趙 娜（綜述），趙翠萍（審校）

（哈爾濱醫(yī)科大學(xué)附屬第一醫(yī)院心血管內(nèi)科，哈爾濱 150001）

表觀遺傳學(xué)指不改變DNA的一級(jí)結(jié)構(gòu)而改變表型的一種基因表達(dá)調(diào)控機(jī)制，主要包括DNA甲基化、組蛋白修飾、染色體重構(gòu)、RNA干擾等［1］。DNA甲基化是最早發(fā)現(xiàn)的表觀遺傳學(xué)之一，1988年，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)了DNA甲基化相關(guān)的酶及基因，人們開(kāi)始認(rèn)識(shí)到，基因修飾（DNA甲基化）可能對(duì)基因表達(dá)產(chǎn)生影響［2］。從此，DNA甲基化相關(guān)課題的研究逐漸被開(kāi)展起來(lái)。目前大量研究已經(jīng)證實(shí)，DNA甲基化與多種癌癥的發(fā)生和進(jìn)展密切相關(guān)。現(xiàn)就DNA甲基化的相關(guān)研究進(jìn)展予以綜述。

1 DNA甲基化

DNA甲基化指由S-腺苷甲硫氨酸提供甲基，在DNA甲基轉(zhuǎn)移酶的作用下，將CpG二核苷酸的胞嘧啶（C）甲基化為5-甲基胞嘧啶的過(guò)程，其不改變DNA的一級(jí)結(jié)構(gòu)而是調(diào)控組織特異性基因表達(dá)的可逆過(guò)程［3］。在真核生物，DNA甲基化與基因表達(dá)調(diào)控、發(fā)育調(diào)節(jié)、基因組印跡、X染色體滅活、衰老等方面有密切聯(lián)系［3-7］。DNA甲基化主要發(fā)生在 CpG島，CpG島指基因組中富含GC的DNA序列，常成簇存在，多位于基因的啟動(dòng)子區(qū)和第1外顯子區(qū)，長(zhǎng)約1 kb［8-9］。

2 DNA甲基化轉(zhuǎn)移酶

DNA甲基化轉(zhuǎn)移酶（DNA methyltransferases，DNMT）有3個(gè)家族，即 Dnmt1、Dnmt2、Dnmt3，其中 Dnmt3 又包括Dnmt3a、Dnmt3b和Dnmt3L，哺乳動(dòng)物體內(nèi)有 Dnmt1、Dnmt3a和Dnmt3b［10］。

2.1 Dnmt1 Dnmt1包含1573個(gè)氨基酸，相對(duì)分子質(zhì)量為183 000，其C端為保守的催化甲基化反應(yīng)結(jié)構(gòu)域;Dnmt1主要是維持DNA的持續(xù)甲基化狀態(tài)，使DNA分子中未甲基化的那一條子鏈甲基化，從而保持子鏈與親鏈有完全相同的甲基化形式，因此Dnmt1是一種維持甲基轉(zhuǎn)移酶［3］。

2.2 Dnmt3 Dnmt3a和Dnmt3b屬于重新甲基化酶，參與DNA甲基化的從頭合成，即對(duì)沒(méi)有甲基化的DNA鏈進(jìn)行甲基化;Dnmt3L是一種相關(guān)蛋白調(diào)節(jié)因子，本身不具有DNA甲基化功能，但可調(diào)節(jié) Dnmt3a和Dnmt3b的活性，其氨基酸序列與Dnmt3a和Dnmt3b極其相似，但在C端區(qū)域缺少DNA甲基化轉(zhuǎn)移酶活性所必需的相關(guān)物質(zhì)［10］。

3 DNA甲基化的生物學(xué)意義

生理狀態(tài)的DNA甲基化在細(xì)胞分化、基因表達(dá)、胚胎發(fā)育、生長(zhǎng)、遺傳以及機(jī)體免疫調(diào)節(jié)等過(guò)程中起重要作用，而異常的DNA甲基化與多種疾病的發(fā)生、發(fā)展密切相關(guān)（如腫瘤、自身免疫性疾病、糖尿病、心血管系統(tǒng)疾病等）［11］。目前研究較多的有DNA甲基化與腫瘤、DNA甲基化與心血管疾病等。

