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2022年12月09日，《Frontiers in Endocrinology》雜志發(fā)表了題為“Epigenetic basis of diabetic vasculopathy”的綜述文章，綜述了表觀遺傳學修飾如DNA甲基化和組蛋白修飾在2型糖尿?。═ype 2 diabetes mellitus，T2DM）大血管和微血管并發(fā)癥病變中的重要作用。
期刊：Frontiers in Endocrinology / Front Endocrinol (Lausanne)
日期：2022.12
IF：6.055 /Q2
摘要
2型糖尿病（T2DM）會引發(fā)外周血管疾病，其中包括重要營養(yǎng)素在內(nèi)多種血液傳播因子無法到達受影響的組織。組織表觀基因組對慢性高血糖癥敏感，可引起微血管和大血管并發(fā)癥的發(fā)病機制。T2DM的血管并發(fā)癥可能會導致器官功能失調(diào)，而糖尿病的主要負擔就在于各種并發(fā)癥，其中一大重要并發(fā)癥就是難以愈合的糖尿病潰瘍。因此當前的研究必須有助于識別更有效診斷和治療早期血管損傷的方法。本文綜述了表觀遺傳過程如DNA甲基化和組蛋白修飾在T2DM大血管和微血管并發(fā)癥演變中的重要作用。
背景
就健康影響而言，最常見的血管疾病是2型糖尿病（T2DM）相關(guān)的微血管病和大血管病。這是美國死亡和發(fā)病的主要原因之一，近50%的人死于某種形式的心血管疾病。糖尿病的血管并發(fā)癥同樣是導致死亡的首要原因，隨著血管病變相關(guān)研究不斷增加，對血管疾病過程發(fā)展的原因、影響和潛在機制的全面理解是當前的主要需求。最近研究證明了表觀遺傳機制（如DNA甲基化和長期高血糖引起的組蛋白修飾）在糖尿病組織中基因和環(huán)境間復雜互作中的關(guān)鍵作用。啟動子DNA甲基化誘導的基因沉默是糖尿病血管病中的最常見表觀遺傳修飾。這種高血糖誘導的基因啟動子高甲基化有助于“代謝記憶”，即使在實現(xiàn)血糖控制后也會導致糖尿病的血管功能失調(diào)。另外非編碼RNA或MicroRNA（miRNA）也是表觀遺傳學的一部分。本綜述將討論與糖尿病血管病變發(fā)病機制相關(guān)的表觀遺傳機制。
血管生理學和病理學
血管系統(tǒng)是由連接心臟和全身其他器官和組織血管組成的器官系統(tǒng)。血管按主題分為動脈、靜脈和毛細血管三部分，動脈向組織供應來自心臟的含氧血液，靜脈將未加氧的血液返回心臟進行肺氧合，毛細血管包括管理淋巴液和細胞外液的淋巴管和毛細血管。
血管病理學稱為血管病變，在幾乎所有血管病變病例中，從血管炎到動脈粥樣硬化，內(nèi)皮層的作用都密切相關(guān)。
表1：基于血管大小和癥狀表現(xiàn)組織的血管炎
糖尿病和血管病變
圖1：導致與T2DM相關(guān)血管并發(fā)癥的內(nèi)皮功能失調(diào)的主要生化和細胞通路。
慢性高血糖癥激活T2DM受試者內(nèi)皮功能失調(diào)的不同通路，導致eNOS活性降低和線粒體ROS過量產(chǎn)生增加。通過激活幾種改變內(nèi)皮表觀基因組的介質(zhì)以產(chǎn)生促炎環(huán)境，隨后調(diào)控炎癥反應、巨噬細胞浸潤、細胞凋亡和纖維化基因異常轉(zhuǎn)錄，從而導致糖尿病血管并發(fā)癥。
表觀遺傳學和糖尿病血管病變
表觀遺傳修飾指不是由于DNA序列變化引起的基因轉(zhuǎn)錄變化。這些修飾主要調(diào)控DNA周圍的核小體排列并調(diào)控基因激活或失活。本文將討論的五種表觀遺傳修飾：① DNA甲基化、② 組蛋白修飾、③ 染色質(zhì)重塑、④ microRNA、⑤ 長鏈非編碼RNA（圖2）。這五種不同的情況表明DNA序列域之外的外部因素可以調(diào)控復雜的疾病過程。2型糖尿?。═2DM）具有非常復雜的遺傳模式，遺傳和環(huán)境因素之間存在復雜的交叉。這種相互作用模擬了表觀遺傳修飾的功能，并且在糖尿病和糖尿病血管病變的發(fā)展中具有強烈的表觀遺傳作用（圖3）。
