表觀遺傳修飾在糖尿病視網膜病變中的作用

陳子毅

(杭州醫學院，浙江 杭州 311399)

視網膜病變是糖尿病的重要并發癥之一，嚴重影響患者的生活質量，是重要的公共衛生問題，所以對兩者關聯性的研究十分迫切。現在的研究對高血糖如何影響視網膜病變的機制仍不明確，不過近年來越來越多的研究結果顯示，不僅是先天遺傳因素，后天高糖環境中出現的表觀遺傳修飾對于調節該病變也有重要作用。對表觀遺傳修飾的研究，已經成為研究糖尿病視網膜病變方向的熱點。下面從表觀遺傳修飾方向對糖尿病視網膜病變影響的研究進展作綜述。

1 糖尿病視網膜病變(DR)概述

糖尿病會對全身微循環造成損壞，在眼部可表現為視網膜病變。臨床分為背景性糖尿病視網膜病變(PDR)與增殖性糖尿病視網膜病變(NPDR)[1]。在背景性糖尿病視網膜病變階段，體循環中葡萄糖過高，導致滋養視網膜的微小血管受損，引起微小血管和微動脈瘤的出血等。若不加以控制，疾病可能發展為增殖性糖尿病性視網膜病變階段，此階段涉及視網膜新生血管的形成，然后從視網膜循環的靜脈側形成新的脆弱血管，并可能進入內界膜進入玻璃體房，最終導致視網膜脫離和失明。這種復雜疾病的發病原因仍不明確，有些發病者的生活環境、生活習慣差異較大，這說明遺傳因素與糖尿病視網膜病變有密不可分的聯系。

2 表觀遺傳修飾對基因調控的作用

表觀遺傳學領域是近年來研究較多，發展最快的領域之一。表觀遺傳學與許多疾病的發病因素有關，基因與環境發生復雜作用，在不改變基因序列的情況下可遺傳地改變基因的表達。至少有三種主要的表觀遺傳修飾，包括DNA甲基化、組蛋白修飾和非編碼RNA。通過這些途徑來調控基因表達，以達到適應環境的目的。

胞嘧啶甲基化為5-甲基胞嘧啶是被研究最多的表觀遺傳修飾。在真核生物中，CpG序列(5mCpG)處核DNA的胞嘧啶甲基化通過染色質結構的改變來調節表觀遺傳。最近有研究發現胞嘧啶的表觀遺傳修飾可微調i-基序DNA的穩定性[2]，這些結構是表觀遺傳修飾的潛在位點，可能是表觀遺傳修飾影響基因表達的因素。有些研究分析了CpG島中不同甲基化水平的DNA結構參數的行為。證明了高水平的甲基化與非甲基化的情況相比，甲基化可能會誘導協同作用，該協同作用強烈地改變了DNA骨架的扭轉參數，從而改變了螺旋度，調控基因表達[3]。在線粒體DNA中的影響有所不同，這種作用尚不清楚，有研究認為5mCpG的出現可能會影響TFAM-DNA的識別[4]。線粒體轉錄因子A(TFAM)既是線粒體DNA(mtDNA)核苷酸中的主要DNA緊縮蛋白，也是轉錄的起始因子，而TFAM發揮作用必須在mtDNA中結合數百個CpG。甲基化由此在線粒體中通過影響轉錄因子結合的方式作用于基因表達。

染色質由組蛋白和核酸構成，組蛋白乙酰化是最常見的修飾之一。組蛋白乙酰化是指在相關酶的催化作用下，乙醜基被選擇性地添加到組蛋白相關位點的過程。組蛋白翻譯后修飾(PTM)的染色質調節原理是由于龐大的組蛋白修飾施加的空間和機械限制，導致染色質功能狀態的潛在改變。這種修飾所改變的基因表達可能與生物適應環境有關，生物學意義與其他表觀修飾方式類似。有研究認為植物組蛋白翻譯后修飾特性會受環境脅迫的影響而改變，啟動相關脅迫應答基因表達,或者充當脅迫應答轉錄因子的下游參與調控轉錄活動[5]。還有研究顯示，腸道微生物與宿主的相互作用也會涉及組蛋白修飾，這種調控不僅影響宿主的免疫力，而且還影響代謝健康和抗癌能力，這種相互作用的主要決定因素是微生物衍生的短鏈脂肪酸(SCFA)，SCFA對組蛋白脫乙酰基酶(HDACs)的抑制是引起該調控的關鍵[6-7]。

