肥胖與胰島素抵抗的關(guān)系及其表觀遺傳學(xué)的研究進(jìn)展*

李永清，逯素梅，2，馬萬(wàn)山，2（.山東大學(xué)，山東省千佛山醫(yī)院檢驗(yàn)醫(yī)學(xué)科，濟(jì)南25004；2.山東第一醫(yī)科大學(xué)第一附屬醫(yī)院（山東省千佛山醫(yī)院）檢驗(yàn)醫(yī)學(xué)科，濟(jì)南25004）

肥胖與胰島素抵抗（insulin resistance，IR）密切相關(guān)，互為因果。當(dāng)今世界人類(lèi)生活方式和生活水平的改變使這兩種慢性病的發(fā)生更加常見(jiàn)，困擾著人類(lèi)健康，也為經(jīng)濟(jì)發(fā)展帶來(lái)了很大的影響。為了明確發(fā)病機(jī)制，為以后的治療提供明確方向，研究人員做了很多的努力。最近提出的表觀遺傳學(xué)為這兩種疾病的治療提供了思路，值得我們深入探討。

1 肥胖與胰島素抵抗

1.1 肥胖與2型糖尿病 肥胖癥，雖然自1985年就被正式確認(rèn)為一種疾病，但并沒(méi)有得到人們的足夠重視，因其不像其他疾病一樣能給患者帶來(lái)直接的痛覺(jué)，所以很少有人積極地治療肥胖。但隨著人類(lèi)生活方式的改變，肥胖患者在人群中的發(fā)生率呈現(xiàn)上升的趨勢(shì)。在中國(guó)，自2004年以來(lái)，人群一般性肥胖的患病率增加了90%左右，腹型肥胖的患病率增加了50%以上，成年人的總體肥胖率為14%，給國(guó)人的健康帶來(lái)了很大的負(fù)擔(dān)［1］。如肥胖一樣危害健康的代謝性疾病還有保持增長(zhǎng)趨勢(shì)的糖尿病。據(jù)2017年版糖尿病防治指南統(tǒng)計(jì)，中國(guó)人口的糖尿病患病率從1980年的0.67%，升高到2013年的10.4%，上漲了9.73%［2］。其中，2型糖尿病（type 2 diadetes mellitus，T2DM）占總的糖尿病的比例高達(dá)90%以上。

1.2 肥胖與胰島素抵抗的關(guān)系 肥胖在T2DM患者IR的發(fā)生過(guò)程中起著重要作用。IR是指胰島素的分泌水平正常甚至超過(guò)正常水平，但是患者機(jī)體對(duì)胰島素作用不敏感，從而使分泌的胰島素?zé)o法調(diào)節(jié)機(jī)體的血糖水平使其達(dá)到正常的一種病理狀態(tài)，是T2DM的主要發(fā)生機(jī)制。IR通常由肥胖驅(qū)動(dòng)，在2020年發(fā)布的《糖尿病的實(shí)驗(yàn)室診斷專(zhuān)家共識(shí)》［3］中，肥胖、超重、腹型肥胖被作為T(mén)2DM的獨(dú)立危險(xiǎn)因素出現(xiàn)。有研究表示肥胖時(shí)細(xì)胞因子的分泌會(huì)發(fā)生改變，這些變化是發(fā)生IR的契機(jī)，例如，TNF-α、IL-6、瘦素會(huì)誘導(dǎo)IR［4］，而脂聯(lián)素（adiponectin，ADPN）又能刺激胰島素的敏感性。肥胖時(shí)脂肪細(xì)胞的增大也會(huì)刺激各種細(xì)胞因子進(jìn)入脂肪組織，增加促炎因子的水平，導(dǎo)致全身IR和動(dòng)脈粥樣硬化。發(fā)生肥胖時(shí)，在肌肉和肝臟組織中蓄積填充的脂肪顆粒也會(huì)抑制細(xì)胞對(duì)血糖刺激的敏感性，使血糖的吸收減少，游離血糖升高，造成高糖癥、IR以及β細(xì)胞在T2DM患者體內(nèi)的凋亡［5］。肥胖對(duì)IR的驅(qū)動(dòng)不只發(fā)生在老年人中，超重的兒童發(fā)生IR的比例在不斷增加。在持續(xù)肥胖的患者中，日后患T2DM的風(fēng)險(xiǎn)也較常人增加。

