表观遗传学与糖尿病肾病

马静茹 牟新

·综述·

表观遗传学与糖尿病肾病

马静茹 牟新

表观遗传调控主要包括DNA甲基化、组蛋白修饰和微小RNA(miRNA)等。糖尿病肾病(DN)是糖尿病主要的慢性并发症之一。一些特定基因的启动子区甲基化水平异常，组蛋白乙酰化与去乙酰化及miRNA等都参与了DN的发生、发展。对表观遗传学与DN关系的研究，可为进一步认识和治疗DN提供一种新的途径。

表观遗传学；糖尿病肾病；基因

与经典遗传学以研究基因序列影响生物学功能为核心相比，表观遗传学主要研究这些“表观遗传现象”建立和维持的机制。尽管核苷酸序列没有变化，表观遗传修饰仍然是可以遗传的，并且可以通过替代染色质状态的细胞复制和分裂传递给后代[1]。在组织和细胞的分化和发展过程中，表观遗传信息更多的决定它们的功能状态[2]。研究表明，表观遗传机制在糖尿病肾病的发病中发挥潜在作用[3]。现综述如下。

1 DNA甲基化与糖尿病肾病

DNA甲基化是指生物体在DNA甲基转移酶的催化下，以S-腺苷甲硫氨酸为甲基供体,将甲基转移到特定的碱基上的过程。DNA甲基化可以发生在腺嘌呤的N-6位、胞嘧啶的N-4位、鸟嘌呤的N-7位或胞嘧啶的C-5位等。但在哺乳动物,DNA甲基化主要发生在5′-CpG-3′的C上，生成5-甲基胞嘧啶。胰岛素CpG启动子甲基化在β细胞成熟和组织特异性的胰岛素基因表达中起至关重要的作用[4]。

研究者比较了伴和不伴肾病的1型糖尿病患者，通过与类淋巴母细胞系来源的DNA样品进行比较，确定了27(8%)个外周血白细胞基因显示不同的DNA甲基化谱[5]。有报道称，DNA甲基化与患者年龄、糖尿病肾病的患病时间和性别有关，使用多变量Cox回归分析调整混杂因素，错误发现率为0.05，且观察到19个CpG位点与糖尿病肾病发展的时间推移具有相关性。值得注意的是，这包括一个CpG部位位于18碱基UNC13B上游的转录起始点，其中第一内含子的单核苷酸多态性rs13293564与糖尿病肾病相关[6]。 有学者研究非洲裔和拉美洲裔伴终末期肾病和无肾病的糖尿病患者，通过对受试者唾液样品采集和DNA提取，比较了超过14 000个基因位点特异性的DNA甲基化水平，确定了187个基因中至少2个CPG位点存在甲基化差异，其中39个基因已报道参与糖尿病肾病的发生、发展，为慢性肾脏疾病的进展确定了潜在的表观遗传标志物，表明疾病进展可能通过遗传基因和(或)表观遗传学差异受到影响[7]。

2 组蛋白修饰与糖尿病肾病

组蛋白是真核生物染色体的基本结构蛋白，是一类小分子碱性蛋白质，有6种类型:H1、H2A、H2B、H3、H4及古细菌组蛋白，组蛋白有两个活性末端：即羧基端和氨基端。组蛋白修饰是表观遗传调控的重要组成部分，目前已知核小体组蛋白的共价翻译后修饰在基因调控中发挥重要作用,常见的组蛋白修饰方式包括组蛋白甲基化、乙酰化、磷酸化、泛素化和SUMO化。这样的修饰与衔接蛋白相互作用，招募其他蛋白复合体，以维持被修饰的状态，以及指定细胞谱系。组蛋白修饰可引起核小体解离，从而改变其结构，导致染色质发生致密与疏松的转换[8]。组蛋白修饰及组蛋白甲基化转移酶和乙酰化转移酶参与调节糖尿病肾病和血管细胞相关的炎性反性和促纤维化基因的表达[9]。

