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    糖尿病（DM）是一種受多重復雜因素影響的慢性代謝性疾病，遺傳和環境因素的改變可導致DM 的發生。DM 常伴有大血管并發癥（如動脈粥樣硬化、高血壓和中風）和微血管并發癥（如糖尿病腎病、視網膜病和神經病變）。

    目前，DM 是繼心血管疾病和腫瘤之后的第三大非傳染性疾病，全球DM的流行給患者和社會帶來了沉重的經濟負擔。近年雖然一些藥物可改善DM患者預后，但仍有很多患者出現糖尿病并發癥。

    目前已經證實，患者在確診DM之前就已經出現糖耐量異常，機體隨之形成了代謝性記憶，為以后可能出現的DM相關性血管并發癥埋下隱患。同時也提示，表觀修飾異常可能通過影響代謝性記憶的發生而參與DM 及其并發癥的發病機制。

    目前表觀遺傳修飾包括：DNA 甲基化、組蛋白化學修飾、染色質重塑和miRNA 4 種調控方式，筆者主要對其中的DNA甲基化、組蛋白化學修飾在DM及其腎臟并發癥中的研究進展進行綜述。

    一、表觀遺傳學的概述

    早在1942 年，康德拉?哈爾?沃丁頓就首次提出了表觀遺傳學（epigenetics）的概念，幾十年后，霍利迪針對表觀遺傳學提出了更新的系統性論斷，即表觀遺傳學是基因的DNA 序列不發生改變的情況下，基因的表達水平與功能發生改變，并產生可遺傳的表型。

    表觀遺傳對生物體各種類型細胞的生長和分化至關重要，然而隨著環境因素的影響或年齡的增長，細胞正常的表觀遺傳狀態也會被打破，這就使得表觀遺傳改變在一些復雜的多因素疾病，如糖尿病腎病（DN）的發病機制中發揮了重要作用。

    1. DNA 甲基化：

    DNA 甲基化是最基礎的基因表觀遺傳學修飾，不僅調節基因的表達，而且對染色體保持穩定起重要作用。在脊椎動物中，DNA 甲基化主要發生在CpG 島。

    DNA 甲基化由DNA 甲基轉移酶家族（DNAmethyltransferases，DNMTs）催化，將甲基基團合成到5'?CpG?3'中胞嘧啶的第五位碳原子上。盡管基因組大部分基因是非甲基化的，但是基因啟動子區的CpG 島在成長過程中易發生動態甲基化改變。

    通常基因啟動子區域的CpG 島處于非甲基化狀態，當發生甲基化時，可導致基因沉默的發生，而產生這一作用的機制可能與阻礙AP2、NF?κB、c?Myc和E2F等轉錄因子與啟動子的結合、結合轉錄抑制因子（如甲基化結合蛋白）和改變染色質的結構有關。

    2. 組蛋白化學修飾：

    組蛋白是染色體基本結構核小體的重要組成部分，包括：組蛋白H1、H2（H2A 和H2B）、H3、H4和H5。組蛋白尾部（N端氨基酸殘基）可發生乙酰化、甲基化、磷酸化及泛素化等多種共價修飾作用，且這些修飾作用大多是可逆的。

    組蛋白化學修飾通過影響組蛋白與DNA 雙鏈的親和性，從而改變染色質的疏松或凝集狀態，或通過影響轉錄因子與結構基因啟動子的親和性來發揮基因調控作用。

    組蛋白乙酰化（acetylation，Ac）修飾是一個快速動態修飾的過程，主要是在組蛋白乙酰轉移酶（histoneacetyltransferase，HATs）和組蛋白去乙酰化酶（histonedeacetylases，HDACs）的協調作用下進行的。

    HATs 催化組蛋白乙酰化，導致染色質結構松散，促進基因轉錄；而HDACs使組蛋白去乙酰化，導致染色質凝聚，抑制基因轉錄。組蛋白乙酰化呈多樣性，核小體上有多個位點可提供乙酰化，但特定基因部位的組蛋白乙酰化和去乙酰化以一種非隨機的、位置特異的方式進行。

