肥胖與胰島素抵抗的關系及其表觀遺傳學的研究進展*

李永清，逯素梅，2，馬萬山，2（.山東大學，山東省千佛山醫(yī)院檢驗醫(yī)學科，濟南25004；2.山東第一醫(yī)科大學第一附屬醫(yī)院（山東省千佛山醫(yī)院）檢驗醫(yī)學科，濟南25004）

肥胖與胰島素抵抗（insulin resistance，IR）密切相關，互為因果。當今世界人類生活方式和生活水平的改變使這兩種慢性病的發(fā)生更加常見，困擾著人類健康，也為經濟發(fā)展帶來了很大的影響。為了明確發(fā)病機制，為以后的治療提供明確方向，研究人員做了很多的努力。最近提出的表觀遺傳學為這兩種疾病的治療提供了思路，值得我們深入探討。

1 肥胖與胰島素抵抗

1.1 肥胖與2型糖尿病 肥胖癥，雖然自1985年就被正式確認為一種疾病，但并沒有得到人們的足夠重視，因其不像其他疾病一樣能給患者帶來直接的痛覺，所以很少有人積極地治療肥胖。但隨著人類生活方式的改變，肥胖患者在人群中的發(fā)生率呈現(xiàn)上升的趨勢。在中國，自2004年以來，人群一般性肥胖的患病率增加了90%左右，腹型肥胖的患病率增加了50%以上，成年人的總體肥胖率為14%，給國人的健康帶來了很大的負擔［1］。如肥胖一樣危害健康的代謝性疾病還有保持增長趨勢的糖尿病。據2017年版糖尿病防治指南統(tǒng)計，中國人口的糖尿病患病率從1980年的0.67%，升高到2013年的10.4%，上漲了9.73%［2］。其中，2型糖尿?。╰ype 2 diadetes mellitus，T2DM）占總的糖尿病的比例高達90%以上。

1.2 肥胖與胰島素抵抗的關系 肥胖在T2DM患者IR的發(fā)生過程中起著重要作用。IR是指胰島素的分泌水平正常甚至超過正常水平，但是患者機體對胰島素作用不敏感，從而使分泌的胰島素無法調節(jié)機體的血糖水平使其達到正常的一種病理狀態(tài)，是T2DM的主要發(fā)生機制。IR通常由肥胖驅動，在2020年發(fā)布的《糖尿病的實驗室診斷專家共識》［3］中，肥胖、超重、腹型肥胖被作為T2DM的獨立危險因素出現(xiàn)。有研究表示肥胖時細胞因子的分泌會發(fā)生改變，這些變化是發(fā)生IR的契機，例如，TNF-α、IL-6、瘦素會誘導IR［4］，而脂聯(lián)素（adiponectin，ADPN）又能刺激胰島素的敏感性。肥胖時脂肪細胞的增大也會刺激各種細胞因子進入脂肪組織，增加促炎因子的水平，導致全身IR和動脈粥樣硬化。發(fā)生肥胖時，在肌肉和肝臟組織中蓄積填充的脂肪顆粒也會抑制細胞對血糖刺激的敏感性，使血糖的吸收減少，游離血糖升高，造成高糖癥、IR以及β細胞在T2DM患者體內的凋亡［5］。肥胖對IR的驅動不只發(fā)生在老年人中，超重的兒童發(fā)生IR的比例在不斷增加。在持續(xù)肥胖的患者中，日后患T2DM的風險也較常人增加。

IR對肥胖也有不可忽視的反作用，IR使機體脂肪分解抑制作用減少，三酰甘油在體內積累增加，高糖環(huán)境使血清生長因子增加，血脂升高，胰島素樣生長因子（insulin like growth factor，IGF）、游離脂肪酸、低密度脂蛋白增加，形成動脈粥樣硬化的風險大大增加［6］。IR使脂肪組織對血清胰島素不能做出正確的應答，更多的脂肪酸從脂肪細胞中釋放到循環(huán)系統(tǒng)，導致了脂肪在肌肉和肝臟中的積累，這些蓄積的脂肪使脂肪細胞擴大并使其對胰島素更加不敏感，形成惡性循環(huán)。IR與肥胖互成因果，所以必須找到有效的方法遏制這種進展。

