肥胖相關(guān)代謝、免疫炎癥基因的甲基化研究進(jìn)展

★ 李錦超 任美玲 吳紫葶 徐曉英 王萍（江西中醫(yī)藥大學(xué)中醫(yī)學(xué)院 南昌 330004）

肥胖是一種世界性疾病，自90年代以來，中國(guó)超重率和肥胖率都迅速上升。2015年的《中國(guó)居民營(yíng)養(yǎng)與慢性病狀況報(bào)告》顯示，全國(guó)18歲以上成人的超重率達(dá)到了30.1%，其中肥胖率為11.9%，肥胖特別是以腹部脂肪過度積聚的中心性肥胖，多繼發(fā)高血壓、冠心病、糖尿病、脂肪型肝炎等，肥胖病已成為必須重視的健康問題。肥胖是一種以體脂過多為特征的疾病，其發(fā)生除了先天的“自發(fā)性肥胖”外，也與后天的、環(huán)境因素相關(guān)。后天性肥胖多由能量代謝異常導(dǎo)致，一般認(rèn)為這種能量代謝異常與脂代謝、糖代謝的紊亂相關(guān)。肥胖的發(fā)生是遺傳、不健康飲食、行為偏差、藥物作用、內(nèi)分泌因素等多種因素綜合作用下的結(jié)果。

表觀遺傳修飾是不同環(huán)境因子與基因表達(dá)相互作用的結(jié)果，強(qiáng)調(diào)基因與環(huán)境的交互作用。DNA甲基化是表觀遺傳的主要調(diào)控方式之一，能夠影響異染色質(zhì)形成、細(xì)胞分化、轉(zhuǎn)基因沉默等。一般而言，低甲基化可增強(qiáng)基因的表達(dá)，高甲基化則能抑制基因表達(dá)。DNA甲基化修飾在腫瘤、自身免疫性疾病、代謝性疾病等慢性復(fù)雜性疾病中均發(fā)揮著重要作用［1］。基因的DNA甲基化改變參與了脂肪的形成、存儲(chǔ)，糖原的合成、降解以及肥胖慢性炎癥等多個(gè)過程，從而能對(duì)肥胖的發(fā)生起著重要作用。另外，在一些通過手術(shù)、藥物等手段治療肥胖的研究中，往往也發(fā)現(xiàn)患者的的甲基化狀態(tài)發(fā)生了改變。從DNA甲基化修飾角度來認(rèn)識(shí)肥胖，能夠?yàn)楦深A(yù)和治療肥胖及相關(guān)疾病提供有效手段和新的思路。

