DNA甲基化和2型糖尿病危險因素的研究與進展

文章來源： 中華糖尿病雜誌, 2017,9(12) : 787-789

作者

• 李文文 王奇金

• 上海第二軍醫大學附屬長海醫院

2型糖尿病（T2DM）是以血中葡萄糖水平過高為特徵的主要慢性代謝疾病。成人糖尿病患病率為6.4%[1]，且逐年增加，已成為危害全球健康的主要疾病之一。目前認為T2DM是一種遺傳和環境因素共同作用而形成的複雜的多基因遺傳性疾病，其特徵為胰島素抵抗、胰島素分泌不足和肝糖原輸出增多，但其主要病理生理機制尚不清楚[2]。表觀遺傳變化，特別是DNA甲基化，在連接遺傳和環境因素的發病機制和進展中發揮作用[3]。本文探討了DNA甲基化在T2DM高危因素致病機制中的作用以及T2DM發生髮展中的分子機制並對T2DM表觀遺傳學研究進展進行綜述。

1．DNA甲基化：

DNA甲基化是指在DNA甲基化轉移酶（DNA methyltransferase, DNMT）的催化下，以S-腺苷甲硫氨酸為甲基供體，將甲基轉移到胞嘧啶第5位碳原子上，甲基化的胞嘧啶多位於啟動子胞嘧啶-鳥嘌呤(cytosine phosphate guanine,CpG)島，這是一種不改變DNA序列的可遺傳基因的修飾作用。DNMT1通過將甲基化胞嘧啶從現有的DNA鏈識別到其新型配偶體，通過複製傳播胞嘧啶甲基化，並且主要負責維持細胞中的DNA甲基化。DNMT3A和DNMT3B主要參與從頭甲基化，建立新的甲基化模式。DNA甲基化早已被認為是表觀遺傳沉默機制[4]。CpG島通常位於啟動子區域[5]，啟動子區的DNA甲基化導致基因表達下調，嚴重影響其生物學功能。

在細胞發育和分化過程中DNA甲基化是必不可少的，其通過體細胞或生殖細胞在減數分裂或有絲分裂中進行遺傳[6]。在哺乳動物中，在胞嘧啶甲基化過程中，甲基由S-腺苷-甲硫氨酸（s-adenosyl methionine,SAM）供體。與穩定的DNA序列相反，表觀遺傳修飾是動態和可逆的，因此可能是藥理學干預的靶標。DNA甲基化在T2DM發生髮展中也發揮重要的調節作用。

2．DNA甲基化與T2DM：

T2DM患者存在多種生理異常包括胰島素抵抗、胰島素分泌受損、肝糖原輸出增多、腸促胰素分泌減少且作用缺陷[7]。Toperoff等[8]報道T2DM相關的DNA甲基化變異的表觀基因組相關研究，他們將1 169例T2DM患者和來自4個DNA池的對照組DNA進行研究，結果發現已知全基因組關聯分析基因座富含差異甲基化位點，FTO基因中CpG位點的低甲基化與T2DM的風險顯著相關。另有報道在硫氧還蛋白互作蛋白，cg19693031的CpG位點的不同甲基化與T2DM顯著相關，且CpG位點的低甲基化水平與T2DM的風險顯著相關。CpG位點的不同甲基化水平與T2DM發生髮展顯著相關[9,10,11]。這些研究強烈提示DNA甲基化在T2DM發生髮展中可能發揮關鍵作用。

