DNA甲基化在COPD發(fā)病機(jī)制中的研究進(jìn)展

邸婷婷

綜述，卞 濤審校

0 引 言

慢性阻塞性肺疾病(chronic obstructive pulmonary disease, COPD)是一種常見病、多發(fā)病，是全球?qū)е掳l(fā)病率和死亡率的原因之一,隨著全球人口老齡化和危險(xiǎn)因素的持續(xù)暴露預(yù)計(jì)將進(jìn)一步增加COPD的發(fā)病率,加重社會(huì)經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)，且嚴(yán)重影響人類健康[1]。COPD發(fā)病機(jī)制目前尚不明確，可能與肺部對(duì)香煙煙霧等有害氣體或顆粒的異常炎癥反應(yīng)有關(guān)。近年研究發(fā)現(xiàn)與蛋白酶-抗蛋白酶失衡、氧化應(yīng)激、炎癥反應(yīng)、表觀遺傳、細(xì)胞凋亡等相關(guān)。DNA甲基化是一種可逆地表觀遺傳學(xué)修飾，廣泛參與COPD的發(fā)生發(fā)展。越來越多的研究表明異常的DNA甲基化存在于COPD患者的痰液、外周血、肺泡巨噬細(xì)胞、氣道上皮細(xì)胞以及肺組織中。鑒于DNA甲基化是一個(gè)可逆地表觀遺傳學(xué)修飾，通過研究DNA甲基化在COPD發(fā)病機(jī)制中的作用，對(duì)探索表觀遺傳學(xué)為基礎(chǔ)的COPD的療法提供理論依據(jù)。

1 DNA甲基化概述

所謂的表觀遺傳學(xué)即在基因核苷酸序列不改變的情況下，基因表達(dá)的可遺傳性變化；DNA的表觀遺傳學(xué)修飾包括DNA甲基化、組蛋白修飾、非編碼的RNA。其中DNA甲基化是通過DNA甲基轉(zhuǎn)移酶(DNA methyltransferases，DNMTs)作用下，將S-腺苷甲硫氨酸上的甲基轉(zhuǎn)移到胞嘧啶5’碳原子上，形成5甲基胞嘧啶[2]。DNA甲基化狀態(tài)與DNA片段的活性有關(guān)但并不影響DNA序列。一般而言，基因啟動(dòng)子區(qū)CpG島的高甲基化通常導(dǎo)致基因沉默，而低甲基化觸發(fā)轉(zhuǎn)錄激活，從而影響上下游靶基因的轉(zhuǎn)錄[3]。同卵雙胞胎擁有相同的DNA序列，但研究表明外界環(huán)境因素可改變基因啟動(dòng)子區(qū)CpG島甲基化程度，如香煙煙霧暴露、飲食、衰老、等，可導(dǎo)致一系列疾病的發(fā)生，如COPD[4]。以往認(rèn)為遺傳因素和環(huán)境因素在COPD發(fā)病過程中是相互獨(dú)立的危險(xiǎn)因素，但表觀遺傳學(xué)的出現(xiàn)，把遺傳和環(huán)境這兩個(gè)獨(dú)立因素有機(jī)結(jié)合在一起。

2 COPD中DNA甲基化異常表達(dá)和調(diào)節(jié)

呼吸系統(tǒng)組織長(zhǎng)期暴露于多種污染環(huán)境，如空氣污染、生物燃料煙霧、烹飪油煙以及有害職業(yè)等，大小氣道和肺組織的表觀基因組傾向于動(dòng)態(tài)改變，從而影響基因表達(dá)。尤其是吸煙，可刺激呼吸道產(chǎn)生炎癥反應(yīng)，增加肺組織中活性氧(reactive oxygen species，ROS)的產(chǎn)生，改變細(xì)胞的氧化還原狀態(tài)從而導(dǎo)致不穩(wěn)定的基因發(fā)生甲基化修飾，促進(jìn)COPD發(fā)生發(fā)展和疾病過程[5]。回顧C(jī)OPD中異常甲基化表達(dá)研究進(jìn)展，取材包括了外周血細(xì)胞、大小氣道上皮細(xì)胞、肺組織、痰液以及肺泡巨噬細(xì)胞。不同取材標(biāo)本獲得的實(shí)驗(yàn)結(jié)果并不完全一致，即DNA甲基化狀態(tài)是具有組織特異性的。下面分述各種取材樣本中DNA甲基化研究進(jìn)展。

