表观遗传与肥胖及运动干预研究进展

孙婧 周晓勐 禹雪 袁海瑞 牛燕媚 傅力，

1天津医科大学康复与运动医学系（天津300070）

2天津医科大学基础医学院

肥胖及其引发的代谢性疾病为人类健康和生存带来巨大威胁。肥胖所引发的机体胰岛素抵抗（Insulin Resistance，IR）是2型糖尿病（Type 2 Diabetes，T2DM）、冠状动脉粥样硬化性心脏病等代谢性疾病的共同病理生理基础[1]。传统观点认为，遗传因素、饮食因素、缺乏运动及久坐的生活方式是肥胖发生的主要原因[2，3]。 但近二十年以来，全球肥胖，尤其是儿童肥胖人口迅速增加的现象用传统肥胖发生学说已难以解释。随着表观遗传学（Epigenetics）研究的不断深入，越来越多的证据提示机体组织细胞DNA甲基化（DNA methylation）改变可能是导致机体对肥胖易感、引发代谢性疾病的主要原因[4，5]。 本文将就当前表观遗传学以及运动对表观遗传学DNA甲基化影响的研究进展加以综述。

1 表观遗传学

表观遗传学是指机体组织细胞的基因表达通过有丝分裂或减数分裂发生了可遗传的改变，而DNA序列未发生改变[6]。研究证实，哺乳动物在其发育过程中共发生两次全基因组表观遗传重编程过程以消除其亲代生命过程中可能产生的表观遗传突变（Epimutations），保证胚胎起始基因表达正确性。第一次重编程发生在原生殖细胞形成过程，此过程的重编程消除了用以沉默X染色体的DNA甲基化以及基因组印记，保留了一些反转录转座子和端粒近端区域甲基化状态；第二次重编程发生在受精后到囊胚形成期间，当精子进入卵细胞后其携带的鱼精蛋白被消除，代之以雌性组蛋白，精子DNA的一些重复序列发生去甲基化。这两次重编程过程是生命过程中最为彻底的表观遗传修饰状态的改变。重编程发生后在一些基因位点所存在的表观遗传状态可维持终生不变，决定着机体的表现型。然而，已有研究发现，DNA甲基化水平也随着年龄增长以及机体所处环境因素影响而发生变化[7]。同卵双生子研究发现，出生时DNA甲基化水平相同的双生子，随着年龄的增长可表现出截然不同的DNA甲基化特征[8]。发生在成年期的DNA甲基化修饰改变可能是受外界环境急性变化影响而引起的局限于机体特定组织体细胞（Somatic Cell）的表观遗传修饰改变，这种表观遗传修饰的改变有利于机体组织对外界环境刺激产生急性适应性反应。

DNA甲基化修饰是机体细胞在生理和病理状态下调控基因表达水平的主要表观遗传修饰，由DNA甲基转移酶（DNA Methyl-Transferase，DNMT）催化、以S-腺苷甲硫氨酸为甲基供体而发生反应。通常，CpG岛DNA发生甲基化会抑制基因表达，DNA甲基化状态还对染色体的结构维持、X染色体失活、基因印记以及胚胎发育、正常细胞功能的维持，乃至疾病的发生十分重要[9]。

2 肥胖的表观遗传机制

肥胖和T2DM的发生主要由个体的饮食摄入与能量消耗平衡失调及遗传基因所决定，虽然全基因组关联分析已发现50个与肥胖发生相关基因位点[10]，但这些关联基因位点久已有之。因此，遗传学说对全球范围儿童肥胖和T2DM发病的急剧增加现象仍无法解释。越来越多的研究推测，近年来由环境因素（饮食供给）和生活方式（缺乏运动等）的急剧变化引起的机体组织细胞DNA表观遗传修饰改变导致机体代谢相关基因表达变化，致使机体能量代谢调节紊乱是当今肥胖和T2DM发病迅速增加的主要原因[11，12]。 目前对肥胖与表观遗传的研究主要集中在两个方面，即已知印记基因失调和表观遗传镶嵌性。基因组印记是指亲代特有的可遗传的表观遗传信息。对某种特定基因而言，配子形成时期的基因印记可来源于母系，也可来源于父系。基因组印记缺陷通常与发育和临床表型异常密切相关，肥胖即是其中一种。而在细胞或组织中，当两个或两个以上不同的表观遗传位点在同一基因出现时就会出现表观遗传表型，这种现象可能表现在个体对肥胖易感性的差异[13]。

骨骼肌是哺乳动物体内最大的组织，占体重的40%～60%。机体的运动主要靠骨骼肌来完成，骨骼肌收缩过程中的能量消耗是机体糖、脂肪产能的主要去处。因此，骨骼肌组织胰岛素抵抗（IR）是导致机体能量代谢异常和T2DM发生的主要原因[14]。以合理膳食配方结合有效的运动处方改善机体能量代谢是临床治疗肥胖和T2DM的主要手段之一。有氧运动改善骨骼肌细胞能量代谢、控制体重以及增强机体胰岛素敏感性等方面作用研究目前已有大量报道[15，16]，但相关运动改善机体骨骼肌能量代谢方面的研究仍局限于运动对骨骼肌组织某代谢通路活性或基因、蛋白表达的影响，这种影响的表观遗传学机制目前尚不清楚。

