表观遗传学在糖尿病及其慢性并发症中的应用

燕 艳，刘仲祥，张秀娟*

(1.吉林大学第二医院 内分泌科，吉林 长春130041；2.吉林大学中日联谊医院)

表观遗传学在糖尿病及其慢性并发症中的应用

燕 艳1，刘仲祥2，张秀娟1*

(1.吉林大学第二医院 内分泌科，吉林 长春130041；2.吉林大学中日联谊医院)

表观遗传学是研究在基因的核苷酸序列不发生改变的情况下，基因发生了可遗传的表达的一门新兴学科。其机制主要包括DNA甲基化，组蛋白修饰，代谢记忆，RNA介导的基因沉默，染色质重塑及基因组印记等。

糖尿病是以高血糖及胰岛素缺乏为特征的一种多因素的慢性代谢性疾病，与基因及环境因素相关[1]。近几年，越来越多的研究表明，可以用表观遗传学解释糖尿病的加速发展，及持续存在的微血管及大血管并发症。现有研究表明，由环境引起的妊娠期代谢变化，是2型糖尿病易感性的决定因素。也有研究指出，2型糖尿病的孕妇与非糖尿病的孕妇相比，其后代对于2型糖尿病有更高的易感性。其次，儿童时期和成年后的生活方式，与2型糖尿病的发生密切相关，包括饮食因素和家庭因素[2]。流行病学和实验动物研究发现长期血糖控制不佳是作为糖尿病并发症发生的一个主要因素，并强调早期干预的重要性。早期暴露于高血糖，可促使微血管并发症和大血管并发症的发生[3]，当糖尿病患者血糖得到控制后，仍然有这种现象存在，表明代谢记忆参与其中。因此，了解表观遗传学的发生机制，将有助于研发新型的治疗及干预措施，以预防，逆转或延缓糖尿病的危害。

1 DNA甲基化与糖尿病

DNA甲基化是指在DNA甲基化转移酶的作用下，5’胞嘧啶被选择性的添加甲基，形成5-甲基胞嘧啶。人类基因组中，有大约70%的CpG发生了甲基化，未发生甲基化的CpG则形成了CpG岛，聚集在结构基因启动子的核心序列和转录起始位点。在正常细胞中，大部分CpG岛是不发生甲基化的，但是当发生癌症，或者氧化应激的情况下，一些CpG岛会发生特异性甲基化的改变。现在针对DNA甲基化在糖尿病中作用的研究还很有限，但是已经有一些研究观察到糖尿病时会有部分基因发生甲基化的改变。

早期临床研究发现，低体重儿与后期2型糖尿病的发生率有很强烈的相关性[4]。有研究表明，宫内发育迟缓的大鼠模型中，在从宫内发育迟缓到成年糖尿病大鼠的过渡期间，胰腺和十二指肠同源盒(PDX1)的甲基化升高，转录受到抑制，表达明显减少。PDX1是一种转录因子，可以调控β细胞的分化，生长和胰岛素分泌[5]。因此，在人类和动物模型中，PDX1的改变与2型糖尿病及β细胞功能障碍有关[6]。

有研究表明，与正常人相比，有高心血管疾病风险的2型糖尿病患者的外周血单个核细胞中，其全基因组DNA甲基化水平有明显的改变[7]。SMCS通过研究冠状动脉粥样硬化损伤内皮细胞，高脂喂养的动物模型得出动脉粥样硬化与DNA甲基化之间的关联[8]。也有研究显示，糖尿病伴终末期肾病的患者，检测到其重要基因发生了DNA甲基化的改变[9]。同样，1型糖尿病伴糖尿病肾病的病人，显示UNC13B启动子区高甲基化[10]，该基因与糖尿病肾病相关，具有调控高糖诱导的肾小球细胞凋亡。

2 组蛋白修饰与糖尿病

组蛋白是一组位于真核生物的染色质中的蛋白质，由精氨酸和赖氨酸等碱性的氨基酸构成。组蛋白修饰方式主要包括甲基化，磷酸化，泛素化以及乙酰化，并通过两个方面调控基因的表达，一是影响组蛋白同DNA的亲和性，改变了染色质的凝集、疏松状态。二是通过影响转录因子和结构基因启动子区的亲和性。

