DNA甲基化、代謝調(diào)控與腫瘤及慢性疾病

劉 展，周志遠，彭 謹，陳 偉，江 華，3，5△

(1.電子科技大學(xué)醫(yī)學(xué)院，四川 成都 610054；2.四川省醫(yī)學(xué)科學(xué)院·四川省人民醫(yī)院創(chuàng)傷代謝組多學(xué)科實驗室，四川 成都 610072；3.四川大學(xué)華西基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)與法醫(yī)學(xué)院組織胚胎學(xué)教研室，四川 成都 610041；4.西南醫(yī)科大學(xué)生物化學(xué)系，四川 瀘州 646000；5.中國醫(yī)學(xué)科學(xué)院北京協(xié)和醫(yī)院腸外與腸內(nèi)營養(yǎng)科，北京 100730)

DNA甲基化、代謝調(diào)控與腫瘤及慢性疾病

劉 展1，2，周志遠2，4，彭 謹2，3，陳 偉2，5，江 華1，2，3，5△

(1.電子科技大學(xué)醫(yī)學(xué)院，四川 成都 610054；2.四川省醫(yī)學(xué)科學(xué)院·四川省人民醫(yī)院創(chuàng)傷代謝組多學(xué)科實驗室，四川 成都 610072；3.四川大學(xué)華西基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)與法醫(yī)學(xué)院組織胚胎學(xué)教研室，四川 成都 610041；4.西南醫(yī)科大學(xué)生物化學(xué)系，四川 瀘州 646000；5.中國醫(yī)學(xué)科學(xué)院北京協(xié)和醫(yī)院腸外與腸內(nèi)營養(yǎng)科，北京 100730)

甲基化是烷基化反應(yīng)的重要類型之一，是指在底物上增加甲基或者利用甲基取代一個氫原子或基團的過程。生物系統(tǒng)中的甲基化是經(jīng)酶催化的一種反應(yīng)，參與了包括基因表達調(diào)控、蛋白質(zhì)功能調(diào)節(jié)、RNA加工過程和重金屬修飾等重要環(huán)節(jié)。因此對甲基化過程的認識和研究，廣泛的應(yīng)用于生命科學(xué)和疾病研究的諸領(lǐng)域，其中包括：癌癥、產(chǎn)前診斷、感染性疾病及臨床免疫、先天性疾病及獲得性疾病的發(fā)生發(fā)展。

甲基化；癌癥；慢性疾病

有機化學(xué)中甲基化是烷基化反應(yīng)的重要類型之一，是指在底物上增加甲基或者利用甲基取代一個氫原子或基團的過程。生物系統(tǒng)中的甲基化是經(jīng)酶催化的一種反應(yīng)，參與了包括基因表達調(diào)控、蛋白質(zhì)功能調(diào)節(jié)、RNA加工過程和重金屬修飾等重要環(huán)節(jié)。因此對甲基化過程的認識和研究，廣泛的應(yīng)用于生命科學(xué)和疾病研究的諸領(lǐng)域，其中包括：癌癥、產(chǎn)前診斷、感染性疾病及臨床免疫、先天性疾病及獲得性疾病的發(fā)生發(fā)展[1～4]。

同樣已有很多研究顯示，生物系統(tǒng)中的甲基化水平和許多重大疾病的可能病理原因存在密切聯(lián)系。在生命的成長過程中，膳食習(xí)慣、環(huán)境因素或致病等因素都可改變正常的表觀遺傳機制，其大部分改變方式即通過甲基化[5]。尤其對于重大疾病，從發(fā)病機理上講都有研究顯示與甲基化密切相關(guān)。對這些疾病形成過程中的甲基化等表觀遺傳現(xiàn)象的認識不足，是導(dǎo)致在預(yù)防、診斷、和治療等方面還存在許多疑點和難點的原因之一。因此對于甲基化的進一步研究很可能推動許多重大疾病的預(yù)防、診斷和治療。本文針對目前較為復(fù)雜的疾病，如癌癥、糖尿病、阿茲海默病(Alzheimer disease，AD)以及高血壓等，探究其病理機制與甲基化本質(zhì)關(guān)系進行綜述。

