遗传和环境因素均参与糖尿病及其并发症的病理过程, 表观遗传调控在其中的作用也日渐明确。糖尿病及其并发症中的主要病理过程如高血糖、氧化应激、炎症等均会导致表观遗传调控的异常, 从而影响染色质结构和基因表达, 而这些染色质表观遗传修饰的持续存在和糖尿病相关的代谢记忆现象相联系。表现机制相关的药物和治疗手段的研发或将成为糖尿病及相关并发症靶向治疗的新方面。
引用本文： 谢满云, 唐仕波. 表观遗传调控在糖尿病视网膜病变中的研究进展. 中华眼底病杂志, 2014, 30(2): 212-216. doi: 10.3760/cma.j.issn.1005-1015.2014.02.027 复制
表观遗传机制涉及糖尿病及其并发症的全身和局部特异性病变过程。糖尿病视网膜病变(DR)是糖尿病血管并发症的一个重要组成部分，涉及多种表观机制的调控[1]。与DNA序列的改变所不同的是，许多表观遗传的改变是可逆的，就为疾病的治疗提供了可观的前景[2]。本文就DNA甲基化、组蛋白修饰与DR的关系综述如下。
1 表观遗传学(Epigenetics)
DNA甲基化(DNAm)是重要的表观遗传修饰形式，主要是基因组DNA上的胞嘧啶第5位碳原子和甲基间的共价结合，胞嘧啶由此被修饰为5-甲基胞嘧啶(5mC)。哺乳动物基因组中5mC占胞嘧啶总量的2%～7%，约70%的5mC存在于胞嘧啶(C)与胸腺嘧啶(G)相连的二连核苷(CpG)。在结构基因的5′端调控区域，CpG二连核苷常常以成簇串联形式排列，这种富含CpG二连核苷的区域称为CpG岛，其大小为500～1000碱基对(bp)。启动子区域的CpG岛一般是非甲基化状态的，其非甲基化状态对相关基因的转录是必须的。基因调控元件如启动子的CpG岛中发生5mC修饰会在空间上阻碍转录因子复合物与DNA的结合，因此DNA甲基化一般与基因沉默相关联，非甲基化一般与基因的活化相关联，而去甲基化往往与一个沉默基因的重新激活相关联[1]。真核细胞生物中与DNA甲基化改变相关的甲基化酶有DNA甲基转移酶(DNMTs)和去甲基化酶，前者包括DNMT1(DNA复制过程中)、DNMT3a和DNMT3b(特别是胚胎过程中的DNA甲基化)以及DNMT3L，后者有Tet蛋白等[3]。DNA甲基化相关酶与DNA之间的作用具有一定的特异性，如DNMT3a就具有其特异性甲基化识别位点，其可能的机制是DNA序列本身就是DNA甲基化酶识别的一个信号[4]。
组蛋白翻译后修饰(Histone PTM)是表观遗传研究另一个重要内容。组蛋白的N端是不稳定的、无一定组织的亚单位，其延伸至核小体以外，会受到不同的化学修饰，这种修饰往往与基因的表达调控密切相关。组蛋白修饰包括组蛋白甲基化、组蛋白乙酰化、组蛋白磷酸化和泛素化等。组蛋白甲基化通常发生在组蛋白H3和H4的赖氨酸Lys(K)以及精氨酸Arg(R)残基上，可能与基因抑制和激活相关。通常取决于被修饰的位置和程度，如H3K4甲基化和基因活化相关，H3K9甲基化和基因抑制相关。组蛋白乙酰化一般与活化相关。真核生物中的组蛋白修饰涉及一系列酶类，包括组蛋白甲基化酶(如Set、Suv39h1)、去甲基化酶(如LSD1、JHDM1A、JmjC等)、组蛋白乙酰化酶(HATs)、去乙酰化酶(HDACs)等[5]。调控基因的表观遗传模式的相关酶种类繁多，普遍认为较稳定的组蛋白甲基化修饰随着组蛋白去甲基化酶(LSD1和JmjC等)的新发现而认为其也是一种可逆的过程[6, 7]。
表观遗传调节的几种机制之间可以相互作用于彼此，形成表观遗传调控网络。DNAm可以和组蛋白修饰联合作用从而共同影响基因表达模式，特别是H3K4非甲基化状态以及H3K9甲基化状态的情况下，这种协同作用更明显[8]。协同作用的其一机制可能为某些位点的修饰使得临近位点的DNA结构和某些组蛋白更易受到另一种表观遗传修饰，还可能与组蛋白修饰酶选择性的识别某些特异性结合蛋白有关[9]。
