韋 曉， 孫爍爍， 陳國芳， 劉 超

（南京中醫(yī)藥大學(xué)附屬中西醫(yī)結(jié)合醫(yī)院內(nèi)分泌科江蘇省中醫(yī)藥研究院癭病證治重點研究室，江蘇 南京 210028）

糖尿病是以高血糖為特征的代謝性疾病，其發(fā)病原因為胰島素的絕對或相對不足，與遺傳和環(huán)境因素密切相關(guān)。胰島素已被發(fā)現(xiàn)100周年，而在這百年歷程中，糖尿病的患病率逐年增加。雖然人類基因組圖譜現(xiàn)已發(fā)布20周年，但仍無法解釋糖尿病的爆發(fā)式增長。后基因組時代的研究提示，表觀遺傳修飾對本病的發(fā)生、發(fā)展起至關(guān)重要的作用，為環(huán)境因素作為糖尿病高發(fā)的關(guān)鍵要素提供了證據(jù)[1]。

表觀遺傳修飾是指不涉及DNA序列改變、調(diào)控基因表達(dá)的可遺傳變化[2]，只存在于真核生物，其本質(zhì)是基因表達(dá)的調(diào)控?；虻谋碛^遺傳修飾受環(huán)境因素的影響，且在環(huán)境因素變化的情況下呈可逆性改變[3]。其中，飲食、運動和污染是最常見的環(huán)境因素，其改變對糖尿病的發(fā)生、發(fā)展極具影響[4]。業(yè)已證實，表觀遺傳修飾主要存在5種形式，包括DNA甲基化、組蛋白修飾、染色質(zhì)重塑、非編碼RNA（non-coding RNA，ncRNA）調(diào)控和RNA甲基化。這些修飾方式對生物體的生長發(fā)育和新陳代謝具有多重作用，亦是維持胰島β細(xì)胞功能、胰島素敏感性以及糖代謝穩(wěn)態(tài)的關(guān)鍵。故研究表觀遺傳修飾的改變是有效防治糖尿病的全新視角，并成為當(dāng)前最受關(guān)注的學(xué)術(shù)領(lǐng)域[5]。

DNA甲基化與糖尿病

DNA甲基化是最早發(fā)現(xiàn)的表觀遺傳修飾方式，DNA的甲基化區(qū)域可與甲基化CpG結(jié)合區(qū)（methyl-CpG-binding domain，MBD）蛋白結(jié)合，從而抑制此段基因的表達(dá)[6]。DNA甲基化酶（DNA methyltransferase，DNMT）是DNA甲基化的催化酶[7]，但DNA的去甲基化并非甲基化的逆向過程，而是將甲基化位點通過羥甲基化實現(xiàn)。DNA的去甲基化關(guān)鍵酶包括DNA羥甲基轉(zhuǎn)移酶10-11易位蛋白（ten-eleven translocation，TET）和胸腺嘧啶-DNA糖基化酶（thymine DNA glycosylase，TDG）[8]。在2型糖尿病患者中發(fā)現(xiàn)，其DNA甲基化水平與正常人群存在差異[9]。Chambers等[10]納入25 372名參與者進(jìn)行了隨機(jī)對照研究，包括歐洲亞裔人群和歐洲本土人群。8年隨訪期間發(fā)現(xiàn)11.9%的歐洲亞裔個體和4.3%的歐洲本土個體發(fā)展為2型糖尿病，DNA甲基化修飾的不同可能是解釋2組人群糖尿病患病率不同的關(guān)鍵因素。研究者對血液樣本進(jìn)行了表觀遺傳分析，發(fā)現(xiàn)發(fā)病人群中有5個基因的甲基化修飾存在異常，這些基因包括腺苷三磷酸（adenosine triphosphate，ATP）結(jié)合盒轉(zhuǎn)運體G1（ATPbinding cassette transporter G1，ABCG1）、孤兒素磷酸酶1、細(xì)胞因子信號傳送阻抑物3 （suppressor of cytokine signaling 3，SOCS3）、固醇調(diào)節(jié)元件結(jié)合蛋白1（sterol regulatory elementbinding protein 1，SREBP1）和硫氧還蛋白相互作用蛋白（thioredoxin-interacting protein，TXNIP）。數(shù)據(jù)綜合分析顯示，以上基因的異常甲基化修飾是2型糖尿病發(fā)生的獨立危險因素，且這些基因的甲基化修飾水平可作為肥胖和糖尿病的生物標(biāo)志物，并可用于預(yù)測2型糖尿病的患病風(fēng)險。Paul等[11]研究了DNA甲基化對1型糖尿病的影響，研究納入52對1型糖尿病患者和其健康的同卵雙胞胎，對基因中的406 365個CpG位點進(jìn)行DNA甲基化的關(guān)聯(lián)性研究。結(jié)果發(fā)現(xiàn)772個甲基化位點與1型糖尿病的發(fā)生有關(guān)，這些位點集中指示了3種免疫效應(yīng)細(xì)胞的基因表達(dá)調(diào)控變化，包括對哺乳動物雷帕霉素靶蛋白 （mammalian target of rapamycin，mTOR）在內(nèi)的多種信號通路的調(diào)節(jié)。Hjort等[12]發(fā)現(xiàn)，DNA甲基化修飾改變不僅與妊娠糖尿?。╣estational diabetes mellitus，GDM）有關(guān)，還可形成基因印記影響其子代的糖代謝。對608個GDM和626個對照組的后代（9～16歲）進(jìn)行DNA甲基化差異檢測，發(fā)現(xiàn)76個CpG位點的甲基化修飾存在差異，包括13個與母體GDM相同的差異位點。其中內(nèi)皮細(xì)胞特異性分子1（endocellular-specific molecule 1,ESM1）、4次跨膜蛋白亞型A3（membrane-spanning 4-domains subfamily A3，MS4A3）和磷酸二酯酶6A（phosphodiesterase 6A，PDE6A）基因的CpG位點甲基化修飾的差異，同時影響親代和子代的糖代謝過程。

