糖尿病和肥胖中的表观遗传

一、糖尿病、肥胖、代谢综合征

糖尿病因其高发病率，已经逐渐在全球范围内影响人们的健康，预计到2030年将成为第7位导致死亡的疾病。世界卫生组织（WHO）数据显示：2010年全球约有3.47亿人患糖尿病，并预测这个数字可能在2030～2040年翻倍（http：／／www.who.int／mediacentre／factsheets／fs312／en／）。糖尿病是慢性非传染性疾病，主要发病机制是缺少胰岛素的合成和（或）在靶器官中缺少对胰岛素的响应，其特点是机体高血糖含量。研究表明，糖尿病患者患其他疾病的风险大大增加，包括心血管疾病、高血压、肾衰竭和癌症等；糖尿病患者的死亡风险是健康人群的2倍。

糖尿病主要分为两种类型：1型糖尿病和2型糖尿病。1型糖尿病是由于胰岛β细胞未能产生足量的胰岛素来维持正常血糖水平所致。1型糖尿病的发病年龄较低，90％在儿童时期诊断出来。2型糖尿病发病年龄较晚，是在出现胰岛素抵抗的情况下产生的，90％的糖尿病属于2型糖尿病。胰岛素抵抗是指胰岛素的靶器官（骨骼肌、肝脏、脂肪组织等）对胰岛素的敏感性降低，即胰岛素不能有效促进机体对葡萄糖的摄取。在2型糖尿病的早、中期，为了维持正常的血糖水平，胰岛β细胞代偿性分泌过多胰岛素，长期的胰岛素过量分泌造成胰岛β细胞的衰竭，引起血液中葡萄糖浓度逐渐升高，进而导致糖尿病。

2型糖尿病与遗传及表观遗传如生活方式等因素密切相关。肥胖是导致胰岛素抵抗和2型糖尿病的最初危险因子，胰岛素抵抗是2型糖尿病的触发器。造成胰岛素抵抗的主要原因是脂肪代谢异常，即脂肪异常分布、过度堆积。肥胖引起的胰岛素抵抗与脂肪细胞来源的激素／细胞因子等增多，如游离脂肪酸（FFA）、肿瘤坏死因子－α（TNF－α）的增多，及脂联素的不足有关。目前2型糖尿病的流行病学研究表明，糖尿病是由致糖尿病相关基因异常表达、过度的热量摄入和缺乏锻炼的综合结果。同时肥胖与冠状动脉疾病、高血压及某些癌症的发病率呈正相关，是一种复杂的多基因性状，是基因和环境共同作用的结果。

代谢综合征是指人体的蛋白质、脂肪、碳水化合物等物质发生代谢紊乱的病理状态，患者表现为肥胖、2型糖尿病、血脂异常及高血压等各种症状，发病原因是多方面的、复杂的，发病机制有待阐明。

表观遗传领域的发展主要集中在最近的20年左右，虽然起步较晚，但是能够很好地解释环境因素和基因组的相互作用。糖尿病、肥胖、代谢综合征与遗传因素及环境、营养等表观遗传学因素密切相关。近年来，其发病的表观遗传机制研究取得较多进展，本节将概述表观遗传学理论在糖尿病和肥胖研究中的应用。

二、表观遗传与胰岛素分泌和糖尿病

（一）DNA甲基化与胰岛素基因的表达

新生儿短暂性糖尿病与DNA CpG甲基化异常有关。全基因组甲基化分析结果显示，两种类型的糖尿病患者均存在DNA甲基化异常，并且都伴随DNA甲基转移酶水平的上调。

胰岛素是一种重要的调节新陈代谢的激素。胰岛素由胰岛β细胞释放：当血糖水平升高时，葡萄糖被运输至胰岛β细胞，使ATP／ADP水平升高，进而触发胰岛素的胞外分泌。胰岛素的分泌量由胰岛β细胞的数量和每个细胞的分泌能力决定。胰岛素分泌不足不能维持正常血糖水平，进而引起2型糖尿病的发生。DNA甲基化和组蛋白修饰的异常在调节胰岛素释放过程中扮演着重要角色。胰岛素基因周围DNA区域是被高度甲基化的，编码胰岛素的基因可能受DNA甲基化的调控。另有研究表明，与不分泌胰岛素的细胞相比，在胰岛β细胞中胰岛素基因启动子区是去甲基化的。此外，位于胰岛素基因启动子上游182bp处的CpG位点的甲基化影响该基因的表达，有报道认为基因重组出高甲基化的状态能导致胰岛素基因表达量的下降。