圖2：高血糖誘導的表觀遺傳機制在代謝記憶和糖尿病內(nèi)皮功能失調(diào)中的作用示意圖。
DNMT：DNA甲基轉(zhuǎn)移酶；HMT：組蛋白甲基轉(zhuǎn)移酶；HAT：組蛋白乙酰轉(zhuǎn)移酶；eNOS：內(nèi)皮一氧化氮合酶；NO：一氧化氮；AGE：晚期糖基化終末產(chǎn)物（advanced glycation end products）；PKC：蛋白激酶；NF-κB：核因子-κB。
圖3：高血糖誘導內(nèi)皮細胞的表觀遺傳重編程，并影響與其功能失調(diào)相關(guān)的基因。
DNA甲基化和去甲基化、組蛋白修飾、miRNA和lncRNA調(diào)控與血管生成相關(guān)的各種基因的活性，并刺激病理生理通路、誘導炎癥反應、隨后導致血管并發(fā)癥。
糖尿病血管病變的表觀遺傳機制
關(guān)于糖尿病血管病變中發(fā)生的特定表觀遺傳修飾以及它如何適應微/大血管病變，目前與糖尿病血管病變相關(guān)的研究文獻非常多。Chen等人在2016年進行的一項大型全方位研究探索了血糖控制不佳在糖尿病微血管并發(fā)癥中的作用，研究人員利用DCCT試驗（糖尿病控制和并發(fā)癥試驗(1983年-1993年)）表明嚴格血糖控制組和對照組之間的微血管變化非常顯著。沒有血糖調(diào)控的對照組顯示出明顯的血管病并發(fā)癥（視網(wǎng)膜病變、腎病）跡象增加，且對照組和血糖控制組的DNA甲基化位點不同。這項研究為表觀遺傳學在糖尿病中的作用奠定了基礎(chǔ)，并證實了先前的研究，即不受控制的高血糖與血管紊亂中的作用相關(guān)。
Nakatochi和研究人員發(fā)現(xiàn)，在心肌梗塞（糖尿病共病率超40%）中的3個特異性位點具有DNA甲基化特征。日本男性中更為相關(guān)的分析表明這些位點的DNA甲基化不僅可以預測心肌梗死，還可以預測BMI和血脂水平，這表明可以通過表觀遺傳學獨立調(diào)控大血管疾病。Bell等人在192名愛爾蘭糖尿病患者中發(fā)現(xiàn)19個CpG位點與糖尿病腎病相關(guān)。在Nakatochi等人報道的大血管水平和Bell等人報道的微血管水平上的表觀遺傳調(diào)控機制在不同人口群體中都存在，并與年齡和合并癥相匹配。
糖尿病視網(wǎng)膜病變屬于糖尿病的微血管并發(fā)癥，Berdasco等研究人員檢測了視網(wǎng)膜血管的滲出性和缺血性損傷，這兩種變化都與糖尿病視網(wǎng)膜病變的慢性問題以及通過促血管生成因子在糖尿病控制不佳后進展失明相一致。在一個三步模型中，研究人員發(fā)現(xiàn)與滲出性和缺血性損傷一致的增殖性視網(wǎng)膜病變中有46個CpG島甲基化標記的基因，且在啟動子附近發(fā)現(xiàn)了整個MAP3K1通路中低甲基化。調(diào)控基因的低甲基化與基因表達上調(diào)一致，表明該通路的基因表達上調(diào)與增殖性視網(wǎng)膜病變增加相關(guān)。Argadh等人繪制了與該疾病相關(guān)的全面DNA基因組圖譜，檢測了超300個CpG位點的DNA甲基化率，這一發(fā)現(xiàn)不僅與糖尿病視網(wǎng)膜病變患者甲基化率的增加一致，而且甲基化率甚至可以作為視網(wǎng)膜病變嚴重程度的預測算法。
