生长激素受体及其亚型与糖尿病及其并发症的关系

胡其娴(综述)，陈凤玲(审校)

(1.上海交通大学医学院，上海200025;2.上海交通大学医学院附属第三人民医院内分泌科，上海201900)

垂体分泌的生长激素(growth hormone，GH)是调控哺乳动物出生后生长的主要激素，具有调节营养的吸收和利用、促进蛋白质合成、促进骨骼和肌肉生长、减少脂肪沉积、提高生长速度等功能，并参与哺乳动物免疫、生殖、泌乳等生理功能和代谢调节［1，2］。GH主要与细胞表面受体的生长激素受体(growth hormone receptor，GHR)结合，后者介导引发下游一系列信号通路反应。而在1型、2型糖尿病患者及糖尿病动物模型中发现的GHR表达异常，正是导致GH、GHR及GHR后信号三者所构成的调控网络功能异常的关键。

1 分子构成

GHR是单链跨膜糖蛋白，主要由614～626个氨基酸残基组成［3］。GHR结构上分为N端胞外段、疏水跨膜段以及C端胞内段三个区［2，3］。GHR胞外段含有5个高度保守的糖基化位点，是GHR与配体结合的部位。在胞外段的特定位置含有7个半胱氨酸残基，其中有6个在蛋白成熟时形成二硫键，维持GHR胞外结构域的特定空间结构。胞外段近胞膜区的WSXWS样序列(Try-Gly-Glu-Phe-Ser)，则可能在GH与GHR结合过程中发挥关键作用［2］。

受体的胞内段含有两个保守的氨基酸序列(Box1、Box2)，它们是Ⅰ型细胞因子受体超家族的特征性结构。靠近胞膜的Box1包含8个氨基酸残基，以脯氨酸为主，是GHR与酪氨酸激酶结合的位点之一;Box2包含15个氨基酸残基，与Box1之间有约30个氨基酸残基的距离。如果这两个保守氨基酸序列中的某一个氨基酸残基发生突变，GH将失去促生长作用。由此可以推测，Box1、Box2在 GHR介导的胞内信号转导中起着重要作用［2，3］。

2 基因结构

人类生长激素受体(human growth hormone receptor，hGHR)基因位于第5号染色体近端短臂的p13.1～p12区，含有10个外显子，可编码产物的部分长4375 bp。外显子2～9的长度在66～179 bp，外显子10长达3400 bp，它们编码由620个氨基酸残基组成的蛋白质［2，3］。

外显子1为非编码区，由5'端的多个非翻译区选择性组合构成，这是GHR多态性的原因之一。外显子2编码18个氨基酸残基的信号肽、胞外结合区起始的5个氨基酸残基;外显子3～7编码GHR分子的胞外段;外显子8编码24个氨基酸残基组成的疏水跨膜段、胞外段的最后3个氨基酸残基以及胞内段起始的4个氨基酸残基;包含346个氨基酸残基的胞内段则由外显子9、10共同编码;外显子10还编码了 hGHR mRNA 3'非翻译区的一部分［2，4，5］。

3 GHR的分布与功能

3.1 hGHR的分布 人体内GHR的分布非常广泛，在肝脏中表达最高。肝脏是体内结合GH后生成胰岛素样生长因子1(insulin like growth factor-1，IGF-1)的主要场所。除肝组织外，GHR还大量分布于肺、骨、心、眼、肾、脑、肌肉和脂肪组织，以及免疫组织，如成熟B细胞、IM-9淋巴细胞、单核细胞、小肠黏膜、脾脏和胸腺等［1-3］。

3.2 GHR 的功能

3.2.1 GHR与活化信号转导 GHR与GH结合后可引发大量的下游反应过程，譬如转录激活因子1、3、5a/5b的磷酸化，三磷酸肌醇激酶/Akt的活化、Src基因的表达、胞外信号调节激酶、c-Jun激酶及应激活化蛋白激酶的活化等，这是GH发挥多元化调节作用的基础［6，7］。通过活化信号转导，GHR 在 GH-IGF-1轴中介导了IGF-1依赖性的生长调节、上调血糖、增加蛋白质合成代谢，同时也介导了非IGF-1依赖性的胰岛素分泌、脂肪分解和糖异生等作用［8，9］。

