DNA甲基化與人類糖尿病的研究進展

張思佳 喬 虹

(哈爾濱醫科大學第二臨床醫學院地方病科,黑龍江 哈爾濱 150086)

2型糖尿病(T2DM)是多種環境因素和遺傳因素共同作用的結果。近年來，在T2DM及其并發癥發病機制的研究中發現，環境因素(如飲食)改變是引起T2DM發病的重要原因。環境因素可以直接影響基因的表型，而表觀遺傳學機制是疾病發生過程中介導環境因素和遺傳因素之間相關性的分子橋梁。目前，對糖尿病表觀遺傳學機制中起重要作用的DNA 甲基化的研究正如火如荼進行，主要是在全基因組掃描與糖尿病相關的DNA甲基化改變，或者是利用特異性引物檢測某個已知功能的糖尿病相關基因的DNA甲基化改變。在糖尿病研究中，盡管實驗動物基因與人類基因具有同源性，但是由于實驗動物與人類的生活環境、基因功能、代謝及生物學特性等存在許多不同之處，因此實驗動物的研究結論并不能完全代表人類糖尿病的特征。本文對近來研究得知的與人類T2DM相關的DNA甲基化改變及其位點的功能以及代謝記憶對糖尿病并發癥的影響進行綜述。

1 表觀遺傳學和DNA甲基化

表觀遺傳學與遺傳學不同，它只改變基因的表達和功能而不改變基因序列。而二者的共同點為都產生遵循孟德爾遺傳定律的表型。DNA甲基化是包括組蛋白修飾和一些非編碼RNA等在內的表觀遺傳修飾中的一種重要的調控機制，主要建立在胎兒母體內發育和產后早期發育的重要階段，并隨著有絲分裂在子代細胞中傳遞，但也可隨成長過程中環境因素的變化而改變。DNA甲基化修飾在DNA甲基轉移酶的參與下，將甲基添加到核苷酸序列5'端啟動子區域胞嘧啶鳥嘌呤二核苷酸含量豐富的CpG島上，產生一種共價修飾，因此在一定程度上是可逆的。近來也有研究指出，DNA甲基化改變也可發生在非啟動子區域(如內含子)〔1〕,或CGI岸(與CpG島毗鄰但在其之外)〔2〕。這種DNA甲基化修飾可直接通過影響轉錄因子的結合，或非直接通過影響轉錄后組蛋白修飾而改變染色體的結構和功能，因此DNA甲基化能夠在生理和病理狀態下都控制基因的表達〔3〕。在腫瘤發展中〔4〕，基因啟動子CpG島高甲基化可長期沉默腫瘤抑制基因是一種已被確認的機制；而在代謝性疾病中(如糖尿病、肥胖)，環境因素的作用可通過DNA甲基化修飾改變基因的表達。

2 環境因素變化引起的DNA甲基化改變可以導致糖尿病

近年來，研究者認識到環境因素可在任何年齡引起DNA甲基化改變，DNA甲基化也可能是一個動態的過程，在環境因素(飲食和運動等)的作用下影響基因的遺傳易感性。

2.1宮內發育遲緩 早在上世紀90年代，有人已提出，胎兒發育時期母體內環境的改變與其出生后罹患肥胖、糖尿病或心血管疾病等的危險性顯著相關。在一個1944～1945年荷蘭饑荒期間母體內發育胎兒的回顧性研究中發現，妊娠晚期暴露于饑餓環境的胎兒，出生60年后與非暴露組相比，具有促進細胞增殖作用的胰島素生長因子2(IGF2)基因低甲基化，且暴露組糖耐量增加〔5〕，說明宮內發育遲緩的胎兒成年后易出現糖耐量的異常。此外，眾所周知，肝細胞核因子4α(hepatocyte nuclear factor 4α，HNF4α)的突變可導致青年人中的成年發病型糖尿病(MODY)，而近來Einstein等〔6〕對新生兒臍帶血的研究發現，與正常出生體重兒相比，宮內發育遲緩的胎兒HNF4α啟動子區域出現高甲基化，并可能與其患T2DM的易感性相關。

2.2高脂飲食 高脂飲食等不健康的飲食習慣是代謝性疾病包括T2DM的主要危險因素。Br?ns等〔7〕對低出生體重兒的成年后個體進行短期(5 d)高脂飲食后，取股外側肌檢測其DNA甲基化改變，發現高脂飲食可引起線粒體基因的主要調節子過氧化物酶體增殖物受體γ共激活劑1α(peroxisome proliferator receptorγ coactivator 1α，PPARGC1α)啟動子區域DNA 甲基化增加及PPARGC1α表達的下降。胰島素分泌取決于線粒體功能及其產物ATP，而PPARGC1α啟動子區域的DNA甲基化在T2DM患者高于非T2DM個體，說明低出生體重兒高脂飲食易引起胰島素分泌降低和胰島素抵抗，患T2DM風險增加。且這種5 d的高脂飲食引起的PPARGC1α甲基化增加是可逆的。隨后，Jacobsen等〔8〕取健康成人短期(6～8 w)高脂飲食后的股外側肌進行了全基因組DNA 甲基化分析，發現PPARG、AKT2、PDX1/IPF1、SLC30A8、CDKN2A、CDKN2B等與糖尿病相關的基因也出現顯著的DNA甲基化改變，且這些改變在6～8 w后只部分或不顯著逆轉，說明與高脂飲食誘導的DNA 甲基化增加的過程相比，去甲基化過程可能在一定程度上被阻礙，人類飲食因素干預后的DNA甲基化水平具有可塑性和可逆性。

