DNA和組蛋白表觀遺傳修飾在2型糖尿病發(fā)病中作用的研究進(jìn)展

屠培培,黃 彬,路景濤,薛紹禮,夏覓珍,吳琳梅,張耀方,李明剛

(1.安徽醫(yī)科大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院生物工程系，安徽 合肥230032；2. 淮北礦工總醫(yī)院集團(tuán)骨科，安徽 淮北 235000；3. 天津農(nóng)學(xué)院基礎(chǔ)科學(xué)學(xué)院生物制藥系，天津 300384；4. 南開(kāi)大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院分子生物學(xué)研究所，天津 300071)

糖尿病是一類(lèi)由遺傳和環(huán)境因素相互作用導(dǎo)致胰島素分泌障礙，致靶組織細(xì)胞對(duì)胰島素敏感性降低而引發(fā)的代謝紊亂綜合征，發(fā)病率高且難以治愈。然而，2型糖尿病的確切發(fā)病機(jī)制迄今仍未被闡明。糖尿病主要是由遺傳因素和環(huán)境因素相互作用引起的，而表觀遺傳又是連接基因與環(huán)境的分子橋梁。研究[1]表明：表觀遺傳學(xué)在糖尿病的發(fā)生發(fā)展及持續(xù)存在的糖尿病并發(fā)癥中起重要作用，與遺傳多態(tài)性類(lèi)似，表觀修飾可改變基因的轉(zhuǎn)錄活性進(jìn)而導(dǎo)致2型糖尿病的各種表型特征。目前，對(duì)糖尿病表觀遺傳學(xué)機(jī)制的研究主要是在全基因組掃描與糖尿病相關(guān)DNA甲基化改變，或者是檢測(cè)某個(gè)已知功能的糖尿病相關(guān)基因的啟動(dòng)子區(qū)組蛋白修飾改變。表觀遺傳學(xué)機(jī)制在糖尿病及其一系列慢性并發(fā)癥中的應(yīng)用情況國(guó)內(nèi)已有報(bào)道[2]。Rorbach-Dolata等[3]系統(tǒng)闡述了表觀遺傳修飾變化在糖尿病(1型和2型)及其并發(fā)癥發(fā)生發(fā)展中的作用機(jī)制。DNA甲基化和組蛋白修飾是重要的表觀遺傳學(xué)現(xiàn)象。本文作者圍繞DNA甲基化修飾、組蛋白乙酰化和甲基化修飾等表觀遺傳學(xué)修飾機(jī)制在2型糖尿病發(fā)病中的作用展開(kāi)分析和討論，為其預(yù)防和治療提供新策略。

1 DNA甲基化與2型糖尿病

1.1 DNA甲基化

DNA的甲基化修飾是目前為止科學(xué)家們研究最為透徹的表觀遺傳學(xué)標(biāo)記。絕大多數(shù)哺乳動(dòng)物和人類(lèi)基因的啟動(dòng)子區(qū)、多數(shù)功能基因編碼區(qū)和轉(zhuǎn)座子中均存在大量富含CG堿基序列的區(qū)域，該區(qū)域被稱為CpG島。DNA甲基化修飾主要受 DNA甲基轉(zhuǎn)移酶(DNA methyl-transferase，DNMT) 家族蛋白的調(diào)控，其分子機(jī)制[4]見(jiàn)圖1 。具體過(guò)程：在DNA甲基轉(zhuǎn)移酶的作用下，以S-腺苷甲硫氨酸作為甲基供體使CpG島上的胞嘧啶5′端發(fā)生甲基化。通常情況下基因的CpG島處于非甲基化狀態(tài)，但當(dāng)CpG二核苷酸發(fā)生甲基化修飾時(shí)，可抑制該基因的表達(dá)，可能是因?yàn)榧谆璧K了關(guān)鍵的轉(zhuǎn)錄因子與啟動(dòng)子的相互靠近和結(jié)合導(dǎo)致。越來(lái)越多的證據(jù)[5]表明：甲基化的發(fā)生由氧化酶類(lèi)引起，甲基化水平的調(diào)節(jié)與飲食、生理活動(dòng)和高糖等有關(guān)聯(lián)，說(shuō)明甲基化是個(gè)動(dòng)態(tài)的過(guò)程。有證據(jù)[6]表明：組織特異性啟動(dòng)子區(qū)CpG島的密度以及甲基化水平在控制相關(guān)基因的表達(dá)中起重要作用。

