DNA甲基化、組蛋白轉錄后修飾、非編碼RNA調節等表觀遺傳修飾是環境刺激引起的可逆、可遺傳改變。高糖血癥、氧化應激、糖基化終產物等導致糖尿病及其并發癥發生發展的主要刺激因素均能導致視網膜血管內皮細胞、視網膜色素上皮細胞內異常基因表觀遺傳修飾。異常基因表觀遺傳修飾在糖尿病視網膜病變(DR)黃斑水腫、新生血管形成等病理過程發揮重要作用；引起的代謝記憶現象導致即便血糖控制，DR等糖尿病并發癥仍將進一步進展。表觀遺傳改變還能代代相傳，在家族性糖尿病形成中發揮重要作用。深入探討表觀遺傳修飾對DR發生發展的影響可為DR預防治療提供新的思路。
引用本文： 陳文文, 常青. 糖尿病視網膜病變表觀遺傳修飾的作用研究進展. 中華眼底病雜志, 2016, 32(2): 213-217. doi: 10.3760/cma.j.issn.1005-1015.2016.02.026 復制
糖尿病視網膜病變(DR)的發生發展是基因和環境因素共同作用的結果。大規模前瞻性研究顯示，早期嚴格控制血糖對預防糖尿病并發癥具有重要作用[1-3]。一段時間未有效控制血糖后，即便其后血糖能有效控制，糖尿病并發癥仍將進一步進展，即代謝記憶現象[4, 5]。代謝記憶現象對糖尿病并發癥的控制和治療造成很大困難。已有大量研究結果顯示，表觀遺傳修飾是環境與基因之間相互作用的關鍵因素，且長期的表觀遺傳改變是代謝記憶現象產生的機制之一[6]。在DNA序列不發生改變的情況下，通過DNA甲基化、組蛋白修飾和非編碼RNA調節等調控模式，致使基因表達和功能發生改變并產生可遺傳的表型為表觀遺傳學核心觀點[7, 8]。表觀遺傳修飾不僅能使細胞和組織對環境刺激迅速做出反應，還能在刺激結束后仍保留記憶[9]。高血糖、氧化應激、糖基化終產物(AGEs)等導致糖尿病及其并發癥發生發展的主要因素均能引起異常調節的表觀遺傳改變[10]，出現視網膜血管內皮細胞(REC)、視網膜色素上皮(RPE)細胞內染色質順式和反式作用因子、線粒體DNA、組蛋白、非編碼RNA等的表觀遺傳修飾[5, 11-13]。這些表觀遺傳修飾可造成REC的異常基因表達，在DR的黃斑水腫和新生血管形成等病理過程起到重要作用[14]。表觀遺傳改變還能代代相傳，在家族性糖尿病形成中發揮重要作用[15, 16]。人類全基因組測序計劃提供了正常和疾病狀態下染色體狀態、表觀遺傳改變等大量信息[17]，為進一步理解DR發病機制提供了幫助。現有的DR治療方式仍存在一系列問題。因此，對表觀遺傳修飾作用的研究不僅是對DR發病機制新的認識，也為DR的治療提供新的治療靶點，具有重要意義。
1 DR的表觀遺傳修飾
1.1 DNA甲基化
DNA甲基化是指在DNA甲基轉移酶催化下，以S-腺苷甲硫氨酸作為甲基化的供體，將甲基基團轉移到胞嘧啶的5′碳位，形成5′甲基胞嘧啶[18]。哺乳動物甲基化主要發生在雙核苷酸(CpG)的胞嘧啶上，CpG島常位于轉錄調控區附近，其異常甲基化會改變DNA與蛋白之間的相互作用，導致基因沉默或激活和蛋白表達變化[18, 19]。甲基化的效應隨基因組內容的不同而不同[20]。
DNA甲基化是重要的表觀遺傳修飾形式。糖尿病初級階段即有全基因組DNA甲基化的修飾，且DR患者全基因組甲基化水平遠高于非DR患者的對照組[21]。對患有1型糖尿病(T1D)的增生型DR(PDR)患者全基因組DNA甲基化水平分析發現，79%位點出現DNA甲基化水平的降低，21%的位點出現甲基化水平增高[22]。位點所在基因與視網膜功能、糖尿病并發癥、炎癥反應、氧化應激等相關[22]。提示DNA 甲基化機制在DR的發展中起重要作用，但甲基化位點的具體作用仍需進一步研究。此外，前瞻性隊列研究發現某些位點的甲基化水平還可作為T1D患者PDR發生的預測指標[22]。