1 葡萄糖转运体缺乏综合征研究进展 王东*1, 孙若鹏2, 王霞3, 杨如1, 杨红1, Pascual Juan M. 1, De Vivo Darryl C. 1 1. Department of Neurology, Columbia University, New York, NY, 10032, USA 2. 山东大学齐鲁医院儿科, 济南市, 25001 4 3. 日照市人民医院妇科, 日照市, 276500 *联系人: 王东 联系地址: 710 W 168th Street NI 9-100 New York, NY 10032 U.S.A. E-mail: Giblinlabs@neuro. columbia. edu www.GiblinLabs.org 关键词: 葡萄糖转运体; SGLT; GLUT; 葡萄糖-半乳糖吸收不良; GLUT-1 缺乏综合征; Fanconi-Bickel 综合征 2 葡萄糖是哺乳动物细胞能量代谢的主要原料。 它是一种极性分子, 只能以主动转运和易化扩散的方式通过细胞膜, 其跨膜转运分别是通过钠依赖的葡萄糖转运体(Sodium dependent glucose transporter SGLTs) 和易化扩散的葡萄糖转运体 (Facilitated glucose transporter, GLUTs) (1-6) 两大家族来完成。 迄今为止, SGLT 家族中已发现三种亚型: SGLT-1 、 SGLT-2 和 SGLT-3 (7) , GLUT 家族中也已发现 12 种亚型 (GLUT-1 ~ GLUT-12) (8) 。 每种葡萄糖转运体都有特异的组织分布和生化特性, 这些特点决定了 它们在葡萄糖代谢中的功能。 GLUT s 除转运葡萄糖外, 还可转运去氢抗坏血酸(9) 、 D-甘露醇、 D-半乳糖和 D- 果糖等(1) 。 SGLTs 和 GLUTs 的发现, 加深了人们对于葡萄糖代谢及其有关疾病的认识。 人们不仅发现了 一些新的疾病(如葡萄糖-半乳糖吸收不良、 GL UT -1 缺乏综合征) , 而且也进一步认识了 一些疾病(如 Fanconi-Bickel 综合征) 的发病机理。 本文将重点讨论与葡萄糖转运功能缺乏有关的几种疾病的最新进展。 一. 葡萄糖-半乳糖吸收不良 (Glucose-Galactose Malabsorption, GGM, OMIM 182380) 早在 1962 年, 法国的 Lamplane 和瑞典的 Lindquist 和 Meeuwisse 就报导了本病 (10,11) 。 本病的临床特点是: 有家族性, 婴幼儿起病(典型患者于生后 4 个月内发病) , 表现为慢性、 酸性水样腹泻, 常可继发严重脱水而致死。 本病为常染色体隐性遗传病。 1989 年, Hediger 以兔的 SGLT-1 为探针, 从小肠的 cDNA 文库中分离出人的 SGLT-1 的 cDNA(12) 。 该基因位于 22 号染色体长臂上(22q13. 1) (13) , 长约 72kb, 包括 15 个外显子(14) 。 SGLT-1 蛋白的结构模型由 14 个跨膜区段组成, 其氨基和羧基末端都位于细胞外, 第 6、 7 跨膜区段之间有一个 N-糖基化位点。 1991 年, Turk 等人不仅率先找到了引起葡萄糖、 半乳糖吸收不良的 SGLT-1 基因突变 (D28N) (15) , 而且还通过体外试验证明, 突变(D28N) 的 SGLT-1 蛋白丧失了 转运葡萄糖和半乳糖的功能。 此后, 他们又报道了约 200 例患者, 发现了 30 多种突变。 这些突变包括纯和的误义突变, 无义突变, 插入突变, 小片段缺失突变和剪接位点突变。 这些突变导致蛋白断裂, 或不能表达到细胞膜上, 或产生无功能蛋白, 进而导致细胞膜转运功能的丧失。 