生命早期高脂饮食诱发鼠成年后糖代谢异常的机制研究

房志琴，王亚玲，彭 伟

(1.河北北方学院，河北 张家口 075000；河北北方学院附属第一医院，河北 张家口 075000)

生命早期高脂饮食诱发鼠成年后糖代谢异常的机制研究

房志琴1，王亚玲2，彭 伟1

(1.河北北方学院，河北 张家口 075000；河北北方学院附属第一医院，河北 张家口 075000)

生命早期包括孕期和哺乳期营养不良对子代一生有长远影响，早期高脂饮食在成年时患肥胖、胰岛素抵抗、糖尿病等代谢性疾病风险明显升高，但其发病机制尚未完全明确。基因改变只能部分解释糖尿病发病率的增加，仅从基因和环境因素很难解释糖尿病急剧上升的发病率。随着对中枢胰岛素抵抗认识的增加，认为中枢对调控外周葡萄糖稳态起着极其重要的作用，越来越多的研究表明这可能是一种表观遗传学机制。综述了生命早期高脂饮食诱发鼠成年后糖代谢异常的机制。

生命早期；高脂饮食；糖代谢异常

高脂肪高能量的饮食结构导致肥胖发病率迅速上升，超重及肥胖的孕龄期女性人数也不断增加，我国成年女性的超重率和肥胖率已达到29.7%和12.1%[1]。20世纪90年代，英国南安普敦大学Barker教授就提出“胎儿代谢编程假说”，认为生命早期包括孕期和(或)哺乳期营养不良对子代一生有长远影响[2]。

母鼠营养过剩可以导致子鼠肥胖、糖耐量异常、胰岛素抵抗和血脂紊乱[3]。孕期和哺乳期高脂饮食对子代身体结构及代谢有永久性不利影响，促使他们成年后形成代谢综合征[4]。现综述生命早期高脂饮食诱发鼠成年后糖代谢异常的机制如下。

1 表观遗传学机制

表观遗传学是在基因组DNA序列不改变的条件下,基因表达发生改变导致可遗传的表现型变化。表观遗传学主要包括DNA甲基化作用、组蛋白修饰作用、染色质重塑、遗传印记等。与表观遗传学相关的疾病主要有肿瘤、心血管病、精神病和代谢综合征等。代谢综合征是多种代谢成分异常聚集的病理状态,包括:①腹部肥胖或超重;②动脉粥样硬化血脂异常如高甘油三酯(TG)血症及高密度脂蛋白胆固醇(HDL-C)低下;③高血压;④胰岛素抗性及/或葡萄糖耐量异常等。表观遗传学(epigenetics)可能是早期发育环境对糖代谢影响的关键机制[5]。

1.1 中枢的表观遗传机制

下丘脑是调节内分泌活动的高级神经中枢，维持能量及体质量的平衡，对外周血糖的调节起着非常重要的作用。下丘脑弓状核(arcuate nucleus of hypothalamus，ARH)富含食欲增强和食欲抑制两大类神经元，神经肽Y(neuorpeptide Y，NPY)是主要的食欲增强神经肽，阿片促黑皮质素原(pro-opiomelanocortin，POMC)则为主要的食欲抑制神经肽。当机体处于饥饿状态时，NPY分泌增加，刺激机体产生进食行为；当机体处于饱腹状态时，POMC分泌增多，通过抑制食欲进而控制食物的摄入调节能量平衡[6]。胚胎期是下丘脑NPY和POMC形成的关键时期[7]，早期营养环境对摄食相关神经元正常发育具有重要影响。下丘脑通过改变关键神经元基因的表达在调控外周血糖稳定方面发挥重要作用[8]。A.Plagemann等研究表明在哺乳期高脂饮食的初生Wistar大鼠，通过NPY基因启动子、胰岛素受体基因启动子和阿片促黑皮质素原基因启动子甲基化水平发生改变，使机体对瘦素和胰岛素敏感性下降，子代易患肥胖和代谢综合征[9]。

1.2 代谢相关基因的表观遗传

脂肪细胞因子脂联素和瘦素等在葡萄糖和脂肪代谢中发挥重要作用[10]，低脂联素血症与胰岛素抵抗有关[11]。在子代成年动物中,一些代谢相关基因甲基化方式的改变影响代谢综合征发展，瘦素启动子去甲基化与脂肪细胞前体分化紧密相关，DNA甲基化错误可能会降低某些基因的表达而加速2型糖尿病发展[5]。研究发现，高脂饮食子代脂联素和瘦素启动子区域甲基化水平发生改变，脂联素生成减少，瘦素生成增加，且较正常饮食子代胰岛素抵抗明显，且研究发现这些脂肪细胞因子基因表达的遗传修饰在子代断乳之前已经发生，甘油三酯及脂肪细胞因子调节失常出现在糖代谢恶化之前。表明体内与代谢相关的基因表达在出现疾病相关症状之前已经发生变化[12]。

