DNA甲基化與阿爾茨海默病的關(guān)系

孟祥宏 王 蓉 (首都醫(yī)科大學(xué)宣武醫(yī)院中心實(shí)驗(yàn)室 北京市老年病醫(yī)療研究中心，北京 100053)

DNA甲基化與阿爾茨海默病的關(guān)系

孟祥宏 王 蓉 (首都醫(yī)科大學(xué)宣武醫(yī)院中心實(shí)驗(yàn)室 北京市老年病醫(yī)療研究中心，北京 100053)

DNA甲基化;阿爾茨海默病;β-淀粉樣肽;SAM/HCY循環(huán);氧化應(yīng)激

DNA甲基化在細(xì)胞分化、機(jī)體的發(fā)育成熟以及老化過程中具有重要的調(diào)節(jié)作用。DNA甲基化的異常會(huì)導(dǎo)致年齡相關(guān)疾病的發(fā)生，阿爾茨海默病(AD)就是其中之一。一方面，導(dǎo)致AD發(fā)病的相關(guān)基因 β-淀粉樣前體蛋白(β-APP)裂解酶(BACE)等低甲基化，表達(dá)增加;另一方面，抑制AD發(fā)病的基因(如NEP等)高度甲基化，表達(dá)減少，造成β-淀粉樣肽(Aβ)過量產(chǎn)生和沉積。S-腺苷甲硫氨酸(SAM)是體內(nèi)主要的甲基供體，SAM/同型半胱氨酸(HCY)循環(huán)障礙，常導(dǎo)致DNA甲基化異常，促進(jìn)AD的發(fā)生。DNA的氧化性損傷對(duì)于神經(jīng)元的功能和存活是極其有害的，而DNA甲基化異常加劇DNA的氧化性損傷，阻止DNA修復(fù)。本文就DNA甲基化與AD的關(guān)系作一綜述。

1 DNA 甲基化與老化

老化是指隨著年齡增長而產(chǎn)生的一系列解剖學(xué)和生理生化方面的變化，引起機(jī)體對(duì)內(nèi)外環(huán)境的適應(yīng)力的逐漸減退。特定基因突變?cè)隗w細(xì)胞中積累所引起的基因產(chǎn)物的功能缺失，被認(rèn)為是導(dǎo)致老化和老化相關(guān)疾病的主要因素〔1〕，而在細(xì)胞分化過程中，酶促的DNA甲基化反應(yīng)通過將甲基化的胞嘧啶轉(zhuǎn)變?yōu)樾叵汆奏な腔蛲蛔冏钪饕脑颉Ｋ訢NA甲基化作為一種分子機(jī)制是生物進(jìn)化與細(xì)胞老化過程中突變累積的前提。既往的體外和動(dòng)物實(shí)驗(yàn)已經(jīng)表明，基因組DNA甲基化水平隨著細(xì)胞的衰老和機(jī)體的老化而減低，而對(duì)正常老年人的隊(duì)列研究也顯示，基因組DNA甲基化水平隨著年齡增長而降低〔2〕，因此，基因組DNA甲基化水平可能是機(jī)體衰老的生物學(xué)指標(biāo)之一。眾所周知，DNA的甲基化是調(diào)節(jié)基因表達(dá)的表觀遺傳學(xué)機(jī)制之一，在機(jī)體的發(fā)育過程中，通過調(diào)節(jié)特定基因在特定時(shí)間、特定階段的表達(dá)，促進(jìn)細(xì)胞的分化和組織器官的形成。機(jī)體成熟以后，DNA的甲基化則保持動(dòng)態(tài)的平衡，維持正常的生理功能。哺乳動(dòng)物的老化過程總是伴隨著DNA甲基化的數(shù)量和模式的改變，常常表現(xiàn)為總DNA甲基化水平的降低和特異基因甲基化水平的增高。DNA甲基化異?？赡茉斐衫匣嚓P(guān)疾病的發(fā)生，如惡性腫瘤，自身免疫疾病，神經(jīng)退行性疾病等等。因此，老化伴隨著DNA的甲基化的改變，而DNA甲基化的改變也能影響老化的進(jìn)展。