3.2.2 GHR与脂肪细胞分化 GH可通过激活GHR使巨噬细胞在分化的早期发挥促前脂肪细胞分化作用。在Lu等［10］的细胞实验中，巨噬细胞胞膜上表达和功能都完整的GHR在与GH结合后并不引起IGF-1的分泌增加，而是出现核因子κB(nuclear factor kappa B，NF-κB)磷酸化水平的明显下降，从而抑制可溶性细胞因子白细胞介素1β(interleukin-1β，IL-1β)mRNA和蛋白的表达。IL-1β是已知的脂肪细胞抑制因子之一，主要通过促分裂原活化的蛋白激酶通路以磷酸化过氧化物酶体增殖物活化受体γ的方式抑制脂肪细胞分化［10，11］。这种以旁分泌方式发挥的促进作用进一步揭示了GH-GHR轴、巨噬细胞及脂肪细胞之间的相互关系。

3.2.3 GHR 与心血管系统 LeBaron 等［11］发现主动脉内皮细胞膜上表达GHR，并观察到GH-GHR轴介导了转录激活因子5活化反应。Egecioglu等［12］发现，GHR基因剔除小鼠可表现出动脉收缩压下降、血浆中肾素水平降低，以及主动脉内皮细胞一氧化氮合酶升高，反映了GHR的表达变化对心血管系统造成的影响。

4 GHR与糖尿病

4.1 GHR与糖尿病的发生 Guevara-Aguirre1等［13］在对厄瓜多尔某西班牙裔家族的长期随访中发现，家族中携带GHR变异基因的个体几乎不会罹患糖尿病，而该家族中不携带GHR变异基因亲属的糖尿病发病率则与当地的普通人群无差异。进一步的检测发现，GHR基因变异的家族成员组织中的GHR表达水平及血清中的IGF-1、胰岛素水平明显降低，而胰岛素的敏感性增强。

4.2 糖尿病状态下GHR的改变及其影响 糖尿病常伴随GH抵抗，其主要表现为GHR及其受体后分子(如 IGF-1)活性和(或)数量的降低［1］。

4.2.1 GHR 与糖尿病胰岛素抵抗(insulin resistant，IR) 肝脏GHR水平降低是导致糖尿病患者出现IR的原因之一。在血糖控制不佳的1型糖尿病(type 1 diabetes mellitus，T1DM)患者体内常可检测到肝脏GHR mRNA转录水平的下降。但这种异常可通过适当的胰岛素治疗来纠正，因此可以推测低胰岛素浓度会引起肝脏 GHR 数量下调［14］。Thimmarayappa等［15］的细胞实验发现，糖尿病状态下的脂代谢紊乱会引起循环中饱和脂肪酸含量的增高，而饱和脂肪酸可以结合GHR基因的启动子直接抑制GHR基因的表达，这种抑制作用并不需要通过形成中间产物完成。因此，循环中升高的饱和脂肪酸含量也能造成血糖控制不佳的T1DM和肥胖的2型糖尿病(type 2 diabetes mellitus，T2DM)患者的肝脏GHR水平下调。

肝脏中有效结合GH的GHR减少会导致IGF-1水平下降，从而削弱IGF-1对垂体分泌GH的负反馈调节，使垂体前叶分泌GH进一步增多。而高GH血症可使肝脏处理葡萄糖的能力减退，糖原分解和糖异生能力增强;外周组织对葡萄糖的摄取和氧化能力降低;游离脂肪酸升高，并加重外周组织的胰岛素抵抗［16］。

4.2.2 GHR 与胰岛 β 细胞损伤 Lingohr等［17］的实验发现胰岛β细胞表达GHR，GH结合GHR后可保护β细胞、促进胰岛β细胞的有丝分裂和增殖。糖尿病患者血液循环中饱和脂肪酸的升高会抑制GHR基因表达，从而抑制胰岛素分泌和减弱β细胞损伤后修复能力［15，17］。

