遺傳和環境因素均參與糖尿病及其并發癥的病理過程, 表觀遺傳調控在其中的作用也日漸明確。糖尿病及其并發癥中的主要病理過程如高血糖、氧化應激、炎癥等均會導致表觀遺傳調控的異常, 從而影響染色質結構和基因表達, 而這些染色質表觀遺傳修飾的持續存在和糖尿病相關的代謝記憶現象相聯系。表現機制相關的藥物和治療手段的研發或將成為糖尿病及相關并發癥靶向治療的新方面。
引用本文： 謝滿云, 唐仕波. 表觀遺傳調控在糖尿病視網膜病變中的研究進展. 中華眼底病雜志, 2014, 30(2): 212-216. doi: 10.3760/cma.j.issn.1005-1015.2014.02.027 復制
表觀遺傳機制涉及糖尿病及其并發癥的全身和局部特異性病變過程。糖尿病視網膜病變(DR)是糖尿病血管并發癥的一個重要組成部分，涉及多種表觀機制的調控[1]。與DNA序列的改變所不同的是，許多表觀遺傳的改變是可逆的，就為疾病的治療提供了可觀的前景[2]。本文就DNA甲基化、組蛋白修飾與DR的關系綜述如下。
1 表觀遺傳學(Epigenetics)
DNA甲基化(DNAm)是重要的表觀遺傳修飾形式，主要是基因組DNA上的胞嘧啶第5位碳原子和甲基間的共價結合，胞嘧啶由此被修飾為5-甲基胞嘧啶(5mC)。哺乳動物基因組中5mC占胞嘧啶總量的2%～7%，約70%的5mC存在于胞嘧啶(C)與胸腺嘧啶(G)相連的二連核苷(CpG)。在結構基因的5′端調控區域，CpG二連核苷常常以成簇串聯形式排列，這種富含CpG二連核苷的區域稱為CpG島，其大小為500～1000堿基對(bp)。啟動子區域的CpG島一般是非甲基化狀態的，其非甲基化狀態對相關基因的轉錄是必須的。基因調控元件如啟動子的CpG島中發生5mC修飾會在空間上阻礙轉錄因子復合物與DNA的結合，因此DNA甲基化一般與基因沉默相關聯，非甲基化一般與基因的活化相關聯，而去甲基化往往與一個沉默基因的重新激活相關聯[1]。真核細胞生物中與DNA甲基化改變相關的甲基化酶有DNA甲基轉移酶(DNMTs)和去甲基化酶，前者包括DNMT1(DNA復制過程中)、DNMT3a和DNMT3b(特別是胚胎過程中的DNA甲基化)以及DNMT3L，后者有Tet蛋白等[3]。DNA甲基化相關酶與DNA之間的作用具有一定的特異性，如DNMT3a就具有其特異性甲基化識別位點，其可能的機制是DNA序列本身就是DNA甲基化酶識別的一個信號[4]。
組蛋白翻譯后修飾(Histone PTM)是表觀遺傳研究另一個重要內容。組蛋白的N端是不穩定的、無一定組織的亞單位，其延伸至核小體以外，會受到不同的化學修飾，這種修飾往往與基因的表達調控密切相關。組蛋白修飾包括組蛋白甲基化、組蛋白乙酰化、組蛋白磷酸化和泛素化等。組蛋白甲基化通常發生在組蛋白H3和H4的賴氨酸Lys(K)以及精氨酸Arg(R)殘基上，可能與基因抑制和激活相關。通常取決于被修飾的位置和程度，如H3K4甲基化和基因活化相關，H3K9甲基化和基因抑制相關。組蛋白乙酰化一般與活化相關。真核生物中的組蛋白修飾涉及一系列酶類，包括組蛋白甲基化酶(如Set、Suv39h1)、去甲基化酶(如LSD1、JHDM1A、JmjC等)、組蛋白乙酰化酶(HATs)、去乙酰化酶(HDACs)等[5]。調控基因的表觀遺傳模式的相關酶種類繁多，普遍認為較穩定的組蛋白甲基化修飾隨著組蛋白去甲基化酶(LSD1和JmjC等)的新發現而認為其也是一種可逆的過程[6, 7]。
表觀遺傳調節的幾種機制之間可以相互作用于彼此，形成表觀遺傳調控網絡。DNAm可以和組蛋白修飾聯合作用從而共同影響基因表達模式，特別是H3K4非甲基化狀態以及H3K9甲基化狀態的情況下，這種協同作用更明顯[8]。協同作用的其一機制可能為某些位點的修飾使得臨近位點的DNA結構和某些組蛋白更易受到另一種表觀遺傳修飾，還可能與組蛋白修飾酶選擇性的識別某些特異性結合蛋白有關[9]。