高糖在糖尿病肾病的发展中起关键作用，有研究认为，高糖会导致细胞损伤，诱导系膜细胞组蛋白H2A的泛素化，并减少系膜细胞组蛋白H2B泛素化[10]。在细胞核内，组蛋白乙酰化与去乙酰化过程处于动态平衡，并由组蛋白乙酰化转移酶和组蛋白去乙酰化酶(HDAC)共同调控。组蛋白乙酰化转移酶催化组蛋白乙酰化,导致染色质结构松散,促进基因转录; 而HDACs使组蛋白去乙酰化,导致染色质凝聚,抑制基因转录[11]。应用HDAC抑制剂伏立诺他治疗糖尿病大鼠4周后发现，肾脏体积增大和肾小球肥大情况有所缓解[12]。Noh等[13]研究表明，糖尿病时转化生长因子-β1激活肾脏的HDAC-2，而活性氧簇可直接增加HDAC-2的活性并且调节转化生长因子-β1诱导的HDAC-2激活，这可能参与了细胞外基质积聚和上皮间充质转分化的发生。

3 miRNA与糖尿病肾病

miRNA是一种广泛存在的对基因表达进行微调的分子。其长约21～25 nt, 约50%定位于易发生结构改变的染色体区域[14]。miRNA介导靶基因沉默，通过结合相应靶基因mRNA的3′UTR，下调基因的表达[15]。

Smad信号通路在肾脏疾病中起重要作用，研究者使用miRNA微阵列来鉴定db/db小鼠中糖尿病肾病差异表达的miRNA，并应用反转录定量PCR和免疫印迹分析来检测Smad3/4的表达，结果发现，miRNA-346为差异表达的miRNA，且为Smad3/4的负性调节物，可减弱肾组织中Smad3/4的表达，改善糖尿病肾病小鼠的肾功能[16]。肾脏炎性反应和纤维化是糖尿病肾病的两个重要特征，miRNA-29b能够抑制2型糖尿病db/db小鼠的肾脏炎性反应和肾纤维化[17]。miRNA-377抑制p21-丝裂原活化蛋白激酶和超氧化物歧化酶的表达，间接增加积聚在肾脏基质的纤连蛋白， 参与糖尿病肾病的发生、发展[18]。使用miRNA微阵列分析糖尿病肾病和糖尿病患者的基因表达谱差异，发现Let-7a在糖尿病肾病患者中水平下调，且Let-7a-2的调节区域存在一个潜在突变体rs1143770，其与糖尿病肾病患病风险增加显著相关[19]。

综上，糖尿病肾病具有遗传易感性，而基因表达的表观遗传调控是糖尿病肾病遗传易感性的一个重要原因。目前认为，糖尿病肾病的起始和进展是遗传和环境因素相互作用的结果，环境因素可通过影响表观遗传修饰的改变，诱发疾病，饮食、生活方式和环境暴露能够通过表观遗传学改变，影响疾病的发生和发展。近年来，表观遗传方面的研究已日益受到中外学者的重视，表观遗传与人类健康密切相关,通过对表观遗传学的研究，不仅可以了解糖尿病肾病的发病机制，而且可以进一步探索和发现新的生物学标志物，通过有目的的调节关键酶的活性，有助于糖尿病肾病的诊断和防治，从而降低糖尿病肾病的发生率和死亡率。

[1] Capell BC, Berger SL.Genome-wide epigenetics[J].J Invest Dermatol, 2013, 133(6):e9.DOI: 10.1038/jid.2013.173.

[2] Loidl P. A plant dialect of the histone language [J]. Trends Plant Sci, 2004,9(2):84-90.

[3] Reddy MA, Natarajan R. Epigenetics in diabetic kidney disease[J].J Am Soc Nephrol, 2011,22(12):2182-2185. DOI: 10.1681/ASN.2011060629.

[4] Kuroda A, Rauch TA, Todorov I,et al. Insulin gene expression is regulated by DNA methylation[J].PLoS One,2009,4(9):e6953.DOI:10.1371/journal.pone.0006953.

[5] Brennan EP, Ehrich M, Brazil DP,et al. Comparative analysis of DNA methylation profiles in peripheral blood leukocytes versuslymphoblastoid cell lines[J].Epigenetics,2009,4(3):159-164.

[6] Bell CG, Teschendorff AE, Rakyan VK, et al. Genome-wide DNA methylation analysis for diabetic nephropathy in type 1 diabetes mellitus[J].BMC Med Genomics,2010,3:33.DOI:10.1186/1755-8794-3-33.