4.2.3 GHR与糖尿病并发症 GHR表达改变可诱发和加重糖尿病微血管病变。在T1DM小鼠模型中，肝脏及胰腺组织中GHR mRNA表达水平下降，在肾脏和视网膜中表达上调［18］。上调的GHR与循环中的高GH结合后可加重糖代谢紊乱，并以非酶促方式生成过量的糖基化蛋白终产物，促进毛细血管壁基底膜蛋白质合成和沉积，影响微血管结构及血流动力学［19］。

糖尿病合并GH缺乏症微血管病变发生率明显低于GH分泌正常或升高的糖尿病患者，而此类患者接受外源性GH治疗后的发生率与GH分泌正常或升高的糖尿病患者无显著性差异［18，19］。

4.2.3.1 GHR 与糖尿病肾病(diabetic nephropathy，DN) 在GHR基因剔除的糖尿病大、小鼠模型中可以观察到糖尿病所致肾脏损伤的减轻，分子水平上主要表现是酪氨酸激酶水平的下降和转录激活因子5的上升，组织学上则表现为肾血流量、肾小球滤过率的改善，以及肾脏肥大、肾小球增生硬化的抑制。这提示了GHR的缺失能延缓糖尿病肾病进展，尽管这一保护作用只在病变发生的早期有效［18，20］。

4.2.3.2 GHR 与糖尿病视网膜病变(diabetic retinopathy，DR) 糖尿病状态下视网膜上升高的GHR水平可促进DR的发生、发展。这是因为血液循环中升高的GH直接作用于视网膜引起增殖性改变，视网膜局部的IGF-1参与毛细血管的损害，并刺激新生毛细血管的形成。应用特异性GHR阻断剂可以使糖尿病动物模型视网膜新生血管及其渗出的明显减少［21，22］。

5 GHR亚型与糖尿病

5.1 GHRd3亚型的特点 研究发现，hGHR的两种常见亚型，全长亚型(human growth hormone receptor with full length，hGHRfl)和外显子3缺失的亚型(human growth hormone receptor with exon 3 deleted，hGHRd3)对GH的反应存在差异［4］。hGHRfl亚型是人体内含量最高、执行生理功能的主要亚型［23］;但一对等位基因中只要存在GHRd3基因(GHRfl/d3或GHRd3/d3)，GHR对GH的敏感性加强，且其敏感性的升高程度与GHRd3拷贝数呈正相关［8］。此外，大量研究也发现 hGHRd3 亚型与糖尿病的发生、发展相关［8，24-27］。

5.2 GHRd3 亚型在人群中的出现频率 García等［24］发现，T1DM患者中GHRd3的等位基因出现频率(24.8%)与普通人群(34.1%)无显著性差异;Strawbridge等［8］发现 T2DM 患者 GHRd3/d3的出现频率(3.6%)远低于正常人群(17%)。

5.3 GHRd3亚型对非糖尿病人群的保护作用 在非糖尿病人群中，GHRd3亚型携带者与未携带者相比，前者罹患糖尿病，尤其是 T2DM的相对风险降低［8，25，26］。

在印度进行的一项针对当地冠状动脉疾病患者的调查显示，非糖尿病人群中具有双拷贝d3-GHR基因(GHRd3/d3)的个体与单拷贝 d3-GHR基因(GHRd3/fl)的个体相比，前者的血清高密度脂蛋白胆固醇明显升高;与双拷贝fl-GHR等位基因的个体(GHRfl/fl)相比，具有双拷贝GHRd3基因的个体血清高密度脂蛋白胆固醇升高的幅度更加明显［25］。

Montefusco等［26］对不伴糖尿病的肢端肥大症患者的观察发现，基因型为GHRfl/fl的个体与GHRd3携带者的血浆中GH、IGF-1水平相仿，但前者的体质量指数值更高，胰岛素抵抗也更严重。

5.4 GHRd3亚型与糖尿病严重程度 GHRd3亚型对非糖尿病人群有保护作用，但在糖尿病患者中GHRd3拷贝多的个体病变病情相对严重［8］。

5.4.1 GHRd3亚型与 T1DM 携带 GHRd3的T1DM患者(GHRfl/d3、GHRd3/d3)预后较GHRfl/fl携带者差。T1DM儿童中携带GHRd3亚型的群体比起GHRfl/fl纯合子群体平均身高值更小，而血清IL-1β含量和抗胰岛素抗体(autoantibodies to insulin，anti-IAA)阳性率更高［4］。炎性因子IL-1β可加速胰岛β细胞的破坏;抗胰岛素抗体是评估糖尿病患者残留胰岛β细胞功能丧失速度的指标，高滴度的抗胰岛素抗体则是产生严重IR的主要原因［17，27］。不过也有相关研究指出，T1DM患者中GHRd3的出现频率与DN的发生没有明确联系［28］。