    組蛋白甲基化是指發生在組蛋白N 端精氨酸或賴氨酸殘基上的甲基化，由組蛋白甲基轉移酶（histonemethyltransferase，HMTs）和去甲基化酶（lysine demethylase，***）動態調節。

    與組蛋白乙酰化不同，組蛋白甲基化更加穩定和持久。根據組蛋白甲基化形式、甲基化位點和被修飾的氨基酸殘基類型的不同，組蛋白甲基化可導致轉錄的激活或抑制。如今，組蛋白修飾在表觀遺傳機制中起重要作用的觀點，被越來越多的人認同，但其具體的作用機制還沒有被完全認識。

    Vaissiere 等發現，CpG 島DNA 甲基化可促進組蛋白去乙酰化，導致相關基因轉錄抑制，且其通過調節H3K9me3的組蛋白甲基轉移酶SUV39H1的募集可以進一步增強轉錄抑制。反之，組蛋白乙酰化可以通過抑制DNA 甲基轉移酶與CpG 島的結合來抑制DNA 甲基化。

    Murr 等發現DNA 甲基化及其它的組蛋白修飾之間也存在類似的相互作用。表觀遺傳機制間的相互作用使基因調控變得更加復雜，而它們在DM及其并發癥中的作用機制仍有待進一步的研究。

    3. 表觀遺傳修飾與代謝性記憶：

    所謂“代謝性記憶”現象是指高糖介導的微血管病變即使在后續血糖控制達標后仍可持續進展。研究表明，代謝記憶的分子機制是糖尿病誘導的關鍵靶細胞中特定轉錄復合器在血糖恢復正常后仍持續啟動，介導后續核內基因表達譜異常。

    相關研究提示即使不再存在環境因素**，組蛋白異常修飾及DNA 甲基化改變也不會恢復，這種持久的改變可遺傳給后代。

    國外學者采用染色質共沉淀?測序技術分析了高糖負荷條件下血管平滑肌細胞的表觀修飾模式，發現組蛋白H3K9、H3K14 呈高度乙酰化修飾，并參與了內皮功能異常的發生。

    同時研究還發現，預先進行高糖培養的系膜細胞2 d 后再恢復正常糖濃度培養3、6、9 d，H3和H4 乙酰化蛋白水平仍較正常糖濃度組顯著上調，與Zhong等在細胞和糖尿病大鼠記憶模型中的研究結果相似。以上結果表明高糖可誘導靶細胞、染色質組蛋白乙酰化重塑，且該效應在血糖恢復正常后仍持續存在。

    有趣的是，即使短期的高血糖**也可以導致長期的表觀遺傳修飾的改變。El?Osta 等通過體外分離培養的上皮細胞實驗發現，上皮細胞暴露于高糖環境16 h后，在正常糖濃度中培養若干天，其NF?κB、p65表達持續增加，同時啟動子H3K4me1標志物表達持續增加，伴隨組蛋白甲基化酶SET7在p65啟動子區募集增多。但上述這些改變可以被線粒體電子傳遞鏈阻礙復合體阻斷。

    總之，目前的研究均表明高糖可以導致靶細胞表觀遺傳改變，且即使血糖控制在正常水平時，表觀遺傳改變仍可以導致DM 微血管及大血管并發癥發病相關基因持續表達。

    二、表觀遺傳調控在糖尿病及其并發癥發展中的作用

    1. DNA 甲基化與糖尿病及其并發癥：

    研究發現某些DNA 甲基化參與了DM 發生。例如DM 狀態下，轉錄輔助活化因子1α（ PGC?1α）啟動子區DNA 甲基化增加，而PGC?1α表達下降。

    由于PGC?1α與葡萄糖**胰島素的分泌呈正相關，提示DNA甲基化修飾通過抑制PGC?1α表達導致糖尿病db/db 小鼠胰島素分泌減少。

    此外，全基因組研究表明，在高糖條件下細胞內組蛋白DNA 甲基化存在明顯差異，且血管內皮細胞炎性反應基因啟動子區的DNA 甲基化呈現長期持久的變化，提示表觀遺傳調控可能與糖尿病代謝機制有關。