2 糖尿病的表觀遺傳學
在糖尿病及其并發癥的病理過程中，由高血糖為始發因素所引起的一系列病理和生理改變，均可源自和導致多種表觀遺傳調節的異常。
2.1 糖尿病及其并發癥中的DNAm
Rakyan等[10]對患1型糖尿病的15對同卵雙生子患者的基因組進行甲基化分析，發現132個CpG位點的差異甲基化。Toperoff等[11]發現DNA甲基化之間的個體差異有可能影響機體對2型糖尿病的易感性，患者的FTO基因的第一個內含子的CpG位點呈現低甲基化，從而認為某些位點的低甲基化是2型糖尿病的早期診斷標記。一系列的研究說明，糖尿病的發生和進展離不開DNAm調控機制[12-19]。
對糖尿病腎病(DN)患者和DN體外細胞模型的研究初步揭示了DN和DNAm的聯系[10, 20, 21]。M?nkemann等[22]發現糖尿病心肌病(DCM)的氧化損傷涉及p21基因甲基化。糖尿病鼠模型的心肌中肝X受體LXRa高表達，而LXRa基因啟動子與對照組相比呈現低甲基化狀態[23]。對2型糖尿病患者骨骼肌活檢標本DNA甲基化的分析結果顯示，存在差異性DNAm的基因涉及原發代謝疾病過程和線粒體功能的一些基因[24]。Liu等[25]發現2型糖尿病患者血清中單核細胞趨化蛋白-1(MCP-1)基因啟動子出現低甲基化，且與其血清中的濃度相關，這可能和2型糖尿病的動脈粥樣硬化發展相關。
2.2 糖尿病及其并發癥中的組蛋白PTM
在低糖條件下胰十二指腸同源盒基因(PDX-1)啟動子可以招募HDAC1/2，從而導致胰島素基因的抑制[26]。高糖下PDX-1可以介導β細胞特異性高表達SET7/9，從而調節胰島素分泌相關基因的表達[27]。腫瘤抑制子p16INK4a的表達過程涉及H3K27三甲基化、H3K4三甲基化，多梳蛋白家族如Bmi-1、H3K27三甲基化，甲基化轉移酶Ezh2及其去甲基化酶JMJD3、H3K4三甲基化轉移酶MLL等的變化[28]。組蛋白乙酰化也參與胰島分化，也提示HATs/HDACs在糖尿病中的作用。去乙酰化酶家族成員SIRT1具有HDAC活性，其過表達或活化可以改進胰島素抵抗，而SIRT1激活劑正考慮用于胰島素治療[29]。
在腫瘤壞死因子-α(TNF-α)誘導的單核細胞中和1型糖尿病小鼠來源的巨噬細胞中，炎癥基因的升高伴隨著其基因啟動子H3K4甲基化的升高及組蛋白甲基化轉移酶SET7/9的招募增多[30]。利用染色質免疫共沉淀芯片ChIP-on-chip技術發現糖尿病患者來源的原代單核細胞以及高糖處理的THP-1單核細胞中H3K4二甲基化和H3K9二甲基化模式改變[31]。糖尿病小鼠血管平滑肌細胞(vSMC)和體外高糖誘導的vSMC中，LSD1參與炎癥相關的基因表達變化的調控[32]。SUV39H1/H2基因的多態性和糖尿病并發癥發生有關[33]。
El-Osta等[34]發現短暫高血糖處理原代牛動脈內皮細胞以及非糖尿病小鼠16 h后，NF-κB亞單位p65持續表達升高，并出現p65基因啟動子區的SET7的招募和H3K4 me1的升高，持續至恢復血糖后6 d。Brasacchio等[35]利用高血糖體內外模型闡述了p65啟動子區的H3K4me1增高，H3K9m2和H3K9m3降低，SET7和LSD1的招募增多，在恢復正常糖環境后此種效應仍然持續。Pirola等[36]發現特定基因的高乙酰化和CpG甲基化，乙酰化和甲基化呈現負相關的關系。Chen等[37]發現高糖下人臍靜脈內皮細胞的組蛋白乙酰化轉移酶的輔激活酶p300調控基因表達，導致血管活性因子和ECM蛋白上調。在人臍靜脈內皮細胞和293A細胞組蛋白脫乙酰酶SIRT1與氧化還原酶p66Shc呈現負相關，p66Shc通過SIRT1的下調可以保護高糖誘導的內皮功能損害[38]。
