肥胖是一种全球范围的流行病，已成为最严重的卫生保健问题之一。肥胖是由摄入高能量食物之后，过多脂肪沉积导致的[1]。肥胖会产生多种病理后果，如胰岛素抵抗[2]、2型糖尿病[3]、代谢功能障碍[4]和心血管损伤[5]。这些疾病严重影响机体健康。遗传因素在决定个体对肥胖性状的易感性方面发挥作用，全基因组关联分析研究确定的基因位点仅解释疾病的部分遗传能力，如肥胖的遗传力不到2%[6]。表观遗传学研究在不影响基因组序列的情况下调节基因功能的可遗传和可逆现象，它代表基因组和环境之间的逻辑接口[7]。DNA甲基化是表观遗传领域主要研究内容，已被报道参与哺乳动物基因组功能调控，在哺乳动物的生长发育及能量代谢等过程发挥重要作用[8]。文章概述DNA甲基化及其在哺乳动物脂肪沉积及肥胖表型中的调控作用，为相关研究提供参考。1DNA甲基化及其作用机制DNA甲基化是一种典型的表观遗传标记，是在基因组DNA内胞嘧啶的共价修饰，涉及甲基（-CH3）共价加到胞嘧啶的5号碳原子上，形成5-甲基胞嘧啶[9]。DNA甲基化在脊椎动物中主要发生在胆碱磷酸甘油酯（CpG）二核苷酸上，且与基因转录抑制有关[10]。DNA甲基化过程中，甲基基团的供体是s-腺苷蛋氨酸（s-adenosyl methionine，SAM），甲基供应主要取决于膳食中甲基的摄入与甲基的利用，主要来源是蛋氨酸、胆碱、甜菜碱和维生素B2、B6和B12[11]，它们在不同的位点进入蛋氨酸循环，参与s-腺苷蛋氨酸的合成[12]。DNA甲基化一般发生在CpG位点，但在非CpG位点也会发生少量的甲基化，非CpG甲基化主要在人类胚胎干细胞和大脑中发现。哺乳动物的大部分CpG位点容易发生甲基化，而未甲基化的CpG成簇地形成CpG岛，大多数的CpG岛位于基因启动子区域，但在启动子区域的CpG岛通常是没有被甲基化的，CpG岛主要维持活性基因的转录。当启动子区DNA的CpG岛被甲基化后，蛋白不能结合DNA，进而使转录沉默，基因不表达。一般高甲基化与转录抑制相关，低甲基化与转录激活相关[13]。一些研究表明，启动子调控区域外的CpG位点的甲基化也参与一些特殊组织的基因转录[14]。哺乳动物DNA甲基化模式的建立和维持通过甲基转移酶DNMT1、DNMT3A和DNMT3B完成。细胞分裂过程中，DNA甲基转移酶DNMT1使DNA甲基化模式稳定维持，且在细胞世代中持续存在[15]。DNA甲基转移酶是一种保护酶，通过对半甲基化DNA的偏好来保护已有的甲基化位点[16]。DNA甲基转移酶DNMT3A和DNMT3B是从头甲基转移酶，通过作用于之前未甲基化的CpG二核苷酸胞嘧啶发挥功能作用。这些酶对半甲基化和未甲基化的DNA具有同等的偏好，且在基因组的重新甲基化发挥重要作用[17]。细胞对DNA甲基化信号的解释涉及两种不同的途径。第一种途径涉及methyl-CpG结合蛋白（MeCPs）的募集，这些蛋白将具有组蛋白去乙酰化酶活性的蛋白复合物靶向结合到附近的基因上，以沉默基因转录[18]。DNA甲基化的另一种途径是直接干扰转录因子的结合[19]。DNA甲基化在基因沉默、防止假性重复元件活性、有丝分裂期间基因组稳定性和母系印迹等方面发挥重要作用。但是异常的DNA甲基化会导致多种疾病的发生，包括癌症、自身免疫性疾病、代谢紊乱和神经缺陷[20-21]。在许多生物过程中，DNA甲基化的调节是至关重要的，如脂肪沉积，动物脂肪沉积是脂肪细胞增殖分化和肥大的结果，DNA甲基化可以调控脂肪形成过程中相关基因的表达而参与脂肪细胞分化和脂肪组织的生长发育[22]。2DNA甲基化标记与哺乳动物肥胖及脂肪沉积基于DNA甲基化等非细胞核分子标记的功能作用，表观遗传学认为，环境因素改变了肥胖及其并发性疾病相关的基因表达[23]。细胞活动中基因表达的表观遗传调控部分可能是DNA甲基化的改变导致的重要代谢途径异常，从而增加肥胖及其并发性疾病的易感性。肥胖会改变骨骼肌的DNA甲基化，肥胖个体的骨骼肌甲基化模式与瘦人相比存在差异，这与骨骼肌线粒体氧化和线粒体数量的改变有关[24]。运动训练也被证明可以改变与胰岛素敏感性相关的表观遗传修饰，改善肥胖及其线粒体功能[25]。DNA甲基化与哺乳动物体重调节有关，它参与体重相关的功能，如食欲、肥胖、脂肪形成、葡萄糖和脂质代谢[26]。