表觀遺傳修飾與代謝性疾病及腸道菌群的研究進(jìn)展

袁雪梅 熊歡 周瑞杰 李雪銀 鄒愛標(biāo) 王華林

[摘要]?近年來，代謝性疾病成為影響人類健康的重要因素，如肥胖、糖尿病、非酒精性肝炎、代謝性心血管疾病等。代謝性疾病的發(fā)病率逐年上升，嚴(yán)重威脅人類健康。代謝性疾病的發(fā)生與基因表達(dá)的深刻改變有關(guān)。在遺傳和環(huán)境因素的影響下，表觀遺傳修飾脫氧核糖核酸（deoxyribonucleic?acid，DNA）甲基化通過調(diào)節(jié)基因表達(dá)，影響疾病的發(fā)生與發(fā)展。腸道菌群在調(diào)節(jié)宿主生理系統(tǒng)代謝反應(yīng)中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用，腸道菌群通過產(chǎn)生大量代謝物，促進(jìn)宿主生理機(jī)能，維持腸道屏障功能，促進(jìn)腸道激素和腸腦軸的分泌。腸道菌群代謝產(chǎn)物短鏈脂肪酸還可通過提供甲基供體等，誘導(dǎo)DNA甲基化；與腸道菌群和其他相關(guān)代謝通路有關(guān)的DNA甲基化與代謝性疾病的發(fā)展存在密切關(guān)系。本文旨在闡述代謝性疾病的發(fā)病機(jī)制，為尋找有效干預(yù)手段提供新的研究線索和思路。

[關(guān)鍵詞]?表觀遺傳修飾；DNA甲基化；代謝性疾病；腸道菌群

[中圖分類號(hào)]?R589??????[文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼]?A??????[DOI]?10.3969/j.issn.1673-9701.2023.09.027

近年來，代謝性疾病發(fā)病率逐年上升，嚴(yán)重影響人類健康；代謝性疾病通常是環(huán)境和遺傳因素共同作用的結(jié)果，隨著表觀遺傳學(xué)研究的不斷深入，對(duì)表觀遺傳學(xué)調(diào)控代謝性疾病的機(jī)制，研究者提出諸多假設(shè)并開展相關(guān)研究。本文從表觀遺傳修飾脫氧核糖核酸（deoxyribonucleic?acid，DNA）甲基化和腸道菌群的角度，探討代謝性疾病的發(fā)病機(jī)制，為代謝性疾病的防治提供思路。

1??表觀遺傳修飾DNA甲基化

表觀遺傳學(xué)是指在有絲分裂和減數(shù)分裂過程中，在DNA序列未改變的情況下發(fā)生的基因功能的可遺傳變化。表觀遺傳學(xué)研究的三大核心內(nèi)容包括DNA甲基化、組蛋白修飾和非編碼核糖核酸（ribonucleic?acid，RNA）編輯，可調(diào)控細(xì)胞分化、細(xì)胞特異性基因表達(dá)、X染色體失活及基因組的穩(wěn)定性和結(jié)構(gòu)[1]。在哺乳動(dòng)物基因組中，研究最廣泛的表觀遺傳標(biāo)記是DNA甲基化。

DNA甲基化是在DNA甲基轉(zhuǎn)移酶的催化下，以S-腺苷甲硫氨酸為供體，將一個(gè)甲基基團(tuán)共價(jià)添加到CpG島胞嘧啶的第五位碳原子上，形成5-甲基胞嘧啶[2]。哺乳動(dòng)物基因組中約有2800萬個(gè)CpG位點(diǎn)，其中60%～80%被甲基化。基因組中具有高CpG密度的區(qū)域被稱為CpG島，大部分位于基因啟動(dòng)子區(qū)，還有一部分以分散的形式存在于DNA序列中[3]。與CpG位點(diǎn)相反，大多數(shù)啟動(dòng)子區(qū)的CpG通常是未被甲基化的，以維持基因轉(zhuǎn)錄活性。DNA甲基化通過招募抑制基因表達(dá)的蛋白，或抑制轉(zhuǎn)錄因子與DNA的結(jié)合，調(diào)控基因表達(dá)。DNA甲基化調(diào)控基因的轉(zhuǎn)錄和表達(dá)是造成基因沉默的重要因素之一。DNA甲基化影響細(xì)胞分化，導(dǎo)致疾病發(fā)生[4]。

