表观遗传修饰：糖尿病防治新靶点

韦 晓， 孙烁烁， 陈国芳， 刘 超

（南京中医药大学附属中西医结合医院内分泌科江苏省中医药研究院瘿病证治重点研究室，江苏 南京 210028）

糖尿病是以高血糖为特征的代谢性疾病，其发病原因为胰岛素的绝对或相对不足，与遗传和环境因素密切相关。胰岛素已被发现100周年，而在这百年历程中，糖尿病的患病率逐年增加。虽然人类基因组图谱现已发布20周年，但仍无法解释糖尿病的爆发式增长。后基因组时代的研究提示，表观遗传修饰对本病的发生、发展起至关重要的作用，为环境因素作为糖尿病高发的关键要素提供了证据[1]。

表观遗传修饰是指不涉及DNA序列改变、调控基因表达的可遗传变化[2]，只存在于真核生物，其本质是基因表达的调控。基因的表观遗传修饰受环境因素的影响，且在环境因素变化的情况下呈可逆性改变[3]。其中，饮食、运动和污染是最常见的环境因素，其改变对糖尿病的发生、发展极具影响[4]。业已证实，表观遗传修饰主要存在5种形式，包括DNA甲基化、组蛋白修饰、染色质重塑、非编码RNA（non-coding RNA，ncRNA）调控和RNA甲基化。这些修饰方式对生物体的生长发育和新陈代谢具有多重作用，亦是维持胰岛β细胞功能、胰岛素敏感性以及糖代谢稳态的关键。故研究表观遗传修饰的改变是有效防治糖尿病的全新视角，并成为当前最受关注的学术领域[5]。

DNA甲基化与糖尿病

DNA甲基化是最早发现的表观遗传修饰方式，DNA的甲基化区域可与甲基化CpG结合区（methyl-CpG-binding domain，MBD）蛋白结合，从而抑制此段基因的表达[6]。DNA甲基化酶（DNA methyltransferase，DNMT）是DNA甲基化的催化酶[7]，但DNA的去甲基化并非甲基化的逆向过程，而是将甲基化位点通过羟甲基化实现。DNA的去甲基化关键酶包括DNA羟甲基转移酶10-11易位蛋白（ten-eleven translocation，TET）和胸腺嘧啶-DNA糖基化酶（thymine DNA glycosylase，TDG）[8]。在2型糖尿病患者中发现，其DNA甲基化水平与正常人群存在差异[9]。Chambers等[10]纳入25 372名参与者进行了随机对照研究，包括欧洲亚裔人群和欧洲本土人群。8年随访期间发现11.9%的欧洲亚裔个体和4.3%的欧洲本土个体发展为2型糖尿病，DNA甲基化修饰的不同可能是解释2组人群糖尿病患病率不同的关键因素。研究者对血液样本进行了表观遗传分析，发现发病人群中有5个基因的甲基化修饰存在异常，这些基因包括腺苷三磷酸（adenosine triphosphate，ATP）结合盒转运体G1（ATPbinding cassette transporter G1，ABCG1）、孤儿素磷酸酶1、细胞因子信号传送阻抑物3 （suppressor of cytokine signaling 3，SOCS3）、固醇调节元件结合蛋白1（sterol regulatory elementbinding protein 1，SREBP1）和硫氧还蛋白相互作用蛋白（thioredoxin-interacting protein，TXNIP）。数据综合分析显示，以上基因的异常甲基化修饰是2型糖尿病发生的独立危险因素，且这些基因的甲基化修饰水平可作为肥胖和糖尿病的生物标志物，并可用于预测2型糖尿病的患病风险。Paul等[11]研究了DNA甲基化对1型糖尿病的影响，研究纳入52对1型糖尿病患者和其健康的同卵双胞胎，对基因中的406 365个CpG位点进行DNA甲基化的关联性研究。结果发现772个甲基化位点与1型糖尿病的发生有关，这些位点集中指示了3种免疫效应细胞的基因表达调控变化，包括对哺乳动物雷帕霉素靶蛋白 （mammalian target of rapamycin，mTOR）在内的多种信号通路的调节。Hjort等[12]发现，DNA甲基化修饰改变不仅与妊娠糖尿病（gestational diabetes mellitus，GDM）有关，还可形成基因印记影响其子代的糖代谢。对608个GDM和626个对照组的后代（9～16岁）进行DNA甲基化差异检测，发现76个CpG位点的甲基化修饰存在差异，包括13个与母体GDM相同的差异位点。其中内皮细胞特异性分子1（endocellular-specific molecule 1,ESM1）、4次跨膜蛋白亚型A3（membrane-spanning 4-domains subfamily A3，MS4A3）和磷酸二酯酶6A（phosphodiesterase 6A，PDE6A）基因的CpG位点甲基化修饰的差异，同时影响亲代和子代的糖代谢过程。

