DNA甲基化與人類糖尿病的研究進(jìn)展

張思佳 喬 虹

(哈爾濱醫(yī)科大學(xué)第二臨床醫(yī)學(xué)院地方病科,黑龍江 哈爾濱 150086)

2型糖尿病(T2DM)是多種環(huán)境因素和遺傳因素共同作用的結(jié)果。近年來(lái)，在T2DM及其并發(fā)癥發(fā)病機(jī)制的研究中發(fā)現(xiàn)，環(huán)境因素(如飲食)改變是引起T2DM發(fā)病的重要原因。環(huán)境因素可以直接影響基因的表型，而表觀遺傳學(xué)機(jī)制是疾病發(fā)生過(guò)程中介導(dǎo)環(huán)境因素和遺傳因素之間相關(guān)性的分子橋梁。目前，對(duì)糖尿病表觀遺傳學(xué)機(jī)制中起重要作用的DNA 甲基化的研究正如火如荼進(jìn)行，主要是在全基因組掃描與糖尿病相關(guān)的DNA甲基化改變，或者是利用特異性引物檢測(cè)某個(gè)已知功能的糖尿病相關(guān)基因的DNA甲基化改變。在糖尿病研究中，盡管實(shí)驗(yàn)動(dòng)物基因與人類基因具有同源性，但是由于實(shí)驗(yàn)動(dòng)物與人類的生活環(huán)境、基因功能、代謝及生物學(xué)特性等存在許多不同之處，因此實(shí)驗(yàn)動(dòng)物的研究結(jié)論并不能完全代表人類糖尿病的特征。本文對(duì)近來(lái)研究得知的與人類T2DM相關(guān)的DNA甲基化改變及其位點(diǎn)的功能以及代謝記憶對(duì)糖尿病并發(fā)癥的影響進(jìn)行綜述。

1 表觀遺傳學(xué)和DNA甲基化

表觀遺傳學(xué)與遺傳學(xué)不同，它只改變基因的表達(dá)和功能而不改變基因序列。而二者的共同點(diǎn)為都產(chǎn)生遵循孟德?tīng)栠z傳定律的表型。DNA甲基化是包括組蛋白修飾和一些非編碼RNA等在內(nèi)的表觀遺傳修飾中的一種重要的調(diào)控機(jī)制，主要建立在胎兒母體內(nèi)發(fā)育和產(chǎn)后早期發(fā)育的重要階段，并隨著有絲分裂在子代細(xì)胞中傳遞，但也可隨成長(zhǎng)過(guò)程中環(huán)境因素的變化而改變。DNA甲基化修飾在DNA甲基轉(zhuǎn)移酶的參與下，將甲基添加到核苷酸序列5'端啟動(dòng)子區(qū)域胞嘧啶鳥嘌呤二核苷酸含量豐富的CpG島上，產(chǎn)生一種共價(jià)修飾，因此在一定程度上是可逆的。近來(lái)也有研究指出，DNA甲基化改變也可發(fā)生在非啟動(dòng)子區(qū)域(如內(nèi)含子)〔1〕,或CGI岸(與CpG島毗鄰但在其之外)〔2〕。這種DNA甲基化修飾可直接通過(guò)影響轉(zhuǎn)錄因子的結(jié)合，或非直接通過(guò)影響轉(zhuǎn)錄后組蛋白修飾而改變?nèi)旧w的結(jié)構(gòu)和功能，因此DNA甲基化能夠在生理和病理狀態(tài)下都控制基因的表達(dá)〔3〕。在腫瘤發(fā)展中〔4〕，基因啟動(dòng)子CpG島高甲基化可長(zhǎng)期沉默腫瘤抑制基因是一種已被確認(rèn)的機(jī)制；而在代謝性疾病中(如糖尿病、肥胖)，環(huán)境因素的作用可通過(guò)DNA甲基化修飾改變基因的表達(dá)。

2 環(huán)境因素變化引起的DNA甲基化改變可以導(dǎo)致糖尿病

近年來(lái)，研究者認(rèn)識(shí)到環(huán)境因素可在任何年齡引起DNA甲基化改變，DNA甲基化也可能是一個(gè)動(dòng)態(tài)的過(guò)程，在環(huán)境因素(飲食和運(yùn)動(dòng)等)的作用下影響基因的遺傳易感性。

