基因和环境因素在胚胎发育和代谢病的进展中具有重要作用。宫内高糖对胚胎发育的影响涉及氧化应激、缺氧、凋亡以及表观遗传学改变(如妊娠期糖尿病患者的后代不一定都发病，即使发病其发病的严重程度不一，母代饮食控制可以影响妊娠结局，饮食影响基因调控干预转录模式)。传统遗传学认为基因的遗传性决定基因表达及最终表型。而1940年Waddington最早引入了表观遗传学(epigenetics)的概念来描述基因与环境因素相互作用，认为表观遗传可以作为基因遗传的补充甚至比基因更具备遗传优势，参与发育过程中细胞分化过程的表型调控。

　　一、胰腺胚胎发育

　　胰腺的发育始于胚胎早期，由前肠末端内胚层细胞外翻形成背侧、腹侧两个胰芽，继而胰芽生长、延伸，背侧及腹侧胰芽逐步融合形成胰腺。在胰腺胚胎发育形成过程中，有众多的基因控制胰岛的生长分化，多为转录因子，如Islet-1、Pdx-1、MafA、BETA2(NeuroD)、Nkx 2.2和Pax6等，各转录因子和信号分子在不同阶段、不同位点发挥作用，从而对胰腺的整个发育过程进行准确而复杂的调控。

　　胰腺内分泌发育依赖于一系列的转录因子所形成的调控网络的复杂作用。胰腺形态发生学研究提示转录因子网络能够成功激活特异的祖细胞定向分化。在胰腺内分泌发育过程中，Pdx-1基因编码的Pdx-1蛋白通过特异性结合Ngn3基因上游启动子调控Ngn3阳性细胞中Ngn3基因的表达，Ngn3基因编码的Ngn3蛋白能调控一系列转录因子基因，如NeuroD1、INSM1、Islet-1和INSM2等的表达，这些转录因子基因及其蛋白通过复杂的网络调控胰腺的胰岛发育及其他内分泌部的发育。

　　在调控胰岛分化的诸多基因中，以Pdx-1、MafA和Nkx6.1基因为主要代表，上述基因在胰岛发育过程中发挥重要的作用。

　　Pdx-1又称胰腺十二指肠同源盒基因，对胰腺的早期发育、β细胞分化及功能都发挥重要作用，作用于胰岛素基因增强子区域的反式激活元件A3的主要转录因子，能够促进胰岛素基因的表达。Pdx-1是胰岛发育过程中的主要调控因子，决定胰腺的上皮发育，在胰腺内、外分泌部的增殖分化过程中发挥着关键性的作用。Pdx-1的正常表达与活性是保证β细胞正常功能和完整性的重要条件。在胚胎发育早期，Pdx-1在内分泌细胞和外分泌细胞均有表达，随着胰腺的发育，Pdx-1的表达最终仅局限在胰岛β细胞和δ细胞，成为调控胰岛素和生长抑素基因表达的主要因子。转基因大鼠的基因敲除实验研究表明，表型为Pdx-1-/-的大鼠胰腺缺失，并伴有十二指肠发育异常，出生时伴有高尿糖，并很快死亡;表型为Pdx-1+/-的大鼠，则表现为胰岛β细胞数量减少和成年后出现糖尿病。人类Pdx-1基因缺失的纯合子表型则表现为胰腺的发育不全。Pdx-1基因缺失的大鼠的胰腺发育过程中，胰芽可正常形成，但不能继续生长、延伸，提示了Pdx-1是胰芽生长、延伸不可缺少的因素。

　　MafA是v-maf原癌基因家族一员，特异存在于胰岛β细胞，维持成年胰腺结构和功能稳定。MafA结合于胰岛素基因启动子区的RIPE3b1/C1元件，与Pdx-1共同促进胰岛素基因表达;MafA基因敲除小鼠胰岛发育未受影响，但胰岛细胞不能生成胰岛素，随年龄增长更易发展为糖尿病。MafA是唯一能将内分泌祖细胞最终分化为β细胞的激活因子。

　　Nkx6.1不直接参与胰岛素基因转录起始复合物的组成，但具有促进β细胞分化和形成的作用。

　　此外，Ngn3是内分泌细胞系的特异转录因子，属于碱性螺旋-环-螺旋bHLH转录因子家族成员之一，标记胰腺内分泌祖细胞，决定胰腺内分泌细胞命运。Ngn3及其靶基因突变小鼠内分泌发育受阻，未能检测到胰岛细胞，四种胰岛细胞和内分泌前体细胞在各个阶段都缺失，小鼠在围生期死于糖尿病。Arx和Pax4决定了α/PP和β/δ细胞的定向发育，Pax4在胚胎胰高血糖素阳性细胞的表达增强能诱导其新生并向β细胞表型转化。而Pax4在β细胞中过表达，能预防毒素介导的β细胞损伤。

