妊娠期糖尿病影响子代发生肥胖的表观遗传学机制研究进展

Advances in the Epigenetic Mechanisms by Which Gestational Diabetes Affects the Development of Obesity in the Offspring

摘要: 妊娠期糖尿病(GDM)患者子宫内高血糖状态被认为是导致子代发生肥胖的重要危险因素之一。GDM对子代肥胖的影响可能起源于胎儿时期，并可能会延续到婴儿早期(0~3个月)，而且有极大的可能会使子代儿童青少年时期及成年时期肥胖的发生风险增加。GDM可通过改变子代早期发育过程中的表观遗传学修饰进而影响个体肥胖的发生发展。对国内外最新的研究进行综合后发现，GDM致子代肥胖的可能的表观遗传调控方式包括DNA甲基化、组蛋白修饰、非编码RNA调控，其中大部分研究主要集中在DNA甲基化。目前，对于GDM患者组蛋白修饰异常及miRNA表达变化是否会导致子代发生肥胖的关系尚未明确。该文对当前GDM影响子代发生肥胖的可能表观遗传学机制进行综述，以期为研究GDM引起子代发生肥胖的机制提供借鉴。

Abstract: The effects of GDM on offspring obesity may originate in the fetal period and may continue into early infancy (0~3 months) and have a high potential to increase the risk of obesity in the offspring during childhood and adolescence and into adulthood. GDM can affect the occurrence and development of individual obesity by changing the epigenetic modification in the early development of offspring. A comprehensive review of recent domestic and international studies revealed that the possible epigenetic modalities of obesity in the offspring of GDM include DNA methylation, histone modifications, and non-coding RNAs, with most of the studies focusing on DNA methylation. The relationship between abnormal histone modifications and changes in miRNA expression in GDM patients leading to the development of obesity in the offspring is not yet clear. This article reviews the current possible epigenetic mechanisms by which GDM affects the development of obesity in the offspring, with the aim of providing insights into the mechanisms by which GDM causes obesity in the offspring.

1. 引言

肥胖是一种慢性代谢性疾病，主要表现为明显的超重，以及体内脂肪过多和(或)分布异常，并且伴有体质指数(Body Mass Index, BMI)的明显升高。肥胖及其引发的慢性疾病如高血压、糖尿病等对人类的生命安全、健康和生存形成了重大的威胁 [1]。“健康与疾病发育起源”假说认为，生命早期即1000 d会对个体一生的健康产生至关重要的影响，从妊娠到出生后2岁是预防慢性疾病的重要窗口期。有研究表明，宫内环境改变会对胎儿的新陈代谢产生影响并可增加子代儿童青少年时期及成年后肥胖的发生风险 [2]。妊娠期糖尿病(Gestational Diabetes Mellitus, GDM)是指妊娠期间发生不同程度的糖代谢异常，但血糖未达到显性糖尿病的水平，占孕期糖尿病的80%~90%，是常见的妊娠期并发症之一，其患者宫内高血糖的环境被认为是增加子代肥胖发生风险的重要危险因素之一 [3]。表观遗传学是基于非基因序列改变所致基因表达水平变化，该变化可以稳定遗传。其在机体早期发育及疾病的代传效应中发挥至关重要的作用。有研究显示，宫内不良环境可通过表观遗传学修饰影响相关基因的表达，进而影响个体出生后对肥胖的易感性 [4]。从表观遗传学的角度出发，肥胖也被认为是一种表观遗传疾病，其发生可能来源于宫内不良环境导致的表观遗传学改变，而表观遗传学的改变通常是可逆的。因此，从生命早期对肥胖发生的表观遗传学机制进行探讨具有十分重要的意义。现就GDM影响子代发生肥胖的相关性及GDM影响子代发生肥胖的表观遗传学机制进行相关综述如下。

2. GDM影响子代发生肥胖的相关性

GDM是指妊娠期间发生不同程度的糖代谢异常，但血糖未达到显性糖尿病的水平，占孕期糖尿病的80%~90%，是常见的妊娠期并发症之一 [5] [6]，在全球范围内，其发病率呈明显增高趋势。随着居民生活水平的提高、三孩政策的施行以及高龄产妇增多等诸多因素，我国GDM的发病率也呈现逐年上升的态势 [7] [8] [9]。调查显示，中国GDM的发病率约为10.1%，受GDM所累妇女超过100万 [10]。GDM被证实与子代肥胖、代谢综合征和胰岛素抵抗等代谢紊乱密切相关。GDM孕妇血糖水平轻度升高(6.5~9.8 mmol/L)，其胎儿可能发生高胰岛素血症或巨大儿 [11]；未控制血糖的GDM孕妇，胎儿过度生长的发生率高达50.0% [12]，提示孕期血糖水平升高是导致巨大儿的敏感因素之一。有关GDM孕妇子代出生后生长发育模式的研究表明，子代在出生后早期的发育呈现快速增长趋势，特别是在出生后第1年内，最初的3个月增长速度最快 [13]，提示GDM孕妇宫内高糖环境对胎儿的影响可能延续到出生后早期。由此可见，GDM对子代肥胖发生的影响起源于胎儿期并延续到婴儿早期(0~3个月)，而婴儿早期体质量增长过快将显著提高成年期肥胖的发生风险 [14]，证实个体生命早期健康状况在成年疾病预防中具有重要的意义。