3.1 DNA甲基化與腫瘤 基因組甲基化異常與腫瘤發(fā)生、發(fā)展一直是醫(yī)學(xué)界研究熱點(diǎn)。1986年，Baglin首次報(bào)道人類(lèi)腫瘤中出現(xiàn)CpG島甲基化水平異常升高［12］，人們開(kāi)始致力于研究與腫瘤相關(guān)的多個(gè)敏感基因的甲基化狀態(tài)。人們發(fā)現(xiàn)，腫瘤細(xì)胞DNA總體甲基化水平低于正常細(xì)胞，但某些特定基因CpG島卻處于高甲基化狀態(tài)［13］。DNA低甲基化使原癌基因激活，癌細(xì)胞異常增殖;而啟動(dòng)子區(qū)CpG島高甲基化則引起基因表達(dá)抑制，使抑癌基因失活，從而促進(jìn)腫瘤的發(fā)生和發(fā)展，因此甲基化被認(rèn)為是腫瘤發(fā)生的另外一個(gè)機(jī)制［14］。DNA甲基化不僅參與細(xì)胞周期、增殖、凋亡、轉(zhuǎn)移的調(diào)控，也參與調(diào)節(jié)腫瘤細(xì)胞的耐藥性及胞內(nèi)信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路［15］。近年來(lái)，人們發(fā)現(xiàn)多個(gè)腫瘤的相關(guān)基因啟動(dòng)子區(qū)甲基化異常，例如，在人類(lèi)肝癌中，甲基化Delta-like 3基因通過(guò)Notch信號(hào)通路抑制肝癌細(xì)胞的生長(zhǎng)［16］，進(jìn)一步證實(shí)DNA甲基化與肝癌有關(guān)系;雌果蠅基因蛋白產(chǎn)物相互作用蛋白1作為生長(zhǎng)因子在抑制腫瘤的發(fā)生中發(fā)揮重要作用，而在肝癌細(xì)胞株中雌果蠅基因蛋白產(chǎn)物相互作用蛋白1啟動(dòng)子發(fā)生了甲基化［17］。這些結(jié)果提示，DNA甲基化機(jī)制參與調(diào)控肝癌的發(fā)生、發(fā)展。Ellinger等［18］對(duì)32例乳頭狀腎細(xì)胞癌組織和15例乳頭狀腎細(xì)胞癌組織相鄰的正常組織進(jìn)行研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)約94.4%的組織中均存在Ras相關(guān)區(qū)域家族1A抗體高甲基化，而Ras相關(guān)區(qū)域家族1A抗體高度甲基化不僅存在于乳頭狀腎細(xì)胞癌，而且在其各個(gè)組織學(xué)亞型中也普遍存在，且腫瘤中抑癌基因高甲基化亦參與腫瘤發(fā)生、發(fā)展的調(diào)節(jié)。另外，人類(lèi)腫瘤中也存在低甲基化現(xiàn)象，包括整體低甲基化水平和個(gè)別基因低甲基化;整體低甲基化水平主要發(fā)生在DNA重復(fù)序列中（微衛(wèi)星DNA、長(zhǎng)散布元件等）［13］。mucin 3A基因在正常組織細(xì)胞不表達(dá)，而在腫瘤中，mucin 3A啟動(dòng)子區(qū)低甲基化和表達(dá)上調(diào)，即mucin 3A基因啟動(dòng)子區(qū)甲基化與其表達(dá)呈負(fù)相關(guān)［19］。在甲狀腺癌的研究中發(fā)現(xiàn)，半乳糖凝集素3基因處于低甲基化狀態(tài)，且在甲狀腺癌中高度表達(dá)，但在正常的甲狀腺組織及良性甲狀腺病變中不表達(dá)或低表達(dá)［20］。DNA甲基化是一個(gè)可逆的過(guò)程，因此利用藥物來(lái)改變細(xì)胞的甲基化水平可能是治療癌癥的一個(gè)新方向。進(jìn)一步闡明腫瘤細(xì)胞特異性DNA甲基化的機(jī)制及與腫瘤發(fā)生、發(fā)展的關(guān)系，將為攻克腫瘤提供新的思路。