除染色質DNA外，Kowluru[11]研究發現，DR線粒體結構、功能及mtDNA均有損傷。mtDNA 損傷導致線粒體蛋白減少，電子轉運系統功能障礙。這些由糖尿病引起的線粒體功能障礙，即使在血糖控制 后仍存在，形成代謝記憶現象。高糖環境下，線粒體中聚合酶γ1 (POLG1)啟動子及調節區CpG島高甲基化，導致POLG1 水平持續下調且影響POLG1與mtDNA的結合，最終導致mtDNA轉錄異常，影響線粒體功能[23]。通過藥學或分子途徑調節DNA甲基化水平，能幫助維持線粒體穩態，阻止DR的進一步進展。
1.2 組蛋白修飾
組蛋白的修飾水平受組蛋白修飾相關酶類和去特異性修飾相關酶類的活性調節[24]。在高糖處理REC以及DR動物模型標本中，均發現有組蛋白轉錄后修飾[6]。
1.2.1 組蛋白甲基化
組蛋白甲基化多發生于組蛋白H3和H4的精氨酸或賴氨酸殘基上，由組蛋白甲基轉移酶和脫甲基酶調節[25]。表觀遺傳研究表明，特定細胞中穩定的組蛋白甲基化修飾對維持個體健康非常重要[16]。目前發現的激活標記有H3K4、H3K36、H3K79等，抑制標記有H3K9、H3K27、 H4K20等[17, 26, 27]。
高糖引起的超氧化物歧化酶(SOD2)mRNA的抑制以及隨之而來的REC內氧化應激增加是糖尿病并發癥發生的關鍵因素。而SOD2的表達減少與其基因上組蛋白修飾息息相關。高糖能降低SOD2組蛋白上活性標記H3K4單甲基化(H3K4me1)、H3K4me2水平，增加組蛋白賴氨酸特異性脫甲基酶1(LSD1)在SOD2上的結合[28, 29]。同時能增加抑制性標記物H4K20me3水平，增加H3K9、核轉錄因子(NF-κB) p65與H4K20me3之間的相互作用，同樣導致SOD2表達的減弱[29]。此外，高糖能降低REC中基質金屬蛋白酶9(MMP-9)啟動子處抑制性標記物H3K9me2水平，最終促進MMP-9活性，導致線粒體損傷和細胞凋亡[30]。精氨酸甲基轉化酶1(CARM1) 在高糖處理過的人RPE細胞系ARPE-19 及糖尿病小鼠RPE層中增加，促進RPE細胞的凋亡[12]。
高糖環境下，REC中Set7蛋白甲基轉移酶(PRMT)在核仁處聚集。PRMT能通過H3K4me1依賴和非依賴途徑調節糖誘導的染色質改變和基因表達。提示Set7與高糖處理過后持續的血管基因表達有關并可能是高糖記憶現象分子機制之一[31]。
氧化應激也能刺激DR進展。Gclc是谷胱甘肽(GSH)生成過程中一種重要酶，其表達受核因子E2相關因子(Nrf2) 調節。DR發展過程中，Gclc抗氧化因子區域4(ARE4)的H3K4me1水平降低，導致Nrf2與其結合減少，最終Gclc表達水平下降。因此，DR中Gclc-ARE4的組蛋白甲基化水平對調節Nrf2-Gclc-GSH反應起重要作用[32]。此外，高糖環境下，Set7/9 (SetD7)活性增加，也可通過增加Keap1啟動子組蛋白H3K4me1，增加Keap1表達而抑制Nrf2的抗氧化功能[33]。
1.2.2 組蛋白乙酰化
組蛋白乙酰化水平受去乙酰化酶(HDAC) 、抗衰老酶和乙酰基轉移酶調控。組蛋白乙酰化的位點基本為基因啟動子的轉錄活性位點，如 H3K9ac、H3K14ac、H4K8Ac、H4K12Ac、H4K5ac等，對基因表達有重要影響[6]。
一項長期糖尿病干預和并發癥流行病學調查(EDIC)研究顯示，DR患者血單核細胞中有大量的啟動子組蛋白H3K9被乙酰化[34]。全基因組范圍內人REC中組蛋白H3K9/K14ac和DNA甲基化圖譜提示，高糖誘導的H3K9/K14ac與CpG甲基化負相關作用是引起REC功能失調的機制之一[35]。組蛋白 H3K9的乙酰化還能調節REC硫氧還原反應蛋白(TXNIP)所介導的炎癥反應。高糖血癥能促進乙酰基轉移酶 p300與TXNIP啟動子的結合，使其組蛋白H4乙酰化，刺激TXNIP的表達，進一步誘導環氧化酶2表達[36]。即使小鼠保持在血糖控制不良的情況下，抑制TXNIP活性仍能阻止糖尿病進展。提示TXNIP 在DR的表觀遺傳改變和代謝記憶中起重要作用。