在小肠内, 葡萄糖和半乳糖的吸收与 Na+ 顺浓度梯度转运相耦联, 首先经 SGLT-1 转运进入小肠上皮细胞, 然后通过小肠上皮细胞基底膜上的 GLUT-2 转运至细胞外组织间液, 最后进入血液。 Na+ 则由小肠上皮细胞基底膜上的 Na+ / K+ ATP 酶泵出, 从而维持细胞内外 Na+ 浓度梯度, 并间接为葡萄糖和半乳糖转运提供能量。 由于肠粘膜上突变的 SGLT-1 蛋白丧失了转运葡萄 3 糖和半乳糖的能力, 因此, 患者不能正常吸收肠腔内的葡萄糖和半乳糖。 这两种单糖经肠内细菌酵解产生大量的乳酸和氢气, 引起慢性、 酸性水样便而致严重的脱水。 氢气呼气试验可为临床诊断提供依据。 口服 2g/Kg 体重的葡萄糖或半乳糖, 然后收集 0-4 小时内呼气中的氢气, 用气相测谱仪测定其浓度, 高于基础水平 20ppm 为异常(16) 。 由于肾小管上皮细胞上的 SGLT-1 转运功能障碍, 肾脏对葡萄糖的重吸收能力降低, 引起糖尿。 目 前, 葡萄糖-半乳糖吸收不良无特效治疗。 用果糖或木糖代替食物中的葡萄糖和半乳糖, 可以控制病人的腹泻和脱水。 但是, 倘若病人此后再接触葡萄糖和/或半乳糖, 仍会出现临床症状。 二 、 GLUT-1 缺乏综合征 (Glut-1 Deficiency Syndrome, Glut-1 DS, OMIM #606777) GLUT-1 缺乏综合征是由 De Vivo 医生及其同事于 1991 年首次发现的一种临床综合征(17) 。 此病为常染色体显性遗传病(18-20) , 大多数属于散发病例。 目 前, 在全世界范围内, 已发现近 100 例病人。 国内尚无报道。 1、 病因及发病机理 葡萄糖是脑代谢的主要能量供应物质。 在胎儿期和出生时, 大脑对葡萄糖的代谢率较低,出生后随着大脑的发育而迅速上升, 3 岁左右达高峰, 此后持续保持这种高的代谢率, 10 岁后逐渐降低, 于 20 岁前降至成人水平(21) 。 葡萄糖通过位于血脑屏障上的毛细血管内皮细胞膜上的 GLUT-1 转运入脑。 人的 GLUT-1 是由 492 个氨基酸组成的, 其结构模型含有十二个跨膜区段。 其基因长约 35kb, 由 10 个外显子和 9 个内含子组成, 位于 1 号染色体的短臂上 (1p35 - 31. 3) (22) 。现已证实, GLUT-1 基因突变导致了 表达在血脑屏障上的葡萄糖转运体数量减少或部分丧失功能,葡萄糖不能有效地通过血脑屏障, 使得脑组织长期缺乏能量供给, 脑发育出现障碍。 2、 临床特征 癫痫发作常出现于 1-4 个月的婴幼儿。 早期有窒息发作或眼球异常运动, 而后逐渐出现典型的癫痫发作, 可表现为全身强直阵挛、 肌阵挛、 不典型失神和失张力等。 有些病人每日 都有发作, 有些病人数天、 数周、 数月才有一次发作, 极少数病人从无临床癫痫发作。 此外, 病人还有一些其它发作性症状, 如间歇性共济失调、 神志模糊、 昏睡或嗜睡、 偏瘫、 运动或姿势异常、 全身瘫痪、 睡眠障碍和复发性头痛等。 这些症状时轻时重, 可受自身一般状况的影响, 如饥饿或疲劳等。所有患儿的语言理解和表达能力都受影响, 后者更为明显, 表现为构词困难或语言不流畅。 另外, 4 出生时头围正常, 出生后头生长减速而致获得性小头畸形。 患儿都有不同程度的发育障碍。 家系中受累的成员, 仍可生长发育至成人且可生育, 其子女发病率 50%。 2、 实验室资料 脑脊液葡萄糖含量降低是该病的特征。 患儿空腹时 CSF/Blood 葡萄糖之比值持续降低约为 0. 33 (正常人是 0. 65) (23) 。 更为重要的是, 病人脑脊液中葡萄糖的绝对值很少超过 40mg/ dl ,脑脊液中乳酸在正常值下限或低于正常。 视频脑电图(Video-EEG) 显示, 婴儿期, EEG 上有颞部或后部的局灶棘波发放; 儿童时期, EEG 表现为广泛性痫性棘慢波。 CT 和 MRI 等影像学检查均正常。 