1 糖脂代謝異常

1.1 脂代謝 肥胖表現(xiàn)為全身脂肪組織的過度增生，當(dāng)身體成分中的脂肪蓄積過度，超過標(biāo)準(zhǔn)體重的20%被視為肥胖病理狀態(tài)。脂肪組織包含脂肪前體細(xì)胞、脂肪細(xì)胞、微血管內(nèi)皮細(xì)胞以及細(xì)胞外基質(zhì)等。因此，脂肪細(xì)胞的數(shù)量及大小決定了脂肪組織的多少。研究表明脂肪沉積能力大小與甲基化水平呈負(fù)相關(guān)［2］，POMC，PPARs, TNF-α等許多基因啟動(dòng)子區(qū)CpG島甲基化在肥胖狀態(tài)下均發(fā)生了改變［3］。另外，DNA甲基化在脂肪細(xì)胞的增殖分化過程中也發(fā)揮著生理調(diào)控作用。在3T3-L1前脂肪細(xì)胞分化中,DNA甲基轉(zhuǎn)移酶DNMT1、DNMT3a、DNMT3b和甲基化結(jié)合蛋白MeCP2的mRNA水平隨分化水平的增加而逐漸升高［4］；在前脂肪細(xì)胞分化為脂肪細(xì)胞的過程中，C/EBPβ基因的表達(dá)會(huì)起到重要作用，而CpG甲基化修飾的變化會(huì)影響C/EBPβ基因的表達(dá)，從而促進(jìn)前脂肪細(xì)胞的分化［5］。瘦素（leptin）是近年來發(fā)現(xiàn)并被闡明的脂肪細(xì)胞分泌的一種蛋白質(zhì)。在一項(xiàng)對(duì)重度肥胖患者的試驗(yàn)研究中發(fā)現(xiàn)，leptin啟動(dòng)子區(qū)的特定CpG位點(diǎn)DNA甲基化水平與低密度脂蛋白（LDL-C）水平呈正相關(guān)，且與皮下脂肪組織的LEP mRNA水平呈負(fù)相關(guān)。當(dāng)調(diào)整DNA甲基化后，LDL-C與LEP mRNA的相關(guān)性不再顯著［6］。PPAR-γ作為一種核受體蛋白，在脂肪細(xì)胞的分化和糖平衡中起生理調(diào)節(jié)作用。激活的PPAR-γ能夠使細(xì)胞分化終止并且刺激脂肪組織特異性基因的表達(dá)。而實(shí)驗(yàn)證明肥胖模型小鼠內(nèi)臟脂肪組織的PPAR-γ啟動(dòng)子的甲基化水平明顯高于野生型小鼠［7］。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，父系小鼠的高脂飲食或者有氧運(yùn)動(dòng)方式可能通過子代小鼠附睪周脂肪組織PPAR-γ基因甲基化水平的改變從而影響基因的表達(dá)，進(jìn)而對(duì)子代（限于雄鼠）的脂肪等代謝表型產(chǎn)生影響［8］。近年來，基因敲除術(shù)也多被應(yīng)用于肥胖研究。在IRX3 基因敲除的實(shí)驗(yàn)中，被敲除基因小鼠出現(xiàn)基礎(chǔ)代謝增強(qiáng)、能量消耗水平高、體重明顯下降等變化。同時(shí)，也觀察到基因敲除小鼠存在脂肪組織的減少以及脂肪細(xì)胞尺寸縮小等現(xiàn)象［9］。有學(xué)者認(rèn)為位于 IRX3 基因 5′UTR 的 3 個(gè)位點(diǎn)的甲基化變化可能與肥胖的發(fā)生及上述變化有關(guān)［10］。而與膽固醇的生物合成過程相關(guān)的基因Sc5d及其它肥胖相關(guān)基因，在一項(xiàng)溫膽湯干預(yù)肥胖痰濕證模型的研究中發(fā)現(xiàn)甲基化程度明顯增加，從而認(rèn)為肥胖痰濕證模型的形成與脂肪組織代謝相關(guān)基因的啟動(dòng)子甲基化狀態(tài)的改變相關(guān)［11］。

肥胖病患者大多存在脂質(zhì)代謝紊亂，臨床上血脂異常為其常見癥狀。具體表現(xiàn)為血漿三酰甘油、總膽固醇（TC）、LDL-C均升高且與BMI呈正相關(guān)，血漿高密度脂蛋白（HDL-C）降低，并與BMI呈負(fù)相關(guān)。高脂血癥容易誘發(fā)脂肪肝、冠心病、高血壓等疾病。研究指出腹型肥胖并且AGTR1基因低甲基化患者罹患糖尿病的風(fēng)險(xiǎn)是非腹型肥胖的4.14倍［12］。干預(yù)肥胖對(duì)預(yù)防其它疾病的發(fā)生有重要作用。

1.2 糖代謝 肥胖病患者的脂肪細(xì)胞體積會(huì)變大，而過大的脂肪細(xì)胞會(huì)降低機(jī)體對(duì)胰島素的敏感性。為了維持機(jī)體的代謝平衡，胰島就必須要分泌高于正常人4～5倍的胰島素，而長(zhǎng)期刺激胰島會(huì)導(dǎo)致其功能衰竭。因此，肥胖病患者多繼發(fā)糖尿病等相關(guān)疾病。同時(shí)，高胰島素血癥也會(huì)促進(jìn)脂肪的合成過程，反過來又會(huì)加重肥胖癥。胰島素對(duì)體內(nèi)脂肪及糖代謝的調(diào)節(jié)涉及許多方面，如肝臟、脂肪中脂肪酸及葡萄糖的代謝等。應(yīng)用基因組甲基化技術(shù)，發(fā)現(xiàn)肥胖合并2型糖尿?。═2DM）患者內(nèi)臟脂肪組織胰島素抵抗基因甲基化水平顯著異常，與T2DM病態(tài)肥胖呈正相關(guān)。