在DN相關的組蛋白PTM研究中，轉化生長因子(TGF)和高糖環境可以誘導大鼠系膜細胞纖維化基因表達，同時伴隨著相應基因啟動子的H3K4me1/2/3表達升高，H3K9me2/3表達降低，SET7/9表達上調，而靶向SET7/9的基因沉默可以抑制TGF誘導的纖維性基因的表達[39]。有研究證明DNAm和組蛋白PTM可以作為DN的生物標記和治療靶點[40]。DCM的幾個相關基因存在于其他疾病的表觀遺傳調控中，表明其可能在DCM表觀遺傳調控中起作用[41]。
2.3 糖尿病中的代謝記憶和表觀遺傳學
代謝記憶是糖尿病引起的慢性炎癥和血管異常等病理生理過程以及糖尿病性損害，在血糖重新得到控制后仍然持續，靶器官損害不可逆而且持續發展[42]。代謝記憶涉及一系列氧化應激相關因子和炎癥因子等的持續變化，其與表觀遺傳修飾的持續存在有關[43]。El-Osta等[34]和Brasacchio等[35]的研究揭示了表觀遺傳調控在代謝記憶中的參與，DNAm也參與了代謝記憶[44]。
3 DR和表觀遺傳學
在循環高血糖以及由糖尿病導致的血循環中各種因子改變的作用下，視網膜局部組織產生一系列的病理和生理改變，局部全身的交錯作用網絡，造成視網膜結構和功能發生損害，從而導致DR。因此，視網膜局部環境的變化可以導致局部組織的表觀遺傳調控啟動。相關的研究初步解釋了表觀遺傳調控在DR及其代謝記憶中的參與作用。基于氧化應激、炎癥、缺氧缺血、新生血管等過程和表觀遺傳機制之間的聯系，而這些病理過程都參與了DR的發生發展過程。因此，DR中很有可能存在著更為廣泛的表觀遺傳機制調節。
3.1 DR及其代謝記憶中的表觀機制的現有研究
Zhong等[45]發現SOD2表觀遺傳調節涉及DR發展以及其中的代謝記憶，其啟動子和增強子區域存在H4K20me3、H3K9乙酰化，并伴隨核因子(NF)-κB p65招募增多，SUV420h2上調，血糖恢復后不能逆轉。糖尿病環境下SOD2啟動子的H3K4me1和me2減少，組蛋白甲基化相關酶LSD1招募增加，血糖的恢復同樣不能逆轉這些改變。LSD1的基因沉默可以減少SOD2啟動子的H3K4甲基化，并阻斷高糖對SOD2基因的下調作用[46]。以上研究表明SOD2在DR中存在廣泛的組蛋白修飾調節，而針對相關酶的操縱可以調控SOD2的表達，從而對DR起到表觀治療的作用。和SOD2相似的組蛋白修飾對糖尿病環境下基質金屬蛋白酶-9的表達也存在著調控作用[47]。糖尿病大鼠和視網膜內皮細胞中HATs抑制，HDACs活化，H3乙酰化水平下降，高血糖刺激的終止并沒有逆轉視網膜HDACs和HATs的改變，H3也持續保持異常，提示視網膜H3的總乙酰化在DR和代謝記憶中的作用[48]。線粒體DNA復制相關酶的催化亞基POLG1的啟動子CpG島的DNA甲基化狀態和DR中線粒體損傷相關，并和代謝記憶密不可分[44]。
高糖誘導的視網膜血管內皮細胞中，硫氧還原蛋白作用蛋白(TXNIP)所介導的炎癥反應涉及具有NF-κB結合位點的環氧合酶(COX-2)啟動子區H3K9甲基化和乙酰化[49]。糖尿病通過聚腺苷二磷酸-核糖聚合酶(PARP)和涉及p300、MEF2轉錄因子的表觀機制等參與DR發生發展[50]。
3.2 氧化應激和表觀遺傳學
DR視網膜的氧化和抗氧化能力嚴重失調，氧化產物產生過多，抗氧化酶等功能抑制，損害視網膜結構和功能[51]。氧化應激不僅對DR發展代謝記憶現象相關[52]，而且在不同方面影響基因的表觀遺傳調控模式。
過氧化劑DNA損傷可以影響DNAm的模式，導致基因表達的異常，并且可能對癌癥等氧化應激參與的疾病發生發展有影響[53-55]。有研究發現MnSOD的表達下降和癌的增生下降相關，并且其抑制和DNAm基因沉默相關[56]。在鼠淋巴肉瘤和肝癌中可通過啟動子特異性DNA甲基化造成基因沉默，而且在癌癥中發現NQO1和谷胱甘肽S轉移酶GSTP1基因呈現啟動子高甲基化導致的基因失活，揭示了主要的抗氧化酶類通過啟動子高甲基化引起表達抑制和疾病發生發展的關系[57]。