2??相關(guān)代謝性疾病

2.1??2型糖尿病

美國(guó)糖尿病協(xié)會(huì)定義糖尿病為一組以胰島素分泌缺陷或胰島素作用缺陷或兩者兼有導(dǎo)致的以高血糖為特征的代謝性疾病[5]。世界衛(wèi)生組織估算，全球約3.47億人患有糖尿病，其中90%為2型糖尿?。╠iabetes?mellitus?type?2，T2DM），T2DM的特點(diǎn)是胰島素抵抗增強(qiáng)和胰腺β細(xì)胞功能障礙。

2.2??肥胖

肥胖被定義為異?；蜻^度脂肪堆積，可導(dǎo)致許多疾病如T2DM、血脂異常、高血壓、肝臟脂肪變性等[6]。研究表明，肥胖不僅與遺傳、飲食及生活環(huán)境有關(guān)，也與腸道微生物密切相關(guān)[7]。

2.3??非酒精性脂肪性肝病

非酒精性脂肪性肝病（non-alcoholic?fatty?liver?disease，NAFLD）是一種以持續(xù)性肝功能障礙為特征的進(jìn)行性疾病，包括脂肪變性、肝臟炎癥和纖維化，肝臟的持續(xù)性損傷最終可導(dǎo)致肝硬化和肝細(xì)胞癌[8]。NAFLD和更晚期的非酒精性脂肪性肝炎（non-alcoholic?steatohepatitis，NASH）是常見的慢性肝臟疾病，其發(fā)生與肥胖、胰島素抵抗、高血壓和T2DM等代謝性疾病密切相關(guān)[9]。

3??DNA甲基化與代謝性疾病

3.1??DNA甲基化與T2DM

研究表明，表觀遺傳修飾DNA甲基化與糖尿病病程密切相關(guān)。對(duì)T2DM患者和非T2DM患者的胰島和骨骼肌候選基因或部分基因組進(jìn)行分析，研究發(fā)現(xiàn)T2DM患者的甲基化方式發(fā)生變化，例如，在胰島β細(xì)胞及小鼠胚胎干細(xì)胞分化產(chǎn)生胰島素細(xì)胞時(shí)，胰島素基因的啟動(dòng)子去甲基化[10]。胰島素啟動(dòng)子的甲基化導(dǎo)致甲基-CpG結(jié)合蛋白2的結(jié)合，進(jìn)一步說明胰島素基因的沉默機(jī)制。

DNA甲基化在調(diào)控葡萄糖穩(wěn)態(tài)關(guān)鍵基因中發(fā)揮重要作用。在脂肪組織和骨骼肌中，葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白4（glucose?transporter?4，GLUT4）通過響應(yīng)胰島素，維持機(jī)體穩(wěn)態(tài)；GLUT4啟動(dòng)子在脂肪細(xì)胞分化過程中高度去甲基化，而特定CpG位點(diǎn)的甲基化可抑制核因子與啟動(dòng)子的結(jié)合[11]。T2DM患者脂肪組織中的GLUT4表達(dá)降低，同時(shí)來自患者供體的胰島也被發(fā)現(xiàn)DNA甲基化增加，INS、PPARGC1A和GLP-1R等基因的表達(dá)降低，這些均與胰島素分泌受損相關(guān)，進(jìn)一步證明DNA甲基化與T2DM的發(fā)展有關(guān)[12]。

