環(huán)境顆粒物的表觀遺傳學(xué)研究進展

付艷云，梁戈玉

(東南大學(xué)公共衛(wèi)生學(xué)院，環(huán)境醫(yī)學(xué)工程教育部重點實驗室，江蘇南京 210009)

隨著工業(yè)的發(fā)展和科技的創(chuàng)新，越來越多的環(huán)境顆粒物進入我們的生活環(huán)境，嚴重威脅著人類健康，導(dǎo)致心血管疾病、呼吸系統(tǒng)疾病及癌癥等的發(fā)病和死亡增加。許多研究發(fā)現(xiàn)，環(huán)境顆粒物可誘發(fā)表觀遺傳學(xué)改變，它可以通過DNA甲基化、組蛋白修飾、染色質(zhì)重塑和microRNAs(miRNAs)等表觀遺傳學(xué)機制進行調(diào)控，進而引起基因表達改變，從而導(dǎo)致有害效應(yīng)，而且這種改變往往發(fā)生在疾病產(chǎn)生的早期，因此環(huán)境顆粒物對人類健康長期潛在的表觀遺傳學(xué)效應(yīng)受到越來越多的關(guān)注。本文主要對大氣顆粒物、富含金屬顆粒物和納米顆粒物等環(huán)境顆粒物的表觀遺傳學(xué)效應(yīng)研究進展進行綜述。

1 大氣顆粒物的表觀遺傳學(xué)效應(yīng)

大氣顆粒物是目前我們已知的主要環(huán)境顆粒物之一，可分為總懸浮顆粒物和可吸入性顆粒物(aerodynamic diameters＜10 μm，PM10)，由于 PM10對人類健康的危害較大，因而受到了更多的關(guān)注。PM10又可分為細顆粒物(aerodynamic diameters＜2.5μm，PM2.5)和粗顆粒物，其中 PM2.5尤為受到關(guān)注。PM2.5主要來源于石油化工燃料的燃燒、煤炭及機動車尾氣的排放，由于其體積小，比表面積大，易吸附各種有毒有機物和重金屬，因而對人類健康的危害更甚。國內(nèi)外研究表明，大氣污染物，特別是PM2.5暴露與慢性炎癥性疾病，如心血管疾病、呼吸系統(tǒng)疾病及癌癥等的發(fā)病和死亡密切相關(guān)。2011年我國《環(huán)境空氣質(zhì)量標準》已將PM2.5納入常規(guī)空氣質(zhì)量評價體系。近年來，隨著表觀遺傳學(xué)研究的深入，有研究表明大氣顆粒物的有害效應(yīng)與表觀基因(epigene)的表達異常有關(guān)，它可通過不同的表觀遺傳學(xué)修飾，如改變DNA甲基化和組蛋白乙?；剑瑥亩绊懟虻谋磉_調(diào)控，引起相應(yīng)的疾病后果。

1.1 PM10

目前，PM10與全基因組及特定基因甲基化水平改變的報道基本來自于人群研究，全基因組甲基化水平主要通過重復(fù)序列Alu和長散在核重復(fù)序列-1(long interspersed nuclear element-1，LINE-1)甲基化水平估計，但結(jié)果并不完全一致。