2 糖尿病的表观遗传学
在糖尿病及其并发症的病理过程中，由高血糖为始发因素所引起的一系列病理和生理改变，均可源自和导致多种表观遗传调节的异常。
2.1 糖尿病及其并发症中的DNAm
Rakyan等[10]对患1型糖尿病的15对同卵双生子患者的基因组进行甲基化分析，发现132个CpG位点的差异甲基化。Toperoff等[11]发现DNA甲基化之间的个体差异有可能影响机体对2型糖尿病的易感性，患者的FTO基因的第一个内含子的CpG位点呈现低甲基化，从而认为某些位点的低甲基化是2型糖尿病的早期诊断标记。一系列的研究说明，糖尿病的发生和进展离不开DNAm调控机制[12-19]。
对糖尿病肾病(DN)患者和DN体外细胞模型的研究初步揭示了DN和DNAm的联系[10, 20, 21]。Mönkemann等[22]发现糖尿病心肌病(DCM)的氧化损伤涉及p21基因甲基化。糖尿病鼠模型的心肌中肝X受体LXRa高表达，而LXRa基因启动子与对照组相比呈现低甲基化状态[23]。对2型糖尿病患者骨骼肌活检标本DNA甲基化的分析结果显示，存在差异性DNAm的基因涉及原发代谢疾病过程和线粒体功能的一些基因[24]。Liu等[25]发现2型糖尿病患者血清中单核细胞趋化蛋白-1(MCP-1)基因启动子出现低甲基化，且与其血清中的浓度相关，这可能和2型糖尿病的动脉粥样硬化发展相关。
2.2 糖尿病及其并发症中的组蛋白PTM
在低糖条件下胰十二指肠同源盒基因(PDX-1)启动子可以招募HDAC1/2，从而导致胰岛素基因的抑制[26]。高糖下PDX-1可以介导β细胞特异性高表达SET7/9，从而调节胰岛素分泌相关基因的表达[27]。肿瘤抑制子p16INK4a的表达过程涉及H3K27三甲基化、H3K4三甲基化，多梳蛋白家族如Bmi-1、H3K27三甲基化，甲基化转移酶Ezh2及其去甲基化酶JMJD3、H3K4三甲基化转移酶MLL等的变化[28]。组蛋白乙酰化也参与胰岛分化，也提示HATs/HDACs在糖尿病中的作用。去乙酰化酶家族成员SIRT1具有HDAC活性，其过表达或活化可以改进胰岛素抵抗，而SIRT1激活剂正考虑用于胰岛素治疗[29]。
在肿瘤坏死因子-α(TNF-α)诱导的单核细胞中和1型糖尿病小鼠来源的巨噬细胞中，炎症基因的升高伴随着其基因启动子H3K4甲基化的升高及组蛋白甲基化转移酶SET7/9的招募增多[30]。利用染色质免疫共沉淀芯片ChIP-on-chip技术发现糖尿病患者来源的原代单核细胞以及高糖处理的THP-1单核细胞中H3K4二甲基化和H3K9二甲基化模式改变[31]。糖尿病小鼠血管平滑肌细胞(vSMC)和体外高糖诱导的vSMC中，LSD1参与炎症相关的基因表达变化的调控[32]。SUV39H1/H2基因的多态性和糖尿病并发症发生有关[33]。
El-Osta等[34]发现短暂高血糖处理原代牛动脉内皮细胞以及非糖尿病小鼠16 h后，NF-κB亚单位p65持续表达升高，并出现p65基因启动子区的SET7的招募和H3K4 me1的升高，持续至恢复血糖后6 d。Brasacchio等[35]利用高血糖体内外模型阐述了p65启动子区的H3K4me1增高，H3K9m2和H3K9m3降低，SET7和LSD1的招募增多，在恢复正常糖环境后此种效应仍然持续。Pirola等[36]发现特定基因的高乙酰化和CpG甲基化，乙酰化和甲基化呈现负相关的关系。Chen等[37]发现高糖下人脐静脉内皮细胞的组蛋白乙酰化转移酶的辅激活酶p300调控基因表达，导致血管活性因子和ECM蛋白上调。在人脐静脉内皮细胞和293A细胞组蛋白脱乙酰酶SIRT1与氧化还原酶p66Shc呈现负相关，p66Shc通过SIRT1的下调可以保护高糖诱导的内皮功能损害[38]。
