于文磊，陸林杰，徐佳苗，錢祁瑋綜述，劉 辰審校

阿爾茨海默氏病(Alzheimer’s disease，AD)是一種常見的神經(jīng)退行性疾病，以漸進性記憶障礙、認知功能障礙、人格改變以及語言障礙等神經(jīng)精神癥狀為主要特征[1]。AD主要分為家族性AD(Familial AD，F(xiàn)AD)和散發(fā)性AD(Sporadic AD，SAD)，其中SAD約占AD總數(shù)的95%[2]。

AD是由遺傳和非遺傳因素相互作用而引起的復(fù)雜性疾病。發(fā)生AD的風(fēng)險中約70%歸因于遺傳學(xué)[3]。同時，非遺傳因素也參與了疾病的發(fā)展：美國國立衛(wèi)生研究院強調(diào)約三分之一的AD發(fā)生歸因于如糖尿病、吸煙、和飲食不良等風(fēng)險因素；此外，空氣污染、鋁暴露和顱腦外傷等環(huán)境因素以及相關(guān)并發(fā)癥也與AD發(fā)生有關(guān)[4]。

表觀遺傳學(xué)是指表觀遺傳修飾與基因表達和分化的調(diào)節(jié)以及基因活性或細胞表型的遺傳變化相關(guān)，而無需改變DNA序列[5]。表觀遺傳學(xué)介導(dǎo)遺傳因素與非遺傳因素的相互作用，并提供機制相關(guān)分析解釋，有助于對AD發(fā)病機制的理解。本文就表觀遺傳學(xué)在AD中的作用及相關(guān)發(fā)現(xiàn)進行總結(jié)，并延伸討論。

1 主要表觀遺傳機制簡介

主要的表觀遺傳機制包括DNA甲基化、組蛋白修飾和非編碼RNA分子介導(dǎo)的基因表達調(diào)控。表觀遺傳機制的各個組成部分之間的高度相互聯(lián)系并受到各種非遺傳因素的影響[6]。DNA甲基化是脊椎動物基因組的主要表觀遺傳修飾，其表現(xiàn)為基因組胞嘧啶的共價修飾，在脊椎動物中主要發(fā)生在CpG二核苷酸上，能夠編碼環(huán)境因素對終身持續(xù)行為特征的影響。CPG二核苷酸也位于重復(fù)序列或著絲粒序列中，參與維持染色體穩(wěn)定性和防止易位事件[7]。

真核DNA包裹在核心組蛋白(H2A、H2B、H3和H4)周圍，并結(jié)合于染色質(zhì)中[8]。組蛋白的N末端歷經(jīng)翻譯后修飾，包括乙?；?、甲基化、磷酸化、泛素化、SUMO化、ADP核糖基化和脫氨基，從而影響染色質(zhì)的緊密度和可及性[9]。

非編碼RNA(Noncoding RNAs，ncRNAs)，包括微RNA(Micro RNAs，miRNAs)、長非編碼RNA(Long Noncoding RNAS，lncRNAs)和環(huán)狀RNA(Circular RNAs，circRNAs)，在表觀遺傳調(diào)控、基因組印跡、核和細胞質(zhì)運輸、基因轉(zhuǎn)錄和剪接上有著功能性作用，其調(diào)控機制幾乎涉及例如增殖、分化、和免疫反應(yīng)等所有細胞過程[10]。

2 AD中表觀遺傳學(xué)研究現(xiàn)狀

2.1 AD中的DNA甲基化 表征最好的DNA甲基化過程是在CpG二核苷酸背景下形成5-甲基胞嘧啶(5-mC),而中樞神經(jīng)系統(tǒng)富含5-mC，提示甲基化可能參與AD的發(fā)展[7]。不同階段AD小鼠模型的大腦皮質(zhì)的基因組5-mC含量，表明DNA甲基化在AD早期起到一定作用[11]。

