宮內發育遲緩：胰腺發育編程改變及其可遺傳效應

桂淑霞 寇皓 肖笛 汪暉

目前，世界范圍內2型糖尿病(type 2 diabetes mellitus，T2DM)發病率逐年遞增。Barker等[1]在上世紀90年代初率先報道，低出生體重與成年T2DM關系密切，突破了糖尿病主要與成年肥胖有關的傳統觀點，從而將“成年疾病的發育起源”這一全新理論引入糖尿病的研究領域。宮內發育遲緩(intrauterine growth retardation，IUGR)主要指發育時期胎兒受到各種因素的影響，導致其正常生長態勢受到阻滯，應有的生長潛能遭到削弱，從而造成胎兒在出生前、后出現各種不良生理和病理改變[2]。IUGR的病因除了先天遺傳因素外，很大程度上是因為孕期不良宮內環境(包括母體和外源環境因素)所致。已有研究表明，IUGR是糖耐量異常和T2DM最重要的獨立危險因素之一[3]。

胰腺是人體第二大分泌腺體，其胰島β細胞主要通過分泌體內唯一能夠降血糖的胰島素調節機體血糖平衡。胚胎胰腺發育過程受到多因素調控，其中宮內環境作為胚胎胰腺發育的外環境，是胰腺正常發育、胰腺功能最終完成的重要保證[4]。本文將系統闡述各種不良宮內環境所致的IUGR子代發生胰腺發育和功能的編程改變及其可遺傳性效應。

一、不同IUGR動物模型下的胰腺形態與功能發育異常

在嚙齒類動物模型上，人們根據不同誘因分別建立了多種IUGR模型，主要包括：飲食限制、蛋白攝入限制、子宮動脈結扎、地塞米松暴露。

妊娠末期與出生后早期是胰島β細胞生長發育的關鍵時期，該時期營養物質的數量會對胰腺結構及功能產生長期以至終生的影響。妊娠晚期對大鼠進行飲食限制，導致新生鼠IUGR及胰島β細胞數量明顯減少[5]。進一步發現，飲食限制所致的IUGR胎胰腺β細胞分化調控關鍵因子神經元素3(neurogenin 3，Ngn-3)和胰腺-十二指腸同源框基因(pancreatic and duodenal homeobox 1，Pdx-1)蛋白表達減少，表明飲食限制引起的β細胞數量降低可能與β細胞分化失衡有關[6]。

在保持能量攝入恒定的情況下，孕期選擇性的蛋白限制大鼠(給予正常量的40%～50%)也能夠導致IUGR以及β細胞數和胰島面積的減少[7]，其原因可能與IUGR胎鼠胰島細胞中血管表皮生長因子(vascular endothelial growth factor，VEGF)及其受體胎肝激酶-1(fetal liver kinase 1，Flk-1)的陽性細胞表達減少,導致胰島血管化作用減弱，進而影響胰島細胞的增殖有關[8]。除增殖受到抑制以外，蛋白限制所致IUGR的胰腺β細胞還存在胰島素樣生長因子2(insulin like growth factor 2，IGF-2)低表達介導的異常凋亡[9]。

子宮-胎盤功能不足對IUGR子代胰島素分泌和糖耐量有著顯著的影響，孕第18～19天雙側子宮動脈結扎能夠導致大鼠IUGR，子代出生后存在β細胞數目減少、胰島素含量下降現象[10]。子宮胎盤功能不足所致IUGR胎兒存在氧化應激[11-13]。由血供不足所引起的氧化還原狀態的改變在某些敏感的胎兒組織會導致氧化應激的發生。與其他組織相比，胰腺組織對線粒體功能障礙與活性氧簇(reactive oxygen species,ROS)暴露更敏感。已證實，線粒體功能缺陷和氧化應激增加都將對β細胞功能產生嚴重的不良影響，如損傷葡萄糖刺激胰島素的分泌，降低β細胞關鍵基因的表達以及誘導細胞死亡等[14-16]。

外源性糖皮質激素(glucocorticoids，GC)通常用于加速有早產風險產婦的胎兒肺成熟。但如果長時間采用這種療法則會導致IUGR[17]。孕期最后一周給予大鼠地塞米松(一種外源性合成GC)暴露的IUGR子代3周齡時，胰島內α和β細胞分布正常，但與對照組相比，β細胞內胰島素表達降低[18]。地塞米松不僅難以被胎盤11-β羥基類固醇脫氫酶2(11β hydroxysteroid dehydrogenase type 2，11β-HSD-2)滅活，同時還能夠抑制其活性。因此，地塞米松往往直接通過胎盤對胎兒胰腺發揮直接作用。另外，本實驗室也發現，孕期外源物暴露(咖啡因、尼古丁和乙醇)也能夠引起胎鼠β細胞數目減少，胰島素合成功能受損。