PET 扫描显示脑摄取葡萄糖普遍降低, 特别是颞中部和丘脑代谢率更低, 但基底节摄取葡萄糖相对增加(24) 。 用红细胞葡萄糖摄取试验对该病进行筛查有诊断价值。 大部分病人的红细胞摄取葡萄糖的能力降低约 50%(25) 。 荧光原位杂交试验(FISH) 可以诊断半合子的病人。 我们已经证实了 3 个病人是半合子 (Hemizygosity) (26, 27) 。 如果病人 FISH 检查为阴性, 则需要通过 DNA 测序去寻找 GLUT -1 基因突变。 目前我们已鉴定出 38 种基因突变, 包括 16 个误义突变、 5 个无义突变、 5 例插入突变、9 个小片段缺失突变和 3 个剪接位点突变(26-28) 。 3、 临床治疗 生酮饮食(Ketogenic Diet) 治疗是从 1991 年开始试用的(17) 。 当时尚未证实病人的葡萄糖转运体有功能缺陷。 酮体经单羧酸盐转运体转运入脑, 可以替代葡萄糖, 作为脑细胞代谢的燃料。 10 年的经验表明, 生酮饮食疗法对控制癫痫发作是非常有效的, 但治疗后病人仍有不同程度的神经行为缺陷, 如认知功能和社会适应能力等。 病人大多用过苯巴比妥。 苯巴比妥不但不利于癫痫的控制, 反而使症状加重。 Klepper 等人利用病人的红细胞做体外试验, 发现巴比妥类药物可进一步加重葡萄糖的转运功能障碍(29) 。 Ho等人也发现甲基黄嘌呤(Methylxanthines) 也影响 GLUT-1 对葡萄糖的转运(30) 。 因此病人要避免用巴比妥类药物、 咖啡及含咖啡的饮料。 4. 研究前景 5 我们利用纯合子重组技术已制作出 GLUT-1 缺乏综合征的小鼠动物模型。 利用这种模型, 人们可以进一步研究该综合征的病理生理, 探讨新生儿头围生长减速和小头畸形的分子和结构改变, 继续寻找有效的基因治疗方法。 体外硫锌酸(Thioctic acid) 对 GLUT-1 转运系统影响的研究发现, 硫锌酸可增加 GLUT-1 的合成而促进葡萄糖转运(31, 32) 。 最近 Kulicova-Schupack 等人用 GLUT-1 缺乏综合征病人的皮肤成纤维母细胞做试验, 发现硫锌酸能有效地提高 GLUT-1 的活性, 促进葡萄糖转运(31) 。 如用 GLUT-1 缺乏综合征小鼠动物模型试验也能证明硫锌酸有类似的作用, 在临床上有望治愈 GLUT-1 缺乏综合征。 同时, 我们也将利用小鼠动物模型来试验其它可增加 GLUT-1 合成的药物或其他饮食疗法。 三. Fanconi-Bickel 综合征 (Fanconi-Bickel Syndrome, FBS, OMIM #227810) Fanconi-Bickel 综合征是一种少见的常染色体隐性遗传的临床综合征。 它是由 Fanconi 和 Bickel 在 1949 年首先报道的(33) 。 全世界已从 88 个家族中发现了 109 例病人(34) 。 目前在国内尚无报导。 本病的临床特征是继发于糖原积累的肝脏肿大, 葡萄糖及半乳糖的耐受能力降低, 餐前低血糖, 餐后高血糖, 高半乳糖血症, 肾小管肾病, 佝偻病及明显的发育障碍。 直到 1997 年,人们才认识到本病的病理基础为 GLUT-2 的基因突变, 正是这些突变导致了 GLUT-2 转运体对葡萄糖及半乳糖的转运功能障碍(35) 。 已发现的 109 例病人来自世界各地的绝大多数种族, 其中 71%的病人父母为近亲结婚。 病人常于生后 3-10 个月发病, 多表现为发热, 呕吐, 发育停止及偻佝病。 出生时, 肝脏大小正常或轻度增大, 至婴儿期显著增大。 青春期后, 肝脏体积可减小。 随着年龄的增长, 病人逐渐表现为侏儒、 腹部隆凸、 满月脸、 脂肪沉积于肩腹部, 常有出牙推迟、 牙齿不整及牙釉质缺陷, 青春期延迟。 佝偻病及骨质疏松病常持续存在。 其并发症为骨折及胰腺炎。 