2 表觀遺傳學

表觀遺傳學（epigenetics）是新近提出的與以往的經典遺傳學觀點不同的遺傳學說，是指基于非基因序列改變所致的基因水平的變化，包括DNA甲基化、組蛋白修飾、染色體重塑和長鏈非編碼RNA（long non-coding RNA，LncRNA）的調控，產生基因組印記、母體效應、基因沉默等效應。表觀遺傳學的改變可以遺傳，并且可以被環(huán)境誘導，是環(huán)境因素和細胞內遺傳物質交互作用的結果，其效應通過調節(jié)基因表達，控制生物學表型實現(xiàn)［7］。正是因為表觀修飾對于維持生物體內環(huán)境和各器官系統(tǒng)功能的重要性，表觀遺傳的異常會引起疾病，這也成為研究疾病發(fā)生、藥物治療，設計治療方案的著眼點。

2.1 DNA甲基化與IR和肥胖 DNA甲基化是DNA序列上的特定堿基在DNA甲基轉移酶（DNA methyltransferase，DNMT）的作用下，以S-腺苷甲硫氨酸（s-adenosyl methionine，SAM）作為甲基供體，通過共價鍵結合的方式獲得一個甲基基團的過程，一般是指發(fā)生在CpG二核苷酸中胞嘧啶上的第5位碳原子上的過程，最終可以產生5-甲基胞嘧啶（5-methylcytosine，5-MC）。

Dick等［8］進行的全基因組分析研究發(fā)現(xiàn)，缺氧誘導因子3A（hypoxia inducible factor 3 A，HIF3A）的甲基化與身體質量指數(shù)（body mass index，BMI）的增加之間存在特定的關聯(lián)。HIF3A是缺氧誘導因子家族的組成成分，研究表示，HIF3A的靶向破壞可以保護機體，降低肥胖率，減少飲食誘導的肥胖，降低IR的發(fā)生率［9］。Dick等［8］研究HIF3A甲基化與肥胖之間的關系顯示，HIF3A特定位點的甲基化可能不是肥胖的原因，而是肥胖發(fā)生的結果。雖未能解釋肥胖發(fā)生的機制，但是提示了HIF家族在肥胖和IR中的相關作用，為以后研究肥胖提供了思路。另一組與肥胖相關的TET（ten eleven translocation）蛋白在DNA甲基化誘導脂肪變或者IR中發(fā)揮作用，TET蛋白可以催化5-MC到5-羥甲基胞嘧啶（5-hydroxymethylcytosine，5-HMC）的轉變過程，是甲基化的關鍵步驟［10］。TET蛋白分為3型，包括TET1、TET2和TET3，其中TET2在肥胖患者和飲食誘導的T2DM患者體內均表達降低，TET2以催化依賴性的方式促進了過氧化酶增殖物激活受體γ（peroxisome proliferators-activated receptors，PPARγ）的轉錄活性，進而引導DNA的甲基化，激活脂肪特異性基因的表達［11］。TET1在β細胞的增殖中的作用也被研究，TET1可以導致周期蛋白依賴激酶抑制因子1C（cyclindependent kinase inhibitor 1C，CDKN1C）的去甲基化，降低細胞周期抑制劑P57的表達量，是β細胞增殖的特點［12］。P57是一種周期抑制劑，是CDKN1C基因的蛋白產物，受附近的印記控制區(qū)KIP2 DNA甲基化狀態(tài)的影響，P57的表達減少有助于β細胞的增殖。研究表明，轉錄阻抑物CCCTC結合因子（CCCTC binding factor，CTCF）與TET的相互作用可以增強脂轉錄增強子的DNA甲基化水平，在脂肪形成的過程中，CTCF是高度動態(tài)的，CTCF與TET的結合是脂肪形成的關鍵過程［13］。

PPAR家族中的PPARγ在脂肪形成和IR中也有很大的作用。PPAR是脂肪轉錄的主要因子。PPARγ引導過氧化物增殖反應元件周圍的DNA甲基化，PPARγ引導的DNA甲基化可以激活脂肪細胞特異性基因的表達［14］，但是PPARγ需要TET2才能維持選擇性靶點上的DNA結合，TET介導的DNA去甲基化在脂肪形成過程中是必不可少的。肥胖和IR與脂聯(lián)素ADPN關系密切，ADPN在脂肪細胞內選擇性表達，可以抑制肥胖引起的免疫反應，增強胰島素的敏感性，與肥胖和IR的發(fā)病呈負相關。ADPN啟動子特定區(qū)域的DNA高甲基化通過表觀遺傳控制抑制ADPN的轉錄，從而導致肥胖。用DNMT抑制劑抑制DNMT1活性，可以刺激ADPN的表達，抑制肥胖導致的炎癥反應，改善肥胖引起的IR和葡萄糖的不耐受，進一步抑制動脈粥樣硬化和免疫應答［15］。DNMT抑制劑阿扎胞苷（azacytidine，5-AZAC）可以抑制哺乳動物細胞的DNA甲基化，并可以參與脂肪細胞的分化，可以用于胰島素抵抗的治療［16］。滲透調控轉錄因子（tonicity-responsiveelement binding protein，TonEBP）或者T細胞活化核因子5（nuclear factor of activated T cells-5，NFAT5）的表達降低對高脂飲食喂養(yǎng)（high-fat diet，HFD）引起的肥胖和IR有抵抗力，TonEBP單倍體小鼠肥胖發(fā)生率降低，TonEBP通過DNA甲基化抑制基因ADRB3的表達，從而促進了脂解［17］。