目前對組蛋白修飾和染色質(zhì)重塑在糖尿病和血管疾病發(fā)病機制中作用的研究較為有限。在高血糖條件下，胰島特異性轉(zhuǎn)錄因子Pdx1招募共激活因子p300和組蛋白甲基轉(zhuǎn)移酶（HMT）SET7/9，以增加組蛋白乙?；虷3K4me2，從而導致在胰島素啟動子處形成開放染色質(zhì)并刺激胰島素產(chǎn)生。另一方面在低血糖條件下，相同的轉(zhuǎn)錄因子Pdx1可以招募共抑制因子HDAC1/2，導致胰島素基因表達的抑制。糖尿病組織中的持續(xù)性炎癥通過增加組蛋白賴氨酸乙?；陨险{(diào)內(nèi)皮細胞中的炎癥基因表達，如H3K9/14Ac和組蛋白乙酰轉(zhuǎn)移酶（HATs）CBP/p300在糖尿病組織的炎癥基因表達中起關(guān)鍵作用?？傊@些發(fā)現(xiàn)表明糖尿病刺激可以觸發(fā)啟動子甲基化和染色質(zhì)結(jié)構(gòu)變化，從而對靶基因表達產(chǎn)生長期影響。
糖尿病患者創(chuàng)面難以愈合的表觀遺傳學調(diào)控機制
除了血管病變外，2型糖尿?。═2DM）還有另一個主要慢性并發(fā)癥：血管病變引起的潰瘍。雖然不是直接的血管損傷，但難以愈合的糖尿病潰瘍是與動脈供血不足和灌注減少相關(guān)性缺血的直接結(jié)果。特別是由于糖尿病氧化應激和異常的基因-環(huán)境互作，傷口愈合的皮膚機制不平衡。如前所述，內(nèi)皮細胞功能失調(diào)和糖基化產(chǎn)物積累對瘢痕形成和愈合的逐步過程造成損害，在皮膚傷口愈合過程中觀察到多種表觀遺傳機制，尤其以 DNA甲基化和組蛋白修飾最為顯著。如在小鼠皮膚傷口中觀察到H3K27me3減少，這與H3K27特異性賴氨酸去甲基化酶Jmjd3和Utx的表達增加有關(guān)；另外多梳抑制復合物2（PRC2）的組分：Eed、Ezh2和Suz12（其甲基化H3K27）在小鼠傷口愈合期間被下調(diào)；還有一個嚴格受表觀遺傳調(diào)控的基因是eNOS，在生理條件下內(nèi)皮細胞通過沿對稱鏈和CpG二核苷酸的大部分低甲基化啟動子區(qū)域顯示eNOS的持續(xù)激活。Yan等人在2010年的研究表明內(nèi)皮細胞和非內(nèi)皮細胞的eNOS染色質(zhì)結(jié)構(gòu)也不同，且組蛋白去乙?；福℉DAC）抑制劑可以上調(diào)eNOS水平。因此在糖尿病傷口中發(fā)現(xiàn)的eNOS水平失調(diào)顯示了表觀遺傳調(diào)控在傷口愈合中的作用的直接通路。
由于在未愈合的傷口中發(fā)現(xiàn)的功能失調(diào)直接與單核細胞趨化蛋白-1（MCP-1）的基因水平有關(guān)，因此巨噬細胞的作用也受到質(zhì)疑。與對照小鼠相比，在鏈脲佐菌素（streptozotocin）誘導的糖尿病巨噬細胞中的MCP-1基因上調(diào)，上調(diào)的表達通過MCP-1啟動子區(qū)單甲基化直接受表觀遺傳調(diào)控。染色質(zhì)重塑是參與調(diào)控炎癥相關(guān)基因轉(zhuǎn)錄的重要表觀遺傳修飾之一，炎癥相關(guān)基因影響巨噬細胞極化和其他對傷口愈合至關(guān)重要的特性。具體而言，HAT和組蛋白去乙?；福℉DAC）激活炎性單核細胞分化和巨噬細胞表型，組蛋白修飾酶對巨噬細胞相關(guān)基因的改變與傷口愈合受損相關(guān)；ATP依賴性染色質(zhì)重塑（SWI-SNF）復合體在巨噬細胞發(fā)育中起作用；SWI-SNF與HDAC1互作以調(diào)控組蛋白乙酰轉(zhuǎn)移酶（H3K27ac）并調(diào)控對細胞發(fā)育和分化至關(guān)重要的基因。
基于非編碼RNA的治療在糖尿病傷口愈合中應用
MicroRNA（miRNA）是短的單鏈，與影響基因表達的mRNA強烈結(jié)合。miRNA的治療潛力值得探索：
單個miRNA可以通過調(diào)控多個功能趨同的靶基因而起到放大器的作用；
miRNA是可以用新技術(shù)操作的穩(wěn)定的小生物分子；