二、IUGR子代糖代謝功能的編程改變

宮內發育不良能夠波及胰腺發育并永久性編程改變β細胞的結構與功能，由此誘發子代糖和胰島素代謝功能異常以及T2DM風險[19]。臨床研究表明，IUGR胎兒和新生兒胰腺β細胞的數量減少[20]，臍帶血糖和胰島素水平降低，血糖/胰島素比率升高[21]。出生時雖胰島素敏感性升高，但嬰幼兒時期胰腺β細胞功能減低[22-23]。盡管IUGR子代存在著出生后胰島素敏感性降低的風險[24]，但只有當β細胞數量和功能依賴的胰島素分泌無法代償機體胰島素抵抗時，才能誘發糖尿病。大多數的研究提示，相對于胰島素敏感性而言，IUGR的兒童和成年人群胰島素的分泌實際上已經發生障礙且比胰島素抵抗更早出現[25-27]。低出生體重的青年男性盡管胰島素敏感性正常，但胰島素分泌卻降低了30%，即胰島素分布指數(insulin disposition index,IDI)降低[28]，表明β細胞數量和功能不足所致胰島素分泌反應性降低是編程IUGR成年個體糖代謝穩態功能異常中重要的始發現象。進一步，研究者通過動物實驗發現可能有多種機制參與IUGR子代糖代謝功能的編程改變。

1.孕期糖皮質激素過暴露編程機制：已知糖皮質激素受體(glucocorticoid receptor,GR)在胚胎期第15天的胰芽中已經有表達。采用GC處理體外培養的胰芽能夠導致很多胰腺特異性轉錄因子表達下調，包括Pdx-1、Nk6同源框-1(Nk6 homeobox 1,Nkx6.1)和配對框基因6(paired box,Pax6)。發育時期胰腺細胞GR阻斷的轉基因小鼠表現出相反的癥狀，出生時β細胞數目會顯著性升高；α細胞數目則相對穩定[29]。同時，地塞米松在體外能夠通過下調Pdx-1并誘導CCAAT增強子結合蛋白β(CCAAT/enhancer-binding protein β,C/EBPβ)表達的方式來抑制胰腺β細胞的胰島素表達[19]。有報道認為，過高水平GC影響甚至中斷轉錄因子的表達，如增加嚙齒類動物和人類胰島絲裂原誘導的抗增殖因子Mig6基因表達[30]，減少β細胞促增殖基因Ngn3表達[31]。Valtat等[32]不僅證明孕期GC暴露可通過抑制β細胞發育參與編程子代成年糖尿病易感，還進一步證明GC能刺激GR的輔助調節因子過氧化物酶體增殖物激活受體-γ共激活因子-1α(peroxisome proliferator-activated receptor-γ coactivator-1α,PGC-1α)的表達。過表達的PGC-1α通過形成GR/PGC-1α復合體結合到β細胞關鍵轉錄因子Pdx-1啟動子區從而抑制Pdx-1表達，提示孕期GC過暴露往往能夠通過抑制胰腺發育和分化調節關鍵因子的表達，從而影響子代胰腺發育。

2.表觀遺傳修飾異常機制：不良宮內環境所致IUGR存在著關鍵基因的表觀遺傳修飾改變，這種改變往往能夠導致子代出生后代謝表型異常[4]。研究已證實，子宮胎盤功能不足所致大鼠IUGR早期階段Pdx-1的下調與其啟動子區表觀遺傳修飾有關[33]，即胰島中Pdx-1近端啟動子招募組蛋白去乙酰化酶1和共抑制因子Sin3A，而失去了與Pdx-1的結合，從而導致Pdx-1表達受到抑制。出生后，組蛋白H3K4去甲基化而H3K9甲基化，誘導新生兒期Pdx-1表達持續性下調。成年后，隨著H3K9me2的累積，Dnmt3a募集至Pdx-1啟動子，促進啟動子區近端一個高度保守CpG位點的DNA甲基化，最終導致Pdx-1的永久沉默而罹患糖尿病。

越來越多的證據表明，miRNAs在胚胎發育及胰腺的生理功能發育中發揮著重要的作用，這些miRNAs包括miR-483-3p、miR-375和miR17-92等[34]。有研究[35]發現，IUGR的成人及早期營養不良暴露所致IUGR成年大鼠體內脂肪組織miR-483-3p的表達顯著增加，從而抑制其下游靶基因生長/分化轉錄因子3(growth/differentiation factor-3,GDF-3)的表達，提示miR-483-3p參與IUGR大鼠成年期代謝性疾病易感如脂毒性、胰島素抵抗的分子編程作用。另外，Dumortier等[36]研究表明，孕期營養不良引起子代大鼠內分泌胰腺miRNAs編程性改變，其中miR-375變化最明顯，主要表現為miR-375高表達介導的子代β細胞增殖減少以及葡萄糖刺激胰島素分泌功能受損。