2.2 LncRNA與肥胖和胰島素抵抗 研究表明，LncRNA KCNQ1重疊轉錄物1（KCNQ1 overlapping transcript 1，KCNQ1OT1）的轉錄水平與T2DM的發(fā)展有關。KCNQ1OT1轉錄水平的降低與抑制性組蛋白的修飾減少以及高風險等位基因的DNA高甲基化相互作用，導致了T2DM的發(fā)生［18］。LncRNA生長阻滯特異性轉錄因子5（growth arrestspecial transcript 5，GAS5）位于人類基因組1號染色體上，有研究表明GAS5的敲除會使T2DM患者的葡萄糖吸收率降低，使葡萄糖轉運體受到抑制，同時抑制胰島素受體功能，使胰島素AKT信號通路調控降低［19］。IR與多囊卵巢綜合征（polycystic ovarian syndrome，PCOS）的關系密切，PCOS主要表現(xiàn)為IR，與非PCOS組或者非IR組相比，LncRNA GAS5在PCOS患者體內表達降低，提示GAS5在胰島素抵抗中的保護作用［20］。LncRNA母系表達基因3（materally expressed gene 3，MEG3）在T2DM中表達明顯減少，MEG3的啟動子高甲基化導致DLK1-MEG3的位點表達數(shù)量減少，導致了β細胞的凋亡［21］。此外，LncRNA DMRT2、LncRNA TP53I13在肥胖患者體內表達降低［22］。

2.3 微小RNA（micro RNA，miRNA）與肥胖和IR 在miRNA與代謝有關的研究中提到miR-7、miR-375與IR的關系，mir-375過表達會增加胰島素分泌，而降低則會導致高血糖、肝糖異生增加以及T2DM發(fā)生；miR-7在T2DM中表達增加［23］。IGF1是結構上與胰島素類似的多肽蛋白物質，功能包括降血糖、降血脂、促生長、創(chuàng)傷修復和促進細胞分化。miR-126的抑制會直接作用于IGF1，調控血糖的變化以及肥胖的發(fā)生［24］。另外，一項有關雙酚A（bisphenol A，BPA）的研究［5］表明，BPA暴露會引起肥胖、糖尿病、脂肪肝。BPA的環(huán)境暴露會使miR-338發(fā)生改變，miR-338通過靶向胰十二指腸同源框因子-1（pancreatic and duodenal homeobox 1，PDX-1），控制BPA觸發(fā)的胰島素分泌功能從代償?shù)绞Т鷥?。miR338表達增加，PDX1基因表達減少，GCK啟動子高甲基化，導致IR。同時，BPA的暴露導致脂質生成作用發(fā)生改變，暴露之后損害了miR-192正常功能，與能量代謝、脂肪生成相關的基因固醇調節(jié)元件結合轉錄因子1（recombinant sterol regulatory element binding transcription factor1，SREBF1）表達增加。

2.4 組蛋白修飾與肥胖和IR 人類染色體DNA在基因遺傳中的作用被廣泛認可，組蛋白與DNA結合共同構成核小體。Allfrery等［25］發(fā)現(xiàn)組蛋白通過翻譯后乙?；图谆瘉硇揎?，這與基因表達有關。因此，組蛋白修飾被列入表觀遺傳的范疇。經過修飾，相關基因可以實現(xiàn)表達增強或者表達減弱的作用，為我們認識人體的生理與病理情況提供了更廣泛的參考。組蛋白的修飾與人類疾病關系密切相關，參與了癌癥、免疫病、炎性疾病的進展。