然而，目前关于GDM与子代肥胖发生风险的流行病学研究结论并不一致，可能与孕妇孕前体质量这一混杂因素有关。美国早期的一项队列研究显示，调整孕前BMI前，GDM孕妇后代9~14岁时超重的发生风险升高(OR = 1.4, 95% CI 1.1~2.0)；但调整孕前BMI后，超重的发生风险下降(OR = 1.2, 95% CI 0.8~1.7) [15]。新近的部分研究也发现，孕妇妊娠期间血糖水平升高，即使不足以诊断为GDM，其子代在5~7岁时患肥胖症的风险仍比血糖正常孕妇子代增加了13%；孕妇确诊患GDM，则子代患肥胖症的风险会增加52%。若孕妇孕前的BMI正常，则孕期血糖水平升高将不再与子代肥胖的发展有关 [16]。有前瞻性队列研究发现，调整孕前BMI、孕期体质量增加等混杂因素后，GDM子代出生体质量增加(β = 0.05, 95%CI 0.01~0.09)，虽然在3岁时超重发生风险没有明显增加(OR = 1.39, 95% CI 0.79~2.43)，但4岁时(OR = 2.09, 95% CI 1.35~3.21)和7岁时(OR = 1.68, 95% CI 1.31~2.16)超重的发生风险均增加 [17]。我国学者的一项研究得出类似结论，GDM组孕妇子代1~2岁和2~5岁时肥胖发生率与非GDM组孕妇相比较低，5~10岁超重率和肥胖率高于非GDM组；调整孕前BMI等混杂因素后，发现GDM可增加子代5~10岁时超重和肥胖的发生风险(OR = 1.85, 95% CI 1.29~2.67) [18]。另外，还有多项研究表明，无论是否对孕前BMI进行调整，GDM均可增加子代儿童青少年期超重或肥胖的发生风险 [19] [20]。根据以上不同种族、年龄、地区的研究结果，我们有理由认为GDM宫内高糖环境是子代儿童青少年时期发生肥胖的独立危险因素。

GDM患者宫内高糖环境可能增加子代终身肥胖的发生风险。研究显示，GDM患者男性子代童年后期、青少年期和成年早期的肥胖发生风险均高于非GDM者子代 [21]。1980年~2019年全球BMI > 25 kg/m²成年人比例从28.8%增加到46.9% [22]，近年来GDM发病率也在持续上升。我们推测成人超重和肥胖发生率升高可能与GDM宫内高糖环境导致子代婴儿早期体质量增长过快或儿童青少年时期肥胖发生风险增加有关，但GDM患者宫内高糖环境引发子代发生肥胖的机制尚未完全阐明。

3. GDM影响子代发生肥胖可能的表观遗传学机制

表观遗传学指在DNA序列不发生改变的情况下基因表达发生的可遗传改变，以及这种改变通过有丝分裂和减数分裂过程遗传给子代的生物现象。表观遗传学调控基因表达的方式主要包括：DNA甲基化、组蛋白修饰、染色质重塑、X染色体失活、基因组印记、非编码RNA调控等。表观遗传比较容易受到各种环境因素的影响，特别是早期发育时DNA甲基化对宫内环境变化十分敏感 [23]。GDM患者宫内高糖环境暴露可能通过启动“胎儿程序化”来改变编程，引起胎儿表观遗传改变，进而导致子代发生肥胖 [24] [25]。一般情况下，遗传基因的改变是不可逆的，但表观遗传修饰的改变是可逆的。目前国内外的研究发现，GDM引发子代肥胖可能的表观遗传调控方式主要包括DNA甲基化、组蛋白修饰、非编码RNA调控，其中大多数研究主要集中在DNA甲基化。

3.1. DNA甲基化

DNA甲基化指在DNA甲基化转移酶(DNMTs)的催化作用下，使S-腺苷甲硫氨酸上的甲基转移到基因组鸟苷酸(CpG)二核苷酸胞嘧啶第5个碳原子上，形成5-甲基胞嘧啶(5-mC)。GDM患者宫内高糖环境可能通过改变与肥胖相关的基因甲基化水平影响子代健康 [24] [25]。在GDM孕妇与非GDM孕妇胎盘组织三个候选基因的研究中发现，母亲血糖水平升高与胎盘组织瘦素基因启动子区的高甲基化(母体侧)或低甲基化(胎儿侧)、脂联素基因启动子区的低甲基化及脂蛋白酶基因启动子区的低甲基化相关 [26]。随后也有一些研究发现，GDM可引起脐带血、胎盘绒毛膜组织中诸多基因如H19、MEST、PEG3、SNRPN、LEP等出现甲基化修饰异常 [27]，这些代谢相关基因的甲基化修饰异常会引起基因表达变化，从而导致子代相关代谢功能异常。多项研究发现，许多在GDM组与非GDM组胎盘和脐带血甲基化差异改变的基因，如RBP4、GLUT3、PPARα等 [28]，以上结果均为孕期高糖环境、“胎儿程序化”和子代代谢异常间的潜在关联提供了依据，但并未直接发现，这些基因甲基化改变与GDM子代肥胖的关系。