在DN相关的组蛋白PTM研究中，转化生长因子(TGF)和高糖环境可以诱导大鼠系膜细胞纤维化基因表达，同时伴随着相应基因启动子的H3K4me1/2/3表达升高，H3K9me2/3表达降低，SET7/9表达上调，而靶向SET7/9的基因沉默可以抑制TGF诱导的纤维性基因的表达[39]。有研究证明DNAm和组蛋白PTM可以作为DN的生物标记和治疗靶点[40]。DCM的几个相关基因存在于其他疾病的表观遗传调控中，表明其可能在DCM表观遗传调控中起作用[41]。
2.3 糖尿病中的代谢记忆和表观遗传学
代谢记忆是糖尿病引起的慢性炎症和血管异常等病理生理过程以及糖尿病性损害，在血糖重新得到控制后仍然持续，靶器官损害不可逆而且持续发展[42]。代谢记忆涉及一系列氧化应激相关因子和炎症因子等的持续变化，其与表观遗传修饰的持续存在有关[43]。El-Osta等[34]和Brasacchio等[35]的研究揭示了表观遗传调控在代谢记忆中的参与，DNAm也参与了代谢记忆[44]。
3 DR和表观遗传学
在循环高血糖以及由糖尿病导致的血循环中各种因子改变的作用下，视网膜局部组织产生一系列的病理和生理改变，局部全身的交错作用网络，造成视网膜结构和功能发生损害，从而导致DR。因此，视网膜局部环境的变化可以导致局部组织的表观遗传调控启动。相关的研究初步解释了表观遗传调控在DR及其代谢记忆中的参与作用。基于氧化应激、炎症、缺氧缺血、新生血管等过程和表观遗传机制之间的联系，而这些病理过程都参与了DR的发生发展过程。因此，DR中很有可能存在着更为广泛的表观遗传机制调节。
3.1 DR及其代谢记忆中的表观机制的现有研究
Zhong等[45]发现SOD2表观遗传调节涉及DR发展以及其中的代谢记忆，其启动子和增强子区域存在H4K20me3、H3K9乙酰化，并伴随核因子(NF)-κB p65招募增多，SUV420h2上调，血糖恢复后不能逆转。糖尿病环境下SOD2启动子的H3K4me1和me2减少，组蛋白甲基化相关酶LSD1招募增加，血糖的恢复同样不能逆转这些改变。LSD1的基因沉默可以减少SOD2启动子的H3K4甲基化，并阻断高糖对SOD2基因的下调作用[46]。以上研究表明SOD2在DR中存在广泛的组蛋白修饰调节，而针对相关酶的操纵可以调控SOD2的表达，从而对DR起到表观治疗的作用。和SOD2相似的组蛋白修饰对糖尿病环境下基质金属蛋白酶-9的表达也存在着调控作用[47]。糖尿病大鼠和视网膜内皮细胞中HATs抑制，HDACs活化，H3乙酰化水平下降，高血糖刺激的终止并没有逆转视网膜HDACs和HATs的改变，H3也持续保持异常，提示视网膜H3的总乙酰化在DR和代谢记忆中的作用[48]。线粒体DNA复制相关酶的催化亚基POLG1的启动子CpG岛的DNA甲基化状态和DR中线粒体损伤相关，并和代谢记忆密不可分[44]。
高糖诱导的视网膜血管内皮细胞中，硫氧还原蛋白作用蛋白(TXNIP)所介导的炎症反应涉及具有NF-κB结合位点的环氧合酶(COX-2)启动子区H3K9甲基化和乙酰化[49]。糖尿病通过聚腺苷二磷酸-核糖聚合酶(PARP)和涉及p300、MEF2转录因子的表观机制等参与DR发生发展[50]。
3.2 氧化应激和表观遗传学
DR视网膜的氧化和抗氧化能力严重失调，氧化产物产生过多，抗氧化酶等功能抑制，损害视网膜结构和功能[51]。氧化应激不仅对DR发展代谢记忆现象相关[52]，而且在不同方面影响基因的表观遗传调控模式。
过氧化剂DNA损伤可以影响DNAm的模式，导致基因表达的异常，并且可能对癌症等氧化应激参与的疾病发生发展有影响[53-55]。有研究发现MnSOD的表达下降和癌的增生下降相关，并且其抑制和DNAm基因沉默相关[56]。在鼠淋巴肉瘤和肝癌中可通过启动子特异性DNA甲基化造成基因沉默，而且在癌症中发现NQO1和谷胱甘肽S转移酶GSTP1基因呈现启动子高甲基化导致的基因失活，揭示了主要的抗氧化酶类通过启动子高甲基化引起表达抑制和疾病发生发展的关系[57]。