研究表明多個基因的遺傳多態(tài)性與AD風(fēng)險增加相關(guān)[12]。針對AD死后大腦(PMB)中APOE基因 DNA甲基化的分析研究表明，AD腦的非神經(jīng)元細胞主要由神經(jīng)膠質(zhì)組成，是導(dǎo)致AD PMB中APOE DNA甲基化程度降低的主要因素，說明APOE可能作為AD風(fēng)險的強影響因素[13]。從對在世的AD患者的血液DNA的研究中也得到了類似的結(jié)果，但至今沒有明確的證據(jù)表明AD腦區(qū)的表觀遺傳模式因這些基因的影響而發(fā)生改變[14]。通過對AD不一致的雙胞胎的外周血進行檢測，其DNA甲基化差異具有作為疾病標記物的潛質(zhì)；但目前的研究仍未發(fā)掘出AD和對照受試者的血液DNA中甲基化程度不同的組分[15]。同時有研究表明，在3個大腦區(qū)域的健康和AD腦組織中，兩個分子伴侶HSPA8和HSPA9的啟動子DNA甲基化水平具備顯著差異，提示相關(guān)基因及其甲基化修飾可能參與了AD發(fā)病機制[16]。

綜上，目前的多數(shù)研究表明在AD患者和對照組之間存在甲基化的差異，AD病理特征與DNA特異性甲基化改變之間也有一定的相關(guān)性。

2.2 線粒體表觀遺傳學(xué)與AD 研究表明，AD患者的線粒體與健康線粒體相比，存在結(jié)構(gòu)差異和功能缺陷，線粒體可以介導(dǎo)甚至可能引發(fā)AD中的病理分子級聯(lián)反應(yīng)[17]。AD表現(xiàn)出的氧化損傷水平大大超過了老年人的氧化損傷水平，而結(jié)構(gòu)和功能受損的線粒體更擅長產(chǎn)生活性氧[18]。針對AD患者腦部提取組織的研究發(fā)現(xiàn)，線粒體DNA(mtDNA)氧化損傷多發(fā)生于頂葉，表現(xiàn)出早期且持續(xù)的低代謝，可推測AD的氧化損傷有利于mtDNA突變，細胞通過逆行反應(yīng)來響應(yīng)線粒體功能障礙，其中涉及真核起始因子-激活轉(zhuǎn)錄因子-C/EBP同源蛋白(CHOP)綜合應(yīng)激反應(yīng)(ISR)[19]。已有研究顯示AD和輕度認知障礙患者血液中核編碼的氧化磷酸化(OXPHOS)亞基和線粒體編碼的OXPHOS基因翻譯所需的亞基的表達減少，這很可能會產(chǎn)生有害的活性氧[20,21]。綜上所述，AD患者的線粒體功能障礙目前正逐步成為該疾病的標志之一。

2.3 AD中的組蛋白尾部修飾 組蛋白修飾過程中的兩種重要途徑(乙?；兔撘阴；?分別通過兩種酶進行，即組蛋白脫乙酰酶(Histone Deacetylases，HDACs)和組蛋白乙酰轉(zhuǎn)移酶(Histone Acetylases，HATs)[22]。為了探究HDACs在AD發(fā)病過程中有何變化，Anderson等利用AD的小鼠大腦模型觀察到HDAC3、HDAC4、HDAC5和HDAC6濃度顯著增加，HDAC1和HDAC2濃度減少[23]。

由于HDACs的作用，科學(xué)家猜測HDAC抑制劑(HDAC inhibitors，HDACIs)可能是治療神經(jīng)破壞性疾病的潛在治療劑[24]。小鼠模型顯示HDACi的表觀遺傳藥物在對抗神經(jīng)病理和認知障礙方面的具有潛在作用[25]。Pan-HDACi[伏立諾他(SAHA)]，煙酰胺與依賴鋅的HDAC蛋白(Ⅰ、Ⅱ和Ⅳ類)相互作用可影響Aβ斑的形成或tau過度磷酸化，參與AD的形成[26]。多項報告顯示，用HDACi抑制劑(白藜蘆醇和其他長壽因子sirtuin激活劑)可用于治療AD[24]。