動物實驗中，高糖能降低抗衰老酶1(Sirt1)活性并增加 p65 乙酰化，從而活化MMP-9，造成線粒體損傷和細胞凋亡。野生型糖尿病大鼠及DR患者視網膜會出現類似的Sirt1減少，SOD2的過表達等現象[37]。此外多項研究均達成共識，H2O2也會使Sirt1 減少，造成MMP-9顯著增加。提示氧化應激在DR進展中起關鍵作用[37-39]。
1.3 非編碼RNA
已有研究證實，從哺乳動物基因組轉錄而來的RNA中，有很大一部分序列不編碼蛋白，即非編碼RNA[40]。其作為糖尿病并發癥表觀遺傳的調節機制之一，已引起廣泛的關注。
微小RNA(miRNA)是長度約20～22核苷酸的小片段非編碼RNA，在哺乳動物基因轉錄后加工過程中通過與特異性RNA結合，誘導其降解或抑制翻譯等途徑使基因沉默[41]。越來越多研究證實，多種miRNA能與DR相關因子結合，影響DR進展。視網膜神經節細胞和內核層細胞中的miR-29在糖尿病早期被上調，具有防止視網膜細胞凋亡的作用[42]。而miR-200b水平下降[43]，miR-200b類似物在體內、體外作用均能抑制血管內皮生長因子(VEGF)的表達，緩解糖誘導產生的VEGF水平增高[43]，DR中VEGF水平增高可能與其表達下降有關。Kovacs等[44]分析DR早期大鼠的REC miRNA表達譜發現，對NF-κB、VEGF、p53敏感的miRNAs，包括miR-146、miR-155、miR-132、miR-21，尤其是miR-34家族的表達上調。但也有學者在T1D大鼠的視網膜中發現miR-146a水平下降，通過玻璃體內注射miR-146a類似物證實miR-146a能直接調節纖連蛋白的表達，其下調能導致胞外基質蛋白產物增加最終引起DR中的纖維變性[45]。結果的不同可能與DR的時期不同有關，但仍需嚴謹的對照研究進一步解釋。由于miRNA在血清中穩定存在，可作為糖尿病并發癥臨床研究隊列中一項珍貴的生物學指標，用于糖尿病并發癥的早期發現或臨床隨訪[6]。
長非編碼RNA(lncRNAs)指長度超過200核苷酸片段的非編碼RNA，通過調節染色質復合體的修飾或與轉錄因子相互作用或作為miRNA的宿主而發揮功能[46]。lncRNA能夠調節β細胞的功能，可能是糖尿病的發病機制之一[47]。在血管平滑肌細胞(VSMC)中，lncRNA受血管緊張素Ⅱ(AngⅡ)調節，通過影響miRNA產生調節VSMC的增生[48]。提示lncRNA在糖尿病血管并發癥發展中可能起作用。目前lncRNAs與DR關系的研究不多，但在糖尿病腎病的研究中已取得一些突破[6, 49]，可作為參考進一步研究。
2 表觀遺傳修飾與DR代謝記憶和治療
高糖血、氧化應激、AGEs均可刺激細胞產生表觀遺傳改變。高糖影響組織代謝，產生各種生長因子，如AngⅡ、轉化生長因子-β等，這些生長因子激活胞內信號通路，與表觀遺傳網絡聯系，引起染色質重塑，影響細胞功能[6]。氧化應激存在于機體正常活動中，而糖尿病可導致機體氧化應激失衡。活性氧能直接損傷核酸、蛋白、脂質等大分子物質，導致基因表達的異常、酶功能障礙和細胞膜損傷等，持續的損傷可引起靶細胞基因包括線粒體基因組表觀遺傳修飾，最終對細胞產生持久性的破壞[50]。Kowluru等[50]已對氧化應激引起的靶細胞表觀遺傳改變做了系統而詳細的研究。氧化應激異常可引起AGEs累積[50]。AGEs通過影響NF-κB等多條細胞通路或與大分子物質直接作用，導致毛細血管細胞凋亡、破壞血視網膜屏障等[51]。多項長期臨床研究顯示，AGEs與DR代謝記憶的發生有緊密聯系[52, 53]。同時活性氧也是AGEs形成的副產物，AGEs也可反過來刺激氧化應激反應，形成惡性循環。
