表觀遺傳學(xué)在糖尿病及其慢性并發(fā)癥中的應(yīng)用

燕 艷，劉仲祥，張秀娟*

(1.吉林大學(xué)第二醫(yī)院 內(nèi)分泌科，吉林 長(zhǎng)春130041；2.吉林大學(xué)中日聯(lián)誼醫(yī)院)

表觀遺傳學(xué)在糖尿病及其慢性并發(fā)癥中的應(yīng)用

燕 艷1，劉仲祥2，張秀娟1*

(1.吉林大學(xué)第二醫(yī)院 內(nèi)分泌科，吉林 長(zhǎng)春130041；2.吉林大學(xué)中日聯(lián)誼醫(yī)院)

表觀遺傳學(xué)是研究在基因的核苷酸序列不發(fā)生改變的情況下，基因發(fā)生了可遺傳的表達(dá)的一門(mén)新興學(xué)科。其機(jī)制主要包括DNA甲基化，組蛋白修飾，代謝記憶，RNA介導(dǎo)的基因沉默，染色質(zhì)重塑及基因組印記等。

糖尿病是以高血糖及胰島素缺乏為特征的一種多因素的慢性代謝性疾病，與基因及環(huán)境因素相關(guān)[1]。近幾年，越來(lái)越多的研究表明，可以用表觀遺傳學(xué)解釋糖尿病的加速發(fā)展，及持續(xù)存在的微血管及大血管并發(fā)癥。現(xiàn)有研究表明，由環(huán)境引起的妊娠期代謝變化，是2型糖尿病易感性的決定因素。也有研究指出，2型糖尿病的孕婦與非糖尿病的孕婦相比，其后代對(duì)于2型糖尿病有更高的易感性。其次，兒童時(shí)期和成年后的生活方式，與2型糖尿病的發(fā)生密切相關(guān)，包括飲食因素和家庭因素[2]。流行病學(xué)和實(shí)驗(yàn)動(dòng)物研究發(fā)現(xiàn)長(zhǎng)期血糖控制不佳是作為糖尿病并發(fā)癥發(fā)生的一個(gè)主要因素，并強(qiáng)調(diào)早期干預(yù)的重要性。早期暴露于高血糖，可促使微血管并發(fā)癥和大血管并發(fā)癥的發(fā)生[3]，當(dāng)糖尿病患者血糖得到控制后，仍然有這種現(xiàn)象存在，表明代謝記憶參與其中。因此，了解表觀遺傳學(xué)的發(fā)生機(jī)制，將有助于研發(fā)新型的治療及干預(yù)措施，以預(yù)防，逆轉(zhuǎn)或延緩糖尿病的危害。

1 DNA甲基化與糖尿病

DNA甲基化是指在DNA甲基化轉(zhuǎn)移酶的作用下，5’胞嘧啶被選擇性的添加甲基，形成5-甲基胞嘧啶。人類基因組中，有大約70%的CpG發(fā)生了甲基化，未發(fā)生甲基化的CpG則形成了CpG島，聚集在結(jié)構(gòu)基因啟動(dòng)子的核心序列和轉(zhuǎn)錄起始位點(diǎn)。在正常細(xì)胞中，大部分CpG島是不發(fā)生甲基化的，但是當(dāng)發(fā)生癌癥，或者氧化應(yīng)激的情況下，一些CpG島會(huì)發(fā)生特異性甲基化的改變。現(xiàn)在針對(duì)DNA甲基化在糖尿病中作用的研究還很有限，但是已經(jīng)有一些研究觀察到糖尿病時(shí)會(huì)有部分基因發(fā)生甲基化的改變。

早期臨床研究發(fā)現(xiàn)，低體重兒與后期2型糖尿病的發(fā)生率有很強(qiáng)烈的相關(guān)性[4]。有研究表明，宮內(nèi)發(fā)育遲緩的大鼠模型中，在從宮內(nèi)發(fā)育遲緩到成年糖尿病大鼠的過(guò)渡期間，胰腺和十二指腸同源盒(PDX1)的甲基化升高，轉(zhuǎn)錄受到抑制，表達(dá)明顯減少。PDX1是一種轉(zhuǎn)錄因子，可以調(diào)控β細(xì)胞的分化，生長(zhǎng)和胰島素分泌[5]。因此，在人類和動(dòng)物模型中，PDX1的改變與2型糖尿病及β細(xì)胞功能障礙有關(guān)[6]。

