桂淑霞 寇皓 肖笛 汪暉

目前，世界范圍內(nèi)2型糖尿病(type 2 diabetes mellitus，T2DM)發(fā)病率逐年遞增。Barker等[1]在上世紀(jì)90年代初率先報(bào)道，低出生體重與成年T2DM關(guān)系密切，突破了糖尿病主要與成年肥胖有關(guān)的傳統(tǒng)觀點(diǎn)，從而將“成年疾病的發(fā)育起源”這一全新理論引入糖尿病的研究領(lǐng)域。宮內(nèi)發(fā)育遲緩(intrauterine growth retardation，IUGR)主要指發(fā)育時(shí)期胎兒受到各種因素的影響，導(dǎo)致其正常生長(zhǎng)態(tài)勢(shì)受到阻滯，應(yīng)有的生長(zhǎng)潛能遭到削弱，從而造成胎兒在出生前、后出現(xiàn)各種不良生理和病理改變[2]。IUGR的病因除了先天遺傳因素外，很大程度上是因?yàn)樵衅诓涣紝m內(nèi)環(huán)境(包括母體和外源環(huán)境因素)所致。已有研究表明，IUGR是糖耐量異常和T2DM最重要的獨(dú)立危險(xiǎn)因素之一[3]。

胰腺是人體第二大分泌腺體，其胰島β細(xì)胞主要通過(guò)分泌體內(nèi)唯一能夠降血糖的胰島素調(diào)節(jié)機(jī)體血糖平衡。胚胎胰腺發(fā)育過(guò)程受到多因素調(diào)控，其中宮內(nèi)環(huán)境作為胚胎胰腺發(fā)育的外環(huán)境，是胰腺正常發(fā)育、胰腺功能最終完成的重要保證[4]。本文將系統(tǒng)闡述各種不良宮內(nèi)環(huán)境所致的IUGR子代發(fā)生胰腺發(fā)育和功能的編程改變及其可遺傳性效應(yīng)。

一、不同IUGR動(dòng)物模型下的胰腺形態(tài)與功能發(fā)育異常

在嚙齒類動(dòng)物模型上，人們根據(jù)不同誘因分別建立了多種IUGR模型，主要包括：飲食限制、蛋白攝入限制、子宮動(dòng)脈結(jié)扎、地塞米松暴露。

妊娠末期與出生后早期是胰島β細(xì)胞生長(zhǎng)發(fā)育的關(guān)鍵時(shí)期，該時(shí)期營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的數(shù)量會(huì)對(duì)胰腺結(jié)構(gòu)及功能產(chǎn)生長(zhǎng)期以至終生的影響。妊娠晚期對(duì)大鼠進(jìn)行飲食限制，導(dǎo)致新生鼠IUGR及胰島β細(xì)胞數(shù)量明顯減少[5]。進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)，飲食限制所致的IUGR胎胰腺β細(xì)胞分化調(diào)控關(guān)鍵因子神經(jīng)元素3(neurogenin 3，Ngn-3)和胰腺-十二指腸同源框基因(pancreatic and duodenal homeobox 1，Pdx-1)蛋白表達(dá)減少，表明飲食限制引起的β細(xì)胞數(shù)量降低可能與β細(xì)胞分化失衡有關(guān)[6]。

在保持能量攝入恒定的情況下，孕期選擇性的蛋白限制大鼠(給予正常量的40%～50%)也能夠?qū)е翴UGR以及β細(xì)胞數(shù)和胰島面積的減少[7]，其原因可能與IUGR胎鼠胰島細(xì)胞中血管表皮生長(zhǎng)因子(vascular endothelial growth factor，VEGF)及其受體胎肝激酶-1(fetal liver kinase 1，F(xiàn)lk-1)的陽(yáng)性細(xì)胞表達(dá)減少,導(dǎo)致胰島血管化作用減弱，進(jìn)而影響胰島細(xì)胞的增殖有關(guān)[8]。除增殖受到抑制以外，蛋白限制所致IUGR的胰腺β細(xì)胞還存在胰島素樣生長(zhǎng)因子2(insulin like growth factor 2，IGF-2)低表達(dá)介導(dǎo)的異常凋亡[9]。

