組蛋白賴氨酸甲基轉(zhuǎn)移酶在糖尿病中的研究進(jìn)展

包志偉 楊天竹 劉 洋 王志剛

哈爾濱醫(yī)科大學(xué)（大慶）醫(yī)學(xué)檢驗(yàn)與技術(shù)學(xué)院生物化學(xué)教研室，黑龍江大慶 163319

糖尿病是在遺傳因素與環(huán)境因素相互作用下，以胰島素的分泌和利用異常引發(fā)的高血糖為特征的代謝性疾病，目前尚無根治方法。糖尿病分為兩型，1 型糖尿病主要與免疫系統(tǒng)缺陷和遺傳因素有關(guān)，2 型糖尿病主要與胰島素抵抗和肥胖有關(guān)，在我國糖尿病患者中有90%是2 型糖尿病患者。胰島素的分泌和利用是糖尿病發(fā)生發(fā)展的關(guān)鍵因素，胰島素分泌和發(fā)揮功能的過程又受到許多因素的調(diào)節(jié)，如胰島素受體和胰島素樣生長(zhǎng)因子1 的分子含量變化影響胰島素親和能力[1]。許多組蛋白修飾酶在代謝疾病中起著至關(guān)重要的作用，包括糖尿病及其并發(fā)癥。組蛋白甲基化調(diào)節(jié)酶在代謝疾病中的作用也引起了人們的關(guān)注，多種組蛋白賴氨酸甲基轉(zhuǎn)移酶與糖尿病及其并發(fā)癥的發(fā)生發(fā)展有關(guān)，因此本文對(duì)組蛋白賴氨酸甲基轉(zhuǎn)移酶在糖尿病及其并發(fā)癥中的研究進(jìn)展作一簡(jiǎn)要綜述。

1 影響組蛋白甲基化的相關(guān)因素

組蛋白甲基化是表觀遺傳學(xué)中組蛋白修飾的主要形式之一。組蛋白甲基轉(zhuǎn)移酶和組蛋白脫甲基酶共同完成組蛋白甲基化修飾這一動(dòng)態(tài)過程。組蛋白的甲基化主要發(fā)生在H3 和H4 的賴氨酸（lysine，K）和精氨酸（arginine，R）上，組蛋白賴氨酸甲基轉(zhuǎn)移酶主要由SET（Su var 3-9，E z，Trithorax）結(jié)構(gòu)域家族和非SET 結(jié)構(gòu)域家族的甲基轉(zhuǎn)移酶完成。目前，對(duì)SET 結(jié)構(gòu)域家族研究相對(duì)充分。H3K4、H3K36、H3K79 的甲基化主要參與基因激活，而H3K9、H3K20、H3K27 的甲基化主要參與基因沉默。

2 組蛋白賴氨酸甲基轉(zhuǎn)移酶在糖尿病中的作用

2.1 常染色質(zhì)組蛋白賴氨酸N-甲基轉(zhuǎn)移酶2（EHMT2，又稱G9a）在糖尿病中的作用

G9a 在體內(nèi)參與H3K9me3 三甲基化修飾，并也參與H3K27 的甲基化修飾。G9a 以及G9a 介導(dǎo)的H3K9me2 和H3K27 的甲基化主要與基因沉默相關(guān)。有研究[2]提示，G9a 通過調(diào)節(jié)胰島素受體基因轉(zhuǎn)錄的關(guān)鍵調(diào)節(jié)因子高遷移率族AT-hook1（high mobolity group at-hook 1，HMGA1）的表達(dá)水平來調(diào)節(jié)肝細(xì)胞中胰島素信號(hào)傳導(dǎo)，在db/db 小鼠中，恢復(fù)G9a 的表達(dá)水平不僅上調(diào)HMGA1 水平，并改善受損的肝胰島素信號(hào)傳導(dǎo)，還減輕了高血糖和高胰島素血癥狀，這些都與2 型糖尿病相關(guān)，G9a 有望成為肝胰島素抵抗的潛在治療靶標(biāo)。高血糖可抑制G9a 的表達(dá)，G9a 參與糖尿病足潰瘍的發(fā)生發(fā)展，治療干預(yù)可提高患者G9a 表達(dá)，使輕重癥患者均有不同程度的足潰瘍面積減少，并使其治愈率增高[3-4]。腦源性神經(jīng)營(yíng)養(yǎng)因子（brain derived neuro trophic factor，BDNF）介導(dǎo)G9a的抑制，從而抑制H3K9 甲基化，具有神經(jīng)保護(hù)作用，并對(duì)糖尿病的神經(jīng)系統(tǒng)并發(fā)癥有保護(hù)作用[5]。

