肥胖相关代谢、免疫炎症基因的甲基化研究进展

★ 李锦超 任美玲 吴紫葶 徐晓英 王萍（江西中医药大学中医学院 南昌 330004）

肥胖是一种世界性疾病，自90年代以来，中国超重率和肥胖率都迅速上升。2015年的《中国居民营养与慢性病状况报告》显示，全国18岁以上成人的超重率达到了30.1%，其中肥胖率为11.9%，肥胖特别是以腹部脂肪过度积聚的中心性肥胖，多继发高血压、冠心病、糖尿病、脂肪型肝炎等，肥胖病已成为必须重视的健康问题。肥胖是一种以体脂过多为特征的疾病，其发生除了先天的“自发性肥胖”外，也与后天的、环境因素相关。后天性肥胖多由能量代谢异常导致，一般认为这种能量代谢异常与脂代谢、糖代谢的紊乱相关。肥胖的发生是遗传、不健康饮食、行为偏差、药物作用、内分泌因素等多种因素综合作用下的结果。

表观遗传修饰是不同环境因子与基因表达相互作用的结果，强调基因与环境的交互作用。DNA甲基化是表观遗传的主要调控方式之一，能够影响异染色质形成、细胞分化、转基因沉默等。一般而言，低甲基化可增强基因的表达，高甲基化则能抑制基因表达。DNA甲基化修饰在肿瘤、自身免疫性疾病、代谢性疾病等慢性复杂性疾病中均发挥着重要作用［1］。基因的DNA甲基化改变参与了脂肪的形成、存储，糖原的合成、降解以及肥胖慢性炎症等多个过程，从而能对肥胖的发生起着重要作用。另外，在一些通过手术、药物等手段治疗肥胖的研究中，往往也发现患者的的甲基化状态发生了改变。从DNA甲基化修饰角度来认识肥胖，能够为干预和治疗肥胖及相关疾病提供有效手段和新的思路。

1 糖脂代谢异常

1.1 脂代谢 肥胖表现为全身脂肪组织的过度增生，当身体成分中的脂肪蓄积过度，超过标准体重的20%被视为肥胖病理状态。脂肪组织包含脂肪前体细胞、脂肪细胞、微血管内皮细胞以及细胞外基质等。因此，脂肪细胞的数量及大小决定了脂肪组织的多少。研究表明脂肪沉积能力大小与甲基化水平呈负相关［2］，POMC，PPARs, TNF-α等许多基因启动子区CpG岛甲基化在肥胖状态下均发生了改变［3］。另外，DNA甲基化在脂肪细胞的增殖分化过程中也发挥着生理调控作用。在3T3-L1前脂肪细胞分化中,DNA甲基转移酶DNMT1、DNMT3a、DNMT3b和甲基化结合蛋白MeCP2的mRNA水平随分化水平的增加而逐渐升高［4］；在前脂肪细胞分化为脂肪细胞的过程中，C/EBPβ基因的表达会起到重要作用，而CpG甲基化修饰的变化会影响C/EBPβ基因的表达，从而促进前脂肪细胞的分化［5］。瘦素（leptin）是近年来发现并被阐明的脂肪细胞分泌的一种蛋白质。在一项对重度肥胖患者的试验研究中发现，leptin启动子区的特定CpG位点DNA甲基化水平与低密度脂蛋白（LDL-C）水平呈正相关，且与皮下脂肪组织的LEP mRNA水平呈负相关。当调整DNA甲基化后，LDL-C与LEP mRNA的相关性不再显著［6］。PPAR-γ作为一种核受体蛋白，在脂肪细胞的分化和糖平衡中起生理调节作用。激活的PPAR-γ能够使细胞分化终止并且刺激脂肪组织特异性基因的表达。而实验证明肥胖模型小鼠内脏脂肪组织的PPAR-γ启动子的甲基化水平明显高于野生型小鼠［7］。进一步研究发现，父系小鼠的高脂饮食或者有氧运动方式可能通过子代小鼠附睾周脂肪组织PPAR-γ基因甲基化水平的改变从而影响基因的表达，进而对子代（限于雄鼠）的脂肪等代谢表型产生影响［8］。近年来，基因敲除术也多被应用于肥胖研究。在IRX3 基因敲除的实验中，被敲除基因小鼠出现基础代谢增强、能量消耗水平高、体重明显下降等变化。同时，也观察到基因敲除小鼠存在脂肪组织的减少以及脂肪细胞尺寸缩小等现象［9］。有学者认为位于 IRX3 基因 5′UTR 的 3 个位点的甲基化变化可能与肥胖的发生及上述变化有关［10］。而与胆固醇的生物合成过程相关的基因Sc5d及其它肥胖相关基因，在一项温胆汤干预肥胖痰湿证模型的研究中发现甲基化程度明显增加，从而认为肥胖痰湿证模型的形成与脂肪组织代谢相关基因的启动子甲基化状态的改变相关［11］。