有研究表明，與正常人相比，有高心血管疾病風(fēng)險(xiǎn)的2型糖尿病患者的外周血單個(gè)核細(xì)胞中，其全基因組DNA甲基化水平有明顯的改變[7]。SMCS通過(guò)研究冠狀動(dòng)脈粥樣硬化損傷內(nèi)皮細(xì)胞，高脂喂養(yǎng)的動(dòng)物模型得出動(dòng)脈粥樣硬化與DNA甲基化之間的關(guān)聯(lián)[8]。也有研究顯示，糖尿病伴終末期腎病的患者，檢測(cè)到其重要基因發(fā)生了DNA甲基化的改變[9]。同樣，1型糖尿病伴糖尿病腎病的病人，顯示UNC13B啟動(dòng)子區(qū)高甲基化[10]，該基因與糖尿病腎病相關(guān)，具有調(diào)控高糖誘導(dǎo)的腎小球細(xì)胞凋亡。

2 組蛋白修飾與糖尿病

組蛋白是一組位于真核生物的染色質(zhì)中的蛋白質(zhì)，由精氨酸和賴氨酸等堿性的氨基酸構(gòu)成。組蛋白修飾方式主要包括甲基化，磷酸化，泛素化以及乙酰化，并通過(guò)兩個(gè)方面調(diào)控基因的表達(dá)，一是影響組蛋白同DNA的親和性，改變了染色質(zhì)的凝集、疏松狀態(tài)。二是通過(guò)影響轉(zhuǎn)錄因子和結(jié)構(gòu)基因啟動(dòng)子區(qū)的親和性。

炎癥的發(fā)生是2型糖尿病發(fā)病的一個(gè)重要因素，而組蛋白修飾又參與并調(diào)控炎癥的發(fā)生，因此可以推斷，改變炎癥相關(guān)因子的組蛋白修飾，可以導(dǎo)致糖尿病的發(fā)生。組蛋白乙酰轉(zhuǎn)移酶(HATs)和組蛋白去乙酰化酶(HDACs)可以調(diào)控一些于糖尿病相關(guān)的關(guān)鍵基因，如調(diào)控NF-κB的轉(zhuǎn)錄活性來(lái)影響下游炎癥基因的表達(dá)[11]。在高糖的環(huán)境下，炎癥相關(guān)基因的組蛋白發(fā)生改變，NF-κB的P65基因，發(fā)生高度乙酰化和轉(zhuǎn)錄激活。有研究發(fā)現(xiàn)，1型糖尿病患者的H3K9的甲基化與自身免疫及炎癥通路相關(guān)基因表達(dá)的改變有關(guān)[12]。針對(duì)糖尿病db/db小鼠的平滑肌細(xì)胞的研究發(fā)現(xiàn)，一些炎癥相關(guān)基因MCP-1和 IL-6的啟動(dòng)子區(qū)發(fā)生了組蛋白甲基化的改變，包括H3K9的低甲基化和H3K4的高甲基化。

3 代謝記憶與糖尿病

代謝記憶是指當(dāng)血糖控制良好時(shí)，糖尿病血管并發(fā)癥仍持續(xù)存在。該現(xiàn)象在實(shí)驗(yàn)動(dòng)物模型、細(xì)胞模型和1型與2型糖尿病病人的臨床觀察中都得到了驗(yàn)證，目前針對(duì)這一現(xiàn)象的研究主要集中在高血糖所引起的危害。