    同樣在DN 和慢性腎臟病（CKD）患者中均發現有不同程度的DNA 甲基化。DNA 甲基化也受到與腎衰竭相關的尿毒癥成分的影響。研究表明，CKD 和終末期腎病（ESRD）患者均可出現高同型半胱氨酸血癥，伴S腺苷同型半胱氨酸升高。

    同型半胱氨酸前體S?腺苷同型半胱氨酸是S?腺苷甲硫氨酸依賴的甲基轉移酶的強拮抗因子，同時也是導致DNA 甲基化改變的重要因子之一，在多種高同型半胱氨酸血癥性疾病（包括尿毒癥）中均顯著增高。

    事實上，血清中S?腺苷同型半胱氨酸水平升高在伴有血管疾病的CKD患者中已有報道。上述研究均提示DNA 甲基化異常可能通過影響啟動子區域的基因結構來參與CKD的發生發展。

    最新研究報告顯示，對唾液中提取的DNA 基因進行甲基化水平測定，發現在糖尿病腎病（DN）不同發展階段，DNA 甲基化修飾存在顯著差異，并可識別糖尿病終末期腎病與無腎臟并發癥的糖尿病患者，兩組至少有兩個CpG 位點甲基化存在明顯差異。這表明DNA 甲基化水平差異可能在預測疾病易感性及疾病進展方面起作用。

    2. 組蛋白修飾與糖尿病及其并發癥：

    目前研究表明組蛋白修飾在DM 及其并發癥中起重要作用。Miao 等發現體外分離培養高糖**的單核細胞及DM 患者外周血中的單核細胞內TNF?α和COX?2 基因啟動子上H3K9和H3K14Ac 水平增高，還發現HAT（pCAF）與NF?κB 信號通路的轉錄因子p65 結合能力增加且促進了NF?κB 途徑的轉錄活性，提示DM時炎性反應相關基因的過度表達與組蛋白過乙酰化反應相關。

    Boekhoudt 等發現TNF?α誘導單核細胞趨化蛋白1（monocyte chemoattractant protein?1，MCP?1）基因啟動子區發生高乙酰化反應，增加Sp1和p65在該調控區的結合而促進MCP?1基因表達。

    上述研究均表明組蛋白高乙酰化修飾與病理狀態下NF?κB信號通路的活化及下游調控基因的高表達密切相關。Reddy等還發現氯沙坦作用于體外高糖培養的腎小球系膜細胞時，可部分逆轉其RAGE、血漿纖溶酶原活化因子抑制劑1（plasminogen activator inhibitor?1，PAI?1）及啟動子MCP?1已經增加的H3K9/14乙酰化水平，為糖尿病腎病提供了更加有效的靶向治療策略。

    Yuan等應用體外分離培養的原代腎小球系膜細胞，以PAI?1 和P21 基因作為研究中心，觀察高糖及轉化生長因子β1（transforming growth factor β1，TGF?β1）**對細胞內靶基因啟動子區組蛋白乙酰化修飾影響及HAT/HADC 的表達變化，觀察與目標基因表達密切相關的轉錄因子Smad2/3和Sp1蛋白乙酰化修飾的改變，以及這些化學修飾改變對靶基因轉錄水平的影響，并應用糖尿病動物模型，觀察高糖環境以及胰島素治療對腎小球內乙酰化修飾、基因表達以及腎小球肥大的影響。

    結果顯示，糖尿病大鼠肥大的腎小球及高糖環境下系膜細胞內PAI?1 和p21 基因啟動子上的組蛋白H3K9 及Smad2/3、Sp1 蛋白發生高乙酰化修飾，提示高乙酰化修飾參與PAI?1 與p21 基因表達調控，并與糖尿病性腎小球肥大的發生有關。ECM的過度蓄積和腎小管上皮細胞上皮?間質轉型有關，是導致腎小球濾過率下降進而出現腎功能損害的主要病理表現。

    有研究證明，HDACs特別是HDAC?2的活性在DN 模型db/db 小鼠體內明顯增強，在以TGF?β1 處理過的正常鼠腎小管上皮細胞中也有相同表現，且HDACs 抑制劑能明顯減少ECM 成分基因的mRNA 和蛋白表達，并能防止腎小管上皮細胞上皮?間質轉型。

