肥胖相關代謝、免疫炎癥基因的甲基化研究進展

★ 李錦超 任美玲 吳紫葶 徐曉英 王萍（江西中醫藥大學中醫學院 南昌 330004）

肥胖是一種世界性疾病，自90年代以來，中國超重率和肥胖率都迅速上升。2015年的《中國居民營養與慢性病狀況報告》顯示，全國18歲以上成人的超重率達到了30.1%，其中肥胖率為11.9%，肥胖特別是以腹部脂肪過度積聚的中心性肥胖，多繼發高血壓、冠心病、糖尿病、脂肪型肝炎等，肥胖病已成為必須重視的健康問題。肥胖是一種以體脂過多為特征的疾病，其發生除了先天的“自發性肥胖”外，也與后天的、環境因素相關。后天性肥胖多由能量代謝異常導致，一般認為這種能量代謝異常與脂代謝、糖代謝的紊亂相關。肥胖的發生是遺傳、不健康飲食、行為偏差、藥物作用、內分泌因素等多種因素綜合作用下的結果。

表觀遺傳修飾是不同環境因子與基因表達相互作用的結果，強調基因與環境的交互作用。DNA甲基化是表觀遺傳的主要調控方式之一，能夠影響異染色質形成、細胞分化、轉基因沉默等。一般而言，低甲基化可增強基因的表達，高甲基化則能抑制基因表達。DNA甲基化修飾在腫瘤、自身免疫性疾病、代謝性疾病等慢性復雜性疾病中均發揮著重要作用［1］。基因的DNA甲基化改變參與了脂肪的形成、存儲，糖原的合成、降解以及肥胖慢性炎癥等多個過程，從而能對肥胖的發生起著重要作用。另外，在一些通過手術、藥物等手段治療肥胖的研究中，往往也發現患者的的甲基化狀態發生了改變。從DNA甲基化修飾角度來認識肥胖，能夠為干預和治療肥胖及相關疾病提供有效手段和新的思路。

1 糖脂代謝異常

1.1 脂代謝 肥胖表現為全身脂肪組織的過度增生，當身體成分中的脂肪蓄積過度，超過標準體重的20%被視為肥胖病理狀態。脂肪組織包含脂肪前體細胞、脂肪細胞、微血管內皮細胞以及細胞外基質等。因此，脂肪細胞的數量及大小決定了脂肪組織的多少。研究表明脂肪沉積能力大小與甲基化水平呈負相關［2］，POMC，PPARs, TNF-α等許多基因啟動子區CpG島甲基化在肥胖狀態下均發生了改變［3］。另外，DNA甲基化在脂肪細胞的增殖分化過程中也發揮著生理調控作用。在3T3-L1前脂肪細胞分化中,DNA甲基轉移酶DNMT1、DNMT3a、DNMT3b和甲基化結合蛋白MeCP2的mRNA水平隨分化水平的增加而逐漸升高［4］；在前脂肪細胞分化為脂肪細胞的過程中，C/EBPβ基因的表達會起到重要作用，而CpG甲基化修飾的變化會影響C/EBPβ基因的表達，從而促進前脂肪細胞的分化［5］。瘦素（leptin）是近年來發現并被闡明的脂肪細胞分泌的一種蛋白質。在一項對重度肥胖患者的試驗研究中發現，leptin啟動子區的特定CpG位點DNA甲基化水平與低密度脂蛋白（LDL-C）水平呈正相關，且與皮下脂肪組織的LEP mRNA水平呈負相關。當調整DNA甲基化后，LDL-C與LEP mRNA的相關性不再顯著［6］。PPAR-γ作為一種核受體蛋白，在脂肪細胞的分化和糖平衡中起生理調節作用。激活的PPAR-γ能夠使細胞分化終止并且刺激脂肪組織特異性基因的表達。而實驗證明肥胖模型小鼠內臟脂肪組織的PPAR-γ啟動子的甲基化水平明顯高于野生型小鼠［7］。進一步研究發現，父系小鼠的高脂飲食或者有氧運動方式可能通過子代小鼠附睪周脂肪組織PPAR-γ基因甲基化水平的改變從而影響基因的表達，進而對子代（限于雄鼠）的脂肪等代謝表型產生影響［8］。近年來，基因敲除術也多被應用于肥胖研究。在IRX3 基因敲除的實驗中，被敲除基因小鼠出現基礎代謝增強、能量消耗水平高、體重明顯下降等變化。同時，也觀察到基因敲除小鼠存在脂肪組織的減少以及脂肪細胞尺寸縮小等現象［9］。有學者認為位于 IRX3 基因 5′UTR 的 3 個位點的甲基化變化可能與肥胖的發生及上述變化有關［10］。而與膽固醇的生物合成過程相關的基因Sc5d及其它肥胖相關基因，在一項溫膽湯干預肥胖痰濕證模型的研究中發現甲基化程度明顯增加，從而認為肥胖痰濕證模型的形成與脂肪組織代謝相關基因的啟動子甲基化狀態的改變相關［11］。