3.2??DNA甲基化與肥胖

在一項(xiàng)關(guān)于肥胖的表觀遺傳學(xué)關(guān)聯(lián)研究中，利用Infinium人甲基化450k芯片，發(fā)現(xiàn)幾個(gè)與肥胖相關(guān)的CpG位點(diǎn)，肥胖患者的DNA甲基化方差大于對(duì)照組[13]。Dick等[14]利用Illumina?450k陣列研究全血中DNA甲基化與體質(zhì)量指數(shù)（body?mass?index，BMI）的關(guān)系，確定5個(gè)CpG位點(diǎn)，同時(shí)在脂肪組織中證實(shí)BMI增加及甲基化增加。

3.3??DNA甲基化與NAFLD

異?；蚪MDNA甲基化是導(dǎo)致NAFLD基因表達(dá)異常的主要表觀遺傳學(xué)變化之一。Walle等[15]研究表明，肝臟脂肪酸去飽和酶2基因變異可能通過改變DNA甲基化參與NAFLD的發(fā)病。某些氨基酸在代謝過程中可生成含一個(gè)碳原子的基團(tuán)，參與DNA的生物合成和基因組的表觀遺傳修飾。早期動(dòng)物研究表明，一碳代謝紊亂，尤其是S?-腺苷蛋氨酸和S-腺苷同型半胱氨酸的細(xì)胞失衡，可改變肝臟脂質(zhì)代謝，形成脂肪肝。一碳代謝紊亂與甲基供體營(yíng)養(yǎng)缺乏、肝臟DNA甲基化降低有關(guān)[16]。

4??腸道菌群在DNA甲基化與代謝性疾病中的作用

4.1??腸道菌群與甲基化的關(guān)系

腸道菌群產(chǎn)生膳食依賴性產(chǎn)物，如短鏈脂肪酸（short-chain?fatty?acid，SCFA）、氨基酸、維生素；同時(shí)，產(chǎn)生非膳食依賴性產(chǎn)物，如脂多糖（lipopolysaccharide，LPS）、神經(jīng)遞質(zhì)和激素，這些代謝物對(duì)宿主的生理、代謝調(diào)節(jié)、炎癥和免疫影響已逐漸被文獻(xiàn)證實(shí)[17]。除此之外，腸道菌群能合成重要的化合物，如甲基或乙?；鶊F(tuán)、維生素及各種酶等。這些化合物在DNA甲基化和組蛋白修飾中發(fā)揮作用，從而影響所有以表觀遺傳修飾變化為基礎(chǔ)的生理和病理過程[18]。

“微生物-營(yíng)養(yǎng)代謝-宿主表觀遺傳學(xué)軸”表明，表觀遺傳修飾是營(yíng)養(yǎng)結(jié)構(gòu)和相應(yīng)的腸道菌群結(jié)構(gòu)在生理和病理?xiàng)l件下影響宿主的手段。Cortese等[19]強(qiáng)調(diào)，寄主的表觀遺傳學(xué)變化可能是由微生物群通過以下方式產(chǎn)生：①改變DNA甲基化化學(xué)供體的可用性，取決于營(yíng)養(yǎng)和微生物群的代謝活動(dòng)；②外源遺傳物質(zhì)并入基因組；③與負(fù)責(zé)DNA甲基化的酶直接相互作用。

4.2??腸道菌群相關(guān)基因甲基化與代謝性疾病

在肥胖和T2DM患者中，微生物SCFAs的產(chǎn)生與表觀遺傳調(diào)控可能存在關(guān)系。肥胖和T2DM患者腸道菌群多樣性顯著降低，產(chǎn)丁酸菌的多樣性和游離脂肪酸受體3（free?fatty?acid?receptor?3，F(xiàn)FAR3）基因啟動(dòng)子甲基化水平顯著低于對(duì)照組患者，表明較高的BMI與較低的FFAR3甲基化水平相關(guān)[20]。腸道菌群相關(guān)基因甲基化會(huì)通過影響機(jī)體糖代謝、脂代謝和胰島素抵抗等主要通路，介導(dǎo)代謝性疾病的發(fā)展。更有益的細(xì)菌種群和潛在能量穩(wěn)態(tài)的表觀遺傳變化的飲食方法可能對(duì)預(yù)防代謝性疾病有效。

