表觀遺傳學(xué)在妊娠期糖尿病中的研究進(jìn)展

田 丹，王 欣，魏文文綜述，于紅松審校

0 引 言

妊娠期糖尿病(gestational diabetes mellitus, GDM)是指妊娠前無糖尿病病史的女性在妊娠期間出現(xiàn)葡萄糖糖耐量異常，是妊娠期間常見的并發(fā)癥之一[1]。全球女性GDM的發(fā)病率為13.9%[2]，亞洲女性GDM發(fā)病率為11.5%[3]，而我國西部地區(qū)女性GDM發(fā)病率為18.3%[4]。目前為止，GDM的發(fā)病機(jī)制尚不完全清楚?，F(xiàn)普遍認(rèn)為GDM的發(fā)病機(jī)制與遺傳學(xué)、表觀遺傳學(xué)和環(huán)境等因素有關(guān)。

表觀遺傳學(xué)是指在DNA序列不發(fā)生改變的情況下使基因表達(dá)發(fā)生可遺傳的改變。表觀遺傳學(xué)調(diào)控基因表達(dá)的方式主要包括DNA甲基化、組蛋白修飾和非編碼RNA(non-coding RNAs, ncRNAs)等，這些調(diào)控基因表達(dá)的方式可影響基因在細(xì)胞和整個(gè)生物體中的表達(dá)和變異[5-6]。近年來研究表明，表觀遺傳學(xué)因素在GDM發(fā)生發(fā)展過程中發(fā)揮重要作用。因此，本文對(duì)DNA甲基化、組蛋白修飾和ncRNAs等表觀遺傳因素在GDM中的研究進(jìn)展作一綜述。

1 DNA甲基化與GDM

DNA甲基化是最穩(wěn)定和目前研究最深入的表觀遺傳修飾形式。DNA甲基化是指在DNA甲基化轉(zhuǎn)移酶的催化下，S-腺苷甲硫氨酸上的甲基轉(zhuǎn)移到基因組鳥苷酸二核苷酸胞嘧啶(CpG)堿基的5位碳原子上，最終形成5-甲基胞嘧啶的過程[7]。研究表明，基因啟動(dòng)子區(qū)域DNA低甲基化能激活基因的轉(zhuǎn)錄，而DNA高甲基化則抑制基因的轉(zhuǎn)錄[8-9]。近年來研究發(fā)現(xiàn)，異常DNA甲基化與GDM的發(fā)病有關(guān)[10]。