2.1宮內(nèi)發(fā)育遲緩 早在上世紀(jì)90年代，有人已提出，胎兒發(fā)育時(shí)期母體內(nèi)環(huán)境的改變與其出生后罹患肥胖、糖尿病或心血管疾病等的危險(xiǎn)性顯著相關(guān)。在一個(gè)1944～1945年荷蘭饑荒期間母體內(nèi)發(fā)育胎兒的回顧性研究中發(fā)現(xiàn)，妊娠晚期暴露于饑餓環(huán)境的胎兒，出生60年后與非暴露組相比，具有促進(jìn)細(xì)胞增殖作用的胰島素生長(zhǎng)因子2(IGF2)基因低甲基化，且暴露組糖耐量增加〔5〕，說(shuō)明宮內(nèi)發(fā)育遲緩的胎兒成年后易出現(xiàn)糖耐量的異常。此外，眾所周知，肝細(xì)胞核因子4α(hepatocyte nuclear factor 4α，HNF4α)的突變可導(dǎo)致青年人中的成年發(fā)病型糖尿病(MODY)，而近來(lái)Einstein等〔6〕對(duì)新生兒臍帶血的研究發(fā)現(xiàn)，與正常出生體重兒相比，宮內(nèi)發(fā)育遲緩的胎兒HNF4α啟動(dòng)子區(qū)域出現(xiàn)高甲基化，并可能與其患T2DM的易感性相關(guān)。

2.2高脂飲食 高脂飲食等不健康的飲食習(xí)慣是代謝性疾病包括T2DM的主要危險(xiǎn)因素。Br?ns等〔7〕對(duì)低出生體重兒的成年后個(gè)體進(jìn)行短期(5 d)高脂飲食后，取股外側(cè)肌檢測(cè)其DNA甲基化改變，發(fā)現(xiàn)高脂飲食可引起線粒體基因的主要調(diào)節(jié)子過(guò)氧化物酶體增殖物受體γ共激活劑1α(peroxisome proliferator receptorγ coactivator 1α，PPARGC1α)啟動(dòng)子區(qū)域DNA 甲基化增加及PPARGC1α表達(dá)的下降。胰島素分泌取決于線粒體功能及其產(chǎn)物ATP，而PPARGC1α啟動(dòng)子區(qū)域的DNA甲基化在T2DM患者高于非T2DM個(gè)體，說(shuō)明低出生體重兒高脂飲食易引起胰島素分泌降低和胰島素抵抗，患T2DM風(fēng)險(xiǎn)增加。且這種5 d的高脂飲食引起的PPARGC1α甲基化增加是可逆的。隨后，Jacobsen等〔8〕取健康成人短期(6～8 w)高脂飲食后的股外側(cè)肌進(jìn)行了全基因組DNA 甲基化分析，發(fā)現(xiàn)PPARG、AKT2、PDX1/IPF1、SLC30A8、CDKN2A、CDKN2B等與糖尿病相關(guān)的基因也出現(xiàn)顯著的DNA甲基化改變，且這些改變?cè)?～8 w后只部分或不顯著逆轉(zhuǎn)，說(shuō)明與高脂飲食誘導(dǎo)的DNA 甲基化增加的過(guò)程相比，去甲基化過(guò)程可能在一定程度上被阻礙，人類飲食因素干預(yù)后的DNA甲基化水平具有可塑性和可逆性。

2.3運(yùn)動(dòng) 糖尿病的風(fēng)險(xiǎn)可通過(guò)運(yùn)動(dòng)等生活方式的干預(yù)而大大降低。Nitert等〔9〕設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，指導(dǎo)T2DM家族史陽(yáng)性及T2DM家族史陰性的一級(jí)親屬中的健康個(gè)體進(jìn)行6個(gè)月相同方式的運(yùn)動(dòng)后，取股外側(cè)肌分析其全基因組DNA甲基化水平，發(fā)現(xiàn)家族史陽(yáng)性個(gè)體與家族史陰性個(gè)體相比，參與人類肌肉組織中生理代謝作用的MAPK1基因和能量代謝作用的PRKAB1基因等在運(yùn)動(dòng)后都表現(xiàn)出差異DNA甲基化，說(shuō)明運(yùn)動(dòng)可以改變肌肉組織的DNA甲基化水平。經(jīng)過(guò)檢驗(yàn)分析發(fā)現(xiàn)，運(yùn)動(dòng)引起的T2DM候選基因THADA和RBMS1的差異DNA甲基化改變是顯著的，而家族陽(yáng)性史對(duì)差異DNA甲基化改變的作用無(wú)實(shí)際意義。為了排除遺傳因素的影響，研究者又進(jìn)一步分析了沒(méi)有同時(shí)患糖尿病、但家族史陽(yáng)性雙胞胎的DNA甲基化改變，結(jié)果發(fā)現(xiàn)家族史陽(yáng)性個(gè)體和雙胞胎中患糖尿病個(gè)體的肌肉組織中，65個(gè)分析的基因有40%存在差異DNA甲基化，這解釋了家族陽(yáng)性史個(gè)體基因的DNA甲基化也可能在T2DM的發(fā)病機(jī)制中起到一定作用。