1976年有报道指出糖尿病母系遗传大于父系,可能为宫内高糖环境作用引起[13]。研究发现,糖尿病和肥胖是与遗传印记变化密切相关的疾病，基因印记是个体亲源性等位基因的差异性抑制,隶属表观遗传修饰,不涉及序列的改变，主要通过对相应基因位点即差异甲基化区域的胞嘧啶和鸟嘌呤二核苷酸的5'-端的胞嘧啶碱基甲基化完成[14]。遗传印记是否表达则取决于发生饰变的基因是来自母本还是父本[5]。宫内环境因素改变包括营养状态、化学物质甚至放射线等都会引起子代基因印记的改变,特别是宫内营养环境对表观遗传的调节在子代发育可塑性、疾病易感性和生殖细胞发育成熟方面发挥重要作用[14]。剔除鸟嘌呤核苷酸结合蛋白Gsa亚基的父系与母系等位基因对能量代谢产生相反的影响，父系功能的丢失表现肥胖倾向的降低、代谢功能亢进、血糖过低、运动能力下降以及对甲状旁腺素拮抗,而母系功能的丢失表现更严重的肥胖倾向[15]。

2 高脂饮食对外周糖代谢相关器官的影响

母代高脂饮食增加后代发生代谢性疾病的危险性，可能是因为母代营养状况的改变可引起宫内环境的改变，由此在胚胎发育期或新生儿期造成与相关器官或组织发育有关的一些基因功能的改变，从而引起成年后相关器官的功能障碍[16]。妊娠期间限制蛋白质会增加小鼠后代胰腺细胞凋亡的速率,导致胰腺β细胞量降低和影响下一代胰腺的发育[5]。胚胎期和胎儿期对于骨骼肌和脂肪组织的发育非常重要，在此期间，增殖和分化的骨骼肌和脂肪细胞对环境更敏感，容易影响其基因的表达[17]，PPARG和LPL基因作为早期脂肪发生的标志物在脂肪细胞分化的早期阶段发挥关键作用[18]，GPDH基因在脂肪细胞转化后期开始积累甘油三酯时被诱导表达，是判断脂肪细胞终末分化的酶标记物[19]，Adipo Q编码脂联素,是一种脂肪特异性基因。研究发现高脂组中Adipo Q、GPDH和PPARG的表达显著下调，且骨骼肌相关基因Myo D1和Myo G，成肌细胞分化标记Desmin和CKM两个基因表达被明显抑制，简言之，这些成脂和成肌基因的异常表达可能是造成IR的机制之一。宫内高脂环境可能通过抑制骨骼肌形成的早期事件包括成纤维细胞的增殖和定向及骨骼肌祖细胞的分化影响骨骼肌发育[20]。

3 肥胖、炎症与胰岛素抵抗

在中国，BMI超过24即定义为超重，超过28即定义为肥胖。亚洲人在较低的BMI下易患2型糖尿病和其他代谢性疾病[21]。郑佳等发现高脂饮食子鼠虽然出生体质量低，但是3周以后，高脂饮食子鼠体质量就高于正常饮食组[22]，高脂饮食小鼠的生长率呈“追赶型生长”现象，所谓追赶生长又叫补偿性生长，用来描述因不良因素导致生长迟缓的个体在去除这些因素后出现的生长加速现象。大量证据显示追赶生长能显著增加肥胖、胰岛素抵抗和2型糖尿病的易感性[23]。

肥胖与低度炎症之间关系首先被Hotamisligil等报道，脂肪组织是促炎介质的主要来源，从而启动慢性炎症及胰岛素抵抗[24]。肥胖还伴随着血中高水平的脂肪因子及炎症因子，特别是TNF-α和瘦素，它们在孕期肥胖诱发子代代谢异常的过程中起关键作用[25]。脂肪组织由多种细胞组成，包括成熟脂肪细胞、前脂肪细胞、成纤维细胞、内皮细胞、肥大细胞、粒细胞、淋巴细胞和巨噬细胞，各种细胞在炎症及胰岛素抵抗中作用不同[26]。基因表达测序研究表明脂肪细胞大小影响炎症介质的表达[27]，饮食诱导胰岛素抵抗的肥胖鼠脂肪组织中存在大量T细胞[28]，具有促炎作用的T淋巴细胞存在于内脏脂肪组织，可能有助于巨噬细胞出现之前局部炎症细胞的活化，并且有助于巨噬细胞实现渗透，在脂肪组织炎症的启动、维持以及胰岛素抵抗中发挥重要作用[29]。肥胖脂肪组织中巨噬细胞的聚集可能对脂肪因子例如瘦素和脂联素等的产生起主要作用[30]。脂肪组织中巨噬细胞既可以局部清除老的脂肪细胞控制大量脂肪形成，还在局部及全身促进脂肪因子生成及分泌，从而增加肥胖并发症及诱导胰岛素抵抗[26]。在脂肪组织产生的炎症分子中，IL-6、IL-8和MCP-1在人类肥胖相关的代谢、心血管等并发症中发挥主要作用[31-32]，TNF-α、IL-6、IL-1b、IL-8及巨噬细胞活化后产生的分子使胰岛素敏感性受损[33]。肥胖妇女4周低能量饮食后，皮下脂肪组织中炎症因子表达明显减少[34]。