Zahra等[11]研究發(fā)現(xiàn)，相對(duì)于對(duì)照組，GDM子代大鼠胰島基因CDKN2A和CDKN2B啟動(dòng)子CpG位點(diǎn)的DNA甲基化顯著降低，CDKN2A和CDKN2B基因的mRNA表達(dá)顯著升高，且該兩個(gè)基因啟動(dòng)子區(qū)的DNA低甲基化與母體高血糖顯著關(guān)聯(lián)，提示GDM大鼠可能通過調(diào)控胰島基因CDKN2A/B啟動(dòng)子DNA甲基化水平對(duì)子代胰腺β細(xì)胞產(chǎn)生不良影響，進(jìn)而參與胰腺β細(xì)胞功能障礙和糖尿病的發(fā)生。朱本麗等[12]研究發(fā)現(xiàn)，在經(jīng)胰島素和二甲雙胍降糖藥治療后的GDM大鼠，其子代大鼠胰腺組織PPARGC1A基因DNA甲基化顯著降低和mRNA表達(dá)顯著升高，且與子代大鼠糖脂代謝功能呈正相關(guān)，提示胰島素和二甲雙胍治療GDM大鼠可通過調(diào)控DNA甲基化來改善子代大鼠糖脂代謝。同時(shí)有研究表明，在1型糖尿病大鼠中高血糖會(huì)導(dǎo)致基因組的低甲基化[9]。Dias等[13]對(duì)南非GDM組和健康對(duì)照組孕婦進(jìn)行了全基因組DNA甲基化分析，研究發(fā)現(xiàn)GDM組有1046個(gè)DNA甲基化差異的CpG位點(diǎn)，其中148個(gè)CpG位點(diǎn)高甲基化，898個(gè)CpG位點(diǎn)低甲基化；SLC9A3基因的cg22985016位點(diǎn)DNA高甲基化與GDM孕婦空腹血糖濃度呈正相關(guān)，而KLHDC3基因的cg21910650、CAMTA基因的cg23643951和RASA3基因的cg07966372位點(diǎn)的DNA低甲基化與GDM孕婦空腹血糖濃度呈負(fù)相關(guān)；RASA3基因的cg07966372位點(diǎn)的DNA低甲基化與空腹胰島素濃度呈負(fù)相關(guān)。錢源等[14]對(duì)GDM組和正常對(duì)照組孕婦大網(wǎng)膜下脂肪組織進(jìn)行全基因組DNA甲基化分析，發(fā)現(xiàn)GDM組孕婦大網(wǎng)膜下脂肪組織中有1298個(gè)基因低甲基化位點(diǎn)和1570個(gè)基因高甲基化位點(diǎn)，經(jīng)分析比較后發(fā)現(xiàn)共有42個(gè)甲基化差異基因可能與妊娠期的血糖、血脂、血壓、空腹胰島素水平等密切相關(guān)；GDM組孕婦大網(wǎng)膜下脂肪組織人類白細(xì)胞抗原G啟動(dòng)子區(qū)域甲基化水平顯著升高；提示甲基化差異基因可能參與了胰島素抵抗，并可能是GDM潛在的致病基因。Zhang等[15]研究發(fā)現(xiàn)，與正常對(duì)照組比較，GDM組孕婦大網(wǎng)膜組織中缺氧誘導(dǎo)因子3α(hypoxia-inducing factor 3α, HIF3α)啟動(dòng)子區(qū)域的DNA甲基化顯著升高，且HIF3α表達(dá)顯著降低，提示HIF3α啟動(dòng)子區(qū)域的DNA高甲基化與GDM顯著相關(guān)，并可能是治療GDM潛在的新靶點(diǎn)。

以上研究表明，異常DNA甲基化與GDM孕婦血糖、胰島素等的調(diào)控密切相關(guān)，妊娠期婦女可能通過調(diào)控 DNA甲基化水平對(duì)胰島細(xì)胞功能產(chǎn)生不良影響，參與GDM的發(fā)生發(fā)展，且甲基化差異基因可能是治療GDM潛在的分子靶標(biāo)。因此，進(jìn)一步研究DNA甲基化在GDM中的作用，可為GDM的治療提供新的思路。

2 組蛋白修飾與GDM

組蛋白是染色質(zhì)的重要組成部分之一，其N端氨基酸殘基可被共價(jià)修飾。組蛋白修飾主要包括乙?；?、甲基化、磷酸化、泛素化和ADP核糖基化等。組蛋白修飾在調(diào)控染色質(zhì)壓縮及核小體動(dòng)力學(xué)中起重要作用，同時(shí)，還可直接調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)錄，影響有絲分裂、細(xì)胞凋亡、DNA損傷與修復(fù)、DNA復(fù)制和重組等過程[16]。研究表明，多種組蛋白修飾異常與GDM的發(fā)生相關(guān)聯(lián)。在人類單核細(xì)胞和淋巴細(xì)胞研究中，組蛋白H3賴氨酸的三個(gè)甲基化狀態(tài)(單甲基化，二甲基化和三甲基化)中，其中二甲基化與糖尿病顯著相關(guān)[17-18]。