Tarantini等［1］以意大利一鋼鐵廠的63名健康男性工人為研究對象，應(yīng)用亞硫酸氫鹽PCR-焦磷酸測序研究大氣顆粒物質(zhì)對外周血全基因組甲基化和特定基因誘導(dǎo)型一氧化碳合酶(inducible nitric oxide synthase，iNOS/NOS2)基因啟動子甲基化的影響，結(jié)果顯示重復(fù)序列Alu和LINE-1甲基化水平與PM10暴露呈負相關(guān)，暴露組iNOS基因啟動子甲基化顯著降低。該小組還研究了PM10對血液炎癥基因甲基化的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)內(nèi)皮型一氧化氮合酶(nitricoxide-synthase-3，NOS3)基因甲基化與PM10暴露呈顯著負相關(guān)［2］。另一個研究小組Dioni等［3］對同樣的研究對象開展了PM10暴露對白細胞端粒酶長度(leukocyte telomere length，LTL)和端粒酶逆轉(zhuǎn)錄酶(human telomerase reverse transcriptase，hTERT)啟動子甲基化的影響，結(jié)果顯示，暴露人群LTL顯著性增加，但未發(fā)現(xiàn)這種改變與hTERT基因啟動子甲基化有關(guān)。Salam等［4］在兒童健康研究(Children's Health Study，CHS)中，對連續(xù)3學(xué)年(2004至2007年)進行呼出氣一氧化氮(exhaled nitric oxide，F(xiàn)eNO)測量的940名兒童的口頰細胞進行了研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，雖然PM10暴露者具有較低的iNOS基因啟動子甲基化，但調(diào)整混雜因素后該相關(guān)性并無統(tǒng)計學(xué)意義。

關(guān)于PM10與組蛋白乙?；P(guān)系的研究極少，Gilmour等［5］于2003年以肺癌細胞系A(chǔ)549為研究對象，對環(huán)境顆粒物是否可通過氧化應(yīng)激介導(dǎo)組蛋白乙酰化調(diào)節(jié)白介素-8(interleukin-8，IL-8)釋放進行了探討。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，PM10可通過氧化應(yīng)激介導(dǎo)增強組蛋白乙酰轉(zhuǎn)移酶(histone acetyltransferases，HAT)活性和乙酰化組蛋白4(acetylated histone4，H4)的乙酰化作用，并因此引起IL-8釋放增加，說明組蛋白乙?；饔靡鸬娜旧|(zhì)重塑在PM10介導(dǎo)的肺部反應(yīng)中可能發(fā)揮著重要的作用。

1.2 PM2.5

關(guān)于PM2.5表觀遺傳調(diào)控的研究，目前集中于PM2.5對全基因組及特定基因甲基化關(guān)系的影響。蘆茜［6］以 H9c2大鼠肌細胞作為研究對象，研究PM2.5對甲基化修飾狀態(tài)的影響。結(jié)果顯示，PM2.5干預(yù)心肌細胞后，β1受體基因啟動子甲基化水平明顯下降，且具有明顯劑量反應(yīng)關(guān)系。在1～100μg·ml-1范圍內(nèi)，隨PM2.5濃度增高，β1受體基因啟動子甲基化率逐漸減低。Soberanes等［7］以小鼠及鼠原代肺泡上皮細胞為研究對象，研究空氣污染顆粒物是否可通過線粒體ROS-JNK-DNMT1通道誘導(dǎo)p16基因啟動子的高甲基化，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在小鼠和肺泡上皮細胞中，PM2.5暴露增加了 ROS生成，DNA甲基轉(zhuǎn)移酶1(DNAmethyltransferase1，DNMT1)上調(diào)和p16啟動子高甲基化。因此，可以推斷PM2.5暴露的病人中，可能通過DNMT1異常上調(diào)導(dǎo)致主要腫瘤抑制基因的高甲基化，從而增加患肺癌的風(fēng)險。