　　二、表观遗传学机制

　　表观遗传学又称"后遗传学"，是指在不改变DNA序列的前提下，通过某些机制引起可遗传的基因表达或细胞表型的变化，不涉及遗传物质DNA序列的改变，可以通过有丝分裂在细胞间传递，还能通过减数分裂实现代际间传递。表观遗传调控机制包括DNA CpG甲基化、组蛋白翻译后修饰、X染色体印记基因灭活、细胞分化调控、染色质重塑与非编码RNA等。表观遗传学调控机制负责整合机体内的基因信息和外部环境信号，从而改变基因表达以适应环境变化。严格调控的DNA甲基化模式对于正常发育十分重要。DNA组蛋白的表观遗传学修饰与DNA甲基化相互作用，紧密连接于染色体上，可以改变染色质结构促进转录因子与启动子或增强子的结合。非编码RNA能够在转录后水平进行基因表达调控，也被认为是一种表观遗传学修饰，参与T2DM的发生发展。

　　(一)DNA甲基化与胰岛分化

　　最先被发现的DNA甲基化是一种重要的表观遗传调控机制，对基因转录表达调控以及染色体构象十分关键。转录起始区的DNA甲基化参与胰岛的分化。

　　DNA甲基化指在DNA甲基转移酶(DNA methyltransferase，DNMTs)的催化下，胞嘧啶环中C5位被选择性地添加甲基，形成5-甲基胞嘧啶(多位于CpG二核苷酸中)，甲基化后的胞嘧啶抑制转录因子与启动子区域结合或募集蛋白结合至甲基化后的CGs，形成的复合物蛋白进一步募集其他相关蛋白闭合染色质结构，从而抑制转录。DNMTs主要包括DNA甲基转移酶1(DNMT1)和DNA甲基转移酶3A/3B(DNMT3A/3B)。在复制中新生成的子链DNA起初是没有经过甲基化修饰，必须通过DNMT1参照母链DNA甲基化修饰情况，对子链DNA进行正确的甲基化修饰。DNMT3A/3B主要是负责催化CpG位点的从头甲基化。启动子区富含CpG岛的高甲基化通常会导致基因表达的下调。然而有研究表明，在基因内部有些CpG富含区的高DNA甲基化与基因表达成正相关，这也许是通过抑制基因内部的反义RNA或微小RNA的转录，从而解除它们对宿主基因表达的下调作用。

　　转录起始区的DNA甲基化可以调控Pdx-1、MafA和Nkx6.1基因的表达，从而参与β细胞的分化过程。Dhawan等报道大鼠β细胞Dnmt1 DNA甲基转移酶缺失导致Arx转录因子基因抑制，随后转化为α细胞，提示内分泌细胞间相互转化生成β细胞的可行性。Pennarossa等使用DNA甲基转移酶抑制剂将皮肤的成纤维细胞转化为能够表达胰腺转录因子和胰岛素C肽的细胞，从而逆转链脲佐菌素诱发的重症联合免疫缺陷大鼠的糖尿病。由此可见，通过改变人类体细胞转录因子表达情况和染色质修饰状态可能促进其转变为胰岛素分泌细胞。然而，这些转分化细胞与真正的β细胞到底有多相似还不明了。

　　(二)组蛋白修饰

　　组蛋白分为H1、H2A、H2B、H3及H4五种类型，除H1之外，其他四种类型组蛋白各两个分子形成一个八聚体，真核生物中的DNA缠绕在八聚体上形成核小体，是其重要的组成部分。组蛋白修饰包括乙酰化、甲基化、磷酸化和泛素化、类泛素化以及ADP-核糖基化等，单一的组蛋白修饰一般不能发挥作用，只有多个组蛋白通过共价修饰来共同发挥作用。其中组蛋白乙酰化和甲基化研究居多，而且尤为重要。多种蛋白家族参与组蛋白的修饰和去修饰作用，目前已知的成员包括KATs、HDACs、KMTs和KDMs。KATs的作用是在蛋白质赖氨酸残基上共价结合一些乙酰基，HDACs的作用与之相反。KMTs可在赖氨酸残基上添加一到三个甲基，而KDMs负责去甲基化。