組蛋白修飾與糖尿病

組蛋白修飾可影響胰島β細(xì)胞功能和胰島素抵抗。組蛋白修飾至少包括甲基化、甲?；?、乙酰化、丙?；?、丁基化、磷酸化、泛素化、類泛素化、瓜氨酸化、巴豆酰化、腺苷二磷酸（adenosine diphosphate，ADP）核糖基化、脯氨酰異構(gòu)化等12種方式[13]。這些修飾方式依賴組蛋白修飾酶作用，如組蛋白乙?；负徒M蛋白脫乙酰酶 （histone deacetylase，HDAC），且參與表觀遺傳修飾的這些酶常被稱為“書寫器（writer）”“擦除器（eraser）”“閱讀器（reader）”[14]。有研究發(fā)現(xiàn)，胰高血糖素樣肽1（glucagon-like peptide 1，GLP-1）類似物利拉魯肽可改變大鼠胰十二指腸同源盒1（pancreatic and duodenal homeobox 1，PDX1）基因啟動子附近的組蛋白修飾，通過H3組蛋白第4位賴氨酸殘基的三甲基化（trimethylation of lysine 4 on histone H3，H3K4me3）修飾增加PDX1的表達(dá)，促進(jìn)胰島素的合成與分泌[15]。腸道有益菌釋放的短鏈脂肪酸（short-chain fatty acid，SCFA）可通過與其受體結(jié)合，在腸道L細(xì)胞中抑制HDAC的作用，并通過腸-胰軸上調(diào)胰島β細(xì)胞內(nèi)SCFA、肌腱膜纖維肉瘤癌基因同系物A（v-maf musculoaponeurotic fibrosarcoma oncogene homologue A,MafA）和神經(jīng)分化因子1（neuronal differentiation 1,NeuroD1）的表達(dá)[16]。另有研究發(fā)現(xiàn)，視網(wǎng)膜內(nèi)皮細(xì)胞H3組蛋白的乙?；浇档停c糖尿病視網(wǎng)膜病變的發(fā)生有關(guān)[17]。此外，小鼠骨骼肌細(xì)胞中HDAC3的缺失會導(dǎo)致嚴(yán)重的胰島素抵抗。同時，晝夜節(jié)律相關(guān)蛋白參與表觀遺傳修飾，可促進(jìn)HDAC3的表達(dá)[18]，這提示環(huán)境因素導(dǎo)致的表觀遺傳修飾是一個綜合過程，且可能存在級聯(lián)反應(yīng)。例如，熱量限制是逆轉(zhuǎn)糖尿病強(qiáng)有力的環(huán)境因素，其發(fā)揮作用的表觀遺傳學(xué)機(jī)制存在多重效應(yīng)。首先，熱量限制可以激活肝臟組織中的DNMT1并抑制TET，增加過氧化物酶體增殖物激活受體（peroxisome proliferators-activated receptor，PPAR）基因的高甲基化修飾。其次，熱量限制還可上調(diào)沉默信息調(diào)節(jié)因子1（silence information regulator 1，SIRT1）的活性，通過其組蛋白去乙?；饔迷黾覲PARγ輔激活因子1α（PPARγcoactivator 1α，PGC-1α）和解耦聯(lián)蛋白2（uncoupling protein 2，UCP2）的表達(dá)，改善肥胖狀態(tài)下的脂質(zhì)沉積[19]，間接調(diào)控胰島素敏感性和胰島β細(xì)胞功能。

