1型糖尿病（T1DM）是由T淋巴细胞介导的对胰岛β细胞的选择性破坏而导致胰岛素绝对缺乏的器官特异性自身免疫性疾病。遗传因素和环境因素相互作用，共同参与了1型糖尿病的发生发展。通过家系连锁分析、候选基因关联研究以及全基因组关联研究，迄今为止已经定位了60余个T1DM的易感位点。本文回顾了T1DM遗传学方面的研究进展，并对易感基因应用于T1DM的遗传风险预测进行了展望。
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1型糖尿病（T1DM）是由遗传易感个体的胰岛β细胞被破坏而导致胰岛素绝对缺乏和高血糖的一种复杂的自身免疫性疾病。T1DM在儿童和青少年中更为常见，流行病学研究表明，全球T1DM的发病率正在以每年3%~5%的速率增加。就中国而言，20世纪80~90年代中国T1DM发病率约为0.51/10万人年，而最新的调查数据显示中国人T1DM的发病率为1.01/10万人年[1]。
虽然T1DM的发病机制尚未完全明确，但目前多数研究者认为T1DM是由遗传易感性和环境因素共同作用导致的。迄今为止研究者们使用家系连锁分析、候选基因关联研究和全基因组关联研究（GWAS）的方法定位了60余个人类基因组内T1DM的易感位点[2]，其中人类白细胞抗原（HLA）区域的基因为主效基因。非HLA基因，如胰岛素（INS）基因、细胞毒性T淋巴细胞相关抗原4（CTLA4）基因、蛋白酪氨酸磷酸酶非受体型22（PTPN22）基因，白细胞介素（IL）2受体α（IL2RA）基因等，虽然它们的影响比HLA基因小，但也在T1DM的发病中发挥了作用。本文回顾了目前T1DM遗传学方面的研究进展，并对易感基因应用于T1DM的遗传风险预测进行了展望。
HLA区域位于人类染色体6p21.3，该区域跨越4 000 kb，含有超过200个基因，研究发现很多HLA基因对环境病原体以及自身免疫性疾病有免疫应答功能[3]。HLAⅠ类（A，B，C）和Ⅱ类（DP，DQ，DR）基因在适应性免疫反应中发挥重要作用，而且HLA基因的高度多态性也使其成为T1DM关联研究的一个极其宝贵的工具。HLAⅠ类分子主要负责对CD8+T细胞提呈细胞内抗原，HLAⅡ类分子负责把细胞外抗原提呈给CD4+T细胞，HLA Ⅲ类基因则编码形成补体系统的一部分蛋白质（如C2，C4a，C4b和Bf）。
HLAⅡ类基因是HLA基因中与T1DM关联最强的，尤其是HLA-DRB1、DQA1和DQB1，可决定40%~50%的T1DM易感性[4]。HLAⅡ类基因可能通过结合自身抗原[胰岛素原、谷氨酸脱羧酶（GAD）、蛋白酪氨酸磷酸酶（IA-2）、锌转运体8（ZnT8）]的关键肽而发挥作用。
研究发现，特定的HLAⅡ类基因的等位基因，基因型和单倍型均可能会影响T1DM的发病风险。从等位基因层面来看，HLA-DRB1、DQA1、DQB1位点既包含T1DM的易感基因又包含保护性基因[5]。在高加索人中，DRB1*0401、DRB1*0402、DRB1*0405被认为是T1DM的易感等位基因，而DRB1*0403、DRB1*0406则被认为是保护性等位基因。亚洲T1DM患者的易感和保护性等位基因与高加索人存在种族异质性[6]。大多数研究者认为HLA的易感性并非由单个基因所决定，而是由等位基因组成的基因型或单倍型所产生的综合效应决定，所以分析HLAⅡ类易感与保护性基因组成的基因型与单倍型也十分重要。从基因型和单倍型层面来看，HLA-DRB1、DQA1、DQB1位点的不同组合方式决定了发生T1DM风险的大小。
