表觀遺傳與肥胖及運動干預(yù)研究進展

孫婧 周曉勐 禹雪 袁海瑞 牛燕媚 傅力，

1天津醫(yī)科大學康復(fù)與運動醫(yī)學系（天津300070）

2天津醫(yī)科大學基礎(chǔ)醫(yī)學院

肥胖及其引發(fā)的代謝性疾病為人類健康和生存帶來巨大威脅。肥胖所引發(fā)的機體胰島素抵抗（Insulin Resistance，IR）是2型糖尿?。═ype 2 Diabetes，T2DM）、冠狀動脈粥樣硬化性心臟病等代謝性疾病的共同病理生理基礎(chǔ)[1]。傳統(tǒng)觀點認為，遺傳因素、飲食因素、缺乏運動及久坐的生活方式是肥胖發(fā)生的主要原因[2，3]。 但近二十年以來，全球肥胖，尤其是兒童肥胖人口迅速增加的現(xiàn)象用傳統(tǒng)肥胖發(fā)生學說已難以解釋。隨著表觀遺傳學（Epigenetics）研究的不斷深入，越來越多的證據(jù)提示機體組織細胞DNA甲基化（DNA methylation）改變可能是導致機體對肥胖易感、引發(fā)代謝性疾病的主要原因[4，5]。 本文將就當前表觀遺傳學以及運動對表觀遺傳學DNA甲基化影響的研究進展加以綜述。

1 表觀遺傳學

表觀遺傳學是指機體組織細胞的基因表達通過有絲分裂或減數(shù)分裂發(fā)生了可遺傳的改變，而DNA序列未發(fā)生改變[6]。研究證實，哺乳動物在其發(fā)育過程中共發(fā)生兩次全基因組表觀遺傳重編程過程以消除其親代生命過程中可能產(chǎn)生的表觀遺傳突變（Epimutations），保證胚胎起始基因表達正確性。第一次重編程發(fā)生在原生殖細胞形成過程，此過程的重編程消除了用以沉默X染色體的DNA甲基化以及基因組印記，保留了一些反轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)座子和端粒近端區(qū)域甲基化狀態(tài)；第二次重編程發(fā)生在受精后到囊胚形成期間，當精子進入卵細胞后其攜帶的魚精蛋白被消除，代之以雌性組蛋白，精子DNA的一些重復(fù)序列發(fā)生去甲基化。這兩次重編程過程是生命過程中最為徹底的表觀遺傳修飾狀態(tài)的改變。重編程發(fā)生后在一些基因位點所存在的表觀遺傳狀態(tài)可維持終生不變，決定著機體的表現(xiàn)型。然而，已有研究發(fā)現(xiàn)，DNA甲基化水平也隨著年齡增長以及機體所處環(huán)境因素影響而發(fā)生變化[7]。同卵雙生子研究發(fā)現(xiàn)，出生時DNA甲基化水平相同的雙生子，隨著年齡的增長可表現(xiàn)出截然不同的DNA甲基化特征[8]。發(fā)生在成年期的DNA甲基化修飾改變可能是受外界環(huán)境急性變化影響而引起的局限于機體特定組織體細胞（Somatic Cell）的表觀遺傳修飾改變，這種表觀遺傳修飾的改變有利于機體組織對外界環(huán)境刺激產(chǎn)生急性適應(yīng)性反應(yīng)。

DNA甲基化修飾是機體細胞在生理和病理狀態(tài)下調(diào)控基因表達水平的主要表觀遺傳修飾，由DNA甲基轉(zhuǎn)移酶（DNA Methyl-Transferase，DNMT）催化、以S-腺苷甲硫氨酸為甲基供體而發(fā)生反應(yīng)。通常，CpG島DNA發(fā)生甲基化會抑制基因表達，DNA甲基化狀態(tài)還對染色體的結(jié)構(gòu)維持、X染色體失活、基因印記以及胚胎發(fā)育、正常細胞功能的維持，乃至疾病的發(fā)生十分重要[9]。

