DNA甲基化与人类糖尿病的研究进展

张思佳 乔 虹

(哈尔滨医科大学第二临床医学院地方病科,黑龙江 哈尔滨 150086)

2型糖尿病(T2DM)是多种环境因素和遗传因素共同作用的结果。近年来，在T2DM及其并发症发病机制的研究中发现，环境因素(如饮食)改变是引起T2DM发病的重要原因。环境因素可以直接影响基因的表型，而表观遗传学机制是疾病发生过程中介导环境因素和遗传因素之间相关性的分子桥梁。目前，对糖尿病表观遗传学机制中起重要作用的DNA 甲基化的研究正如火如荼进行，主要是在全基因组扫描与糖尿病相关的DNA甲基化改变，或者是利用特异性引物检测某个已知功能的糖尿病相关基因的DNA甲基化改变。在糖尿病研究中，尽管实验动物基因与人类基因具有同源性，但是由于实验动物与人类的生活环境、基因功能、代谢及生物学特性等存在许多不同之处，因此实验动物的研究结论并不能完全代表人类糖尿病的特征。本文对近来研究得知的与人类T2DM相关的DNA甲基化改变及其位点的功能以及代谢记忆对糖尿病并发症的影响进行综述。

1 表观遗传学和DNA甲基化

表观遗传学与遗传学不同，它只改变基因的表达和功能而不改变基因序列。而二者的共同点为都产生遵循孟德尔遗传定律的表型。DNA甲基化是包括组蛋白修饰和一些非编码RNA等在内的表观遗传修饰中的一种重要的调控机制，主要建立在胎儿母体内发育和产后早期发育的重要阶段，并随着有丝分裂在子代细胞中传递，但也可随成长过程中环境因素的变化而改变。DNA甲基化修饰在DNA甲基转移酶的参与下，将甲基添加到核苷酸序列5'端启动子区域胞嘧啶鸟嘌呤二核苷酸含量丰富的CpG岛上，产生一种共价修饰，因此在一定程度上是可逆的。近来也有研究指出，DNA甲基化改变也可发生在非启动子区域(如内含子)〔1〕,或CGI岸(与CpG岛毗邻但在其之外)〔2〕。这种DNA甲基化修饰可直接通过影响转录因子的结合，或非直接通过影响转录后组蛋白修饰而改变染色体的结构和功能，因此DNA甲基化能够在生理和病理状态下都控制基因的表达〔3〕。在肿瘤发展中〔4〕，基因启动子CpG岛高甲基化可长期沉默肿瘤抑制基因是一种已被确认的机制；而在代谢性疾病中(如糖尿病、肥胖)，环境因素的作用可通过DNA甲基化修饰改变基因的表达。

2 环境因素变化引起的DNA甲基化改变可以导致糖尿病

近年来，研究者认识到环境因素可在任何年龄引起DNA甲基化改变，DNA甲基化也可能是一个动态的过程，在环境因素(饮食和运动等)的作用下影响基因的遗传易感性。

2.1宫内发育迟缓 早在上世纪90年代，有人已提出，胎儿发育时期母体内环境的改变与其出生后罹患肥胖、糖尿病或心血管疾病等的危险性显著相关。在一个1944～1945年荷兰饥荒期间母体内发育胎儿的回顾性研究中发现，妊娠晚期暴露于饥饿环境的胎儿，出生60年后与非暴露组相比，具有促进细胞增殖作用的胰岛素生长因子2(IGF2)基因低甲基化，且暴露组糖耐量增加〔5〕，说明宫内发育迟缓的胎儿成年后易出现糖耐量的异常。此外，众所周知，肝细胞核因子4α(hepatocyte nuclear factor 4α，HNF4α)的突变可导致青年人中的成年发病型糖尿病(MODY)，而近来Einstein等〔6〕对新生儿脐带血的研究发现，与正常出生体重儿相比，宫内发育迟缓的胎儿HNF4α启动子区域出现高甲基化，并可能与其患T2DM的易感性相关。

2.2高脂饮食 高脂饮食等不健康的饮食习惯是代谢性疾病包括T2DM的主要危险因素。Brøns等〔7〕对低出生体重儿的成年后个体进行短期(5 d)高脂饮食后，取股外侧肌检测其DNA甲基化改变，发现高脂饮食可引起线粒体基因的主要调节子过氧化物酶体增殖物受体γ共激活剂1α(peroxisome proliferator receptorγ coactivator 1α，PPARGC1α)启动子区域DNA 甲基化增加及PPARGC1α表达的下降。胰岛素分泌取决于线粒体功能及其产物ATP，而PPARGC1α启动子区域的DNA甲基化在T2DM患者高于非T2DM个体，说明低出生体重儿高脂饮食易引起胰岛素分泌降低和胰岛素抵抗，患T2DM风险增加。且这种5 d的高脂饮食引起的PPARGC1α甲基化增加是可逆的。随后，Jacobsen等〔8〕取健康成人短期(6～8 w)高脂饮食后的股外侧肌进行了全基因组DNA 甲基化分析，发现PPARG、AKT2、PDX1/IPF1、SLC30A8、CDKN2A、CDKN2B等与糖尿病相关的基因也出现显著的DNA甲基化改变，且这些改变在6～8 w后只部分或不显著逆转，说明与高脂饮食诱导的DNA 甲基化增加的过程相比，去甲基化过程可能在一定程度上被阻碍，人类饮食因素干预后的DNA甲基化水平具有可塑性和可逆性。