研究发现T1DM发病风险最高的单倍型是DRB1*0301-DQA1*0501-DQB1*0201（DR3）和DRB1*0401-DQA1*0301-DQB1*0302（DR4）[5]，携带这两种单倍型的杂合子患T1DM的风险远高于任何纯合子[7]。但在不同种族中，与T1DM有关的DRB1、DQA1和DQB1的位点可能并不一致。例如DRB1*0405-DQA1*0301-DQB1*0302和DRB1*0401-DQA1*0301-DQB1*0302单倍型与高加索人的T1DM密切相关，而DRB1*0405-DQA1*0301-DQB1*0401和DRB1*0901-DQA1*0301-DQB1*0303（DR9）单倍型则与东亚人的T1DM有关[5,8]。T1DM的保护性单倍型中作用最强的是DRB1*1501-DQA1*0102-DQB1*0602[9]。在基因型研究方面，我们团队的研究成果发现中国人T1DM的高危基因型为DR3/DR3、DR3/DR9和DR9/DR9，但高加索人T1DM的高危基因型为DR3/DR4[10]。在中国人中，T1DM高危的单倍型频率较高加索人低，而中低危的单倍型频率则较高加索人高，这些研究结果也部分解释了中国人群T1DM发病率较高加索人群低的原因。
大量研究已经证实HLAⅠ类基因与T1DM的遗传风险有关。HLAⅠ类基因编码的产物在向CD8+T细胞呈递抗原中起关键作用，而T1DM的发生发展与CD8+T细胞破坏胰岛β细胞有关，因此HLAⅠ类基因可能影响T1DM的发病。
Valdes等[11]研究发现，HLAⅠ类区域的等位基因与T1DM的发病年龄相关。有报道称HLA-A*24等位基因的存在与T1DM患者的低残留胰岛功能相关，表明A*24等位基因可能促进β细胞的完全破坏[12]。HLA-B和HLA-C类等位基因也与T1DM有关。当校正由DR和DQ基因导致的连锁不平衡后，HLA-B*3906等位基因具有很强的T1DM易感风险，而HLA-B*5701则具有高度保护作用[13]。最近中国首个T1DM的GWAS研究鉴定出中国人群特有的新易感位点HLA-C 275[14]。
HLA Ⅲ类区域涉及与免疫应答有关的基因，包括主要组织相容性复合体（MHC）Ⅰ类链相关分子（MIC）-A，肿瘤坏死因子（TNF）和补体蛋白基因，这些基因也被认为在T1DM自身免疫的发病机制中具有重要作用。Gupta等[15]报道MIC-A5与儿童时期的T1DM有关，而MIC-A5.1则被认为是成人T1DM的独特遗传标记[16]。此外C4补体基因的缺乏可以增加携带DR3/DR4的年轻个体罹患T1DM的风险[17]。
尽管与T1DM关联度最高的基因是HLA区域，但其他非HLA易感基因的作用也不容忽视，如INS、PTPN22、CTLA4、IL2RA、干扰素诱导解旋酶C域1（IFIH1）基因等[4]。
INS基因是首个发现的与T1DM有关联的非HLA基因。INS基因位于染色体11p15.5，在该基因翻译起始位点上游596 bp处的可变数目串联重复序列（VNTR）与T1DM有关[18]。INS基因的VNTR按照重复次数的不同分为Ⅰ类（重复20~63次）、Ⅱ类（重复64~139次）和Ⅲ类（重复140~210次）等位基因。其中Ⅰ类等位基因为T1DM的易感等位基因，而Ⅲ类等位基因则为保护性等位基因。
研究表明INS基因的不同类型的VNTR可能通过调节胰腺和胸腺中INS基因的表达参与疾病的发生。Ⅰ类等位基因使得INS基因在胸腺中低表达，Ⅲ类等位基因则与之相反。其致病的机制可能是胸腺中低水平的胰岛素原影响了T细胞的阴性选择，使胰岛素原特异性CD4+T淋巴细胞迁移到外周，从而增加发生T1DM的风险。相反，在胸腺中高水平的胰岛素原可能促进T淋巴细胞的阴性选择，从而产生免疫耐受并降低T1DM的发病风险。
