中国早发糖尿病家系葡萄糖激酶突变体蛋白的功能解析

Glucokinase (GCK) acts as a glucose sensor in the pancreatic beta cell and regulates insulin secretion. The heterozygous mutations in the gene encoding GCK can result in enzyme inactivation and cause MODY2 (maturity-onset diabetes of the young). However, the mechanisms underlying the association between GCK mutations and hyperglycemia were not fully illustrated. Moreover, the researches focusing on crystal structure of the mutant protein and the regulation of the post-translational modification were limited. We have previously established the diabetes pedigree database and performed some preliminary research on GCK mutation screening in the early-onset diabetes families. A missense mutation changing alanine to threonine at residue (A259T) was found. This study will further increase the sample size and perform the functional studies including the kinetics of the glucokinase reaction, thermolability of glucokinase mutants, the regulation of the post-translational modification as well as the crystal structure of the mutants to elucidate the internal mechanism of MODY2. The study will also provide new insights into treatment of diabetes with the development of the small molecule targeting on the activation of GCK.

葡萄糖激酶（GCK）是糖代谢关键酶，其编码基因的失活性杂合突变可引起高血糖，致青少年发病的成人型糖尿病，但目前对于GCK自然突变导致疾病的机制解析尚不全面，尤其对于突变体蛋白晶体结构分析及细胞内翻译后修饰的调控研究较为有限，尚有大部分突变未进行深入功能学研究。本课题组前期建立了具有详尽临床表型的糖尿病家系样本库，初步开展针对早发性糖尿病家系的GCK突变筛查，发现一个新的杂合性错义突变A259T，提示与家系患者糖代谢异常有关。本研究拟在此基础上，扩大早发性糖尿病家系样本量，寻找更多的GCK自然突变体，并深入地从酶促动力、蛋白稳定性、蛋白翻译后修饰调控以及晶体结构解析及这几方面系统阐述突变体引起机体血糖调节异常的内在机制。本研究对于阐明GCK自然突变导致高血糖并最终致糖尿病发生的分子机制具有重要价值，其晶体结构的分析有望为以GCK为靶点的小分子活化剂的开发及糖尿病的治疗提供新思路。

青少年发病的成人型糖尿病（Maturity-Onset Diabetes of the Young，MODY）是一组高度异质性的单基因遗传糖尿病,其主要特点是有三代或以上的家族发病史,符合常染色体显性遗传特点，常伴随胰岛β细胞功能缺陷。至今已经发现13种MODY致病基因，MODY致病基因及位点的准确定位，意味着这部分患者可以根据致病基因给予相应的精确治疗，例如GCK突变导致的MODY2运动及饮食即可将血糖控制在正常范围内，无需用药。.本课题基于前期建立的具有详尽临床表型的糖尿病家系样本库，开展MODY基因突变筛查，发现了两个新的杂合性错义突变GCK p.Ala259Thr，INS p.Ala2Thr，并基于这两个突变开展了功能学研究。其中MODY2新致病突变（GCK p.Ala259Thr）导致突变型蛋白酶活性及稳定性均显著降低，而导致血糖升高。而中国人MODY10新致病突变（INS p.Ala2Thr）损害了胰岛素的正常折叠和分泌过程，通过引起内质网应激机制导致了糖尿病的发生。研究成果发表于J Mol Cell Biol杂志（2017,9(5):376-383，IF=5.988），并被评为杂志当期封面文章。课题共发表标注基金号的SCI文章1篇，参与培养硕博士研究生共计6名。新发现的位点有望形成筛查MODY的芯片，外显子区域的新突变亦有望成为新药开发的靶点。