3.線粒體氧化損傷機制：作為體內胰島素合成和分泌的主要場所，胰腺β細胞有著較高的氧化性能量需求。然而，胰島本身抗氧化酶水平卻非常低[37]，與其他組織相比，胰腺組織對線粒體功能障礙與ROS暴露更敏感。因此，任何線粒體功能缺陷和氧化應激增加都將對β細胞功能產生嚴重的不良影響，如損傷葡萄糖刺激胰島素的分泌，降低β細胞關鍵基因的表達及誘導細胞死亡等[38]。Maechler等[39]研究發現，β細胞短期暴露于H2O2中，激活氧化應激可以使β細胞胰島素mRNA減少，胞質和線粒體內鈣離子流減少。Simmons等[40]在子宮動脈結扎所致IUGR大鼠模型上發現，胎兒β細胞線粒體存在功能障礙，ROS水平升高以及線粒體DNA損傷。這三者構成的惡性循環隨年齡增長不斷增強進而引起β細胞功能逐漸喪失，最終導致成年后糖尿病的發生。一方面，氧化應激產物增加可能導致胰島細胞磷脂酰肌醇3-激酶(phosphatidylinositol 3-kinase，PI3K)活性降低，胰島素信號通路受阻，進而導致胰島細胞分泌功能障礙。另一方面，解耦聯蛋白2(uncoupling protein 2,UCP2)在線粒體內膜上廣泛存在，通過使線粒體的氧化磷酸化過程解耦聯，導致ATP產生減少并影響胰島素分泌[41]。此外，PGC-1α是線粒體生物合成的強誘導劑，Besseiche等[42]發現體內外β細胞PGC-1α特異性過表達可誘導氧化應激，進而激活AMPK通路，最終導致β細胞分泌功能受損。

三、IUGR子代糖代謝功能編程改變的可遺傳性

眾多動物實驗表明，IUGR的代謝編程現象可以持續至第二代[43]。無論是飲食限制、蛋白限制還是缺血模型上觀察到F1代糖耐量減弱以及高血糖發生的同時，F2代也呈現糖尿病發生的跡象[44-46]。哺乳期蛋白限制可以導致雄性F2代出現胰島素抵抗，但如果低蛋白飲食發生在孕期，則受影響的是雌性F2代，表明性別差異來源于F1代胎鼠不良環境暴露時間窗[47]。在一項產前乙醇暴露研究中，糖代謝功能紊亂可以通過母系遺傳至F2代[48]，提示母體代謝紊亂可能是一個重要的影響因素。

由于表觀遺傳可以受到環境的刺激而發生變化，而改變的表觀遺傳特性可在細胞分裂中得以保持并存在。因此，表觀遺傳很可能是不良宮內環境所致IUGR子代糖代謝功能編程改變的傳代效應現象的重要分子基礎[29]。現有的研究也證實，由不良宮內環境所致的IUGR子代糖代謝異常的遺傳現象往往不依賴于基因序列的變化，而與表觀遺傳性狀的改變密切相關[49]。盡管表觀遺傳機制包括DNA甲基化、組蛋白修飾和小RNA分子，但研究者目前主要關注的是營養或其他環境刺激所誘發的DNA甲基化模式改變[50-51]。DNA甲基化主要指甲基基團與CpG島上半胱氨酸殘基結合。甲基化模式在哺乳動物早期發育過程中會發生兩次重置，首先是在著床前發育時來自于父方和母方的等位基因先后被移除[52]。新的甲基化模式產生于著床后發育的早期過程。在胚胎時期的原始生殖細胞中，DNA甲基化模式同樣會被替換[53]。已證實，對雌鼠飲食進行干預能引起可遺傳的表觀遺傳修飾改變，提示飲食中甲基供體的攝入量能夠改變機體早期甲基化模式[54]。

四、研究展望

綜上所述，各種孕期不良環境所致IUGR可影響胰腺的結構發育、細胞分化、增殖和凋亡等多個方面，并最終導致β細胞功能的缺陷，其機制可能與GC過暴露、表觀遺傳修飾、線粒體氧化損傷等多個因素有關。胰腺發育編程的異常往往與代謝綜合征、T2DM等代謝性疾病的發生發展緊密相連，而這種編程改變存在著以DNA甲基化修飾為基礎的可遺傳效應。開展IUGR胰腺發育編程和功能改變的相關機制研究，不僅對于揭示IUGR與成年期T2DM的內在聯系具有重要的指導意義，同時也為未來減少IUGR發生及相關成年疾病治療性干預措施的建立提供了美好的藍圖。