染色質(zhì)重塑與糖尿病

染色質(zhì)是DNA及組蛋白的高級結(jié)構(gòu)，其形態(tài)分為具有轉(zhuǎn)錄功能的常染色質(zhì)和轉(zhuǎn)錄抑制狀態(tài)下的異染色質(zhì)，DNA甲基化和組蛋白修飾都可引起染色質(zhì)重塑[20]。染色質(zhì)重塑是調(diào)控核小體功能的重要方式，參與基因轉(zhuǎn)錄起始階段的調(diào)控。Wei等[21]在胰島β細(xì)胞內(nèi)發(fā)現(xiàn)，溴結(jié)構(gòu)域蛋白（bromodomain-containing protein，BRD）7和BRD 9平衡調(diào)控維生素D受體（vitamin D receptor，VDR）的穩(wěn)態(tài)，BRD9復(fù)合物能夠抑制VDR的表達(dá)，而BRD7復(fù)合物會抑制BRD9的功能。在此過程中，VDR的表達(dá)受組蛋白修飾的影響，VDR基因區(qū)域的組蛋白乙?；揎椏山Y(jié)合BRD7復(fù)合物，重塑染色體為常染色質(zhì)并啟動VDR的表達(dá)，后者的表達(dá)激活有利于應(yīng)激條件下的β細(xì)胞存活。但有研究發(fā)現(xiàn)，H3K4me1修飾可以招募BRD 9復(fù)合物，并促進(jìn)基因增強(qiáng)子的結(jié)合，有助于基因的表達(dá)[22]。由此可見，相同分子機(jī)制可對染色質(zhì)重塑造成不同的影響，這可能與組織器官不同，甚至同一組織器官的不同生理病理狀態(tài)有關(guān)。此外，在胰島素靶器官的試驗中發(fā)現(xiàn)，糖尿病患者體外誘導(dǎo)多能干細(xì)胞 （induced pluripotent stem cell，IPS細(xì)胞）分化形成的誘導(dǎo)型成肌細(xì)胞（induced myoblast），具有胰島素抵抗的特征。通過進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，組蛋白磷酸化修飾導(dǎo)致的染色質(zhì)重塑是胰島素抵抗相關(guān)基因表達(dá)異常上調(diào)的原因之一[23]。染色質(zhì)重塑的調(diào)控機(jī)制多種多樣，需綜合分析其包含的DNA和組蛋白修飾狀態(tài)，并考慮關(guān)聯(lián)效應(yīng)，才能準(zhǔn)確描述染色體重塑對糖調(diào)節(jié)相關(guān)基因表達(dá)的影響。