    這些研究表明HDACs 在腎臟纖維化和TGF?β1 致纖維化作用相關的DN等慢性腎臟損傷模型中發揮重要作用。

    Kaur 等研究發現，作為體內重要的HAT，p300 在高糖處理的內皮細胞NF?κB 信號通路活化以及DM 相關的腎臟ECM 沉積中發揮重要作用。

    進一步研究表明，高糖增加p300的表達，導致血管內皮細胞ECM基因和血管活性因子啟動子區組蛋白乙酰化增加。有趣的是，在體外分離培養的人臍靜脈內皮細胞實驗中p300 抑制劑如姜黃素，能阻礙高糖誘導的糖尿病血管并發癥相關基因的表達。

    遺憾的是，在進行小鼠實驗時發現，無論在誘導小鼠產生DM 之前或之后，進食姜黃素均不能減少糖尿病小鼠蛋白尿。

    Francis 等采用小干擾RNA 表達的腺病毒載體轉染BTC3 細胞系，抑制PDX?1 基因表達，發現轉染細胞胰島素基因啟動子鄰近區域的H3K4me2 水平也明顯下降，同時TNF?α誘導的NF?κB 依賴的炎性反應基因，如MCP?1、TNF?α和IL?8 的表達也顯著減少。

    Li 等通過體外分離培養的人THP?1單核細胞和HEK293細胞系實驗發現，高糖**時，內皮細胞內Set7/9 表達增多，其活化的NF?κB的表達也增多。

    沉默Set7/9 也能減少NF?κB 途徑P65 亞單位和p300 募集到MCP?1和TNF?α啟動子上，同時MCP?1和TNF?α啟動子上的H3K4me相應減少。

    這些結果提示，Set7/9也許通過啟動子H3K4 甲基化修飾來共激活NF?κB的轉錄，從而對糖尿病環境下的炎性反應**物作出反應。

    Sun 等發現采用siRNA 沉默SET7/9 基因，能顯著減少TGF?β1 誘導的ECM 相關基因表達，并且發現TGF?β1抗體不僅能阻礙高糖誘導的ECM 基因的表達，而且可逆轉高糖**時ECM 相關基因啟動子上H3K4me 的水平及SET7/9的募集。

    Keating等發現，SET7/9組蛋白甲基轉移酶是調節組蛋白及非組蛋白賴氨酸殘端甲基化作用的關鍵酶。因此，Set7/9 也許是控制包括DM 在內的炎性反應性疾病的一個新的治療靶標。

    還有研究發現，db/db 小鼠的血管平滑肌細胞中SUV39H1 蛋白水平降低，同時IL?6和MCP?1 啟動子上的H3K9me3 相應減少。

    因此，在炎性基因啟動子中，SUV39H1或其介導的H3K9me3的減少，可能導致抑制性蛋白的丟失，從而使各種炎性基因過度表達，最終導致DM患者的血管病變。

    綜上，特定的靶基因啟動子的表觀遺傳改變也許可以解釋糖尿病腎臟及其它并發癥的快速進展，以及即使在藥物治療或血糖水平已經控制時仍存在持續性代謝記憶的發生。

    三、總結

    表觀遺傳在疾病的發生和發展中起著十分重要的作用。研究表明高糖**可使基因發生表觀遺傳改變，如DNA甲基化、組蛋白乙酰化、染色質重塑及microRNAs，從而來調節細胞內炎性反應基因及纖維化基因表達相關的信號傳導通路，最終使靶細胞主要的炎性反應及纖維化基因表達失調。

    這種持續的表觀遺傳改變也許是代謝記憶的重要機制。但是，各種表觀遺傳修飾如何作用于復雜的細胞循環途徑仍不十分清楚。不同于不可逆的基因序列改變，表觀遺傳修飾通常是可逆的，這為人們通過藥物干預病理狀態下表觀遺傳修飾提供了可能性。

    高通量測序技術的快速出現和進展，便于集中研究DM及其并發癥的表觀遺傳，必將為DM及其并發癥的發病機制及防止策略帶來新的思路和機遇。