3.3 炎症和表观遗传学
多种炎症相关介质和细胞因子参与了DR发生发展，涉及巨噬细胞在局部的聚集，小胶质细胞等的活化，内皮细胞、周细胞、Müller细胞应答等[58]。
慢性炎症在慢性胃炎和胃癌中可以使得DNAm增加[59, 60]。健康人的关节软骨细胞生理条件下几乎不表达白介素-1β (IL-1β)，用DNA甲基转移酶抑制剂5-杂氮-2′-脱氧胞苷(5-aza-dC)、IL-1β、TNF-α或抑瘤素M(OSM)处理可以使得其中的IL-1β基因启动子甲基化水平明显下降，从而使得IL-1β表达显著升高[61]。在多种白血病细胞及单核/巨噬细胞中，TNF-α的调节也受到DNA甲基化和组蛋白修饰的调节，提示表观遗传机制参与涉及TNF-α升高的炎症性疾病的发生发展。囊样纤维化支气管上皮中Toll样受体2(TLR2)基因启动子的低甲基化与细菌肽聚糖引起的促炎因子的表达增加相关[62]。肠上皮细胞DNA甲基化和组蛋白乙酰化调节TLR4[63]。在慢性炎症刺激后，与哺乳动物发生和分化相关的PCG和靶向基因调控区域结合后会招募DNMTs，导致DNAm异常，从而实现对基因表达更强的抑制[64]。
在内皮细胞发现氧化的低密度脂蛋白诱导的细胞因子的表达和H3赖氨酸的乙酰化以及磷酸化有关，也和基因启动子的HAT和HDAC招募改变有关[65]。TNF-α诱导的炎症基因表达伴随着基因启动子的H3K4me的升高和SET7/9的招募[30]。IL-1β可以导致COX-2和诱导型一氧化氮合酶(iNOS)启动子区H3K4甲基化、组蛋白甲基化转移酶Set-1A和MLL-1向COX-2、iNOS的招募[66]。推测炎症对表观遗传修饰的影响在糖尿病条件下加强，从而加速糖尿病及其并发症的进程。
Ishii等[67]发现白介素4(IL-4)处理骨髓细胞可以信号转导与转录激活子-6 (STAT6，IL-4通路的一个转录因子)与组蛋白H3K27去甲基化酶Jumonji domain containing 3(JMJD3)结合增多，从而导致JMJD3表达升高，使得选择性活化巨噬细胞(M2型巨噬细胞)的细胞标记基因启动子的H3K27甲基化程度明显降低，最终使得M2巨噬细胞标记表达升高，体内实验亦得到相似结果。从而认为表观调控参与M2性巨噬细胞的分化。
3.4 缺血缺氧和表观遗传学
DR的启动和发展均伴随着缺氧缺血和机体对其的代偿反应，而缺血缺氧过程伴随着基因的表观遗传调控。
Aoi等[68]发现缺氧环境下，IL-1β通过DNAm和组蛋白甲基化的机制，导致MCP-1表达降低。缺氧诱导因子(HIF)在DNA水平的表观遗传修饰可以使得HIF更易于和目标基因结合，从而对目标基因活性产生影响，而且缺氧本身通过调控DNA甲基化相关酶类从而导致DNAm等染色质重塑[69]，如缺氧可以诱导15%～20%的CpG甲基化的减少[70]。慢性缺氧还可以导致基因不依赖于经典的HIF途径的表达改变，此种改变被认为是基因序列的甲基化状态发生改变，同时涉及表观遗传学修饰酶类如DMNTs等的改变。慢性缺氧条件下出现的总体水平的DNAm的改变，而且总体DNAm的升高无HIF-1参与，和DNMT 3b水平上升相关[71]。DR涉及缺血缺氧相关血红素升高，缺氧条件下的红细胞生成素的组织特异性表达和缺氧诱导表达受到5′-UTR的高密度甲基化的调控[72]。缺氧条件可引起一系列的特异性组蛋白修饰从而影响基因的表达。其对VEGF-A、 EGR1、EPO、HMOX1、DAF、ADM和GDF等基因的诱导升高以及对SP-A、AFP、Ccl2、Ccr1和Ccr5等基因的抑制涉及H3乙酰化，H3K4me3、H3K27me3、H3K9me2等的变化[69]。
视网膜缺血可以造成诸多蛋白表达改变、组蛋白成分改变、组蛋白H3的甲基化、H2A泛素化和RING2的泛素化等，可以认为在视网膜缺血中涉及组蛋白和多梳蛋白的表观改变[73]。
