DNA甲基化與健康長壽的研究進(jìn)展

孫　亮　楊　澤

衛(wèi)生部公益性研究基金(201302008)；國家科技部十二五支撐計劃項目(2012BAI10B01)

DNA甲基化與健康長壽的研究進(jìn)展

孫亮楊澤※

衛(wèi)生部公益性研究基金(201302008)；國家科技部十二五支撐計劃項目(2012BAI10B01)

【摘要】表觀遺傳修飾在基因調(diào)控的過程中起重要作用，抑制疾病發(fā)生的相關(guān)基因在健康長壽的個體中可能也受到表觀遺傳修飾，從而參與促進(jìn)健康長壽的表型。年齡相關(guān)的DNA甲基化改變，涉及到老年個體中的代謝性疾病、心血管疾病、腫瘤等增齡性疾病的發(fā)生與發(fā)展。關(guān)于長壽和延緩衰老的作用目前基于基因變異領(lǐng)域得到支持性的證據(jù)有限，但近年來DNA甲基化的增齡性變化模式已經(jīng)得到多個人群證實貫穿于生命全程而存在，其改變受到性別和年齡階段影響，這將是我們認(rèn)識生命發(fā)生發(fā)展的重要科學(xué)突破口。但是對于DNA甲基化的發(fā)生原因和確切機(jī)制還需要未來進(jìn)一步研究，未來對于認(rèn)識衰老、延緩衰老，以及個體化“精準(zhǔn)”監(jiān)測衰老進(jìn)程和干預(yù)療效，將提供更為廣闊的前景。

【關(guān)鍵詞】健康長壽衰老DNA甲基化表觀遺傳個體化

遺傳變異在解釋人類長壽中的比例僅占20%～30%，但是大部分潛在的遺傳學(xué)機(jī)制還并不清楚[1, 2]。表觀遺傳(Epigenetics)修飾在基因調(diào)控的過程中起重要作用，抑制疾病發(fā)生的相關(guān)基因在健康長壽的個體中可能也受到表觀遺傳修飾，從而參與促進(jìn)健康長壽的表型。DNA甲基化是表觀遺傳學(xué)的重要組成部分，在維持細(xì)胞功能、遺傳印記、基因表達(dá)的時空特異性中起重要作用[3]。年齡相關(guān)的DNA甲基化改變，涉及到老年個體中的代謝性疾病、心血管疾病、腫瘤等增齡性疾病的發(fā)生與發(fā)展[4]。通過全基因組的低甲基化和某些特定基因的高甲基化，除了有助于認(rèn)識衰老過程中的機(jī)制，還有助于精準(zhǔn)判斷衰老和甲基化之間最佳的平衡關(guān)系，進(jìn)一步延緩機(jī)體的衰老和阻止與衰老相關(guān)疾病的發(fā)生，也將具有重大臨床應(yīng)用前景[5]。

1.DNA甲基化及其表達(dá)調(diào)控意義

DNA甲基化是表觀遺傳學(xué)的重要組成部分，是DNA化學(xué)修飾的一種形式，通過此修飾可以在不改變DNA堿基組成的前提下，改變遺傳表型，它可以在轉(zhuǎn)錄水平抑制基因的表達(dá)[6]。一般情況下，DNA甲基化可引起對應(yīng)基因的表達(dá)失活，通過DNA甲基轉(zhuǎn)移酶，形成5-甲基胞嘧啶(5-mC)，主要集中在基因5’端的非編碼區(qū)及啟動子區(qū)，并成簇存在形成CpG島，并可隨DNA的復(fù)制而遺傳。CpG島是CpG二聯(lián)核苷富集區(qū)域，CG含量大于50%，長約200～500bp。哺乳動物DNA甲基化的模式只有5mC這一形式，真核生物中大約2%～7% 的胞嘧啶被甲基化修飾。發(fā)生甲基化后，相應(yīng)的DNA序列因為與甲基化DNA結(jié)合蛋白相結(jié)合，而呈高度的緊密排列，其他轉(zhuǎn)錄因子及RNA合成酶都無法再結(jié)合，導(dǎo)致對應(yīng)基因無法表達(dá)。此外，DNA甲基化模式并非靜態(tài)，其很不穩(wěn)定，受內(nèi)環(huán)境的改變也發(fā)生動態(tài)改變，DNA甲基化程度越高，其轉(zhuǎn)錄活性越低。和基因表達(dá)規(guī)律一致，總的來說，結(jié)構(gòu)基因中看家基因的CpG呈現(xiàn)低甲基化模式，80%左右基因的CpG是高甲基化的。