　　乙酰化是组蛋白重要的修饰方式之一，多发生于N-末端多个保守的赖氨酸残基上，由许多组蛋白乙酰转移酶(HATs)催化完成，如组蛋白H3和H4上赖氨酸的乙酰化与活化或开放的染色质有关;与此相反，赖氨酸残基在去乙酰化酶(HDACs)的去乙酰作用导致染色质紧缩和基因表达抑制。这两种转移酶与组蛋白结合后的乙酰化反应在真核生物的基因表达中有着重要作用。组蛋白乙酰化、去乙酰化也影响细胞类型。Haumaitre等应用组蛋白去乙酰化酶抑制剂处理培养的大鼠胰腺胚胎，发现Ngn3阳性内分泌细胞增加且β、δ细胞比例增加。

　　组蛋白甲基化是指在甲基转移酶催化作用下，组蛋白N端精氨酸或赖氨酸残基上发生的甲基化。甲基化修饰可使染色体的结构发生变化，也可以通过其他转录因子来调控基因的表达。通常认为，组蛋白的乙酰化能使所在区域的基因起始转录，并增强其表达;而组蛋白的甲基化既可抑制也可增强基因表达。DNA高甲基化状态以及H3K9、H3K27、H4K20位点甲基化与染色质的转录沉默位点相关。反之，DNA低甲基化状态、组蛋白H3K4、H3K36、H3K79甲基化以及组蛋白H3K9乙酰化与染色质的转录活化区域相关。近来研究表明β细胞和非β细胞的表观状况不同，提示转录因子介导的细胞类型转化受染色质修饰的影响。Bramswig等研究明确人类α细胞的表观状况使之比其他类型的胰腺细胞包括β细胞更适合进行转分化。α细胞具有标记的二价组蛋白(例如，活化态的H3K4me3和抑制态的H3K27me3)，特别是β细胞的标记基因如MAFA和Pdx1，提示人类的α细胞表观状况适合进行细胞转分化。

　　(三)microRNA与胰腺发育、胰岛素分泌、胰岛素抵抗密切相关

　　MicroRNA是一类长度约22个核苷酸的内源性非编码小分子单链RNA，通过序列特异性碱基配对与靶基因mRNA的3′非翻译区的位点互补结合，通过直接结合降解或翻译抑制的方式调控基因表达，在进化中的高度保守性以及在生长发育、组织功能的特异性对基因表达调控发挥重要作用。最新研究表明microRNA与胰腺发育、胰岛素分泌、胰岛素抵抗均密切相关，在糖尿病的发病中可能起着必不可少的作用。胰腺的发育过程取决于细胞中一系列基因被持续有序地调控表达。Laird发现胰腺发育过程中，有超过125种microRNAs表达与胰腺发育新生相关，其中miR-124、miR-214及miR-541与小鼠的胰腺发育相关，miR-214在肠管和胰腺中表达无差别;miR-375、miR-7及miR-376与人胰腺发育相关，其中miR-375也与胰岛素的分泌紧密相关。Laird还分析了小鼠胚胎胰组织克隆的microRNA后认为特定的microRNA表达谱是胰腺发育所必需的，敲除与microRNA合成相关的核酸酶RNaseⅢ Dicer可抑制microRNA成熟，从而抑制了胰岛细胞发育相关的转录因子，使得胰岛素生成细胞数量减少。

　　miR-323-3p是一种重要的糖尿病因子，通过抑制AdipoR1/AMPK/SIRT-1通路，调控MIN6细胞的的生长增殖、有丝分裂以及胰岛素分泌。Circular RNAs作为一种新型的非编码RNA，可以调控β细胞活性，与糖尿病状态下β细胞功能失调有关，其中circHIPK3和ciRS-7/CDR1as在db/db糖尿病小鼠胰岛上表达降低，引起胰岛素分泌减少，β细胞新生减少、凋亡增加。miR-335过表达导致胰岛素钙离子依赖性的胞吐功能受损，胰岛素分泌减少。长链非编码RNA(long non-coding RNAs，lncRNAs)与肥胖相关的糖尿病模型上β细胞功能受损有关，其中表达量最大的两种lncRNAs：βlinc2和βlinc3的表达调控均不影响胰岛素分泌，但是可以促进β细胞凋亡。微小RNA(microRNA)106b、222通过促进1型糖尿病模型小鼠β细胞增生改善高血糖状态。

　　1.microRNA参与胰腺前体细胞分化：

　　如miR-18a、miR-145及miR-495在分化前的小鼠胰腺上皮中高表达，在开始分化的胰腺上皮中表达急剧下调，与转录因子Ptfla的表达水平呈负相关。荧光素酶报告基因结果显示，这3种microRNA能够靶向作用于Ptfla 3′-UTR而抑制Ptfla的表达。而Ptfla调控胰腺细胞的分化存在剂量依赖性：低水平的Ptfla促进内分泌分化，高水平的Ptfla抑制内分泌分化而促进外分泌分化。因此，miR-18a、miR-145及miR-495可能通过抑制Ptfla的表达而影响胰腺前体细胞的分化。miR-19b在胰腺前体细胞中高表达，在内分泌前体细胞中表达急剧下降，而在分化细胞中不表达，提示miR-19b参与胰腺前体细胞向内分泌前体细胞的分化。

