表观遗传学在妊娠期糖尿病中的研究进展

田 丹，王 欣，魏文文综述，于红松审校

0 引 言

妊娠期糖尿病(gestational diabetes mellitus, GDM)是指妊娠前无糖尿病病史的女性在妊娠期间出现葡萄糖糖耐量异常，是妊娠期间常见的并发症之一[1]。全球女性GDM的发病率为13.9%[2]，亚洲女性GDM发病率为11.5%[3]，而我国西部地区女性GDM发病率为18.3%[4]。目前为止，GDM的发病机制尚不完全清楚。现普遍认为GDM的发病机制与遗传学、表观遗传学和环境等因素有关。

表观遗传学是指在DNA序列不发生改变的情况下使基因表达发生可遗传的改变。表观遗传学调控基因表达的方式主要包括DNA甲基化、组蛋白修饰和非编码RNA(non-coding RNAs, ncRNAs)等，这些调控基因表达的方式可影响基因在细胞和整个生物体中的表达和变异[5-6]。近年来研究表明，表观遗传学因素在GDM发生发展过程中发挥重要作用。因此，本文对DNA甲基化、组蛋白修饰和ncRNAs等表观遗传因素在GDM中的研究进展作一综述。

1 DNA甲基化与GDM

DNA甲基化是最稳定和目前研究最深入的表观遗传修饰形式。DNA甲基化是指在DNA甲基化转移酶的催化下，S-腺苷甲硫氨酸上的甲基转移到基因组鸟苷酸二核苷酸胞嘧啶(CpG)碱基的5位碳原子上，最终形成5-甲基胞嘧啶的过程[7]。研究表明，基因启动子区域DNA低甲基化能激活基因的转录，而DNA高甲基化则抑制基因的转录[8-9]。近年来研究发现，异常DNA甲基化与GDM的发病有关[10]。

Zahra等[11]研究发现，相对于对照组，GDM子代大鼠胰岛基因CDKN2A和CDKN2B启动子CpG位点的DNA甲基化显著降低，CDKN2A和CDKN2B基因的mRNA表达显著升高，且该两个基因启动子区的DNA低甲基化与母体高血糖显著关联，提示GDM大鼠可能通过调控胰岛基因CDKN2A/B启动子DNA甲基化水平对子代胰腺β细胞产生不良影响，进而参与胰腺β细胞功能障碍和糖尿病的发生。朱本丽等[12]研究发现，在经胰岛素和二甲双胍降糖药治疗后的GDM大鼠，其子代大鼠胰腺组织PPARGC1A基因DNA甲基化显著降低和mRNA表达显著升高，且与子代大鼠糖脂代谢功能呈正相关，提示胰岛素和二甲双胍治疗GDM大鼠可通过调控DNA甲基化来改善子代大鼠糖脂代谢。同时有研究表明，在1型糖尿病大鼠中高血糖会导致基因组的低甲基化[9]。Dias等[13]对南非GDM组和健康对照组孕妇进行了全基因组DNA甲基化分析，研究发现GDM组有1046个DNA甲基化差异的CpG位点，其中148个CpG位点高甲基化，898个CpG位点低甲基化；SLC9A3基因的cg22985016位点DNA高甲基化与GDM孕妇空腹血糖浓度呈正相关，而KLHDC3基因的cg21910650、CAMTA基因的cg23643951和RASA3基因的cg07966372位点的DNA低甲基化与GDM孕妇空腹血糖浓度呈负相关；RASA3基因的cg07966372位点的DNA低甲基化与空腹胰岛素浓度呈负相关。钱源等[14]对GDM组和正常对照组孕妇大网膜下脂肪组织进行全基因组DNA甲基化分析，发现GDM组孕妇大网膜下脂肪组织中有1298个基因低甲基化位点和1570个基因高甲基化位点，经分析比较后发现共有42个甲基化差异基因可能与妊娠期的血糖、血脂、血压、空腹胰岛素水平等密切相关；GDM组孕妇大网膜下脂肪组织人类白细胞抗原G启动子区域甲基化水平显著升高；提示甲基化差异基因可能参与了胰岛素抵抗，并可能是GDM潜在的致病基因。Zhang等[15]研究发现，与正常对照组比较，GDM组孕妇大网膜组织中缺氧诱导因子3α(hypoxia-inducing factor 3α, HIF3α)启动子区域的DNA甲基化显著升高，且HIF3α表达显著降低，提示HIF3α启动子区域的DNA高甲基化与GDM显著相关，并可能是治疗GDM潜在的新靶点。