不出現(xiàn)低血糖是肥胖病患者高胰島素血癥的特點(diǎn)。在高脂飲食喂養(yǎng)的肥胖大鼠中，研究人員發(fā)現(xiàn)肝葡萄糖激酶（GcK）及左旋丙酮酸激酶基因DNA甲基化水平增高，并與基因的表達(dá)呈負(fù)相關(guān)，這會(huì)影響葡萄糖儲(chǔ)存和糖原合成導(dǎo)致血糖的升高［13］。在另一項(xiàng)長(zhǎng)期高脂飲食的小鼠實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，脂肪組織同源盒基因Hoxa5的高甲基化與葡萄糖耐受量和胰島素敏感性都存在著相關(guān)性［14］。另外高脂飲食誘導(dǎo)的肥胖小鼠，其附睪脂肪組織以及肥胖病人的大網(wǎng)膜組織，都可見DNA 低甲基化改變。MBD2 作為肥胖癥的易感基因，當(dāng)被敲除時(shí)，可以有效改善高脂飲食誘導(dǎo)肥胖小鼠的葡萄糖耐量異常以及胰島素抵抗，其甲基化信息不被翻譯，從而能夠有效減少高脂飲食所誘導(dǎo)的肥胖的發(fā)生［15］。此外肥胖的發(fā)生也多與遺傳因素相關(guān)，父母親肥胖，其子女肥胖的發(fā)生概率高達(dá)70%～80%。關(guān)于人類肥胖研究顯示，父本肥胖顯著改變 sncRNA表達(dá)和DNA甲基化水平，并且父本肥胖的后代MEST，PEG3，NNAT及IGF2 印跡基因的差異甲基化區(qū)域甲基化水平異常［16］。而孕婦高血糖可引起胎盤中PR結(jié)構(gòu)域家族蛋白16（PRDM16）、骨形態(tài)發(fā)生蛋白7（BMP7）和過氧化物酶體增殖物激活受體γ共激活因子1α（PPARGC1α）位點(diǎn)的表觀遺傳程序的改變，影響子代的糖脂代謝及脂肪組織的生成，這也可能增加了子代發(fā)展為肥胖和2 型糖尿病的風(fēng)險(xiǎn)［17］。