Michalczyk等[19]研究發(fā)現(xiàn)，與產(chǎn)后未發(fā)展為2型糖尿病(type 2 diabetes mellitus，T2DM)的GDM孕婦比較，產(chǎn)后發(fā)展為T2DM的婦女在妊娠30周和產(chǎn)后8～10周血液中H3K27和H3K4的二甲基化水平顯著降低；與正常對(duì)照組比較，患T2DM的GDM孕婦在妊娠30周血液中H3K27和H3K4的二甲基化水平顯著升高，而在產(chǎn)后8-10周和產(chǎn)后20周血液中H3K27和H3K4的二甲基化水平降低；血液中H3K27和H3K4二甲基化水平可能是預(yù)測(cè)GDM進(jìn)展為T2DM的表觀遺傳學(xué)標(biāo)志物。張薇等[20]發(fā)現(xiàn)GDM組子代小鼠組蛋白乙?；揎椕竝300與過氧化物酶體增殖物激活受體γ(peroxisome proliferator-activated receptor-γ, PPAR-γ)啟動(dòng)子結(jié)合水平和PPAR-γ啟動(dòng)子區(qū)域組蛋白H3乙?；骄@著降低，進(jìn)而影響GDM子代小鼠心肌細(xì)胞糖脂代謝相關(guān)基因的表達(dá)。李松等[21]研究發(fā)現(xiàn)，與正常對(duì)照組比較，GDM孕婦Toll樣受體4(Toll-like receptors 4, TLR4)發(fā)生了乙酰化修飾，同時(shí)TLR4乙?；c核轉(zhuǎn)錄因子κB(nuclear factor-κB, NF-κB)蛋白的表達(dá)呈正相關(guān)；TLR4乙?；赏ㄟ^影響LPS-TLR4-NF-κB通路活化介導(dǎo)炎癥介質(zhì)的釋放，導(dǎo)致孕婦體內(nèi)抗炎-促炎因子失衡，從而參與GDM的發(fā)生。Hepp等[22]發(fā)現(xiàn)GDM孕婦胎盤滋養(yǎng)層細(xì)胞中組蛋白H3賴氨酸9乙?；?Histone H3lysine 9 acetylation, H3K9ac)的表達(dá)顯著下調(diào)；細(xì)胞培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)表明，BeWo細(xì)胞和人絨毛膜滋養(yǎng)層細(xì)胞在高濃度的骨化三醇的刺激下，H3K9ac和mRNA表達(dá)降低，H3K9ac的表達(dá)降低可反應(yīng)轉(zhuǎn)錄活性的下調(diào)；可能與GDM孕婦糖代謝紊亂有關(guān)。

綜上，組蛋白修飾異?？梢鹪袐D體內(nèi)抗炎-促炎因子失衡、糖脂代謝紊亂和胰島素抵抗，參與GDM的發(fā)生。但組蛋白修飾異常在GDM中的具體作用尚不完全清楚，還有待進(jìn)一步深入的研究證實(shí)。

3 ncRNAs與GDM

3.1 miRNAs與GDMmiRNAs是一類內(nèi)源性高度保守的非編碼小RNA分子，大小約為22個(gè)核苷酸[23]；成熟miRNAs通過識(shí)別靶基因的3′非翻譯區(qū)，導(dǎo)致mRNA降解或抑制其翻譯，進(jìn)而抑制蛋白質(zhì)的合成[24]。miRNAs調(diào)控人類約三分之一的基因表達(dá)[23]。miRNAs分子在許多生物學(xué)過程中發(fā)揮著重要的調(diào)控作用，包括細(xì)胞的發(fā)育和分化、細(xì)胞周期調(diào)節(jié)以及維持免疫系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)平衡[25-26]。大量研究已表明，miRNAs分子在糖尿病的發(fā)生發(fā)展中扮演著重要的角色[27-29]。