目前至少两人已发育至成年, 尚无人生育(36) 。 病人常有多尿。 尿中氨基酸、 磷及尿酸升高, 尿钙也升高并有轻度肾小管性蛋白尿。 肾的碳酸盐阈值升高, 导致中度代谢性酸中毒。 在血糖正常或降低两种情况下, 病人均出现肾性糖尿。葡萄糖清除率下降, 葡萄糖与胰岛素清除比率在 0. 5-1. 0 之间, 此比率与血糖水平无关。 肾活检显示肾小球间质及血管正常。 电镜检查发现某些近端肾小管糖原沉积显著, 以直袢最为明显。 肝脏活检显示肝糖原含量显著升高。 放射学检查显示大多数病人肾脏发育的大小与体重的比例增大(36) 。 Santer 等人利用 PCR 把 GLUT– 2 基因的 10 个外显子及其附近的内含子放大, 然后直接测 6 序来寻找基因突变 (34) 。 目前他们已完成 63 例病人的 GLUT-2 基因分析, 在其中 53 例病人的基因上找到 34 种不同的基因突变。 这些突变包括: 9 种误义突变, 7 种无义突变, 10 种阅读框架移码突变和7 种剪切点突变。 其中绝大多数病人为纯合子突变, 10 例病人带有复合的杂合突变。 另外, R310X 和 R365X 突变分别发生在 4 个不同的家族中, 说明这两个位点是突变热点。 GLUT-2 因突变丧失功能, 导致轻度葡萄糖及半乳糖吸收不良, 血中转运入肝的葡萄糖量减少, 转运葡萄糖至β 细胞内的过程也受到影响, 致使胰岛素分泌减少, 餐后出现高血糖及高半乳糖血症。 空腹时, 因为肝细胞内的葡萄糖向外转运受阻, 加之肾性糖尿丢失葡萄糖, 致使血糖降低,肝脏则因糖原沉积而增大。 肾小管上皮细胞基底膜上突变的 GLUT -2 不能有效地重吸收葡萄糖, 致使病人出现尿糖及肾小管上皮细胞内糖原沉积, 进一步加重 Fanconi 肾病(35) 。 Fanconi-Bickel 综合征目前无特效治疗。 对症治疗包括纠正代酸, 维持水电平衡, 补充维生素 D 和磷; 限制半乳糖, 采用类似糖尿病饮食, 少量多餐, 保证足够能量供应(36) 。 病人还可以试用能缓慢释放葡萄糖的未烹饪的玉米淀粉(37) 。 由于小肠粘膜上的果糖转运蛋白 GLUT-5 仍正常 (36) , 因此, 饮食中可以加入果糖, 代替其它碳水化合物。 7 参考文献 1. Bell, G. I., Burant, C. F., Takeda, J., and Gould, G. W. (1993) J Biol Chem 268, 19161-19164 Carruthers, A. (1990) Physiol Rev 70, 1135-1176 Longo, N., and Elsas, L. J. (1998) Adv Pediatr 45, 293-313 Gould, G. W., and Holman, G. D. (1993) Biochem J 295 ( Pt 2), 329-341 Wells, R. G., Mohandas, T. K., and Hediger, M. A. (1993) Genomics 17, 787-789 Kong, C. T., Yet, S. F., and Lever, J. E. (1993) J Biol Chem 268, 1509-1512 Hediger, M. A., Budarf, M. L., Emanuel, B. S., Mohandas, T. K., and Wright, E. M. (1989) Genomics 4, 297-300 Joost, H. G., and Thorens, B. (2001) Mol Membr Biol 18, 247-256 Vera, J. C., Rivas, C. I., Fischbarg, J., and Golde, D. W. (1993) Nature 364, 79-82 10. Lapla...