關(guān)于PM2.5與基因組甲基化關(guān)系的人群研究報道并不多，其中3個報道均來自波士頓地區(qū)標準老齡化研究(Normative Aging Study，NAS)隊列，但研究結(jié)果并不完全一致。Baccarelli等［8］以1999至2007年來自該隊列的718名老年人的1 097份血液樣本為研究對象，應(yīng)用測序?qū)χ貜?fù)序列Alu和LINE-1甲基化進行檢測，評估環(huán)境的顆粒污染物(PM2.5、碳黑、硫酸鹽)在不同的時間窗(4 h～7 d)對甲基化的影響。結(jié)果顯示，近期暴露于高濃度的PM2.5，可引起LINE-1甲基化下降，但未發(fā)現(xiàn)Alu甲基化與PM2.5暴露有關(guān)。Madrigano等［9］以同時期706名老年人的1 406個血液樣本為研究對象，采用相同的方法對重復(fù)序列Alu和LINE-1甲基化與PM2.5、碳黑和硫酸鹽的關(guān)系進行了研究，結(jié)果未發(fā)現(xiàn)重復(fù)序列LINE-1和Alu甲基化與PM2.5有關(guān)。Bind等［10］以2000至2009年 NAS的704名血液樣本為研究對象，研究短期和中期空氣污染對Alu和LINE-1甲基化的表觀基因(epigene)-環(huán)境交互作用的影響，結(jié)果同樣未發(fā)現(xiàn)重復(fù)序列Alu和LINE-1甲基化與PM2.5有關(guān)，但是研究顯示細胞間黏附分子-1(ICAM-1)及血管細胞黏附分子-1(VCAM-1)與PM2.5有關(guān)。此外，Salam等［4］在CHS的研究中發(fā)現(xiàn)，提高PM2.5 7 d平均暴露水平與更低的iNOS基因甲基化有關(guān)，表明PM2.5暴露影響iNOS基因啟動子甲基化，但PM10暴露則未發(fā)現(xiàn)有同樣的效應(yīng)。

1.3 其他大氣顆粒物

已有研究顯示，柴油車尾氣顆粒物(diesel exhaust particles，DEP)、碳黑顆粒物等其他大氣顆粒物也可通過DNA甲基化、miRNA調(diào)控等機制引起表觀遺傳學(xué)改變。

Liu等［11］以小鼠為研究對象，研究DEP是否可誘導(dǎo)體內(nèi)γ干擾素(interferon-γ，IFN-γ)和白介素-4(IL-4)基因啟動子甲基化改變以及這種改變是否影響免疫球蛋白E(IgE)的調(diào)節(jié)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，吸入DEP和煙曲霉菌(真菌變應(yīng)原)可誘導(dǎo)IFN-γ基因啟動子CpG-45、CpG-53、CpG-205位點低甲基化和 IL-4基因啟動子CpG-408位點高甲基化，且這兩個基因的啟動子甲基化改變與IgE水平改變有關(guān)。Jardim等［12］以人原代支氣管上皮細胞為研究對象，研究DEP暴露對miRNA表達的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，暴露于DEP后，人呼吸道上皮細胞中197個miRNA表達發(fā)生了明顯改變(倍數(shù)≥1.5)。對其中4個顯著性改變的miRNA(miR-513a-5p、miR-494、miR-923和miR-96)進行 qRT-PCR 驗證顯示，DEP可引起前3個miRNAs表達明顯增加以及miR-96表達明顯下降，對這4個miRNA進行靶基因預(yù)測，結(jié)果發(fā)現(xiàn)大部分靶基因富集在炎癥反應(yīng)通道和腫瘤相關(guān)疾病中。

Baccarelli等［8］在 NAS 隊列的研究中，除 PM2.5外，同樣研究了碳黑和硫酸鹽與DNA甲基化的關(guān)系。結(jié)果顯示，近期高濃度碳黑的暴露可顯著引起LINE-1甲基化下降，但甲基化降低是否介導(dǎo)暴露相關(guān)的健康效應(yīng)仍然需要研究，未發(fā)現(xiàn)Alu甲基化與碳黑暴露有明顯相關(guān)。Madrigano等［9］于同樣的隊列中研究了交通顆粒物暴露對DNA甲基化的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，持續(xù)45～90 d碳黑暴露增加和重復(fù)序列Alu的甲基化降低有關(guān)，在28～60 d增加碳黑暴露與LINE-1甲基化下降有關(guān)，增加硫酸鹽暴露超過90 d與重復(fù)序列LINE-1甲基化下降有關(guān)，結(jié)果充分說明持續(xù)暴露于碳黑和硫酸鹽顆?？梢餉lu和LINE-1這兩種類型重復(fù)序列甲基化的改變。