大規模1、2型糖尿病臨床試驗顯示，早期嚴格控制血糖能減少DR發生率，減緩其進展，但即使血糖控制，糖尿病血管并發癥仍持續存在[54]。鏈脲佐菌素誘導的糖尿病小鼠血糖控制不良3～6個月后，REC中HDAC-1、HDAC-2和HDAC-8表達增加，而組蛋白H3特異性的乙酰基轉移酶活性下降，這些改變在小鼠血糖控制正常6個月后仍不能逆轉[55]。這一現象已被多項研究結果證實，提示代謝記憶現象存在[28]。糖尿病控制和并發癥研究/EDIC研究顯示，早期嚴格控制血糖組DR發生率與對照組比較顯著下降，且此差異10年后仍存在，提示代謝記憶在糖尿病早期就已形成，且對糖尿病并發癥的產生進展有深遠影響[2, 56]。
代謝記憶的存在使糖尿病并發癥的治療難度更大，使個體對口服抗糖尿病藥物的反應存在較大差異[57]，且其可遺傳的特點可使下一代更易出現代謝障礙[58]，值得關注。但表觀遺傳修飾的可逆性為研究早期干預，糾正不良代謝記憶提供了科學基礎，是潛在的治療靶點[29]。DNA啟動子、CpG島等高甲基化位點，組蛋白甲基化、乙酰化位點等均為臨床藥物的潛在靶點，通過miRNA減少一些酶如LSD1、MMP-9、CARM1等的表達和活性可能可以減少細胞凋亡，減緩DR進展[12]。此外，一些在高糖環境中被下調的具有保護作用的miRNA如miR-146a、miR-29b、 miR-200b等，以及被上調的miRNA如miR-155、miR-132、miR-21等，其類似物或抑制劑都有很高的應用前景，但其脫靶效應將會成為巨大挑戰[13]。
藥物的研究也在逐步進行中。5-硫唑嘌呤-2-脫氧胞苷和曲古抑菌素A能提高人REC和RPE細胞中的色素上皮衍生因子(PEDF)水平和PEDF/VEGF的比率，減輕高糖刺激副作用[59]。丙戊酸治療可以增加缺血性視網膜內的H3ac，降低應激反應蛋白、葡萄糖調節蛋白78/BiP 和CAAT區增強子結合蛋白同源蛋白以及細胞凋亡蛋白酶-12的活性[60]。白藜蘆醇能促進視網膜中Sirt1的表達從而阻止p65乙酰化，抑制視網膜的細胞凋亡[61]。siRNA PF-04523655可以通過RNA干擾抑制低氧誘導基因的表達，可用于DR治療[62]。此外一些經過鎖定核酸修飾的抗miRNA如抗miR-192具有高度特異性和有效性，除miR-192表達水平外，其下游miRNA如miR-216a、miR-217、miR-200家族以及p53水平也被下調，提示抗miRNA將成為DR治療中的重要途徑。且有學者提出，miRNA擴增與遺傳變異的知識相結合，將對DR個體化用藥的實現提供幫助[16]。
表觀遺傳修飾位點作為抗DR藥物具有很好的前景。但也有研究認為，在終末分化細胞如神經細胞、RPE細胞等，表觀遺傳改變不易逆轉[63]。
3 展望
表觀遺傳修飾對DR發病的可能機制研究及治療提供了新的方向，但進一步探討仍是巨大挑戰。除DR外，表觀遺傳修飾在糖尿病其他血管并發癥，如心血管、腎臟疾病等的進展中也起到很大作用，且這些方向的研究也已取得了一定進展[13, 64-66]，對DR的機制研究具有一定借鑒參考意義。DNA甲基化，組蛋白轉錄后修飾，ncRNA之間的相互作用也是表觀遺傳調控基因表達的一種方式[67]，有很大的研究空間。曾有文獻報道，鍛煉可以對糖尿病表觀遺傳的改變產生有利影響[68]，進一步探討生活方式的改變是否能改變DR相關表觀遺傳改變非常有意義。通過大樣本對照研究分析表觀遺傳改變在DR不同時期及病變程度時起的作用對DR的發病機制及治療也有很大幫助。另外，新技術如下一代基因測序技術[10]的發展及人類全基因組測序計劃的實施等對表觀遺傳機制的進一步研究提供較大幫助。但如何對這些大量的生物學數據進行分析，建立計算機模型是一個不小的難題。若能充分利用大數據的信息，將有助于對糖尿病及其并發癥發病機制、病理變化有更深入的了解并有利于新的靶向藥物開發，同時對個體化用藥也具有指導作用[16]。