Zhao等[29]研究發(fā)現(xiàn)，與正常對(duì)照組相比，GDM組孕婦血清中miRNAs(miR-132，miR-29a，miR-222)的表達(dá)顯著降低；進(jìn)一步的研究表明，miRNAs(miR-132，miR-29a，miR-222)的異常表達(dá)出現(xiàn)在GDM孕婦血糖異常之前，提示三者可作為GDM早期診斷的分子靶標(biāo)。明艷等[30]發(fā)現(xiàn)GDM孕婦游離血清中miR-301a表達(dá)顯著升高，且與血清中空腹血糖、空腹胰島素、IL-1、IL-6、TNF-α濃度呈正相關(guān)，而與血清中IL-10的濃度呈負(fù)相關(guān)。GDM孕婦miR-301a表達(dá)升高可能引起促炎因子水平增加，輔助T細(xì)胞的平衡受阻，促炎因子表達(dá)水平高，而抗炎因子表達(dá)水平低，引起GDM孕婦體內(nèi)抗炎-促炎因子失衡，可能通過體內(nèi)炎癥調(diào)節(jié)紊亂引起胰島素抵抗，進(jìn)而參與GDM的發(fā)生發(fā)展。Zhu等[31]研究發(fā)現(xiàn)GDM患者中有5個(gè)miRNAs(miR-16-5p、miR-17-5p、miR-19a-3p、miR-19b-3p和miR-20a-5p)在血糖異常前異常表達(dá)，而這些miRNAs的靶點(diǎn)與絲裂原活化蛋白激酶、胰島素、轉(zhuǎn)化生長因子β和雷帕霉素靶蛋白信號(hào)通路有關(guān)，這一結(jié)果為進(jìn)一步了解miRNAs在GDM中的具體作用機(jī)制提供了基礎(chǔ)。孫天虹等[32]發(fā)現(xiàn)GDM組外周血中空腹胰島素和miR-29表達(dá)顯著降低，而外周血中miR-375表達(dá)顯著升高，因此推測(cè)miR-375可能促進(jìn)胰島β細(xì)胞凋亡，而miR-29的低表達(dá)能夠抑制胰島β細(xì)胞的分化與成熟，在兩者共同作用下，胰島β細(xì)胞數(shù)量受限，胰島功能抑制，進(jìn)而促進(jìn)GDM的發(fā)生發(fā)展。Cao等[33]發(fā)現(xiàn)GDM患者血漿中miR-16-5p、miR-17-5p和miR-20a-5p的表達(dá)明顯增高，且三者的表達(dá)與胰島素抵抗呈正相關(guān)，提示血漿中三種miRNAs的表達(dá)增加可能是GDM潛在的診斷標(biāo)志物。Wang等[34]研究發(fā)現(xiàn)，GDM孕婦血清中游離的miRNA-19a和miRNA-19b表達(dá)增加；有酗酒史的GDM患者，miRNA-19a表達(dá)是對(duì)照組的4.31倍，而非酒精組的miRNA-19a表達(dá)是對(duì)照組的3.72倍，差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義；同時(shí)有吸煙史的GDM患者miRNA-19b表達(dá)為對(duì)照組的5.04倍，無吸煙史的GDM患者miRNA-19b表達(dá)為對(duì)照組的4.41倍。

Wang等[35]研究發(fā)現(xiàn)GDM患者胎盤來源的單核巨噬細(xì)胞miR-657的表達(dá)顯著增加，而IL-37的mRNA表達(dá)水平降低；且miR-657表達(dá)與IL-37水平呈負(fù)相關(guān)，同時(shí)該研究發(fā)現(xiàn)miR-657可靶向調(diào)節(jié)IL-37和通過NF-κB信號(hào)通路增強(qiáng)脂多糖誘導(dǎo)的巨噬細(xì)胞炎癥反應(yīng)，進(jìn)而參與了GDM的發(fā)病。Zhou等[36]研究發(fā)現(xiàn)GDM孕婦miR-132的表達(dá)顯著降低，且miR-132的表達(dá)與GDM孕婦的空腹血糖水平呈負(fù)相關(guān)，血清中miR-132的表達(dá)水平降低可能是診斷GDM潛在的生物標(biāo)志物。

綜上所述，miRNAs的表達(dá)異?？赡芘c妊娠期間孕婦體內(nèi)免疫促炎-抗炎因子失衡、胰島β細(xì)胞功能受損有關(guān)，且部分miRNAs的表達(dá)異常是發(fā)生在GDM孕婦血糖異常之前，因此，在孕早期檢測(cè)miRNAs分子的表達(dá)，將有助于GDM的早期診斷。但是，這些表達(dá)異常的miRNAs如何靶向調(diào)節(jié)GDM的發(fā)生發(fā)展尚不完全清楚，有待進(jìn)一步的研究。