4.3??影響腸道菌群平衡的營(yíng)養(yǎng)因素與DNA?甲基化的關(guān)系

甲基化的兩個(gè)關(guān)鍵因素是甲基轉(zhuǎn)移酶的催化及甲基供體的參與。許多參與DNA甲基化的必需微量營(yíng)養(yǎng)素均與腸道菌群有關(guān)。腸道微生物群及其代謝產(chǎn)物的紊亂將影響DNA甲基化供體的正常提供。腸道菌群在營(yíng)養(yǎng)因素干預(yù)下，通過調(diào)節(jié)與DNA甲基化相關(guān)的酶，影響DNA甲基化。已有相關(guān)報(bào)道發(fā)現(xiàn)，一系列來自不同來源的膳食生物活性化合物被腸道菌群代謝，這些化合物以參與表觀遺傳基因調(diào)控的酶為靶點(diǎn)。以表沒食子兒茶素-3-沒食子酸為主要成分的兒茶素，通過O雜環(huán)的裂解和雙羥基化產(chǎn)生酚酸，抑制DNA甲基轉(zhuǎn)移酶活性的60%～80%[21]。營(yíng)養(yǎng)因素能影響腸道菌群的平衡，而腸道菌群的平衡與多種代謝性疾病相關(guān)基因的甲基化密切相關(guān)，可為了解代謝性疾病致病因素及其干預(yù)手段提供線索。

綜上所述，隨著表觀遺傳學(xué)研究的不斷深入，代謝性疾病的發(fā)病機(jī)制、腸道菌群與DNA甲基化之間的關(guān)聯(lián)已被多項(xiàng)研究證實(shí)。腸道菌群在調(diào)節(jié)宿主生理系統(tǒng)代謝反應(yīng)中發(fā)揮關(guān)鍵作用，目前被認(rèn)為是重要的“代謝器官”。腸道菌群不僅通過產(chǎn)生大量代謝物，促進(jìn)宿主生理機(jī)能，影響相關(guān)化合物的合成，介導(dǎo)甲基化的進(jìn)程，還可通過調(diào)節(jié)相關(guān)基因甲基化干預(yù)代謝性疾病。大量研究表明，腸道菌群在驅(qū)動(dòng)T2DM、肥胖等的發(fā)生、發(fā)展和改善中發(fā)揮重要作用。

[參考文獻(xiàn)]

[1] LING?C，?R?NN?T.?Epigenetics?in?human?obesity?and?type?2?diabetes[J].?Cell?Metab，?2019，?29（5）：?1028–1044.

[2] SAMBLAS?M，?MILAGRO?F?I，?MARTíNEZ?A.?DNA?methylation?markers?in?obesity，?metabolic?syndrome，?and?weight?loss[J].?Epigenetics，?2019，?14（5）：?421–444.

[3] 王琴.?DNA甲基化的研究進(jìn)展[J].?西南民族大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），?2021，?47（3）：?279–287.

[4] 劉艷芬，?陸南佳，?段東輝，?等.?表觀遺傳DNA甲基化與糖尿病研究進(jìn)展[J].?生命科學(xué)研究，?2016，?20（3）：?271–277.

[5] American?Diabetes?Association.?Diagnosis?and?classification?of?diabetes?mellitus[J].?Diabetes?Care，?2014，?37（Suppl.1）：?S81–S90.

[6] GBD?2015?Obesity?Collaborators.?Health?effects?of?overweight?and?obesity?in?195?countries?over?25?years[J].?N?Engl?J?Med，?2017，?377（1）：?13–27.

[7] ROSENBAUM?M，?KNIGHT?R，?LEIBEL?R?L.?The?gut?microbiota?in?human?energy?homeostasis?and?obesity[J].?Trends?Endocrinol?Metab，?2015，?26（9）：?493–501.

