表观遗传修饰与代谢性疾病及肠道菌群的研究进展

袁雪梅 熊欢 周瑞杰 李雪银 邹爱标 王华林

[摘要] 近年来，代谢性疾病成为影响人类健康的重要因素，如肥胖、糖尿病、非酒精性肝炎、代谢性心血管疾病等。代谢性疾病的发病率逐年上升，严重威胁人类健康。代谢性疾病的发生与基因表达的深刻改变有关。在遗传和环境因素的影响下，表观遗传修饰脱氧核糖核酸（deoxyribonucleic acid，DNA）甲基化通过调节基因表达，影响疾病的发生与发展。肠道菌群在调节宿主生理系统代谢反应中发挥着至关重要的作用，肠道菌群通过产生大量代谢物，促进宿主生理机能，维持肠道屏障功能，促进肠道激素和肠脑轴的分泌。肠道菌群代谢产物短链脂肪酸还可通过提供甲基供体等，诱导DNA甲基化；与肠道菌群和其他相关代谢通路有关的DNA甲基化与代谢性疾病的发展存在密切关系。本文旨在阐述代谢性疾病的发病机制，为寻找有效干预手段提供新的研究线索和思路。

[关键词] 表观遗传修饰；DNA甲基化；代谢性疾病；肠道菌群

[中图分类号] R589      [文献标识码] A      [DOI] 10.3969/j.issn.1673-9701.2023.09.027

近年来，代谢性疾病发病率逐年上升，严重影响人类健康；代谢性疾病通常是环境和遗传因素共同作用的结果，随着表观遗传学研究的不断深入，对表观遗传学调控代谢性疾病的机制，研究者提出诸多假设并开展相关研究。本文从表观遗传修饰脱氧核糖核酸（deoxyribonucleic acid，DNA）甲基化和肠道菌群的角度，探讨代谢性疾病的发病机制，为代谢性疾病的防治提供思路。

1  表观遗传修饰DNA甲基化

表观遗传学是指在有丝分裂和减数分裂过程中，在DNA序列未改变的情况下发生的基因功能的可遗传变化。表观遗传学研究的三大核心内容包括DNA甲基化、组蛋白修饰和非编码核糖核酸（ribonucleic acid，RNA）编辑，可调控细胞分化、细胞特异性基因表达、X染色体失活及基因组的稳定性和结构[1]。在哺乳动物基因组中，研究最广泛的表观遗传标记是DNA甲基化。

DNA甲基化是在DNA甲基转移酶的催化下，以S-腺苷甲硫氨酸为供体，将一个甲基基团共价添加到CpG岛胞嘧啶的第五位碳原子上，形成5-甲基胞嘧啶[2]。哺乳动物基因组中约有2800万个CpG位点，其中60%～80%被甲基化。基因组中具有高CpG密度的区域被称为CpG岛，大部分位于基因启动子区，还有一部分以分散的形式存在于DNA序列中[3]。与CpG位点相反，大多数启动子区的CpG通常是未被甲基化的，以维持基因转录活性。DNA甲基化通过招募抑制基因表达的蛋白，或抑制转录因子与DNA的结合，调控基因表达。DNA甲基化调控基因的转录和表达是造成基因沉默的重要因素之一。DNA甲基化影响细胞分化，导致疾病发生[4]。

2  相关代谢性疾病

2.1  2型糖尿病

美国糖尿病协会定义糖尿病为一组以胰岛素分泌缺陷或胰岛素作用缺陷或两者兼有导致的以高血糖为特征的代谢性疾病[5]。世界卫生组织估算，全球约3.47亿人患有糖尿病，其中90%为2型糖尿病（diabetes mellitus type 2，T2DM），T2DM的特点是胰岛素抵抗增强和胰腺β细胞功能障碍。

2.2  肥胖

肥胖被定义为异常或过度脂肪堆积，可导致许多疾病如T2DM、血脂异常、高血压、肝脏脂肪变性等[6]。研究表明，肥胖不仅与遗传、饮食及生活环境有关，也与肠道微生物密切相关[7]。

2.3  非酒精性脂肪性肝病

非酒精性脂肪性肝病（non-alcoholic fatty liver disease，NAFLD）是一种以持续性肝功能障碍为特征的进行性疾病，包括脂肪变性、肝脏炎症和纤维化，肝脏的持续性损伤最终可导致肝硬化和肝细胞癌[8]。NAFLD和更晚期的非酒精性脂肪性肝炎（non-alcoholic steatohepatitis，NASH）是常见的慢性肝脏疾病，其发生与肥胖、胰岛素抵抗、高血压和T2DM等代谢性疾病密切相关[9]。

3  DNA甲基化与代谢性疾病

3.1  DNA甲基化与T2DM

研究表明，表观遗传修饰DNA甲基化与糖尿病病程密切相关。对T2DM患者和非T2DM患者的胰岛和骨骼肌候選基因或部分基因组进行分析，研究发现T2DM患者的甲基化方式发生变化，例如，在胰岛β细胞及小鼠胚胎干细胞分化产生胰岛素细胞时，胰岛素基因的启动子去甲基化[10]。胰岛素启动子的甲基化导致甲基-CpG结合蛋白2的结合，进一步说明胰岛素基因的沉默机制。