2 DNA甲基化與AD

AD是一種常見的神經(jīng)元退行性疾病，病理特征主要表現(xiàn)為細(xì)胞外的Aβ沉積和細(xì)胞內(nèi)的神經(jīng)原纖維纏結(jié)(NFT)。盡管已經(jīng)陸續(xù)發(fā)現(xiàn)幾種基因突變與AD的發(fā)病有關(guān)〔3〕，但超過85%的病例都是散發(fā)性的。由于AD的發(fā)病機(jī)制復(fù)雜、疾病進(jìn)程各異，尤其是AD的遲發(fā)性特點(diǎn)，表明環(huán)境和表觀遺傳學(xué)因素在AD的發(fā)病中扮演了重要的角色。

表觀遺傳學(xué)是指在沒有改變DNA序列的情況下對(duì)調(diào)節(jié)基因的表達(dá)，主要有幾種形式:DNA的甲基化/去甲基化;組蛋白的修飾(乙酰化/去乙?；谆?去甲基化，磷酸化/去磷酸化);ATP介導(dǎo)的染色體重構(gòu)。盡管表觀遺傳學(xué)機(jī)制對(duì)于一些生理和病理過程的作用已經(jīng)被人們所熟知，但直到近些年，表觀遺傳學(xué)在老化和神經(jīng)退行性疾病中的作用才引起人們的注意。DNA的甲基化，作為表觀遺傳的主要機(jī)制之一，在AD的發(fā)病中作用，逐漸成為研究的熱點(diǎn)之一〔4〕。

2.1 Aβ、DNA甲基化與AD生理情況下，Aβ產(chǎn)生和清除處于平衡狀態(tài)，低濃度的Aβ不表現(xiàn)出神經(jīng)毒性。病理狀態(tài)下，Aβ形成致密的纖維狀聚合體，在神經(jīng)組織中沉積，通過誘導(dǎo)神經(jīng)細(xì)胞凋亡〔5，6〕、突觸的功能障礙和丟失〔7〕，促進(jìn)隔-海馬膽堿能神經(jīng)系統(tǒng)損害;還可以通過誘導(dǎo)產(chǎn)生活性氧自由基(ROS)等多種作用導(dǎo)致神經(jīng)細(xì)胞的丟失減少，最終導(dǎo)致AD患者學(xué)習(xí)記憶功能的喪失〔8〕。

Chen等〔9〕人研究發(fā)現(xiàn)，Aβ1-40通過表觀遺傳學(xué)機(jī)制，能夠?qū)κ箢惔竽X內(nèi)皮細(xì)胞的總DNA和中性內(nèi)肽酶(NEP)基因的甲基化狀態(tài)產(chǎn)生影響。他們應(yīng)用高效液相色譜法(HPLC)、甲基化特異性PCR(MSPCR)等技術(shù)發(fā)現(xiàn)，Aβ1-40處理的鼠類大腦內(nèi)皮細(xì)胞中，總DNA的甲基化減低，而NEP基因甲基化水平增高，NEP的mRNA和蛋白質(zhì)含量下降。總DNA甲基化水平的降低，可能引起一些與AD密切相關(guān)的基因的低甲基化而過度表達(dá)，如APP，BACE基因等，導(dǎo)致Aβ的產(chǎn)生增加，超過腦內(nèi)的清除能力，進(jìn)而在腦內(nèi)累積。NEP是Aβ降解酶之一，屬于含鋅的金屬蛋白酶家族成員之一〔10〕，過表達(dá)NEP能夠顯著減輕AD小鼠模型中Aβ負(fù)擔(dān)〔11〕，而NEP在老年人和AD患者的腦內(nèi)表達(dá)下降〔12〕，NEP的啟動(dòng)子區(qū)域含有富含雙核苷酸CG的區(qū)域(CpG島)，Aβ可能通過介導(dǎo)氧化應(yīng)激使CpG島的胞嘧啶高度甲基化，從而抑制NEP基因表達(dá)，NEP表達(dá)的減少引起Aβ在腦內(nèi)的累積。增多的Aβ反過來降低總DNA的甲基化水平和增高NEP基因的甲基化，形成一個(gè)惡性循環(huán)。