3.2 DNA甲基化與心血管疾病 心血管疾病包括冠狀動(dòng)脈疾病、原發(fā)性高血壓、心力衰竭、卒中等。這些疾病的復(fù)雜發(fā)病機(jī)制源于基因及環(huán)境的多樣性，表觀遺傳學(xué)現(xiàn)象越來(lái)越成為研究的主要因素，可能成為疾病的獨(dú)特生物標(biāo)志物。表觀遺傳學(xué)機(jī)制的一個(gè)重要方面是其有潛在可逆性，受營(yíng)養(yǎng)-環(huán)境因素的影響，通過(guò)基因-環(huán)境的相互作用，共同影響心血管疾?。?1-22］。DNA甲基化等表觀遺傳學(xué)機(jī)制調(diào)節(jié)基因表達(dá)已被大家熟知，但表觀遺傳學(xué)在心血管疾病的作用目前還未被深入研究［23］?，F(xiàn)在已有學(xué)者開(kāi)始在這一領(lǐng)域研究其對(duì)心血管疾病發(fā)生、發(fā)展的作用及影響［24］。

3.2.1 DNA甲基化與動(dòng)脈粥樣硬化 動(dòng)脈粥樣硬化是一種慢性炎癥性疾病，由多因素引起，以血管內(nèi)皮功能紊亂、內(nèi)膜下脂質(zhì)沉積、平滑肌細(xì)胞遷移和增殖，以及泡沫細(xì)胞形成為主要特征，累及全身重要器官的動(dòng)脈血管［25］。以動(dòng)脈粥樣硬化為病理基礎(chǔ)的多種疾病，如冠狀動(dòng)脈粥樣硬化性心臟病（冠心?。?、缺血性腦病、腎動(dòng)脈狹窄等，嚴(yán)重威脅人類(lèi)健康，尤其是心腦血管疾病，已成為全球重要的疾病負(fù)擔(dān)［26］，但其發(fā)病機(jī)制尚不完全清楚。目前很多研究發(fā)現(xiàn)，基因DNA甲基化的改變與動(dòng)脈粥樣硬化有密切關(guān)系;Baccarelli等［27］進(jìn)行了一個(gè)人口調(diào)查研究，對(duì)長(zhǎng)點(diǎn)綴核苷酸序列進(jìn)行焦磷酸序列分析顯示，心血管疾病患者的DNA處于低甲基化狀態(tài);進(jìn)一步研究顯示，長(zhǎng)點(diǎn)綴核苷酸序列處于低甲基化的個(gè)體存在缺血性心臟病和卒中的高風(fēng)險(xiǎn);而Hiltunen等［28］報(bào)道，在人類(lèi)、老鼠及兔子的粥樣硬化病變中，全基因組發(fā)生了低甲基化，但全基因組的低甲基化在動(dòng)脈粥樣硬化的形成中是否起作用，目前尚不確定;在小鼠模型中，通過(guò)比較粥樣硬化組及對(duì)照組小鼠的載脂蛋白E對(duì)早期動(dòng)脈粥樣硬化進(jìn)行了評(píng)估，結(jié)果表明，在大動(dòng)脈樣本中發(fā)生了適度但有意義的全基因組低甲基化狀態(tài)。這一發(fā)現(xiàn)領(lǐng)先于動(dòng)脈粥樣硬化其他任一組織學(xué)的證據(jù)，由此推測(cè)，不僅在癌癥中，而且在動(dòng)脈粥樣硬化中，DNA甲基化的變化可能成為疾病的主要表現(xiàn)。Kim等［29］的一項(xiàng)研究中，對(duì)286例新加坡華裔受試者的外周血白細(xì)胞基因組甲基化水平進(jìn)行檢測(cè)并進(jìn)行隨訪5.8年，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，基因組甲基化水平和冠心病及冠心病風(fēng)險(xiǎn)因素呈正相關(guān)。另有學(xué)者研究了心血管動(dòng)脈粥樣硬化組織的雌激素受體β基因啟動(dòng)子的DNA甲基化改變，相對(duì)于正常組，冠狀動(dòng)脈粥樣硬化組表現(xiàn)出高甲基化［30］。另有相關(guān)實(shí)驗(yàn)對(duì)患有動(dòng)脈粥樣硬化癥的絕經(jīng)前女性進(jìn)行研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，雌激素受體表達(dá)降低，且雌激素受體表達(dá)沉默與動(dòng)脈粥樣硬化形成有顯著的相關(guān)性;進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，凝血因子7啟動(dòng)子區(qū)的低甲基化與活化型凝血因子7的高血漿濃度及心血管疾病的高風(fēng)險(xiǎn)有關(guān)系［31］。綜上所述，動(dòng)脈粥樣硬化與基因組DNA甲基化及相關(guān)基因的甲基化模式異常密切相關(guān)。但人們對(duì)DNA甲基化和動(dòng)脈粥樣硬化關(guān)系的研究還處于起步階段，尚需對(duì)遺傳修飾和基因表型的關(guān)系展開(kāi)大規(guī)模研究，以期揭示DNA甲基化在動(dòng)脈粥樣硬化中的作用機(jī)制。