2.3运动 糖尿病的风险可通过运动等生活方式的干预而大大降低。Nitert等〔9〕设计实验，指导T2DM家族史阳性及T2DM家族史阴性的一级亲属中的健康个体进行6个月相同方式的运动后，取股外侧肌分析其全基因组DNA甲基化水平，发现家族史阳性个体与家族史阴性个体相比，参与人类肌肉组织中生理代谢作用的MAPK1基因和能量代谢作用的PRKAB1基因等在运动后都表现出差异DNA甲基化，说明运动可以改变肌肉组织的DNA甲基化水平。经过检验分析发现，运动引起的T2DM候选基因THADA和RBMS1的差异DNA甲基化改变是显著的，而家族阳性史对差异DNA甲基化改变的作用无实际意义。为了排除遗传因素的影响，研究者又进一步分析了没有同时患糖尿病、但家族史阳性双胞胎的DNA甲基化改变，结果发现家族史阳性个体和双胞胎中患糖尿病个体的肌肉组织中，65个分析的基因有40%存在差异DNA甲基化，这解释了家族阳性史个体基因的DNA甲基化也可能在T2DM的发病机制中起到一定作用。

3 糖尿病患者的DNA 甲基化改变

目前对于DNA甲基化与糖尿病的研究主要针对两个方面。一方面是在全基因组水平上扫描与糖尿病相关的差异DNA甲基化。例如，Toperoff等〔10〕利用外周血白细胞在全基因组检测与T2DM相关的差异DNA甲基化，发现THADA基因内含子、TCF7L2基因内含子、KCNQ1基因内含子和FTO基因内含子出现显著的差异DNA甲基化，而在先前的单核苷酸多态性研究中已知这些基因与T2DM相关。近来，Volkmar等〔11〕对人类胰岛细胞的DNA进行了全基因组DNA甲基化检测，发现了254个基因中的276个CpG位点与糖尿病相关。这也为DNA甲基化与糖尿病的研究提供了靶点，同时也提出了挑战。

另一方面是利用特异性引物对先前研究中已知功能的糖尿病相关基因进行差异DNA甲基化检测。如：肥胖基因(FTO)可在饮食和空腹条件下调节机体的能量平衡，Toperoff等〔10〕针对T2DM患者外周血白细胞中的FTO基因进行DNA差异甲基化研究，发现其存在显著的低甲基化。而在另一个全基因组研究中〔12〕发现，存在于人类FTO基因的甲基化敏感位点位于内含子1、外显子2和内含子2，在肥胖过程中调节T2DM等代谢性疾病的易感性。

4 代谢记忆与糖尿病并发症

高血糖引起的糖尿病大血管损害(如糖尿病心脏病)及微血管损害(如糖尿病肾病)，其共同的机制为活性氧自由基产物的增加，反过来促进多元醇、氨基乙酸、蛋白酶C以及晚期糖化终末产物形成通路的不稳定性，进而导致被影响的细胞基因表达的改变，而DNA甲基化及组蛋白转录后修饰也可通过影响染色体结构和功能在基因表达的调节上起重要作用〔13～16〕。许多大型临床试验表明，这种改变一旦开始，即使之后血糖控制良好，高血糖的这种损害也会持续下去，造成“代谢记忆”。由于这种代谢记忆现象，糖尿病并发症的治疗变得更为棘手。近来对于DNA甲基化这种共价修饰可逆性的认识，使得对糖尿病患者尽早控制血糖使之维持正常水平，以便控制和延缓糖尿病并发症的进展显得尤为重要。而对于糖尿病并发症靶器官DNA甲基化的研究，也为其治疗开辟了新视野。

例如：Bell等〔16〕分析了全基因组中与糖尿病肾病相关的差异DNA甲基化，在单核苷酸多态性re13293564内含子UNC13B基因的转录起始位点上游18 bp的CpG位点，发现了与糖尿病肾病显著相关的高甲基化；Palsamy等〔17〕分析了糖尿病白内障患者与对照组晶状体的差异DNA甲基化后，发现在糖尿病白内障患者，与晶状体氧化应激主要适应性反应中蛋白酶体降解相关的Keap-1基因启动子显著去甲基化，而对照组清晰的晶状体显示Keap-1基因高甲基化等等。

