表觀遺傳學在糖尿病及其慢性并發癥中的應用

燕 艷，劉仲祥，張秀娟*

(1.吉林大學第二醫院 內分泌科，吉林 長春130041；2.吉林大學中日聯誼醫院)

表觀遺傳學在糖尿病及其慢性并發癥中的應用

燕 艷1，劉仲祥2，張秀娟1*

(1.吉林大學第二醫院 內分泌科，吉林 長春130041；2.吉林大學中日聯誼醫院)

表觀遺傳學是研究在基因的核苷酸序列不發生改變的情況下，基因發生了可遺傳的表達的一門新興學科。其機制主要包括DNA甲基化，組蛋白修飾，代謝記憶，RNA介導的基因沉默，染色質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，與基因及環境因素相關[1]。近幾年，越來越多的研究表明，可以用表觀遺傳學解釋糖尿病的加速發展，及持續存在的微血管及大血管并發癥。現有研究表明，由環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，其后代對于2型糖尿病有更高的易感性。其次，兒童時期和成年后的生活方式，與2型糖尿病的發生密切相關，包括飲食因素和家庭因素[2]。流行病學和實驗動物研究發現長期血糖控制不佳是作為糖尿病并發癥發生的一個主要因素，并強調早期干預的重要性。早期暴露于高血糖，可促使微血管并發癥和大血管并發癥的發生[3]，當糖尿病患者血糖得到控制后，仍然有這種現象存在，表明代謝記憶參與其中。因此，了解表觀遺傳學的發生機制，將有助于研發新型的治療及干預措施，以預防，逆轉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發生了甲基化，未發生甲基化的CpG則形成了CpG島，聚集在結構基因啟動子的核心序列和轉錄起始位點。在正常細胞中，大部分CpG島是不發生甲基化的，但是當發生癌癥，或者氧化應激的情況下，一些CpG島會發生特異性甲基化的改變。現在針對DNA甲基化在糖尿病中作用的研究還很有限，但是已經有一些研究觀察到糖尿病時會有部分基因發生甲基化的改變。

早期臨床研究發現，低體重兒與后期2型糖尿病的發生率有很強烈的相關性[4]。有研究表明，宮內發育遲緩的大鼠模型中，在從宮內發育遲緩到成年糖尿病大鼠的過渡期間，胰腺和十二指腸同源盒(PDX1)的甲基化升高，轉錄受到抑制，表達明顯減少。PDX1是一種轉錄因子，可以調控β細胞的分化，生長和胰島素分泌[5]。因此，在人類和動物模型中，PDX1的改變與2型糖尿病及β細胞功能障礙有關[6]。

有研究表明，與正常人相比，有高心血管疾病風險的2型糖尿病患者的外周血單個核細胞中，其全基因組DNA甲基化水平有明顯的改變[7]。SMCS通過研究冠狀動脈粥樣硬化損傷內皮細胞，高脂喂養的動物模型得出動脈粥樣硬化與DNA甲基化之間的關聯[8]。也有研究顯示，糖尿病伴終末期腎病的患者，檢測到其重要基因發生了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啟動子區高甲基化[10]，該基因與糖尿病腎病相關，具有調控高糖誘導的腎小球細胞凋亡。

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中的蛋白質，由精氨酸和賴氨酸等堿性的氨基酸構成。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，并通過兩個方面調控基因的表達，一是影響組蛋白同DNA的親和性，改變了染色質的凝集、疏松狀態。二是通過影響轉錄因子和結構基因啟動子區的親和性。

炎癥的發生是2型糖尿病發病的一個重要因素，而組蛋白修飾又參與并調控炎癥的發生，因此可以推斷，改變炎癥相關因子的組蛋白修飾，可以導致糖尿病的發生。組蛋白乙酰轉移酶(HATs)和組蛋白去乙酰化酶(HDACs)可以調控一些于糖尿病相關的關鍵基因，如調控NF-κB的轉錄活性來影響下游炎癥基因的表達[11]。在高糖的環境下，炎癥相關基因的組蛋白發生改變，NF-κB的P65基因，發生高度乙酰化和轉錄激活。有研究發現，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基因表達的改變有關[12]。針對糖尿病db/db小鼠的平滑肌細胞的研究發現，一些炎癥相關基因MCP-1和 IL-6的啟動子區發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

代謝記憶是指當血糖控制良好時，糖尿病血管并發癥仍持續存在。該現象在實驗動物模型、細胞模型和1型與2型糖尿病病人的臨床觀察中都得到了驗證，目前針對這一現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物(AGEs)和氧化應激相關。有研究發現，引起線粒體功能障礙和氧化應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生功能異常改變，電子傳遞方向發生改變，被傳遞給氧等分子，形成活性氧簇(ROS)[14]。ROS通過與線粒體蛋白交互作用，引起線粒體功能受損，從而進一步刺激線粒體產生更多的ROS，如此循環，體內ROS數量增加，使氧化應激提高，激活信號轉導級聯，如NF-κB，蛋白酶C等。在氧化應激的環境下，NF-κB活化會上調靶細胞的損傷反應基因，使其表達增加，因此，損傷后即使血糖控制良好，也無法逆轉炎性因子的高表達，從而損傷靶器官[15]。類似在糖尿病患者體內，AGEs增多，因其特殊的不可逆性，高血糖狀態被糾正后，也無法恢復AGEs的水平。AGEs能通過引起膠原分子交聯的方式減弱血管壁的彈性，還可以使細胞內的蛋白發生交聯，改變細胞外基質結構，并干擾正常細胞的接觸，從而抑制細胞的生長，破壞組織完整性，最終影響細胞的功能。AGEs還能夠通過與AGEs的受體結合，激活與糖尿病并發癥相關的多種信號轉導通路，促進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，通過與目標mRNA的非翻譯區堿基互補，從而在轉錄后水平上對基因進行調控。有研究發現，miR510、miR96、miR200、miR375等與胰島β細胞的丟失、損傷和功能障礙相關，miR103、miR107、miR200a等與胰島素抵抗相關[16]。

miR-357在正常胰島細胞的形成中至關重要，最初被發現于斑馬魚體內[17]，并指出與胰島β的胰島素分泌相關。有研究發現，敲除mir-375的大鼠體內β細胞數量減少，伴隨α胰島細胞數量增加，說明miR-375在α和β細胞上的作用相反[18]。miR-375能直接與Mtpn V-1 3-UTR相結合，抑制葡萄糖介導的胰島素分泌，同時，miR-375還能直接影響PDK1的mRNA的表達，降低其蛋白水平，從而影響葡萄糖誘導的胰島素基因的表達，因此，敲除β細胞中的PDK1，會減少β細胞的數量，促使糖尿病的發生[19]。2010年，Hinton等[20]發現，在胰腺的形成過程中，miR-375的表達明顯上調，因此他們推斷miR-375可能在早期的發育中發揮作用。

宮內發育不良及營養缺乏所引起的表觀遺傳改變，特別是DNA甲基化的改變，會影響胎兒及母體對2型糖尿病的易感性。臨床研究和基礎研究都表明，早期嚴格的控制血糖會有效的預防或延緩糖尿病并發癥的發生發展。了解與糖尿病相關的重要基因的作用機制，可以為表觀遺傳治療開辟新窗口。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，與傳統藥物相比，其具有較低的不良反應，我們相信，在不久的將來，表觀遺傳將成為強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)