子宮-胎盤(pán)功能不足對(duì)IUGR子代胰島素分泌和糖耐量有著顯著的影響，孕第18～19天雙側(cè)子宮動(dòng)脈結(jié)扎能夠?qū)е麓笫驣UGR，子代出生后存在β細(xì)胞數(shù)目減少、胰島素含量下降現(xiàn)象[10]。子宮胎盤(pán)功能不足所致IUGR胎兒存在氧化應(yīng)激[11-13]。由血供不足所引起的氧化還原狀態(tài)的改變?cè)谀承┟舾械奶航M織會(huì)導(dǎo)致氧化應(yīng)激的發(fā)生。與其他組織相比，胰腺組織對(duì)線粒體功能障礙與活性氧簇(reactive oxygen species,ROS)暴露更敏感。已證實(shí)，線粒體功能缺陷和氧化應(yīng)激增加都將對(duì)β細(xì)胞功能產(chǎn)生嚴(yán)重的不良影響，如損傷葡萄糖刺激胰島素的分泌，降低β細(xì)胞關(guān)鍵基因的表達(dá)以及誘導(dǎo)細(xì)胞死亡等[14-16]。

外源性糖皮質(zhì)激素(glucocorticoids，GC)通常用于加速有早產(chǎn)風(fēng)險(xiǎn)產(chǎn)婦的胎兒肺成熟。但如果長(zhǎng)時(shí)間采用這種療法則會(huì)導(dǎo)致IUGR[17]。孕期最后一周給予大鼠地塞米松(一種外源性合成GC)暴露的IUGR子代3周齡時(shí)，胰島內(nèi)α和β細(xì)胞分布正常，但與對(duì)照組相比，β細(xì)胞內(nèi)胰島素表達(dá)降低[18]。地塞米松不僅難以被胎盤(pán)11-β羥基類固醇脫氫酶2(11β hydroxysteroid dehydrogenase type 2，11β-HSD-2)滅活，同時(shí)還能夠抑制其活性。因此，地塞米松往往直接通過(guò)胎盤(pán)對(duì)胎兒胰腺發(fā)揮直接作用。另外，本實(shí)驗(yàn)室也發(fā)現(xiàn)，孕期外源物暴露(咖啡因、尼古丁和乙醇)也能夠引起胎鼠β細(xì)胞數(shù)目減少，胰島素合成功能受損。

二、IUGR子代糖代謝功能的編程改變

宮內(nèi)發(fā)育不良能夠波及胰腺發(fā)育并永久性編程改變?chǔ)录?xì)胞的結(jié)構(gòu)與功能，由此誘發(fā)子代糖和胰島素代謝功能異常以及T2DM風(fēng)險(xiǎn)[19]。臨床研究表明，IUGR胎兒和新生兒胰腺β細(xì)胞的數(shù)量減少[20]，臍帶血糖和胰島素水平降低，血糖/胰島素比率升高[21]。出生時(shí)雖胰島素敏感性升高，但嬰幼兒時(shí)期胰腺β細(xì)胞功能減低[22-23]。盡管IUGR子代存在著出生后胰島素敏感性降低的風(fēng)險(xiǎn)[24]，但只有當(dāng)β細(xì)胞數(shù)量和功能依賴的胰島素分泌無(wú)法代償機(jī)體胰島素抵抗時(shí)，才能誘發(fā)糖尿病。大多數(shù)的研究提示，相對(duì)于胰島素敏感性而言，IUGR的兒童和成年人群胰島素的分泌實(shí)際上已經(jīng)發(fā)生障礙且比胰島素抵抗更早出現(xiàn)[25-27]。低出生體重的青年男性盡管胰島素敏感性正常，但胰島素分泌卻降低了30%，即胰島素分布指數(shù)(insulin disposition index,IDI)降低[28]，表明β細(xì)胞數(shù)量和功能不足所致胰島素分泌反應(yīng)性降低是編程IUGR成年個(gè)體糖代謝穩(wěn)態(tài)功能異常中重要的始發(fā)現(xiàn)象。進(jìn)一步，研究者通過(guò)動(dòng)物實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)可能有多種機(jī)制參與IUGR子代糖代謝功能的編程改變。