PTPN22基因位于染色体1p13，它编码淋巴样蛋白酪氨酸磷酸酶（LYP）。LYP主要表达于T细胞，它可以通过使两种早期信号蛋白，即淋巴细胞特异性蛋白酪氨酸激酶（Lck）和CD3分子上的酪氨酸残基去磷酸化来抑制T细胞抗原受体（T-cell antigen receptor，TCR）信号通路。同时LYP还可与C-Src酪氨酸激酶（CSK）相互作用来抑制T细胞的活化。Bottini等[19]首次发现PTPN22中常见的非同义单核苷酸多态性（SNP）rs2476601（R620W）与T1DM密切相关。该突变使位于620位上的精氨酸变为色氨酸，从而导致与CSK的结合能力丧失，且该突变通过增加循环中的记忆T细胞来引起自身免疫的增加。此变异在高加索人中得到了广泛验证，但在亚洲人群中极为罕见[20]。
研究显示位于染色体2q33上的CTLA4基因也与T1DM有关[21]。CTLA4蛋白是T细胞表面表达的共刺激受体，它是T细胞活化的负调控因子，并且在CD4+调节性T细胞的功能中起关键作用。与T细胞共刺激中的重要分子CD28相似，CTLA4能够与抗原提呈细胞（APC）表面的B7配体特异性结合，但与CD28不同的是CTLA4的胞内部分具有磷酸酶活性，它可以通过与CD3分子的细胞内结构域相互作用来调节免疫应答。CTLA4基因外显子1上的变异rs231775（+49A>G）被认为与T1DM相关，这种变异引起序列中的丙氨酸被苏氨酸取代，导致突变蛋白的错误表达和细胞表面CTLA4表达的减少。
IFIH1基因是通过GWAS研究发现的与T1DM有关的易感位点。IFIH1基因位于人染色体2q24.3，它编码一种重要的天然免疫受体，可通过激活细胞内的信号级联反应而产生Ⅰ型干扰素和促炎细胞因子以抵御病毒感染。IFIH1基因包括多个常见和罕见的与T1DM有关的多态性位点[22]，这些位点与IFIH1基因的表达、蛋白结构及功能相关。其中常见的非同义突变rsl990760（A946T）被认为是与T1DM相关性最强的位点，体外和体内模型均证明它的T等位基因增加了Ⅰ型干扰素的表达，并且导致对病毒感染保护的增强和对链脲佐菌素诱导的T1DM患病率的增加。
IL2RA基因也被认定为T1DM的一个重要的非HLA易感基因，它位于染色体10p15上，并编码IL-2受体的α链（CD25）。CD25在调节性T细胞，记忆T细胞以及活化的单核细胞上均有表达，并且对调节性T细胞的增殖具有重要作用，因此IL2RA基因突变可能导致自身免疫性疾病的发展。Vella等[23]首次发现IL2RA基因与T1DM相关，并在另外的家系中对此结果进行了验证。随后，该基因的多个位点被证实与T1DM有关，如rs706778、rs11594656和rs2104286。
除了上述基因，还有许多与T1DM相关的非HLA基因，包括泛素样小蛋白4（SUMO4）基因，信号转导与转录激活因子4（STAT4）基因，蛋白酪氨酸磷酸酶非受体型2（PTPN2）基因，C型凝集素16A（CLEC16A）基因，GLIS家族锌指3（GLIS3）基因，受体酪氨酸蛋白激酶erbB-3（ERBB3）基因，维生素D受体（VDR）基因[24]以及核苷酸结合寡聚化结构域受体蛋白1（NLRP1）基因[25]等。
研究T1DM的易感位点不仅有助于进一步了解T1DM发生发展的机制，还可以建立T1DM的预测模型。早期的T1DM预测模型大多基于胰岛自身抗体、胰岛β细胞功能（例如INS或C肽测定）、葡萄糖代谢、其他临床参数（例如年龄、体质指数）以及遗传因素。Mrena等[26]制定的预测模型包括胰岛自身抗体、T1DM相关HLA等位基因、INS分泌、INS敏感性和年龄等因素，但包含的遗传信息并不多。