肥胖可以用身体质量指数（Body Mass Index，BMI）评估[27]，一项关于Illumina 450k全血DNA甲基化和肥胖相关性研究确定了94个CpG位点与BMI相关，这些位点解释肥胖性状26%的遗传力[28]。在对CD4+T细胞DNA甲基化研究中，发现有8个CpG位点与BMI有关，其中有4个CpG位点注释到CPT1A、CD38和PHGDH。CPT1A会影响长链脂肪酸氧化启动，参与肉碱依赖的线粒体膜转运，CPT1A还参与控制空腹甘油三酯(TG)和极低密度脂蛋白(VLDL)水平[29]。此外，DNA甲基化在脂肪形成的过程中发挥重要作用。DNA甲基化在前体细胞向脂肪细胞系得承诺中发挥了作用[30]，如用DNA甲基化抑制剂治疗小鼠成纤维细胞可以诱导细胞向脂肪谱系分化[31]。脂肪沉积是一个极其复杂的生物学过程，受相关转录因子及其网络得调控作用。在众多转录因子中起关键作用的是过氧化物酶增殖物激活受体γ（peroxisomeproliferator-activated receptor γ，PPARγ）和CCAAT增强子结合蛋白家族（CCAAT enhancer binding protein family，CEBPs）。DNA甲基化可以调控脂肪沉积相关基因的表达[32]。以猪脂肪组织为研究对象，利用MeDIP-Seq技术检测脂肪组织的甲基化水平，发现不同个体得甲基化水平存在差异，脂肪沉积能力越强的猪甲基化水平越低，即脂肪沉积能力与甲基化水平呈负相关[33]。除血细胞的甲基化水平与肥胖有关，其他组织和体液的甲基化也与肥胖有关[34]。肥胖人群的白色脂肪组织中β-3肾上腺素受体基因的高甲基化与内脏肥胖的易感性增加和身体脂肪分布的改变有关[35]。以50名肥胖与非肥胖儿童的唾液为研究对象，发现NAV3与MC2R基因的甲基化水平与BMI相关[36]。对儿童的唾液样本进行全基因组关联分析，发现17个CpGs与其母亲BMI相关，说明肥胖现象具有代际传递[37]。以上研究均表明，唾液样本可以作为预测肥胖的一种探针，对家畜日增重研究提供思路。蛋氨酸（L-Methionine，MET）作为一种非常重要的甲基供体，通过产生SAM使DNA甲基化，对后代产生重要的影响。妊娠后期母牛分别饲喂正常的饲料和加瘤胃保护MET的对照饲料，取犊牛不同生长时期的肝脏样本进行代谢组学、实时荧光定量PCR和酶活性分析，发现提供MET饲料的犊牛有较高的出生重，并且在出生后前9周体重增重明显，但日采食量和平均日增重在组间没有发现差异[38]。在MET犊牛中，采食量上没有差异，但在MET犊牛体内较高浓度的三羧酸循环中间产物富马酸和谷氨酸以及NAD/NADH表明能量代谢率提高。在第4 d和第14 d，MET犊牛的DNA甲基转移酶3（参与新生甲基化）的mRNA丰度更高，因此检测到母体饮食与时间的相互作用。妊娠后期增加对牛的Met供给可促进小牛的肝脏代谢。这些改变可能会提高营养利用效率，使小牛在快速生长发育期间获得生理优势。3线粒体DNA甲基化修饰及其与能量代谢及肥胖的关系线粒体是产生能量的主要细胞器之一，具有自己的一套基因组，即线粒体DNA（Mitochondrial DNA，MtDNA）。线粒体DNA存在于线粒体基质或线粒体内膜中，具有重链（H）或轻链（L）环状结构，线粒体DNA（MtDNA）有16 569个碱基对，编码37个基因[39]，有3个启动子区域，可以同时转录多个基因产生多顺反子转录。线粒体DNA甲基转移酶1（Mitochondrial DNMT1，mtDNMT1）的发现表明，mtDNA经历了甲基化。mtDNA甲基化可以在不改变DNA序列的情况下影响基因转录活性。mtDNMT1在线粒体基质中mtDNA甲基化的表观遗传机制以及mtDNA甲基化的维持和线粒体基因表达调控中发挥重要作用[40]。MtDNMT1通过MtDNMT1与D-loop控制区结合，携带启动子驱动两条链的转录来调控线粒体基因的表达。mtDNMT1在mtDNA甲基化和表达中的核心作用可以受大量线粒体内或线粒体外细胞核因素的影响。线粒体功能障碍会引发诸多代谢性疾病，如肥胖[41]、神经退行性疾病[42]等。