1 甲基化與癌癥

最早發(fā)現(xiàn)癌癥與甲基化有聯(lián)系是在1983年，當(dāng)時發(fā)現(xiàn)癌細胞基因組相比正常細胞顯示出低甲基化。近幾年在關(guān)于癌癥遺傳學(xué)基礎(chǔ)的研究，發(fā)現(xiàn)了癌癥中DNA和染色質(zhì)甲基化模式的明顯改變。正常的細胞中CpG島通常是處于非甲基化狀態(tài)。但是，在癌細胞中，腫瘤相關(guān)基因啟動子的這些區(qū)域發(fā)生了超甲基化，這個現(xiàn)象被認為是腫瘤發(fā)生過程中最為重要的表觀遺傳學(xué)改變。啟動子的甲基化在各個類型的腫瘤發(fā)生中都有被發(fā)現(xiàn)，并且和轉(zhuǎn)錄水平的基因異常沉默有關(guān)[6]。

2001年Esteller等對涵蓋了肺癌、乳腺癌、結(jié)腸癌等15種癌癥的600個腫瘤標本進行分析，發(fā)現(xiàn)12個重要的腫瘤相關(guān)基因的啟動子在癌組織中發(fā)生了甲基化模式的改變[7]。同時有研究發(fā)現(xiàn)過量的低甲基化和高甲基化都和一些人類癌癥有關(guān)。其中低甲基化可能導(dǎo)致基因組不穩(wěn)定；而高甲基化可引起局部基因啟動子沉默，以及抑癌基因失活[8]。因為基因的甲基化模式是可遺傳的，所以子代中持續(xù)的啟動子沉默和抑癌基因的失活會極大的增加癌癥產(chǎn)生的風(fēng)險。

CpG島是DNA甲基化和基因突變的高頻位點。有證據(jù)顯示，癌細胞中的異常高甲基化經(jīng)常發(fā)生在CpG島，而在正常體細胞中大多是未甲基化的；事實證明，許多腫瘤都有一個獨特的CpG島甲基化表型，能夠增加異常甲基化發(fā)生的頻率，如此就能為腫瘤細胞提供生長優(yōu)勢，提高基因的不穩(wěn)定性，增加突變頻率，并使其容易發(fā)生轉(zhuǎn)移[9]。也有研究表明，關(guān)鍵甲基轉(zhuǎn)移酶的過表達催化H3-K4或者H3-K7殘基甲基化是腫瘤形成的高發(fā)過程[10]。近期美國一項臨床研究發(fā)現(xiàn)，組蛋白甲基化在前列腺癌患者標本中比例很高。這些都表明組蛋白甲基化和癌癥發(fā)生密切相關(guān)[11]。

DNA甲基化和組蛋白甲基化目前尚處于起步階段，許多甲基化的位點及具體功能尚未明確，隨著甲基化的深入研究，必將為癌癥的診斷和治療提供一種新的思路。

2 甲基化與2型糖尿病

越來越多的研究表明DNA甲基化模式的改變水平對2型糖尿病的發(fā)病有著重要影響，主要是因為2型糖尿病多為基因和各種環(huán)境因素共同參與并相互作用的結(jié)果，這些因素包括肥胖、缺乏鍛煉和飲食不均等。這些因素的變化也會使DNA甲基化模式發(fā)生改變，從而極大增加2型糖尿病的發(fā)病風(fēng)險[12]。

隨著全基因組測序技術(shù)的深入研究，目前科學(xué)家已發(fā)現(xiàn)了60余個2型糖尿病的易感基因，也有研究者對胰島細胞內(nèi)DNA甲基化模式進行全基因組研究，R?nn等在其2015年的研究中對比2型糖尿病患者和正常對照組總共1649個CpG位點，共853個基因，這些基因中已知的和2型糖尿病有關(guān)的基因位點包括TCF7L2、KCNQ1、THADA、 FTO、IRS1及PPARG等，發(fā)現(xiàn)2型糖尿病患者和對照組相比其中102個基因的DNA甲基化水平發(fā)生改變[13]，說明2型糖尿病的易感基因的表觀遺傳修飾的改變是致病的潛在機制之一。

