宮內(nèi)發(fā)育遲緩導(dǎo)致成年糖尿病的研究進展

戴程婷 李一卉 袁逸 袁慶新

南京醫(yī)科大學(xué)第一附屬醫(yī)院內(nèi)分泌科 210029

宮內(nèi)發(fā)育遲緩(IUGR)又稱為胎兒發(fā)育遲緩(FGR)，是指胎兒出生體重低于胎齡平均體重的第十百分位數(shù)。美國IUGR的發(fā)生率高達10%，我國IUGR的發(fā)生率約3%～10%。目前研究已經(jīng)證實，IUGR的病因包括母體因素、胎兒因素和胎盤因素。研究發(fā)現(xiàn)，IUGR胎兒的胰島體積減小，β細胞數(shù)量減少，胰島素分泌減少，出生后出現(xiàn)生長追趕，發(fā)生高胰島素血癥，成長過程中胰島功能下降或者胰島素抵抗(IR)，成年后易發(fā)生糖尿病[1]。本文重在闡述表觀遺傳和氧化應(yīng)激等機制在IUGR導(dǎo)致成年糖尿病中的作用。

1 IUGR胎兒胰島變化的特點與成年糖尿病的發(fā)生

1.1 正常胚胎胰腺發(fā)育過程 胚胎胰腺的發(fā)育經(jīng)歷早、中、晚3個時期。以大鼠為例，早期(E8.5d～E12.5d)，原始胰腺開始出現(xiàn)；中期(E13d～E15.5d)是胰腺內(nèi)分泌和外分泌細胞分化和增殖的關(guān)鍵階段，此時典型胰島結(jié)構(gòu)開始形成；晚期(E16d～E21d)功能細胞進一步成熟和完善；出生后第1周，外分泌胰腺大量生長，形成新的腺泡[2]。出生后3周內(nèi)，新生鼠的胰島β細胞出現(xiàn)凋亡，同時伴隨新的胰島細胞再生，至此，胰島發(fā)育正式完成，這一過程被稱為胰島重塑。

人的內(nèi)分泌細胞分化始于孕第7周；孕第12周時，人體胰腺基本成形，成為有腺泡、導(dǎo)管和胰島結(jié)構(gòu)的胰腺組織。孕第21～26周，胰島形成。新生兒出生后第1個月內(nèi)，胰島細胞凋亡增加，同時新的細胞產(chǎn)生，經(jīng)歷這個胰島重塑過程，胰島細胞數(shù)量保持恒定[2]。

在胰腺發(fā)育和胰島β細胞功能完善的過程中，有眾多因子參與及調(diào)控。轉(zhuǎn)錄因子是最重要的組成部分，胰-十二指腸同源盒基因-1(PDX-1)和Nkx2.2是胰腺前體細胞的標志物； PDX-1、Ptf1a、Nkx2.2、Nkx6.1、Hb9、Hex、Hnf6、Foxa2(Hnf3β)在內(nèi)、外分泌分化前的前體細胞中共表達；Ngn3是內(nèi)分泌前體細胞的標志，來源于Hnf1β+的導(dǎo)管上皮細胞；Nkx6.1是β細胞的標志。SNARE復(fù)合體是胰島素釋放過程中所必須的分子構(gòu)件，Munc、Rab、Synaptotagmin等蛋白家族的不同成員在其中起關(guān)鍵調(diào)節(jié)作用。

1.2 IUGR后代胰島變化的特點 既往研究發(fā)現(xiàn)，在IUGR后代中胰島體積減小，β細胞數(shù)量減少，胰島素分泌降低。在E18d～E19d用子宮動脈結(jié)扎法建立IUGR大鼠模型，結(jié)果顯示，IUGR鼠在7周齡之前由于胰島重塑及生長追趕的作用，其胰島β細胞形態(tài)規(guī)則，胰島細胞數(shù)量、胰島體積和胰腺重量與正常對照組無明顯差別，但到15周齡時，β細胞質(zhì)量是正常對照組的50%，此后持續(xù)下降，到26周齡時，胎兒β細胞質(zhì)量僅為正常對照組的三分之一。