通過解偶聯(lián)蛋白1（uncoupling protein 1，UCP1）介導非顫抖性產熱來調節(jié)能量穩(wěn)態(tài)的棕色脂肪組織（brown adipose tissue，BAT），被認為是對抗肥胖及其相關疾病的治療靶點。BAT的生成可以被脂肪分化過程中增加的異檸檬酸脫氫酶1（isocitrate dehydrogenase，IDH1）介導的α-酮戊二酸（α-ketoglutarate，α-KG）的積累所抑制，使BAT的形成減少。進一步研究發(fā)現(xiàn)，組蛋白3上的第27位賴氨酸（trimethylation of lysine 27 on histone 3，H3K27）的甲基化和乙?；ㄟ^調節(jié)UCP1的表達來調控BAT的生成，同時，抑制BAT生成的IDH1-αKG軸也通過抑制組蛋白3上的第4位賴氨酸（trimethylation of lysine 4 on histone 3，H3K4）和組蛋白3上的第6位賴氨酸（trimethylation of lysine 6 on histone 3，H3K6）的甲基化從而使BAT的數(shù)量減少，導致肥胖以及IR的發(fā)生；表明IDH1調控脂肪生成與代謝的作用是通過組蛋白修飾的方式來進行［26］。

賴氨酸特異性去甲基酶1（histone lysine specific demethylase，LSD1）是一種組蛋白去甲基化酶，可以與激活棕色脂肪相關基因表達從而減少體內脂肪堆積的轉錄調節(jié)因子含PR結構域的因子16（PR domain-containing 16，PRDM16）相結合，從而調節(jié)BAT的代謝。LSD1和PRDM16表達降低會導致H3K4甲基化增強，可能在脂肪分解代謝中起著重要作用。PPARγ和增強子結合蛋白（CCAAT/enhancer-binding proteinα，C/EBPα）協(xié)同控制脂肪細胞的分化，且二者在脂肪形成過程中會受到組蛋白甲基化調控因子PTIP蛋白（Pax2 transactivation domain-interacting protein）的影響，PTIP減少會使PPARγ和C/EBPα表達數(shù)量減少，影響H3K4的甲基化和RNA聚合酶Ⅱ在PPARγ和C/EBPα啟動子上的富集，脂肪細胞的生成產生了缺陷，脂肪生成減少。另一個與H3K9相關的研究表明，H3K9啟動子的甲基化是由組蛋白賴氨酸甲基轉移酶（euchromatic histone lysine methyltransferase 1，EHMT1）通過PRDM16的甲基化來實現(xiàn)，這一過程是米色脂肪形成所必需的［27］。PRDM16的甲基化由TET介導，EHMT1缺失會使脂肪組織介導的產熱作用減少，IR、肥胖、肝脂肪變性幾率增加。一項對小檗堿在脂肪組織的募集和激活作用中的研究稱，小檗堿可以通過AMPK-α-KGPRDM16軸促進脂肪組織的熱發(fā)生，從而減少脂肪的儲積。H3K4等部位的組蛋白修飾在一些高表達的胰島特異性基因編碼位點如INS上表達下降，表明了組蛋白修飾的作用［28］。奧氮平引發(fā)肥胖的一項研究中發(fā)現(xiàn)，H3K9三甲基化、H3K9二甲基化是在EHMT2的作用下調控脂肪形成的［29］。H3K9的組蛋白去甲基化酶（Jumonji domain-containing protein，JMJD1A）調節(jié)β腎上腺素能誘導的全身代謝和體重控制，JMJD1A被蛋白激酶a磷酸化，是激活BATβ1腎上腺素能受體基因（β1-adrenergic receptor，ADRB1）和包括UCP1在內的靶點的關鍵。在小鼠試驗中還發(fā)現(xiàn)經過體能鍛煉的小鼠的組蛋白19（H19）甲基化水平升高，與糖尿病的發(fā)生存在負相關。胰島素高表達的HepG2細胞中H3K4表現(xiàn)出高甲基化和組蛋白4（H4）高乙?；?0］。這些研究都提出了組蛋白修飾在肥胖和糖尿病發(fā)病過程中的影響，可能對后續(xù)的研究提供研究的思路。

也有研究發(fā)現(xiàn)，組蛋白賴氨酸殘基的乳酸衍生的乳酸化作用也是組蛋白修飾的一種，作為一種表觀遺傳現(xiàn)象，它在癌癥的進展、血管的生成、炎癥以及免疫病的形成方面起著關鍵的作用。但是作為一種較新的組蛋白修飾的內容，乳酸化在IR、肥胖中的作用還沒有相關的研究，但是為組蛋白乳酸化在肥胖和糖尿病中的作用研究提供了很好的思路，在未來有望在這方面獲得突破。

3 結語

肥胖與IR并不是完全獨立發(fā)病的兩種疾病，二者密切相關，發(fā)病時互為危險因素。從目前的治療手段來看，尚不能完全根治肥胖或IR。表觀遺傳學為人類認識疾病、了解疾病的發(fā)生發(fā)展以及治療、預防提供了思路。在未來的研究中，把表觀遺傳學與肥胖、IR和糖尿病結合起來，揭示其內在機制，對未來人類攻克這一難關有極大的指導意義。