3.2.2 DNA甲基化與心力衰竭 心力衰竭是各種心血管疾病終末階段的臨床綜合征，嚴(yán)重危害人類(lèi)健康。心力衰竭的發(fā)病機(jī)制仍不明確，研究發(fā)現(xiàn)心力衰竭與表觀遺傳學(xué)機(jī)制尤其是DNA甲基化有一定的關(guān)系［32］。肌質(zhì)網(wǎng)鈣ATP酶2a在心肌中的表達(dá)量與心功能的改變呈正相關(guān);肌質(zhì)網(wǎng)鈣ATP酶2a的表達(dá)下降已經(jīng)在心力衰竭患者的心肌組織及心力衰竭動(dòng)物模型中記錄到［33］。研究發(fā)現(xiàn)，腫瘤壞死因子α通過(guò)升高DNA甲基轉(zhuǎn)移酶的水平進(jìn)而提高肌漿網(wǎng)鈣ATP酶2a啟動(dòng)子區(qū)的甲基化水平，從而導(dǎo)致肌質(zhì)網(wǎng)鈣ATP酶2a水平的降低;這一發(fā)現(xiàn)提示，抑制甲基化可能成為治療心功能障礙新的治療策略［32］。擴(kuò)張型心肌病是頻發(fā)性心肌疾病，其流行病學(xué)發(fā)病率約為1∶2500，以充血性心力衰竭和心肌基因表達(dá)改變?yōu)橹饕攸c(diǎn)［34］。目前已經(jīng)發(fā)現(xiàn)其表觀遺傳學(xué)機(jī)制，尤其是DNA甲基化與擴(kuò)張型心肌病的發(fā)生、發(fā)展有聯(lián)系，但并沒(méi)有被廣泛的研究。Koczor等［35］利用相關(guān)技術(shù)檢測(cè)出4個(gè)與擴(kuò)張型心肌病相關(guān)的基因，即細(xì)胞質(zhì)胸苷激酶1、人封閉蛋白5、人極光激酶B和嗜乳脂蛋白9，這4個(gè)基因在擴(kuò)張型心肌病患者的啟動(dòng)子區(qū)發(fā)生高甲基化，然而表達(dá)降低。Haas等［34］利用光學(xué)分析法和亞硫酸氫鹽序列分析法等在擴(kuò)張型心肌病患者中得出，人淋巴細(xì)胞抗原75和腺苷受體A2a甲基化水平發(fā)生了具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義的改變;而兩者的信使RNA表達(dá)水平也相應(yīng)地發(fā)生了改變;在擴(kuò)張型心肌病患者中，人淋巴細(xì)胞抗原75基因甲基化與表達(dá)水平呈負(fù)相關(guān);腺苷受體A2a基因甲基化水平與表達(dá)水平呈正相關(guān);同時(shí)該實(shí)驗(yàn)在活體斑馬魚(yú)擴(kuò)張型心肌病模型中發(fā)現(xiàn)，人淋巴細(xì)胞抗原75和腺苷受體A2a 2個(gè)基因在心力衰竭中起一定的作用，證實(shí)人淋巴細(xì)胞抗原75和腺苷受體A2a在心肌細(xì)胞的表達(dá)下降導(dǎo)致心力衰竭。Movassagh等［21］最近研究示，心肌病患者心肌組織和正常對(duì)照組心肌組織中存在甲基水平化的不同。以上研究均提示DNA甲基化與擴(kuò)張型心肌病心力衰竭有一定的關(guān)系。此外，有學(xué)者利用高通量技術(shù)方法比較心力衰竭患者和對(duì)照組左心室組織的基因組甲基化情況，研究顯示，心力衰竭組血小板內(nèi)皮細(xì)胞黏附分子1和Angiomotin-like2的基因表達(dá)均下降，伴隨血小板內(nèi)皮細(xì)胞黏附分子1啟動(dòng)子區(qū)高甲基化和Angiomotin-like2啟動(dòng)子區(qū)低甲基化，小鳥(niǎo)苷酸三磷酸酶激活蛋白24抗體啟動(dòng)子區(qū)高甲基化和基因表達(dá)水平也升高;這些結(jié)果顯示，心力衰竭患者中可能存在甲基化相關(guān)調(diào)控基因表達(dá)的表觀遺傳學(xué)機(jī)制［21］。以上研究均提示，DNA甲基化與心力衰竭可能存在相關(guān)性。