2.人類衰老和健康長壽可能受DNA甲基化的表觀遺傳調(diào)控

隨著增齡發(fā)展，個體機(jī)能出現(xiàn)減退，體現(xiàn)為虛弱(frailty)和代謝性疾病、心血管疾病、腫瘤等增齡性疾病，而僅極少數(shù)人能達(dá)到國際上認(rèn)可的長壽標(biāo)準(zhǔn)(年齡>90歲)。這種健康表型和壽限的個體差異，隨著年齡的增長也逐漸更為顯著。此外，長壽現(xiàn)象的家族聚集性也提示遺傳因素在其中的作用[7]。Haytlick提出的生物鐘學(xué)說，以及后續(xù)一系列關(guān)于遺傳方面的論述都認(rèn)為衰老和遺傳有直接聯(lián)系[8, 9]。人類的自然壽限取決于先天遺傳，是按遺傳安排的程序逐步進(jìn)行的。在模式動物中已經(jīng)識別了daf-2，daf-16及sir-2等許多長壽基因，它們在遺傳上可以有利于延長模式動物的壽限，證明了長壽基因確實存在[10, 11]。對長壽基因的研究，讓人們看到基因的生存調(diào)控機(jī)制如何延長壽命，以及如何增進(jìn)健康[12]。

但是，在人類百歲老人及其后代個體中發(fā)現(xiàn)現(xiàn)象，并不能很好的支持在模式生物中所發(fā)現(xiàn)的長壽基因的作用[13]。但是，長壽老人，尤其是百歲老人，往往能逃避或延緩年齡相關(guān)疾病(如心血管疾病、老年癡呆、2型糖尿病及腫瘤等)的侵?jǐn)_，且百歲老人的后代也能獲得類似的生存優(yōu)勢，提示百歲老人可能具有獨特的遺傳模式逃避或延緩老年疾病的發(fā)生。目前認(rèn)為，人類健康長壽的機(jī)制遠(yuǎn)比模式生物復(fù)雜，其長壽基因可能影響生命壽限，并且抑制疾病關(guān)聯(lián)的基因功能；并且可能并非由常見基因變異發(fā)揮作用，起作用的可能是罕見變異[14]。但是，不能忽視的是，雖然沒有直接證據(jù)表明遺傳變異和長壽及老年疾病的必然關(guān)系，但環(huán)境、生活方式等因素的改善卻可以促進(jìn)壽限延長，外環(huán)境通過影響內(nèi)環(huán)境，從而發(fā)揮對基因組的表觀遺傳修飾，動態(tài)貫穿人類生命全程，因而人類衰老和健康長壽可能同時受到DNA甲基化的表觀遺傳調(diào)控[15]。

總的來說，全基因組范圍的DNA甲基化水平隨衰老的進(jìn)展而呈下降趨勢，個別基因座的甲基化水平增加，除此之外，心血管疾病、糖尿病和癌癥等衰老相關(guān)疾病發(fā)生時也會出現(xiàn)DNA甲基化的改變，衰老和疾病伴隨DNA甲基化改變的背后是否存在內(nèi)在聯(lián)系，這是目前研究的熱點[16～18]。

3.DNA甲基化和人類衰老及健康長壽的研究進(jìn)展

中國科學(xué)院昆明動物所孔慶鵬等[19]，利用甲基化DNA免疫共沉淀測序的技術(shù)(Methylated DNA Immunoprecipitation Sequencing, MeDIP-seq)，對4對百歲老人和年輕對照的中國人進(jìn)行全基因組DNA甲基化模式分析，通過5’-甲基胞嘧啶抗體特異性富集基因組上發(fā)生甲基化的DNA片段，然后通過高通量測序?qū)崿F(xiàn)全基因組水平的高精度的CpG密集的高甲基化區(qū)域研究。結(jié)果發(fā)現(xiàn)626個具有顯著甲基化差異的區(qū)域。進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)與這些差異甲基化區(qū)域相關(guān)的基因區(qū)域(DMRs)明顯富集于衰老相關(guān)疾病，包括心血管疾病、2型糖尿病、中風(fēng)以及阿爾茲海默癥等。課題組還比較分析了高加索百歲老人的全基因組甲基化數(shù)據(jù)，進(jìn)一步驗證了該發(fā)現(xiàn)。不同于之前尋找長壽和衰老相關(guān)疾病共有的基因組變異的科學(xué)角度，本項研究表明，長壽老人的確擁有特殊的DNA甲基化模式，可能通過抑制衰老相關(guān)疾病易感基因的表達(dá)，延緩這些疾病的發(fā)生，促進(jìn)長壽性狀的產(chǎn)生。