糖尿病視網膜病變(DR)的發生發展是基因和環境因素共同作用的結果。大規模前瞻性研究顯示，早期嚴格控制血糖對預防糖尿病并發癥具有重要作用[1-3]。一段時間未有效控制血糖后，即便其后血糖能有效控制，糖尿病并發癥仍將進一步進展，即代謝記憶現象[4, 5]。代謝記憶現象對糖尿病并發癥的控制和治療造成很大困難。已有大量研究結果顯示，表觀遺傳修飾是環境與基因之間相互作用的關鍵因素，且長期的表觀遺傳改變是代謝記憶現象產生的機制之一[6]。在DNA序列不發生改變的情況下，通過DNA甲基化、組蛋白修飾和非編碼RNA調節等調控模式，致使基因表達和功能發生改變并產生可遺傳的表型為表觀遺傳學核心觀點[7, 8]。表觀遺傳修飾不僅能使細胞和組織對環境刺激迅速做出反應，還能在刺激結束后仍保留記憶[9]。高血糖、氧化應激、糖基化終產物(AGEs)等導致糖尿病及其并發癥發生發展的主要因素均能引起異常調節的表觀遺傳改變[10]，出現視網膜血管內皮細胞(REC)、視網膜色素上皮(RPE)細胞內染色質順式和反式作用因子、線粒體DNA、組蛋白、非編碼RNA等的表觀遺傳修飾[5, 11-13]。這些表觀遺傳修飾可造成REC的異常基因表達，在DR的黃斑水腫和新生血管形成等病理過程起到重要作用[14]。表觀遺傳改變還能代代相傳，在家族性糖尿病形成中發揮重要作用[15, 16]。人類全基因組測序計劃提供了正常和疾病狀態下染色體狀態、表觀遺傳改變等大量信息[17]，為進一步理解DR發病機制提供了幫助。現有的DR治療方式仍存在一系列問題。因此，對表觀遺傳修飾作用的研究不僅是對DR發病機制新的認識，也為DR的治療提供新的治療靶點，具有重要意義。
1 DR的表觀遺傳修飾
1.1 DNA甲基化
DNA甲基化是指在DNA甲基轉移酶催化下，以S-腺苷甲硫氨酸作為甲基化的供體，將甲基基團轉移到胞嘧啶的5′碳位，形成5′甲基胞嘧啶[18]。哺乳動物甲基化主要發生在雙核苷酸(CpG)的胞嘧啶上，CpG島常位于轉錄調控區附近，其異常甲基化會改變DNA與蛋白之間的相互作用，導致基因沉默或激活和蛋白表達變化[18, 19]。甲基化的效應隨基因組內容的不同而不同[20]。
DNA甲基化是重要的表觀遺傳修飾形式。糖尿病初級階段即有全基因組DNA甲基化的修飾，且DR患者全基因組甲基化水平遠高于非DR患者的對照組[21]。對患有1型糖尿病(T1D)的增生型DR(PDR)患者全基因組DNA甲基化水平分析發現，79%位點出現DNA甲基化水平的降低，21%的位點出現甲基化水平增高[22]。位點所在基因與視網膜功能、糖尿病并發癥、炎癥反應、氧化應激等相關[22]。提示DNA 甲基化機制在DR的發展中起重要作用，但甲基化位點的具體作用仍需進一步研究。此外，前瞻性隊列研究發現某些位點的甲基化水平還可作為T1D患者PDR發生的預測指標[22]。除染色質DNA外，Kowluru[11]研究發現，DR線粒體結構、功能及mtDNA均有損傷。mtDNA 損傷導致線粒體蛋白減少，電子轉運系統功能障礙。這些由糖尿病引起的線粒體功能障礙，即使在血糖控制 后仍存在，形成代謝記憶現象。高糖環境下，線粒體中聚合酶γ1 (POLG1)啟動子及調節區CpG島高甲基化，導致POLG1 水平持續下調且影響POLG1與mtDNA的結合，最終導致mtDNA轉錄異常，影響線粒體功能[23]。通過藥學或分子途徑調節DNA甲基化水平，能幫助維持線粒體穩態，阻止DR的進一步進展。