5.4.2 GHRd3亚型与 T2DM 在 T2DM 患者中，GHRd3携带者的体质量指数值相对较大，C反应蛋白也比GHRfl/fl携带者高［8］。肥胖者的体质量指数与C反应蛋白水平呈正相关，增大的脂肪体积和增生的脂肪细胞促使肝细胞合成C反应蛋白增加。而C反应蛋白本身也是T2DM的独立预测因子，能放大其他炎性介质的血管损伤效应，促进单核细胞对内皮细胞的黏附，直接损伤血管内皮细胞功能，并使其通透性增加，最终导致IR，同时刺激巨噬细胞摄入低密度脂蛋白、分泌细胞因子及组织因子，增加T2DM患者发生冠状动脉疾病等大血管病变的风险［29，30］。

6 小结

糖尿病状态下GH-GHR轴的改变影响了糖尿病及其并发症的发生及发展，不同GHR亚型的表达情况和拷贝数的差异对GH-GHR轴的平衡也能进行调节，这提示纠正GH-GHR轴的调节失衡可以作为预防、治疗人类糖尿病的切入点之一。动物实验发现，特异性的GHR阻断剂对DR与DN有一定疗效，这提示改变GHR的亚型比例或GHR在组织中的表达水平或许可以成为未来防治糖尿病及其并发症的潜在手段。

［1］Schwartzbauer G，Menon RK.Regulation of growth hormone receptor gene expression［J］.Mol Genet Metab，1998，63(4):243-253.

［2］Kopchick JJ，Andry JM.Growth Hormone(GH)，GH Receptor，and Signal Transduction［J］.Mol Genet Metab，2000，71(2):293-314.

［3］Kopchick JJ，Parkinson C，Stevens EC，et al.Growth hormone receptor antagonists:discovery，development，and use in patients with acromegaly［J］.Endocr Rev，2002，23(5):623-646.

［4］李正兰，陈临琪，李世芹，等.特发性矮小患儿生长激素受体基因外显子10单核苷酸多态性研究［J］.实用儿科临床杂志，2010，25(20):1556-1558.

［5］应艳琴，魏虹，曹励芝，等.Laron综合征家系患者生长激素受体基因突变分析［J］.临床儿科杂志，2007，25(20):971-973.

［6］Mavalli MD，DiGirolamo DJ，Fan Y，et al.Distinct growth hormone receptor signaling modes regulate skeletal muscle development and insulin sensitivity in mice［J］.J Clin Invest，2010，120(11):4007-4020.

［7］Malemud CJ.Growth hormone，VEGF and FGF:Involvement in rheumatoid arthritis［J］.Clin Chim Acta，2007，375(1):10-19.

［8］Strawbridge RJ，Kärvestedt L，Li C，et al.GHR exon 3 polymorphism:Association with type 2 diabetes mellitus and metabolic disorder［J］.Growth Horm IGF Res，2007，17(5):392-398.

［9］Dominici FP，Argentino DP，Munoz MC，et al.Influence of the crosstalk between growth hormone and insulin signaling on the modulation of insulin sensitivity［J］.Growth Horm IGF Res，2005，15(5):324-336.

［10］Lu CX，Kumar PA，Fan Y，et al.A novel effect of growth hormone on macrophage modulates macrophage-dependent adipocyte differentiation［J］.Endocrinology，2010，151(5):2189-2199.

［11］LeBaron MJ，Ahonen TJ，Nevalainen MT，et al.In vivo responsebased identification of direct hormone target cell populations using high-density tissue arrays［J］.Endocrinology，2007，148(3):989-1008.