北京老年醫(yī)學(xué)研究所楊澤等，對中國長壽之鄉(xiāng)廣西巴馬和廣西永福的長壽老人也進(jìn)行了健康長壽的遺傳研究和全基因組DNA甲基化研究[20～24]。除基因組方面的研究工作外，他們發(fā)現(xiàn)人類的百歲老人都有一個共同點，即超過90%的百歲老人都是女性，通過長期研究觀察當(dāng)人們衰老時不同性別之間個體確實存在差異，但目前仍不清楚為何女性會活的更久一些。楊澤小組認(rèn)為，性別在決定個體壽命和健康壽命上扮演著重要的角色，利用Illumina的全基因組450K甲基化芯片對比男性和女性長壽老人的全基因組甲基化差異，發(fā)現(xiàn)DNA甲基化模式隨著衰老會以復(fù)雜形式發(fā)生改變，雖然在男女性長壽老人中平均CpG島的甲基化水平?jīng)]有顯著性差異，但在特定染色體和基因中特征性識別了大量差異甲基化的探針信號(DMPs)。功能富集分析提示，這些DNA的高甲基化和低甲基化可能參與不同信號通路的生物學(xué)過程調(diào)節(jié)，包括激素調(diào)節(jié)、神經(jīng)元投射和疾病相關(guān)的信號通路[20]。此外，楊澤小組的研究還發(fā)現(xiàn)，除了特定基因和信號通路甲基化水平隨衰老出現(xiàn)特征性改變之外，全基因組范圍的個體甲基化水平的評估，可能有助于進(jìn)行人類實際年齡和衰老程度的個體化預(yù)測，從而督促人們及時轉(zhuǎn)變生活方式以延緩分子老化，下一步他們將嘗試通過甲基化水平預(yù)測特定疾病，并深入分析甲基化診斷是否比現(xiàn)有臨床生理學(xué)指標(biāo)更有優(yōu)勢，他們對研究結(jié)果表示樂觀。

此外，加州大學(xué)圣迭戈分校張康教授的團(tuán)隊也針對個體化甲基化水平和衰老的密切聯(lián)系得到突破性發(fā)現(xiàn)[25]。他們也采用Illumina的全基因組450甲基化芯片,對19～101歲的426例高加索人群和230例西班牙人群外周血中甲基化水平進(jìn)行了測定，特征性的評估了個體化的甲基化組的實際生物學(xué)年齡，并且發(fā)現(xiàn)其受性別和基因組遺傳變異的影響。此外，他們還發(fā)現(xiàn)甲基化組水平的衰老速率的個體化差異，有助于解釋表觀遺傳學(xué)的漂變，并且在轉(zhuǎn)錄組學(xué)的水平反映出來。他們通過甲基化指標(biāo)在基因和分子水平上對衰老進(jìn)行了定量，這項研究不僅能確定一個人的生物學(xué)年齡，更有望幫助人們治療增齡性相關(guān)的疾病。該研究是通過甲基化組準(zhǔn)確預(yù)測年齡，而非幾個關(guān)鍵基因。從甲基化組的分子水平上看，不同人的衰老速度明顯不同，而且不同器官的老化速度也不相同，此外癌細(xì)胞的老化也與周圍細(xì)胞不同。研究人者們認(rèn)為甲基化組還能夠顯示不同個體衰老的快慢程度，而這類信息具有重要的醫(yī)學(xué)價值，用于持續(xù)對患者進(jìn)行評估，看治療是否使患者更健康更“年輕”；也可以篩選能在組織或細(xì)胞水平上延緩衰老的藥物分子。但是，未來需要進(jìn)一步探索除外周血單個核細(xì)胞中甲基化組外，其余靶組織中隨增齡出現(xiàn)的甲基化組改變模式，這是未來的方向。

