表觀遺傳修飾在糖尿病視網(wǎng)膜病變中的作用

陳子毅

(杭州醫(yī)學(xué)院，浙江 杭州 311399)

視網(wǎng)膜病變是糖尿病的重要并發(fā)癥之一，嚴(yán)重影響患者的生活質(zhì)量，是重要的公共衛(wèi)生問(wèn)題，所以對(duì)兩者關(guān)聯(lián)性的研究十分迫切?，F(xiàn)在的研究對(duì)高血糖如何影響視網(wǎng)膜病變的機(jī)制仍不明確，不過(guò)近年來(lái)越來(lái)越多的研究結(jié)果顯示，不僅是先天遺傳因素，后天高糖環(huán)境中出現(xiàn)的表觀遺傳修飾對(duì)于調(diào)節(jié)該病變也有重要作用。對(duì)表觀遺傳修飾的研究，已經(jīng)成為研究糖尿病視網(wǎng)膜病變方向的熱點(diǎn)。下面從表觀遺傳修飾方向?qū)μ悄虿∫暰W(wǎng)膜病變影響的研究進(jìn)展作綜述。

1 糖尿病視網(wǎng)膜病變(DR)概述

糖尿病會(huì)對(duì)全身微循環(huán)造成損壞，在眼部可表現(xiàn)為視網(wǎng)膜病變。臨床分為背景性糖尿病視網(wǎng)膜病變(PDR)與增殖性糖尿病視網(wǎng)膜病變(NPDR)[1]。在背景性糖尿病視網(wǎng)膜病變階段，體循環(huán)中葡萄糖過(guò)高，導(dǎo)致滋養(yǎng)視網(wǎng)膜的微小血管受損，引起微小血管和微動(dòng)脈瘤的出血等。若不加以控制，疾病可能發(fā)展為增殖性糖尿病性視網(wǎng)膜病變階段，此階段涉及視網(wǎng)膜新生血管的形成，然后從視網(wǎng)膜循環(huán)的靜脈側(cè)形成新的脆弱血管，并可能進(jìn)入內(nèi)界膜進(jìn)入玻璃體房，最終導(dǎo)致視網(wǎng)膜脫離和失明。這種復(fù)雜疾病的發(fā)病原因仍不明確，有些發(fā)病者的生活環(huán)境、生活習(xí)慣差異較大，這說(shuō)明遺傳因素與糖尿病視網(wǎng)膜病變有密不可分的聯(lián)系。

2 表觀遺傳修飾對(duì)基因調(diào)控的作用

表觀遺傳學(xué)領(lǐng)域是近年來(lái)研究較多，發(fā)展最快的領(lǐng)域之一。表觀遺傳學(xué)與許多疾病的發(fā)病因素有關(guān)，基因與環(huán)境發(fā)生復(fù)雜作用，在不改變基因序列的情況下可遺傳地改變基因的表達(dá)。至少有三種主要的表觀遺傳修飾，包括DNA甲基化、組蛋白修飾和非編碼RNA。通過(guò)這些途徑來(lái)調(diào)控基因表達(dá)，以達(dá)到適應(yīng)環(huán)境的目的。

胞嘧啶甲基化為5-甲基胞嘧啶是被研究最多的表觀遺傳修飾。在真核生物中，CpG序列(5mCpG)處核DNA的胞嘧啶甲基化通過(guò)染色質(zhì)結(jié)構(gòu)的改變來(lái)調(diào)節(jié)表觀遺傳。最近有研究發(fā)現(xiàn)胞嘧啶的表觀遺傳修飾可微調(diào)i-基序DNA的穩(wěn)定性[2]，這些結(jié)構(gòu)是表觀遺傳修飾的潛在位點(diǎn)，可能是表觀遺傳修飾影響基因表達(dá)的因素。有些研究分析了CpG島中不同甲基化水平的DNA結(jié)構(gòu)參數(shù)的行為。證明了高水平的甲基化與非甲基化的情況相比，甲基化可能會(huì)誘導(dǎo)協(xié)同作用，該協(xié)同作用強(qiáng)烈地改變了DNA骨架的扭轉(zhuǎn)參數(shù)，從而改變了螺旋度，調(diào)控基因表達(dá)[3]。在線粒體DNA中的影響有所不同，這種作用尚不清楚，有研究認(rèn)為5mCpG的出現(xiàn)可能會(huì)影響TFAM-DNA的識(shí)別[4]。線粒體轉(zhuǎn)錄因子A(TFAM)既是線粒體DNA(mtDNA)核苷酸中的主要DNA緊縮蛋白，也是轉(zhuǎn)錄的起始因子，而TFAM發(fā)揮作用必須在mtDNA中結(jié)合數(shù)百個(gè)CpG。甲基化由此在線粒體中通過(guò)影響轉(zhuǎn)錄因子結(jié)合的方式作用于基因表達(dá)。

染色質(zhì)由組蛋白和核酸構(gòu)成，組蛋白乙酰化是最常見(jiàn)的修飾之一。組蛋白乙?；侵冈谙嚓P(guān)酶的催化作用下，乙醜基被選擇性地添加到組蛋白相關(guān)位點(diǎn)的過(guò)程。組蛋白翻譯后修飾(PTM)的染色質(zhì)調(diào)節(jié)原理是由于龐大的組蛋白修飾施加的空間和機(jī)械限制，導(dǎo)致染色質(zhì)功能狀態(tài)的潛在改變。這種修飾所改變的基因表達(dá)可能與生物適應(yīng)環(huán)境有關(guān)，生物學(xué)意義與其他表觀修飾方式類(lèi)似。有研究認(rèn)為植物組蛋白翻譯后修飾特性會(huì)受環(huán)境脅迫的影響而改變，啟動(dòng)相關(guān)脅迫應(yīng)答基因表達(dá),或者充當(dāng)脅迫應(yīng)答轉(zhuǎn)錄因子的下游參與調(diào)控轉(zhuǎn)錄活動(dòng)[5]。還有研究顯示，腸道微生物與宿主的相互作用也會(huì)涉及組蛋白修飾，這種調(diào)控不僅影響宿主的免疫力，而且還影響代謝健康和抗癌能力，這種相互作用的主要決定因素是微生物衍生的短鏈脂肪酸(SCFA)，SCFA對(duì)組蛋白脫乙?；?HDACs)的抑制是引起該調(diào)控的關(guān)鍵[6-7]。