T1DM遗传风险预测面临的一个挑战就是将过去几十年积累的知识，包括HLA和非HLA基因的信息结合起来，应用于T1DM诊断以及预测，以提高T1DM的预测及诊断的准确性。早期对于T1DM风险的预测完全依赖于高风险的HLA基因型/单倍型，它们占遗传风险的40%左右，而最近的研究报道纳入新发现的非HLA变异并采用更强大的预测建模方法可以明显提高风险预测的能力[27,28]。目前，在不同的环境和人群中已经开发和验证了各种不同的遗传风险评分方案，其中一些方案融合了多种遗传因子的信息并对其进行了优化，最终使该评分方案能对T1DM进行更精准的诊断以及预测。
Aly等[29]在T1DM患者的兄弟姐妹中开展了一项研究。他们选取基因型为DR3/DR4杂合子的患者的兄弟姐妹，根据这些亲属与T1DM患者共有的单倍型数量进行赋值，结果表明，有两个单倍型相同的兄弟姐妹发生胰岛自身免疫的风险要高于仅有一个单倍型相同者[29]。然而这种风险评估方法并没有使用所有可用的HLA信息，也不包括非HLA基因。Steck等[30]发现检测一些非HLA基因可以提高预测能力，在HLA的DR-DQ分型中添加非HLA基因，如PTPN22等的SNP可以改善T1DM风险预测能力。德国一项针对T1DM患者子女的前瞻性研究也表明，非HLA基因的组合在鉴别糖尿病方面非常有效，尤其是对有高风险HLA基因型的儿童。受试者工作特征（ROC）曲线分析显示，IFIH1、CTLA4、PTPN22等8个基因在预测携带高风险HLA基因型的儿童患病风险方面非常有效[31]。对T1DM患者子女的多个易感基因座的基因分型可以鉴别出具有高T1DM遗传风险的新生儿，从而考虑进行早期干预。随后这些研究人员又开发了加权风险模型，根据不同SNP相应的OR值对其进行加权，并纳入了比之前更多的遗传变异。与之前的模型相比，该10因子模型预测T1DM的能力更强[32]。这些最新研究结果表明T1DM的遗传风险预测模型已在高加索人群中建立和应用[33,34,35]。
最近，南京医科大学第一附属医院杨涛教授课题组与南京医科大学沈洪兵教授、胡志斌教授课题组，中山大学附属第三医院翁建平教授课题组及中南大学湘雅二医院周智广教授课题组深度合作，首次报道了三个在中国人群中鉴定出的易感位点，并利用鉴定出的易感位点构建了中国T1DM的风险预测模型，曲线下面积达到0.86（95%CI：0.85~0.88），进一步验证发现预测模型的遗传风险评分（GRS）越高，T1DM的发病年龄越早，初诊时空腹C肽水平越低[14]。这为在中国进行T1DM的遗传风险预测奠定了基础。
综上所述，T1DM遗传学方面的研究已经取得了重大进展。随着样本量的增加和基因组分析技术（如全基因组芯片分型技术和二代测序技术）的应用，与T1DM有关的遗传变异也在不断被发现。但目前发现的这些遗传变异是否直接导致T1DM的发生，以及通过何种机制导致T1DM的发生，尚有待于进一步深入研究来阐明。T1DM遗传学研究的进展也为进行T1DM的遗传风险预测奠定了基础。遗传风险预测将通过识别高危个体，从而在T1DM的早期干预中发挥重要作用，其中对每个种族遗传特征的充分了解对于其成功实施至关重要。然而迄今为止收集的遗传信息主要集中在高加索人群，由于中国人群和高加索人群存在遗传异质性，高加索人群建立的T1DM遗传风险预测模型并不能直接应用于中国人群，因此后续我们还需要在中国人群中深入进行T1DM风险预测模型的完善与应用实践。总之，对T1DM遗传易感位点的研究不仅有助于了解T1DM的发病机制以及环境因素对疾病发展的贡献，而且可以建立遗传风险的预测模型，有助于在精准医学时代为T1DM患者提供更好的诊断和治疗方案。
所有作者均声明不存在利益冲突