1.3 IUGR與成年糖尿病的發(fā)生 動物模型表明，IUGR大鼠出生時體重明顯低于對照組，但出生7～10周幼仔表現(xiàn)出趕超生長并超過對照組，在26周齡時比對照組明顯肥胖；IUGR大鼠出生1周時血糖及血胰島素水平與對照組無明顯差別，出生后7～10周出現(xiàn)輕度的空腹血糖升高和高胰島素血癥，在26周時發(fā)生糖尿病。利用鏈脲佐菌素(STZ)造模的糖尿病小鼠后代也發(fā)生同樣的改變。目前在多個國家和種族中的流行病學(xué)調(diào)查都證實,胎兒發(fā)育遲緩是糖耐量異常和成年2型糖尿病的獨立危險因素[1]。“節(jié)儉表型假說”認為，各種原因?qū)е碌腎UGR胎兒在出生后食物攝入和脂肪沉積增加，能量輸出減少。充足的熱量使機體穩(wěn)態(tài)調(diào)節(jié)機制發(fā)生改變，產(chǎn)生高胰島素血癥，胰島功能逐漸下降，成年后發(fā)生外周性和中樞性胰島素抵抗，最終導(dǎo)致個體發(fā)生代謝綜合征，特別是糖尿病[3]。也有研究顯示，IUGR的后代中由于影響胰島素釋放的因子異常，如Munc13-1等表達的改變，導(dǎo)致血糖異常[4]。

2 IUGR導(dǎo)致成年糖尿病發(fā)病的機制

2.1 IUGR通過表觀遺傳影響胰腺發(fā)育 表觀遺傳學(xué)是研究基因的核苷酸序列不發(fā)生改變的情況下，基因發(fā)生可遺傳性改變的一門遺傳學(xué)分支學(xué)科。常見的表觀遺傳現(xiàn)象包括DNA甲基化、組蛋白修飾和RNA編輯。

2.1.1 DNA甲基化影響胰腺發(fā)育 DNA甲基化是通過DNA甲基轉(zhuǎn)移酶(DNMT)在CpG二核苷酸的5′-碳胞嘧啶堿基的位置發(fā)生共價加甲基的過程。研究表明，參與胰腺發(fā)育和胰島素分泌的基因DNA甲基化改變可能導(dǎo)致表觀遺傳失調(diào)，從而使暴露于糖尿病患者宮內(nèi)環(huán)境的個體將來患糖尿病的風(fēng)險增加[5]。

DNA甲基化的建立和維持主要依賴于DNMT的參與[6]。其中主要的是DNMT1，其具有胞嘧啶甲基轉(zhuǎn)移活性，可調(diào)節(jié)細胞內(nèi)甲基化過程。在DNMT1催化活性缺失的突變斑馬魚中發(fā)現(xiàn)，DNA甲基化程度明顯下降，斑馬魚胚胎最初胰腺形態(tài)正常，受精84 h后胰腺開始退化，腺泡細胞大面積凋亡，雖然內(nèi)分泌細胞、導(dǎo)管可以幸免，但是整體胰島功能明顯下降[7]。

胰島素樣生長因子2(IGF2)是胎兒宮內(nèi)生長發(fā)育的重要印跡基因，與IUGR的發(fā)生顯著相關(guān)[8]。IGF2/H19印跡基因在人定位于染色體11p15.5，通常由差異性甲基化區(qū)域(DMR，也稱DMD)即印跡控制區(qū)調(diào)節(jié)表達[9]。IGF2的印跡作用受H19上游的H19 DMR調(diào)節(jié)，母系來源的H19基因DMR未甲基化區(qū)域可與CCCTC結(jié)合因子結(jié)合，阻斷IGF2與H19下游增強子的結(jié)合，從而抑制IGF2的表達[10]。由STZ誘導(dǎo)的母體高血糖癥小鼠模型中，糖尿病鼠后代H19-IGF2印跡區(qū)的甲基化增加，IGF2和H19的表達降低，提示IGF2表達降低和低出生體重有關(guān)[7]。同樣，對1944—1945年經(jīng)歷荷蘭饑餓冬季的個體的研究發(fā)現(xiàn)，暴露于饑荒的成年人與未暴露的同性兄弟姐妹相比，IGF2甲基化水平顯著降低[11]。隨后相同的隊列研究對生長和發(fā)育相關(guān)的15個基因座的差異甲基化進行分析，發(fā)現(xiàn)ATP結(jié)合盒轉(zhuǎn)運蛋白-1的甲基化存在顯著差異。表明H19-IGF2甲基化影響了胰腺細胞的發(fā)育，最終導(dǎo)致成年糖尿病的發(fā)生[12]。

過氧化物酶體增殖物活化受體γ(PPARγ)協(xié)同刺激因子(PGC)-1α是一個聯(lián)系營養(yǎng)信號和能量代謝的重要節(jié)點，對能量平衡有重要的調(diào)控作用。最新研究表明，宮內(nèi)發(fā)育受限而生后追趕生長(CG-IUGR)的環(huán)境可能共同介導(dǎo)了PGC-1α啟動子DNA甲基化水平及PGC-1α轉(zhuǎn)錄活性的持續(xù)性改變，這可能是 CG-IUGR導(dǎo)致大鼠成年期IR的重要機制之一[13]。