2 肥胖的表觀遺傳機制

肥胖和T2DM的發(fā)生主要由個體的飲食攝入與能量消耗平衡失調(diào)及遺傳基因所決定，雖然全基因組關(guān)聯(lián)分析已發(fā)現(xiàn)50個與肥胖發(fā)生相關(guān)基因位點[10]，但這些關(guān)聯(lián)基因位點久已有之。因此，遺傳學說對全球范圍兒童肥胖和T2DM發(fā)病的急劇增加現(xiàn)象仍無法解釋。越來越多的研究推測，近年來由環(huán)境因素（飲食供給）和生活方式（缺乏運動等）的急劇變化引起的機體組織細胞DNA表觀遺傳修飾改變導致機體代謝相關(guān)基因表達變化，致使機體能量代謝調(diào)節(jié)紊亂是當今肥胖和T2DM發(fā)病迅速增加的主要原因[11，12]。 目前對肥胖與表觀遺傳的研究主要集中在兩個方面，即已知印記基因失調(diào)和表觀遺傳鑲嵌性?；蚪M印記是指親代特有的可遺傳的表觀遺傳信息。對某種特定基因而言，配子形成時期的基因印記可來源于母系，也可來源于父系?；蚪M印記缺陷通常與發(fā)育和臨床表型異常密切相關(guān)，肥胖即是其中一種。而在細胞或組織中，當兩個或兩個以上不同的表觀遺傳位點在同一基因出現(xiàn)時就會出現(xiàn)表觀遺傳表型，這種現(xiàn)象可能表現(xiàn)在個體對肥胖易感性的差異[13]。

骨骼肌是哺乳動物體內(nèi)最大的組織，占體重的40%～60%。機體的運動主要靠骨骼肌來完成，骨骼肌收縮過程中的能量消耗是機體糖、脂肪產(chǎn)能的主要去處。因此，骨骼肌組織胰島素抵抗（IR）是導致機體能量代謝異常和T2DM發(fā)生的主要原因[14]。以合理膳食配方結(jié)合有效的運動處方改善機體能量代謝是臨床治療肥胖和T2DM的主要手段之一。有氧運動改善骨骼肌細胞能量代謝、控制體重以及增強機體胰島素敏感性等方面作用研究目前已有大量報道[15，16]，但相關(guān)運動改善機體骨骼肌能量代謝方面的研究仍局限于運動對骨骼肌組織某代謝通路活性或基因、蛋白表達的影響，這種影響的表觀遺傳學機制目前尚不清楚。

3 運動對表觀遺傳DNA甲基化的影響

最近一項研究顯示，無論是在體還是離體情況下，骨骼肌收縮即可引起骨骼肌細胞DNA發(fā)生去甲基化反應(yīng)。Barres等人研究發(fā)現(xiàn)，經(jīng)35 min、80%VO2max強度有氧跑臺訓練后人體骨骼肌細胞線粒體功能相關(guān)PGC-1α、PPARδ、PDK4和肌細胞特異增強子2A（MEF2A）基因啟動子區(qū)域發(fā)生了去甲基化的改變，離體骨骼肌細胞培養(yǎng)（L6肌管細胞）研究也證實了這一點。這種運動引起的啟動子區(qū)域去甲基化還具有運動強度依賴性[17]。值得注意的是，此研究所發(fā)現(xiàn)的DNA啟動子區(qū)域去甲基化的基因與該研究小組先前發(fā)現(xiàn)的T2DM患者骨骼肌細胞處于高甲基化修飾狀態(tài)的基因完全相同，提示運動可能通過影響基因啟動子區(qū)域甲基化修飾而增加T2DM患者骨骼肌代謝相關(guān)基因的表達，導致骨骼肌組織胰島素敏感性增加[18]。另外，流行病學研究還發(fā)現(xiàn)，237名長期太極拳訓練女性與263名無訓練女性對照組相比，訓練組基因組中6個在正常情況下隨年齡增長甲基化增加的CpG位點DNA甲基化狀態(tài)顯著降低[19]。以上結(jié)果提示，運動作為一個良性刺激對機體組織細胞表觀遺傳可產(chǎn)生去甲基化的影響。另外，孕期規(guī)律的運動也已被證實能夠改善由于孕母孕期營養(yǎng)異常后代易發(fā)肥胖和代謝性疾病的趨勢[20，21]。不論是運動對骨骼肌細胞DNA去甲基化的直接影響，還是通過干預(yù)親代而對后代機體代謝表型產(chǎn)生間接影響的研究尚處于探索階段，亟需開展深入系統(tǒng)的研究。