IR對(duì)肥胖也有不可忽視的反作用，IR使機(jī)體脂肪分解抑制作用減少，三酰甘油在體內(nèi)積累增加，高糖環(huán)境使血清生長(zhǎng)因子增加，血脂升高，胰島素樣生長(zhǎng)因子（insulin like growth factor，IGF）、游離脂肪酸、低密度脂蛋白增加，形成動(dòng)脈粥樣硬化的風(fēng)險(xiǎn)大大增加［6］。IR使脂肪組織對(duì)血清胰島素不能做出正確的應(yīng)答，更多的脂肪酸從脂肪細(xì)胞中釋放到循環(huán)系統(tǒng)，導(dǎo)致了脂肪在肌肉和肝臟中的積累，這些蓄積的脂肪使脂肪細(xì)胞擴(kuò)大并使其對(duì)胰島素更加不敏感，形成惡性循環(huán)。IR與肥胖互成因果，所以必須找到有效的方法遏制這種進(jìn)展。

2 表觀遺傳學(xué)

表觀遺傳學(xué)（epigenetics）是新近提出的與以往的經(jīng)典遺傳學(xué)觀點(diǎn)不同的遺傳學(xué)說(shuō)，是指基于非基因序列改變所致的基因水平的變化，包括DNA甲基化、組蛋白修飾、染色體重塑和長(zhǎng)鏈非編碼RNA（long non-coding RNA，LncRNA）的調(diào)控，產(chǎn)生基因組印記、母體效應(yīng)、基因沉默等效應(yīng)。表觀遺傳學(xué)的改變可以遺傳，并且可以被環(huán)境誘導(dǎo)，是環(huán)境因素和細(xì)胞內(nèi)遺傳物質(zhì)交互作用的結(jié)果，其效應(yīng)通過(guò)調(diào)節(jié)基因表達(dá)，控制生物學(xué)表型實(shí)現(xiàn)［7］。正是因?yàn)楸碛^修飾對(duì)于維持生物體內(nèi)環(huán)境和各器官系統(tǒng)功能的重要性，表觀遺傳的異常會(huì)引起疾病，這也成為研究疾病發(fā)生、藥物治療，設(shè)計(jì)治療方案的著眼點(diǎn)。

2.1 DNA甲基化與IR和肥胖 DNA甲基化是DNA序列上的特定堿基在DNA甲基轉(zhuǎn)移酶（DNA methyltransferase，DNMT）的作用下，以S-腺苷甲硫氨酸（s-adenosyl methionine，SAM）作為甲基供體，通過(guò)共價(jià)鍵結(jié)合的方式獲得一個(gè)甲基基團(tuán)的過(guò)程，一般是指發(fā)生在CpG二核苷酸中胞嘧啶上的第5位碳原子上的過(guò)程，最終可以產(chǎn)生5-甲基胞嘧啶（5-methylcytosine，5-MC）。