3.3 炎癥和表觀遺傳學
多種炎癥相關介質和細胞因子參與了DR發生發展，涉及巨噬細胞在局部的聚集，小膠質細胞等的活化，內皮細胞、周細胞、Müller細胞應答等[58]。
慢性炎癥在慢性胃炎和胃癌中可以使得DNAm增加[59, 60]。健康人的關節軟骨細胞生理條件下幾乎不表達白介素-1β (IL-1β)，用DNA甲基轉移酶抑制劑5-雜氮-2′-脫氧胞苷(5-aza-dC)、IL-1β、TNF-α或抑瘤素M(OSM)處理可以使得其中的IL-1β基因啟動子甲基化水平明顯下降，從而使得IL-1β表達顯著升高[61]。在多種白血病細胞及單核/巨噬細胞中，TNF-α的調節也受到DNA甲基化和組蛋白修飾的調節，提示表觀遺傳機制參與涉及TNF-α升高的炎癥性疾病的發生發展。囊樣纖維化支氣管上皮中Toll樣受體2(TLR2)基因啟動子的低甲基化與細菌肽聚糖引起的促炎因子的表達增加相關[62]。腸上皮細胞DNA甲基化和組蛋白乙酰化調節TLR4[63]。在慢性炎癥刺激后，與哺乳動物發生和分化相關的PCG和靶向基因調控區域結合后會招募DNMTs，導致DNAm異常，從而實現對基因表達更強的抑制[64]。
在內皮細胞發現氧化的低密度脂蛋白誘導的細胞因子的表達和H3賴氨酸的乙酰化以及磷酸化有關，也和基因啟動子的HAT和HDAC招募改變有關[65]。TNF-α誘導的炎癥基因表達伴隨著基因啟動子的H3K4me的升高和SET7/9的招募[30]。IL-1β可以導致COX-2和誘導型一氧化氮合酶(iNOS)啟動子區H3K4甲基化、組蛋白甲基化轉移酶Set-1A和MLL-1向COX-2、iNOS的招募[66]。推測炎癥對表觀遺傳修飾的影響在糖尿病條件下加強，從而加速糖尿病及其并發癥的進程。
Ishii等[67]發現白介素4(IL-4)處理骨髓細胞可以信號轉導與轉錄激活子-6 (STAT6，IL-4通路的一個轉錄因子)與組蛋白H3K27去甲基化酶Jumonji domain containing 3(JMJD3)結合增多，從而導致JMJD3表達升高，使得選擇性活化巨噬細胞(M2型巨噬細胞)的細胞標記基因啟動子的H3K27甲基化程度明顯降低，最終使得M2巨噬細胞標記表達升高，體內實驗亦得到相似結果。從而認為表觀調控參與M2性巨噬細胞的分化。
3.4 缺血缺氧和表觀遺傳學
DR的啟動和發展均伴隨著缺氧缺血和機體對其的代償反應，而缺血缺氧過程伴隨著基因的表觀遺傳調控。
Aoi等[68]發現缺氧環境下，IL-1β通過DNAm和組蛋白甲基化的機制，導致MCP-1表達降低。缺氧誘導因子(HIF)在DNA水平的表觀遺傳修飾可以使得HIF更易于和目標基因結合，從而對目標基因活性產生影響，而且缺氧本身通過調控DNA甲基化相關酶類從而導致DNAm等染色質重塑[69]，如缺氧可以誘導15%～20%的CpG甲基化的減少[70]。慢性缺氧還可以導致基因不依賴于經典的HIF途徑的表達改變，此種改變被認為是基因序列的甲基化狀態發生改變，同時涉及表觀遺傳學修飾酶類如DMNTs等的改變。慢性缺氧條件下出現的總體水平的DNAm的改變，而且總體DNAm的升高無HIF-1參與，和DNMT 3b水平上升相關[71]。DR涉及缺血缺氧相關血紅素升高，缺氧條件下的紅細胞生成素的組織特異性表達和缺氧誘導表達受到5′-UTR的高密度甲基化的調控[72]。缺氧條件可引起一系列的特異性組蛋白修飾從而影響基因的表達。其對VEGF-A、 EGR1、EPO、HMOX1、DAF、ADM和GDF等基因的誘導升高以及對SP-A、AFP、Ccl2、Ccr1和Ccr5等基因的抑制涉及H3乙酰化，H3K4me3、H3K27me3、H3K9me2等的變化[69]。
視網膜缺血可以造成諸多蛋白表達改變、組蛋白成分改變、組蛋白H3的甲基化、H2A泛素化和RING2的泛素化等，可以認為在視網膜缺血中涉及組蛋白和多梳蛋白的表觀改變[73]。