［12］Egecioglu E，Andersson IJ，Bollano E，et al.Growth hormone receptor deficiency in mice results in reduced systolic blood pressure and plasma renin，increased aortic eNOS expression，and altered cardiovascular structure and function［J］.Am J Physiol Endocrinol Metab，2007，292(5):1418-1425.

［13］Guevara-Aguirre J，Balasubramanian P，Guevara-Aguirre M，et al.Growth hormone receptor deficiency is associated with a major reduction in pro-aging signaling，cancer，and diabetes in humans［J］.Sci Transl Med，2011，3(70):70ra13.

［14］Hansen TK，Gravholt CH，Ørskov H，et al.Dose dependency of the pharmacokinetics and acute lipolytic actions of growth hormone［J］.J Clin Endocrinol Metab，2002，87(10):4691-4698.

［15］Thimmarayappa J，Sun JH，Schultz LE，et al.Inhibition of growth hormone receptor gene expression by saturated fatty acids:role of kruppel-like zinc finger factor，ZBP-89［J］.Mol Endocrinol，2006，20(11):2747-2760.

［16］姜丽萍，赵金满.肝源性糖尿病的诊断与治疗［J］.世界华人消化杂志，2007，15(6):617-621.

［17］Lingohr MK，Buettner R，Rhodes CJ.Pancreatic β-cell growth and survival—a role in obesity-linked type 2 diabetes?［J］.Trends Mol Med，2002，8(8):375-384.

［18］Gowri PM，Yu JH，Shaufl A，et al.Recruitment of a repressosome complex at the growth hormone receptor promoter and its potential role in diabetic nephropathy［J］.Mol Cell Biol，2003，23(3):815-825.

［19］汤玮，刘志民.糖尿病微血管病相关蛋白的研究进展［J］.中华内分泌代谢杂志，2007，23(2):189-192.

［20］Bellush LL，Doublier S，Holland AN，et al.Protection against diabetes-induced nephropathy in growth hormone receptor/binding protein gene-disrupted mice［J］.Endocrinology，2000，141(1):163-168.

［21］Chiarelli F，Giannini C，Di Marzio D，et al.Treating diabetic retinopathy by tackling growth factor pathways［J］.Curr Opin Investig Drugs，2005，6(4):395-409.

［22］Smith LE，Kopchick JJ，Chen WW，et al.Essential role of growth hormone in ischemia-induced retinal neovascularization［J］.Science，1997，276(5319):1706-1709.

［23］Amit T，Moussa B，Youdim H，et al.Does serum growth hormone(GH)Binding Protein Reflect Human GH receptor function?［J］.J Clin Endocrinol Metab，2000，85(3):927-932.

［24］García D，Oyarzún A，Angel B，et al.Association of GHRd3 variant of growth hormone receptor gene with autoimmunity in type 1 diabetes［J］.Rev Med Chil，2009，137(5):609-616.

［25］Maitra A，Shanker J，Dash D，et al.Polymorphisms in the pituitary growth hormone gene and its receptor associated with coronary artery disease in a predisposed cohort from India［J］.J Genet，2010，89(4):437-447.

［26］Montefusco L，Filopanti M，Ronchi CL，et al.d3-Growth hormone receptor polymorphism in acromegaly:effects on metabolic phenotype［J］.Clin Endocrinol(Oxf)，2010，72(5):661-667.

［27］Borjesson A，Rønn SG，Karlsen AE，et al.β-cell specific overexpression of suppressor of cytokine signalling-3 does not protect against multiple low dose streptozotocin induced type 1 diabetes in mice［J］.Immunol Lett，2011，136(1):74-79.

［28］Gu HF，Efendic S，Brismar K.Lack of an association between GHR exon 3 polymorphism and diabetic nephropathy in the Genetics of Kidneys in Diabetes(GoKinD)population［J］.Diabetologia，2008，51(12):2333-2334.

［29］Friedman AN，Hunsicker LG，Selhub J，et al.C-reactive protein as a predictor of arteriosclerotic outcomes in type 2 diabetic nephropathy［J］.Kidney Int，2005，68(2):773-778.

［30］刘怡，刘一帆，关晓丽，等.C反应蛋白与2型糖尿病及其血管并发症［J］.国际内分泌代谢杂志，2010，30(增刊):44-46.