非編碼RNA調(diào)控與糖尿病

在表觀遺傳修飾影響糖尿病的研究領(lǐng)域，非編碼RNA（non-coding RNA，ncRNA）調(diào)控一直是學(xué)術(shù)界關(guān)注的熱點。已發(fā)現(xiàn)的ncRNA至少有6種，包括微RNA（micro RNA，miRNA）、小干擾RNA（small interfering RNA，siRNA）、PIWI蛋白相互作用小RNA（PIWI-interacting RNA，piRNA）、長鏈ncRNA（long ncRNA，lncRNA）、環(huán) 狀RNA（circular RNA，circRNA）和部分轉(zhuǎn)運RNA（transfer RNA，tRNA）[24]。其中，miRNA與各類疾病的關(guān)系被研究地最為廣泛而透徹，為內(nèi)源性的siRNA，長度約19～25 nt，廣泛參與基因的轉(zhuǎn)錄后調(diào)控過程。miR-375是最早被證實與糖尿病相關(guān)的miRNA，高表達(dá)于胰腺組織，且胰島β細(xì)胞中過高的miR-375水平會抑制胰島素的分泌功能，但過低的miR-375水平又會導(dǎo)致胰島β細(xì)胞數(shù)量下降，即控制胰島β細(xì)胞增殖與功能的平衡[25]。在此基礎(chǔ)上，有研究推薦將循環(huán)中miR-375和miR-9水平作為2型糖尿病前期的分子標(biāo)志物[26]。而在體外實驗中，同時轉(zhuǎn)染miR-375和miR-7可誘導(dǎo)人胚胎干細(xì)胞向具有胰島素分泌功能的β樣細(xì)胞分化[27]。除以上3種miRNA外，Belgardt等[28]發(fā)現(xiàn)，miR-200通過調(diào)控下游蛋白p53的表達(dá)促進(jìn)胰島β細(xì)胞凋亡。Huang等[29]的團(tuán)隊證實，miR-299-5p具有類似miR-200的促β細(xì)胞凋亡作用。Sui等[30]研究提示，miR-146b在肝細(xì)胞內(nèi)可誘導(dǎo)胰島素抵抗的發(fā)生。此外，在糖尿病并發(fā)癥的研究領(lǐng)域中發(fā)現(xiàn)，高糖環(huán)境誘導(dǎo)的miR-29c可促使腎臟足細(xì)胞凋亡，而抑制miR-29c的表達(dá)可有效減少糖尿病腎病的發(fā)生[31]。miRNA的種類繁多，存在范圍寬廣，且調(diào)控靶點十分廣泛，是糖尿病及其并發(fā)癥的重要治療策略。與此同時，小腦變性相關(guān)蛋白1反義轉(zhuǎn)錄物(cerebellar degeneration-related protein 1 antisense,CDR1as)（circRNA-7，ciRS-7）可作為miR-7的“miRNA海綿”，提供與miR-7序列互補配對的結(jié)合位點，容納細(xì)胞質(zhì)內(nèi)的miR-7，抑制miR-7的作用[32]。然而，與miRNA和circRNA相比，lncRNA的作用要復(fù)雜許多，可參與mRNA前體的剪切和成熟后的穩(wěn)定性，對基因的轉(zhuǎn)錄和翻譯過程都可調(diào)控[33]。Akerman等[34]發(fā)現(xiàn)，胰島β細(xì)胞中l(wèi)ncRNAPLUTO的缺失會導(dǎo)致PDX1表達(dá)水平的下降，影響β細(xì)胞功能。多種ncRNA可形成相互作用網(wǎng)絡(luò)影響糖尿病的發(fā)生、發(fā)展，故對其在糖尿病中的作用進(jìn)行更全面的綜合分析，并對相關(guān)的分子機(jī)制深入研究，才能找到最合適的糖尿病標(biāo)志物與防治靶點。