1.2 組蛋白修飾
組蛋白的修飾水平受組蛋白修飾相關酶類和去特異性修飾相關酶類的活性調節[24]。在高糖處理REC以及DR動物模型標本中，均發現有組蛋白轉錄后修飾[6]。
1.2.1 組蛋白甲基化
組蛋白甲基化多發生于組蛋白H3和H4的精氨酸或賴氨酸殘基上，由組蛋白甲基轉移酶和脫甲基酶調節[25]。表觀遺傳研究表明，特定細胞中穩定的組蛋白甲基化修飾對維持個體健康非常重要[16]。目前發現的激活標記有H3K4、H3K36、H3K79等，抑制標記有H3K9、H3K27、 H4K20等[17, 26, 27]。
高糖引起的超氧化物歧化酶(SOD2)mRNA的抑制以及隨之而來的REC內氧化應激增加是糖尿病并發癥發生的關鍵因素。而SOD2的表達減少與其基因上組蛋白修飾息息相關。高糖能降低SOD2組蛋白上活性標記H3K4單甲基化(H3K4me1)、H3K4me2水平，增加組蛋白賴氨酸特異性脫甲基酶1(LSD1)在SOD2上的結合[28, 29]。同時能增加抑制性標記物H4K20me3水平，增加H3K9、核轉錄因子(NF-κB) p65與H4K20me3之間的相互作用，同樣導致SOD2表達的減弱[29]。此外，高糖能降低REC中基質金屬蛋白酶9(MMP-9)啟動子處抑制性標記物H3K9me2水平，最終促進MMP-9活性，導致線粒體損傷和細胞凋亡[30]。精氨酸甲基轉化酶1(CARM1) 在高糖處理過的人RPE細胞系ARPE-19 及糖尿病小鼠RPE層中增加，促進RPE細胞的凋亡[12]。
高糖環境下，REC中Set7蛋白甲基轉移酶(PRMT)在核仁處聚集。PRMT能通過H3K4me1依賴和非依賴途徑調節糖誘導的染色質改變和基因表達。提示Set7與高糖處理過后持續的血管基因表達有關并可能是高糖記憶現象分子機制之一[31]。
氧化應激也能刺激DR進展。Gclc是谷胱甘肽(GSH)生成過程中一種重要酶，其表達受核因子E2相關因子(Nrf2) 調節。DR發展過程中，Gclc抗氧化因子區域4(ARE4)的H3K4me1水平降低，導致Nrf2與其結合減少，最終Gclc表達水平下降。因此，DR中Gclc-ARE4的組蛋白甲基化水平對調節Nrf2-Gclc-GSH反應起重要作用[32]。此外，高糖環境下，Set7/9 (SetD7)活性增加，也可通過增加Keap1啟動子組蛋白H3K4me1，增加Keap1表達而抑制Nrf2的抗氧化功能[33]。
1.2.2 組蛋白乙酰化
組蛋白乙酰化水平受去乙酰化酶(HDAC) 、抗衰老酶和乙酰基轉移酶調控。組蛋白乙酰化的位點基本為基因啟動子的轉錄活性位點，如 H3K9ac、H3K14ac、H4K8Ac、H4K12Ac、H4K5ac等，對基因表達有重要影響[6]。
一項長期糖尿病干預和并發癥流行病學調查(EDIC)研究顯示，DR患者血單核細胞中有大量的啟動子組蛋白H3K9被乙酰化[34]。全基因組范圍內人REC中組蛋白H3K9/K14ac和DNA甲基化圖譜提示，高糖誘導的H3K9/K14ac與CpG甲基化負相關作用是引起REC功能失調的機制之一[35]。組蛋白 H3K9的乙酰化還能調節REC硫氧還原反應蛋白(TXNIP)所介導的炎癥反應。高糖血癥能促進乙酰基轉移酶 p300與TXNIP啟動子的結合，使其組蛋白H4乙酰化，刺激TXNIP的表達，進一步誘導環氧化酶2表達[36]。即使小鼠保持在血糖控制不良的情況下，抑制TXNIP活性仍能阻止糖尿病進展。提示TXNIP 在DR的表觀遺傳改變和代謝記憶中起重要作用。
