lncRNA H19参与Ⅱ型糖尿病发生发展相关分子机制的研究进展

郭晓晨，吴南翔，高明

1.杭州医学院，浙江 杭州 310053

2.浙江省医学科学院，浙江 杭州 310013

据国际糖尿病联合会最近的估计显示，2045年全球将有6.93 亿人受到糖尿病的影响，这意味着糖尿病将在不久的将来带来巨大的全球健康问题［1］。在糖尿病患病人群中，尤以Ⅱ型糖尿病（type Ⅱdiabetes mellitus，T2DM）居多，胰岛β 细胞功能缺陷和胰岛素抵抗是T2DM 的两个主要诱因。T2DM 会诱发血管受损，引起数种并发症，对眼睛、肾脏、脑部以及心脏等造成严重损害，不仅影响患者的生活质量，甚至还会危及患者生命。随着全基因组和转录组测序技术的发展，长链非编码RNA（long noncoding RNA，lncRNA）已成为分子生物学研究的热点。lncRNA的长度从几百个核糖核苷酸到数万个核糖核苷酸不等，其中部分是由RNA 聚合酶Ⅱ转录的mRNA 样转录物，不能编码开放阅读框［2］，但可以作为机体重要的调控因子参与转录、翻译、蛋白定位、细胞凋亡和热休克反应等多种生命过程［3］。作为最早被发现的lncRNA分子，越来越多的研究证实H19 在T2DM 的发生过程中起着重要作用，同时H19还被证实参与调控由T2DM 引起的多种并发症。探讨H19 在T2DM 及其并发症中的分子机制可为T2DM 研究提供有效靶标和生物标志物，并为T2DM 的早期诊断和治疗提供参考。本文将就H19 在T2DM 发生发展过程中的作用靶点及调控机制进行综述，探讨其在T2DM 及其并发症中发挥的作用。

1 H19 概述

H19基因全长2.5 kb，位于人类染色体11p15.5，共有5 个外显子及4 个内含子，基因产物加工生成的成熟H19 全长为2.3 kb。H19 在进化上具有高度保守性，高丰度表达于胚胎发育期，集中表达于内胚层及中胚层来源的组织，细胞质中表达水平高于细胞核，常以调节性RNA 或核糖调节子的方式发挥作用。相关研究表明，H19 在表观遗传修饰、RNA 代谢以及细胞增殖分化等生命活动中发挥重要作用。由于H19 最早被证实在肺癌［4］、卵巢癌［5］、乳腺癌［6］等多种癌症中表达上调，加速肿瘤细胞的增殖和侵袭，与肿瘤转移及预后密切相关，因此先前关于H19 的研究多集中在肿瘤领域。不过，近年来H19 在代谢领域的研究成为热点。H19 可以调节机体糖脂代谢参与T2DM 的发生，同时参与T2DM 所引起的多种并发症的调控，成为T2DM 发生发展过程中不可缺少的调节因子。目前，H19 主要通过以下几种机制调节T2DM 相关基因在机体的表达：①通过影响胰岛素信号传导通路调节糖异生相关基因，参与人体血糖调节。②通过包括调节区的印迹基因在内的H19 的表观遗传调控机制，而调节区则根据亲本来源差异甲基化，从而发挥功能［7］。③作为微小RNA（mirco RNA，miRNA）的分子海绵或前体物质，影响miRNA 的表达，从而影响下游靶基因的表达。