目前关于糖尿病及其并发症的表观遗传调控认识尚处于起始阶段，更广泛的表观遗传调控尚待不断深入研究。相关的表观遗传学药物已用于癌症的治疗中。随着糖尿病领域表观机制的不断认识发展，表观机制相关的药物和治疗手段的研发将会是糖尿病及相关并发症靶向治疗领域潜在的具有广阔前景的新方向。
表观遗传机制涉及糖尿病及其并发症的全身和局部特异性病变过程。糖尿病视网膜病变(DR)是糖尿病血管并发症的一个重要组成部分，涉及多种表观机制的调控[1]。与DNA序列的改变所不同的是，许多表观遗传的改变是可逆的，就为疾病的治疗提供了可观的前景[2]。本文就DNA甲基化、组蛋白修饰与DR的关系综述如下。
1 表观遗传学(Epigenetics)
DNA甲基化(DNAm)是重要的表观遗传修饰形式，主要是基因组DNA上的胞嘧啶第5位碳原子和甲基间的共价结合，胞嘧啶由此被修饰为5-甲基胞嘧啶(5mC)。哺乳动物基因组中5mC占胞嘧啶总量的2%～7%，约70%的5mC存在于胞嘧啶(C)与胸腺嘧啶(G)相连的二连核苷(CpG)。在结构基因的5′端调控区域，CpG二连核苷常常以成簇串联形式排列，这种富含CpG二连核苷的区域称为CpG岛，其大小为500～1000碱基对(bp)。启动子区域的CpG岛一般是非甲基化状态的，其非甲基化状态对相关基因的转录是必须的。基因调控元件如启动子的CpG岛中发生5mC修饰会在空间上阻碍转录因子复合物与DNA的结合，因此DNA甲基化一般与基因沉默相关联，非甲基化一般与基因的活化相关联，而去甲基化往往与一个沉默基因的重新激活相关联[1]。真核细胞生物中与DNA甲基化改变相关的甲基化酶有DNA甲基转移酶(DNMTs)和去甲基化酶，前者包括DNMT1(DNA复制过程中)、DNMT3a和DNMT3b(特别是胚胎过程中的DNA甲基化)以及DNMT3L，后者有Tet蛋白等[3]。DNA甲基化相关酶与DNA之间的作用具有一定的特异性，如DNMT3a就具有其特异性甲基化识别位点，其可能的机制是DNA序列本身就是DNA甲基化酶识别的一个信号[4]。
组蛋白翻译后修饰(Histone PTM)是表观遗传研究另一个重要内容。组蛋白的N端是不稳定的、无一定组织的亚单位，其延伸至核小体以外，会受到不同的化学修饰，这种修饰往往与基因的表达调控密切相关。组蛋白修饰包括组蛋白甲基化、组蛋白乙酰化、组蛋白磷酸化和泛素化等。组蛋白甲基化通常发生在组蛋白H3和H4的赖氨酸Lys(K)以及精氨酸Arg(R)残基上，可能与基因抑制和激活相关。通常取决于被修饰的位置和程度，如H3K4甲基化和基因活化相关，H3K9甲基化和基因抑制相关。组蛋白乙酰化一般与活化相关。真核生物中的组蛋白修饰涉及一系列酶类，包括组蛋白甲基化酶(如Set、Suv39h1)、去甲基化酶(如LSD1、JHDM1A、JmjC等)、组蛋白乙酰化酶(HATs)、去乙酰化酶(HDACs)等[5]。调控基因的表观遗传模式的相关酶种类繁多，普遍认为较稳定的组蛋白甲基化修饰随着组蛋白去甲基化酶(LSD1和JmjC等)的新发现而认为其也是一种可逆的过程[6, 7]。
表观遗传调节的几种机制之间可以相互作用于彼此，形成表观遗传调控网络。DNAm可以和组蛋白修饰联合作用从而共同影响基因表达模式，特别是H3K4非甲基化状态以及H3K9甲基化状态的情况下，这种协同作用更明显[8]。协同作用的其一机制可能为某些位点的修饰使得临近位点的DNA结构和某些组蛋白更易受到另一种表观遗传修饰，还可能与组蛋白修饰酶选择性的识别某些特异性结合蛋白有关[9]。
2 糖尿病的表观遗传学
在糖尿病及其并发症的病理过程中，由高血糖为始发因素所引起的一系列病理和生理改变，均可源自和导致多种表观遗传调节的异常。
2.1 糖尿病及其并发症中的DNAm