肥胖病患者大多存在脂質代謝紊亂，臨床上血脂異常為其常見癥狀。具體表現為血漿三酰甘油、總膽固醇（TC）、LDL-C均升高且與BMI呈正相關，血漿高密度脂蛋白（HDL-C）降低，并與BMI呈負相關。高脂血癥容易誘發脂肪肝、冠心病、高血壓等疾病。研究指出腹型肥胖并且AGTR1基因低甲基化患者罹患糖尿病的風險是非腹型肥胖的4.14倍［12］。干預肥胖對預防其它疾病的發生有重要作用。

1.2 糖代謝 肥胖病患者的脂肪細胞體積會變大，而過大的脂肪細胞會降低機體對胰島素的敏感性。為了維持機體的代謝平衡，胰島就必須要分泌高于正常人4～5倍的胰島素，而長期刺激胰島會導致其功能衰竭。因此，肥胖病患者多繼發糖尿病等相關疾病。同時，高胰島素血癥也會促進脂肪的合成過程，反過來又會加重肥胖癥。胰島素對體內脂肪及糖代謝的調節涉及許多方面，如肝臟、脂肪中脂肪酸及葡萄糖的代謝等。應用基因組甲基化技術，發現肥胖合并2型糖尿病（T2DM）患者內臟脂肪組織胰島素抵抗基因甲基化水平顯著異常，與T2DM病態肥胖呈正相關。

不出現低血糖是肥胖病患者高胰島素血癥的特點。在高脂飲食喂養的肥胖大鼠中，研究人員發現肝葡萄糖激酶（GcK）及左旋丙酮酸激酶基因DNA甲基化水平增高，并與基因的表達呈負相關，這會影響葡萄糖儲存和糖原合成導致血糖的升高［13］。在另一項長期高脂飲食的小鼠實驗中發現，脂肪組織同源盒基因Hoxa5的高甲基化與葡萄糖耐受量和胰島素敏感性都存在著相關性［14］。另外高脂飲食誘導的肥胖小鼠，其附睪脂肪組織以及肥胖病人的大網膜組織，都可見DNA 低甲基化改變。MBD2 作為肥胖癥的易感基因，當被敲除時，可以有效改善高脂飲食誘導肥胖小鼠的葡萄糖耐量異常以及胰島素抵抗，其甲基化信息不被翻譯，從而能夠有效減少高脂飲食所誘導的肥胖的發生［15］。此外肥胖的發生也多與遺傳因素相關，父母親肥胖，其子女肥胖的發生概率高達70%～80%。關于人類肥胖研究顯示，父本肥胖顯著改變 sncRNA表達和DNA甲基化水平，并且父本肥胖的后代MEST，PEG3，NNAT及IGF2 印跡基因的差異甲基化區域甲基化水平異常［16］。而孕婦高血糖可引起胎盤中PR結構域家族蛋白16（PRDM16）、骨形態發生蛋白7（BMP7）和過氧化物酶體增殖物激活受體γ共激活因子1α（PPARGC1α）位點的表觀遺傳程序的改變，影響子代的糖脂代謝及脂肪組織的生成，這也可能增加了子代發展為肥胖和2 型糖尿病的風險［17］。

2 免疫炎癥

在肥胖的發生過程中，伴隨脂質累積、脂肪細胞體積增大、新生微血管限制等，一旦超出細胞的最大承受范圍，脂肪細胞會破裂凋亡，從而被巨噬細胞所吞噬清除，這是引發肥胖病全身性慢性低度炎癥性的一個原因［18］。另外，增生肥大的脂肪細胞同時又會產生多種的促炎因子及趨化因子［19］，從而引起或增加機體的炎性反應。另外有研究發現肥胖患者的脂肪相關巨噬細胞（ATM）由抗炎的M2 型向促炎的 M1 型巨噬細胞轉變［20］。巨噬細胞分泌的促炎因子能夠促進前脂肪細胞增生，引起脂肪細胞增多，從而加重肥胖程度［21］。因此認為肥胖的發生與炎癥因素密切相關。巨噬細胞的表型變化可以調節肥胖誘導的炎癥和胰島素抵抗，而M1型RAW264.7細胞中 NLRC5 表達的減少與DNA啟動子區域的甲基化有關［22］。scd1被認為是一種在脂肪細胞分化中可以廣泛表達的酶，主要是負責單不飽和脂肪酸的生物合成過程，并能夠影響脂肪相關的炎性反應。研究發現scd1的過表達與全身的DNA低甲基化狀態有關，而scd1的沉默可能導致全身的高甲基化狀態［23］。KLF4作為轉錄因子，在血管內皮細胞、巨噬細胞中，均發揮抗炎作用。而肥胖個體的KLF4基因特定啟動子區CpG 位點的甲基化陽性率明顯高于正常個體［24］。在中醫學上有“肥人多痰”的說法，認為“脾虛生痰，痰濕內盛”是肥胖痰濕證形成的病機，而脾虛痰濕與免疫機制密切相關。溫膽湯干預后的痰濕肥胖模型大鼠，其TNF-α、IL-6、IL-17、IL-22等炎癥因子的表達顯著下降，而痰濕體質與平和體質在全基因組層面存在系統性的DNA甲基化表達譜差異［25］。