目前的研究已發(fā)現(xiàn)2型糖尿病患者的糖尿病易感基因DNA甲基化等表觀遺傳變化水平會發(fā)生改變，而且已有研究人員試圖通過DNA甲基化標記物來鑒定2型糖尿病的發(fā)生風(fēng)險和形成過程，這是DNA甲基化的研究對糖尿病的預(yù)防、診斷和治療的又一重要貢獻。但是正如Gillberg等2015年在一篇關(guān)于DNA甲基化對鑒定2型糖尿病的風(fēng)險和形成的潛在應(yīng)用一文中指出，目前關(guān)于2型糖尿病等復(fù)雜代謝類疾病的風(fēng)險和形成的鑒定標記物研究較少，以甲基化為代表的表觀遺傳基因組的研究依舊充滿挑戰(zhàn)[12]。

3 甲基化與AD

AD的主要特征為深度的認知功能紊亂，同時伴有一系列的行為、心理和情緒的異常，且至今無有效治療手段。曾有研究顯示，即使是雙胞胎也有可能呈現(xiàn)完全不同的AD癥狀，這充分說明了AD復(fù)雜的病理學(xué)特征和致病因素[14]。這項研究很可能強調(diào)了AD病因?qū)W中非基因因素的重要性，從而促使近幾年轉(zhuǎn)向AD表觀遺傳變化的研究。

早發(fā)性和家族性的AD并不常見，晚發(fā)性、零星發(fā)生的AD更為普遍，這表明AD疾病很可能是基因和環(huán)境危險因素多重作用導(dǎo)致的，同時伴有控制基因表達的表觀遺傳機制的破壞，而且可以看出很可能和年齡有關(guān)[15]。有大量證據(jù)表明隨著年齡的增長，年老時人體血液中和腦中甲基化水平會發(fā)生變化，年齡相關(guān)的胞嘧啶去甲基化，對于Aβ(β淀粉樣蛋白)在老年人腦內(nèi)沉積有很大影響，且DNA甲基化在Aβ生成、清除及毒性相關(guān)基因的調(diào)控中發(fā)揮著重要作用。不僅如此，有研究在AD患者發(fā)現(xiàn)了異常的乙?；图谆Ｊ?，尤其是啟動子DNA甲基化的異?，F(xiàn)象。還有研究顯示，AD患者尸檢發(fā)現(xiàn)，皮層APP基因完全去甲基化；但正常對照組或 Pick病無類似發(fā)現(xiàn)。在腦組織中 APP 啟動子區(qū)上游-500bp 中，發(fā)現(xiàn)在-236 至-101 區(qū)域至少有 13% 的甲基化位點。這些證據(jù)都表明AD和甲基化有很大的關(guān)系[16]。

由于表觀遺傳的可逆性及 Aβ在AD發(fā)生、發(fā)展中的關(guān)鍵作用，以Aβ為靶點的表觀遺傳學(xué)治療可能為 AD 的治療帶來曙光。而且AD 的病因尚不明確，從DNA甲基化角度探究AD，將為AD病因及發(fā)病機制的研究提供新思路。隨著人口老齡化的日益加重，對AD的研究將越來越緊迫，表觀遺傳學(xué)的研究必將對該病的發(fā)病機制的揭示及診治產(chǎn)生重要影響。

4 甲基化與原發(fā)性高血壓

2013年Ash GI等的研究調(diào)查顯示，每年全球有超過760萬人因原發(fā)性高血壓死亡[17]，然而目前其發(fā)病機制尚未明確，但有大量證據(jù)表明原發(fā)性高血壓是以遺傳和環(huán)境為主要因素的多因素相互作用所導(dǎo)致的一種復(fù)雜性疾病[18]，而無論是遺傳因素還是環(huán)境因素都會不同程度地影響表觀遺傳修飾，DNA甲基化作為為一種常見的表觀遺傳修飾，近年來，通過基因DNA甲基化研究高血壓疾病的發(fā)病機制受到越來越多人的關(guān)注。