動物實驗中，高糖能降低抗衰老酶1(Sirt1)活性并增加 p65 乙酰化，從而活化MMP-9，造成線粒體損傷和細胞凋亡。野生型糖尿病大鼠及DR患者視網膜會出現類似的Sirt1減少，SOD2的過表達等現象[37]。此外多項研究均達成共識，H2O2也會使Sirt1 減少，造成MMP-9顯著增加。提示氧化應激在DR進展中起關鍵作用[37-39]。
1.3 非編碼RNA
已有研究證實，從哺乳動物基因組轉錄而來的RNA中，有很大一部分序列不編碼蛋白，即非編碼RNA[40]。其作為糖尿病并發癥表觀遺傳的調節機制之一，已引起廣泛的關注。
微小RNA(miRNA)是長度約20～22核苷酸的小片段非編碼RNA，在哺乳動物基因轉錄后加工過程中通過與特異性RNA結合，誘導其降解或抑制翻譯等途徑使基因沉默[41]。越來越多研究證實，多種miRNA能與DR相關因子結合，影響DR進展。視網膜神經節細胞和內核層細胞中的miR-29在糖尿病早期被上調，具有防止視網膜細胞凋亡的作用[42]。而miR-200b水平下降[43]，miR-200b類似物在體內、體外作用均能抑制血管內皮生長因子(VEGF)的表達，緩解糖誘導產生的VEGF水平增高[43]，DR中VEGF水平增高可能與其表達下降有關。Kovacs等[44]分析DR早期大鼠的REC miRNA表達譜發現，對NF-κB、VEGF、p53敏感的miRNAs，包括miR-146、miR-155、miR-132、miR-21，尤其是miR-34家族的表達上調。但也有學者在T1D大鼠的視網膜中發現miR-146a水平下降，通過玻璃體內注射miR-146a類似物證實miR-146a能直接調節纖連蛋白的表達，其下調能導致胞外基質蛋白產物增加最終引起DR中的纖維變性[45]。結果的不同可能與DR的時期不同有關，但仍需嚴謹的對照研究進一步解釋。由于miRNA在血清中穩定存在，可作為糖尿病并發癥臨床研究隊列中一項珍貴的生物學指標，用于糖尿病并發癥的早期發現或臨床隨訪[6]。
長非編碼RNA(lncRNAs)指長度超過200核苷酸片段的非編碼RNA，通過調節染色質復合體的修飾或與轉錄因子相互作用或作為miRNA的宿主而發揮功能[46]。lncRNA能夠調節β細胞的功能，可能是糖尿病的發病機制之一[47]。在血管平滑肌細胞(VSMC)中，lncRNA受血管緊張素Ⅱ(AngⅡ)調節，通過影響miRNA產生調節VSMC的增生[48]。提示lncRNA在糖尿病血管并發癥發展中可能起作用。目前lncRNAs與DR關系的研究不多，但在糖尿病腎病的研究中已取得一些突破[6, 49]，可作為參考進一步研究。
2 表觀遺傳修飾與DR代謝記憶和治療
高糖血、氧化應激、AGEs均可刺激細胞產生表觀遺傳改變。高糖影響組織代謝，產生各種生長因子，如AngⅡ、轉化生長因子-β等，這些生長因子激活胞內信號通路，與表觀遺傳網絡聯系，引起染色質重塑，影響細胞功能[6]。氧化應激存在于機體正常活動中，而糖尿病可導致機體氧化應激失衡。活性氧能直接損傷核酸、蛋白、脂質等大分子物質，導致基因表達的異常、酶功能障礙和細胞膜損傷等，持續的損傷可引起靶細胞基因包括線粒體基因組表觀遺傳修飾，最終對細胞產生持久性的破壞[50]。Kowluru等[50]已對氧化應激引起的靶細胞表觀遺傳改變做了系統而詳細的研究。氧化應激異常可引起AGEs累積[50]。AGEs通過影響NF-κB等多條細胞通路或與大分子物質直接作用，導致毛細血管細胞凋亡、破壞血視網膜屏障等[51]。多項長期臨床研究顯示，AGEs與DR代謝記憶的發生有緊密聯系[52, 53]。同時活性氧也是AGEs形成的副產物，AGEs也可反過來刺激氧化應激反應，形成惡性循環。