以上研究表明，异常DNA甲基化与GDM孕妇血糖、胰岛素等的调控密切相关，妊娠期妇女可能通过调控 DNA甲基化水平对胰岛细胞功能产生不良影响，参与GDM的发生发展，且甲基化差异基因可能是治疗GDM潜在的分子靶标。因此，进一步研究DNA甲基化在GDM中的作用，可为GDM的治疗提供新的思路。

2 组蛋白修饰与GDM

组蛋白是染色质的重要组成部分之一，其N端氨基酸残基可被共价修饰。组蛋白修饰主要包括乙酰化、甲基化、磷酸化、泛素化和ADP核糖基化等。组蛋白修饰在调控染色质压缩及核小体动力学中起重要作用，同时，还可直接调节转录，影响有丝分裂、细胞凋亡、DNA损伤与修复、DNA复制和重组等过程[16]。研究表明，多种组蛋白修饰异常与GDM的发生相关联。在人类单核细胞和淋巴细胞研究中，组蛋白H3赖氨酸的三个甲基化状态(单甲基化，二甲基化和三甲基化)中，其中二甲基化与糖尿病显著相关[17-18]。

Michalczyk等[19]研究发现，与产后未发展为2型糖尿病(type 2 diabetes mellitus，T2DM)的GDM孕妇比较，产后发展为T2DM的妇女在妊娠30周和产后8～10周血液中H3K27和H3K4的二甲基化水平显著降低；与正常对照组比较，患T2DM的GDM孕妇在妊娠30周血液中H3K27和H3K4的二甲基化水平显著升高，而在产后8-10周和产后20周血液中H3K27和H3K4的二甲基化水平降低；血液中H3K27和H3K4二甲基化水平可能是预测GDM进展为T2DM的表观遗传学标志物。张薇等[20]发现GDM组子代小鼠组蛋白乙酰化修饰酶p300与过氧化物酶体增殖物激活受体γ(peroxisome proliferator-activated receptor-γ, PPAR-γ)启动子结合水平和PPAR-γ启动子区域组蛋白H3乙酰化水平均显著降低，进而影响GDM子代小鼠心肌细胞糖脂代谢相关基因的表达。李松等[21]研究发现，与正常对照组比较，GDM孕妇Toll样受体4(Toll-like receptors 4, TLR4)发生了乙酰化修饰，同时TLR4乙酰化与核转录因子κB(nuclear factor-κB, NF-κB)蛋白的表达呈正相关；TLR4乙酰化可通过影响LPS-TLR4-NF-κB通路活化介导炎症介质的释放，导致孕妇体内抗炎-促炎因子失衡，从而参与GDM的发生。Hepp等[22]发现GDM孕妇胎盘滋养层细胞中组蛋白H3赖氨酸9乙酰化(Histone H3lysine 9 acetylation, H3K9ac)的表达显著下调；细胞培养实验表明，BeWo细胞和人绒毛膜滋养层细胞在高浓度的骨化三醇的刺激下，H3K9ac和mRNA表达降低，H3K9ac的表达降低可反应转录活性的下调；可能与GDM孕妇糖代谢紊乱有关。

综上，组蛋白修饰异常可引起孕妇体内抗炎-促炎因子失衡、糖脂代谢紊乱和胰岛素抵抗，参与GDM的发生。但组蛋白修饰异常在GDM中的具体作用尚不完全清楚，还有待进一步深入的研究证实。

3 ncRNAs与GDM

3.1 miRNAs与GDMmiRNAs是一类内源性高度保守的非编码小RNA分子，大小约为22个核苷酸[23]；成熟miRNAs通过识别靶基因的3′非翻译区，导致mRNA降解或抑制其翻译，进而抑制蛋白质的合成[24]。miRNAs调控人类约三分之一的基因表达[23]。miRNAs分子在许多生物学过程中发挥着重要的调控作用，包括细胞的发育和分化、细胞周期调节以及维持免疫系统的动态平衡[25-26]。大量研究已表明，miRNAs分子在糖尿病的发生发展中扮演着重要的角色[27-29]。