组蛋白修饰与糖尿病

组蛋白修饰可影响胰岛β细胞功能和胰岛素抵抗。组蛋白修饰至少包括甲基化、甲酰化、乙酰化、丙酰化、丁基化、磷酸化、泛素化、类泛素化、瓜氨酸化、巴豆酰化、腺苷二磷酸（adenosine diphosphate，ADP）核糖基化、脯氨酰异构化等12种方式[13]。这些修饰方式依赖组蛋白修饰酶作用，如组蛋白乙酰化酶和组蛋白脱乙酰酶 （histone deacetylase，HDAC），且参与表观遗传修饰的这些酶常被称为“书写器（writer）”“擦除器（eraser）”“阅读器（reader）”[14]。有研究发现，胰高血糖素样肽1（glucagon-like peptide 1，GLP-1）类似物利拉鲁肽可改变大鼠胰十二指肠同源盒1（pancreatic and duodenal homeobox 1，PDX1）基因启动子附近的组蛋白修饰，通过H3组蛋白第4位赖氨酸残基的三甲基化（trimethylation of lysine 4 on histone H3，H3K4me3）修饰增加PDX1的表达，促进胰岛素的合成与分泌[15]。肠道有益菌释放的短链脂肪酸（short-chain fatty acid，SCFA）可通过与其受体结合，在肠道L细胞中抑制HDAC的作用，并通过肠-胰轴上调胰岛β细胞内SCFA、肌腱膜纤维肉瘤癌基因同系物A（v-maf musculoaponeurotic fibrosarcoma oncogene homologue A,MafA）和神经分化因子1（neuronal differentiation 1,NeuroD1）的表达[16]。另有研究发现，视网膜内皮细胞H3组蛋白的乙酰化水平降低，与糖尿病视网膜病变的发生有关[17]。此外，小鼠骨骼肌细胞中HDAC3的缺失会导致严重的胰岛素抵抗。同时，昼夜节律相关蛋白参与表观遗传修饰，可促进HDAC3的表达[18]，这提示环境因素导致的表观遗传修饰是一个综合过程，且可能存在级联反应。例如，热量限制是逆转糖尿病强有力的环境因素，其发挥作用的表观遗传学机制存在多重效应。首先，热量限制可以激活肝脏组织中的DNMT1并抑制TET，增加过氧化物酶体增殖物激活受体（peroxisome proliferators-activated receptor，PPAR）基因的高甲基化修饰。其次，热量限制还可上调沉默信息调节因子1（silence information regulator 1，SIRT1）的活性，通过其组蛋白去乙酰化作用增加PPARγ辅激活因子1α（PPARγcoactivator 1α，PGC-1α）和解耦联蛋白2（uncoupling protein 2，UCP2）的表达，改善肥胖状态下的脂质沉积[19]，间接调控胰岛素敏感性和胰岛β细胞功能。