圖1 DNA甲基化的分子機(jī)制

1.2 DNA甲基化在2型糖尿病發(fā)病中的作用

1.2.1 糖尿病患者DNA甲基化情況 在糖尿病表觀遺傳隔代效應(yīng)中DNA甲基化修飾發(fā)揮了重要作用，環(huán)境和飲食均可導(dǎo)致基因組中某些印跡基因和轉(zhuǎn)座因子表觀修飾的改變，進(jìn)而影響疾病的發(fā)生發(fā)展[7]。研究[8]顯示：2型糖尿病患者的糖代謝功能紊亂與外周血白細(xì)胞的DNA低甲基化有關(guān)。在糖尿病前期向2型糖尿病發(fā)展的進(jìn)程所涉及的糖代謝、氧化應(yīng)激和炎癥等基因中，共出現(xiàn)694個(gè)CpG位點(diǎn)低甲基化和174個(gè)位點(diǎn)高甲基化[9]。胰島素生長(zhǎng)因子2(insulin-like growth factor-2 ， IGF-2)有促進(jìn)胰島細(xì)胞增殖的作用，1944-1945年荷蘭大饑荒時(shí)的調(diào)查數(shù)據(jù)[10]顯示：饑荒發(fā)生60年后，在出生前遭受饑荒人群的IGF-2甲基化水平較其兄弟姐妹嚴(yán)重偏低，而懷孕期間營(yíng)養(yǎng)過(guò)剩也會(huì)影響后代的胰島β細(xì)胞的功能。近年來(lái)研究[11]顯示：?jiǎn)?dòng)子區(qū)DNA甲基化改變了新疆維吾爾族糖尿病患者內(nèi)臟脂肪組織中腫瘤壞死因子α(TNF-α)和脂聯(lián)素(ADIPOQ)等基因的表達(dá)。糖尿病患者的DNA甲基化異常，主要表現(xiàn)在患者外周血白細(xì)胞中與心血管病相關(guān)的基因DNA 甲基化水平比正常人明顯升高，在1型和2型糖尿病腎病患者的唾液中DNA甲基化水平明顯高于普通人[12-13]。另外有研究[14]顯示：長(zhǎng)期胰島素和葡萄糖的暴露環(huán)境會(huì)嚴(yán)重改變骨骼肌的DNA甲基化狀況，表明DNA甲基化是一種快速適應(yīng)的表觀遺傳標(biāo)記。DNA甲基化可干擾胰島的正常發(fā)育和降低胰島素分泌水平，同時(shí)也使能量代謝通路上的甲基化增高，進(jìn)而減弱胰島素重要靶器官代謝葡萄糖的能力。

1.2.2 DNA甲基化與炎癥反應(yīng) 胰島素抵抗(insulin resistance，IR)和(或)胰島素分泌不足一直是2型糖尿病發(fā)病的關(guān)鍵因素，炎癥在2型糖尿病的發(fā)病過(guò)程中起媒介作用，2型糖尿病可能是一種先天的免疫性疾病，是由細(xì)胞因子介導(dǎo)的炎癥反應(yīng)。多數(shù)炎癥因子在2型糖尿病的發(fā)生發(fā)展進(jìn)程中起重要作用，TNF-α、C反應(yīng)蛋白(C reactive protein,CRP)和白細(xì)胞介素6 (interleukin，IL-6)等不但參與IR，而且與糖尿病血管并發(fā)癥有密切關(guān)聯(lián)。肥胖人群處于慢性的低劑量炎癥狀態(tài)從而導(dǎo)致的代謝損傷是2型糖尿病公認(rèn)的發(fā)病因素，而DNA甲基化與肥胖及2型糖尿病患者的IR有關(guān)[15-16]。Simar等[15]研究顯示：與正常人比較，2型糖尿病患者的B細(xì)胞和NK細(xì)胞甲基化水平升高，而B(niǎo)細(xì)胞高甲基化程度與IR和空腹胰島素水平有關(guān)，表明DNA甲基化異?？赡芘c肥胖和2型糖尿病患者的代謝失調(diào)及免疫功能改變有關(guān)。此外，機(jī)體內(nèi)的高糖和游離脂肪酸可以調(diào)控DNA的甲基化修飾，提示營(yíng)養(yǎng)過(guò)?？赡軐?dǎo)致異常的甲基化修飾，進(jìn)而改變肥胖和糖尿病易感基因的表達(dá)水平[17]。