2 富含金屬顆粒物的表觀遺傳學(xué)效應(yīng)

富含金屬顆粒物是指顆粒物含有致癌性和有毒的金屬，如砷和鎳等。隨著制造業(yè)的發(fā)展，人們暴露于有害金屬的機率也越來越高，且顆粒物質(zhì)中的金屬成分具有不可降解性。有研究報道金屬及其化合物暴露可引起作業(yè)工人致癌，且金屬成分與顆粒物引發(fā)的有害效應(yīng)有關(guān)。近年來，職業(yè)人群暴露于空氣中金屬成分引發(fā)的表觀遺傳效應(yīng)引起學(xué)者的廣泛關(guān)注，研究表明，暴露于富含金屬顆粒物可引起DNA甲基化、組蛋白乙?；癿iRNA表達等表觀遺傳調(diào)控的改變。

Tarantini等［13］對暴露于富含金屬顆粒物的鋼鐵工人的研究顯示，暴露后腫瘤抑制基因APC和p16甲基化顯著性增加，Rassf1A、CDH13、TNF-α 和 IFN-γ 甲基化顯著下降，其中Rassf1A甲基化下降與鉻、鉛暴露有關(guān)，CDH13甲基化下降與鎘暴露相關(guān)，TNF-α甲基化下降與鎳和錳相關(guān)，未發(fā)現(xiàn)IFN-γ甲基化與任何暴露有關(guān)。該小組的研究者Hou等［14］研究了暴露于富含金屬成分顆粒物對外周血淋巴細胞(PBL)中腫瘤抑制基因(APC、p16、p53和RASSF1A)DNA甲基化的影響，結(jié)果顯示，暴露后APC、p16啟動子甲基化平均水平顯著增高，但p53、RASSF1A啟動子甲基化平均水平顯著下降。顆粒物暴露與腫瘤抑制基因DNA甲基化水平有關(guān)提示甲基化改變可能與顆粒物誘導(dǎo)的肺癌發(fā)生有關(guān)，與之前的研究結(jié)果一致。在此基礎(chǔ)上，該小組于2013年對同一樣本進一步研究了富含金屬顆粒物對炎癥基因甲基化介導(dǎo)的血液凝固的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，內(nèi)源凝血酶能力(endogenous thrombin potential，ETP)增加以及內(nèi)皮素-1(endothelin-1，EDN1)低甲基化和鋅暴露有關(guān)，NOS3甲基化與鋅和鐵暴露呈負相關(guān)，研究確認了EDN1和NOS3低甲基化在富含金屬顆粒物引起血液凝固中的相關(guān)機制，表明這些基因的低甲基化促進了環(huán)境誘導(dǎo)的高凝狀態(tài)［2］。

Cantone等［15-16］研究了富含金屬顆粒物暴露對組蛋白H3K4去甲基化和H3K9乙?；挠绊?，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，組蛋白3第4位賴氨酸的二甲基化(histone 3 lysine 4 dimethylation，H3K4me2)增加與空氣鉻、鉛、鐵、砷和鎳的暴露水平有關(guān)，組蛋白3第9位賴氨酸的乙?；?histone 3 lysine 9 acetylation，H3K9ac)與空氣鎘的水平呈臨界性負相關(guān)，但這些變化與顆粒大小無關(guān)。累積暴露于鎳和砷可引起H3K4me2和H3K9ac明顯增加，且這種增加和工人工齡有關(guān)，表明長期暴露于空氣顆粒物的金屬成分可誘導(dǎo)組蛋白修飾，作為表觀遺傳學(xué)的新機制應(yīng)受到重視。