大規模1、2型糖尿病臨床試驗顯示，早期嚴格控制血糖能減少DR發生率，減緩其進展，但即使血糖控制，糖尿病血管并發癥仍持續存在[54]。鏈脲佐菌素誘導的糖尿病小鼠血糖控制不良3～6個月后，REC中HDAC-1、HDAC-2和HDAC-8表達增加，而組蛋白H3特異性的乙酰基轉移酶活性下降，這些改變在小鼠血糖控制正常6個月后仍不能逆轉[55]。這一現象已被多項研究結果證實，提示代謝記憶現象存在[28]。糖尿病控制和并發癥研究/EDIC研究顯示，早期嚴格控制血糖組DR發生率與對照組比較顯著下降，且此差異10年后仍存在，提示代謝記憶在糖尿病早期就已形成，且對糖尿病并發癥的產生進展有深遠影響[2, 56]。
代謝記憶的存在使糖尿病并發癥的治療難度更大，使個體對口服抗糖尿病藥物的反應存在較大差異[57]，且其可遺傳的特點可使下一代更易出現代謝障礙[58]，值得關注。但表觀遺傳修飾的可逆性為研究早期干預，糾正不良代謝記憶提供了科學基礎，是潛在的治療靶點[29]。DNA啟動子、CpG島等高甲基化位點，組蛋白甲基化、乙酰化位點等均為臨床藥物的潛在靶點，通過miRNA減少一些酶如LSD1、MMP-9、CARM1等的表達和活性可能可以減少細胞凋亡，減緩DR進展[12]。此外，一些在高糖環境中被下調的具有保護作用的miRNA如miR-146a、miR-29b、 miR-200b等，以及被上調的miRNA如miR-155、miR-132、miR-21等，其類似物或抑制劑都有很高的應用前景，但其脫靶效應將會成為巨大挑戰[13]。
藥物的研究也在逐步進行中。5-硫唑嘌呤-2-脫氧胞苷和曲古抑菌素A能提高人REC和RPE細胞中的色素上皮衍生因子(PEDF)水平和PEDF/VEGF的比率，減輕高糖刺激副作用[59]。丙戊酸治療可以增加缺血性視網膜內的H3ac，降低應激反應蛋白、葡萄糖調節蛋白78/BiP 和CAAT區增強子結合蛋白同源蛋白以及細胞凋亡蛋白酶-12的活性[60]。白藜蘆醇能促進視網膜中Sirt1的表達從而阻止p65乙酰化，抑制視網膜的細胞凋亡[61]。siRNA PF-04523655可以通過RNA干擾抑制低氧誘導基因的表達，可用于DR治療[62]。此外一些經過鎖定核酸修飾的抗miRNA如抗miR-192具有高度特異性和有效性，除miR-192表達水平外，其下游miRNA如miR-216a、miR-217、miR-200家族以及p53水平也被下調，提示抗miRNA將成為DR治療中的重要途徑。且有學者提出，miRNA擴增與遺傳變異的知識相結合，將對DR個體化用藥的實現提供幫助[16]。
表觀遺傳修飾位點作為抗DR藥物具有很好的前景。但也有研究認為，在終末分化細胞如神經細胞、RPE細胞等，表觀遺傳改變不易逆轉[63]。
3 展望
表觀遺傳修飾對DR發病的可能機制研究及治療提供了新的方向，但進一步探討仍是巨大挑戰。除DR外，表觀遺傳修飾在糖尿病其他血管并發癥，如心血管、腎臟疾病等的進展中也起到很大作用，且這些方向的研究也已取得了一定進展[13, 64-66]，對DR的機制研究具有一定借鑒參考意義。DNA甲基化，組蛋白轉錄后修飾，ncRNA之間的相互作用也是表觀遺傳調控基因表達的一種方式[67]，有很大的研究空間。曾有文獻報道，鍛煉可以對糖尿病表觀遺傳的改變產生有利影響[68]，進一步探討生活方式的改變是否能改變DR相關表觀遺傳改變非常有意義。通過大樣本對照研究分析表觀遺傳改變在DR不同時期及病變程度時起的作用對DR的發病機制及治療也有很大幫助。另外，新技術如下一代基因測序技術[10]的發展及人類全基因組測序計劃的實施等對表觀遺傳機制的進一步研究提供較大幫助。但如何對這些大量的生物學數據進行分析，建立計算機模型是一個不小的難題。若能充分利用大數據的信息，將有助于對糖尿病及其并發癥發病機制、病理變化有更深入的了解并有利于新的靶向藥物開發，同時對個體化用藥也具有指導作用[16]。