染色质重塑与糖尿病

染色质是DNA及组蛋白的高级结构，其形态分为具有转录功能的常染色质和转录抑制状态下的异染色质，DNA甲基化和组蛋白修饰都可引起染色质重塑[20]。染色质重塑是调控核小体功能的重要方式，参与基因转录起始阶段的调控。Wei等[21]在胰岛β细胞内发现，溴结构域蛋白（bromodomain-containing protein，BRD）7和BRD 9平衡调控维生素D受体（vitamin D receptor，VDR）的稳态，BRD9复合物能够抑制VDR的表达，而BRD7复合物会抑制BRD9的功能。在此过程中，VDR的表达受组蛋白修饰的影响，VDR基因区域的组蛋白乙酰化修饰可结合BRD7复合物，重塑染色体为常染色质并启动VDR的表达，后者的表达激活有利于应激条件下的β细胞存活。但有研究发现，H3K4me1修饰可以招募BRD 9复合物，并促进基因增强子的结合，有助于基因的表达[22]。由此可见，相同分子机制可对染色质重塑造成不同的影响，这可能与组织器官不同，甚至同一组织器官的不同生理病理状态有关。此外，在胰岛素靶器官的试验中发现，糖尿病患者体外诱导多能干细胞 （induced pluripotent stem cell，IPS细胞）分化形成的诱导型成肌细胞（induced myoblast），具有胰岛素抵抗的特征。通过进一步研究发现，组蛋白磷酸化修饰导致的染色质重塑是胰岛素抵抗相关基因表达异常上调的原因之一[23]。染色质重塑的调控机制多种多样，需综合分析其包含的DNA和组蛋白修饰状态，并考虑关联效应，才能准确描述染色体重塑对糖调节相关基因表达的影响。

非编码RNA调控与糖尿病

在表观遗传修饰影响糖尿病的研究领域，非编码RNA（non-coding RNA，ncRNA）调控一直是学术界关注的热点。已发现的ncRNA至少有6种，包括微RNA（micro RNA，miRNA）、小干扰RNA（small interfering RNA，siRNA）、PIWI蛋白相互作用小RNA（PIWI-interacting RNA，piRNA）、长链ncRNA（long ncRNA，lncRNA）、环 状RNA（circular RNA，circRNA）和部分转运RNA（transfer RNA，tRNA）[24]。其中，miRNA与各类疾病的关系被研究地最为广泛而透彻，为内源性的siRNA，长度约19～25 nt，广泛参与基因的转录后调控过程。miR-375是最早被证实与糖尿病相关的miRNA，高表达于胰腺组织，且胰岛β细胞中过高的miR-375水平会抑制胰岛素的分泌功能，但过低的miR-375水平又会导致胰岛β细胞数量下降，即控制胰岛β细胞增殖与功能的平衡[25]。在此基础上，有研究推荐将循环中miR-375和miR-9水平作为2型糖尿病前期的分子标志物[26]。而在体外实验中，同时转染miR-375和miR-7可诱导人胚胎干细胞向具有胰岛素分泌功能的β样细胞分化[27]。除以上3种miRNA外，Belgardt等[28]发现，miR-200通过调控下游蛋白p53的表达促进胰岛β细胞凋亡。Huang等[29]的团队证实，miR-299-5p具有类似miR-200的促β细胞凋亡作用。Sui等[30]研究提示，miR-146b在肝细胞内可诱导胰岛素抵抗的发生。此外，在糖尿病并发症的研究领域中发现，高糖环境诱导的miR-29c可促使肾脏足细胞凋亡，而抑制miR-29c的表达可有效减少糖尿病肾病的发生[31]。miRNA的种类繁多，存在范围宽广，且调控靶点十分广泛，是糖尿病及其并发症的重要治疗策略。与此同时，小脑变性相关蛋白1反义转录物(cerebellar degeneration-related protein 1 antisense,CDR1as)（circRNA-7，ciRS-7）可作为miR-7的“miRNA海绵”，提供与miR-7序列互补配对的结合位点，容纳细胞质内的miR-7，抑制miR-7的作用[32]。然而，与miRNA和circRNA相比，lncRNA的作用要复杂许多，可参与mRNA前体的剪切和成熟后的稳定性，对基因的转录和翻译过程都可调控[33]。Akerman等[34]发现，胰岛β细胞中lncRNAPLUTO的缺失会导致PDX1表达水平的下降，影响β细胞功能。多种ncRNA可形成相互作用网络影响糖尿病的发生、发展，故对其在糖尿病中的作用进行更全面的综合分析，并对相关的分子机制深入研究，才能找到最合适的糖尿病标志物与防治靶点。