DNA甲基化在调控葡萄糖稳态关键基因中发挥重要作用。在脂肪组织和骨骼肌中，葡萄糖转运蛋白4（glucose transporter 4，GLUT4）通过响应胰岛素，维持机体稳态；GLUT4启动子在脂肪细胞分化过程中高度去甲基化，而特定CpG位点的甲基化可抑制核因子与启动子的结合[11]。T2DM患者脂肪组织中的GLUT4表达降低，同时来自患者供体的胰岛也被发现DNA甲基化增加，INS、PPARGC1A和GLP-1R等基因的表达降低，这些均与胰岛素分泌受损相关，进一步证明DNA甲基化与T2DM的发展有关[12]。

3.2  DNA甲基化与肥胖

在一项关于肥胖的表观遗传学关联研究中，利用Infinium人甲基化450k芯片，发现几个与肥胖相关的CpG位点，肥胖患者的DNA甲基化方差大于对照组[13]。Dick等[14]利用Illumina 450k阵列研究全血中DNA甲基化与体质量指数（body mass index，BMI）的关系，确定5个CpG位点，同时在脂肪组织中证实BMI增加及甲基化增加。

3.3  DNA甲基化與NAFLD

异常基因组DNA甲基化是导致NAFLD基因表达异常的主要表观遗传学变化之一。Walle等[15]研究表明，肝脏脂肪酸去饱和酶2基因变异可能通过改变DNA甲基化参与NAFLD的发病。某些氨基酸在代谢过程中可生成含一个碳原子的基团，参与DNA的生物合成和基因组的表观遗传修饰。早期动物研究表明，一碳代谢紊乱，尤其是S -腺苷蛋氨酸和S-腺苷同型半胱氨酸的细胞失衡，可改变肝脏脂质代谢，形成脂肪肝。一碳代谢紊乱与甲基供体营养缺乏、肝脏DNA甲基化降低有关[16]。

4  肠道菌群在DNA甲基化与代谢性疾病中的作用

4.1  肠道菌群与甲基化的关系

肠道菌群产生膳食依赖性产物，如短链脂肪酸（short-chain fatty acid，SCFA）、氨基酸、维生素；同时，产生非膳食依赖性产物，如脂多糖（lipopolysaccharide，LPS）、神经递质和激素，这些代谢物对宿主的生理、代谢调节、炎症和免疫影响已逐渐被文献证实[17]。除此之外，肠道菌群能合成重要的化合物，如甲基或乙酰基基团、维生素及各种酶等。这些化合物在DNA甲基化和组蛋白修饰中发挥作用，从而影响所有以表观遗传修饰变化为基础的生理和病理过程[18]。

“微生物-营养代谢-宿主表观遗传学轴”表明，表观遗传修饰是营养结构和相应的肠道菌群结构在生理和病理条件下影响宿主的手段。Cortese等[19]强调，寄主的表观遗传学变化可能是由微生物群通过以下方式产生：①改变DNA甲基化化学供体的可用性，取决于营养和微生物群的代谢活动；②外源遗传物质并入基因组；③与负责DNA甲基化的酶直接相互作用。

4.2  肠道菌群相关基因甲基化与代谢性疾病

在肥胖和T2DM患者中，微生物SCFAs的产生与表观遗传调控可能存在关系。肥胖和T2DM患者肠道菌群多样性显著降低，产丁酸菌的多样性和游离脂肪酸受体3（free fatty acid receptor 3，FFAR3）基因启动子甲基化水平显著低于对照组患者，表明较高的BMI与较低的FFAR3甲基化水平相关[20]。肠道菌群相关基因甲基化会通过影响机体糖代谢、脂代谢和胰岛素抵抗等主要通路，介导代谢性疾病的发展。更有益的细菌种群和潜在能量稳态的表观遗传变化的饮食方法可能对预防代谢性疾病有效。

4.3  影响肠道菌群平衡的营养因素与DNA 甲基化的关系

甲基化的两个关键因素是甲基转移酶的催化及甲基供体的参与。许多参与DNA甲基化的必需微量营养素均与肠道菌群有关。肠道微生物群及其代谢产物的紊乱将影响DNA甲基化供体的正常提供。肠道菌群在营养因素干预下，通过调节与DNA甲基化相关的酶，影响DNA甲基化。已有相关报道发现，一系列来自不同来源的膳食生物活性化合物被肠道菌群代谢，这些化合物以参与表观遗传基因调控的酶为靶点。以表没食子儿茶素-3-没食子酸为主要成分的儿茶素，通过O杂环的裂解和双羟基化产生酚酸，抑制DNA甲基转移酶活性的60%～80%[21]。营养因素能影响肠道菌群的平衡，而肠道菌群的平衡与多种代谢性疾病相关基因的甲基化密切相关，可为了解代谢性疾病致病因素及其干预手段提供线索。

综上所述，随着表观遗传学研究的不断深入，代谢性疾病的发病机制、肠道菌群与DNA甲基化之间的关联已被多项研究证实。肠道菌群在调节宿主生理系统代谢反应中发挥关键作用，目前被认为是重要的“代谢器官”。肠道菌群不仅通过产生大量代谢物，促进宿主生理机能，影响相关化合物的合成，介导甲基化的进程，还可通过调节相关基因甲基化干预代谢性疾病。大量研究表明，肠道菌群在驱动T2DM、肥胖等的发生、发展和改善中发挥重要作用。

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（收稿日期：2022–09–23）

（修回日期：2022–10–16）