2 H19通过叉头盒转录因子O1（forkhead box O1，FoxO1）参与T2DM血糖调节

FoxO1 是一种参与能量代谢的转录因子［8］，广泛存在于肝脏、骨骼肌、脂肪等糖脂代谢的重要器官，其活性受胰岛素负性调控［9］，在肝脏中可以调节葡萄糖代谢和胰岛素水平［10］，促进糖异生，增加肝脏葡萄糖的输出［11］。因具有高度保守的磷酸化位点，直接受上游磷脂酰肌醇3激酶（phosphatidylinositol 3-kinase，PI3K）/蛋白激酶B（protein kinase B，Akt）磷酸化调节，被Akt 磷酸化后移出细胞核失活，并解除其对葡萄糖-6-磷酸酶和磷酸烯醇丙酮酸羧激酶等糖异生基因的转录调控，可以抑制肝脏糖异生，进而降低血糖。Goyal 等［12］研究表明HepG2 细胞中H19 缺失引起胰岛素受体水平表达下降，损害胰岛素信号传导通路，促使FoxO1 发生去磷酸化，并从细胞质转移至细胞核，上调糖异生相关基因，促进肝脏葡萄糖异生，同时协助核转录因子ĸB 上调白细胞介素-1β 的表达，进而损害胰岛β 细胞的功能，导致T2DM。后续研究进一步发现H19 也可通过阻止转录因子p53 与FoxO1 启动子结合，使FoxO1 启动子上p53 的占有率减少，FoxO1发生磷酸化，从而抑制FoxO1 活化，导致糖异生基因表达下调，抑制肝脏糖异生［13］。Zhang 等［14］发现p53可以激活沉默信息调节因子6 表达，引起p53 依赖的FoxO1 的核排斥反应，促进FoxO1 去乙酰化并向胞质输出，导致糖异生基因表达下调，从而减轻FoxO1 依赖的糖异生作用。上述研究表明，H19 可以通过p53诱导FoxO1 磷酸化或去乙酰化，参与糖异生调控，调节机体血糖水平，但FoxO1 磷酸化和去乙酰化这两种途径在此过程中作用的大小尚不清楚，有必要进行深入研究，以探讨这两种途径在H19 通过p53 介导FoxO1 参与糖异生调控中的主导作用。

3 H19 通过印迹调节胰岛素样生长因子（insulin-like growth factor 2，Igf2）参与T2DM的发生发展

lgf2/H19是最早被发现且最受关注的一对印迹基因，位于人染色体11p15.5 的基因组印迹簇上，分别为父系表达和母系表达，H19 位于Igf2下游90 kb 处，两者共同竞争H19 下游的同一增强子［15］，且皆受H19基因上游4 kb 处的印迹控制区调控。基因印迹不同于传统的孟德尔遗传现象，指子代特定基因或基因簇只表达来自母源或父源一方的等位基因，而另一方亲本等位基因不表达的表观修饰现象，而其中参与此现象的基因称为印迹基因。有研究证实母体糖尿病组的H19/Igf2印迹控制区甲基化水平更高［16］，在这种情况下，Igf2 的表达水平可能会增加，H19 的表达水平会降低，而暴露于母体糖尿病的胎儿Igf2 表达水平则会降低。Ding 等［17］通过动物实验发现Igf2 和H19 在妊娠期糖尿病模型后代的胰岛中表达均下调，证实了H19和Igf2 参与了该模型中糖尿病的代际传播，Igf2 的异常表达与Igf2/H19 的甲基化失调有关。Igf2 在胰腺过表达使参与胰岛素分泌的胰十二指肠同源异形盒基因1、肌腱膜纤维肉瘤癌基因同源物A 基因等具有完全分化和功能性β 细胞特征的基因下调，诱导β 细胞去分化或内质网应激，从而导致胰腺发育阻滞，胰岛功能紊乱，胰岛素分泌不当，成为T2DM 发病的诱因［18-19］。同时，Igf2 在转基因小鼠β 细胞中过表达也会使胰岛细胞增生并引起形态改变，从而导致高胰岛素血症，继发胰岛素抵抗，成为T2DM 发病的早期原因［20］。也有研究发现Igf2 和H19 的差异甲基化区甲基化状态改变与妊娠期糖尿病引起的巨大儿相关，妊娠期糖尿病组的脐血和胎盘中Igf2 的表达高于正常糖耐量组，而脐血中H19 的表达则低于正常糖耐量组，后代为巨大儿的正常糖耐量组的胎盘和脐血中Igf2 的表达较后代为正常体重儿升高［21］。Igf2 及其受体在急性高糖和糖尿病中过度表达激活钙调神经磷酸酶依赖性信号通路，导致心肌肥大相关蛋白下游活化和表达，触发心肌肥大和体内外心肌细胞凋亡，与糖尿病心肌病密切相关［22］。

4 H19 与miRNA 作用参与T2DM 及其并发症的调控

miRNA 是一类丰富的内源性非编码RNA，在物种间具有高度保守性、组织特异性、时序性以及疾病特异性，可通过与mRNA 的3’非翻译区进行完全或不完全的碱基配对［23］，在转录水平抑制靶基因的翻译，实现在调控发育、分化、细胞增殖以及免疫和代谢等多种生物学过程发挥重要作用［24］，有证据表明miRNA可作为lncRNA 发挥作用的重要环节之一，lncRNA 通过多种途径对miRNA 进行调控，其表达变化也可以影响到miRNA 的作用。近年来越来越多的国内外研究证实H19 可通过与miRNA 相互作用，参与T2DM 的血糖调节及其并发症的调控过程，为T2DM 及其并发症的研究提供新的生物标志物。