RNA甲基化与糖尿病

除DNA外，RNA也可被甲基化修饰。RNA甲基化修饰主要包括N6-甲基腺苷（N6-methyladenosine，m6A）、N1-甲基腺苷（N1-methyladenosine，m1A）、5-甲基胞嘧啶（5-methylcytosine，m5C）和核糖甲基化（2’-O-Me）等。其中，m6A修饰最为普遍，且研究较多[35]。甲基化转移酶（methyltransferase-like，METTL）3和METTL14是RNA m6A修饰的关键酶。同时，肾母细胞瘤1相关蛋白 （Wilms tumor 1 associated protein，WTAP）在m6A修饰过程中也必不可少。RNA m6A修饰具有可逆性，其可被肥胖相关蛋白（fat mass and obesity-associated protein，FTO）和去甲基化酶alk b同源蛋白5（alk b alkylation repair homolog 5，ALKBH5）去甲基化。晚近研究表明，m6A修饰与胰岛β细胞功能密切相关。一方面，选择性敲除胎鼠胰腺内分泌祖细胞中的m6A催化酶，会阻止其向胰岛β细胞分化，包括抑制囊泡运输系统与线粒体功能[36]。另一方面，成熟胰岛β细胞的m6A修饰水平在炎症或应激状态中被下调，提示β细胞中的RNA m6A修饰，是维持胰岛素分泌功能必不可少的条件[37]。但是，在肝细胞中的RNA m6A修饰会抑制脂肪酸分解和脂质氧化过程，加剧高脂饮食诱导的胰岛素抵抗，这可能与m6A在不同组织中调控的基因不同有关[38]。虽然，RNA m6A修饰与糖尿病具有相关性，但具体分子机制尚待进一步探究。

环境因素通过调控DNA甲基化、组蛋白修饰、染色质重塑、ncRNA调控和RNA甲基化这5种形式中的关键酶或体现者，影响糖尿病的发生与发展（见图1）。

图1 表观遗传修饰对糖尿病的影响

总结与展望

表观遗传修饰是连接环境因素和糖尿病发生、发展的重要桥梁，研究环境因素对表观遗传修饰的影响，可寻找糖尿病防治的新靶点。研究发现HDAC抑制剂可用于糖尿病的治疗，如曲古他汀A、伏林司他和丙戊酸等[39]。这些HDAC抑制剂通过阻断白介素1b（interleukin 1b，IL-1b），抑制炎症反应并防止胰腺β细胞数量丢失，抑制β细胞去分化，改善胰岛素表达，延迟糖尿病及其并发症的发生。在miRNA的研究中发现，沉默miR-103和miR-107可以改善葡萄糖稳态和胰岛素敏感性；相反，在小鼠中增加miR-103和miR-107的表达会引起肝脏和脂肪组织的胰岛素抵抗[40]。除已明确机制的表观遗传修饰药物外，以下小分子物质防治糖尿病的机制亦与改善表观遗传修饰有关，如甲基化抑制剂5-氮胞苷、PDX1诱导剂BRD7552、二芳脲类化合物WS6、吲哚内酰胺V和视黄酸等[41]。许多具有降糖作用的天然活性物质，如萝卜硫素、姜黄素、白藜芦醇和花生酸等[42]，发挥作用的机制为多信号多靶点，而改善表观遗传修饰是这些物质的重要机制之一。

然而，表观遗传修饰的方式繁多，参与从基因表达起始阶段到翻译阶段的全过程，故对单一表观遗传方式的研究并不能把握此过程的全貌，需利用多维动态综合分析，才能准确预测表观遗传修饰对糖尿病的影响[13]。如FTO的表达既受DNA甲基化的调控，又受组蛋白类泛素化修饰的影响，同时其还可调控RNA m6A修饰[43]。在之后的研究中，需将糖尿病相关的多剖面基因组数据整合判断，才能使表观遗传学从对疾病的描述阶段上升为诊断和防治阶段，为更加科学合理干预糖代谢异常奠定坚实的基础。