宮內(nèi)和出生后早期發(fā)育環(huán)境對成年期糖代謝影響的中樞調(diào)控作用機制

鄭佳，肖新華

(中國醫(yī)學科學院，北京協(xié)和醫(yī)學院，北京協(xié)和醫(yī)院內(nèi)分泌科，衛(wèi)生部內(nèi)分泌重點實驗室，北京 100730)

據(jù)國際糖尿病聯(lián)合會最新公布的數(shù)字，目前全球糖尿病患者為2.46 億人，到2025年這一數(shù)字預計將增至3.8 億。由于糖尿病給人類帶來的巨大危害，世界衛(wèi)生組織稱之為“21 世紀的災難”。2010年3月，一項關于中國人糖尿病患病率的研究結(jié)果發(fā)表在《新英格蘭雜志》上表明，9.7%的成年人口患有糖尿病，15.5%的成年人口處于糖尿病前期狀態(tài)［1］。2013年9月，在《美國醫(yī)學會雜志》上發(fā)表的關于中國人糖尿病最新患病率的研究披露，中國成年人有近12%患有糖尿病，而糖尿病前期(pre-diabetes)包括空腹血糖受損(空腹血糖在6.1mmol/L到7.0 mmol/L 之間)和葡萄糖耐量減退(餐后2 h血糖在7.8mmol/L 到11.1mmol/L 之間)的患病率大約為50%，新檢測到的糖尿病發(fā)病率估計為8.1%，在短短3年之內(nèi)，中國糖尿病和糖尿病前期的患病率增長迅猛［2］。

越來越多的研究表明:基因的改變只能部分解釋糖尿病發(fā)病率的增加，而且糖尿病發(fā)病率的急劇上升很難僅僅從基因和環(huán)境因素上得到解釋。另外，育齡期婦女營養(yǎng)過?；蛘唢嬍辰Y(jié)構(gòu)不合理，造成子代早期發(fā)育營養(yǎng)不良，導致下一代成年期糖尿病、肥胖發(fā)病率顯著增加是糖尿病患病人數(shù)激增的原因之一。近年來，隨著人們對健康需求的日益增長，人口老齡化問題日漸突出，學術(shù)界越來越關注生命早期發(fā)育環(huán)境包括宮內(nèi)環(huán)境和出生后早期(如哺乳期)對成年期慢性疾病的影響。

1 不良的早期發(fā)育環(huán)境與成年期糖代謝紊亂密切相關

早期營養(yǎng)狀況與成年期疾病的易感性在1944年荷蘭的饑荒中得到了最有力的證實:在妊娠后期暴露于饑荒的母親與沒有暴露于饑荒的母親相比，低出生體重兒發(fā)生率更高，并且這些低出生體重兒成年期患心血管疾病、胰島素抵抗、高血壓的概率都明顯增加［3］。1977 發(fā)現(xiàn)嬰兒死亡率與中年發(fā)生心血管疾病的風險呈正相關，首次認為生命早期的發(fā)育環(huán)境與成年期發(fā)生慢性疾病的風險有關聯(lián)。隨后，有研究發(fā)現(xiàn)出生體重與心血管疾病死亡率呈反相關。隨著近年來生活條件的顯著提高，人們越來越關注西式飲食方式對人類健康所帶來的影響，研究表明妊娠期間營養(yǎng)過度同樣會使得子代成年期患慢性疾病的風險增加。越來越多的流行病學和實驗室證據(jù)表明，生命早期包括孕期和/或哺乳期營養(yǎng)不良(營養(yǎng)過?；驙I養(yǎng)缺乏)導致子代糖代謝異常，如糖耐量受損，胰島素作用通路受損，胰島素抵抗等慢性病風險明顯升高［4-5］。