2.1.2 組蛋白修飾影響胰腺發(fā)育 組蛋白修飾是指組蛋白在相關(guān)酶作用下發(fā)生甲基化、乙?；?、磷酸化、腺苷酸化、泛素化、ADP核糖基化等修飾的過程。其中最主要的是組蛋白甲基化、乙?；?。

PDX-1是一種含有同源結(jié)構(gòu)域的轉(zhuǎn)錄因子，PDX-1的表達發(fā)生在胚胎8.5 d，參與胰腺的發(fā)育和分化，促進胰島β細胞增殖，抑制其凋亡，是調(diào)節(jié)胰腺生長、發(fā)育和β細胞特異性基因表達的特異性轉(zhuǎn)錄因子，也是胰腺干細胞發(fā)育過程中表達的第一個分子標志[14]。在IUGR小鼠胚胎發(fā)育過程中，PDX-1和特異性組蛋白3賴氨酸4(H3K4)甲基轉(zhuǎn)移酶set蛋白家族成員set7/9協(xié)同作用并將其招募到胰島素啟動子，介導(dǎo)其基因近端啟動子H3甲基化，二者能夠以依賴DNMT的方式發(fā)揮協(xié)同作用而增強基因表達的活性。在小鼠孕期，使β細胞中PDX-1特異性失活，妊娠晚期可觀察到胚胎的胰島素分泌細胞增殖減少，進而轉(zhuǎn)化為β細胞的數(shù)量也減少，并且在成熟胰島β細胞中，敲低PDX-1表達也會導(dǎo)致糖尿病。

2.1.3 RNA編輯影響胰腺發(fā)育 RNA編輯主要發(fā)生在微小RNA(miRNA)，現(xiàn)有研究表明，miRNA-15a、miRNA-15b、miRNA-16、miRNA-195參與胰島β細胞發(fā)育和胰島再生。

新生IUGR大鼠即存在肝組織胰島素受體底物(IRS)-2信號和骨骼肌IRS-1信號轉(zhuǎn)導(dǎo)障礙，直接導(dǎo)致胰島素信號不能正常下傳或轉(zhuǎn)導(dǎo)減弱，進而直接影響了組織對細胞外糖的攝取和利用，造成組織IR，并且這一變化在生后3周(相當于青春期前)時仍不能恢復(fù)，與個體在3周齡時IR密切相關(guān)。胎鼠出現(xiàn)肝IRS-1 mRNA(雌性大鼠妊娠第19天)、IRS-2 mRNA(雌性大鼠妊娠第15天)的表達下降以維持機體低水平的代謝狀態(tài)，可能與其生長遲緩和成年期IR的發(fā)生有關(guān)[3]。

PPARγ控制脂肪的儲存和釋放，維持機體能量平衡，調(diào)節(jié)IR及血糖的穩(wěn)定，促進脂肪細胞基因表達，在脂肪細胞分化的全過程特別是在脂肪細胞分化的早期，起正向調(diào)節(jié)作用。研究表明，缺氧使PPARγ mRNA表達下降，導(dǎo)致胎盤功能不全[15]。

隨著研究的逐漸深入，研究者發(fā)現(xiàn)長鏈非編碼RNA(lncRNA)作為一類新興的轉(zhuǎn)錄本在人類早期胚胎發(fā)育過程中也起著重要的作用[16]。在小鼠胎盤組織中，lncRNA誘導(dǎo)特異性基因沉默，抑制蛋白質(zhì)復(fù)合物的合成，從而影響胎盤的正常發(fā)育[17]。LncRNA NEAT1(核旁突組裝轉(zhuǎn)錄物1)過表達使胎盤絨毛滋養(yǎng)細胞中paraspeckles增加，導(dǎo)致胎盤功能異常[18]。