4.1 H19作为miRNA的分子海绵发挥作用

let-7 是目前发现最早的miRNA，其在肌肉过度表达会导致胰岛素抵抗和糖耐量受损已被证实［25］，Zhu等［26］研究发现let-7 过表达会抑制胰岛素-PI3K-哺乳动物雷帕霉素靶蛋白（mammalian target of rapamycin，mTOR）通路的多个组分，导致胰岛素抵抗和外周葡萄糖耐受不良，并出现胰岛β 细胞代偿性胰岛素分泌增加以补偿外周的胰岛素抵抗。

一些lncRNA 可以以一种竞争性内源RNA 的形式成为miRNA 的“分子海绵”（molecular sponge），从而抑制miRNA 的表达，并促进miRNA 靶基因的表达水平［27］。其中，H19 可以作为分子海绵分离和调节let-7家族miRNAs［28］，阻断let-7 对其下游靶基因转录后的抑制，从而恢复下游靶基因的功能［29］。有研究表明H19/let-7 以双负反馈环的形式参与调节肌肉中的葡萄糖代谢［30］，H19 在骨骼肌中充当let-7 的上游调节器［31］，作为let-7 的竞争性内源RNA 特异性的隔离内源性let-7。靶向沉默H19 在不影响let-7 水平的情况下增加let-7 的生物利用度，let-7 通过介导胰岛素-PI3KmTOR 途径抑制胰岛素受体、胰岛素受体底物2、胰岛素样生长因子受体1 等多种成分，从而导致糖耐量受损。同时，非典型双特异性磷酸酶27 作为H19 在肌肉胰岛素敏感性调节中的重要下游效应器，也是H19/let-7 介导的转录后调控的靶点，下调H19 后通过升高let-7的生物利用度使其表达降低，进而降低腺苷酸活化蛋白激酶的活性［32］，影响葡萄糖摄取和脂肪酸氧化［33］，从而导致胰岛素抵抗。也有研究表明H19在胰腺中可以通过隔离let-7 阻止let-7 与其内源性靶点作用从而诱导β 细胞的增殖，同时PI3K-Akt 信号通路被认为是保证β 细胞质量的关键调控因子，H19 可以通过激活PI3K-Akt 信号级联触发β 细胞增殖［34］，但触发这一信号通路的事件仍有待充分阐明。

糖尿病小鼠的肠上皮细胞的异常分化与Wnt/β-连环蛋白（β-catenin）信号传导过度有关［35］，H19是糖尿病患者肠上皮分化的重要标志性lncRNA，其在糖尿病小鼠的肠上皮细胞中明显上调，可作为miR-141-3p的分子海绵通过隔离内源性miR-141-3p 使β-catenin 及其下游效应子表达上调，与糖尿病小鼠的肠上皮细胞分化异常有关［36］。间充质干细胞衍生外体的H19可竞争性结合miR-152-3p，从而上调其靶基因—第10染色体缺失与张力蛋白同源的磷酸酶基因（phosphatase and tension homology deleted on chromosome ten，PTEN）促进糖尿病足溃疡的创面愈合［37］。在糖尿病诱导的APRE-19 细胞内质网应激过程中，H19 通过抑制miR-93 对下游靶点的作用，从而上调X-盒结合蛋白1（X-box binding protein，XBP-1）抑制高糖诱导的炎症反应，调节高糖状态下视网膜内皮细胞的炎症过程，从而抑制糖尿病视网膜病变［38］。

4.2 H19作为miRNA的前体物质发挥作用

在miRNAs编码的过程中，某些lncRNAs可作为其编码之前的物质，这种lncRNAs可以说是该miRNAs的前体物质。H19的外显子1编码两个miRNAs：miR-675-5p和miR-675-3p，此时H19 可作为miR-675 的前体物质发挥作用，并参与T2DM 引起的多种并发症的调控。H19/miR-675 轴可通过靶向电压依赖性阴离子通道蛋白1（voltage-dependent anion channel protein 1，VDAC1）参与高糖诱导的细胞凋亡的调节，H19 在糖尿病心肌病大鼠的心肌细胞中强表达可使miR-675 上调，miR-675 可与其下游靶基因VDAC1 的3’非编码区域结合使VDAC1 的表达下降，抑制细胞凋亡，减轻糖尿病心肌病的炎症和氧化应激［39］。H19/miR-675 可以通过早期生长反应蛋白1 调节维生素D 受体的表达从而参与糖尿病肾病，糖尿病肾病组H19、miR-675 表达增加，miR-675 作用于维生素D 受体使其表达下降，从而导致早期生长反应蛋白1 的表达下降，早期生长反应蛋白1与H19的表达呈正相关，因而H19表达下降，从而形成维持维生素D 受体内环境稳态和降低糖尿病肾病发生率所需的负反馈调节通路［40］。