為揭示飲食與運動因素干預(yù)對C57BL/6小鼠產(chǎn)生影響的分子生物學機制，我們前期分別運用基因芯片和蛋白質(zhì)組學結(jié)合生物信息學技術(shù)研究了高脂飲食及有氧運動因素對C57BL/6小鼠骨骼肌基因、蛋白表達譜的影響。我們采用C57BL/6雄性小鼠，隨機分為正常飲食組和IR模型組，分別飼以基礎(chǔ)和高脂飼料。8周后確定高脂膳食組IR小鼠模型成功，后再將正常飲食組隨機分為正常飲食安靜組 （NC）和正常飲食運動組（NE），IR模型組分為高脂飲食安靜組（HC）和高脂飲食運動組（HE）。隨后給予小鼠6周、強度為75%VO2max有氧跑臺運動干預(yù)。通過篩選組間差異表達基因發(fā)現(xiàn)，高脂飲食與正常飲食組相比差異表達基因共136個；有氧運動與安靜對照組相比差異表達基因共74個；高脂飲食運動組與高脂飲食安靜組相比差異表達基因29個。經(jīng)對差異表達基因進一步進行GO（Gene Ontology）分類，結(jié)果顯示:這些基因編碼蛋白參與506個生物學過程和構(gòu)成169類細胞組分；按通路（Pathway）分析發(fā)現(xiàn)，差異表達基因編碼的蛋白共涉及83條細胞信號通路[22]。此外，我們最新發(fā)表在PLoS One的蛋白組學研究也報道了IR小鼠骨骼肌與正常小鼠在蛋白表達上的差異；經(jīng)過6周有氧跑臺訓練，IR小鼠骨骼肌有23個蛋白發(fā)生差異表達。這些蛋白主要包括骨骼肌蛋白合成與降解、糖脂代謝、氧化應(yīng)激反應(yīng)及骨骼肌發(fā)育和收縮等生物學過程[23]。前期研究結(jié)果提示:飲食和運動干預(yù)可導致C57BL/6小鼠骨骼肌基因、蛋白表達譜發(fā)生改變，但這些表達的變化是否與表觀遺傳DNA甲基化修飾改變有關(guān)亟需進一步的實驗研究證實。

4 展望

在肥胖和T2DM等代謝異常的人或動物體細胞中廣泛存在著由DNA甲基化修飾改變引起的基因表達變化[24，25]，但對于飲食因素和運動干預(yù)是否能夠長期影響骨骼肌細胞DNA甲基化修飾而對機體代謝表型和疾病易感性發(fā)生作用目前尚不清楚。有氧運動作為健康生活方式（Lifestyle）的重要干預(yù)因素如何通過影響DNA甲基化修飾而對機體代謝表型產(chǎn)生影響尚未見報道。基于運動引起骨骼肌細胞代謝相關(guān)基因啟動子區(qū)域去甲基化這一發(fā)現(xiàn)，以及我們前期得到的小鼠骨骼肌基因和蛋白表達對6周有氧跑臺運動所產(chǎn)生的代謝適應(yīng)印記（Metabolic signature）[22，23]、此代謝適應(yīng)印記與人體對代謝性疾病抵抗性增強密切相關(guān)[26]的證據(jù)，開展針對運動對骨骼肌細胞甲基化影響的系統(tǒng)研究，將為揭示肥胖和T2DM發(fā)病的表觀遺傳學機制以及有氧運動防治肥胖和T2DM的作用機理提供強有力的理論依據(jù)。

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