可以以受控的方式精確傳遞，治療效果可以通過過度表達特定miRNA或使其沉默來實現(xiàn)。
通過使用基于納米技術(shù)的新興方法，使用病毒或非病毒方法進行基因治療，可以實現(xiàn)潛在治療性生物分子傳遞。研究表明miRNA功能失調(diào)與糖尿病發(fā)病機制和并發(fā)癥相關(guān)（圖4）。如內(nèi)皮細胞已被證明在嚴重高血糖癥中具有特異性上調(diào)的miRNA，而在糖尿病足潰瘍的血漿中具有類似的上調(diào)。Madhyastha等人的研究發(fā)現(xiàn)，與對照小鼠相比，14種miRNA在糖尿病條件下具有表達變化，特別是在糖尿病傷口愈合期間，miR-146b上調(diào)了近30倍。而MiR-21在糖尿病傷口愈合期間下調(diào)。Li等人在2009年發(fā)現(xiàn)，利用miR-221抑制劑治療使miR-221水平下調(diào)，并在高血糖條件下改善了細胞遷移。
圖4：miRNA在內(nèi)皮細胞表型、功能和血管疾病及其直接靶點中的作用。
miRNA包括：（A）血管生成，（B）血管炎癥和動脈粥樣硬化性血管疾病，（C）血管張力和內(nèi)皮細胞屏障，（D）分泌的miRNA和生物標志物。
MiR-200b長期以來一直與糖尿病血管病變有關(guān)。先前研究表明miR-200b在糖尿病傷口的血管生成中具有調(diào)節(jié)作用。然而miRNA在高血糖中的調(diào)節(jié)作用存在問題。本綜述通過表觀遺傳修飾探討了高血糖對miR-200b啟動子區(qū)的作用。結(jié)果發(fā)現(xiàn)在嚴重高血糖的糖尿病傷口內(nèi)皮細胞中，miR-200b啟動子區(qū)域存在明顯的低甲基化，這表明了miR-200b低甲基化狀態(tài)的第一個證據(jù)，且這一事實被甲基供體S-腺苷-L-蛋氨酸通過重新甲基化啟動子區(qū)域來回復內(nèi)皮功能所證實。因此，調(diào)控特定miRNA表達可能是克服糖尿病相關(guān)并發(fā)癥的有效治療方法。特定基因的過表達和下調(diào)主要由miRNA調(diào)節(jié)的創(chuàng)傷生物學調(diào)控，解開皮膚傷口愈合中miRNA失調(diào)過程將有助于開發(fā)新的靶向療法。OxymiRs是響應組織氧合狀態(tài)的miRNA，目前已經(jīng)研究了在傷口愈合過程中差異表達的多種oxymiR。缺氧敏感的miRNA稱為“HypoxymiRs”，慢性非愈合傷口（如糖尿病足潰瘍、靜脈潰瘍和壓瘡）以缺血/缺氧為特征。miR-203、miR-210和miR-21是被充分研究的積極參與傷口愈合的“HypoxymiRs”。同時，miRNA在傷口愈合過程中的炎癥調(diào)控中起著非常關(guān)鍵的作用。miR-155、miR-146a和miR-132是一些與傷口和炎癥相關(guān)的miRNA，miR-155調(diào)節(jié)參與針對病原體的免疫反應的蛋白質(zhì)表達，這在慢性感染傷口中具有臨床意義，它還通過其他信號介質(zhì)參與調(diào)節(jié)TNFα。miR-125b、miR-31、miR-17-3p和miR-124a是創(chuàng)傷愈合中參與炎癥調(diào)節(jié)的其他miRNA。miRNA在皮膚傷口的上皮化過程中的維持屏障功能方面發(fā)揮關(guān)鍵作用，miR-210依賴性通路損害缺血傷口上皮化。皮膚角質(zhì)形成細胞中miR-1過表達會損害細胞遷移，從而影響上皮化和皮膚屏障功能。miRNA在傷口愈合過程中通過誘導血管形成在傷口愈合期間的血管生成反應中起著重要作用。多種miRNA可以參與不同階段的血管生成過程：內(nèi)皮細胞的增殖、遷移和形態(tài)發(fā)生。參與血管生成的miRNA也稱為血管miR，包括miR-15b、miR-16、miR-20、miR-21、miR-23a和其他，這些miRNA可通過基因治療方法調(diào)控其表達而應用于臨床。然而現(xiàn)有的挑戰(zhàn)是以活性形式傳遞至相關(guān)組織/器官的有效性和特異性。在理想的條件下，所傳遞的miRNA細胞攝取應該很高且沒有內(nèi)體逃逸。另外靶向miRNA的治療方法可能由于對多個基因的下游作用而產(chǎn)生意外脫靶效應。