印记基因是源自某一亲本的等位基因或它所在染色体发生了表观遗传修饰，导致不同亲本来源的两个等位基因在子代细胞中表达不同。差异甲基化是基因组印记形成的重要机制。印记基因甲基化水平的微观变化会导致基因组印记完全丢失，不仅影响胚胎发育且可诱发出生后的发育异常。有部分学者对GDM组和非GDM组脐带血、胎盘组织样品中与“代谢程序化”有关的7个印记基因的甲基化水平进行了检测，包括父源性的H19、MEG3和母源性的LIT1、MEST、NESPAS、PEG3和SNRPN，它们在调节人类胎儿和胎盘生长、体细胞分化及神经、行为功能方面有着十分重要的作用 [27] [29]。研究结果发现，GDM组脐带血和胎盘组织中母源性印记基因MEST甲基化水平均明显低于非GDM组；而与正常体质量的成年人相比，病态肥胖的成年人血中MEST甲基化水平也明显降低 [27]，据此认为GDM患者宫内高血糖引起子代肥胖可能与印记基因MEST甲基化修饰异常有关。印记基因IGF2和H19可以参与胎儿生长和发育的调节，宫内高糖环境的暴露可改变脐带血中IGF2和H19甲基化水平来影响新生儿体质量，这可能是导致巨大儿的发生机制之一 [27]。该研究结果为GDM与子代肥胖的表观遗传学机制提供了直接的证据。然而，胚胎早期诱导的印记基因甲基化异常可以跨代遗传，因此，GDM患者宫内高糖环境对胎儿基因甲基化水平的影响及增加子代肥胖的风险尚需更多的研究结果证实。

3.2. 组蛋白修饰

组蛋白修饰主要包括乙酰化、甲基化、磷酸化、泛素化等翻译后修饰，通常发生在H2A、H2B、H3和H4组蛋白的游离氨基端。组蛋白乙酰化主要由组蛋白乙酰转移酶(HAT)和组蛋白去乙酰化酶(HDAC)协调催化完成，是最常见的组蛋白修饰形式之一。组蛋白甲基化修饰主要由组蛋白甲基转移酶(HMT)催化完成。目前关于GDM对组蛋白修饰的影响及其与子代肥胖关系的研究较少。已有动物研究发现，妊娠期高血糖环境可能降低大鼠子代肝脏组织中IGF-1的H3k36三甲基化(H3Me3K36)水平，使子代出现胰岛素抵抗 [30]。人群研究报道，GDM患者组蛋白H3K27和H3K4甲基化水平降低与患者产后发展成为2型糖尿病有关 [31]。

3.3. 非编码RNA调控

非编码RNA是一类基因转录过程中不编码蛋白质的RNA总称，包括miRNA、lncRNA、snRNA、siRNA、snoRNA等。研究发现miRNA和lncRNA在细胞增殖、器官形成和个体发育等生物学过程中发挥着重要作用，也参与诸多疾病发生发展的调控。miRNA是一类长度为21~25个碱基的非编码单链小分子RNA，它在转录后水平通过与靶mRNAs分子的3’端非编码区互补匹配，直接降解靶序列或抑制其翻译发挥调控作用。有研究报道，GDM组和对照组胎盘组织中miR-508-3p表达上调，miR-27a、miR-9、miR-137、miR-92a、miR-33a、miR-30d、miR-362-5p和miR-502-5p表达下调，这些miRNA的表达改变可能通过EGFR/PI3K/Akt通路增加巨大儿的发生风险 [32]。大量国外研究发现GDM患者胎盘组织或血样中miR-19a、miR-19b、miR-16、miR-20a和miR-17等的表达水平发生变化，同时发现这些miRNA可以通过不同机制参与GDM的发生发展 [33]。

4. 小结及展望

综上所述，GDM患者宫内高糖环境增加子代肥胖的发生风险已经得到了相关流行病学支持。表观遗传，特别是DNA甲基化对胚胎发育早期宫内环境变化十分敏感，宫内高糖环境引起DNA甲基化的改变已得到诸多研究的一致认可。表观遗传在GDM引起子代肥胖的作用机制尚需进一步追踪研究。印记基因在早期胚胎发育中发挥重要的作用，GDM患者宫内高糖环境对印记基因的甲基化有深刻而持久的影响，GDM引起子代肥胖的风险增加是否会随印记基因甲基化异常代传导致人群肥胖发生率持续上升值得进行深入研究。研究GDM引起子代肥胖的机制，对从生命早期寻找肥胖发生根源进而提出有效防治措施具有十分重要的意义。