3 运动对表观遗传DNA甲基化的影响

最近一项研究显示，无论是在体还是离体情况下，骨骼肌收缩即可引起骨骼肌细胞DNA发生去甲基化反应。Barres等人研究发现，经35 min、80%VO2max强度有氧跑台训练后人体骨骼肌细胞线粒体功能相关PGC-1α、PPARδ、PDK4和肌细胞特异增强子2A（MEF2A）基因启动子区域发生了去甲基化的改变，离体骨骼肌细胞培养（L6肌管细胞）研究也证实了这一点。这种运动引起的启动子区域去甲基化还具有运动强度依赖性[17]。值得注意的是，此研究所发现的DNA启动子区域去甲基化的基因与该研究小组先前发现的T2DM患者骨骼肌细胞处于高甲基化修饰状态的基因完全相同，提示运动可能通过影响基因启动子区域甲基化修饰而增加T2DM患者骨骼肌代谢相关基因的表达，导致骨骼肌组织胰岛素敏感性增加[18]。另外，流行病学研究还发现，237名长期太极拳训练女性与263名无训练女性对照组相比，训练组基因组中6个在正常情况下随年龄增长甲基化增加的CpG位点DNA甲基化状态显著降低[19]。以上结果提示，运动作为一个良性刺激对机体组织细胞表观遗传可产生去甲基化的影响。另外，孕期规律的运动也已被证实能够改善由于孕母孕期营养异常后代易发肥胖和代谢性疾病的趋势[20，21]。不论是运动对骨骼肌细胞DNA去甲基化的直接影响，还是通过干预亲代而对后代机体代谢表型产生间接影响的研究尚处于探索阶段，亟需开展深入系统的研究。

为揭示饮食与运动因素干预对C57BL/6小鼠产生影响的分子生物学机制，我们前期分别运用基因芯片和蛋白质组学结合生物信息学技术研究了高脂饮食及有氧运动因素对C57BL/6小鼠骨骼肌基因、蛋白表达谱的影响。我们采用C57BL/6雄性小鼠，随机分为正常饮食组和IR模型组，分别饲以基础和高脂饲料。8周后确定高脂膳食组IR小鼠模型成功，后再将正常饮食组随机分为正常饮食安静组 （NC）和正常饮食运动组（NE），IR模型组分为高脂饮食安静组（HC）和高脂饮食运动组（HE）。随后给予小鼠6周、强度为75%VO2max有氧跑台运动干预。通过筛选组间差异表达基因发现，高脂饮食与正常饮食组相比差异表达基因共136个；有氧运动与安静对照组相比差异表达基因共74个；高脂饮食运动组与高脂饮食安静组相比差异表达基因29个。经对差异表达基因进一步进行GO（Gene Ontology）分类，结果显示:这些基因编码蛋白参与506个生物学过程和构成169类细胞组分；按通路（Pathway）分析发现，差异表达基因编码的蛋白共涉及83条细胞信号通路[22]。此外，我们最新发表在PLoS One的蛋白组学研究也报道了IR小鼠骨骼肌与正常小鼠在蛋白表达上的差异；经过6周有氧跑台训练，IR小鼠骨骼肌有23个蛋白发生差异表达。这些蛋白主要包括骨骼肌蛋白合成与降解、糖脂代谢、氧化应激反应及骨骼肌发育和收缩等生物学过程[23]。前期研究结果提示:饮食和运动干预可导致C57BL/6小鼠骨骼肌基因、蛋白表达谱发生改变，但这些表达的变化是否与表观遗传DNA甲基化修饰改变有关亟需进一步的实验研究证实。

4 展望

在肥胖和T2DM等代谢异常的人或动物体细胞中广泛存在着由DNA甲基化修饰改变引起的基因表达变化[24，25]，但对于饮食因素和运动干预是否能够长期影响骨骼肌细胞DNA甲基化修饰而对机体代谢表型和疾病易感性发生作用目前尚不清楚。有氧运动作为健康生活方式（Lifestyle）的重要干预因素如何通过影响DNA甲基化修饰而对机体代谢表型产生影响尚未见报道。基于运动引起骨骼肌细胞代谢相关基因启动子区域去甲基化这一发现，以及我们前期得到的小鼠骨骼肌基因和蛋白表达对6周有氧跑台运动所产生的代谢适应印记（Metabolic signature）[22，23]、此代谢适应印记与人体对代谢性疾病抵抗性增强密切相关[26]的证据，开展针对运动对骨骼肌细胞甲基化影响的系统研究，将为揭示肥胖和T2DM发病的表观遗传学机制以及有氧运动防治肥胖和T2DM的作用机理提供强有力的理论依据。

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