炎症的发生是2型糖尿病发病的一个重要因素，而组蛋白修饰又参与并调控炎症的发生，因此可以推断，改变炎症相关因子的组蛋白修饰，可以导致糖尿病的发生。组蛋白乙酰转移酶(HATs)和组蛋白去乙酰化酶(HDACs)可以调控一些于糖尿病相关的关键基因，如调控NF-κB的转录活性来影响下游炎症基因的表达[11]。在高糖的环境下，炎症相关基因的组蛋白发生改变，NF-κB的P65基因，发生高度乙酰化和转录激活。有研究发现，1型糖尿病患者的H3K9的甲基化与自身免疫及炎症通路相关基因表达的改变有关[12]。针对糖尿病db/db小鼠的平滑肌细胞的研究发现，一些炎症相关基因MCP-1和 IL-6的启动子区发生了组蛋白甲基化的改变，包括H3K9的低甲基化和H3K4的高甲基化。

3 代谢记忆与糖尿病

代谢记忆是指当血糖控制良好时，糖尿病血管并发症仍持续存在。该现象在实验动物模型、细胞模型和1型与2型糖尿病病人的临床观察中都得到了验证，目前针对这一现象的研究主要集中在高血糖所引起的危害。

高糖的代谢记忆形成机制尚不明确，Ihnat等[13]提出，高糖的代谢记忆可能与晚期的糖基化终末产物(AGEs)和氧化应激相关。有研究发现，引起线粒体功能障碍和氧化应激的主要原因可能是线粒体蛋白的糖化，糖化后的线粒体在电子传递链方面发生功能异常改变，电子传递方向发生改变，被传递给氧等分子，形成活性氧簇(ROS)[14]。ROS通过与线粒体蛋白交互作用，引起线粒体功能受损，从而进一步刺激线粒体产生更多的ROS，如此循环，体内ROS数量增加，使氧化应激提高，激活信号转导级联，如NF-κB，蛋白酶C等。在氧化应激的环境下，NF-κB活化会上调靶细胞的损伤反应基因，使其表达增加，因此，损伤后即使血糖控制良好，也无法逆转炎性因子的高表达，从而损伤靶器官[15]。类似在糖尿病患者体内，AGEs增多，因其特殊的不可逆性，高血糖状态被纠正后，也无法恢复AGEs的水平。AGEs能通过引起胶原分子交联的方式减弱血管壁的弹性，还可以使细胞内的蛋白发生交联，改变细胞外基质结构，并干扰正常细胞的接触，从而抑制细胞的生长，破坏组织完整性，最终影响细胞的功能。AGEs还能够通过与AGEs的受体结合，激活与糖尿病并发症相关的多种信号转导通路，促进NF-κB的活化，影响靶器官的功能。

4 microRNA与糖尿病

microRNA是单链非编码RNA分子，通过与目标mRNA的非翻译区碱基互补，从而在转录后水平上对基因进行调控。有研究发现，miR510、miR96、miR200、miR375等与胰岛β细胞的丢失、损伤和功能障碍相关，miR103、miR107、miR200a等与胰岛素抵抗相关[16]。

miR-357在正常胰岛细胞的形成中至关重要，最初被发现于斑马鱼体内[17]，并指出与胰岛β的胰岛素分泌相关。有研究发现，敲除mir-375的大鼠体内β细胞数量减少，伴随α胰岛细胞数量增加，说明miR-375在α和β细胞上的作用相反[18]。miR-375能直接与Mtpn V-1 3-UTR相结合，抑制葡萄糖介导的胰岛素分泌，同时，miR-375还能直接影响PDK1的mRNA的表达，降低其蛋白水平，从而影响葡萄糖诱导的胰岛素基因的表达，因此，敲除β细胞中的PDK1，会减少β细胞的数量，促使糖尿病的发生[19]。2010年，Hinton等[20]发现，在胰腺的形成过程中，miR-375的表达明显上调，因此他们推断miR-375可能在早期的发育中发挥作用。

宫内发育不良及营养缺乏所引起的表观遗传改变，特别是DNA甲基化的改变，会影响胎儿及母体对2型糖尿病的易感性。临床研究和基础研究都表明，早期严格的控制血糖会有效的预防或延缓糖尿病并发症的发生发展。了解与糖尿病相关的重要基因的作用机制，可以为表观遗传治疗开辟新窗口。目前，DNA甲基化抑制剂，HDACs抑制剂等表观遗传药物正在广泛研究中，与传统药物相比，其具有较低的不良反应，我们相信，在不久的将来，表观遗传将成为强有力的攻克糖尿病的武器。

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*通讯作者

1007-4287(2017)09-1479-03

2017-01-15)