3.2lncRNAs與GDMlncRNAs是一類長度超過200個(gè)核苷酸的非編碼RNA。lncRNAs缺乏編碼蛋白質(zhì)的功能，但在RNA聚合酶Ⅱ作用下，lncRNAs經(jīng)轉(zhuǎn)錄后可得到類似mRNA的特征，包括5′加帽、剪接和多聚腺苷酸化[37]。廣義lncRNAs可分為五類，包括正義lncRNAs、反義lncRNAs、雙向lncRNAs、內(nèi)含子lncRNAs和基因間lncRNAs[38]。lncRNAs可通過招募染色質(zhì)修飾蛋白復(fù)合體到基因的特定位點(diǎn)并發(fā)揮催化活性，進(jìn)而調(diào)控基因的表達(dá)[39]；lncRNAs可充當(dāng)內(nèi)源競爭RNA(competing endogenous RNA,ceRNA)或RNA海綿與miRNAs結(jié)合，解除miRNAs與靶基因的結(jié)合，使靶基因表達(dá)水平上調(diào)[38]。此外，lncRNAs作為轉(zhuǎn)錄激活因子或抑制因子參與靶基因的調(diào)控[40]。研究表明，lncRNAs與GDM的發(fā)生發(fā)展有關(guān)[41]。

Zhang等[42]研究發(fā)現(xiàn)，GDM孕婦外周血液和胎盤絨毛組織中l(wèi)ncRNA MEG3的表達(dá)顯著升高；通過熒光素酶實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)miR-345-3p是lncRNA MEG3的靶點(diǎn)，其在GDM孕婦中的表達(dá)顯著降低；進(jìn)一步分析表明lncRNAMEG3過表達(dá)除誘導(dǎo)HTR-8/SVneo細(xì)胞凋亡外，還顯著抑制HTR-8/SVneo細(xì)胞的活力和細(xì)胞的遷移和侵襲；可能通過調(diào)節(jié)胎盤滋養(yǎng)層細(xì)胞的功能來參與GDM的發(fā)生發(fā)展。李麗等[43]發(fā)現(xiàn)GDM孕婦血清中l(wèi)ncRNAMALAT1的表達(dá)顯著降低，且與空腹血糖水平呈負(fù)相關(guān)，同時(shí)還發(fā)現(xiàn)lncRNAMALAT1的表達(dá)與GDM的嚴(yán)重程度和不良妊娠結(jié)局發(fā)生率有關(guān)。此外，Zhang等[44]研究發(fā)現(xiàn)GDM孕婦血清中l(wèi)ncRNAMALAT1表達(dá)顯著升高，提示孕婦血清中l(wèi)ncRNAMALAT1的表達(dá)水平與GDM有關(guān)，可作為GDM潛在的血清生物標(biāo)志物。以上兩項(xiàng)研究均檢測(cè)了GDM孕婦血清中l(wèi)ncRNAMALAT1的表達(dá)情況，但研究結(jié)果存在分歧，其原因可能是由于孕周、樣本數(shù)量和GDM的嚴(yán)重程度等因素存在差異，因此，需要擴(kuò)大樣本量和統(tǒng)一研究對(duì)象的標(biāo)準(zhǔn)來驗(yàn)證lncRNAMALAT1在不同人群中的表達(dá)譜的變化，以證實(shí)lncRNAMALAT1與GDM的關(guān)系。

lncRNAs的異常表達(dá)可能是治療GDM的潛在的生物學(xué)標(biāo)志物，目前l(fā)ncRNAs在許多疾病中的具體調(diào)控作用和功能還未完全解釋清楚，且GDM的發(fā)病機(jī)制復(fù)雜，還需進(jìn)行大量深入的研究來進(jìn)一步闡明lncRNA在GDM中的作用。