1.2.3 DNA甲基化與胰島素分泌受損 胰島β細(xì)胞分泌胰島素受損是2型糖尿病發(fā)病的重要原因。Kuroda等[18]發(fā)現(xiàn)：胰島素分泌調(diào)節(jié)基因INS的甲基化水平與 2型糖尿病的發(fā)病關(guān)系密切，2型糖尿病患者胰島β細(xì)胞中INS啟動(dòng)子呈去甲基化狀態(tài)可能影響胰島β細(xì)胞的發(fā)育成熟，進(jìn)而影響胰島素的分泌。Yang等[19]研究2型糖尿病患者胰島候選基因的DNA甲基化和表達(dá)水平發(fā)現(xiàn)：胰腺轉(zhuǎn)錄因子PDX1啟動(dòng)子區(qū)域的DNA高甲基化水可抑制其轉(zhuǎn)錄活性，導(dǎo)致胰島β細(xì)胞功能紊亂。隨著高通量技術(shù)的不斷發(fā)展，全基因組表觀遺傳的應(yīng)用研究也越來(lái)越廣泛。全基因組甲基化研究[20]顯示：與正常人比較，2型糖尿病患者胰島的853個(gè)基因(包括Tcf7l2、Irs1、 Fto、Cdkn1a和Kcnq1等)中共1 649 CpG位點(diǎn)出現(xiàn)明顯的甲基化水平變化。Ling等[21]利用候選基因法證實(shí)：在2型糖尿病患者胰島組織中PPARGC1A 基因高甲基化與胰島素分泌減少有密切關(guān)聯(lián)。Hall等[22]發(fā)現(xiàn)：經(jīng)棕櫚酸鹽處理的2型糖尿病患者胰島組織與未處理的胰島組織間共1 860個(gè)基因甲基化存在明顯差異，致使其表達(dá)異常，損傷胰島β細(xì)胞分泌功能。已知胰島DNA甲基化水平改變與2型糖尿病發(fā)病有關(guān)[23]，而外周IR的基因甲基化水平改變是否會(huì)增加罹患糖尿病的風(fēng)險(xiǎn)目前尚不明確。已有相關(guān)研究[24]顯示：外周組織(肝臟、肌肉和脂肪)中糖尿病相關(guān)基因的DNA甲基化水平變化與糖尿病發(fā)病存在必然聯(lián)系，而外周組織中部分DNA的甲基化水平變化可通過(guò)生理運(yùn)動(dòng)干預(yù)。

2 組蛋白修飾與2型糖尿病

2.1 組蛋白修飾

組蛋白修飾是表觀遺傳學(xué)的重要組成部分。染色質(zhì)結(jié)構(gòu)中的核心組蛋白會(huì)受到一系列不同化學(xué)基團(tuán)的共價(jià)修飾[包括乙酰化、甲基化、磷酸化和類(lèi)泛素蛋白修飾分子(SUMO)化等]，形成一個(gè)修飾級(jí)聯(lián)，稱為組蛋白密碼。組蛋白密碼可被一系列蛋白復(fù)合物識(shí)別、翻譯成特定的染色質(zhì)狀態(tài)，具有非常重要的基因調(diào)控轉(zhuǎn)錄功能[25]。染色質(zhì)上接近轉(zhuǎn)錄因子結(jié)合位點(diǎn)的難易程度由組蛋白的位置和包裹程度決定，而核小體壓縮程度由一系列酶的活性決定，這些修飾酶負(fù)責(zé)組蛋白特異氨基酸的各種共價(jià)修飾(例如乙?；?、甲基化和磷酸化等)[26]。目前研究最多的組蛋白修飾類(lèi)型是發(fā)生在組蛋白H3和H4的一些特定氨基酸殘基上的乙酰化和甲基化修飾。組蛋白修飾的分子機(jī)制[27]見(jiàn)圖2。