肥胖病患者的巨噬細胞吞噬功能及T細胞功能均較正常人低，由于免疫功能低下，肥胖病患者罹患其它免疫缺陷疾病的風險增加。例如，在臨床上，肥胖就被認為是過敏性紫癜患兒腎臟損傷的獨立危險因素［26］。又如膝關節骨性關節炎（KOA），研究顯示，KOA患者滑膜組織miR-203基因啟動子區的低甲基化狀態與肥胖KOA患者的BMI及關節液中促炎癥因子的水平密切相關［27］。研究還表明DNA的低甲基化會促使血管的平滑肌細胞增殖和纖維沉積，并且使外周血中參與免疫及炎性反應的細胞也過度增殖［28］，而這會加速動脈粥樣硬化（AS）的發生發展。肥胖指標升高，顯著增加了心血管疾病、腦卒中的患病風險［29］。

3 其它因素

如上所述，以表觀遺傳學的DNA甲基化改變為切入點，從糖、脂代謝異常和免疫炎癥方面解釋了肥胖的相關發病機制。而從病因角度來講，除攝入高脂、高糖熱量過多外，肥胖的發生與個人的飲食習慣、運動量、環境、心理因素等也密切相關。這與表觀遺傳學強調環境-生理-心理的內涵一致。以生存環境為例，雙酚A（BPA）是一種典型的環境內分泌干擾物,常出現在日常生活用品及某些醫療器械中。而BPA的暴露，導致與肥胖相關的脂代謝通路、脂肪因子信號通路和生長因子信號通路分別有24、29和34個基因的甲基化發生了改變［30］，從而誘發肥胖、脂代謝異常等。

肥胖是一種攝食過度性疾病，此類患病人群大多食欲亢進。被高脂飲食喂養的成年小鼠被發現其MC4R基因明顯呈低甲基化水平，這會增加小鼠的食欲和攝食行為［31］。從干預治療角度考慮，肥胖作為一種能量代謝失衡的疾病，除控制能量攝入外，也應增加熱量消耗。運動是健康減肥方式的首先方式，當運動聯合膳食干預時，有效上調了leptin基因啟動子區CpG位點的平均甲基化程度且降低下丘腦leptin受體基因啟動子區CpG位點的平均甲基化程度［32］。Laker R C 等［33］也指出運動可以預防母體高脂飲食誘導的PGC-1α甲基化及后代年齡相關的代謝障礙等。與此同時，心理因素也不可忽略。有學者認為抑郁是肥胖的獨立危險因素［34］，機體在焦慮和抑郁狀態下，下丘腦-垂體-腎上腺軸失調，進而會影響體內的糖脂代謝導致肥胖的發生［35］。同時肥胖也會加重患者的焦慮、抑郁情緒，形成一種惡性循環。以女性多囊卵巢綜合征（PCOS）為例，約有60%的PCOS患者存在焦慮、抑郁狀態［36］。而PCOS患者GC中與脂質和類固醇合成相關的幾個基因啟動子呈低甲基化［37］，其脂肪組織LHCGR基因位點的甲基化降低,INSR基因位點的甲基化增高［38］。患有抑郁、焦慮疾病的患者，其伏隔核NAc甲基轉移酶Dnmt3a增加，并且這種焦慮抑郁狀態會在后代顯現，具有穩定遺傳性［39］。因此，對于肥胖患者來說，除做好肥胖的對癥治療，干預患者的心理健康、習慣、行為等也是十分必要的。

4 小結

甲基化位點所識別的基因參與脂蛋白代謝、糖代謝、底物轉運及炎癥通路等多個過程。因此，認為DNA甲基化修飾在肥胖病的發生發展中起著重要作用。但是單個基因的啟動子、轉錄區等具體改變及其表達變化仍需深入研究。

從DNA甲基化修飾的角度來認識肥胖，不僅僅是對肥胖病本身產生的機制加以解釋，更強調疾病發生的后天因素以及疾病的可調控性。因此，認為肥胖所導致的甲基化異常是可以通過藥物治療、手術、運動等扭轉。DNA甲基化也可以作為疾病的分子機制研究和藥物研發及靶向治療的新切入點，為認識和治療復雜性疾病提供思路。同時，DNA甲基化作為哺乳動物一種最穩定的表觀遺傳修飾調控方式之一，在肥胖的代際傳遞中也發揮著重要作用，這對于預防肥胖及相關代謝性疾病的遺傳也起積極作用。