Mutskov等证明，胰岛素基因是一个大而开放的染色质区域，它呈现出高组蛋白修饰水平，是活性基因的典型代表。胰岛素基因的表观遗传调控在2型糖尿病患者中起重要作用：与非糖尿病个体相比，2型糖尿病患者胰岛中的α和β细胞中4个CpG位点的DNA甲基化水平显著升高，分别位于转录起始位点上游234bp、180bp和102bp处及下游63bp处；而且葡萄糖刺激后，患有2型糖尿病患者的胰岛中，胰岛素基因的表达、胰岛的分泌功能及胰岛素含量均有所降低。另有研究表明，与β细胞相比，α细胞中胰岛素启动子区的甲基化水平是显著增加的，这暗示着在特定胰岛细胞中DNA甲基化水平在调节胰岛素基因表达过程中有重要作用。与上述实验结果一致的是：功能荧光素酶实验证明，人类胰岛素DNA甲基化和胰岛素表达间具有负相关性。

2型糖尿病患者常伴随糖化血红蛋白（Hb A1c）水平升高的症状。研究表明，胰岛素DNA甲基化水平和Hb A1c水平密切相关，胰岛素基因启动子区DNA甲基化水平与Hb A1c的水平呈正相关，这预示着持续的高血糖会促进胰岛素基因的甲基化。目前，该猜想已经在β克隆细胞株中被证实：在高葡萄糖水平的培养基中培养细胞48小时，胰岛素基因启动子区DNA甲基化水平显著提高。

（二）胰岛素分泌过程中转录因子和组蛋白修饰的作用

现已有证据表明，多类组蛋白修饰酶的异常与糖尿病的发生有关，特别是去乙酰化酶的异常表达。人的HDAC主要分为4类：第1个被鉴定的人HDAC与酵母RPD3的结构相近，被归为第1类去乙酰化酶，主要包括HDAC1～HDAC3和HDAC8。第2类HDAC的催化区域与酵母的HDAC1蛋白同源，包括HDAC4～HDAC7、HDAC9和HDAC10。最近发现酵母的SIRT2也是一种HDAC。人类中SIRT2同源物已经被鉴定出来，归为第3类去乙酰化酶，在人类中分别为SIRT1～SIRT7。去乙酰化酶是HDAC11单独成为第Ⅳ类。GWAS鉴定出染色质区域6q21的单核苷酸多态性（SNP）与两种类型糖尿病都有关，而HDAC2也定位在该区域。进一步研究发现，HDAC2水平的异常升高与糖尿病患者的肾损伤有关。

胰岛素基因H3K4二甲基化和组蛋白修饰水平的提升，伴随着2种胰岛素邻近基因（酪氨酸羟化酶和胰岛素样生长因子）的特异性协同表达。进一步研究表明，在胰岛β细胞中，这2个邻近基因的组蛋白乙酰化水平对胰岛素基因的表达调控有重要作用，而且与促炎细胞因子白细胞介素－1β（IL－1β）、组蛋白乙酰化和胰岛素基因的表达之间有相关性。IL－1β是胰岛β细胞损伤中的重要调节因子，它能够阻止胰岛β细胞的损伤，并提高胰岛素基因的表达。在糖尿病患者中，表观遗传靶向药物沃雷诺斯通过阻止IL－1β的表达，进而遏制胰岛β细胞的损伤。