Rakyan等[10]对患1型糖尿病的15对同卵双生子患者的基因组进行甲基化分析，发现132个CpG位点的差异甲基化。Toperoff等[11]发现DNA甲基化之间的个体差异有可能影响机体对2型糖尿病的易感性，患者的FTO基因的第一个内含子的CpG位点呈现低甲基化，从而认为某些位点的低甲基化是2型糖尿病的早期诊断标记。一系列的研究说明，糖尿病的发生和进展离不开DNAm调控机制[12-19]。
对糖尿病肾病(DN)患者和DN体外细胞模型的研究初步揭示了DN和DNAm的联系[10, 20, 21]。Mönkemann等[22]发现糖尿病心肌病(DCM)的氧化损伤涉及p21基因甲基化。糖尿病鼠模型的心肌中肝X受体LXRa高表达，而LXRa基因启动子与对照组相比呈现低甲基化状态[23]。对2型糖尿病患者骨骼肌活检标本DNA甲基化的分析结果显示，存在差异性DNAm的基因涉及原发代谢疾病过程和线粒体功能的一些基因[24]。Liu等[25]发现2型糖尿病患者血清中单核细胞趋化蛋白-1(MCP-1)基因启动子出现低甲基化，且与其血清中的浓度相关，这可能和2型糖尿病的动脉粥样硬化发展相关。
2.2 糖尿病及其并发症中的组蛋白PTM
在低糖条件下胰十二指肠同源盒基因(PDX-1)启动子可以招募HDAC1/2，从而导致胰岛素基因的抑制[26]。高糖下PDX-1可以介导β细胞特异性高表达SET7/9，从而调节胰岛素分泌相关基因的表达[27]。肿瘤抑制子p16INK4a的表达过程涉及H3K27三甲基化、H3K4三甲基化，多梳蛋白家族如Bmi-1、H3K27三甲基化，甲基化转移酶Ezh2及其去甲基化酶JMJD3、H3K4三甲基化转移酶MLL等的变化[28]。组蛋白乙酰化也参与胰岛分化，也提示HATs/HDACs在糖尿病中的作用。去乙酰化酶家族成员SIRT1具有HDAC活性，其过表达或活化可以改进胰岛素抵抗，而SIRT1激活剂正考虑用于胰岛素治疗[29]。
在肿瘤坏死因子-α(TNF-α)诱导的单核细胞中和1型糖尿病小鼠来源的巨噬细胞中，炎症基因的升高伴随着其基因启动子H3K4甲基化的升高及组蛋白甲基化转移酶SET7/9的招募增多[30]。利用染色质免疫共沉淀芯片ChIP-on-chip技术发现糖尿病患者来源的原代单核细胞以及高糖处理的THP-1单核细胞中H3K4二甲基化和H3K9二甲基化模式改变[31]。糖尿病小鼠血管平滑肌细胞(vSMC)和体外高糖诱导的vSMC中，LSD1参与炎症相关的基因表达变化的调控[32]。SUV39H1/H2基因的多态性和糖尿病并发症发生有关[33]。
El-Osta等[34]发现短暂高血糖处理原代牛动脉内皮细胞以及非糖尿病小鼠16 h后，NF-κB亚单位p65持续表达升高，并出现p65基因启动子区的SET7的招募和H3K4 me1的升高，持续至恢复血糖后6 d。Brasacchio等[35]利用高血糖体内外模型阐述了p65启动子区的H3K4me1增高，H3K9m2和H3K9m3降低，SET7和LSD1的招募增多，在恢复正常糖环境后此种效应仍然持续。Pirola等[36]发现特定基因的高乙酰化和CpG甲基化，乙酰化和甲基化呈现负相关的关系。Chen等[37]发现高糖下人脐静脉内皮细胞的组蛋白乙酰化转移酶的辅激活酶p300调控基因表达，导致血管活性因子和ECM蛋白上调。在人脐静脉内皮细胞和293A细胞组蛋白脱乙酰酶SIRT1与氧化还原酶p66Shc呈现负相关，p66Shc通过SIRT1的下调可以保护高糖诱导的内皮功能损害[38]。
在DN相关的组蛋白PTM研究中，转化生长因子(TGF)和高糖环境可以诱导大鼠系膜细胞纤维化基因表达，同时伴随着相应基因启动子的H3K4me1/2/3表达升高，H3K9me2/3表达降低，SET7/9表达上调，而靶向SET7/9的基因沉默可以抑制TGF诱导的纤维性基因的表达[39]。有研究证明DNAm和组蛋白PTM可以作为DN的生物标记和治疗靶点[40]。DCM的几个相关基因存在于其他疾病的表观遗传调控中，表明其可能在DCM表观遗传调控中起作用[41]。