2.1.1 組蛋白乙酰化 組蛋白密碼假說(shuō)提出在基因表達(dá)調(diào)控過(guò)程中不同的組蛋白修飾類(lèi)型發(fā)揮了不同的作用。組蛋白的乙?；^(guò)程由組蛋白乙酰轉(zhuǎn)移酶(histone acetyltransferases，HATs)和組蛋白去乙酰化酶(histone deacetylases，HDACs)協(xié)調(diào)催化完成[27]。已知HATs 能夠催化組蛋白發(fā)生乙?；揎棧瑢?dǎo)致染色質(zhì)結(jié)構(gòu)松弛，從而容易招募轉(zhuǎn)錄因子與之相結(jié)合并促進(jìn)基因的轉(zhuǎn)錄表達(dá)；相反，HDACs的作用是使組蛋白去乙酰化，導(dǎo)致染色質(zhì)壓縮，抑制基因轉(zhuǎn)錄。HATs和HDACs共同參與組蛋白乙?；膭?dòng)態(tài)平衡過(guò)程，精確調(diào)控基因的轉(zhuǎn)錄，例如組蛋白H3第9、14、18 及 23位上的賴氨酸殘基發(fā)生乙酰化可激活染色體，利于轉(zhuǎn)錄因子的結(jié)合，從而促進(jìn)轉(zhuǎn)錄[28]。組蛋白的乙?；腿ヒ阴；膭?dòng)態(tài)平衡狀態(tài)一旦被打破就可能引起疾病。近年來(lái)研究[29]顯示：胰島素受體底物2(IRS2)啟動(dòng)子區(qū)H3K9乙?；脚c該基因的表達(dá)水平呈正相關(guān)關(guān)系，H3K9的乙酰化水平上調(diào)會(huì)間接促使胰島β細(xì)胞增殖。組蛋白去乙?；?(HDAC7)的高表達(dá)使大鼠胰島細(xì)胞分泌能力受損，且2型糖尿病患者胰島HDAC7的表達(dá)水平明顯增加[30]。以上研究結(jié)果均證實(shí)組蛋白乙?；瘷C(jī)制的失調(diào)與糖尿病的發(fā)生有密切關(guān)聯(lián)。

圖2 組蛋白修飾的分子機(jī)制

2.1.2 組蛋白甲基化 組蛋白甲基化異常通?？蓪?dǎo)致基因的轉(zhuǎn)錄水平異常，進(jìn)而促使了相關(guān)疾病的發(fā)生發(fā)展。組蛋白的甲基化修飾經(jīng)常發(fā)生在組蛋白H3和H4的賴氨酸或者精氨酸的殘基上，由組蛋白甲基轉(zhuǎn)移酶(histone methyltransferases，HMTs)和組蛋白去甲基化酶1(lysine demethylase 1，LSD1)協(xié)同催化完成，表明組蛋白甲基化修飾過(guò)程也是可逆的[31]。與組蛋白乙酰化修飾不同，組蛋白甲基化更加穩(wěn)定和持久。組蛋白甲基化的形式、位點(diǎn)以及被修飾的氨基酸種類(lèi)不同可導(dǎo)致基因轉(zhuǎn)錄表達(dá)的激活或者抑制[32]。組蛋白甲基化的形式包括單甲基化、雙甲基化和三甲基化。組蛋白賴氨酸上的甲基化修飾相對(duì)穩(wěn)定，常發(fā)生在H3K4、H3K9、H4K20、H3K27、H3K36和H3K79位點(diǎn)，如組蛋白H3第9位、第27位的賴氨酸二甲基化(H3K9me2、H3K27me2)或三甲基化(H3K9me3、H3K27me3)通過(guò)抑制轉(zhuǎn)錄因子的結(jié)合使染色質(zhì)壓縮；相反，組蛋白H3第4位賴氨酸上的甲基化(H3K4me)卻促進(jìn)基因的轉(zhuǎn)錄激活[33]。