5 其他

除上述机制外，也有研究发现在高脂饮食小鼠的肝脏中H19 表达增加，H19 在肝脏中过表达会促进肝脏葡萄糖的生成和胰岛素抵抗，肝脏特异性H19 和S-腺苷同型半胱氨酸水解酶（S-adenosyl-homocysteine hydrolase，SAHH）之间相互作用构成一个潜在机制即H19/SAHH 调控轴［41］，H19 结合SAHH 并使其失活，S-腺苷同型半胱氨酸（S-adenosyl homocysteine，SAH）水解减少，SAH 对DNA 甲基转移酶3B 抑制增加，导致DNA 甲基化降低［42］，促进肝细胞核因子4α（Hepatocyte nuclear factor 4-alpha，HNF4α）的表达，从而使葡萄糖-6-磷酸酶、磷酸烯醇丙酮酸羧激酶1等糖异生基因的表达增加，导致葡萄糖生成也增加［43］，该研究与上述PI3K/Akt/FoxO1 通路的研究得到的结论相反，虽具体机制尚不明确，但该结果显示H19 诱导的HNF4α启动子甲基化水平变化不大，表明HNF4α的表达调控还涉及其他机制。Schmidt 等［44］研究表明H19过表达可促进棕色脂肪细胞的脂肪生成、氧化代谢和线粒体呼吸等。与白色脂肪组织相比，棕色脂肪组织可通过解偶联储存在线粒体膜质子梯度中的电化学能量，将体内储存的营养物质（如葡萄糖）转化为热能来支持能量分解代谢［45］，从而改善肥胖和胰岛素抵抗。H19 可以通过与多梳抑制复合物2（polycomb repressive complex 2，PRC2） 结合并募集到GTP结合蛋白Di-Ras3（GTP-binding protein Di-Ras3，DIRAS3）启动子区，表观抑制心肌细胞DIRAS3 转录，促进mTOR 磷酸化，抑制糖尿病心肌病自噬的激活［46］。T2DM 患者中H19 下调，使胰岛素受体、胰岛素样生长因子1 受体表达下降，引起Akt 活化障碍，导致血管生成受损，从而影响糖尿病创伤愈合［47］。此外，H19 还可以通过抑制丝裂原激活蛋白激酶（mitogen activated protein kinase，MAPK）-细胞外信号调节激酶（extracellular signal-regulated kinase，ERK）1/2信号通路抑制转化生长因子（transforming growth factor，TGF）-β1 及其信号通路来阻止糖尿病视网膜中葡萄糖介导的内皮-间充质转化［48］。

6 总结和展望

H19 作为最早被发现的lncRNA 分子，在2 型糖尿病的血糖调节及其并发症的调控过程中发挥着重要作用，近年来在国际上的研究也比较广泛，但目前研究仍处于方兴未艾的层面，很多层面的研究存在盲点：第一，肝脏中H19 通过PI3K/Akt 通路调控FoxO1磷酸化参与血糖调节的机制研究比较明确，可以通过这一通路进一步探索血糖调节的新方法，但H19 通过p53 调节FoxO1 磷酸化或去乙酰化在糖异生过程中的主导地位尚不明确，还需进行进一步的研究；第二，H19 可以通过其印迹基因Igf2 的差异甲基化参与T2DM 相关疾病的调节，但T2DM 发生发展过程中关于印迹基因表观遗传的调控模式尚不明确；第三，关于H19 和miRNA 相互作用的研究较为全面，可以以H19 和miRNA 的调控机制为思路，为T2DM 及其并发症的研究提供生物标志物，并建立H19-miRNA-靶基因等关系网络，更好地理解和探索H19 在T2DM 及其并发症在内的多种疾病治疗中的作用，如利用肝脏中H19 和let-7 之间双反馈环，探索T2DM 血糖调节的治疗方法；利用H19 与各种miRNA 相互作用的关系，探索由T2DM 引起的关于糖尿病肾病、糖尿病眼病、糖尿病心肌病以及糖尿病足溃疡等多种并发症的新的调控方式，以期找到治疗这些疾病的新靶点。

关于上述问题，相信在将来随着对H19 研究的深入会逐步得到解决，从而可以更好地理解H19 在T2DM 及其并发症中的作用，为T2DM 及其并发症的治疗提供新的思路和靶点。