2.2 SET 區(qū)域酶分型1（SETDB1）和SET 區(qū)域含有賴氨酸甲基轉(zhuǎn)移酶7/9（SET7/9）、SET8 在糖尿病中的作用

SETDB1 三甲基化組蛋白H3K9，而H3K9me3 與基因沉默有關(guān)。SETDB1 的積累會(huì)抑制過氧化物酶增殖物激活受體γ（peroxisome-proliferator activated receptor γ，PPARγ）和堿基序列CCAAT 增強(qiáng)子結(jié)合蛋白α（CCAAT-enhancer binding protein α，CEBPα）基因以及脂質(zhì)代謝相關(guān)靶基因的表達(dá)，降低脂肪細(xì)胞脂質(zhì)貯積的能力，后者參與胰島素抵抗過程與2 型糖尿病有關(guān)[6]。SET7/9 是H3K4 的甲基轉(zhuǎn)移酶。糖尿病腎病是糖尿病最嚴(yán)重的微血管并發(fā)癥之一，“代謝記憶”在糖尿病并發(fā)癥中起著重要作用。有報(bào)道[7]指出，瞬時(shí)高葡萄糖刺激可以誘導(dǎo)SET7/9 和H3K4me1 表達(dá)，并且這種上調(diào)在腎系膜細(xì)胞中持續(xù)超過48 h，同時(shí)炎性因子MCP-1 和VCAM-1 的表達(dá)也被上調(diào)，這些發(fā)現(xiàn)表明SET7/9 參與“代謝記憶”并在糖尿病腎病中誘導(dǎo)持續(xù)的炎癥效應(yīng)。缺氧誘導(dǎo)因子（hypoxia inducible factor-1α，HIF-1α）是糖尿病并發(fā)癥中起重要作用的轉(zhuǎn)錄因子，被鑒定為SET7/9 的新底物。SET7/9 甲基化HIF-1α第32 位賴氨酸使HIF-1α 轉(zhuǎn)錄活性受到抑制，高血糖通過調(diào)節(jié)腎臟HIF-1α 水平和活性進(jìn)而損害腎臟對(duì)缺氧狀態(tài)的適應(yīng)性，影響著糖尿病腎病的發(fā)展[8-9]。在1 型糖尿病大鼠和高糖誘導(dǎo)的大鼠系膜細(xì)胞中，p21 基因啟動(dòng)子SET7/9 招募增加以及H3K4me1/2/3 水平增加導(dǎo)致p21 基因表達(dá)增加，SET7/9 可作為糖尿病腎病的潛在治療靶點(diǎn)[10]。糖尿病小鼠巨噬細(xì)胞中炎癥基因表達(dá)和SET7/9 募集增加，SET7/9 的染色質(zhì)修飾可促進(jìn)單核細(xì)胞中的促炎癥事件，SET7/9 是包括糖尿病在內(nèi)的炎性疾病的新型治療靶標(biāo)[11]。胰島限制性轉(zhuǎn)錄因子胰腺和十二指腸同源框1（pancreatic and duodenal homeobox 1，PDX1），胰島素基因增強(qiáng)子結(jié)合蛋白，胰島因子1（islet factor 1，ISL1）都和β 細(xì)胞E-box 轉(zhuǎn)錄因子2（beta cell E-box transcription factor 2，BETA2）相互作用激活胰島素基因的表達(dá)。ISL1 募集SET7/9 與BETA2 相互作用維持正常葡萄糖濃度下的基本胰島素基因轉(zhuǎn)錄活性。在高葡萄糖濃度下，PDX1 不僅與BETA2 形成復(fù)合物以增強(qiáng)胰島素基因表達(dá)，PDX1 還募集了SET7/9 以促進(jìn)胰島素啟動(dòng)子上組蛋白調(diào)節(jié)的激活。SET7/9 參與正常血糖濃度時(shí)與高葡萄糖時(shí)的胰島素表達(dá)[12]。SET8 是使H4K20 單甲基化的組蛋白賴氨酸甲基轉(zhuǎn)移酶，過表達(dá)SET8 可阻斷活性氧的積累，減輕血管炎癥和恢復(fù)一氧化氮產(chǎn)生，從而阻止發(fā)生在糖尿病心血管并發(fā)癥中的高糖記憶所引起的內(nèi)皮細(xì)胞損傷[13]。