3．DNA甲基化與T2DM危險因素的研究進展：

T2DM的危險因素包括種族、性別、出生體重、活動受限、老化、出生前後的環境因素（如子宮內環境、孕婦飲食、母乳餵養）、妊娠糖尿病、氧化應激、吸煙和有毒環境（如砷）等[12]。T2DM多種危險因素與DNA甲基化相關，研究認為DNA甲基化及其調節基因參與了T2DM的發生髮展，對血糖穩態維持和胰島素抵抗基因也有調控作用。（1）年齡：DNA甲基化的模式隨著年齡的增長而發生很大變化：全基因組甲基化水平隨著年齡的增長而降低，而某些基因組區域如CpG島，隨著年齡的增長而變得更加容易甲基化[13]。Gopalan等[14]確定了數百個CpG位點，發現其甲基化水平與年齡顯著相關。隨著年齡增加，胰島素抵抗也不斷增加，表明年齡相關的DNA甲基化可能在胰島素抵抗和T2MD發生中發揮重要作用。（2）出生體重：與正常出生體重的新生兒相比，低或高出生體重的新生兒在校正了吸煙、孕產婦年齡、性別和胎齡等危險因素後，他們的臍血中長散在重複序列1（long interspersed nuclear element-1，LINE-1)的甲基化水平明顯低於正常出生體重的新生兒[15]。即使是單卵雙生子其T2DM的發病可能也因出生體重不同而異。全基因組測序可能有助於鑒定相關的甲基化基因，而功能測定可能有助於解釋該基因的甲基化、出生體重變化和T2DM發生三者的關係[16]。（3）母乳餵養：母乳餵養對於母嬰健康均有益處。缺乏母乳餵養已經被列為肥胖和T2DM的危險因素[17]。母乳餵養時間越長，孕產婦患T2DM的風險就越低[18]。母乳餵養時間超過1年的嬰兒患T2DM的風險低於未接受母乳餵養的嬰兒。在50歲以上的母親中發現LINE-1 DNA甲基化和母乳餵養持續時間之間存在相關性[19]。（4）膳食成分：膳食成分如維生素B12、維生素B6、甜菜鹼、甲硫氨酸、葉酸和膽鹼已被證明參與改變和維持DNA甲基化。同型半胱氨酸是一種中間體，涉及維持甲基化的不同重要生化過程。它可形成甲硫氨酸或釋放到細胞外培養基[20]。當飲食中缺少硫時，人體分解蛋氨酸並將其覆蓋到半胱氨酸中。蛋氨酸直接從SAM那裡使用甲基，並降低其水平，當缺乏SAM時，規範的甲基化模式被中斷，這可能導致T2DM的發生。（5）環境毒素：T2DM發病的環境因素與重金屬砷的暴露相關[21]。砷可以改變維持葡萄糖穩態的基因，砷在特定發育階段可以導致鳥嘌呤和胞嘧啶豐富區域的DNA低甲基化，改變胰島素樣生長因子的基因表達，信號通路如Igf1、Igfr2和Igfbp1以及雄性C3H小鼠肝臟中編碼金屬硫蛋白的應激反應基因[22]，從而參與T2DM發生髮展的調控。（6）DNA序列變異的影響：多項研究提示DNA序列變異影響表觀遺傳學，比如個體對T2DM的易感性可能受多個基因座的影響。Coolen等[23]研究發現DNA甲基化的獲得或喪失在同卵雙胞胎中較異卵雙胞胎中更常見。而DNA序列變異可導致T2DM發病率明顯增加。DNA序列影響DNA甲基化，但其機制仍未闡明。（7）子宮內生長遲緩：子宮內生長遲緩是孕期最常見的併發症之一，是成人T2DM發病相關的不良因素。通過基因表達的改變，胎兒的發育可能受到子宮內環境的不利影響。胎兒在這些細胞暴露期間經歷分化，增殖和功能成熟；同時DNA甲基化水平明顯增高，部分基因發生表觀遺傳學修飾，子宮內環境的改變對胎兒的影響將進一步延伸到成年期[24]。（8）妊娠期糖尿病：在妊娠期糖尿病患者中，葡萄糖可以從母親自由進入胎兒，而母體胰島素進入胎兒時被胎盤激素阻斷，胎兒暴露於高濃度葡萄糖中，迫使胎兒增加自身的胰島素。子宮內環境和營養狀況參與胎兒發育，不良的子宮內代謝環境導致胎兒胰島素需求增加，可能在生命早期影響胎兒發育的一些關鍵基因。在這些修飾中DNA甲基化發揮重要調節作用，甲基化引起的表觀遺傳學改變可能導致代謝印跡，即負責上調或下調胰腺發育的關鍵基因、β細胞功能、外周葡萄糖攝取和胰島素抵抗[25]。（9）營養過剩或不良：表觀遺傳學機制可能會由於在懷孕期間和產後早期營養過度而改變個體對糖尿病的易感性。在wistar大鼠進行的研究表明，新生兒過度攝食後，容易發生代謝異常如高血壓，高血糖，高胰島素血症等。DNA甲基化分析揭示了編碼主要厭食性神經激素原皮質素皮質醇的基因啟動子的高甲基化在下丘腦組織[26]。營養不足對胎兒的長期影響取決於營養缺乏的時間、性質和強度。Simmons[27]研究發現懷孕期間飲食限制對後代具有不良影響即胎兒期營養不良使其β細胞發育障礙。Sandovici等[28]報道大鼠母體飲食狀況影響後代胰島中Hnf4a基因的表觀遺傳學沉默的機制，母體低蛋白飲食導致在後代的胰島中Hnf4a表達永久性降低。（10）氧化應激：氧化應激是通過生產活性氧簇（reactive oxygen species，ROS）引起胰島素抵抗和β細胞功能障礙。ROS參與各種細胞過程，不良環境可導致ROS的產生，通過各種氧化應激機制改變表觀遺傳模式，導致鳥嘌呤轉化為8-氧代鳥嘌呤，將5-甲基胞嘧啶（5-methylcytosine,5mC），5mC轉化為5-羥甲基胞嘧啶（5-hydroxymethylcytosine，5hmC）。5mC和5hmC都可顯著降低表觀遺傳關鍵調節劑MeCP2的活性，後者又將胞嘧啶甲基轉移酶和組蛋白脫乙醯酶引入DNA[29]。氧化應激還對DNA甲基化有直接影響。（11）跨代效應：疾病風險的增加可通過非基因組機制跨代遺傳，如表觀遺傳。Carone等[30]報道在小鼠中父系誘導的跨代效應，餵養低蛋白飲食的雄性小鼠與對照飲食飼養的雌性交配，後代肝組織中過氧化物酶體增殖物激活受體α基因的DNA甲基化變化與基因下調相關。與母體攝入營養素變化相關的表觀遺傳變化可以很容易地從F1傳播到F3代，其他混雜因素可能改變發育中的胎兒接收信號。這些研究從DNA甲基化的角度為糖尿病的遺傳易感性提供了新的分子基礎。

DNA甲基化是表觀遺傳調控中最早被認定的，也是調節基因功能最重要的手段之一，是一種不改變DNA序列的可遺傳基因的修飾作用，在T2DM的發病機制和進展中，起到連接遺傳和環境因素的重要作用。隨著對T2DM認識的不斷加深，T2DM多種誘發因素都涉及到DNA甲基化水平的改變，提示DNA甲基化在T2DM發病機制中發揮核心驅動作用。我們期待更多的研究來明確T2DM發病的確切機制，同時利用DNA甲基化的技術來設計有目的干預措施，比如DNA甲基化改變可被諸如特殊飲食、藥物及生活方式重塑等方法予以糾正和逆轉，這就為T2DM的預防提供了新的思路，為治療提供了潛在的藥物靶點。

文獻備索

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