2.2 SAM/HCY循環(huán)、DNA的甲基化與AD 少數(shù)疾病以高半胱氨酸(HCY)血癥同時(shí)伴有葉酸和維生素B12水平降低為特征性表現(xiàn)，AD就是其中之一。血漿中HCY水平增高被認(rèn)為是AD發(fā)病的危險(xiǎn)因素之一〔13〕，另外，在老年人和AD患者中發(fā)現(xiàn)，S-腺苷甲硫氨酸(SAM)的含量下降〔14〕。SAM/HCY循環(huán)是體內(nèi)的甲基循環(huán)途徑，SAM是體內(nèi)主要的甲基供體，正常蛋氨酸飲食不能滿足體內(nèi)甲基化反應(yīng)需求，一部分甲基需要由葉酸合成，而食物中的葉酸的主要形式為5-甲基四氫葉酸(5-Me-THF)，在維生素B12的催化下，5-Me-THE和HCY反應(yīng)產(chǎn)生可以被細(xì)胞利用的四氫葉酸(THFA)和蛋氨酸，因此，葉酸和維生素B12對(duì)于SAM/HCY循環(huán)的正常運(yùn)行是必不可少的。葉酸和維生素B12水平下降，可導(dǎo)致SAM/HCY循環(huán)發(fā)生障礙，一方面HCY水平增高，聚集在神經(jīng)細(xì)胞內(nèi)，對(duì)細(xì)胞造成傷害;另一方面，HCY可以與腺苷生成S-腺苷SAH，此反應(yīng)可逆，但在HCY不能被及時(shí)清除的情況下，反應(yīng)傾向于SAH的產(chǎn)生。研究發(fā)現(xiàn)，SAH是DNA甲基轉(zhuǎn)移酶類的強(qiáng)抑制劑，從而增強(qiáng)DNA的去甲基化〔15〕。為了證明SAM/HCY循環(huán)、DNA甲基化與AD之間的聯(lián)系，F(xiàn)uso等人〔16〕應(yīng)用SK-N-SH和SK-N-BE成神經(jīng)瘤細(xì)胞系進(jìn)行研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在培養(yǎng)基中移除葉酸和維生素B12以后，SAM的合成減少，早老素-1(PS-1)和BACE基因表達(dá)增加;而當(dāng)外源性應(yīng)用SAM后，PS1和BACE的基因表達(dá)則下降，PS-1基因的啟動(dòng)子低甲基化，而SAM則可以使PS1基因啟動(dòng)子的甲基化恢復(fù)正常。這項(xiàng)研究表明，BACE和PS-1受甲基化調(diào)節(jié)，SAM/HCY循環(huán)障礙可以促進(jìn)BACE和PS-1基因的過表達(dá)，增加Aβ的產(chǎn)生;反之，外源性應(yīng)用SAM能使PS-1和BACE基因的表達(dá)降低，從而降低Aβ的水平。

2.3 氧化應(yīng)激、DNA的甲基化與AD 越來越多的證據(jù)表明，AD患者的病理特點(diǎn)除了Aβ的沉積和NFT外，AD腦中還存在氧化還原狀態(tài)的改變。AD腦中，氧化性損傷標(biāo)記物水平增高〔17〕，同時(shí)伴有抗氧化系統(tǒng)表達(dá)的改變〔18〕。DNA的氧化損傷對(duì)于神經(jīng)元的功能和存活是極其有害的。由于DNA堿基中鳥嘌呤的氧化電位最低，因此，8-羥脫氧鳥苷(8-oxo-dG)是DNA氧化性損傷最主要的產(chǎn)物。有研究顯示，除了其本身的突變特性，8-oxo-dG影響轉(zhuǎn)錄因子與DNA的結(jié)合，改變表觀遺傳信號(hào)傳遞〔19〕。