Dick等［8］進(jìn)行的全基因組分析研究發(fā)現(xiàn)，缺氧誘導(dǎo)因子3A（hypoxia inducible factor 3 A，HIF3A）的甲基化與身體質(zhì)量指數(shù)（body mass index，BMI）的增加之間存在特定的關(guān)聯(lián)。HIF3A是缺氧誘導(dǎo)因子家族的組成成分，研究表示，HIF3A的靶向破壞可以保護(hù)機(jī)體，降低肥胖率，減少飲食誘導(dǎo)的肥胖，降低IR的發(fā)生率［9］。Dick等［8］研究HIF3A甲基化與肥胖之間的關(guān)系顯示，HIF3A特定位點(diǎn)的甲基化可能不是肥胖的原因，而是肥胖發(fā)生的結(jié)果。雖未能解釋肥胖發(fā)生的機(jī)制，但是提示了HIF家族在肥胖和IR中的相關(guān)作用，為以后研究肥胖提供了思路。另一組與肥胖相關(guān)的TET（ten eleven translocation）蛋白在DNA甲基化誘導(dǎo)脂肪變或者IR中發(fā)揮作用，TET蛋白可以催化5-MC到5-羥甲基胞嘧啶（5-hydroxymethylcytosine，5-HMC）的轉(zhuǎn)變過(guò)程，是甲基化的關(guān)鍵步驟［10］。TET蛋白分為3型，包括TET1、TET2和TET3，其中TET2在肥胖患者和飲食誘導(dǎo)的T2DM患者體內(nèi)均表達(dá)降低，TET2以催化依賴(lài)性的方式促進(jìn)了過(guò)氧化酶增殖物激活受體γ（peroxisome proliferators-activated receptors，PPARγ）的轉(zhuǎn)錄活性，進(jìn)而引導(dǎo)DNA的甲基化，激活脂肪特異性基因的表達(dá)［11］。TET1在β細(xì)胞的增殖中的作用也被研究，TET1可以導(dǎo)致周期蛋白依賴(lài)激酶抑制因子1C（cyclindependent kinase inhibitor 1C，CDKN1C）的去甲基化，降低細(xì)胞周期抑制劑P57的表達(dá)量，是β細(xì)胞增殖的特點(diǎn)［12］。P57是一種周期抑制劑，是CDKN1C基因的蛋白產(chǎn)物，受附近的印記控制區(qū)KIP2 DNA甲基化狀態(tài)的影響，P57的表達(dá)減少有助于β細(xì)胞的增殖。研究表明，轉(zhuǎn)錄阻抑物CCCTC結(jié)合因子（CCCTC binding factor，CTCF）與TET的相互作用可以增強(qiáng)脂轉(zhuǎn)錄增強(qiáng)子的DNA甲基化水平，在脂肪形成的過(guò)程中，CTCF是高度動(dòng)態(tài)的，CTCF與TET的結(jié)合是脂肪形成的關(guān)鍵過(guò)程［13］。

PPAR家族中的PPARγ在脂肪形成和IR中也有很大的作用。PPAR是脂肪轉(zhuǎn)錄的主要因子。PPARγ引導(dǎo)過(guò)氧化物增殖反應(yīng)元件周?chē)腄NA甲基化，PPARγ引導(dǎo)的DNA甲基化可以激活脂肪細(xì)胞特異性基因的表達(dá)［14］，但是PPARγ需要TET2才能維持選擇性靶點(diǎn)上的DNA結(jié)合，TET介導(dǎo)的DNA去甲基化在脂肪形成過(guò)程中是必不可少的。肥胖和IR與脂聯(lián)素ADPN關(guān)系密切，ADPN在脂肪細(xì)胞內(nèi)選擇性表達(dá)，可以抑制肥胖引起的免疫反應(yīng)，增強(qiáng)胰島素的敏感性，與肥胖和IR的發(fā)病呈負(fù)相關(guān)。ADPN啟動(dòng)子特定區(qū)域的DNA高甲基化通過(guò)表觀遺傳控制抑制ADPN的轉(zhuǎn)錄，從而導(dǎo)致肥胖。用DNMT抑制劑抑制DNMT1活性，可以刺激ADPN的表達(dá)，抑制肥胖導(dǎo)致的炎癥反應(yīng)，改善肥胖引起的IR和葡萄糖的不耐受，進(jìn)一步抑制動(dòng)脈粥樣硬化和免疫應(yīng)答［15］。DNMT抑制劑阿扎胞苷（azacytidine，5-AZAC）可以抑制哺乳動(dòng)物細(xì)胞的DNA甲基化，并可以參與脂肪細(xì)胞的分化，可以用于胰島素抵抗的治療［16］。滲透調(diào)控轉(zhuǎn)錄因子（tonicity-responsiveelement binding protein，TonEBP）或者T細(xì)胞活化核因子5（nuclear factor of activated T cells-5，NFAT5）的表達(dá)降低對(duì)高脂飲食喂養(yǎng)（high-fat diet，HFD）引起的肥胖和IR有抵抗力，TonEBP單倍體小鼠肥胖發(fā)生率降低，TonEBP通過(guò)DNA甲基化抑制基因ADRB3的表達(dá)，從而促進(jìn)了脂解［17］。