2.3 多梳蛋白抑制復(fù)合體酶2（PRC2）在糖尿病中的作用

PRC2 是H3K27 的甲基轉(zhuǎn)移酶，多抑制基因的表達(dá)，EZH2 是PRC2 的一個(gè)亞基。EZH2 主要負(fù)責(zé)細(xì)胞中H3K27me2 和H3K27me3 的甲基化。高葡萄糖介導(dǎo)的JNK/Notch 途徑調(diào)節(jié)EZH2 的表達(dá)，使EZH2 表達(dá)增高，EZH2 通過對(duì)胰島素基因啟動(dòng)子上游組蛋白H3K27 二甲基化和三甲基化，抑制胰島素的表達(dá)，使血糖升高[14-15]。V-Maf 禽類肌肉腱膜纖維肉瘤癌基因同源物A（MafA）是胰島素的反式激活因子，在胰島素的分泌中起著關(guān)鍵作用[16]。EZH2 可以在胰島細(xì)胞中結(jié)合lncRNA Meg3，并通過lncRNA Meg3 使作用在MafA啟動(dòng)子上的3 種抑制因子RAD21 cohesin 復(fù)合成分、染色體結(jié)構(gòu)維持蛋白3、轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)因子SIN3A（酵母）的表達(dá)受到抑制從而增加MafA 的表達(dá)，最終影響胰島素的生物合成[17]。Ezh2 抑制增強(qiáng)了神經(jīng)元素3 在培養(yǎng)細(xì)胞中的反式激活能力和從多能細(xì)胞定向分化到胰島素生成細(xì)胞的能力。這些結(jié)果可以改進(jìn)胰島素生成細(xì)胞的培養(yǎng)方案，用于糖尿病中的β 細(xì)胞替代療法[18]。PRC2 可直接抑制PDX1 表達(dá)，通過去除PRC2抑制促進(jìn)PDX1 的表達(dá)有助于功能性β 樣細(xì)胞的開發(fā)，體外功能性β 樣細(xì)胞移植到糖尿病小鼠體內(nèi)時(shí)，可持續(xù)逆轉(zhuǎn)高血糖癥[19-20]。葡萄糖誘導(dǎo)的血管內(nèi)皮生長(zhǎng)因子（VEGF）產(chǎn)生是糖尿病性視網(wǎng)膜病變中的關(guān)鍵事件。PRC2 介導(dǎo)LncRNA ANRIL 使VEGF 表達(dá)上調(diào)，在糖尿病視網(wǎng)膜病變中起重要作用[21]。PRC2 通過抑制miR-200b 的表達(dá)從而促進(jìn)VEGF 的表達(dá)，從而介導(dǎo)糖尿病視網(wǎng)膜的結(jié)構(gòu)和功能變化[22]。

2.4 其他組蛋白甲基化酶在糖尿病中的作用

彩斑3～9 同源物抑制物1（suppressor of variegation 3-9 homolog 1，SUV39H1）是組蛋白H3K9 的甲基轉(zhuǎn)移酶，高糖誘導(dǎo)下SUV39H1 上調(diào)，H3K9me3 水平增高進(jìn)而下調(diào)p53 的表達(dá)，促進(jìn)大鼠胸主動(dòng)脈平滑肌A7r5 細(xì)胞增殖，影響糖尿病大血管并發(fā)癥[23]。賴氨酸甲基轉(zhuǎn)移酶2D（lysine methyltransferase 2D，KMT2D），也稱MLL2，賴氨酸甲基轉(zhuǎn)移酶2C（lysine methyltransferase 2C，KMT2C），也稱MLL3，賴氨酸甲基轉(zhuǎn)移酶2B（lysine methyltransferase 2B，KMT2B，）也稱MLL4，屬于哺乳動(dòng)物H3K4 甲基轉(zhuǎn)移酶家族成員，H3K4me2/3與基因的轉(zhuǎn)錄激活有關(guān)。2 個(gè)影響MLL2 的H3K4 甲基轉(zhuǎn)移酶活性的功能性點(diǎn)突變M2628K 和F2628I，產(chǎn)生一種新的胰島素抵抗小鼠模型，在胚胎發(fā)育過程中與糖尿病表型相關(guān)的基因表達(dá)發(fā)生變化[24]。MLL3/MLL4 復(fù)合體中含有獨(dú)特的亞基，Pax 激活區(qū)作用蛋白（Pax transactivation domain-interacting protein，PAXIP）也稱PTIP，其調(diào)節(jié)脂肪生成的關(guān)鍵轉(zhuǎn)錄因子與以胰島素抵抗為主要特征的2 型糖尿病聯(lián)系緊密[25]。核受體結(jié)合SET 結(jié)構(gòu)域蛋白2（nuclear receptor binding SET domain protein 2，NSD2）主要催化H3K36 的甲基化，NSD2 通過其H3K36me2 甲基轉(zhuǎn)移酶活性轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)PDX-1 表達(dá)，促進(jìn)胰腺β 細(xì)胞系的增殖；NSD2 的異位表達(dá)顯著促進(jìn)胰島素分泌，這表明NSD2 可能是2 型糖尿病的一種新型分子治療靶點(diǎn)[26]。

3 展望

糖尿病屬于復(fù)雜性疾病，其發(fā)病機(jī)制仍需進(jìn)一步研究。在研究中和對(duì)文獻(xiàn)的總結(jié)發(fā)現(xiàn)，多種賴氨酸甲基轉(zhuǎn)移酶與脂代謝密切相關(guān)，而脂肪蓄積的能力改變與胰島素抵抗關(guān)系密切。所以，組蛋白賴氨酸甲基轉(zhuǎn)移酶是否通過改變脂肪蓄積能力而產(chǎn)生胰島素抵抗進(jìn)而影響著糖尿病的發(fā)生發(fā)展，也是值得我們繼續(xù)研究的方向。隨著我們對(duì)組蛋白賴氨酸甲基轉(zhuǎn)移酶研究的不斷深入，一定會(huì)為糖尿病的發(fā)病機(jī)制研究做出新的貢獻(xiàn)。