Blodsockret kommer från det vi äter och insulin är det hormon som är nödvändigt för att transportera socker från blodet till andra celler i kroppen där det ska användas. Om bukspottkörteln inte producerat tillräckligt med insulin, eller andra celler inte lyckas använda insulinet på rätt sätt, kommer blodsockernivån att öka. Det finns i princip tre typer av diabetes; Typ 1, typ 2 och graviditetsdiabetes. Typ 1 diabetes diagnostiseras vanligen i barn och ungdomar. Patienter med typ 1 diabetes förlorar de celler i bukspottskörteln som producerar insulin. Bara 5 % av alla människor med diabetes har denna form av sjukdomen. Med hjälp av insulininjektioner och andra behandlingar kan patienter med typ 1 diabetes leva långa och normala liv. Typ 2 diabetes är den vanligaste formen av diabetes. Om man har typ 2 diabetes använder inte kroppen insulin på rätt sätt. Detta kallas insulinresistens. I början av sjukdomsförloppet producerar bukspottkörteln extra insulin för att kompensera för detta. Men över tid klarar den inte av att hänga med, och kan inte längre producera tillräckligt med insulin för att hålla blodsockret på normala nivåer. Till slut är cellerna som producerar insulin uttömda och minskar i antal. Graviditetsdiabetes diagnostiseras i gravida kvinnor, oftast kring vecka 24. Vanligtvis försvinner den efter graviditeten, men graviditetsdiabetes ökar risken för barnet att utveckla typ 2 diabetes senare i livet. Diabetes ökar risken för att utveckla många allvarliga komplikationer så som diabetesfot, amputering, njursvikt, uremi, blindhet, högt blodtryck och hjärt- och kärlsjukdomar. Med rätt behandling och rekommenderade livsstilsändringar kan många människor med diabetes förhindra och fördröja uppkomsten av komplikationer. Mitt arbete i denna avhandling har främst varit fokuserat på typ 2 diabetes. Två faktorer är viktiga för uppkomsten av typ 1 och typ 2 diabetes. Man ärver en kombination av gener som predisponerar för sjukdomen som sedan utlöses av en eller flera miljöfaktorer. Miljöfaktorerna kan bestå av dålig mathållning eller för lite fysisk aktivitet. Gener i sig är inte tillräckliga för att utveckla diabetes men typ 2 diabetes har en tydlig koppling till familjehistoria och arv, mer så än typ 1 diabetes. Förutom i några ovanliga former (MODY) kommer den genetiska risken från flera olika gener. I dagsläget har forskare upptäckt mer än 60 gener som är kopplade till uppkomsten av typ 2 diabetes. Jag arbetar med den första genen som identifierades; TCF7L2. Denna gen ger också den högsta risken bland de 60 generna. En person har två kopior av samma gen, en från varje förälder. Har man en defekt TCF7L2 kopia ökar risken för att få diabetes med 40%. Min avhandling syftar till att förstå vad genen gör och varför den ökar risken för att utveckla typ 2 diabetes. TCF7L2 har tidigare visats ge ökad risk för koloncancer men dess roll i diabetes har varit okänd. Kliniker tog därför en närmare titt på effekten av den defekta TCF7L2 genen. Har patienten en defekt gen orsakar det förhöjda insulinnivåer i blodet vid fasta och efter måltid och det finns mer av det omogna proinsulinet i blodet. Forskare i labbet upptäckte också att en defekt kopia av TCF7L2 gör så att β-cellerna (de viktiga cellerna i bukspottkörteln som utsöndrar insulin) dör fortare. Patienter som har en defekt TCF7L2 gen föds också med färre β celler än andra. Mitt arbete var att förstå varför och hur den defekta genen orsakar alla dessa skadliga effekter. Denna avhandling är indelad i fyra delar. De två första studierna gjordes för att förstå den normala funktionen av TCF7L2 i β celler. Detta för att hjälpa oss förstå varför en defekt gen orsakar diabetes. Vi upptäckte att TCF7L2 förhindrar två cancergener att döda β celler. De två cancergenerna kallas p53 och p53INP. P53 skyddar vanligen människor från cancer genom att döda cancerartade celler innan en tumör kan bildas men om p53 dödar för många β celler kan det leda till typ 2 diabetes. TCF7L2 motverkar effekten av p53 för att balansera celldelning mot celldöd, men man har sett att om TCF7L2 är för aktivt kan det leda till uppkomsten av koloncancer. Min andra studie var kanske den viktigaste för den här avhandlingen. Vi upptäckte att TCF7L2 kontrollerar många viktiga proteiner i β cellerna. Det är som ett nätverk eller en pyramid av gener; TCF7L2 kontrollerar vissa gener (ISL1 och NEUROD1) och dessa i sin tur kontrollerar ytterligare gener (MAFA, NKX6.1, PDX1, PCSK1, PCSK2 och SLC30A8). Vissa av dessa reglerar direkt insulinproduktionen (INS1, INS2 och INS3 gener), andra reglerar mognaden av insulin; Efter att insulin har producerats måste det bearbetas för att bli användbart (funktionellt) och TCF7L2 kontrollerar enzymer som är nödvändiga för detta. Det är därför man i patienter med en defekt kopia av TCF7L2 hittar mer omoget och oanvändbart proinsulin i blodet vilket är den mest direkta effekten av TCF7L2 vid uppkomsten av typ 2 diabetes. Den andra delen av min avhandling syftade till att förstå vad som är fel i den defekta kopian av TCF7L2 genen genom att ta reda på vad defekten innebär och hur den påverkar funktionen av genen. I Studie II använde vi många olika biokemiska metoder och upptäckte att ett protein kallat HMGB1 ökar mängden TCF7L2 i β cellerna. Ökad mängd TCF7L2 borde vara fördelaktigt för att inte utveckla diabetes eftersom det reglerar effekten av p53, men förmodligen är det den defekta formen av TCF7L2 som ökar vilket i sin tur ökar risken för att utveckla diabetes. I Studie IV undersökte vi vilken form av proteinet som produceras från TCF7L2 genen som kan skydda mot eller öka risken för diabetes. TCF7L2 genen består av 17 olika delar, varav del 4, 13, 14, 15 och 16 kan vara antingen inkluderat eller exkluderat i det färdiga proteinet. Detta fenomen är mycket vanligt för alla mänskliga gener. Problemet med TCF7L2 är att om den 4e delen saknas är man skyddad från typ 2 diabetes, men om den är en del av proteinet kan detta vara en anledning till att β cellerna producerar mindre insulin och misslyckas med att skydda cellerna från att dö. Jag tycker att min avhandling är väldigt värdefull för förståelsen av typ 2 diabetes. TCF7L2 är den största typ 2 diabetes genen vi känner till i nuläget. Att förstå hur den predisponerar för typ 2 diabetes är fundamentalt för forskare och läkare för att i framtiden kunna hitta ett botemedel för en sjukdom som många idag drabbas av. Även om TCF7L2 har den största genetiska risken för diabetes är den faktiska risken relativt liten. Att leva hälsosamt, ha goda matvanor och få tillräckligt med motion kanske är det bästa sättet att förhindra diabetes.