2 “胎兒代謝程序(fetal programming)”假說是早期發(fā)育環(huán)境與慢性疾病研究的里程碑

早在1992年［6］提出的“胎兒代謝程序”假說認為，早期發(fā)育與日后疾病相關性的生物學基礎——機體的可塑性，即機體能夠適應環(huán)境而改變自身的結(jié)構(gòu)和功能，這些適應性變化通常發(fā)生在臨界時間窗，且具有不可逆性。經(jīng)過20 多年的研究，這一假說逐漸為各國學者所認可。我國的一項大型出生隊列研究(平均隨訪時間60年)結(jié)果同樣顯示，成年期糖代謝異常的危險性與出生體重呈現(xiàn)“U"型關系，即隨著出生時體重的下降和體重超過4 公斤的增加，成年期糖代謝異常的危險性增加，校正成年期體重、年齡、性別、血脂等因素后，低出生體重仍然是成年期糖代謝異常的獨立危險因素［7-8］。

3 表觀遺傳學(epigenetics)可能是早期發(fā)育環(huán)境對糖代謝影響的關鍵機制

表觀遺傳學是在DNA 序列沒有發(fā)生改變的情況下引起基因表達的改變。早期發(fā)育營養(yǎng)環(huán)境導致成年期糖代謝異常機制，除了基因序列的變化(如SNP)［9-10］，越來越多的證據(jù)提示，基因序列變化之外的表觀遺傳機制發(fā)揮了重要作用［11-13］。由于表觀遺傳可以受到環(huán)境的刺激而發(fā)生變化，而改變的表觀遺傳特性可在細胞分裂中得以保持而持續(xù)存在，因此，表觀遺傳很可能是早期發(fā)育環(huán)境異常與成年期糖代謝紊亂這一現(xiàn)象的重要分子基礎，DNA 甲基化是表觀遺傳學的重要研究內(nèi)容，它是指在DNA甲基化轉(zhuǎn)移酶的催化下，以S 一腺苷甲硫氨酸為甲基供體，將甲基基團轉(zhuǎn)移到胞嘧啶和鳥嘌呤(CpG)二核苷酸胞嘧啶的5’碳位，形成5’甲基胞嘧啶，從而通過直接或間接機制阻止轉(zhuǎn)錄因子激活從而抑制轉(zhuǎn)錄，導致基因沉默和蛋白表達的變化［14］。最近，大量有關不良早期發(fā)育環(huán)境對糖代謝影響的發(fā)病機制研究顯示，早期發(fā)育環(huán)境不良的個體胰島、肝臟和骨骼肌中，與糖代謝相關的基因均發(fā)生了表觀遺傳修飾的改變［12-15］，導致相應組織基因表達異常，增加了糖代謝異常發(fā)生風險。

4 早期發(fā)育環(huán)境對成年期糖代謝影響的中樞調(diào)控作用

下丘腦是調(diào)節(jié)內(nèi)臟活動和內(nèi)分泌活動的較高級神經(jīng)中樞，是調(diào)節(jié)機體攝食反應的主要器官，對外周血糖的穩(wěn)定起著極其重要的中樞調(diào)節(jié)作用。當能量的攝取使體重達到一定的調(diào)定點時，增加代謝和能量消耗，抑制攝食和脂肪形成，從而在一定限度內(nèi)維持能量和體重的平衡［16］。已知在下丘腦外側(cè)區(qū)和腹內(nèi)側(cè)區(qū)分別存在攝食中樞(餓中樞)和飽中樞，反映體內(nèi)能量狀態(tài)的傳人信號經(jīng)中樞整合后通過傳出信號控制動物體內(nèi)的能量儲存、消耗和動物攝食行為［17］。下丘腦的各種神經(jīng)核團可產(chǎn)生一系列的食欲調(diào)節(jié)因子，促進或抑制采食。其中促進食欲的包括:神經(jīng)肽Y(neuropeptide Y，NPY)、刺鼠相關蛋白和食欲素等;抑制食欲的則有:阿片-促黑素細胞皮質(zhì)素原(proopiomelanocortin，POMC)、胰高血糖素樣肽、黑皮質(zhì)素以及瘦素等［18］。