[8] EASL，?EASD，?EASO.?EASL-EASD-EASO?clinical?practice?guidelines?for?the?management?of?non-alcoholic?fatty?liver?disease[J].?J?Hepatol，?2016，?64（6）：?1388–1402.

[9] ESTES?C，?RAZAVI?H，?LOOMBA?R，?et?al.?Modeling?the?epidemic?of?nonalcoholic?fatty?liver?disease?demonstrates?an?exponential?increase?in?burden?of?disease[J].?Hepatology，?2018，?67（1）：?123–133.

[10] KURODA?A，?RAUCH?T?A，?TODOROV?I，?et?al.?Insulin?gene?expression?is?regulated?by?DNA?methylation[J].?PLoS?One，?2009，?4（9）：?e6953.

[11] YOKOMORI?N，?TAWATA?M，?ONAYA?T.?DNA?demethylation?during?the?differentiation?of?3T3-L1?cells?affects?the?expression?of?the?mouse?GLUT4?gene[J].?Diabetes，?1999，?48（4）：?685–690.

[12] GIACCHETTI?G，?FALOIA?E，?TACCALITI?A，?et?al.?Decreased?expression?of?insulin-sensitive?glucose?transporter?mRNA?（GLUT-4）?in?adipose?tissue?of?non-insulin-dependent?diabetic?and?obese?patients：?Evaluation?by?a?simplified?quantitative?PCR?assay[J].?J?Endocrinol?Invest，?1994，?17（9）：?709–715.

[13] XU?X，?SU?S，?BARNES?V?A，?et?al.?A?genome-wide?methylation?study?on?obesity：?Differential?variability?and?differential?methylation[J].?Epigenetics，?2013，?8（5）：?522–533.

[14] DICK?K?J，?NELSON?C?P，?TSAPROUNI?L，?et?al.?DNA?methylation?and?body-mass?index：?A?genome-wide?analysis[J].?Lancet，?2014，?383（9933）：?1990–1998.

[15] WALLE?P，?M?NNIST??V，?DEMELLO?V?D，?et?al.?Liver?DNA?methylation?of?FADS2?associates?with?FADS2?genotype[J].?Clin?Epigenetics，?2019，?11（1）：?10.

[16] GIBBS?J?R，?VAN-DER-BRUG?M?P，?Hernandez?D?G，?et?al.?Abundant?quantitative?trait?loci?exist?for?DNA?methylation?and?gene?expression?in?human?brain[J].?PLoS?Genet，?2010，?6（5）：?e1000952.

[17] LIN?L，?ZHANG?J.?Role?of?intestinal?microbiota?and?metabolites?on?gut?homeostasis?and?human?diseases[J].?BMC?Immunol，?2017，?18（1）：?2.

[18] MAGNúSDóTTIR?S，?RAVCHEEV?D，?DE?CRéCY-?LAGARD?V，?et?al.?Systematic?genome?assessment?of?B-vitamin?biosynthesis?suggests?;co-operation?among?gut?microbes[J].?Front?Genet，?2015，?6：?148.

[19] CORTESE?R，?LU?L，?YU?Y，?et?al.?Epigenome-?microbiome?crosstalk：?A?potential?new?paradigm?influencing?neonatal?susceptibility?to?disease[J].?Epigenetics，?2016，?11（3）：?205–215.

[20] REMELY?M，?AUMUELLER?E，?MEROLD?C，?et?al.?Effects?of?short?chain?fatty?acid?producing?bacteria?on?epigenetic?regulation?of?FFAR3?in?type?2?diabetes?and?obesity[J].?Gene，?2014，?537（1）：?85–92.

[21] PALUSZCZAK?J，?KRAJKA-KU?NIAK?V，?BAER-?DUBOWSKA?W.?The?effect?of?dietary?polyphenols?on?the?epigenetic?regulation?of?gene?expression?in?MCF7?breast?cancer?cells[J].?Toxicol?Lett，?2010，?192（2）：?119–125.

（收稿日期：2022–09–23）

（修回日期：2022–10–16）