2 免疫炎癥

在肥胖的發(fā)生過程中，伴隨脂質(zhì)累積、脂肪細(xì)胞體積增大、新生微血管限制等，一旦超出細(xì)胞的最大承受范圍，脂肪細(xì)胞會(huì)破裂凋亡，從而被巨噬細(xì)胞所吞噬清除，這是引發(fā)肥胖病全身性慢性低度炎癥性的一個(gè)原因［18］。另外，增生肥大的脂肪細(xì)胞同時(shí)又會(huì)產(chǎn)生多種的促炎因子及趨化因子［19］，從而引起或增加機(jī)體的炎性反應(yīng)。另外有研究發(fā)現(xiàn)肥胖患者的脂肪相關(guān)巨噬細(xì)胞（ATM）由抗炎的M2 型向促炎的 M1 型巨噬細(xì)胞轉(zhuǎn)變［20］。巨噬細(xì)胞分泌的促炎因子能夠促進(jìn)前脂肪細(xì)胞增生，引起脂肪細(xì)胞增多，從而加重肥胖程度［21］。因此認(rèn)為肥胖的發(fā)生與炎癥因素密切相關(guān)。巨噬細(xì)胞的表型變化可以調(diào)節(jié)肥胖誘導(dǎo)的炎癥和胰島素抵抗，而M1型RAW264.7細(xì)胞中 NLRC5 表達(dá)的減少與DNA啟動(dòng)子區(qū)域的甲基化有關(guān)［22］。scd1被認(rèn)為是一種在脂肪細(xì)胞分化中可以廣泛表達(dá)的酶，主要是負(fù)責(zé)單不飽和脂肪酸的生物合成過程，并能夠影響脂肪相關(guān)的炎性反應(yīng)。研究發(fā)現(xiàn)scd1的過表達(dá)與全身的DNA低甲基化狀態(tài)有關(guān)，而scd1的沉默可能導(dǎo)致全身的高甲基化狀態(tài)［23］。KLF4作為轉(zhuǎn)錄因子，在血管內(nèi)皮細(xì)胞、巨噬細(xì)胞中，均發(fā)揮抗炎作用。而肥胖個(gè)體的KLF4基因特定啟動(dòng)子區(qū)CpG 位點(diǎn)的甲基化陽性率明顯高于正常個(gè)體［24］。在中醫(yī)學(xué)上有“肥人多痰”的說法，認(rèn)為“脾虛生痰，痰濕內(nèi)盛”是肥胖痰濕證形成的病機(jī)，而脾虛痰濕與免疫機(jī)制密切相關(guān)。溫膽湯干預(yù)后的痰濕肥胖模型大鼠，其TNF-α、IL-6、IL-17、IL-22等炎癥因子的表達(dá)顯著下降，而痰濕體質(zhì)與平和體質(zhì)在全基因組層面存在系統(tǒng)性的DNA甲基化表達(dá)譜差異［25］。

肥胖病患者的巨噬細(xì)胞吞噬功能及T細(xì)胞功能均較正常人低，由于免疫功能低下，肥胖病患者罹患其它免疫缺陷疾病的風(fēng)險(xiǎn)增加。例如，在臨床上，肥胖就被認(rèn)為是過敏性紫癜患兒腎臟損傷的獨(dú)立危險(xiǎn)因素［26］。又如膝關(guān)節(jié)骨性關(guān)節(jié)炎（KOA），研究顯示，KOA患者滑膜組織miR-203基因啟動(dòng)子區(qū)的低甲基化狀態(tài)與肥胖KOA患者的BMI及關(guān)節(jié)液中促炎癥因子的水平密切相關(guān)［27］。研究還表明DNA的低甲基化會(huì)促使血管的平滑肌細(xì)胞增殖和纖維沉積，并且使外周血中參與免疫及炎性反應(yīng)的細(xì)胞也過度增殖［28］，而這會(huì)加速動(dòng)脈粥樣硬化（AS）的發(fā)生發(fā)展。肥胖指標(biāo)升高，顯著增加了心血管疾病、腦卒中的患病風(fēng)險(xiǎn)［29］。

3 其它因素

如上所述，以表觀遺傳學(xué)的DNA甲基化改變?yōu)榍腥朦c(diǎn)，從糖、脂代謝異常和免疫炎癥方面解釋了肥胖的相關(guān)發(fā)病機(jī)制。而從病因角度來講，除攝入高脂、高糖熱量過多外，肥胖的發(fā)生與個(gè)人的飲食習(xí)慣、運(yùn)動(dòng)量、環(huán)境、心理因素等也密切相關(guān)。這與表觀遺傳學(xué)強(qiáng)調(diào)環(huán)境-生理-心理的內(nèi)涵一致。以生存環(huán)境為例，雙酚A（BPA）是一種典型的環(huán)境內(nèi)分泌干擾物,常出現(xiàn)在日常生活用品及某些醫(yī)療器械中。而BPA的暴露，導(dǎo)致與肥胖相關(guān)的脂代謝通路、脂肪因子信號(hào)通路和生長(zhǎng)因子信號(hào)通路分別有24、29和34個(gè)基因的甲基化發(fā)生了改變［30］，從而誘發(fā)肥胖、脂代謝異常等。