非編碼RNA包括微小RNA與長(zhǎng)鏈RNA，其中的微小RNA(miRNA)被認(rèn)為可以影響基因表達(dá)。miRNA與mRNAs的3′非翻譯區(qū)的互補(bǔ)序列結(jié)合，并切割mRNA，影響蛋白質(zhì)的翻譯。

3 表觀遺傳修飾與糖尿病

根據(jù)上述研究，表觀遺傳的發(fā)生與細(xì)胞環(huán)境有著密切聯(lián)系。這種可遺傳的變異可以成為引起糖尿病和其他慢性病有吸引力的靶點(diǎn)。這也可以解釋傳統(tǒng)思維上持續(xù)的高糖環(huán)境會(huì)引起一系列代謝異常。胰腺β細(xì)胞的保存是2型糖尿病發(fā)病和發(fā)展的重要因素。筆者已經(jīng)知道DNA甲基化會(huì)引起2型糖尿病發(fā)病率增高，有研究以仔鼠為模型，發(fā)現(xiàn)妊娠期糖尿病可能通過(guò)CDKN2A/B啟動(dòng)子甲基化對(duì)后代胰腺β細(xì)胞產(chǎn)生不良影響[8]。CDKN2A和CDKN2B基因附近的CpG位點(diǎn)的低甲基化異常可能與β細(xì)胞功能障礙和糖尿病有關(guān)。有研究發(fā)現(xiàn)給早期2型糖尿病小鼠給予達(dá)格列凈治療后，有助于胰腺β細(xì)胞團(tuán)的保存，Agr2、Tff2和Gkn3的表達(dá)明顯上調(diào)。這種上調(diào)的基因表達(dá)可能為胰腺β細(xì)胞團(tuán)的保存存在聯(lián)系[9]。 在對(duì)1型糖尿病(T1DM)的研究中，與沒(méi)有神經(jīng)病變的T1DM患者相比，患有神經(jīng)病變的T1DM患者在第一個(gè)NINJ2軸突中顯示出明顯增加的甲基化，在BRSK2的第一個(gè)內(nèi)含子區(qū)域以及CLDN4 5'UTR區(qū)中顯示出較低的DNA甲基化水平[10]。這啟示我們，對(duì)于不同區(qū)域來(lái)說(shuō)，均發(fā)生甲基化上調(diào)或下調(diào)所產(chǎn)生的效益可能是相反的。

4 表觀遺傳修飾與糖尿病視網(wǎng)膜病變

高血糖和胰島素抵抗都通過(guò)對(duì)內(nèi)皮細(xì)胞造成損害最終影響患者的視力。不過(guò)，與常規(guī)作用不同的是，表觀基因組的修飾可能存在代謝記憶的基本機(jī)制或者已經(jīng)形成新的異常血管，從而導(dǎo)致即使在糖尿病患者中實(shí)現(xiàn)血糖控制后，炎性反應(yīng)和細(xì)胞功能障礙的基因表達(dá)仍會(huì)持續(xù)[11]。越來(lái)越多的證據(jù)說(shuō)明兩者之間存在聯(lián)系，有研究將DR患者白細(xì)胞中5-甲基胞嘧啶的含量與無(wú)DR患者作對(duì)比，前者的指標(biāo)明顯偏高[12]。CpG位點(diǎn)DNA聚合酶γ(POLG1)調(diào)節(jié)區(qū)的高甲基化可能通過(guò)影響線粒體DNA轉(zhuǎn)錄，導(dǎo)致線粒體DNA復(fù)制系統(tǒng)紊亂，導(dǎo)致視網(wǎng)膜毛細(xì)血管細(xì)胞凋亡[13]。 關(guān)于組蛋白修飾的研究，主要是組蛋白甲基轉(zhuǎn)移酶和乙基轉(zhuǎn)移酶。在高血糖狀態(tài)下，組蛋白甲基轉(zhuǎn)移酶可能在核因子κB(NF-κB)的啟動(dòng)子處增加，該啟動(dòng)子與其轉(zhuǎn)錄增加相關(guān)，激活的NF-κB途徑可增加糖尿病患者視網(wǎng)膜毛細(xì)血管細(xì)胞的凋亡[14]。 miRNA水平的改變?cè)谝暰W(wǎng)膜血管病變和血管生成相關(guān)疾病的病理過(guò)程中具有重要作用。有研究通過(guò)激活血管生成途徑，識(shí)別可能參與DR發(fā)病的miRNA。眼內(nèi)注射前miR-31、miR-150和miR-184可顯著減少視網(wǎng)膜新生血管的形成[15]。

5 總結(jié)與展望

現(xiàn)在這一領(lǐng)域許多作用機(jī)制仍不明確，許多結(jié)論仍待考證。已知的修飾途徑只是冰山一角，是否有更有效、更直接的修飾途徑存在？隨著研究的不斷深入，而應(yīng)對(duì)這種并發(fā)癥的治療選擇也會(huì)逐漸增多，這對(duì)于人類(lèi)健康事業(yè)具有重大意義。