人胰岛中组蛋白修饰的全基因组分析已经完成。Bhandare等对人胰岛中2种与基因激活（H3K4me1和H3K4me2）相关的组蛋白标记和1种与基因抑制（H3K27me3）相关的组蛋白标记进行分析，确定了这些组蛋白修饰与基因表达之间的关系。他们发现位于H3K4me1 GLITR区域500bp中有18个SNP位点，这些SNP位点此前被证实与2型糖尿病相关，因为H3K4me1经常与增强子区域相关，这提示着这些SNP位点可能会影响基因表达。此外， Stitzel等也对人胰岛中2种与基因激活（H3K4me1和H3K4me3）相关的组蛋白标记和1种与基因抑制（H3K79me2）相关的组蛋白标记进行分析，并建议使用他们的数据作为人胰岛表观基因组的参照。甲醛辅助的调控元件分离（formaldehyde－assisted isolation of regulatory elements，FAIRE）是一种分析染色质结构的方法，主要是通过甲醛交联进而分离调控元件，利用这个方法，已经分析出人胰岛中大约8万个开放的染色质位点。有意思的是，在这些开放的染色质区域中发现了一种与2型糖尿病相关的、靠近TCF7L2基因的多态性。

（三）环境参与的表观遗传改变对糖尿病的影响

在营养刺激的情况下，胰岛素分泌提高，胰岛β细胞中ATP／ADP含量也升高，该过程需要快速持续的线粒体代谢和氧化磷酸化代谢，因此胰岛素分泌受损和2型糖尿病常伴随线粒体功能障碍。而胰岛素邻近基因的常见遗传变异所影响的氧化磷酸化是与受损的胰岛素分泌有关的，有人也证实了表观遗传的变异可能会降低人胰岛中与氧化磷酸化相关的基因（OXPHOS基因）的表达。转录共激活子PGC－1α（由PPARGC1A基因编码）可以调节线粒体中多个具有关键功能的基因的表达，而且这种激活子也可能因此影响了胰岛β细胞中ATP的产生和胰岛素的分泌。虽然PGC－1α的表达与胰岛素的分泌呈正相关，但是在2型糖尿病患者的胰岛中，PGC－1α表达是下降的。进一步研究发现，糖尿病患者胰岛中PPARGC1A基因的DNA甲基化水平是升高的，提示表观遗传学修饰可能影响基因表达和后续的胰岛素分泌。在另一项研究中，糖尿病患者胰岛中OXPHOS基因表达是下调的。表达量减少的OXPHOS基因中，分析了其启动子区域DNA甲基化程度，但是没有发现因糖尿病情况的出现而导致的甲基化水平的差异。然而在一个OXPHOS基因亚Ⅱ基因（COX11）中，其基因表达水平和DNA甲基化呈负相关。在未来的研究中，需要进一步分析2型糖尿病患者中DNA甲基化对基因表达调控和对胰岛素分泌的影响。

最近也发现除了成年后的生活方式导致糖尿病发生外，胎儿在子宫内的环境和早期出生后环境也对肥胖、胰岛素抵抗和糖尿病有显著影响。

一般情况下，不利的子宫环境也能增加胎儿出生后糖尿病和代谢性疾病的罹患风险（图15－5）。不充足的营养可能导致长期的机体维持新陈代谢、激素水平和重要器官细胞数量的能力改变。胎儿宫内发育迟缓可能是因为母体遗传因素、胎盘因素或者其他基因因素所致，生命早期的这种干扰环境被认为能够在生理水平和细胞水平上影响对关键器官的适应性应答。暴露在不利子宫环境中的啮齿类动物也显现出胰岛素分泌的损伤，并在成年期发展为糖尿病，这是因为在胚胎发育时期表观遗传修饰发生了改变。胰腺十二指肠同源框（PDX－1）是包含同源域的转录因子，在胰腺的发育和功能方面扮演着重要的角色，有某些PDX－1突变的患者会发展为一种单基因形式的糖尿病。同样，在β细胞中缺少PDX－1表达的基因敲除小鼠因为损伤了胰岛素分泌而发展为糖尿病。而且，啮齿类动物宫内发育迟缓造成了PDX－1表达下降及子代糖尿病的发生。PDX－1表达的下降也与表观遗传修饰的逐渐改变相关，即在PDX－1基因座上组蛋白修饰和DNA甲基化。有研究表明，当这些动物在幼龄期用醋酸艾塞那肽（一种长效的胰高血糖素样多肽）处理时，由于PDX－1表达量的增加和表观遗传的改变，导致糖尿病的发病率大大降低。对暴露在子宫生长受阻环境下啮齿类动物的DNA甲基化全基因组进行分析表明，确实找到明显的调控β细胞增殖、胰岛素分泌和血管生成的相关基因的表观遗传改变。