肥胖是一種攝食過度性疾病，此類患病人群大多食欲亢進(jìn)。被高脂飲食喂養(yǎng)的成年小鼠被發(fā)現(xiàn)其MC4R基因明顯呈低甲基化水平，這會(huì)增加小鼠的食欲和攝食行為［31］。從干預(yù)治療角度考慮，肥胖作為一種能量代謝失衡的疾病，除控制能量攝入外，也應(yīng)增加熱量消耗。運(yùn)動(dòng)是健康減肥方式的首先方式，當(dāng)運(yùn)動(dòng)聯(lián)合膳食干預(yù)時(shí)，有效上調(diào)了leptin基因啟動(dòng)子區(qū)CpG位點(diǎn)的平均甲基化程度且降低下丘腦leptin受體基因啟動(dòng)子區(qū)CpG位點(diǎn)的平均甲基化程度［32］。Laker R C 等［33］也指出運(yùn)動(dòng)可以預(yù)防母體高脂飲食誘導(dǎo)的PGC-1α甲基化及后代年齡相關(guān)的代謝障礙等。與此同時(shí)，心理因素也不可忽略。有學(xué)者認(rèn)為抑郁是肥胖的獨(dú)立危險(xiǎn)因素［34］，機(jī)體在焦慮和抑郁狀態(tài)下，下丘腦-垂體-腎上腺軸失調(diào)，進(jìn)而會(huì)影響體內(nèi)的糖脂代謝導(dǎo)致肥胖的發(fā)生［35］。同時(shí)肥胖也會(huì)加重患者的焦慮、抑郁情緒，形成一種惡性循環(huán)。以女性多囊卵巢綜合征（PCOS）為例，約有60%的PCOS患者存在焦慮、抑郁狀態(tài)［36］。而PCOS患者GC中與脂質(zhì)和類固醇合成相關(guān)的幾個(gè)基因啟動(dòng)子呈低甲基化［37］，其脂肪組織LHCGR基因位點(diǎn)的甲基化降低,INSR基因位點(diǎn)的甲基化增高［38］?；加幸钟簟⒔箲]疾病的患者，其伏隔核NAc甲基轉(zhuǎn)移酶Dnmt3a增加，并且這種焦慮抑郁狀態(tài)會(huì)在后代顯現(xiàn)，具有穩(wěn)定遺傳性［39］。因此，對(duì)于肥胖患者來說，除做好肥胖的對(duì)癥治療，干預(yù)患者的心理健康、習(xí)慣、行為等也是十分必要的。

4 小結(jié)

甲基化位點(diǎn)所識(shí)別的基因參與脂蛋白代謝、糖代謝、底物轉(zhuǎn)運(yùn)及炎癥通路等多個(gè)過程。因此，認(rèn)為DNA甲基化修飾在肥胖病的發(fā)生發(fā)展中起著重要作用。但是單個(gè)基因的啟動(dòng)子、轉(zhuǎn)錄區(qū)等具體改變及其表達(dá)變化仍需深入研究。

從DNA甲基化修飾的角度來認(rèn)識(shí)肥胖，不僅僅是對(duì)肥胖病本身產(chǎn)生的機(jī)制加以解釋，更強(qiáng)調(diào)疾病發(fā)生的后天因素以及疾病的可調(diào)控性。因此，認(rèn)為肥胖所導(dǎo)致的甲基化異常是可以通過藥物治療、手術(shù)、運(yùn)動(dòng)等扭轉(zhuǎn)。DNA甲基化也可以作為疾病的分子機(jī)制研究和藥物研發(fā)及靶向治療的新切入點(diǎn)，為認(rèn)識(shí)和治療復(fù)雜性疾病提供思路。同時(shí)，DNA甲基化作為哺乳動(dòng)物一種最穩(wěn)定的表觀遺傳修飾調(diào)控方式之一，在肥胖的代際傳遞中也發(fā)揮著重要作用，這對(duì)于預(yù)防肥胖及相關(guān)代謝性疾病的遺傳也起積極作用。