1.孕期糖皮質(zhì)激素過(guò)暴露編程機(jī)制：已知糖皮質(zhì)激素受體(glucocorticoid receptor,GR)在胚胎期第15天的胰芽中已經(jīng)有表達(dá)。采用GC處理體外培養(yǎng)的胰芽能夠?qū)е潞芏嘁认偬禺愋赞D(zhuǎn)錄因子表達(dá)下調(diào)，包括Pdx-1、Nk6同源框-1(Nk6 homeobox 1,Nkx6.1)和配對(duì)框基因6(paired box,Pax6)。發(fā)育時(shí)期胰腺細(xì)胞GR阻斷的轉(zhuǎn)基因小鼠表現(xiàn)出相反的癥狀，出生時(shí)β細(xì)胞數(shù)目會(huì)顯著性升高；α細(xì)胞數(shù)目則相對(duì)穩(wěn)定[29]。同時(shí)，地塞米松在體外能夠通過(guò)下調(diào)Pdx-1并誘導(dǎo)CCAAT增強(qiáng)子結(jié)合蛋白β(CCAAT/enhancer-binding protein β,C/EBPβ)表達(dá)的方式來(lái)抑制胰腺β細(xì)胞的胰島素表達(dá)[19]。有報(bào)道認(rèn)為，過(guò)高水平GC影響甚至中斷轉(zhuǎn)錄因子的表達(dá)，如增加嚙齒類動(dòng)物和人類胰島絲裂原誘導(dǎo)的抗增殖因子Mig6基因表達(dá)[30]，減少β細(xì)胞促增殖基因Ngn3表達(dá)[31]。Valtat等[32]不僅證明孕期GC暴露可通過(guò)抑制β細(xì)胞發(fā)育參與編程子代成年糖尿病易感，還進(jìn)一步證明GC能刺激GR的輔助調(diào)節(jié)因子過(guò)氧化物酶體增殖物激活受體-γ共激活因子-1α(peroxisome proliferator-activated receptor-γ coactivator-1α,PGC-1α)的表達(dá)。過(guò)表達(dá)的PGC-1α通過(guò)形成GR/PGC-1α復(fù)合體結(jié)合到β細(xì)胞關(guān)鍵轉(zhuǎn)錄因子Pdx-1啟動(dòng)子區(qū)從而抑制Pdx-1表達(dá)，提示孕期GC過(guò)暴露往往能夠通過(guò)抑制胰腺發(fā)育和分化調(diào)節(jié)關(guān)鍵因子的表達(dá)，從而影響子代胰腺發(fā)育。

2.表觀遺傳修飾異常機(jī)制：不良宮內(nèi)環(huán)境所致IUGR存在著關(guān)鍵基因的表觀遺傳修飾改變，這種改變往往能夠?qū)е伦哟錾蟠x表型異常[4]。研究已證實(shí)，子宮胎盤(pán)功能不足所致大鼠IUGR早期階段Pdx-1的下調(diào)與其啟動(dòng)子區(qū)表觀遺傳修飾有關(guān)[33]，即胰島中Pdx-1近端啟動(dòng)子招募組蛋白去乙?；?和共抑制因子Sin3A，而失去了與Pdx-1的結(jié)合，從而導(dǎo)致Pdx-1表達(dá)受到抑制。出生后，組蛋白H3K4去甲基化而H3K9甲基化，誘導(dǎo)新生兒期Pdx-1表達(dá)持續(xù)性下調(diào)。成年后，隨著H3K9me2的累積，Dnmt3a募集至Pdx-1啟動(dòng)子，促進(jìn)啟動(dòng)子區(qū)近端一個(gè)高度保守CpG位點(diǎn)的DNA甲基化，最終導(dǎo)致Pdx-1的永久沉默而罹患糖尿病。