Zhao等[29]研究发现，与正常对照组相比，GDM组孕妇血清中miRNAs(miR-132，miR-29a，miR-222)的表达显著降低；进一步的研究表明，miRNAs(miR-132，miR-29a，miR-222)的异常表达出现在GDM孕妇血糖异常之前，提示三者可作为GDM早期诊断的分子靶标。明艳等[30]发现GDM孕妇游离血清中miR-301a表达显著升高，且与血清中空腹血糖、空腹胰岛素、IL-1、IL-6、TNF-α浓度呈正相关，而与血清中IL-10的浓度呈负相关。GDM孕妇miR-301a表达升高可能引起促炎因子水平增加，辅助T细胞的平衡受阻，促炎因子表达水平高，而抗炎因子表达水平低，引起GDM孕妇体内抗炎-促炎因子失衡，可能通过体内炎症调节紊乱引起胰岛素抵抗，进而参与GDM的发生发展。Zhu等[31]研究发现GDM患者中有5个miRNAs(miR-16-5p、miR-17-5p、miR-19a-3p、miR-19b-3p和miR-20a-5p)在血糖异常前异常表达，而这些miRNAs的靶点与丝裂原活化蛋白激酶、胰岛素、转化生长因子β和雷帕霉素靶蛋白信号通路有关，这一结果为进一步了解miRNAs在GDM中的具体作用机制提供了基础。孙天虹等[32]发现GDM组外周血中空腹胰岛素和miR-29表达显著降低，而外周血中miR-375表达显著升高，因此推测miR-375可能促进胰岛β细胞凋亡，而miR-29的低表达能够抑制胰岛β细胞的分化与成熟，在两者共同作用下，胰岛β细胞数量受限，胰岛功能抑制，进而促进GDM的发生发展。Cao等[33]发现GDM患者血浆中miR-16-5p、miR-17-5p和miR-20a-5p的表达明显增高，且三者的表达与胰岛素抵抗呈正相关，提示血浆中三种miRNAs的表达增加可能是GDM潜在的诊断标志物。Wang等[34]研究发现，GDM孕妇血清中游离的miRNA-19a和miRNA-19b表达增加；有酗酒史的GDM患者，miRNA-19a表达是对照组的4.31倍，而非酒精组的miRNA-19a表达是对照组的3.72倍，差异有统计学意义；同时有吸烟史的GDM患者miRNA-19b表达为对照组的5.04倍，无吸烟史的GDM患者miRNA-19b表达为对照组的4.41倍。

Wang等[35]研究发现GDM患者胎盘来源的单核巨噬细胞miR-657的表达显著增加，而IL-37的mRNA表达水平降低；且miR-657表达与IL-37水平呈负相关，同时该研究发现miR-657可靶向调节IL-37和通过NF-κB信号通路增强脂多糖诱导的巨噬细胞炎症反应，进而参与了GDM的发病。Zhou等[36]研究发现GDM孕妇miR-132的表达显著降低，且miR-132的表达与GDM孕妇的空腹血糖水平呈负相关，血清中miR-132的表达水平降低可能是诊断GDM潜在的生物标志物。

综上所述，miRNAs的表达异常可能与妊娠期间孕妇体内免疫促炎-抗炎因子失衡、胰岛β细胞功能受损有关，且部分miRNAs的表达异常是发生在GDM孕妇血糖异常之前，因此，在孕早期检测miRNAs分子的表达，将有助于GDM的早期诊断。但是，这些表达异常的miRNAs如何靶向调节GDM的发生发展尚不完全清楚，有待进一步的研究。

3.2lncRNAs与GDMlncRNAs是一类长度超过200个核苷酸的非编码RNA。lncRNAs缺乏编码蛋白质的功能，但在RNA聚合酶Ⅱ作用下，lncRNAs经转录后可得到类似mRNA的特征，包括5′加帽、剪接和多聚腺苷酸化[37]。广义lncRNAs可分为五类，包括正义lncRNAs、反义lncRNAs、双向lncRNAs、内含子lncRNAs和基因间lncRNAs[38]。lncRNAs可通过招募染色质修饰蛋白复合体到基因的特定位点并发挥催化活性，进而调控基因的表达[39]；lncRNAs可充当内源竞争RNA(competing endogenous RNA,ceRNA)或RNA海绵与miRNAs结合，解除miRNAs与靶基因的结合，使靶基因表达水平上调[38]。此外，lncRNAs作为转录激活因子或抑制因子参与靶基因的调控[40]。研究表明，lncRNAs与GDM的发生发展有关[41]。