3 糖尿病患者的DNA 甲基化改變

目前對(duì)于DNA甲基化與糖尿病的研究主要針對(duì)兩個(gè)方面。一方面是在全基因組水平上掃描與糖尿病相關(guān)的差異DNA甲基化。例如，Toperoff等〔10〕利用外周血白細(xì)胞在全基因組檢測(cè)與T2DM相關(guān)的差異DNA甲基化，發(fā)現(xiàn)THADA基因內(nèi)含子、TCF7L2基因內(nèi)含子、KCNQ1基因內(nèi)含子和FTO基因內(nèi)含子出現(xiàn)顯著的差異DNA甲基化，而在先前的單核苷酸多態(tài)性研究中已知這些基因與T2DM相關(guān)。近來(lái)，Volkmar等〔11〕對(duì)人類胰島細(xì)胞的DNA進(jìn)行了全基因組DNA甲基化檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)了254個(gè)基因中的276個(gè)CpG位點(diǎn)與糖尿病相關(guān)。這也為DNA甲基化與糖尿病的研究提供了靶點(diǎn)，同時(shí)也提出了挑戰(zhàn)。

另一方面是利用特異性引物對(duì)先前研究中已知功能的糖尿病相關(guān)基因進(jìn)行差異DNA甲基化檢測(cè)。如：肥胖基因(FTO)可在飲食和空腹條件下調(diào)節(jié)機(jī)體的能量平衡，Toperoff等〔10〕針對(duì)T2DM患者外周血白細(xì)胞中的FTO基因進(jìn)行DNA差異甲基化研究，發(fā)現(xiàn)其存在顯著的低甲基化。而在另一個(gè)全基因組研究中〔12〕發(fā)現(xiàn)，存在于人類FTO基因的甲基化敏感位點(diǎn)位于內(nèi)含子1、外顯子2和內(nèi)含子2，在肥胖過(guò)程中調(diào)節(jié)T2DM等代謝性疾病的易感性。

4 代謝記憶與糖尿病并發(fā)癥

高血糖引起的糖尿病大血管損害(如糖尿病心臟病)及微血管損害(如糖尿病腎病)，其共同的機(jī)制為活性氧自由基產(chǎn)物的增加，反過(guò)來(lái)促進(jìn)多元醇、氨基乙酸、蛋白酶C以及晚期糖化終末產(chǎn)物形成通路的不穩(wěn)定性，進(jìn)而導(dǎo)致被影響的細(xì)胞基因表達(dá)的改變，而DNA甲基化及組蛋白轉(zhuǎn)錄后修飾也可通過(guò)影響染色體結(jié)構(gòu)和功能在基因表達(dá)的調(diào)節(jié)上起重要作用〔13～16〕。許多大型臨床試驗(yàn)表明，這種改變一旦開始，即使之后血糖控制良好，高血糖的這種損害也會(huì)持續(xù)下去，造成“代謝記憶”。由于這種代謝記憶現(xiàn)象，糖尿病并發(fā)癥的治療變得更為棘手。近來(lái)對(duì)于DNA甲基化這種共價(jià)修飾可逆性的認(rèn)識(shí)，使得對(duì)糖尿病患者盡早控制血糖使之維持正常水平，以便控制和延緩糖尿病并發(fā)癥的進(jìn)展顯得尤為重要。而對(duì)于糖尿病并發(fā)癥靶器官DNA甲基化的研究，也為其治療開辟了新視野。

例如：Bell等〔16〕分析了全基因組中與糖尿病腎病相關(guān)的差異DNA甲基化，在單核苷酸多態(tài)性re13293564內(nèi)含子UNC13B基因的轉(zhuǎn)錄起始位點(diǎn)上游18 bp的CpG位點(diǎn)，發(fā)現(xiàn)了與糖尿病腎病顯著相關(guān)的高甲基化；Palsamy等〔17〕分析了糖尿病白內(nèi)障患者與對(duì)照組晶狀體的差異DNA甲基化后，發(fā)現(xiàn)在糖尿病白內(nèi)障患者，與晶狀體氧化應(yīng)激主要適應(yīng)性反應(yīng)中蛋白酶體降解相關(guān)的Keap-1基因啟動(dòng)子顯著去甲基化，而對(duì)照組清晰的晶狀體顯示Keap-1基因高甲基化等等。

因此，代謝記憶現(xiàn)象中DNA甲基化可逆性的特征與糖尿病并發(fā)癥的DNA甲基化靶位點(diǎn)相結(jié)合，為使用藥物或分子方法阻止和治療與糖尿病并發(fā)癥相關(guān)的DNA甲基化改變提供了可能。

5 展 望

綜上，在DNA甲基化與糖尿病的相關(guān)研究中，對(duì)于糖尿病的發(fā)病機(jī)制及防治方法的研究領(lǐng)域，主要有兩個(gè)目標(biāo)有待解決：(1)早期發(fā)現(xiàn)與T2DM相關(guān)的DNA甲基化改變，并對(duì)引起DNA甲基化改變的環(huán)境暴露因素如飲食、運(yùn)動(dòng)等生活方式進(jìn)行相關(guān)干預(yù)以及時(shí)阻止或延緩該個(gè)體未來(lái)發(fā)生糖尿病及其并發(fā)癥。(2)對(duì)于已發(fā)病的T2DM患者，則應(yīng)努力尋找與T2DM的DNA甲基化改變相關(guān)的靶點(diǎn)治療藥物或生物學(xué)方法，以減慢或阻止糖尿病及其并發(fā)癥的進(jìn)展。

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