Bollati等［17］研究了暴露于富含金屬的顆粒物后外周血白細胞中miRNAs表達的改變，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，暴露于富含金屬顆粒物與氧化應(yīng)激及炎癥相關(guān)的miR-222、miR-146a、miR-21的表達改變有關(guān)。暴露后miR-222和miR-21表達顯著上升，其中miR-222的表達改變與鉛暴露呈正相關(guān)，miR-146a表達在顆粒物暴露前后無顯著性差異，但與鉛和鎘的暴露呈負相關(guān)。Motta等［18］在Bollati研究的基礎(chǔ)上選擇暴露于最高濃度富含金屬顆粒物的10名血液樣本為研究對象，應(yīng)用芯片和PCR技術(shù)分別檢測了847個人類miRNA和18個炎癥基因，結(jié)果顯示，暴露后4個miRNA呈顯著性差異表達，分別是 miR-421、miR-146a、miR-29a 和 let-7g，11個miRNA-mRNA靶向?qū)?yīng)調(diào)控并映射多個復(fù)雜的交互作用，研究表明富含金屬顆粒暴露可能通過miRNA應(yīng)答影響基因調(diào)控，直接或間接的控制炎癥基因表達，提示miRNA表達改變可能是介導(dǎo)機體對顆粒物及其金屬成分反應(yīng)的表觀遺傳學(xué)新機制。

3 納米顆粒物的表觀遺傳學(xué)效應(yīng)

納米顆粒(NPs)是指粒徑在1～100 nm的顆粒。隨著納米技術(shù)的快速發(fā)展，各種各樣的納米產(chǎn)品出現(xiàn)在我們的環(huán)境和醫(yī)學(xué)應(yīng)用領(lǐng)域，其對健康的潛在影響及生物安全效應(yīng)是目前研究的熱點之一［19］，而其是否可引起表觀遺傳修飾效應(yīng)也已引起了人們的關(guān)注。近期，已有少量的研究表明NPs可引起DNA甲基化、組蛋白乙?；iRNA調(diào)控等表觀遺傳學(xué)效應(yīng)的改變，但是總的來說，納米表觀遺傳學(xué)的研究仍屬于剛剛起步。

Gong等［20-21］以人類永生化表皮細胞HaCaT細胞為研究對象，研究了納米二氧化硅(SiO2)對基因組DNA總體甲基化水平的影響，結(jié)果顯示:在納米SiO2致HaCaT細胞損傷的過程中，DNA總體甲基化程度隨納米SiO2濃度升高而降低;同劑量納米組與溶劑對照組及微米組相比具有更低的基因組DNA甲基化水平;并且隨著納米 SiO2暴露濃度的增加，DNMT1的mRNA表達水平及甲基化相關(guān)酶代蛋白表達水平呈明顯降低趨勢。表明暴露于納米SiO2顆粒后，HaCaT細胞基因組DNA甲基化水平降低可能與DNMT1等甲基化酶有關(guān)。該小組進一步以敲除DNMT1的HaCaT細胞為研究對象，研究腺苷二磷酸核糖聚合酶-1(Poly(ADP-ribose)polymerases-1，PARP-1)啟動子甲基化是否參與調(diào)節(jié)納米SiO2誘導(dǎo)PARP-1 mRNA低表達，結(jié)果顯示，與對照組相比，納米SiO2處理細胞中在mRNA和蛋白水平上PARP表達顯著性下降，同時PARP-1甲基化水平明顯上升。進一步DNMT1敲除后重新激活了HaCaT細胞PARP-1的表達和啟動子甲基化，表明PARP-1啟動子低甲基化的影響至少有一部分由DNMT1介導(dǎo)。綜上所述，PARP-1啟動子甲基化可能參與納米SiO2誘導(dǎo)的PARP-1低表達的調(diào)節(jié)［22］。