目前關于糖尿病及其并發癥的表觀遺傳調控認識尚處于起始階段，更廣泛的表觀遺傳調控尚待不斷深入研究。相關的表觀遺傳學藥物已用于癌癥的治療中。隨著糖尿病領域表觀機制的不斷認識發展，表觀機制相關的藥物和治療手段的研發將會是糖尿病及相關并發癥靶向治療領域潛在的具有廣闊前景的新方向。
表觀遺傳機制涉及糖尿病及其并發癥的全身和局部特異性病變過程。糖尿病視網膜病變(DR)是糖尿病血管并發癥的一個重要組成部分，涉及多種表觀機制的調控[1]。與DNA序列的改變所不同的是，許多表觀遺傳的改變是可逆的，就為疾病的治療提供了可觀的前景[2]。本文就DNA甲基化、組蛋白修飾與DR的關系綜述如下。
1 表觀遺傳學(Epigenetics)
DNA甲基化(DNAm)是重要的表觀遺傳修飾形式，主要是基因組DNA上的胞嘧啶第5位碳原子和甲基間的共價結合，胞嘧啶由此被修飾為5-甲基胞嘧啶(5mC)。哺乳動物基因組中5mC占胞嘧啶總量的2%～7%，約70%的5mC存在于胞嘧啶(C)與胸腺嘧啶(G)相連的二連核苷(CpG)。在結構基因的5′端調控區域，CpG二連核苷常常以成簇串聯形式排列，這種富含CpG二連核苷的區域稱為CpG島，其大小為500～1000堿基對(bp)。啟動子區域的CpG島一般是非甲基化狀態的，其非甲基化狀態對相關基因的轉錄是必須的。基因調控元件如啟動子的CpG島中發生5mC修飾會在空間上阻礙轉錄因子復合物與DNA的結合，因此DNA甲基化一般與基因沉默相關聯，非甲基化一般與基因的活化相關聯，而去甲基化往往與一個沉默基因的重新激活相關聯[1]。真核細胞生物中與DNA甲基化改變相關的甲基化酶有DNA甲基轉移酶(DNMTs)和去甲基化酶，前者包括DNMT1(DNA復制過程中)、DNMT3a和DNMT3b(特別是胚胎過程中的DNA甲基化)以及DNMT3L，后者有Tet蛋白等[3]。DNA甲基化相關酶與DNA之間的作用具有一定的特異性，如DNMT3a就具有其特異性甲基化識別位點，其可能的機制是DNA序列本身就是DNA甲基化酶識別的一個信號[4]。
組蛋白翻譯后修飾(Histone PTM)是表觀遺傳研究另一個重要內容。組蛋白的N端是不穩定的、無一定組織的亞單位，其延伸至核小體以外，會受到不同的化學修飾，這種修飾往往與基因的表達調控密切相關。組蛋白修飾包括組蛋白甲基化、組蛋白乙酰化、組蛋白磷酸化和泛素化等。組蛋白甲基化通常發生在組蛋白H3和H4的賴氨酸Lys(K)以及精氨酸Arg(R)殘基上，可能與基因抑制和激活相關。通常取決于被修飾的位置和程度，如H3K4甲基化和基因活化相關，H3K9甲基化和基因抑制相關。組蛋白乙酰化一般與活化相關。真核生物中的組蛋白修飾涉及一系列酶類，包括組蛋白甲基化酶(如Set、Suv39h1)、去甲基化酶(如LSD1、JHDM1A、JmjC等)、組蛋白乙酰化酶(HATs)、去乙酰化酶(HDACs)等[5]。調控基因的表觀遺傳模式的相關酶種類繁多，普遍認為較穩定的組蛋白甲基化修飾隨著組蛋白去甲基化酶(LSD1和JmjC等)的新發現而認為其也是一種可逆的過程[6, 7]。
表觀遺傳調節的幾種機制之間可以相互作用于彼此，形成表觀遺傳調控網絡。DNAm可以和組蛋白修飾聯合作用從而共同影響基因表達模式，特別是H3K4非甲基化狀態以及H3K9甲基化狀態的情況下，這種協同作用更明顯[8]。協同作用的其一機制可能為某些位點的修飾使得臨近位點的DNA結構和某些組蛋白更易受到另一種表觀遺傳修飾，還可能與組蛋白修飾酶選擇性的識別某些特異性結合蛋白有關[9]。
2 糖尿病的表觀遺傳學
在糖尿病及其并發癥的病理過程中，由高血糖為始發因素所引起的一系列病理和生理改變，均可源自和導致多種表觀遺傳調節的異常。
2.1 糖尿病及其并發癥中的DNAm