2.2 LncRNA與肥胖和胰島素抵抗 研究表明，LncRNA KCNQ1重疊轉(zhuǎn)錄物1（KCNQ1 overlapping transcript 1，KCNQ1OT1）的轉(zhuǎn)錄水平與T2DM的發(fā)展有關(guān)。KCNQ1OT1轉(zhuǎn)錄水平的降低與抑制性組蛋白的修飾減少以及高風(fēng)險(xiǎn)等位基因的DNA高甲基化相互作用，導(dǎo)致了T2DM的發(fā)生［18］。LncRNA生長(zhǎng)阻滯特異性轉(zhuǎn)錄因子5（growth arrestspecial transcript 5，GAS5）位于人類(lèi)基因組1號(hào)染色體上，有研究表明GAS5的敲除會(huì)使T2DM患者的葡萄糖吸收率降低，使葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)體受到抑制，同時(shí)抑制胰島素受體功能，使胰島素AKT信號(hào)通路調(diào)控降低［19］。IR與多囊卵巢綜合征（polycystic ovarian syndrome，PCOS）的關(guān)系密切，PCOS主要表現(xiàn)為IR，與非PCOS組或者非IR組相比，LncRNA GAS5在PCOS患者體內(nèi)表達(dá)降低，提示GAS5在胰島素抵抗中的保護(hù)作用［20］。LncRNA母系表達(dá)基因3（materally expressed gene 3，MEG3）在T2DM中表達(dá)明顯減少，MEG3的啟動(dòng)子高甲基化導(dǎo)致DLK1-MEG3的位點(diǎn)表達(dá)數(shù)量減少，導(dǎo)致了β細(xì)胞的凋亡［21］。此外，LncRNA DMRT2、LncRNA TP53I13在肥胖患者體內(nèi)表達(dá)降低［22］。

2.3 微小RNA（micro RNA，miRNA）與肥胖和IR 在miRNA與代謝有關(guān)的研究中提到miR-7、miR-375與IR的關(guān)系，mir-375過(guò)表達(dá)會(huì)增加胰島素分泌，而降低則會(huì)導(dǎo)致高血糖、肝糖異生增加以及T2DM發(fā)生；miR-7在T2DM中表達(dá)增加［23］。IGF1是結(jié)構(gòu)上與胰島素類(lèi)似的多肽蛋白物質(zhì)，功能包括降血糖、降血脂、促生長(zhǎng)、創(chuàng)傷修復(fù)和促進(jìn)細(xì)胞分化。miR-126的抑制會(huì)直接作用于IGF1，調(diào)控血糖的變化以及肥胖的發(fā)生［24］。另外，一項(xiàng)有關(guān)雙酚A（bisphenol A，BPA）的研究［5］表明，BPA暴露會(huì)引起肥胖、糖尿病、脂肪肝。BPA的環(huán)境暴露會(huì)使miR-338發(fā)生改變，miR-338通過(guò)靶向胰十二指腸同源框因子-1（pancreatic and duodenal homeobox 1，PDX-1），控制BPA觸發(fā)的胰島素分泌功能從代償?shù)绞Т鷥敗iR338表達(dá)增加，PDX1基因表達(dá)減少，GCK啟動(dòng)子高甲基化，導(dǎo)致IR。同時(shí)，BPA的暴露導(dǎo)致脂質(zhì)生成作用發(fā)生改變，暴露之后損害了miR-192正常功能，與能量代謝、脂肪生成相關(guān)的基因固醇調(diào)節(jié)元件結(jié)合轉(zhuǎn)錄因子1（recombinant sterol regulatory element binding transcription factor1，SREBF1）表達(dá)增加。