　　2.microRNA参与内分泌祖细胞分化：

　　对再生胰腺的研究显示，在再生胰腺中检测不到Ngn3蛋白表达，但是Ngn3核酸丰度却很高，提示Ngn3的表达可能存在转录后调节。对283个参与发育的microRNA进行分析后发现，在胰腺发育的不同阶段miR-15a、miR-15b、miR-16和miR-195可通过特异性种子序列"UAGCAGCA"与Ngn3基因转录产物结合，利用特异性抑制剂抑制这些microRNA后，可诱导Ngn3及其下游基因NeuroD和Nkx2.2的表达，而在胰腺发育过程中过表达这些microRNA会导致内分泌细胞数目的减少。以上结果提示，miR-15a、miR-15b、miR-16、miR-195通过转录后修饰调节Ngn3的表达，进而影响内分泌前体细胞的形成。

　　3.microRNA参与β细胞的分化与成熟：

　　在胰岛发育过程中，胰岛特异性microRNAs(miR-7、miR-9、miR-375和miR-376)呈现高表达，而miR-375、miR-7的高表达与胰岛素转录水平增高相一致。miR-375通过调控一系列控制细胞生长与增殖的基因影响胰岛体积(包括α细胞、β细胞)。miR-375参与胰岛发育的调控网络，miR-375调控序列中含有Hnf6、Insm1、Ngn3、NeuroD1、Pdx-1的结合位点，染色体免疫共沉淀结果显示，NeuroD1可以结合miR-375调控序列并调节miR-375的表达。另外，miR-375通过调控下游靶基因Hnf1β和Sox9影响胰岛细胞分化。

　　三、表观遗传学与2型糖尿病(T2DM)

　　近来，全基因组关联研究证实与T2DM相关的基因多态性至少40种以上。越来越多的研究提示表观遗传学机制可能影响T2DM的进展。

　　(一)非遗传因素的表观遗传学调控意义

　　遗传易感性和环境因素引发T2DM的机制之一是表观遗传学对基因表达的调控。一些研究提示环境效应可以引起表观遗传学改变，最终影响与T2DM发生发展相关的重要基因的表达，包括与胰腺发育、β细胞功能、外周血葡萄糖摄取、胰岛素抵抗、以及动脉粥样硬化相关的重要基因。

　　已经证实多种遗传及非遗传危险因素联合作用与T2DM易感性相关。常见的非遗传危险因素有：静坐不动的生活方式、高卡路里饮食、肥胖、缺乏锻炼以及年龄增长等，这些非遗传因素引起的表观遗传学改变包括T2DM在内，可能会遗传给下一代。

　　(二)T2DM候选基因

　　Pdx-1是一类具有同源域的转录因子，在胰腺发育和功能维持中发挥了重要的作用。啮齿类动物宫内发育迟缓会导致子代胰岛Pdx-1表达下降及糖尿病发生。这种Pdx-1表达量降低与Pdx-1位点的表观遗传学修饰的发生发展有关。近来研究表明这些动物新生期应用Exendin-4，一种长效的胰高糖素样肽-1(GLP-1)类似物，可以预防糖尿病发生，原因在于胰岛Pdx-1表达增加及其表观遗传学改变。宫内发育迟缓的啮齿类动物胰岛DNA甲基化全基因组研究进一步提示一些调节β细胞增生、胰岛素分泌以及血管形成的基因发生了表观遗传学改变。另外一个T2DM及MODY的候选基因是Hnf4a。啮齿类动物孕期低蛋白饮食与子代胰岛Hnf4a表达降低及其表观遗传学改变有关。该表型会进展为胰岛素分泌受损及糖尿病。而且，该研究提示Hnf4a的表观遗传学修饰可以调控啮齿类和人类胰岛的组织特异性启动子的表达。

　　四、展望

　　表观遗传学调控机制广泛存在于机体各项生理及病理调节过程，在妊娠期糖尿病胚胎胰腺的发生发育过程有待进一步研究。随着表观遗传学研究的深入，出现了越来越多的表观调控药物。这些潜在的新药，根据其表观遗传学具体的作用机制分类，目前主要研究的是组蛋白乙酰转移酶抑制剂、组蛋白去乙酰化酶抑制剂及其活化剂、miRNA抑制剂等，相信这些药物将会在未来的疾病控制中发挥新的作用。

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