图15－5 不利的子宫环境增加胎儿出生后罹患糖尿病的风险

人类在早期发育过程中（包括胎儿、婴儿、儿童时期）经历不利因素（营养不良、营养过剩、激素暴露、子宫胎盘功能不良等），组织器官在结构和功能上会发生永久性或程序性改变，将会影响成年期糖尿病、代谢综合征、心血管疾病、精神行为异常、哮喘、肿瘤、骨质疏松、神经疾病等慢性非传染性疾病的发生发展。该理论为都哈理论（健康和疾病的发育起源理论）。例如，一些观察发现，低出生体重（子宫内一样不良、生长迟缓）预示着较高的成年胰岛素抵抗、高胆固醇水平、高血压和因为心血管疾病导致的死亡风险。该理论最为有趣的两点是：①早期发育过程中长期环境暴露的效应部分地被表观遗传机制所调控；②后天获得的与环境相关的表型能够遗传给后代，不是通过基因传递的机制，而可能是通过表观遗传修饰的方式来遗传。

总的来说，这些研究都证明在胰岛和β细胞中的表观遗传学改变能够影响2型糖尿病和与之相关的胰岛素分泌以及并发症的候选基因的表达。

三、肥胖的表观遗传研究

随着经济的发展和生活条件的改善，肥胖发生率在很多国家正在攀升。肥胖严重影响健康，肥胖增加2型糖尿病的罹患风险，并与冠状动脉疾病、高血压及某些癌症的发病率呈正相关。肥胖是一种复杂的多基因性状，是基因和环境共同作用的结果。

肥胖与基因因素有着密切的关系：环境和营养对肥胖的影响是无处不在的，但它不会影响所有的人，肥胖发生率在不同人群之间存在相当大的差异。近几年来，高通量SNP芯片的出现促进了全基因组关联研究（GWAS），从而使在人群之间揭示遗传变异与肥胖之间的关系取得重大进展，目前已经证明32个SNP位点与身体体质指数（BMI）密切相关。此外，也有单基因突变引发的肥胖，其中最常见的是MC4R基因突变引起的孟德尔儿童发病极端肥胖综合征，但其相对于整体来说比较罕见，仅占儿童极端肥胖的6％。

由于研究手段的限制，目前主要集中在DNA修饰上。例如，基因组印记异常导致的肥胖与特异饮食，影响DNA甲基化，从而导致肥胖。

（一）基因组印迹异常在肥胖中的作用

基因组印记又称遗传印记，即只允许等位基因中的1个基因表达，取决于它是父方起源的还是母方起源的。基因印记可以是共价标记（DNA甲基化）的，也可以是非共价标记（DNA－蛋白质和DNA－RNA互作）。印记基因约占人类基因组的5％，它但在胎儿的生长和行为发育中起着至关重要的作用。基因组印记所导致的疾病主要表现为过度生长或生长迟缓、智力障碍、行为异常。肥胖是常见的印迹异常的表型之一，其中Prader－Willi综合征（PWS）是非孟德尔遗传现象基因组印记的典型例证。