肥胖病患者大多存在脂质代谢紊乱，临床上血脂异常为其常见症状。具体表现为血浆三酰甘油、总胆固醇（TC）、LDL-C均升高且与BMI呈正相关，血浆高密度脂蛋白（HDL-C）降低，并与BMI呈负相关。高脂血症容易诱发脂肪肝、冠心病、高血压等疾病。研究指出腹型肥胖并且AGTR1基因低甲基化患者罹患糖尿病的风险是非腹型肥胖的4.14倍［12］。干预肥胖对预防其它疾病的发生有重要作用。

1.2 糖代谢 肥胖病患者的脂肪细胞体积会变大，而过大的脂肪细胞会降低机体对胰岛素的敏感性。为了维持机体的代谢平衡，胰岛就必须要分泌高于正常人4～5倍的胰岛素，而长期刺激胰岛会导致其功能衰竭。因此，肥胖病患者多继发糖尿病等相关疾病。同时，高胰岛素血症也会促进脂肪的合成过程，反过来又会加重肥胖症。胰岛素对体内脂肪及糖代谢的调节涉及许多方面，如肝脏、脂肪中脂肪酸及葡萄糖的代谢等。应用基因组甲基化技术，发现肥胖合并2型糖尿病（T2DM）患者内脏脂肪组织胰岛素抵抗基因甲基化水平显著异常，与T2DM病态肥胖呈正相关。

不出现低血糖是肥胖病患者高胰岛素血症的特点。在高脂饮食喂养的肥胖大鼠中，研究人员发现肝葡萄糖激酶（GcK）及左旋丙酮酸激酶基因DNA甲基化水平增高，并与基因的表达呈负相关，这会影响葡萄糖储存和糖原合成导致血糖的升高［13］。在另一项长期高脂饮食的小鼠实验中发现，脂肪组织同源盒基因Hoxa5的高甲基化与葡萄糖耐受量和胰岛素敏感性都存在着相关性［14］。另外高脂饮食诱导的肥胖小鼠，其附睾脂肪组织以及肥胖病人的大网膜组织，都可见DNA 低甲基化改变。MBD2 作为肥胖症的易感基因，当被敲除时，可以有效改善高脂饮食诱导肥胖小鼠的葡萄糖耐量异常以及胰岛素抵抗，其甲基化信息不被翻译，从而能够有效减少高脂饮食所诱导的肥胖的发生［15］。此外肥胖的发生也多与遗传因素相关，父母亲肥胖，其子女肥胖的发生概率高达70%～80%。关于人类肥胖研究显示，父本肥胖显著改变 sncRNA表达和DNA甲基化水平，并且父本肥胖的后代MEST，PEG3，NNAT及IGF2 印迹基因的差异甲基化区域甲基化水平异常［16］。而孕妇高血糖可引起胎盘中PR结构域家族蛋白16（PRDM16）、骨形态发生蛋白7（BMP7）和过氧化物酶体增殖物激活受体γ共激活因子1α（PPARGC1α）位点的表观遗传程序的改变，影响子代的糖脂代谢及脂肪组织的生成，这也可能增加了子代发展为肥胖和2 型糖尿病的风险［17］。

2 免疫炎症

在肥胖的发生过程中，伴随脂质累积、脂肪细胞体积增大、新生微血管限制等，一旦超出细胞的最大承受范围，脂肪细胞会破裂凋亡，从而被巨噬细胞所吞噬清除，这是引发肥胖病全身性慢性低度炎症性的一个原因［18］。另外，增生肥大的脂肪细胞同时又会产生多种的促炎因子及趋化因子［19］，从而引起或增加机体的炎性反应。另外有研究发现肥胖患者的脂肪相关巨噬细胞（ATM）由抗炎的M2 型向促炎的 M1 型巨噬细胞转变［20］。巨噬细胞分泌的促炎因子能够促进前脂肪细胞增生，引起脂肪细胞增多，从而加重肥胖程度［21］。因此认为肥胖的发生与炎症因素密切相关。巨噬细胞的表型变化可以调节肥胖诱导的炎症和胰岛素抵抗，而M1型RAW264.7细胞中 NLRC5 表达的减少与DNA启动子区域的甲基化有关［22］。scd1被认为是一种在脂肪细胞分化中可以广泛表达的酶，主要是负责单不饱和脂肪酸的生物合成过程，并能够影响脂肪相关的炎性反应。研究发现scd1的过表达与全身的DNA低甲基化状态有关，而scd1的沉默可能导致全身的高甲基化状态［23］。KLF4作为转录因子，在血管内皮细胞、巨噬细胞中，均发挥抗炎作用。而肥胖个体的KLF4基因特定启动子区CpG 位点的甲基化阳性率明显高于正常个体［24］。在中医学上有“肥人多痰”的说法，认为“脾虚生痰，痰湿内盛”是肥胖痰湿证形成的病机，而脾虚痰湿与免疫机制密切相关。温胆汤干预后的痰湿肥胖模型大鼠，其TNF-α、IL-6、IL-17、IL-22等炎症因子的表达显著下降，而痰湿体质与平和体质在全基因组层面存在系统性的DNA甲基化表达谱差异［25］。