非編碼RNA包括微小RNA與長鏈RNA，其中的微小RNA(miRNA)被認為可以影響基因表達。miRNA與mRNAs的3′非翻譯區的互補序列結合，并切割mRNA，影響蛋白質的翻譯。

3 表觀遺傳修飾與糖尿病

根據上述研究，表觀遺傳的發生與細胞環境有著密切聯系。這種可遺傳的變異可以成為引起糖尿病和其他慢性病有吸引力的靶點。這也可以解釋傳統思維上持續的高糖環境會引起一系列代謝異常。胰腺β細胞的保存是2型糖尿病發病和發展的重要因素。筆者已經知道DNA甲基化會引起2型糖尿病發病率增高，有研究以仔鼠為模型，發現妊娠期糖尿病可能通過CDKN2A/B啟動子甲基化對后代胰腺β細胞產生不良影響[8]。CDKN2A和CDKN2B基因附近的CpG位點的低甲基化異常可能與β細胞功能障礙和糖尿病有關。有研究發現給早期2型糖尿病小鼠給予達格列凈治療后，有助于胰腺β細胞團的保存，Agr2、Tff2和Gkn3的表達明顯上調。這種上調的基因表達可能為胰腺β細胞團的保存存在聯系[9]。 在對1型糖尿病(T1DM)的研究中，與沒有神經病變的T1DM患者相比，患有神經病變的T1DM患者在第一個NINJ2軸突中顯示出明顯增加的甲基化，在BRSK2的第一個內含子區域以及CLDN4 5'UTR區中顯示出較低的DNA甲基化水平[10]。這啟示我們，對于不同區域來說，均發生甲基化上調或下調所產生的效益可能是相反的。

4 表觀遺傳修飾與糖尿病視網膜病變

高血糖和胰島素抵抗都通過對內皮細胞造成損害最終影響患者的視力。不過，與常規作用不同的是，表觀基因組的修飾可能存在代謝記憶的基本機制或者已經形成新的異常血管，從而導致即使在糖尿病患者中實現血糖控制后，炎性反應和細胞功能障礙的基因表達仍會持續[11]。越來越多的證據說明兩者之間存在聯系，有研究將DR患者白細胞中5-甲基胞嘧啶的含量與無DR患者作對比，前者的指標明顯偏高[12]。CpG位點DNA聚合酶γ(POLG1)調節區的高甲基化可能通過影響線粒體DNA轉錄，導致線粒體DNA復制系統紊亂，導致視網膜毛細血管細胞凋亡[13]。 關于組蛋白修飾的研究，主要是組蛋白甲基轉移酶和乙基轉移酶。在高血糖狀態下，組蛋白甲基轉移酶可能在核因子κB(NF-κB)的啟動子處增加，該啟動子與其轉錄增加相關，激活的NF-κB途徑可增加糖尿病患者視網膜毛細血管細胞的凋亡[14]。 miRNA水平的改變在視網膜血管病變和血管生成相關疾病的病理過程中具有重要作用。有研究通過激活血管生成途徑，識別可能參與DR發病的miRNA。眼內注射前miR-31、miR-150和miR-184可顯著減少視網膜新生血管的形成[15]。

5 總結與展望

現在這一領域許多作用機制仍不明確，許多結論仍待考證。已知的修飾途徑只是冰山一角，是否有更有效、更直接的修飾途徑存在？隨著研究的不斷深入，而應對這種并發癥的治療選擇也會逐漸增多，這對于人類健康事業具有重大意義。