2.3 糖尿病中的代谢记忆和表观遗传学
代谢记忆是糖尿病引起的慢性炎症和血管异常等病理生理过程以及糖尿病性损害，在血糖重新得到控制后仍然持续，靶器官损害不可逆而且持续发展[42]。代谢记忆涉及一系列氧化应激相关因子和炎症因子等的持续变化，其与表观遗传修饰的持续存在有关[43]。El-Osta等[34]和Brasacchio等[35]的研究揭示了表观遗传调控在代谢记忆中的参与，DNAm也参与了代谢记忆[44]。
3 DR和表观遗传学
在循环高血糖以及由糖尿病导致的血循环中各种因子改变的作用下，视网膜局部组织产生一系列的病理和生理改变，局部全身的交错作用网络，造成视网膜结构和功能发生损害，从而导致DR。因此，视网膜局部环境的变化可以导致局部组织的表观遗传调控启动。相关的研究初步解释了表观遗传调控在DR及其代谢记忆中的参与作用。基于氧化应激、炎症、缺氧缺血、新生血管等过程和表观遗传机制之间的联系，而这些病理过程都参与了DR的发生发展过程。因此，DR中很有可能存在着更为广泛的表观遗传机制调节。
3.1 DR及其代谢记忆中的表观机制的现有研究
Zhong等[45]发现SOD2表观遗传调节涉及DR发展以及其中的代谢记忆，其启动子和增强子区域存在H4K20me3、H3K9乙酰化，并伴随核因子(NF)-κB p65招募增多，SUV420h2上调，血糖恢复后不能逆转。糖尿病环境下SOD2启动子的H3K4me1和me2减少，组蛋白甲基化相关酶LSD1招募增加，血糖的恢复同样不能逆转这些改变。LSD1的基因沉默可以减少SOD2启动子的H3K4甲基化，并阻断高糖对SOD2基因的下调作用[46]。以上研究表明SOD2在DR中存在广泛的组蛋白修饰调节，而针对相关酶的操纵可以调控SOD2的表达，从而对DR起到表观治疗的作用。和SOD2相似的组蛋白修饰对糖尿病环境下基质金属蛋白酶-9的表达也存在着调控作用[47]。糖尿病大鼠和视网膜内皮细胞中HATs抑制，HDACs活化，H3乙酰化水平下降，高血糖刺激的终止并没有逆转视网膜HDACs和HATs的改变，H3也持续保持异常，提示视网膜H3的总乙酰化在DR和代谢记忆中的作用[48]。线粒体DNA复制相关酶的催化亚基POLG1的启动子CpG岛的DNA甲基化状态和DR中线粒体损伤相关，并和代谢记忆密不可分[44]。
高糖诱导的视网膜血管内皮细胞中，硫氧还原蛋白作用蛋白(TXNIP)所介导的炎症反应涉及具有NF-κB结合位点的环氧合酶(COX-2)启动子区H3K9甲基化和乙酰化[49]。糖尿病通过聚腺苷二磷酸-核糖聚合酶(PARP)和涉及p300、MEF2转录因子的表观机制等参与DR发生发展[50]。
3.2 氧化应激和表观遗传学
DR视网膜的氧化和抗氧化能力严重失调，氧化产物产生过多，抗氧化酶等功能抑制，损害视网膜结构和功能[51]。氧化应激不仅对DR发展代谢记忆现象相关[52]，而且在不同方面影响基因的表观遗传调控模式。
过氧化剂DNA损伤可以影响DNAm的模式，导致基因表达的异常，并且可能对癌症等氧化应激参与的疾病发生发展有影响[53-55]。有研究发现MnSOD的表达下降和癌的增生下降相关，并且其抑制和DNAm基因沉默相关[56]。在鼠淋巴肉瘤和肝癌中可通过启动子特异性DNA甲基化造成基因沉默，而且在癌症中发现NQO1和谷胱甘肽S转移酶GSTP1基因呈现启动子高甲基化导致的基因失活，揭示了主要的抗氧化酶类通过启动子高甲基化引起表达抑制和疾病发生发展的关系[57]。
3.3 炎症和表观遗传学
多种炎症相关介质和细胞因子参与了DR发生发展，涉及巨噬细胞在局部的聚集，小胶质细胞等的活化，内皮细胞、周细胞、Müller细胞应答等[58]。