mtDNA甲基化与早期胰岛素敏感性和BMI相关，其分子机制复杂[43-44]。胰岛素信号作为主要的代谢平台和对治疗的反应，调节线粒体上基因的信号轴。mtDNA D-loop区主要基因甲基化在线粒体NADH脱氢酶6的协助下发生，线粒体NADH脱氢酶6是引起胰岛素敏感性的主要因素[45]。胰岛素抵抗与线粒体NADH脱氢酶6和D-loop区DNA甲基化有关，可以影响sirtuin-1活性和sirtuin-1介导的DNMT1去乙酰化过程，导致DNMT1活性和基因表达的改变[46]。此外，mtDNA拷贝数的减少与肥胖个体的胰岛素抵抗有关，可能由D-loop区主要基因的甲基化增加所致。线粒体D区域控制mtDNA的复制和转录，显示在肥胖患者中DNA甲基化增加，mtDNA复制数量减少。此外，Lee等[47]研究9 494例健康青年外周血mtDNA拷贝数与内脏脂肪积累之间的关系，发现mtDNA拷贝数与内脏脂肪面积呈负相关。随着对mtDNA甲基化在机体中的作用的进一步了解，它可能成为疾病检测和诊断的一个有用的生物标志物。目前，线粒体甲基化主要集中在人类肥胖研究中，但在动物上报道较少。4甲基化介导肥胖表型的代际遗传子宫内环境可显著的改变胎儿的基因组表达方式，对胎儿的生长和肥胖具有促进或抑制作用。在子宫内，肥胖母亲会改变DNA甲基化模式，同时增加后代对肥胖的易感性[24]。妊娠期肥胖可能会使血脂增加，胎儿接触过多的血脂会激活促炎途径，影响底物的代谢和线粒体代谢，以及影响干细胞的正常功能，进而影响胎儿器官的正常发育。胎儿作为一个新的生命体，具有很大的可塑性，会通过表观遗传修饰改变基因表达水平，从而适应环境因素带来的改变。父亲的健康状况会影响到后代的健康，如肥胖的父亲更有可能生出肥胖的孩子，父亲的参与影响雌性后代的葡萄糖稳态和胰岛功能的寿命[48-49]。肥胖会损害雄激素分泌、新陈代谢和精子功能，通过精子氧化应激和线粒体功能障碍损害雄性后代的生殖潜力[50]。在家畜中肥胖也会对后代产生影响。妊娠期母羊肥胖导致母羊高血糖和高胰岛素血症，肥胖母羊产下的羊羔会表现出更显著的肥胖及胰岛素和葡萄糖升高，而瘦母羊新生的羊羔表现出产后瘦素峰值消失，可能与妊娠后期的食欲有关[49]。肥胖动物与瘦动物在脂肪沉积和脂肪酸合成方面表现出差异。Zhang等[51]比较全基因组DNA甲基化对长白猪和荣昌猪脂肪酸代谢的影响，发现长白猪多不饱和脂肪酸含量高于荣昌猪皮下脂肪，但脂肪细胞体积却低于荣昌猪皮下脂肪。在基因组水平上，长白猪背脂的整体DNA甲基化水平高于荣昌猪背脂，在启动子区共有483个差异甲基化区（DMRs），主要影响嗅觉和感觉活动及脂质代谢等生物学过程。牛亲本肥胖也会对后代犊牛健康产生影响，在体外卵母细胞成熟过程中加入胰岛素（0.1 g/mL INS0.1或10 g/mL NS10)，发现胰岛素处理的卵母细胞产生的囊胚与未处理的对照囊胚有显著差异。在INS0.1和INS10两个胰岛素组中差异甲基化区域有3 233个探针重叠，与脂质代谢、线粒体功能等相关的基因在表观和转录水平受到了影响。母体营养不良或限饲同样会对后代产生不良影响。妊娠前3个月限制饮食（60%的孕期能量需求，不影响后代增长）的母牛与营养充足的牛相比，妊娠早期营养不足的牛不会影响胎儿的出身体重、身体生长，但会导致雌性后代的卵泡储备更小，即会影响雌性后代的生殖能力，因为雌性哺乳动物的生殖能力由新生儿时期卵巢发育的原始卵泡的数量和质量决定的[52]。DNA甲基化参与细胞新陈代谢活动以及众多代谢调控过程，与孕期胎儿发育及生殖能力、肌肉生长发育和脂肪沉积等经济性状密切相关[53]。鉴于甲基化重要的生物学调控作用，DNA甲基化作为一种新的分子遗传标记将在动物遗传育种中具有十分重要的应用价值。5展望过多的脂肪沉积及肥胖与遗传和环境因素有关。表观遗传修饰作为两者之间连接的中介，成为研究的热点，为进一步了解肥胖及脂肪沉积的发病机制研究提供思路。生物机体是各种代谢及生物学过程相互作用的场所。DNA甲基化是否参与其他分子调控或代谢过程，如通过肠道菌群介导营养吸收及脂肪沉积等，将是后续研究中关注的重点。为了迎接DNA甲基化研究带来的挑战，新的三代测序技术、单细胞技术应用及三维基因组等技术的应用为该领域提供更多可行且开阔的研究思路及技术方案。