Rakyan等[10]對患1型糖尿病的15對同卵雙生子患者的基因組進行甲基化分析，發現132個CpG位點的差異甲基化。Toperoff等[11]發現DNA甲基化之間的個體差異有可能影響機體對2型糖尿病的易感性，患者的FTO基因的第一個內含子的CpG位點呈現低甲基化，從而認為某些位點的低甲基化是2型糖尿病的早期診斷標記。一系列的研究說明，糖尿病的發生和進展離不開DNAm調控機制[12-19]。
對糖尿病腎病(DN)患者和DN體外細胞模型的研究初步揭示了DN和DNAm的聯系[10, 20, 21]。M?nkemann等[22]發現糖尿病心肌病(DCM)的氧化損傷涉及p21基因甲基化。糖尿病鼠模型的心肌中肝X受體LXRa高表達，而LXRa基因啟動子與對照組相比呈現低甲基化狀態[23]。對2型糖尿病患者骨骼肌活檢標本DNA甲基化的分析結果顯示，存在差異性DNAm的基因涉及原發代謝疾病過程和線粒體功能的一些基因[24]。Liu等[25]發現2型糖尿病患者血清中單核細胞趨化蛋白-1(MCP-1)基因啟動子出現低甲基化，且與其血清中的濃度相關，這可能和2型糖尿病的動脈粥樣硬化發展相關。
2.2 糖尿病及其并發癥中的組蛋白PTM
在低糖條件下胰十二指腸同源盒基因(PDX-1)啟動子可以招募HDAC1/2，從而導致胰島素基因的抑制[26]。高糖下PDX-1可以介導β細胞特異性高表達SET7/9，從而調節胰島素分泌相關基因的表達[27]。腫瘤抑制子p16INK4a的表達過程涉及H3K27三甲基化、H3K4三甲基化，多梳蛋白家族如Bmi-1、H3K27三甲基化，甲基化轉移酶Ezh2及其去甲基化酶JMJD3、H3K4三甲基化轉移酶MLL等的變化[28]。組蛋白乙酰化也參與胰島分化，也提示HATs/HDACs在糖尿病中的作用。去乙酰化酶家族成員SIRT1具有HDAC活性，其過表達或活化可以改進胰島素抵抗，而SIRT1激活劑正考慮用于胰島素治療[29]。
在腫瘤壞死因子-α(TNF-α)誘導的單核細胞中和1型糖尿病小鼠來源的巨噬細胞中，炎癥基因的升高伴隨著其基因啟動子H3K4甲基化的升高及組蛋白甲基化轉移酶SET7/9的招募增多[30]。利用染色質免疫共沉淀芯片ChIP-on-chip技術發現糖尿病患者來源的原代單核細胞以及高糖處理的THP-1單核細胞中H3K4二甲基化和H3K9二甲基化模式改變[31]。糖尿病小鼠血管平滑肌細胞(vSMC)和體外高糖誘導的vSMC中，LSD1參與炎癥相關的基因表達變化的調控[32]。SUV39H1/H2基因的多態性和糖尿病并發癥發生有關[33]。
El-Osta等[34]發現短暫高血糖處理原代牛動脈內皮細胞以及非糖尿病小鼠16 h后，NF-κB亞單位p65持續表達升高，并出現p65基因啟動子區的SET7的招募和H3K4 me1的升高，持續至恢復血糖后6 d。Brasacchio等[35]利用高血糖體內外模型闡述了p65啟動子區的H3K4me1增高，H3K9m2和H3K9m3降低，SET7和LSD1的招募增多，在恢復正常糖環境后此種效應仍然持續。Pirola等[36]發現特定基因的高乙酰化和CpG甲基化，乙酰化和甲基化呈現負相關的關系。Chen等[37]發現高糖下人臍靜脈內皮細胞的組蛋白乙酰化轉移酶的輔激活酶p300調控基因表達，導致血管活性因子和ECM蛋白上調。在人臍靜脈內皮細胞和293A細胞組蛋白脫乙酰酶SIRT1與氧化還原酶p66Shc呈現負相關，p66Shc通過SIRT1的下調可以保護高糖誘導的內皮功能損害[38]。
在DN相關的組蛋白PTM研究中，轉化生長因子(TGF)和高糖環境可以誘導大鼠系膜細胞纖維化基因表達，同時伴隨著相應基因啟動子的H3K4me1/2/3表達升高，H3K9me2/3表達降低，SET7/9表達上調，而靶向SET7/9的基因沉默可以抑制TGF誘導的纖維性基因的表達[39]。有研究證明DNAm和組蛋白PTM可以作為DN的生物標記和治療靶點[40]。DCM的幾個相關基因存在于其他疾病的表觀遺傳調控中，表明其可能在DCM表觀遺傳調控中起作用[41]。