2.3運動 糖尿病的風險可通過運動等生活方式的干預而大大降低。Nitert等〔9〕設計實驗，指導T2DM家族史陽性及T2DM家族史陰性的一級親屬中的健康個體進行6個月相同方式的運動后，取股外側肌分析其全基因組DNA甲基化水平，發現家族史陽性個體與家族史陰性個體相比，參與人類肌肉組織中生理代謝作用的MAPK1基因和能量代謝作用的PRKAB1基因等在運動后都表現出差異DNA甲基化，說明運動可以改變肌肉組織的DNA甲基化水平。經過檢驗分析發現，運動引起的T2DM候選基因THADA和RBMS1的差異DNA甲基化改變是顯著的，而家族陽性史對差異DNA甲基化改變的作用無實際意義。為了排除遺傳因素的影響，研究者又進一步分析了沒有同時患糖尿病、但家族史陽性雙胞胎的DNA甲基化改變，結果發現家族史陽性個體和雙胞胎中患糖尿病個體的肌肉組織中，65個分析的基因有40%存在差異DNA甲基化，這解釋了家族陽性史個體基因的DNA甲基化也可能在T2DM的發病機制中起到一定作用。

3 糖尿病患者的DNA 甲基化改變

目前對于DNA甲基化與糖尿病的研究主要針對兩個方面。一方面是在全基因組水平上掃描與糖尿病相關的差異DNA甲基化。例如，Toperoff等〔10〕利用外周血白細胞在全基因組檢測與T2DM相關的差異DNA甲基化，發現THADA基因內含子、TCF7L2基因內含子、KCNQ1基因內含子和FTO基因內含子出現顯著的差異DNA甲基化，而在先前的單核苷酸多態性研究中已知這些基因與T2DM相關。近來，Volkmar等〔11〕對人類胰島細胞的DNA進行了全基因組DNA甲基化檢測，發現了254個基因中的276個CpG位點與糖尿病相關。這也為DNA甲基化與糖尿病的研究提供了靶點，同時也提出了挑戰。

另一方面是利用特異性引物對先前研究中已知功能的糖尿病相關基因進行差異DNA甲基化檢測。如：肥胖基因(FTO)可在飲食和空腹條件下調節機體的能量平衡，Toperoff等〔10〕針對T2DM患者外周血白細胞中的FTO基因進行DNA差異甲基化研究，發現其存在顯著的低甲基化。而在另一個全基因組研究中〔12〕發現，存在于人類FTO基因的甲基化敏感位點位于內含子1、外顯子2和內含子2，在肥胖過程中調節T2DM等代謝性疾病的易感性。

4 代謝記憶與糖尿病并發癥

高血糖引起的糖尿病大血管損害(如糖尿病心臟病)及微血管損害(如糖尿病腎病)，其共同的機制為活性氧自由基產物的增加，反過來促進多元醇、氨基乙酸、蛋白酶C以及晚期糖化終末產物形成通路的不穩定性，進而導致被影響的細胞基因表達的改變，而DNA甲基化及組蛋白轉錄后修飾也可通過影響染色體結構和功能在基因表達的調節上起重要作用〔13～16〕。許多大型臨床試驗表明，這種改變一旦開始，即使之后血糖控制良好，高血糖的這種損害也會持續下去，造成“代謝記憶”。由于這種代謝記憶現象，糖尿病并發癥的治療變得更為棘手。近來對于DNA甲基化這種共價修飾可逆性的認識，使得對糖尿病患者盡早控制血糖使之維持正常水平，以便控制和延緩糖尿病并發癥的進展顯得尤為重要。而對于糖尿病并發癥靶器官DNA甲基化的研究，也為其治療開辟了新視野。

例如：Bell等〔16〕分析了全基因組中與糖尿病腎病相關的差異DNA甲基化，在單核苷酸多態性re13293564內含子UNC13B基因的轉錄起始位點上游18 bp的CpG位點，發現了與糖尿病腎病顯著相關的高甲基化；Palsamy等〔17〕分析了糖尿病白內障患者與對照組晶狀體的差異DNA甲基化后，發現在糖尿病白內障患者，與晶狀體氧化應激主要適應性反應中蛋白酶體降解相關的Keap-1基因啟動子顯著去甲基化，而對照組清晰的晶狀體顯示Keap-1基因高甲基化等等。

因此，代謝記憶現象中DNA甲基化可逆性的特征與糖尿病并發癥的DNA甲基化靶位點相結合，為使用藥物或分子方法阻止和治療與糖尿病并發癥相關的DNA甲基化改變提供了可能。

5 展 望

綜上，在DNA甲基化與糖尿病的相關研究中，對于糖尿病的發病機制及防治方法的研究領域，主要有兩個目標有待解決：(1)早期發現與T2DM相關的DNA甲基化改變，并對引起DNA甲基化改變的環境暴露因素如飲食、運動等生活方式進行相關干預以及時阻止或延緩該個體未來發生糖尿病及其并發癥。(2)對于已發病的T2DM患者，則應努力尋找與T2DM的DNA甲基化改變相關的靶點治療藥物或生物學方法，以減慢或阻止糖尿病及其并發癥的進展。

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