肥胖病患者的巨噬细胞吞噬功能及T细胞功能均较正常人低，由于免疫功能低下，肥胖病患者罹患其它免疫缺陷疾病的风险增加。例如，在临床上，肥胖就被认为是过敏性紫癜患儿肾脏损伤的独立危险因素［26］。又如膝关节骨性关节炎（KOA），研究显示，KOA患者滑膜组织miR-203基因启动子区的低甲基化状态与肥胖KOA患者的BMI及关节液中促炎症因子的水平密切相关［27］。研究还表明DNA的低甲基化会促使血管的平滑肌细胞增殖和纤维沉积，并且使外周血中参与免疫及炎性反应的细胞也过度增殖［28］，而这会加速动脉粥样硬化（AS）的发生发展。肥胖指标升高，显著增加了心血管疾病、脑卒中的患病风险［29］。

3 其它因素

如上所述，以表观遗传学的DNA甲基化改变为切入点，从糖、脂代谢异常和免疫炎症方面解释了肥胖的相关发病机制。而从病因角度来讲，除摄入高脂、高糖热量过多外，肥胖的发生与个人的饮食习惯、运动量、环境、心理因素等也密切相关。这与表观遗传学强调环境-生理-心理的内涵一致。以生存环境为例，双酚A（BPA）是一种典型的环境内分泌干扰物,常出现在日常生活用品及某些医疗器械中。而BPA的暴露，导致与肥胖相关的脂代谢通路、脂肪因子信号通路和生长因子信号通路分别有24、29和34个基因的甲基化发生了改变［30］，从而诱发肥胖、脂代谢异常等。

肥胖是一种摄食过度性疾病，此类患病人群大多食欲亢进。被高脂饮食喂养的成年小鼠被发现其MC4R基因明显呈低甲基化水平，这会增加小鼠的食欲和摄食行为［31］。从干预治疗角度考虑，肥胖作为一种能量代谢失衡的疾病，除控制能量摄入外，也应增加热量消耗。运动是健康减肥方式的首先方式，当运动联合膳食干预时，有效上调了leptin基因启动子区CpG位点的平均甲基化程度且降低下丘脑leptin受体基因启动子区CpG位点的平均甲基化程度［32］。Laker R C 等［33］也指出运动可以预防母体高脂饮食诱导的PGC-1α甲基化及后代年龄相关的代谢障碍等。与此同时，心理因素也不可忽略。有学者认为抑郁是肥胖的独立危险因素［34］，机体在焦虑和抑郁状态下，下丘脑-垂体-肾上腺轴失调，进而会影响体内的糖脂代谢导致肥胖的发生［35］。同时肥胖也会加重患者的焦虑、抑郁情绪，形成一种恶性循环。以女性多囊卵巢综合征（PCOS）为例，约有60%的PCOS患者存在焦虑、抑郁状态［36］。而PCOS患者GC中与脂质和类固醇合成相关的几个基因启动子呈低甲基化［37］，其脂肪组织LHCGR基因位点的甲基化降低,INSR基因位点的甲基化增高［38］。患有抑郁、焦虑疾病的患者，其伏隔核NAc甲基转移酶Dnmt3a增加，并且这种焦虑抑郁状态会在后代显现，具有稳定遗传性［39］。因此，对于肥胖患者来说，除做好肥胖的对症治疗，干预患者的心理健康、习惯、行为等也是十分必要的。

4 小结

甲基化位点所识别的基因参与脂蛋白代谢、糖代谢、底物转运及炎症通路等多个过程。因此，认为DNA甲基化修饰在肥胖病的发生发展中起着重要作用。但是单个基因的启动子、转录区等具体改变及其表达变化仍需深入研究。

从DNA甲基化修饰的角度来认识肥胖，不仅仅是对肥胖病本身产生的机制加以解释，更强调疾病发生的后天因素以及疾病的可调控性。因此，认为肥胖所导致的甲基化异常是可以通过药物治疗、手术、运动等扭转。DNA甲基化也可以作为疾病的分子机制研究和药物研发及靶向治疗的新切入点，为认识和治疗复杂性疾病提供思路。同时，DNA甲基化作为哺乳动物一种最稳定的表观遗传修饰调控方式之一，在肥胖的代际传递中也发挥着重要作用，这对于预防肥胖及相关代谢性疾病的遗传也起积极作用。