在CpG二核苷酸中，DNA甲基化優(yōu)先作用于胞嘧啶，而鳥嘌呤則是氧化性損傷的作用位點(diǎn)。8-oxo-dG是廣泛用于氧化性DNA損傷的生物學(xué)標(biāo)志。有研究發(fā)現(xiàn)，正常情況下，內(nèi)源性代謝使細(xì)胞每天產(chǎn)生約105個(gè)分子的ROS。在老化和AD患者中，ROS的產(chǎn)量大大增加，加重DNA的損傷。氧化性DNA損傷的修復(fù)主要方式是堿基切除，DNA糖基化酶類通過識(shí)別損傷的堿基位點(diǎn)啟動(dòng)堿基切除修復(fù)。8-羥鳥苷DNA糖基化酶1(Ogg1)是識(shí)別和移除8-oxo-dG的主要修復(fù)酶。氧化性DNA損傷和可能存在的Ogg1的缺失被認(rèn)為可能是老化過程和老化相關(guān)疾病(如AD)的中心事件。為了研究DNA甲基化與DNA氧化之間的相互作用，研究者合成了一些類似轉(zhuǎn)錄因子Sp1結(jié)合的DNA寡核苷酸序列，將其中一些CpG二核苷酸中的C變成mC，G則被8-oxo-dG代替;另一些序列中mC與8-oxo-dG同時(shí)存在。在接下來的DNA結(jié)合和修復(fù)的實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，mC與8-oxo-dG都能顯著減低Sp1與DNA的結(jié)合，而兩者同時(shí)存在時(shí)的影響比單獨(dú)一種存在時(shí)更加顯著;而8-oxo-dG鄰近位點(diǎn)存在mC時(shí)，阻礙了Ogg1與損傷位點(diǎn)的識(shí)別，降低了DNA的修復(fù)效率。研究表明，一個(gè)基因的甲基化狀態(tài)對(duì)基因的表達(dá)和DNA的修復(fù)具有重要影響。如果發(fā)育過程中基因的調(diào)節(jié)區(qū)域甲基化同時(shí)相同區(qū)域遭受氧化應(yīng)激損傷，那么此基因就會(huì)被大大的抑制，同時(shí)，這樣的基因也不能被有效的修復(fù)。反過來，氧化的DNA抑制鄰近C的甲基化〔20〕。

DNA甲基化的改變伴隨著生命的始終，然而，DNA甲基化的異常會(huì)導(dǎo)致多種疾病的發(fā)生。如AD發(fā)病相關(guān)基因APP、BACE的低甲基化，導(dǎo)致APP產(chǎn)生增加，進(jìn)而裂解產(chǎn)生Aβ，聚集的Aβ不僅誘導(dǎo)神經(jīng)細(xì)胞凋亡和突觸損害，還促進(jìn)ROS的釋放，造成DNA損傷。相反，DNA高度甲基化，導(dǎo)致CpG二核苷酸結(jié)構(gòu)的改變，阻礙了DNA損傷的修復(fù)。在AD疾病過程中，同時(shí)存在DNA低甲基化和高甲基化，如何控制DNA適度甲基化來預(yù)防和治療AD，有待進(jìn)一步研究。

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R749.1

A

1005-9202(2011)12-2367-03

北京市自然科學(xué)基金(7082043);北京市衛(wèi)生系統(tǒng)高層次衛(wèi)生技術(shù)人才計(jì)劃資助項(xiàng)目(2009-3-64);首都醫(yī)學(xué)發(fā)展科研基金(2007-3108)

王 蓉(1963-)，女，研究員，博士生導(dǎo)師，主要從事神經(jīng)退行性疾病研究。

孟祥宏(1981-)，男，碩士，主要從事神經(jīng)退行性疾病研究。

〔2009-12-17收稿 2010-09-27修回〕

(編輯 袁左鳴/曹夢(mèng)園)