2.4 AD中的ncRNAs 目前分子、細胞、生理和流行病學(xué)水平的研究已經(jīng)確定ncRNAs參與AD的3個主要致病特征-Aβ斑塊的形成，Tau的磷酸化以及炎性區(qū)的建立[27]。特定的miRNA在中樞神經(jīng)系統(tǒng)(Central Nervous System，CNS)中表達，調(diào)控大腦和神經(jīng)元發(fā)育，與神經(jīng)退行性疾病相關(guān)。AD患者的顳葉前皮中，miRNA-19b、miRNA-485-5p在嗅球和海馬中下調(diào)，并靶向調(diào)節(jié)BACE-1，是AD診斷的重要標志之一[28]。除miRNAs外，其他ncRNAs也與AD的發(fā)病有關(guān)。例如，在LncRNAs中，BACE1-AS、51A、17A、NDM29直接或間接促進Aβ的形成或增加Aβx-42/Aβx-40的比率[29]。研究同時發(fā)現(xiàn)，與年齡相關(guān)的神經(jīng)系統(tǒng)疾病中circRNA水平顯著提高，提示circRNA參與AD形成發(fā)展機制的可能[30]。

2.5 結(jié)論 AD是一種進行性的神經(jīng)退行性疾病，多項流行病學(xué)研究表明，環(huán)境改變與AD的發(fā)生風(fēng)險增加有關(guān)[4]。同時，研究發(fā)現(xiàn)環(huán)境誘導(dǎo)的表觀遺傳學(xué)(腦區(qū)和外周淋巴細胞)改變，會引起炎癥反應(yīng)，激活腦內(nèi)的小膠質(zhì)細胞，擴大中樞神經(jīng)炎癥，加重AD的發(fā)展[31]。

大多數(shù)研究AD中潛在表觀遺傳學(xué)改變的研究都是基于相關(guān)性的，這些相關(guān)性尚不能反映因果關(guān)系。因此，尚不清楚表觀遺傳修飾是改變?nèi)旧|(zhì)行為，還是僅僅是附近發(fā)生其他過程的結(jié)果。盡管存在這些限制，但明朗的是，通過修飾染色質(zhì)結(jié)構(gòu)，表觀遺傳機制可以塑造基因組可及性，從而對基因轉(zhuǎn)錄產(chǎn)生影響[32]。從這個意義上說，表觀遺傳學(xué)可以相當于“U盤”模式，存儲持久的信息，并提供一個平臺來累積隨著時間推移的變化，從而改變某些基因的表達概率，進而可能誘發(fā)或加速AD的發(fā)作和發(fā)展。

3 討論與展望

總之，表觀遺傳通路受損在AD發(fā)病機制中起著關(guān)鍵作用，包括DNA甲基化、組蛋白修飾和ncRNAs表達的異常，可以增加外周和中樞的炎癥和氧化應(yīng)激的水平，從而加劇神經(jīng)元的喪失以及與AD相關(guān)的學(xué)習(xí)和記憶功能的缺陷。

此外，表觀遺傳機制可能由新的標志物執(zhí)行，如DNA甲基轉(zhuǎn)移酶(DNMT1和DNMT3B)、5-甲基胞嘧啶核苷(5-mC)、5-羥甲基胞苷(5-hmC)及miRNA誘導(dǎo)的沉默復(fù)合體，這些標志物似乎在年齡匹配與神經(jīng)細胞運行中具有重要作用[33]。研究證明，組蛋白甲基化和乙酰化增加對AD的認知功能產(chǎn)生負面影響，但其分子信號通路仍為未知，相關(guān)機制需要進一步研究[34]。就目前而言，由于缺乏基因座特異性，基于表觀遺傳學(xué)的治療可能會影響許多靶標，因此在臨床上表觀遺傳學(xué)暫不能用作改善AD的潛在治療策略。

在未來，可能隨著基因分型陣列，下一代測序、質(zhì)譜技術(shù)和生物信息學(xué)的發(fā)展，使得能夠同時大規(guī)模研究基因組學(xué)、表觀基因組學(xué)、轉(zhuǎn)錄組學(xué)、代謝組學(xué)和蛋白質(zhì)組學(xué)，并可能集成多種類型的組學(xué)數(shù)據(jù)，將會改變了研究AD的方法，從而形成一種新型工具來研究AD中幾種分子途徑與其他病理之間的關(guān)系，并發(fā)現(xiàn)新型診斷性生物標志物或藥物。