2.4 組蛋白修飾與肥胖和IR 人類(lèi)染色體DNA在基因遺傳中的作用被廣泛認(rèn)可，組蛋白與DNA結(jié)合共同構(gòu)成核小體。Allfrery等［25］發(fā)現(xiàn)組蛋白通過(guò)翻譯后乙酰化和甲基化來(lái)修飾，這與基因表達(dá)有關(guān)。因此，組蛋白修飾被列入表觀遺傳的范疇。經(jīng)過(guò)修飾，相關(guān)基因可以實(shí)現(xiàn)表達(dá)增強(qiáng)或者表達(dá)減弱的作用，為我們認(rèn)識(shí)人體的生理與病理情況提供了更廣泛的參考。組蛋白的修飾與人類(lèi)疾病關(guān)系密切相關(guān)，參與了癌癥、免疫病、炎性疾病的進(jìn)展。

通過(guò)解偶聯(lián)蛋白1（uncoupling protein 1，UCP1）介導(dǎo)非顫抖性產(chǎn)熱來(lái)調(diào)節(jié)能量穩(wěn)態(tài)的棕色脂肪組織（brown adipose tissue，BAT），被認(rèn)為是對(duì)抗肥胖及其相關(guān)疾病的治療靶點(diǎn)。BAT的生成可以被脂肪分化過(guò)程中增加的異檸檬酸脫氫酶1（isocitrate dehydrogenase，IDH1）介導(dǎo)的α-酮戊二酸（α-ketoglutarate，α-KG）的積累所抑制，使BAT的形成減少。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，組蛋白3上的第27位賴(lài)氨酸（trimethylation of lysine 27 on histone 3，H3K27）的甲基化和乙酰化通過(guò)調(diào)節(jié)UCP1的表達(dá)來(lái)調(diào)控BAT的生成，同時(shí)，抑制BAT生成的IDH1-αKG軸也通過(guò)抑制組蛋白3上的第4位賴(lài)氨酸（trimethylation of lysine 4 on histone 3，H3K4）和組蛋白3上的第6位賴(lài)氨酸（trimethylation of lysine 6 on histone 3，H3K6）的甲基化從而使BAT的數(shù)量減少，導(dǎo)致肥胖以及IR的發(fā)生；表明IDH1調(diào)控脂肪生成與代謝的作用是通過(guò)組蛋白修飾的方式來(lái)進(jìn)行［26］。