高糖的代謝記憶形成機(jī)制尚不明確，Ihnat等[13]提出，高糖的代謝記憶可能與晚期的糖基化終末產(chǎn)物(AGEs)和氧化應(yīng)激相關(guān)。有研究發(fā)現(xiàn)，引起線粒體功能障礙和氧化應(yīng)激的主要原因可能是線粒體蛋白的糖化，糖化后的線粒體在電子傳遞鏈方面發(fā)生功能異常改變，電子傳遞方向發(fā)生改變，被傳遞給氧等分子，形成活性氧簇(ROS)[14]。ROS通過(guò)與線粒體蛋白交互作用，引起線粒體功能受損，從而進(jìn)一步刺激線粒體產(chǎn)生更多的ROS，如此循環(huán)，體內(nèi)ROS數(shù)量增加，使氧化應(yīng)激提高，激活信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)級(jí)聯(lián)，如NF-κB，蛋白酶C等。在氧化應(yīng)激的環(huán)境下，NF-κB活化會(huì)上調(diào)靶細(xì)胞的損傷反應(yīng)基因，使其表達(dá)增加，因此，損傷后即使血糖控制良好，也無(wú)法逆轉(zhuǎn)炎性因子的高表達(dá)，從而損傷靶器官[15]。類似在糖尿病患者體內(nèi)，AGEs增多，因其特殊的不可逆性，高血糖狀態(tài)被糾正后，也無(wú)法恢復(fù)AGEs的水平。AGEs能通過(guò)引起膠原分子交聯(lián)的方式減弱血管壁的彈性，還可以使細(xì)胞內(nèi)的蛋白發(fā)生交聯(lián)，改變細(xì)胞外基質(zhì)結(jié)構(gòu)，并干擾正常細(xì)胞的接觸，從而抑制細(xì)胞的生長(zhǎng)，破壞組織完整性，最終影響細(xì)胞的功能。AGEs還能夠通過(guò)與AGEs的受體結(jié)合，激活與糖尿病并發(fā)癥相關(guān)的多種信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路，促進(jìn)NF-κB的活化，影響靶器官的功能。

4 microRNA與糖尿病

microRNA是單鏈非編碼RNA分子，通過(guò)與目標(biāo)mRNA的非翻譯區(qū)堿基互補(bǔ)，從而在轉(zhuǎn)錄后水平上對(duì)基因進(jìn)行調(diào)控。有研究發(fā)現(xiàn)，miR510、miR96、miR200、miR375等與胰島β細(xì)胞的丟失、損傷和功能障礙相關(guān)，miR103、miR107、miR200a等與胰島素抵抗相關(guān)[16]。

miR-357在正常胰島細(xì)胞的形成中至關(guān)重要，最初被發(fā)現(xiàn)于斑馬魚(yú)體內(nèi)[17]，并指出與胰島β的胰島素分泌相關(guān)。有研究發(fā)現(xiàn)，敲除mir-375的大鼠體內(nèi)β細(xì)胞數(shù)量減少，伴隨α胰島細(xì)胞數(shù)量增加，說(shuō)明miR-375在α和β細(xì)胞上的作用相反[18]。miR-375能直接與Mtpn V-1 3-UTR相結(jié)合，抑制葡萄糖介導(dǎo)的胰島素分泌，同時(shí)，miR-375還能直接影響PDK1的mRNA的表達(dá)，降低其蛋白水平，從而影響葡萄糖誘導(dǎo)的胰島素基因的表達(dá)，因此，敲除β細(xì)胞中的PDK1，會(huì)減少β細(xì)胞的數(shù)量，促使糖尿病的發(fā)生[19]。2010年，Hinton等[20]發(fā)現(xiàn)，在胰腺的形成過(guò)程中，miR-375的表達(dá)明顯上調(diào)，因此他們推斷miR-375可能在早期的發(fā)育中發(fā)揮作用。

宮內(nèi)發(fā)育不良及營(yíng)養(yǎng)缺乏所引起的表觀遺傳改變，特別是DNA甲基化的改變，會(huì)影響胎兒及母體對(duì)2型糖尿病的易感性。臨床研究和基礎(chǔ)研究都表明，早期嚴(yán)格的控制血糖會(huì)有效的預(yù)防或延緩糖尿病并發(fā)癥的發(fā)生發(fā)展。了解與糖尿病相關(guān)的重要基因的作用機(jī)制，可以為表觀遺傳治療開(kāi)辟新窗口。目前，DNA甲基化抑制劑，HDACs抑制劑等表觀遺傳藥物正在廣泛研究中，與傳統(tǒng)藥物相比，其具有較低的不良反應(yīng)，我們相信，在不久的將來(lái)，表觀遺傳將成為強(qiáng)有力的攻克糖尿病的武器。

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*通訊作者

1007-4287(2017)09-1479-03

2017-01-15)