Prader－Willi综合征（PWS）是一种印迹相关综合征，其病因为15q11－q13上有1个5～6Mb区域的缺失，其中约70％的PWS病因为父方15q11－q13缺失，约25％ 是由于15q11－q13的母本单亲源二倍体，其表型特征为婴儿期肌肉张力减退、发育迟缓，因饮食不佳而造成营养不良及呆滞，随后则出现饮食过量、重度肥胖等。目前对这种疾病的发病机制解释如下：患者的行为和认知障碍导致一种极端的、不受控制的食欲，无法感知进食后经历正常的饱腹感，食欲促进NPY／AGRP神经元和反对厌食POMC／CART神经元功能失调。

（二）糖尿病／肥胖的非基因遗传

很多表型能够被很好地遗传，但是在研究的过程中，个体后天获得的特征也能够连续不断地被遗传继承。按照之前的理论，有关环境方面原因而获得的后天表型不应该被遗传。这种非基因机制构成了一个复杂的信息通道排列组合，它不仅包括表观遗传，而且包括文化和行为方式。比如，一个家庭喂养孩童的习惯能够长久地维持孩童患肥胖和糖尿病的风险，而不需要任何遗传和（或）表观遗传机制。因此，在剖析糖尿病和肥胖风险中表观遗传的成分是极具挑战性的。糖尿病和肥胖风险的遗传中表观遗传的角色：首先，表观遗传的标记主要聚集在胎儿期和早期新生儿时期，这和都哈理论所提及的时间段很接近；其次，环境原因导致表观遗传修饰被调制，这些环境原因包括营养摄入等，它提供了一个在基因组水平上环境信号导致基因表达改变的机制；最后，因为表观遗传标记已经建立，它们能够保持持久稳态，那么如果存在于生殖细胞中，它就能够作为分子生物学上的依据，解释表型在不同世代间的遗传。

这里涉及因环境方面原因获得的后天表型，从亲代到子代的传递中的隔代遗传效应。这一过程中，环境因素扮演了关键的角色。因此，解释以下3个问题，将有利于探讨支持糖尿病和肥胖的隔代表观遗传和新陈代谢改变的证据：①当考虑隔代遗传效应时，将考虑一个更为宽广的情况，即从F0代开始就出现的新陈代谢功能失调的风险，通过环境因素传递至后代；②区分糖尿病的隔代遗传发生是通过父代还是母代；③明确表观遗传是否参与这一过程，即要有一个清晰的系谱图。最重要的就是要确定是否环境条件在F0代个体到F1、F2代的传递中影响了糖尿病风险的上升。系谱中F0代个体的环境条件引起的后代F1的特殊表型，在生殖细胞中通过非基因机制，该表型又能够被传递给下一代（F2代）。在F0代高频次的给予非正常环境暴露不会引起糖尿病和代谢紊乱，但是这个诱因会在接下来的几代中发展成糖尿病。激素干扰和环境毒性是造成这一现象的典型信号。在F0代，当一个环境因子能够引起代谢的改变时，上述在后代发生的情况才会出现。随后，后面几代也会同样引起代谢综合征。然而，大体上对于F0代的表现不是绝对一致的，或者说表型的外显率在不同世代间是有差异的。可能的解释是，环境暴露的个体导致细胞状态的改变，从而增加了糖尿病风险。环境造成改变的数量和类型很明显是因组织器官的不同而不同。这也证实了在生殖细胞中的现象：生殖细胞表观遗传修饰的数量和类型也是不尽相同的。

尽管在表观遗传学中人类对糖尿病和肥胖的研究领域有实质性进展，但是仍需要额外的全基因组和功能的研究来全面剖析理解表观遗传修饰对疾病发病机制的影响。未来的研究需要在多个器官不同环境下进行，因为有多个2型糖尿病的环境风险因子的靶点是不同的器官。通过这些研究可能会获得用于2型糖尿病的预测和预防的信息。而且在未来，针对2型糖尿病患者的以表观遗传因子为靶点的药物将开发出来。对于肥胖、胰岛素抵抗和相关代谢综合征的表观遗传研究，将更多地考虑环境因素所引起稳定改变的表观遗传修饰，这也会为表观遗传靶向药物设计和临床治疗提供理论依据。