因此，代谢记忆现象中DNA甲基化可逆性的特征与糖尿病并发症的DNA甲基化靶位点相结合，为使用药物或分子方法阻止和治疗与糖尿病并发症相关的DNA甲基化改变提供了可能。

5 展 望

综上，在DNA甲基化与糖尿病的相关研究中，对于糖尿病的发病机制及防治方法的研究领域，主要有两个目标有待解决：(1)早期发现与T2DM相关的DNA甲基化改变，并对引起DNA甲基化改变的环境暴露因素如饮食、运动等生活方式进行相关干预以及时阻止或延缓该个体未来发生糖尿病及其并发症。(2)对于已发病的T2DM患者，则应努力寻找与T2DM的DNA甲基化改变相关的靶点治疗药物或生物学方法，以减慢或阻止糖尿病及其并发症的进展。

6 参考文献

1Lister R，Pelizzola M，Dowen RH,etal.Human DNA methylomes at base resolution show widespread epigenomic differences〔J〕.Nature，2009；462(7271):315-22.

2Irizarry RA，Ladd-Acosta C，Wen B,etal.The human colon cancer methylome shows similar hypo- and hypermethylation at conserved tissue-specific CpG island shores〔J〕.Nat Genet，2009;41:(2)178-86.

3Zemach A，McDaniel IE，Silva P,etal.Genome-wide evolutionary analysis of eukaryotic DNA methylation〔J〕.Science，2010;328(5980):916-9.

4Sharma S，Kelly TK，Jones PA.Epigenetics in cancer〔J〕.Carcinogenesis，2010；31(1):27-36.

5Heijmans BT，Tobi EW，Stein AD,etal.Persistent epigenetic differences associated with prenatal exposure to famine in humans〔J〕.Proc Natl Acad Sci USA，2008;105(44):17046-9.

6Einstein F，Thompson RF，Bhagat TD,etal.Cytosine methylation dysregulation in neonates following intrauterine growth restriction〔J〕.PLoS One,2010;5(1):e8887.

7Brøns C，Jacobsen S，Nilsson E,etal.Deoxyribonucleic acid methylation and gene expression of PPARGC1A in human muscle is influenced by high-fat overfeeding in a birth-weight-dependent manner〔J〕.J ClinEndocrinol Metab，2010;95(6):3048-56.

8Jacobsen SC，Brøns C，Bork-Jensen J,etal.Effects of short-term high-fat overfeeding on genome-wide DNA methylation in the skeletal muscle of healthy young men〔J〕.Diabetologia，2012;55(12):3341-9.

9Nitert MD，Dayeh T，Volkov P,etal.Impact of an exercise intervention on DNA methylation in skeletal muscle from first-degree relatives of patients with type 2 diabetes〔J〕.Diabetes，2012;61(12):3322-32.

10Toperoff G，Aran D，Kark JD,etal.Genome-wide survey reveals predisposing diabetes type 2-related DNA methylation variations in human peripheral blood〔J〕.Hum Mol Genet，2012;21(2):371-83.

11Volkmar M，Dedeurwaerder S，Cunha DA,etal.DNA methylation profiling identifies epigenetic dysregulation in pancreatic islets from type 2 diabetic patients〔J〕.EMBO J，2012;31(6):1405-26.

12Bell CG，Finer S，Lindgren CM,etal.Integrated genetic and epigenetic analysis identifies haplotype-specific methylation in the FTO type 2 diabetes and obesity susceptibility locus〔J〕.PLoS One，2010;5(11):e14040.

13Gemma C，Sookoian S，Dieuzeide G,etal.Methylation of TFAM gene promoter in peripheral white blood cells is associated with insulin resistance in adolescent〔J〕.Mol Genet Metab，2010;100(1):83-7.

14Yang BT，Dayeh TA，Volkov PA,etal.Increased DNA methylation and decreased expression of PDX-1 in pancreatic islets from patients with type 2 diabetes〔J〕.Mol Endocrinol,2012;26(7):1203-12.

15Yang BT，Dayeh TA，Kirkpatrick CL,etal.Insulin promoter DNA methylation correlates negatively with insulin gene expression and positively with HbA(1c) levels in human pancreatic islets〔J〕.Diabetologia，2011;54(2):360-7.

16Bell CG，Teschendorff AE，Rakyan VK,etal.Genome-wide DNA methylation analysis for diabetic nephropathy in type 1 diabetes mellitus〔J〕.BMC Med Genomics，2010;3:33.

17Palsamy P，Ayaki M，Elanchezhiam R,etal.Promoter demethylation of Keap1 gene in human diabetic cataractous lenses〔J〕.BiochemBiophys Res Commun，2012;423(3):542-8.