有很多研究顯示神經(jīng)內(nèi)分泌系統(tǒng)、免疫系統(tǒng)相關(guān)基因的 DNA 甲基化改變，參與了原發(fā)性高血壓的發(fā)生發(fā)展[19，20]。已發(fā)現(xiàn)血管緊張素Ⅱ受體(angiotensinⅡ receptor，ATR)基因、11β-羥基類固醇脫氫酶-2(11β-hydroxysteroid dehydrogenase-2，11β-HSD-2)基因、內(nèi)皮素轉(zhuǎn)換酶1(endothelin converting enzyme-1，ECE-1)等基因發(fā)生甲基化和去甲基化會影響代謝酶和受體的表達，從而通過腎素-血管緊張素-醛固酮系統(tǒng)激活以及腎性水鈉潴留等途徑引起高血壓的發(fā)生，這些基因通過甲基化調(diào)控參與了高血壓病的發(fā)生和發(fā)展。

2004年Bogdarina 等關(guān)于給予妊娠期間的大鼠低蛋白飲食導(dǎo)致其子代腎上腺AT1b受體基因啟動子發(fā)生顯著去甲基化的研究[21]，以及2007年Nuyt 等關(guān)于胚胎時期有害環(huán)境導(dǎo)致AT1b基因啟動子SP1位點去甲基化的研究[22]，均顯示AT1b 基因啟動子區(qū)低甲基化或去甲基化可能會導(dǎo)致高血壓的發(fā)生。除此之外，有許多研究發(fā)現(xiàn)許多不同基因的低甲基化均有可能導(dǎo)致高血壓，例如：NKCC1基因(K+-Na+-2Cl-共運轉(zhuǎn)體基因)啟動子低甲基化，ACE(血管緊張素轉(zhuǎn)換酶基因)基因的低甲基化，ADD1(高血壓病的一個候選基因)啟動子低甲基化等等[23]。

隨著表觀遺傳學(xué)的發(fā)展，將會有更多與原發(fā)性高血壓發(fā)病有關(guān)的甲基化調(diào)控機制得到闡明，對這些 DNA 甲基化調(diào)控機制的深入研究使我們對原發(fā)性高血壓的發(fā)病機制有了新的認識.目前國內(nèi)外 DNA 甲基化研究主要局限于單一因素甲基化程度的探討，難以揭示高血壓這種多因素疾病發(fā)生發(fā)展的全面機制，所以在今后的研究中，應(yīng)重視各危險因素間的共同作用與DNA甲基化水平關(guān)系的探討，在多基因水平上進行研究注重研究的整體性，以便深入了解 DNA 甲基化調(diào)控在原發(fā)性高血壓發(fā)病過程中的分子機制。

5 總結(jié)與展望

目前通過對DNA甲基化的研究，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了如此多的疾病與其存在顯著的相關(guān)性，同樣在一些領(lǐng)域取得了良好的成果，但是由于基因組學(xué)和表觀遺傳學(xué)的復(fù)雜性，使得研究者極難窺探到這些疾病的病理機制的核心。就像1953年DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的發(fā)現(xiàn)，仿佛開啟了可以克服一切疾病的分子生物學(xué)時代的大門，然而研究過程卻遠沒有想象中簡單。但是代謝組學(xué)的出現(xiàn)對生物醫(yī)學(xué)的研究做出了巨大貢獻[24]，同時也可能為DNA甲基化的研究提供一種新的思路。相較于基因組學(xué)、蛋白質(zhì)學(xué)，代謝組學(xué)關(guān)注的是基因和蛋白質(zhì)表達的最終作用產(chǎn)物，如果將中心法則比擬為一座金字塔，機體中的代謝物就相當(dāng)于最底端。相對于代謝組學(xué)來說，DNA甲基化等表觀遺傳學(xué)的研究都處于基因或者蛋白質(zhì)層面的頂端。如果能夠通過結(jié)合代謝組學(xué)和甲基化研究方法，將金字塔頂端和終端結(jié)合在一起，完整的看待一個疾病或生化反應(yīng)從產(chǎn)生到成型的具體演變，無疑是DNA甲基化研究的新的方向。

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DNA methylation，metabolism regulation and tumour，chronic disease

LIU Zhan，ZHOU Zhi-yuan，PENG Jin，CHEN Wei，JIANG Hua

四川省中醫(yī)藥管理局科研項目(編號：2010-93)

R-1

B

1672-6170(2017)05-0253-03

2017-02-19；

2017-07-11)

△通訊作者