長鏈非編碼RNA（LncRNAs）是另一組在血管信號傳導中發(fā)揮重要作用的非編碼RNA。LncRNA通過調(diào)節(jié)染色質(zhì)動力學和轉(zhuǎn)錄活性來調(diào)控基因表達。LncRNA在心血管疾病、糖尿病和原發(fā)性開角型青光眼等疾病中明顯調(diào)控失敗。如lncRNA ZEB-AS1充當miR-200b海綿可以調(diào)節(jié)細胞遷移、侵襲和增殖。但這些lncRNA也可能導致T2DM疾病或其他相關(guān)糖尿病相關(guān)并發(fā)癥進展。越來越多證據(jù)表明多個lncRNA與糖尿病并發(fā)癥有關(guān)，多個血管生成miRNA‐lncRNA對與成熟期的傷口愈合有關(guān)。在傷口愈合過程中， LncRNAs GAS5、IGF2AS、MALAT1、ANRIL、H19、MIAT和lncEGFL7OS調(diào)節(jié)血管生成過程。此外 T2DM患者的lncRNA NKILA、NEAT1、MALAT和MIAT表達增加可能影響T2DM患者的疾病程度和嚴重程度。因此，糖尿病傷口血管生成在嚴格調(diào)節(jié)的表觀遺傳調(diào)控下進行。
結(jié)論
血管病理學的范圍包括急性疾病和慢性衰弱疾病。T2DM和糖尿病血管病圍繞復雜的化學級聯(lián)和基因組發(fā)現(xiàn)揭示了遺傳學在疾病過程中的作用。從大血管動脈粥樣硬化到小的外周內(nèi)膜增生和內(nèi)皮功能失調(diào)，糖尿病血管病涉及多器官病理，其治療干預有限。但目前仍缺乏對糖尿病血管病變調(diào)控機制類型的全面綜述。具體而言，DNA中外在發(fā)生的糖尿病調(diào)控過程尚未得到充分研究。其中表觀遺傳學對糖尿病的研究非常有意義。本文綜述了糖尿病血管病的表觀遺傳調(diào)控，這些調(diào)控過程完全發(fā)生在DNA結(jié)構(gòu)和序列之外，因此對其潛在的治療標靶很有吸引力。
對糖尿病血管病變的表觀遺傳調(diào)控研究表明相關(guān)的表觀調(diào)控因子具有多種作用。血管生成丟失不僅影響糖尿病傷口，還可能導致灌注受限、全身性高血壓和皮膚傷口愈合，而糖尿病視網(wǎng)膜病變中血管生成的增加則與血管增生導致視網(wǎng)膜病變惡化的主題相反。因此當表觀遺傳修飾在體內(nèi)發(fā)生變化時，仍需要闡明其具體作用。microRNA具有強大的調(diào)節(jié)功能，但其功能在很大程度上取決于高血糖等條件。表觀遺傳學的作用本身就是藥物干預的主要療法。由于這些機制在基因組之外運行且沒有下游級聯(lián)，因此這些甲基化蛋白或組蛋白修飾變化可以對糖尿病血管病變的治療產(chǎn)生深遠影響。
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參考文獻：Bhamidipati T, Kumar M, Verma SS, Mohanty SK, Kacar S, Reese D, Martinez MM, Kamocka MM, Dunn KW, Sen CK, Singh K. Epigenetic basis of diabetic vasculopathy. Front Endocrinol (Lausanne). 2022;13:989844.
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