慢性炎症在慢性胃炎和胃癌中可以使得DNAm增加[59, 60]。健康人的关节软骨细胞生理条件下几乎不表达白介素-1β (IL-1β)，用DNA甲基转移酶抑制剂5-杂氮-2′-脱氧胞苷(5-aza-dC)、IL-1β、TNF-α或抑瘤素M(OSM)处理可以使得其中的IL-1β基因启动子甲基化水平明显下降，从而使得IL-1β表达显著升高[61]。在多种白血病细胞及单核/巨噬细胞中，TNF-α的调节也受到DNA甲基化和组蛋白修饰的调节，提示表观遗传机制参与涉及TNF-α升高的炎症性疾病的发生发展。囊样纤维化支气管上皮中Toll样受体2(TLR2)基因启动子的低甲基化与细菌肽聚糖引起的促炎因子的表达增加相关[62]。肠上皮细胞DNA甲基化和组蛋白乙酰化调节TLR4[63]。在慢性炎症刺激后，与哺乳动物发生和分化相关的PCG和靶向基因调控区域结合后会招募DNMTs，导致DNAm异常，从而实现对基因表达更强的抑制[64]。
在内皮细胞发现氧化的低密度脂蛋白诱导的细胞因子的表达和H3赖氨酸的乙酰化以及磷酸化有关，也和基因启动子的HAT和HDAC招募改变有关[65]。TNF-α诱导的炎症基因表达伴随着基因启动子的H3K4me的升高和SET7/9的招募[30]。IL-1β可以导致COX-2和诱导型一氧化氮合酶(iNOS)启动子区H3K4甲基化、组蛋白甲基化转移酶Set-1A和MLL-1向COX-2、iNOS的招募[66]。推测炎症对表观遗传修饰的影响在糖尿病条件下加强，从而加速糖尿病及其并发症的进程。
Ishii等[67]发现白介素4(IL-4)处理骨髓细胞可以信号转导与转录激活子-6 (STAT6，IL-4通路的一个转录因子)与组蛋白H3K27去甲基化酶Jumonji domain containing 3(JMJD3)结合增多，从而导致JMJD3表达升高，使得选择性活化巨噬细胞(M2型巨噬细胞)的细胞标记基因启动子的H3K27甲基化程度明显降低，最终使得M2巨噬细胞标记表达升高，体内实验亦得到相似结果。从而认为表观调控参与M2性巨噬细胞的分化。
3.4 缺血缺氧和表观遗传学
DR的启动和发展均伴随着缺氧缺血和机体对其的代偿反应，而缺血缺氧过程伴随着基因的表观遗传调控。
Aoi等[68]发现缺氧环境下，IL-1β通过DNAm和组蛋白甲基化的机制，导致MCP-1表达降低。缺氧诱导因子(HIF)在DNA水平的表观遗传修饰可以使得HIF更易于和目标基因结合，从而对目标基因活性产生影响，而且缺氧本身通过调控DNA甲基化相关酶类从而导致DNAm等染色质重塑[69]，如缺氧可以诱导15%～20%的CpG甲基化的减少[70]。慢性缺氧还可以导致基因不依赖于经典的HIF途径的表达改变，此种改变被认为是基因序列的甲基化状态发生改变，同时涉及表观遗传学修饰酶类如DMNTs等的改变。慢性缺氧条件下出现的总体水平的DNAm的改变，而且总体DNAm的升高无HIF-1参与，和DNMT 3b水平上升相关[71]。DR涉及缺血缺氧相关血红素升高，缺氧条件下的红细胞生成素的组织特异性表达和缺氧诱导表达受到5′-UTR的高密度甲基化的调控[72]。缺氧条件可引起一系列的特异性组蛋白修饰从而影响基因的表达。其对VEGF-A、 EGR1、EPO、HMOX1、DAF、ADM和GDF等基因的诱导升高以及对SP-A、AFP、Ccl2、Ccr1和Ccr5等基因的抑制涉及H3乙酰化，H3K4me3、H3K27me3、H3K9me2等的变化[69]。
视网膜缺血可以造成诸多蛋白表达改变、组蛋白成分改变、组蛋白H3的甲基化、H2A泛素化和RING2的泛素化等，可以认为在视网膜缺血中涉及组蛋白和多梳蛋白的表观改变[73]。
目前关于糖尿病及其并发症的表观遗传调控认识尚处于起始阶段，更广泛的表观遗传调控尚待不断深入研究。相关的表观遗传学药物已用于癌症的治疗中。随着糖尿病领域表观机制的不断认识发展，表观机制相关的药物和治疗手段的研发将会是糖尿病及相关并发症靶向治疗领域潜在的具有广阔前景的新方向。