最新研究發(fā)現(xiàn)，在動物胚胎和出生后早期發(fā)育的窗口期，環(huán)境和營養(yǎng)干擾可引起機體組織器官結(jié)構(gòu)和功能的適應性改變，從而對生長和代謝產(chǎn)生長期程序性影響。在生命早期能量負平衡狀態(tài)下，如饑餓或限飼，下丘腦NPY mRNA 的轉(zhuǎn)錄顯著提高，NPY 陽性神經(jīng)元的活性也增加。腦室內(nèi)注射NPY可以顯著促進禽類的采食，導致禽類體重和體脂明顯增加，導致胰島素抵抗［19］。相反，POMC 是重要的下丘腦抑制食欲因子之一，在嚙齒類動物上的研究發(fā)現(xiàn)，體內(nèi)過量表達POMC mRNA 可顯著降低肥胖鼠體重和增加棕色脂肪組織質(zhì)量，從而改善外周糖代謝。禽類腦部POMC mRNA 主要表達于下丘腦，POMC 對營養(yǎng)信號敏感，限制飲食后下丘腦POMC 基因表達下調(diào)，同時也發(fā)現(xiàn)POMC 的分解產(chǎn)物促黑激素也能顯著抑制禽類的采食量［20］。由此可知，下丘腦通過改變關鍵神經(jīng)元基因的表達在調(diào)控外周血糖穩(wěn)定方面起著十分重要的作用。

那么導致這些基因表達發(fā)生改變的主要機制是什么呢?由于表觀遺傳可以受到環(huán)境的刺激而發(fā)生變化，越來越多的學者開始關注中樞調(diào)控的表觀遺傳學機制。研究表明，初生Wistar 大鼠即使僅在哺乳期膳食熱量攝入過量如高脂肪膳食，成年后易肥胖，血糖、胰島素和瘦素升高、代謝紊亂，并伴隨表觀遺傳性狀的變化;如胰島素受體基因啟動子CpG 島甲基化率升高，下丘腦刺激食欲的神經(jīng)激素如神經(jīng)肽Y 基因啟動子甲基化率就會降低;而抑制食欲的神經(jīng)激素如促黑素細胞皮質(zhì)素原基因啟動子則會出現(xiàn)超甲基化，導致促黑素細胞皮質(zhì)素原基因表達下降，從而使得機體對瘦素和胰島素敏感性下降，從而導致子代出現(xiàn)肥胖和肥胖相關的代謝綜合征［21］。另外有研究顯示:孕期高脂飲食的C57BL/6J 小鼠，在3 周齡子代大腦組織發(fā)現(xiàn)全基因組低甲基化，另外在特定的某單個基因如多巴胺再攝取轉(zhuǎn)運蛋白，μ-阿片受體以及前腦啡肽原均出現(xiàn)了低甲基化，這些基因的低甲基化從而改變子代的攝食習慣，從而導致子代出現(xiàn)肥胖，以及與肥胖相關的代謝綜合征［22］。在同樣的動物模型中，研究發(fā)現(xiàn)，在子代18周齡時，在其大腦組織可以檢測到甲基化CpG 結(jié)合蛋白2 與μ-阿片受體結(jié)合增加，從而抑制μ-阿片受體基因的表達。

5 總結(jié)與展望

這些研究表明早期發(fā)育環(huán)境不良的個體不僅在胰島、肝臟和骨骼肌等外周臟器中發(fā)生了表觀遺傳修飾的改變。其中下丘腦等中樞器官也同樣發(fā)生了與糖代謝和胰島素作用通路上相關基因甲基化修飾的改變，而且這種改變表現(xiàn)可能更加顯著，鑒于下丘腦對機體維持能量攝取和平衡的核心器官，下丘腦發(fā)生差異甲基化的基因很可能是糖尿病最核心的致病基因。

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