3.2.3 DNA甲基化與其他 在高血壓、先天性心臟病等疾病中也存在DNA甲基化現(xiàn)象（如高血壓患者中11-a羥基類(lèi)固醇脫氫酶2基因的啟動(dòng)子區(qū)為高甲基化狀態(tài)）。Lee等［36］發(fā)現(xiàn)，鈉-鉀離子轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白1（NKCC1）在原發(fā)性高血壓疾病的老鼠及對(duì)照組Wistar東京大鼠的主動(dòng)脈及心臟中處于低甲基化狀態(tài)，其基因表達(dá)水平也升高，這一發(fā)現(xiàn)提示，在高血壓疾病中，基因甲基化可調(diào)控基因轉(zhuǎn)錄水平;同時(shí)還研究了繼發(fā)性高血壓NKCC1的表觀遺傳學(xué)調(diào)控，證實(shí)在原發(fā)性高血壓病鼠類(lèi)模型中NKCC1通過(guò)其啟動(dòng)子區(qū)表達(dá)低甲基化而使其上調(diào)。另有學(xué)者在最近研究的低蛋白飲食相關(guān)的DNA甲基化中發(fā)現(xiàn)，甲基化的X-受體基因與膽固醇及脂肪酸的新陳代謝控制有關(guān)系，這一基因可以列為心血管疾病的風(fēng)險(xiǎn)［37］。此外，先天性心臟病中同樣存在DNA甲基化現(xiàn)象［38］。

4 小結(jié)

近年來(lái)，隨著DNA甲基化檢測(cè)技術(shù)的不斷發(fā)展和完善，人們逐步認(rèn)識(shí)到差異性DNA甲基化在基因調(diào)控、蛋白質(zhì)表達(dá)、胚胎發(fā)育、個(gè)體生長(zhǎng)中起重要作用，并且在腫瘤疾病中的研究已得到肯定。目前人們正致力于研究DNA甲基化與其他常見(jiàn)疾?。ㄈ缧难芗膊?、糖尿病等）的聯(lián)系，并取得很大進(jìn)展。這些進(jìn)展為臨床更好地認(rèn)識(shí)疾病的發(fā)生、發(fā)展，解決治療上遇到的問(wèn)題開(kāi)辟了一條新的道路。

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