3.3circRNAs與GDMcircRNAs是首先在植物中發(fā)現(xiàn)的單鏈共價(jià)閉合RNA分子的類病毒，但大多被誤解為基因轉(zhuǎn)錄過程中剪接錯(cuò)誤的產(chǎn)物。近年來研究發(fā)現(xiàn)，circRNAs是一類不含5′端帽子或3′端加Poly(A)尾，以共價(jià)鍵結(jié)合的閉合環(huán)狀結(jié)構(gòu)的內(nèi)源性非編碼RNA分子[45]。circRNAs的生物學(xué)特性包括進(jìn)化保守性、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性及組織特異性等；細(xì)胞內(nèi)circRNAs比線性RNA的穩(wěn)定性高，且能抵抗RNA核酸外切酶的降解[45-46]。circRNAs可通過與RNA結(jié)合蛋白結(jié)合影響mRNA的表達(dá)；少部分circRNAs可充當(dāng)miRNA海綿，通過與miRNA競爭結(jié)合來發(fā)揮靶基因的調(diào)控作用[47-48]。此外，circRNAs可與核小RNA或RNA聚合酶Ⅱ的相互作用調(diào)控轉(zhuǎn)錄，也可與轉(zhuǎn)錄因子的結(jié)合競爭性調(diào)節(jié)RNA的剪接[49]。有研究表明，circRNAs與糖尿病的發(fā)病有關(guān)；has-circRNA-0054633在糖尿病中的表達(dá)顯著上調(diào)[48-51]。

Yan等[52]研究發(fā)現(xiàn)GDM孕婦胎盤絨毛中有227種circRNAs顯著上調(diào)，255種circRNAs顯著下調(diào)，進(jìn)一步分析表明這些存在差異表達(dá)的circRNAs上有一個(gè)或多個(gè)與GDM相關(guān)的miRNAs的結(jié)合位點(diǎn)，且與糖代謝和脂代謝等信號(hào)通路有關(guān)。Wu等[51]研究發(fā)現(xiàn)在妊娠中晚期的GDM孕婦血清和胎盤中has-circRNA-0054633表達(dá)升高，且與餐后血糖、糖化血紅蛋白A1(glycosylated hemoglobin A1，GHBA1)和GHBA1c的濃度呈正相關(guān)，提示has-circRNA-0054633可能是GDM敏感的血清標(biāo)志物。Wang等[53]研究發(fā)現(xiàn)GDM孕婦血漿和胎盤組織中has-circRNA-0005243的表達(dá)顯著降低，同時(shí)該研究證實(shí)了has-circRNA-0005243的表達(dá)降低可抑制HTR-8/SVneo細(xì)胞的增殖和遷移，促進(jìn)IL-6和TNF-α的產(chǎn)生，引起GDM孕婦體內(nèi)免疫平衡紊亂，從而參與GDM的發(fā)生發(fā)展。

以上研究表明circRNAs與糖脂代謝信號(hào)通路有關(guān)，表達(dá)譜的改變可能參與GDM的發(fā)病過程，但circRNAs在GDM中具體發(fā)揮的作用有待進(jìn)一步的闡釋，其是否可作為GDM的生物學(xué)標(biāo)志物還需進(jìn)行大量深入的研究。

4 結(jié)語與展望

綜上所述，GDM是妊娠期間常見的并發(fā)癥之一，可對(duì)孕婦、胎兒造成嚴(yán)重的不良影響。表觀遺傳學(xué)因素的改變可引起妊娠期間糖脂代謝異常、胰島β細(xì)胞功能障礙、體內(nèi)炎性因子的失衡，這與GDM的發(fā)生發(fā)展密切相關(guān)。多項(xiàng)研究證實(shí)，GDM孕婦體內(nèi)存在許多異常表達(dá)的ncRNAs，可能是診斷和治療GDM潛在的生物標(biāo)志物。然而，表觀遺傳學(xué)因素改變的原因及其參與GDM發(fā)生發(fā)展的具體機(jī)制尚未完全闡明，有待進(jìn)一步的研究。因此，繼續(xù)深入研究表觀遺傳學(xué)因素在GDM發(fā)病機(jī)制中的作用，有助于加深對(duì)GDM病因?qū)W的理解，為GDM的預(yù)防、診斷、治療及預(yù)后提供新的思路和有效的分子靶標(biāo)。