2.2 IUGR通過氧化應(yīng)激、內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激影響胰腺發(fā)育 氧化應(yīng)激是指體內(nèi)氧化與抗氧化作用失衡，導(dǎo)致中性粒細胞炎性浸潤，蛋白酶分泌增加，產(chǎn)生大量氧化中間產(chǎn)物。研究表明，胎兒IUGR與氧化應(yīng)激增加有關(guān)[19]。在生長發(fā)育遲緩的胎兒中氧含量明顯降低，導(dǎo)致電子傳遞鏈的復(fù)合物活性降低和活性氧簇的產(chǎn)生增加。β細胞易受活性氧簇的攻擊?；钚匝醮剡^量產(chǎn)生損害葡萄糖刺激的胰島素分泌，減少β細胞關(guān)鍵基因的表達，并誘導(dǎo)細胞死亡。同時，活性氧簇的過量產(chǎn)生引發(fā)多種氧化反應(yīng)，不僅導(dǎo)致細胞蛋白質(zhì)、脂質(zhì)和核酸中的氧化損傷，而且導(dǎo)致線粒體中的氧化損傷。IUGR胎兒以重編程線粒體功能作為適應(yīng)性改變。β細胞是一類具有高能量需求的細胞，其依賴ATP的生成來誘導(dǎo)胰島細胞增殖和胰島素分泌。線粒體功能的改變可能對β細胞產(chǎn)生有害影響。

內(nèi)質(zhì)網(wǎng)具有合成、翻譯后修飾以及轉(zhuǎn)運膜和分泌蛋白的功能。內(nèi)質(zhì)網(wǎng)穩(wěn)態(tài)的破壞會導(dǎo)致蛋白質(zhì)錯誤折疊及異常糖基化，降低蛋白質(zhì)的生物活性。研究表明，內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激抑制胎盤蛋白合成是IUGR中胎盤病理生理學(xué)的一個特征[20]。過量的蛋白質(zhì)合成會加重胰腺中的內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激，促進前胰島素的積累和β細胞凋亡，導(dǎo)致糖尿病的發(fā)生。在孕期，胎盤內(nèi)分泌細胞中的內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激影響IGF2和其他蛋白的翻譯后加工，導(dǎo)致其生物活性改變。

3 早期干預(yù)IUGR以預(yù)防糖尿病的發(fā)生

IUGR導(dǎo)致子代發(fā)生糖尿病的風(fēng)險明顯增加。因此，早期預(yù)防顯得尤為重要。胎盤營養(yǎng)不良是發(fā)生IUGR的首要原因，因此，孕婦應(yīng)保證充足的熱量及蛋白質(zhì)攝入，避免IUGR的產(chǎn)生。對大鼠的研究顯示，孕期運動可能逆轉(zhuǎn)或重編程IUGR的長期代謝作用[21]。因此，孕婦可以通過適當運動降低IUGR的發(fā)生。

IUGR高蛋白喂養(yǎng)組小鼠從出生后至8周的生長曲線顯示，IUGR高蛋白喂養(yǎng)組仔鼠出生后早期能夠盡快完成追趕性生長，表明早期強化喂養(yǎng)對促進IUGR生長是有積極意義的。但是對追趕性生長后的小鼠研究發(fā)現(xiàn)，其成年后發(fā)生糖尿病的風(fēng)險極大[3]。因此，IUGR胎兒出生后是否給予高蛋白飲食喂養(yǎng)以促進其生長發(fā)育仍存在較大爭議。

Gatford等[21]進行的IUGR大鼠運動實驗表明，早期(7～15周)運動鍛煉能有效促進IUGR后代的胰腺分泌，預(yù)防IR，增加胰島素敏感性。因此，運動干預(yù)對改善青少年的胰島功能至關(guān)重要。

胰高血糖素樣肽-1(GLP-1)可提高糖尿病模型大鼠的糖耐量，促進β細胞再生和修復(fù)，增加β細胞增生和新生，并抑制β細胞凋亡，提高β細胞質(zhì)量和數(shù)量，增加β細胞葡萄糖敏感性，促進胰島素的合成與分泌。研究報道，在新生兒期給予長效GLP-1激動劑exendin-4可阻止IUGR大鼠肝臟中氧化應(yīng)激的發(fā)展，逆轉(zhuǎn)胰島素信號轉(zhuǎn)導(dǎo)缺陷，防止發(fā)生成年糖尿病，因此，exendin-4可逆轉(zhuǎn)IUGR胎兒的不良后果，恢復(fù)胎兒的葡萄糖耐量，并防止肝IR的發(fā)展[22]。但是臨床上，關(guān)于GLP-1類似物是否能用于治療新生兒糖尿病及青少年糖尿病尚存在爭議。

綜上所述，IUGR不僅從營養(yǎng)狀態(tài)、下丘腦-垂體-腎上腺軸方面影響胰腺發(fā)育，還從表觀遺傳、氧化應(yīng)激和內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激的不同方面嚴重影響新生兒胰腺的生長發(fā)育，極大地增加了后代發(fā)生糖尿病的風(fēng)險。這為預(yù)防和治療IUGR導(dǎo)致的糖尿病提供了新的靶點。