Choi等［23］以人類乳腺癌細胞MCF-7和大鼠腎上腺嗜鉻細胞瘤細胞PC12為研究對象，研究碲化鎘量子點(CdTe QDs)誘導(dǎo)的表觀遺傳和遺傳毒性的改變，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在暴露于CdTe QDs 24 h后，與對照組相比，細胞DNA結(jié)構(gòu)發(fā)生顯著性改變，出現(xiàn)典型的核染色質(zhì)凝聚、核內(nèi)容物重組和線粒體嵴丟失。此外，CdTe QDs 24 h暴露還可引起組蛋白3第9位賴氨酸的去甲基化(diMeK9-H3)和5-甲基胞嘧啶(5-methylcytosine，5-mC)共區(qū)域化及H3乙?；@著性下降。進一步進行QDs濃度依賴性低乙?；治?，結(jié)果顯示，低乙?；蠖喟l(fā)生在高濃度QDs處理組，但同時QDs極低濃度下即可發(fā)現(xiàn)低乙?；?，盡管在該濃度下細胞并未發(fā)生與死亡相關(guān)的形態(tài)改變，曲古菌素A(TSA)可通過HDACs改變乙酰化組蛋白的總體水平，但不能逆轉(zhuǎn)QDs引起的細胞毒性。以上結(jié)果顯示，組蛋白乙?；钠胶鈱S持細胞活性至關(guān)重要，QDs處理誘導(dǎo)全基因組低乙?；馕吨{米材料引起的全基因表觀遺傳效應(yīng)在其毒性機制研究中應(yīng)受到重視。

Li等［24］以 NIH/3T3 細胞為研究對象，研究miRNAs是否參與CdTe QDs引起的細胞毒性。SOLiD測序結(jié)果顯示，CdTe QDs暴露后miRNAs表達譜受到廣泛的影響，其中 86個 miRNA表達下調(diào)，121個miRNA表達上調(diào)。進一步研究顯示，部分具有顯著性差異表達的miRNA，其表達水平呈明顯的時間-反應(yīng)和劑量-反應(yīng)關(guān)系，并且其趨勢和CdTe QDs引起的細胞生存抑制率一致。此外，研究還顯示，CdTe QDs處理后可通過磷酸化增加p53翻譯后修飾及其蛋白水平，并可能通過此影響初級轉(zhuǎn)錄本(pri-miRNA)轉(zhuǎn)錄及miRNA的表達。Ng等［25］以人胚肺細胞MRC5為研究對象，研究納米金誘導(dǎo)蛋白S基因(PROS1)的表觀遺傳調(diào)控和潛在的肺損傷，結(jié)果表明，納米金處理后人胚肺細胞中miR-155上調(diào)，并可進一步調(diào)控其靶基因PROS1基因的表達。此外，納米金還可引起細胞核染色質(zhì)濃縮。

4 展 望

在環(huán)境顆粒物暴露相關(guān)效應(yīng)的發(fā)生、發(fā)展中，表觀遺傳學(xué)調(diào)控作用日益凸顯。實驗室和人群的初步研究表明，表觀遺傳學(xué)修飾如DNA甲基化、組蛋白乙?；癿iRNA調(diào)控等可介導(dǎo)環(huán)境顆粒物污染對基因表達的影響，從而進一步解釋和闡明環(huán)境顆粒物暴露相關(guān)疾病的分子機制。由于表觀遺傳學(xué)效應(yīng)發(fā)生往往在疾病產(chǎn)生的早期，并且具有可逆性，因此，對其進行研究還可為環(huán)境顆粒物暴露相關(guān)疾病早期診斷和預(yù)防篩選可能的標志物。但現(xiàn)有的報道數(shù)量較少，考察的基因角度不夠全面深入，不同的表觀遺傳學(xué)調(diào)控機制間的相互關(guān)系仍不明確，因此不能夠得到有效的結(jié)論，至于表觀遺傳生物標志的應(yīng)用，則還有更長的路要走，但是隨著表觀遺傳學(xué)相關(guān)領(lǐng)域研究的深入，相信將來定會更完整地剖析表觀遺傳學(xué)效應(yīng)在環(huán)境暴露相關(guān)疾病中的重要作用，為環(huán)境暴露相關(guān)疾病的發(fā)病機制研究提供新視野，為其早期診斷和預(yù)防提供新思路。

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