越來(lái)越多的證據(jù)表明，miRNAs在胚胎發(fā)育及胰腺的生理功能發(fā)育中發(fā)揮著重要的作用，這些miRNAs包括miR-483-3p、miR-375和miR17-92等[34]。有研究[35]發(fā)現(xiàn)，IUGR的成人及早期營(yíng)養(yǎng)不良暴露所致IUGR成年大鼠體內(nèi)脂肪組織miR-483-3p的表達(dá)顯著增加，從而抑制其下游靶基因生長(zhǎng)/分化轉(zhuǎn)錄因子3(growth/differentiation factor-3,GDF-3)的表達(dá)，提示miR-483-3p參與IUGR大鼠成年期代謝性疾病易感如脂毒性、胰島素抵抗的分子編程作用。另外，Dumortier等[36]研究表明，孕期營(yíng)養(yǎng)不良引起子代大鼠內(nèi)分泌胰腺miRNAs編程性改變，其中miR-375變化最明顯，主要表現(xiàn)為miR-375高表達(dá)介導(dǎo)的子代β細(xì)胞增殖減少以及葡萄糖刺激胰島素分泌功能受損。

3.線粒體氧化損傷機(jī)制：作為體內(nèi)胰島素合成和分泌的主要場(chǎng)所，胰腺β細(xì)胞有著較高的氧化性能量需求。然而，胰島本身抗氧化酶水平卻非常低[37]，與其他組織相比，胰腺組織對(duì)線粒體功能障礙與ROS暴露更敏感。因此，任何線粒體功能缺陷和氧化應(yīng)激增加都將對(duì)β細(xì)胞功能產(chǎn)生嚴(yán)重的不良影響，如損傷葡萄糖刺激胰島素的分泌，降低β細(xì)胞關(guān)鍵基因的表達(dá)及誘導(dǎo)細(xì)胞死亡等[38]。Maechler等[39]研究發(fā)現(xiàn)，β細(xì)胞短期暴露于H2O2中，激活氧化應(yīng)激可以使β細(xì)胞胰島素mRNA減少，胞質(zhì)和線粒體內(nèi)鈣離子流減少。Simmons等[40]在子宮動(dòng)脈結(jié)扎所致IUGR大鼠模型上發(fā)現(xiàn)，胎兒β細(xì)胞線粒體存在功能障礙，ROS水平升高以及線粒體DNA損傷。這三者構(gòu)成的惡性循環(huán)隨年齡增長(zhǎng)不斷增強(qiáng)進(jìn)而引起β細(xì)胞功能逐漸喪失，最終導(dǎo)致成年后糖尿病的發(fā)生。一方面，氧化應(yīng)激產(chǎn)物增加可能導(dǎo)致胰島細(xì)胞磷脂酰肌醇3-激酶(phosphatidylinositol 3-kinase，PI3K)活性降低，胰島素信號(hào)通路受阻，進(jìn)而導(dǎo)致胰島細(xì)胞分泌功能障礙。另一方面，解耦聯(lián)蛋白2(uncoupling protein 2,UCP2)在線粒體內(nèi)膜上廣泛存在，通過(guò)使線粒體的氧化磷酸化過(guò)程解耦聯(lián)，導(dǎo)致ATP產(chǎn)生減少并影響胰島素分泌[41]。此外，PGC-1α是線粒體生物合成的強(qiáng)誘導(dǎo)劑，Besseiche等[42]發(fā)現(xiàn)體內(nèi)外β細(xì)胞PGC-1α特異性過(guò)表達(dá)可誘導(dǎo)氧化應(yīng)激，進(jìn)而激活A(yù)MPK通路，最終導(dǎo)致β細(xì)胞分泌功能受損。