2.2 組蛋白修飾在2型糖尿病發(fā)病中的作用

2.2.1 組蛋白修飾與炎癥 研究[34]表明：組蛋白的各種共價(jià)修飾在糖尿病及其并發(fā)癥中起重要作用，而這些修飾并非一成不變，組蛋白動(dòng)態(tài)的修飾狀態(tài)可導(dǎo)致轉(zhuǎn)錄復(fù)合體的變化，并在DNA和其他蛋白因子間高效地調(diào)節(jié)染色質(zhì)的沉默或激活，進(jìn)而發(fā)揮協(xié)同或拮抗作用。HATs 和HDAC已被證明可調(diào)控與糖尿病相關(guān)的基因表達(dá)，HATs和HDAC可通過(guò)調(diào)節(jié)核因子κB(NF-κB)的轉(zhuǎn)錄活性導(dǎo)致下游相關(guān)炎性因子表達(dá)水平的改變[35]。Miao等[36]發(fā)現(xiàn)：機(jī)體在高糖狀態(tài)下，單核細(xì)胞分泌的炎癥因子NF-κB 和 HATs 呈現(xiàn)高乙酰化和轉(zhuǎn)錄活性，致使淋巴細(xì)胞有關(guān)炎癥和免疫的信號(hào)通路中的H3上的第9位賴氨酸發(fā)生甲基化(H3K9)修飾；文獻(xiàn)[37]報(bào)道：在機(jī)體血管平滑肌細(xì)胞中，H3K9位點(diǎn)甲基化可以促進(jìn)炎癥因子的表達(dá)上調(diào)。此外，體外實(shí)驗(yàn)[38]表明：高糖培養(yǎng)條件可以引起環(huán)氧合酶2(COX-2)和TNF-α等炎癥基因啟動(dòng)子區(qū)域的組蛋白乙酰化水平升高，結(jié)果導(dǎo)致COX-2和TNF-α基因表達(dá)水平提高。

2.2.2 組蛋白修飾與胰島β細(xì)胞發(fā)育 組蛋白修飾在胰島β細(xì)胞的分化、增殖和凋亡中發(fā)揮重要作用，已知在胚胎干細(xì)胞定向分化和發(fā)育的過(guò)程中，關(guān)鍵基因的轉(zhuǎn)錄必須受到嚴(yán)格控制，組蛋白修飾是該過(guò)程中必不可少的監(jiān)管機(jī)制之一[39]。研究[40]顯示：胰十二指腸同源盒1(PDX-1)作為一個(gè)自主的重編碼因子，通過(guò)影響募集胰島β細(xì)胞周?chē)囟ǖ慕M蛋白甲基轉(zhuǎn)移酶SET7/9特異位點(diǎn)發(fā)生表觀遺傳改變，完成胰島從α細(xì)胞到β細(xì)胞的轉(zhuǎn)換。多梳基因(polycomb group genes，PcG)是一類(lèi)關(guān)鍵的與發(fā)育有關(guān)的基因，PcG基因家族通常以表觀遺傳修飾來(lái)維持基因的轉(zhuǎn)錄抑制狀態(tài)。已知B細(xì)胞特異的莫洛尼白血病毒插入位點(diǎn)1(B cell-specific MLV integration site-1，Bmi-1)是PcG家族核心成員之一，在STZ誘導(dǎo)的糖尿病小鼠模型中被發(fā)現(xiàn)，Bmi-1在年輕、可再生的胰島β細(xì)胞中表達(dá)水平增加，引起胰島β細(xì)胞全基因組的H3K4三甲基化水平降低、H2A泛素化和H3K27三甲基化水平升高，胰島β細(xì)胞的復(fù)制能力提高；隨著年齡增長(zhǎng)，Bmi-1表達(dá)水平逐漸降低，H3K4三甲基化增加，H2A泛素化減少，胰島β細(xì)胞的增殖能力下降[41]。Zeste基因增強(qiáng)子同源物2(enhancer of zeste homolog2，Ezh2)也是多梳基因家族成員之一，具有組蛋白甲基化酶、組蛋白去乙酰化酶和多基因表達(dá)的調(diào)控功能。研究者[42]發(fā)現(xiàn)：Ezh2基因缺失導(dǎo)致抑癌基因Ink4a/Arf組蛋白甲基化水平下降，同時(shí)伴有胰島β細(xì)胞增殖受損，而Ezh2 KO小鼠可出現(xiàn)胰島β細(xì)胞數(shù)量減少及輕度糖尿病。