Zhang等[42]研究发现，GDM孕妇外周血液和胎盘绒毛组织中lncRNA MEG3的表达显著升高；通过荧光素酶实验发现miR-345-3p是lncRNA MEG3的靶点，其在GDM孕妇中的表达显著降低；进一步分析表明lncRNAMEG3过表达除诱导HTR-8/SVneo细胞凋亡外，还显著抑制HTR-8/SVneo细胞的活力和细胞的迁移和侵袭；可能通过调节胎盘滋养层细胞的功能来参与GDM的发生发展。李丽等[43]发现GDM孕妇血清中lncRNAMALAT1的表达显著降低，且与空腹血糖水平呈负相关，同时还发现lncRNAMALAT1的表达与GDM的严重程度和不良妊娠结局发生率有关。此外，Zhang等[44]研究发现GDM孕妇血清中lncRNAMALAT1表达显著升高，提示孕妇血清中lncRNAMALAT1的表达水平与GDM有关，可作为GDM潜在的血清生物标志物。以上两项研究均检测了GDM孕妇血清中lncRNAMALAT1的表达情况，但研究结果存在分歧，其原因可能是由于孕周、样本数量和GDM的严重程度等因素存在差异，因此，需要扩大样本量和统一研究对象的标准来验证lncRNAMALAT1在不同人群中的表达谱的变化，以证实lncRNAMALAT1与GDM的关系。

lncRNAs的异常表达可能是治疗GDM的潜在的生物学标志物，目前lncRNAs在许多疾病中的具体调控作用和功能还未完全解释清楚，且GDM的发病机制复杂，还需进行大量深入的研究来进一步阐明lncRNA在GDM中的作用。

3.3circRNAs与GDMcircRNAs是首先在植物中发现的单链共价闭合RNA分子的类病毒，但大多被误解为基因转录过程中剪接错误的产物。近年来研究发现，circRNAs是一类不含5′端帽子或3′端加Poly(A)尾，以共价键结合的闭合环状结构的内源性非编码RNA分子[45]。circRNAs的生物学特性包括进化保守性、结构稳定性及组织特异性等；细胞内circRNAs比线性RNA的稳定性高，且能抵抗RNA核酸外切酶的降解[45-46]。circRNAs可通过与RNA结合蛋白结合影响mRNA的表达；少部分circRNAs可充当miRNA海绵，通过与miRNA竞争结合来发挥靶基因的调控作用[47-48]。此外，circRNAs可与核小RNA或RNA聚合酶Ⅱ的相互作用调控转录，也可与转录因子的结合竞争性调节RNA的剪接[49]。有研究表明，circRNAs与糖尿病的发病有关；has-circRNA-0054633在糖尿病中的表达显著上调[48-51]。

Yan等[52]研究发现GDM孕妇胎盘绒毛中有227种circRNAs显著上调，255种circRNAs显著下调，进一步分析表明这些存在差异表达的circRNAs上有一个或多个与GDM相关的miRNAs的结合位点，且与糖代谢和脂代谢等信号通路有关。Wu等[51]研究发现在妊娠中晚期的GDM孕妇血清和胎盘中has-circRNA-0054633表达升高，且与餐后血糖、糖化血红蛋白A1(glycosylated hemoglobin A1，GHBA1)和GHBA1c的浓度呈正相关，提示has-circRNA-0054633可能是GDM敏感的血清标志物。Wang等[53]研究发现GDM孕妇血浆和胎盘组织中has-circRNA-0005243的表达显著降低，同时该研究证实了has-circRNA-0005243的表达降低可抑制HTR-8/SVneo细胞的增殖和迁移，促进IL-6和TNF-α的产生，引起GDM孕妇体内免疫平衡紊乱，从而参与GDM的发生发展。

以上研究表明circRNAs与糖脂代谢信号通路有关，表达谱的改变可能参与GDM的发病过程，但circRNAs在GDM中具体发挥的作用有待进一步的阐释，其是否可作为GDM的生物学标志物还需进行大量深入的研究。

4 结语与展望

综上所述，GDM是妊娠期间常见的并发症之一，可对孕妇、胎儿造成严重的不良影响。表观遗传学因素的改变可引起妊娠期间糖脂代谢异常、胰岛β细胞功能障碍、体内炎性因子的失衡，这与GDM的发生发展密切相关。多项研究证实，GDM孕妇体内存在许多异常表达的ncRNAs，可能是诊断和治疗GDM潜在的生物标志物。然而，表观遗传学因素改变的原因及其参与GDM发生发展的具体机制尚未完全阐明，有待进一步的研究。因此，继续深入研究表观遗传学因素在GDM发病机制中的作用，有助于加深对GDM病因学的理解，为GDM的预防、诊断、治疗及预后提供新的思路和有效的分子靶标。