三、IUGR子代糖代謝功能編程改變的可遺傳性

眾多動(dòng)物實(shí)驗(yàn)表明，IUGR的代謝編程現(xiàn)象可以持續(xù)至第二代[43]。無(wú)論是飲食限制、蛋白限制還是缺血模型上觀察到F1代糖耐量減弱以及高血糖發(fā)生的同時(shí)，F(xiàn)2代也呈現(xiàn)糖尿病發(fā)生的跡象[44-46]。哺乳期蛋白限制可以導(dǎo)致雄性F2代出現(xiàn)胰島素抵抗，但如果低蛋白飲食發(fā)生在孕期，則受影響的是雌性F2代，表明性別差異來(lái)源于F1代胎鼠不良環(huán)境暴露時(shí)間窗[47]。在一項(xiàng)產(chǎn)前乙醇暴露研究中，糖代謝功能紊亂可以通過(guò)母系遺傳至F2代[48]，提示母體代謝紊亂可能是一個(gè)重要的影響因素。

由于表觀遺傳可以受到環(huán)境的刺激而發(fā)生變化，而改變的表觀遺傳特性可在細(xì)胞分裂中得以保持并存在。因此，表觀遺傳很可能是不良宮內(nèi)環(huán)境所致IUGR子代糖代謝功能編程改變的傳代效應(yīng)現(xiàn)象的重要分子基礎(chǔ)[29]?，F(xiàn)有的研究也證實(shí)，由不良宮內(nèi)環(huán)境所致的IUGR子代糖代謝異常的遺傳現(xiàn)象往往不依賴于基因序列的變化，而與表觀遺傳性狀的改變密切相關(guān)[49]。盡管表觀遺傳機(jī)制包括DNA甲基化、組蛋白修飾和小RNA分子，但研究者目前主要關(guān)注的是營(yíng)養(yǎng)或其他環(huán)境刺激所誘發(fā)的DNA甲基化模式改變[50-51]。DNA甲基化主要指甲基基團(tuán)與CpG島上半胱氨酸殘基結(jié)合。甲基化模式在哺乳動(dòng)物早期發(fā)育過(guò)程中會(huì)發(fā)生兩次重置，首先是在著床前發(fā)育時(shí)來(lái)自于父方和母方的等位基因先后被移除[52]。新的甲基化模式產(chǎn)生于著床后發(fā)育的早期過(guò)程。在胚胎時(shí)期的原始生殖細(xì)胞中，DNA甲基化模式同樣會(huì)被替換[53]。已證實(shí)，對(duì)雌鼠飲食進(jìn)行干預(yù)能引起可遺傳的表觀遺傳修飾改變，提示飲食中甲基供體的攝入量能夠改變機(jī)體早期甲基化模式[54]。

四、研究展望

綜上所述，各種孕期不良環(huán)境所致IUGR可影響胰腺的結(jié)構(gòu)發(fā)育、細(xì)胞分化、增殖和凋亡等多個(gè)方面，并最終導(dǎo)致β細(xì)胞功能的缺陷，其機(jī)制可能與GC過(guò)暴露、表觀遺傳修飾、線粒體氧化損傷等多個(gè)因素有關(guān)。胰腺發(fā)育編程的異常往往與代謝綜合征、T2DM等代謝性疾病的發(fā)生發(fā)展緊密相連，而這種編程改變存在著以DNA甲基化修飾為基礎(chǔ)的可遺傳效應(yīng)。開(kāi)展IUGR胰腺發(fā)育編程和功能改變的相關(guān)機(jī)制研究，不僅對(duì)于揭示IUGR與成年期T2DM的內(nèi)在聯(lián)系具有重要的指導(dǎo)意義，同時(shí)也為未來(lái)減少I(mǎi)UGR發(fā)生及相關(guān)成年疾病治療性干預(yù)措施的建立提供了美好的藍(lán)圖。