2.3 糖尿病中的代謝記憶和表觀遺傳學
代謝記憶是糖尿病引起的慢性炎癥和血管異常等病理生理過程以及糖尿病性損害，在血糖重新得到控制后仍然持續，靶器官損害不可逆而且持續發展[42]。代謝記憶涉及一系列氧化應激相關因子和炎癥因子等的持續變化，其與表觀遺傳修飾的持續存在有關[43]。El-Osta等[34]和Brasacchio等[35]的研究揭示了表觀遺傳調控在代謝記憶中的參與，DNAm也參與了代謝記憶[44]。
3 DR和表觀遺傳學
在循環高血糖以及由糖尿病導致的血循環中各種因子改變的作用下，視網膜局部組織產生一系列的病理和生理改變，局部全身的交錯作用網絡，造成視網膜結構和功能發生損害，從而導致DR。因此，視網膜局部環境的變化可以導致局部組織的表觀遺傳調控啟動。相關的研究初步解釋了表觀遺傳調控在DR及其代謝記憶中的參與作用。基于氧化應激、炎癥、缺氧缺血、新生血管等過程和表觀遺傳機制之間的聯系，而這些病理過程都參與了DR的發生發展過程。因此，DR中很有可能存在著更為廣泛的表觀遺傳機制調節。
3.1 DR及其代謝記憶中的表觀機制的現有研究
Zhong等[45]發現SOD2表觀遺傳調節涉及DR發展以及其中的代謝記憶，其啟動子和增強子區域存在H4K20me3、H3K9乙酰化，并伴隨核因子(NF)-κB p65招募增多，SUV420h2上調，血糖恢復后不能逆轉。糖尿病環境下SOD2啟動子的H3K4me1和me2減少，組蛋白甲基化相關酶LSD1招募增加，血糖的恢復同樣不能逆轉這些改變。LSD1的基因沉默可以減少SOD2啟動子的H3K4甲基化，并阻斷高糖對SOD2基因的下調作用[46]。以上研究表明SOD2在DR中存在廣泛的組蛋白修飾調節，而針對相關酶的操縱可以調控SOD2的表達，從而對DR起到表觀治療的作用。和SOD2相似的組蛋白修飾對糖尿病環境下基質金屬蛋白酶-9的表達也存在著調控作用[47]。糖尿病大鼠和視網膜內皮細胞中HATs抑制，HDACs活化，H3乙酰化水平下降，高血糖刺激的終止并沒有逆轉視網膜HDACs和HATs的改變，H3也持續保持異常，提示視網膜H3的總乙酰化在DR和代謝記憶中的作用[48]。線粒體DNA復制相關酶的催化亞基POLG1的啟動子CpG島的DNA甲基化狀態和DR中線粒體損傷相關，并和代謝記憶密不可分[44]。
高糖誘導的視網膜血管內皮細胞中，硫氧還原蛋白作用蛋白(TXNIP)所介導的炎癥反應涉及具有NF-κB結合位點的環氧合酶(COX-2)啟動子區H3K9甲基化和乙酰化[49]。糖尿病通過聚腺苷二磷酸-核糖聚合酶(PARP)和涉及p300、MEF2轉錄因子的表觀機制等參與DR發生發展[50]。
3.2 氧化應激和表觀遺傳學
DR視網膜的氧化和抗氧化能力嚴重失調，氧化產物產生過多，抗氧化酶等功能抑制，損害視網膜結構和功能[51]。氧化應激不僅對DR發展代謝記憶現象相關[52]，而且在不同方面影響基因的表觀遺傳調控模式。
過氧化劑DNA損傷可以影響DNAm的模式，導致基因表達的異常，并且可能對癌癥等氧化應激參與的疾病發生發展有影響[53-55]。有研究發現MnSOD的表達下降和癌的增生下降相關，并且其抑制和DNAm基因沉默相關[56]。在鼠淋巴肉瘤和肝癌中可通過啟動子特異性DNA甲基化造成基因沉默，而且在癌癥中發現NQO1和谷胱甘肽S轉移酶GSTP1基因呈現啟動子高甲基化導致的基因失活，揭示了主要的抗氧化酶類通過啟動子高甲基化引起表達抑制和疾病發生發展的關系[57]。
3.3 炎癥和表觀遺傳學
多種炎癥相關介質和細胞因子參與了DR發生發展，涉及巨噬細胞在局部的聚集，小膠質細胞等的活化，內皮細胞、周細胞、Müller細胞應答等[58]。