RNA甲基化與糖尿病

除DNA外，RNA也可被甲基化修飾。RNA甲基化修飾主要包括N6-甲基腺苷（N6-methyladenosine，m6A）、N1-甲基腺苷（N1-methyladenosine，m1A）、5-甲基胞嘧啶（5-methylcytosine，m5C）和核糖甲基化（2’-O-Me）等。其中，m6A修飾最為普遍，且研究較多[35]。甲基化轉(zhuǎn)移酶（methyltransferase-like，METTL）3和METTL14是RNA m6A修飾的關(guān)鍵酶。同時，腎母細(xì)胞瘤1相關(guān)蛋白 （Wilms tumor 1 associated protein，WTAP）在m6A修飾過程中也必不可少。RNA m6A修飾具有可逆性，其可被肥胖相關(guān)蛋白（fat mass and obesity-associated protein，F(xiàn)TO）和去甲基化酶alk b同源蛋白5（alk b alkylation repair homolog 5，ALKBH5）去甲基化。晚近研究表明，m6A修飾與胰島β細(xì)胞功能密切相關(guān)。一方面，選擇性敲除胎鼠胰腺內(nèi)分泌祖細(xì)胞中的m6A催化酶，會阻止其向胰島β細(xì)胞分化，包括抑制囊泡運輸系統(tǒng)與線粒體功能[36]。另一方面，成熟胰島β細(xì)胞的m6A修飾水平在炎癥或應(yīng)激狀態(tài)中被下調(diào)，提示β細(xì)胞中的RNA m6A修飾，是維持胰島素分泌功能必不可少的條件[37]。但是，在肝細(xì)胞中的RNA m6A修飾會抑制脂肪酸分解和脂質(zhì)氧化過程，加劇高脂飲食誘導(dǎo)的胰島素抵抗，這可能與m6A在不同組織中調(diào)控的基因不同有關(guān)[38]。雖然，RNA m6A修飾與糖尿病具有相關(guān)性，但具體分子機(jī)制尚待進(jìn)一步探究。

環(huán)境因素通過調(diào)控DNA甲基化、組蛋白修飾、染色質(zhì)重塑、ncRNA調(diào)控和RNA甲基化這5種形式中的關(guān)鍵酶或體現(xiàn)者，影響糖尿病的發(fā)生與發(fā)展（見圖1）。

圖1 表觀遺傳修飾對糖尿病的影響

總結(jié)與展望

表觀遺傳修飾是連接環(huán)境因素和糖尿病發(fā)生、發(fā)展的重要橋梁，研究環(huán)境因素對表觀遺傳修飾的影響，可尋找糖尿病防治的新靶點。研究發(fā)現(xiàn)HDAC抑制劑可用于糖尿病的治療，如曲古他汀A、伏林司他和丙戊酸等[39]。這些HDAC抑制劑通過阻斷白介素1b（interleukin 1b，IL-1b），抑制炎癥反應(yīng)并防止胰腺β細(xì)胞數(shù)量丟失，抑制β細(xì)胞去分化，改善胰島素表達(dá)，延遲糖尿病及其并發(fā)癥的發(fā)生。在miRNA的研究中發(fā)現(xiàn)，沉默miR-103和miR-107可以改善葡萄糖穩(wěn)態(tài)和胰島素敏感性；相反，在小鼠中增加miR-103和miR-107的表達(dá)會引起肝臟和脂肪組織的胰島素抵抗[40]。除已明確機(jī)制的表觀遺傳修飾藥物外，以下小分子物質(zhì)防治糖尿病的機(jī)制亦與改善表觀遺傳修飾有關(guān)，如甲基化抑制劑5-氮胞苷、PDX1誘導(dǎo)劑BRD7552、二芳脲類化合物WS6、吲哚內(nèi)酰胺V和視黃酸等[41]。許多具有降糖作用的天然活性物質(zhì)，如蘿卜硫素、姜黃素、白藜蘆醇和花生酸等[42]，發(fā)揮作用的機(jī)制為多信號多靶點，而改善表觀遺傳修飾是這些物質(zhì)的重要機(jī)制之一。

然而，表觀遺傳修飾的方式繁多，參與從基因表達(dá)起始階段到翻譯階段的全過程，故對單一表觀遺傳方式的研究并不能把握此過程的全貌，需利用多維動態(tài)綜合分析，才能準(zhǔn)確預(yù)測表觀遺傳修飾對糖尿病的影響[13]。如FTO的表達(dá)既受DNA甲基化的調(diào)控，又受組蛋白類泛素化修飾的影響，同時其還可調(diào)控RNA m6A修飾[43]。在之后的研究中，需將糖尿病相關(guān)的多剖面基因組數(shù)據(jù)整合判斷，才能使表觀遺傳學(xué)從對疾病的描述階段上升為診斷和防治階段，為更加科學(xué)合理干預(yù)糖代謝異常奠定堅實的基礎(chǔ)。