[7] Sapienza C, Lee J, Powell J,et al. DNA methylation profiling identifies epigenetic differences between diabetes patients with ESRD and diabetes patients without nephropathy[J].Epigenetics,2011,6(1):20-28.

[8] Linghu C,Zheng H,Zhang L,et al. Discovering common combinatorial histone modification patterns in the human genome[J].Gene,2013,518(1):171-178.DOI: 10.1016/j.gene.2012.11.038.

[9] Reddy MA,Tak Park J,Natarajan R. Epigenetic modifications in the pathogenesis of diabetic nephropathy[J].Semin Nephrol,2013,33(4):341-353. DOI:10.1016/j.semnephrol.2013.05.006.

[10] Gao C, Chen G, Liu L,et al. Impact of high glucose and proteasome inhibitor MG132 on histone H2A and H2B ubiquitination inrat glomerular mesangial cells[J].J Diabetes Res, 2013,2013:589474.DOI: 10.1155/2013/589474.

[11] Wang Z,Yang D, Zhang X,et al.Hypoxia-induced down-regulation of neprilysin by histone modification in mouse primary cortical and hippocampal neurons[J].PLoS One,2011,6(4): e19229.DOI:10.1371/journal.pone.0019229.

[12] Gilbert RE, Huang Q, Thai K, et al. Histone deacetylase inhibition attenuates diabetes-associated kidney growth: potential role forepigenetic modification of the epidermal growth factor receptor[J].Kidney Int, 2011,79(12):1312-1321.DOI:10.1038/ki.2011.39.

[13] Noh H,Oh EY,Seo JY,et al. Histone deacetylase-2 is a key regulator of diabetes- and transforming growth factor-beta1-induced renal injury[J].Am J Physiol Renal Physiol,2009,297(3):F729-F739. DOI: 10.1152/ajprenal.00086.2009.

[14] Ruvkun G.Molecular biology.Glimpses of a tiny RNA world[J].Science,2001,294(5543):797-799.

[15] Padmashree DG, Swamy NR. Molecular signaling cascade of miRNAs in causing diabetes nephropathy[J].Bioinformation,2013,9(8):401-408. DOI: 10.6026/97320630009401.

[16] Zhang Y, Xiao HQ, Wang Y,et al. Differential expression and therapeutic efficacy of microRNA-346 in diabetic nephropathy mice[J].Exp Ther Med，2015,10(1):106-112.

[17] Chen HY, Zhong X, Huang XR,et al. MicroRNA-29b inhibits diabetic nephropathy in db/db mice[J].Mol Ther,2014,22(4):842-853. DOI: 10.1038/mt.2013.235.

[18] Wang Q, Wang Y, Minto AW,et al. MicroRNA-377 is up-regulated and can lead to increased fibronectin production in diabetic nephropathy[J].FASEB J,2008,22(12):4126-4135.DOI:10.1096/fj.08-112326.

[19] Zhou J,Peng R,Li T,et al. A potentially functional polymorphism in the regulatory region of let-7a-2 is associated with an increased risk for diabetic nephropathy[J].Gene,2013, 527(2):456-461.DOI: 10.1016/j.gene.2013.06.088.

Epigeneticsanddiabeticnephropathy

MaJingru*,MouXin.*

ZhejiangChineseMedicalUniversity,Hangzhou310000,China

MouXin,Email:mouxin888@126.com

Epigenetic regulations include DNA methylation, histone modifications and microRNA (miRNA), etc. Diabetic nephropathy (DN) is one of the major chronic complications of diabetes.Abnormal levels of some specific gene promoter region methylation, and acetylation of histone acetylation and microRNAs are involved in the occurrence and development of DN. Further research of the relationship between epigenetics and DN could provide a new approach for the treatment of DN.

Epigenetics；Diabetic nephropathy；Genes

国家自然科学基金资助项目(30801467，81273623)；浙江省科技厅项目(2013C33212)；中国博士后科学基金(2014M551775)

FundprogramNational Natural Science Foundation of China (30801467,81273623);Science and Technology Department of Zhejiang Province(2013C33212);China Postdatoral Science Foundation(2014M551775)

10.3760/cma.j.issn.1673-4157.2016.01.013

310000 杭州，浙江中医药大学(马静茹)；310000 杭州市红十字会医院(牟新)

牟新， Email: mouxin888@126.com

2015-04-10)