慢性炎癥在慢性胃炎和胃癌中可以使得DNAm增加[59, 60]。健康人的關節軟骨細胞生理條件下幾乎不表達白介素-1β (IL-1β)，用DNA甲基轉移酶抑制劑5-雜氮-2′-脫氧胞苷(5-aza-dC)、IL-1β、TNF-α或抑瘤素M(OSM)處理可以使得其中的IL-1β基因啟動子甲基化水平明顯下降，從而使得IL-1β表達顯著升高[61]。在多種白血病細胞及單核/巨噬細胞中，TNF-α的調節也受到DNA甲基化和組蛋白修飾的調節，提示表觀遺傳機制參與涉及TNF-α升高的炎癥性疾病的發生發展。囊樣纖維化支氣管上皮中Toll樣受體2(TLR2)基因啟動子的低甲基化與細菌肽聚糖引起的促炎因子的表達增加相關[62]。腸上皮細胞DNA甲基化和組蛋白乙酰化調節TLR4[63]。在慢性炎癥刺激后，與哺乳動物發生和分化相關的PCG和靶向基因調控區域結合后會招募DNMTs，導致DNAm異常，從而實現對基因表達更強的抑制[64]。
在內皮細胞發現氧化的低密度脂蛋白誘導的細胞因子的表達和H3賴氨酸的乙酰化以及磷酸化有關，也和基因啟動子的HAT和HDAC招募改變有關[65]。TNF-α誘導的炎癥基因表達伴隨著基因啟動子的H3K4me的升高和SET7/9的招募[30]。IL-1β可以導致COX-2和誘導型一氧化氮合酶(iNOS)啟動子區H3K4甲基化、組蛋白甲基化轉移酶Set-1A和MLL-1向COX-2、iNOS的招募[66]。推測炎癥對表觀遺傳修飾的影響在糖尿病條件下加強，從而加速糖尿病及其并發癥的進程。
Ishii等[67]發現白介素4(IL-4)處理骨髓細胞可以信號轉導與轉錄激活子-6 (STAT6，IL-4通路的一個轉錄因子)與組蛋白H3K27去甲基化酶Jumonji domain containing 3(JMJD3)結合增多，從而導致JMJD3表達升高，使得選擇性活化巨噬細胞(M2型巨噬細胞)的細胞標記基因啟動子的H3K27甲基化程度明顯降低，最終使得M2巨噬細胞標記表達升高，體內實驗亦得到相似結果。從而認為表觀調控參與M2性巨噬細胞的分化。
3.4 缺血缺氧和表觀遺傳學
DR的啟動和發展均伴隨著缺氧缺血和機體對其的代償反應，而缺血缺氧過程伴隨著基因的表觀遺傳調控。
Aoi等[68]發現缺氧環境下，IL-1β通過DNAm和組蛋白甲基化的機制，導致MCP-1表達降低。缺氧誘導因子(HIF)在DNA水平的表觀遺傳修飾可以使得HIF更易于和目標基因結合，從而對目標基因活性產生影響，而且缺氧本身通過調控DNA甲基化相關酶類從而導致DNAm等染色質重塑[69]，如缺氧可以誘導15%～20%的CpG甲基化的減少[70]。慢性缺氧還可以導致基因不依賴于經典的HIF途徑的表達改變，此種改變被認為是基因序列的甲基化狀態發生改變，同時涉及表觀遺傳學修飾酶類如DMNTs等的改變。慢性缺氧條件下出現的總體水平的DNAm的改變，而且總體DNAm的升高無HIF-1參與，和DNMT 3b水平上升相關[71]。DR涉及缺血缺氧相關血紅素升高，缺氧條件下的紅細胞生成素的組織特異性表達和缺氧誘導表達受到5′-UTR的高密度甲基化的調控[72]。缺氧條件可引起一系列的特異性組蛋白修飾從而影響基因的表達。其對VEGF-A、 EGR1、EPO、HMOX1、DAF、ADM和GDF等基因的誘導升高以及對SP-A、AFP、Ccl2、Ccr1和Ccr5等基因的抑制涉及H3乙酰化，H3K4me3、H3K27me3、H3K9me2等的變化[69]。
視網膜缺血可以造成諸多蛋白表達改變、組蛋白成分改變、組蛋白H3的甲基化、H2A泛素化和RING2的泛素化等，可以認為在視網膜缺血中涉及組蛋白和多梳蛋白的表觀改變[73]。
目前關于糖尿病及其并發癥的表觀遺傳調控認識尚處于起始階段，更廣泛的表觀遺傳調控尚待不斷深入研究。相關的表觀遺傳學藥物已用于癌癥的治療中。隨著糖尿病領域表觀機制的不斷認識發展，表觀機制相關的藥物和治療手段的研發將會是糖尿病及相關并發癥靶向治療領域潛在的具有廣闊前景的新方向。