賴(lài)氨酸特異性去甲基酶1（histone lysine specific demethylase，LSD1）是一種組蛋白去甲基化酶，可以與激活棕色脂肪相關(guān)基因表達(dá)從而減少體內(nèi)脂肪堆積的轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)因子含PR結(jié)構(gòu)域的因子16（PR domain-containing 16，PRDM16）相結(jié)合，從而調(diào)節(jié)BAT的代謝。LSD1和PRDM16表達(dá)降低會(huì)導(dǎo)致H3K4甲基化增強(qiáng)，可能在脂肪分解代謝中起著重要作用。PPARγ和增強(qiáng)子結(jié)合蛋白（CCAAT/enhancer-binding proteinα，C/EBPα）協(xié)同控制脂肪細(xì)胞的分化，且二者在脂肪形成過(guò)程中會(huì)受到組蛋白甲基化調(diào)控因子PTIP蛋白（Pax2 transactivation domain-interacting protein）的影響，PTIP減少會(huì)使PPARγ和C/EBPα表達(dá)數(shù)量減少，影響H3K4的甲基化和RNA聚合酶Ⅱ在PPARγ和C/EBPα啟動(dòng)子上的富集，脂肪細(xì)胞的生成產(chǎn)生了缺陷，脂肪生成減少。另一個(gè)與H3K9相關(guān)的研究表明，H3K9啟動(dòng)子的甲基化是由組蛋白賴(lài)氨酸甲基轉(zhuǎn)移酶（euchromatic histone lysine methyltransferase 1，EHMT1）通過(guò)PRDM16的甲基化來(lái)實(shí)現(xiàn)，這一過(guò)程是米色脂肪形成所必需的［27］。PRDM16的甲基化由TET介導(dǎo)，EHMT1缺失會(huì)使脂肪組織介導(dǎo)的產(chǎn)熱作用減少，IR、肥胖、肝脂肪變性幾率增加。一項(xiàng)對(duì)小檗堿在脂肪組織的募集和激活作用中的研究稱(chēng)，小檗堿可以通過(guò)AMPK-α-KGPRDM16軸促進(jìn)脂肪組織的熱發(fā)生，從而減少脂肪的儲(chǔ)積。H3K4等部位的組蛋白修飾在一些高表達(dá)的胰島特異性基因編碼位點(diǎn)如INS上表達(dá)下降，表明了組蛋白修飾的作用［28］。奧氮平引發(fā)肥胖的一項(xiàng)研究中發(fā)現(xiàn)，H3K9三甲基化、H3K9二甲基化是在EHMT2的作用下調(diào)控脂肪形成的［29］。H3K9的組蛋白去甲基化酶（Jumonji domain-containing protein，JMJD1A）調(diào)節(jié)β腎上腺素能誘導(dǎo)的全身代謝和體重控制，JMJD1A被蛋白激酶a磷酸化，是激活BATβ1腎上腺素能受體基因（β1-adrenergic receptor，ADRB1）和包括UCP1在內(nèi)的靶點(diǎn)的關(guān)鍵。在小鼠試驗(yàn)中還發(fā)現(xiàn)經(jīng)過(guò)體能鍛煉的小鼠的組蛋白19（H19）甲基化水平升高，與糖尿病的發(fā)生存在負(fù)相關(guān)。胰島素高表達(dá)的HepG2細(xì)胞中H3K4表現(xiàn)出高甲基化和組蛋白4（H4）高乙酰化［30］。這些研究都提出了組蛋白修飾在肥胖和糖尿病發(fā)病過(guò)程中的影響，可能對(duì)后續(xù)的研究提供研究的思路。

也有研究發(fā)現(xiàn)，組蛋白賴(lài)氨酸殘基的乳酸衍生的乳酸化作用也是組蛋白修飾的一種，作為一種表觀遺傳現(xiàn)象，它在癌癥的進(jìn)展、血管的生成、炎癥以及免疫病的形成方面起著關(guān)鍵的作用。但是作為一種較新的組蛋白修飾的內(nèi)容，乳酸化在IR、肥胖中的作用還沒(méi)有相關(guān)的研究，但是為組蛋白乳酸化在肥胖和糖尿病中的作用研究提供了很好的思路，在未來(lái)有望在這方面獲得突破。

3 結(jié)語(yǔ)

肥胖與IR并不是完全獨(dú)立發(fā)病的兩種疾病，二者密切相關(guān)，發(fā)病時(shí)互為危險(xiǎn)因素。從目前的治療手段來(lái)看，尚不能完全根治肥胖或IR。表觀遺傳學(xué)為人類(lèi)認(rèn)識(shí)疾病、了解疾病的發(fā)生發(fā)展以及治療、預(yù)防提供了思路。在未來(lái)的研究中，把表觀遺傳學(xué)與肥胖、IR和糖尿病結(jié)合起來(lái)，揭示其內(nèi)在機(jī)制，對(duì)未來(lái)人類(lèi)攻克這一難關(guān)有極大的指導(dǎo)意義。