此外，由于衰老是貫穿人類生命全程的必然過程，因而，兒科研究領(lǐng)域中的結(jié)果也對全面認(rèn)識衰老發(fā)展特征具有重要的提示和參考作用，Stephen的團(tuán)隊對兒童中DNA甲基化的變化趨勢做了研究[26]。雖然胚胎發(fā)育過程中的DNA甲基化有很強(qiáng)的可塑性，但同卵雙生子研究卻發(fā)現(xiàn)其在兒童期存在很相似的甲基化模式。通過Illumina全基因組27或450芯片，結(jié)合Pyrosequencing技術(shù)，對來自于美國13個研究中心的398例健康男性兒童(3～17歲，平均9.9歲)進(jìn)行了全甲基化組分析，發(fā)現(xiàn)存在2078個位點上存在兒童時期的增齡性DNA甲基化改變，并經(jīng)另一個78例兒童的人群得到驗證。進(jìn)一步基因組注釋分析發(fā)現(xiàn)，增齡相關(guān)的去甲基化位點位于CpG島的外側(cè)2kb的范圍，并且X染色體上增齡相關(guān)的甲基化位點更少，可能是因為男性作為X連鎖的半合子的特性，使得X染色體中不易出現(xiàn)DNA甲基化的變異。GO分析發(fā)現(xiàn)兒童期的高甲基化和低甲基化的基因功能均集中于發(fā)育、免疫系統(tǒng)，提示DNA甲基化可能在生命早期發(fā)育過程中起重要的動態(tài)調(diào)控作用。進(jìn)一步結(jié)合兩項成年人的研究結(jié)果進(jìn)行meta分析后發(fā)現(xiàn)，雖然增齡相關(guān)的位點間存在顯著的重疊，但是大多數(shù)甲基化改變并非遵從生命全程的線性模式，在兒童期甲基化的改變的倍數(shù)更大，較成年人相比高3～4倍。甲基化的改變可能對兒童的作用要更高于成年人，通過認(rèn)識不同年齡段人群中DNA甲基化的改變特征和模式，將最終有希望進(jìn)一步為揭示DNA甲基化在健康和疾病中的作用提供數(shù)據(jù)支持[4]。

4.總結(jié)與展望

隨著社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展，生活水平的提高及生活方式的改變，我國目前人口呈加速老齡化。我國65歲及以上老人將從2010年的1.19億(占總?cè)丝?.87%)增加到2050年的3.6億(占總?cè)丝?5.6%)。隨著年齡不斷增長，個體間的健康狀態(tài)和生存期的差異也越加顯著，主要受到遺傳因素和環(huán)境因素的調(diào)節(jié)，因而研究健康長壽潛在的規(guī)律和調(diào)控機(jī)制具有重要意義[27]。基于基因變異領(lǐng)域目前沒有得到支持性的證據(jù)表明其對于長壽和延緩衰老的作用，但DNA甲基化的增齡性變化模式已經(jīng)得到多個人群證實貫穿于生命全程而存在，其改變受到性別和年齡階段影響，這將是我們認(rèn)識生命發(fā)生發(fā)展的重要科學(xué)突破口[28]。但是，目前對于DNA甲基化的研究還處在起步階段[29]，對于DNA甲基化的發(fā)生原因和確切機(jī)制還需要未來進(jìn)一步研究，并逐步認(rèn)識生理水平和病理水平下甲基化組的全面變化，并嘗試結(jié)合轉(zhuǎn)錄組學(xué)和基因組的變異圖譜，探索內(nèi)在聯(lián)系，未來對于認(rèn)識衰老、延緩衰老，以及個體化“精準(zhǔn)”監(jiān)測衰老進(jìn)程和干預(yù)療效，將提供更為廣闊的前景。

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作者單位：北京老年醫(yī)學(xué)研究所，衛(wèi)生部老年醫(yī)學(xué)重點試驗室，北京醫(yī)院100730

基金項目：北京市科技新星計劃(Z121107002512058)；國家自然科學(xué)基金(30972709，81061120527，81241082, 81370445)；

doi:10.3969/j.issn.1672-4860.2015.04.003

收稿日期：2015-6-29

Advance in relationship between DNA methylation and healthy ageing and longevity(SUNLiang,YANGZe.InstituteofGeriatrics,MinistryofHealth,BeijingHospital,Beijing100730,China.)

【Abstract】Epigenetic modifications play an important role in the process of gene regulation.And inhibition of disease genes in longevity and health of individuals may have also been associated with epigenetic modifications, contributing to the phenotype of longevity and healthy.Age-related DNA methylation is involved in metabolic disease, cardiovascular disease, and cancer in elderly.The evidence is limited about genetic variations in longevity and anti-aging effect, but in recent years, the role of DNA methylation changes in human has been reported extensively throughout the entire life, which is affected by gender and age, this will be helpful to understand the nature of life.Although the reason for cause of DNA methylation and the exact mechanism still needs further research, it is still promisingto understand aging, anti-aging, and individualized “accurate” monitoring of effect of intervention.

【Key words】healthy longevity, ageing, DNA methylation, epigenetics, individualized

※為通訊作者