4 其 他

4.1 遗传变异

低出生体质量与成年后2型糖尿病、高血压和心脏病等疾病的发生相关。机制可能为针对宫内环境胎儿代谢编程假说及遗传变异[35]。有研究表明低出生体质量和2型糖尿病具有基因关联性[36]，单基因糖尿病支持GCK、INS、INSR、KCNJ11这些基因突变与糖尿病有关[37]。胎儿胰岛素假说认为胰岛素是一种重要的胎儿生长因子，胎儿遗传变异减少胰岛素分泌或敏感性，也减少出生体质量，使成年期易患糖尿病[36]。流行病学研究表明父母双亲基因使子代低出生体质量从而发生糖尿病，但母亲基因对这一过程的影响目前不清楚,因为很难区分是母亲遗传给子代的基因还是母亲宫内环境使子代患糖尿病[37]。检测母亲和子代5个糖尿病相关基因的单核苷酸多态基因型，发现母亲这5个基因型与子代低出生体质量都无关，而子代基因型中CDKAL1和HHEX-IDE与子代低出生体质量正相关[35]，也支持胎儿遗传变异与低出生体质量有关。母亲基因表型与子代基因表型对子代出生体质量具有相反作用[38],若2型糖尿病风险基因在母亲体内存在，母亲血糖升高会增加胎儿胰岛素分泌，促进胎儿生长，而并非使胎儿出生体质量低。

4.2 下丘脑内质网应激

营养过剩环境下，下丘脑存在慢性内质网(ER)应激并启动下丘脑非折叠蛋白应答信号路径，这一路径反过来阻滞瘦素受体信号路径，产生瘦素抵抗，从而引起下丘脑激素(瘦素和脂联素)失调，导致摄食及体质量增加[39]。该研究发现化学伴侣家族成员PBA和TUDCA在饮食导致的肥胖模型中具有瘦素增敏作用。该研究结果可能为治疗肥胖提供新的策略。

长期慢性ER应激导致病理变化最终发生糖尿病这一效应，并不受急性短时间ER应激影响[40]。有研究用急性药理方法检测脑ER刺激的作用，数据表明短期ER应激(3 d)动物出现全身胰岛素抵抗及糖耐受不良和血压升高，这些指标变化都是代谢综合征的表现。短期脑ER应激可能上调了外周交感频率，通过交感路径直接快速的调节2型糖尿病等代谢障碍，但是ER应激在大脑其他部位如何调控糖尿病和其他代谢病尤其是与交感神经配合的机制还需进一步探讨[41]。

5 小 结

综上，生命早期高脂饮食致子代成年后糖代谢异常的机制可能是因为母体不良的营养状况使子代糖代谢相关基因在生命早期发生了表观遗传修饰，影响了胰腺、肝脏、骨骼肌等脏器的发育。下丘脑摄食神经通路的表观遗传调控变化可能造成子代出生后追赶生长致成年期体质量增加，增加成年糖代谢异常疾病的风险。也可能是子代基因表型发生改变，决定了代谢疾病的发生。系统化研究生命早期高脂饮食致子代成年后糖代谢异常的机制，有效管理孕期体质量，进一步探讨母亲超重或肥胖影响子代肥胖发生的具体分子机制，有望从源头上控制肥胖的发生，改善母子两代人的健康。

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[责任编辑：李蓟龙 英文编辑：刘彦哲]

Abnormal Glucose Metabolism Induced by High-fat Diet during Early Life of Adult Rats

FANG Zhi-qin1,WANG Ya-ling2,PENG Wei1
(1.Hebei North University,Zhangjiakou,Hebei 075000,Hebei China;2.The First Affiliated Hospital of Hebei North University,Zhangjiakou,Hebei 075000,China)

Malnutrition in early life including pregnancy and lactation has long-term effects on children life.A high-fat diet in early life makes a significant increase in adult metabolic diseases such as obesity,insulin resistance,and diabetes,but its pathogenesis is not completely clear.Genetic change can only partly explain the increase of the incidence of diabetes,and the sharp rise in incidence of diabetes is difficult to be explained only from the genetic and environmental factors.With increasing knowledge on the central insulin resistance,the central nervous system plays an important role in the regulation of peripheral glucose homeostasis,and a growing body of research suggests that this may be a mechanism of epigenetics.This paper reviews the mechanism of sugar metabolism disorders inducedby a high-fat diet during early life in adult rats.

early Life;high-fat diet;abnormal glucose metabolism

河北省2015年研究生创新资助项目(No.204)

房志琴(1989-)，女，河北张家口人，河北北方学院2014级研究生，研究方向：心血管内科。

彭伟(1959-),男，河北石家庄人，教授，硕士生导师，研究方向：心血管内科及卫生事业管理。

R 589.1

C

10.3969/j.issn.1673-1492.2017.04.020

来稿日期：2017-02-27