2.2.3 組蛋白修飾與胰島素表達(dá) 糖尿病發(fā)病過(guò)程中關(guān)鍵基因胰島素的表達(dá)也受組蛋白修飾的影響。已知組蛋白H3乙?；?H3Ac)和組蛋白H3賴氨酸4甲基化(H3K4Me)水平對(duì)于染色質(zhì)維持特定的疏松狀態(tài)起重要作用，而胰島素基因激活的標(biāo)志就是其啟動(dòng)子區(qū)高水平的H3Ac和H3K4Me狀態(tài)[43]。此外，當(dāng)胰島素基因的啟動(dòng)子區(qū)大量募集組蛋白甲基轉(zhuǎn)移酶 Set7/9時(shí)，可使H3K4Me始終維持較高水平，進(jìn)而上調(diào)胰島素基因的表達(dá)[44]。研究[45]顯示：胰島素受體底物分子在IR狀態(tài)時(shí)常表現(xiàn)出表達(dá)不足或磷酸化水平異常，胰島素受體底物分子IRS-2磷酸化減少是組蛋白去乙?；?SIRT1受到抑制導(dǎo)致，使胰島素的敏感性增加，因此SIRT1將有望成為治療2型糖尿病的新靶點(diǎn)。肝細(xì)胞核轉(zhuǎn)錄因子Foxa2水平受肝細(xì)胞核因子6(HNF6)穩(wěn)定性的影響，HNF6受組蛋白乙?；窩BP的調(diào)控，而Foxa2活性的改變會(huì)引發(fā)糖脂代謝的變化，因此CBP可能同時(shí)調(diào)控HNF6與Foxa2轉(zhuǎn)錄因子的表達(dá)[46]。近年來(lái)研究[47]顯示：機(jī)體內(nèi)循環(huán)脂肪酸也可產(chǎn)生“代謝記憶”現(xiàn)象，其機(jī)制可能是改變了糖異生基因調(diào)節(jié)因子FOXO1啟動(dòng)子區(qū)的H3K36me2和H3K27me3的水平。高脂飲食會(huì)導(dǎo)致 FOXO1 基因及其靶基因的持續(xù)激活，利用染色質(zhì)免疫共沉淀技術(shù)(ChIP)檢測(cè)， FOXO1啟動(dòng)子中H3K36me2和H3K27me3分別表現(xiàn)出持續(xù)增加和持續(xù)降低[48]。通過(guò)以上研究可進(jìn)一步推測(cè)組蛋白修飾在2型糖尿病的發(fā)病過(guò)程中可能起著重要作用。

3 展 望

表觀遺傳學(xué)修飾可在不改變DNA序列的前提下使基因的轉(zhuǎn)錄和表達(dá)水平發(fā)生變化，進(jìn)而影響機(jī)體多種生理病理過(guò)程。表觀遺傳學(xué)中DNA甲基化和組蛋白修飾參與了2型糖尿病的發(fā)病過(guò)程，但其在糖尿病發(fā)生發(fā)展中的具體機(jī)制尚未完全闡明，仍有許多問(wèn)題亟待解決。糖尿病是一種多基因多因素疾病，研究單個(gè)基因的表觀遺傳修飾改變，難以全面揭示疾病發(fā)生的分子機(jī)制，多基因表觀修飾的失衡也許在糖尿病發(fā)病過(guò)程中扮演重要角色。

綜上所述，隨著表觀遺傳學(xué)研究的不斷進(jìn)展，將會(huì)對(duì)DNA甲基化和組蛋白甲基化、乙?；刃揎椃绞接懈由钊氲牧私?，多基因的表觀遺傳修飾水平的研究能進(jìn)一步闡明2型糖尿病發(fā)病的分子機(jī)制。利用表觀遺傳干預(yù) DNA甲基化和組蛋白修飾的方法在未來(lái)有望成為治療糖尿病的關(guān)鍵技術(shù)手段，進(jìn)一步開(kāi)發(fā)各種表觀修飾酶抑制劑以及有相似作用的藥物，通過(guò)改變表觀遺傳的方式影響糖尿病進(jìn)程，可成為治療糖尿病藥物開(kāi)發(fā)的新方向。