2.1小氣道上皮細(xì)胞中異常的DNA甲基化COPD氣流阻塞的主要位置是小氣道，在COPD患者小氣道上皮細(xì)胞的全基因組分析表明，異常DNA甲基化和基因表達(dá)主要通過三條信號(hào)通路與COPD發(fā)生發(fā)展相關(guān)：磷酸酶張力蛋白信號(hào)通路(phosphatase tensin signaling pathway，PTEN)、核轉(zhuǎn)錄因子E-2相關(guān)因子2(nuclear factor erythroid 2-related factor 2，Nrf2)介導(dǎo)的氧化應(yīng)激反應(yīng)通路、IL-17因子炎癥反應(yīng)通路[6]。其中Nrf2介導(dǎo)的氧化應(yīng)激反應(yīng)通路在COPD發(fā)病機(jī)制中尤為重要。機(jī)體在應(yīng)對(duì)ROS損害時(shí)形成了一套復(fù)雜的氧化應(yīng)激應(yīng)答系統(tǒng)，當(dāng)暴露于ROS時(shí)，機(jī)體自身能誘導(dǎo)出一系列保護(hù)性蛋白，以緩解細(xì)胞所受的損害[7]。這一協(xié)調(diào)反應(yīng)是由這些保護(hù)性基因上游調(diào)節(jié)區(qū)的抗氧化反應(yīng)元件(antioxidant responsive elements，ARE)來調(diào)控的，而Nrf2是ARE的激活因子，通過與ARE相互作用調(diào)節(jié)編碼抗氧化蛋白[8-9]。生理狀態(tài)下，Nrf2在細(xì)胞質(zhì)中與它的抑制蛋白Keap1結(jié)合，促進(jìn)Nrf2泛素化繼而被蛋白酶體降解。一旦受到親電試劑或ROS的刺激時(shí)，Keap1與Nrf2解偶聯(lián)使得Nrf2轉(zhuǎn)移入核，與基因中的Maf蛋白結(jié)合成異二聚體后識(shí)別并結(jié)合ARE，啟動(dòng)下游保護(hù)性蛋白基因的轉(zhuǎn)錄，提高細(xì)胞抗氧化應(yīng)激能力[10-13]。與肺功能正常的個(gè)體相比，Nrf2氧化應(yīng)激通路中DNA甲基化水平和基因表達(dá)在多個(gè)上游和下游靶基因中均有差異。其中PKC、MEK2、ACTA1/ACTB、MAFG、HIP2、GSTM1/GSTP1/GSTT1、AOX1、MRP4基因僅僅是高甲基化的，而PTEN、Nrf2、JUND、HSP6、EPHX1、FTH1基因是高甲基化且低表達(dá)的[6]。高甲基化導(dǎo)致的基因表達(dá)減少使得Nrf2介導(dǎo)的細(xì)胞保護(hù)作用減弱，造成細(xì)胞損害，介導(dǎo)了COPD的病理生理過程。

此外，COPD患者較正常的個(gè)體更易合并發(fā)生肺癌[14-15]。研究表明Nrf2的表達(dá)上調(diào)與腫瘤自我保護(hù)和耐藥性密切相關(guān)，Keap1或Nrf2在肺癌中的異常狀態(tài)常導(dǎo)致疾病預(yù)后不良，因?yàn)镹rf2既可作為腫瘤抑制因子來阻止細(xì)胞癌變，也可促進(jìn)腫瘤的發(fā)生發(fā)展和對(duì)化療藥的耐藥性，這取決于腫瘤發(fā)展的不同階段[16]。因此闡明這一信號(hào)通路在氧化應(yīng)激和腫瘤的形成中所起的作用，可能對(duì)合理應(yīng)用抗氧化劑療法治療慢性阻塞性肺病患者至關(guān)重要。

2.2肺組織中異常的DNA甲基化Sundar等[17]在肺組織中的研究表明，NOS1AP、BID基因的CpG位點(diǎn)在吸煙者和COPD患者中異常甲基化，這些基因是COPD發(fā)病機(jī)制中氧化-抗氧化失衡、細(xì)胞凋亡的一部分。DNA甲基化狀態(tài)可能影響吸煙者和COPD患者肺組織中NOS1AP、BID基因的表達(dá)，擾亂細(xì)胞的衰老、自我吞噬、凋亡。NOS1AP是一種細(xì)胞保護(hù)性蛋白，與神經(jīng)元型一氧化氮合成酶結(jié)合，緩解血液流動(dòng)的沖擊，保護(hù)動(dòng)脈壁并減少炎癥[18]。COPD患者并發(fā)缺血性心臟病和肺癌的風(fēng)險(xiǎn)性是無COPD臨床表現(xiàn)的單純吸煙者的三倍。這可能與NOS1AP基因在肺組織中高甲基化以及異常表達(dá)相關(guān)[19-20]。

BID蛋白是細(xì)胞死亡調(diào)控因子BCL-2家族中的一員。有絲分裂是細(xì)胞的脆弱時(shí)刻，未能成功完成的有絲分裂通常導(dǎo)致非整倍體和癌癥的發(fā)生，因此機(jī)體通過誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡來清除異常細(xì)胞[21]，BID作用在線粒體有絲分裂間期[22]，并參與一種活性氧依賴、局部線粒體間電位機(jī)制，通過蛋白的磷酸化，放大凋亡信號(hào)[23]。在吸煙者和COPD患者中，BID啟動(dòng)子CpG位點(diǎn)顯著高甲基化，BID表達(dá)減少，這表明BID可能通過細(xì)胞凋亡參與到COPD的發(fā)生發(fā)展中[24-25]。

Yoo等[26]研究表明，EPAS1在COPD患者的肺組織中高度甲基化，基因表達(dá)相對(duì)減少，EPAS1蛋白水平也相對(duì)減低。在慢性暴露于香煙煙霧的老鼠肺組織中，EPAS1基因表達(dá)也是減少的。EPAS1也被稱為低氧誘導(dǎo)因子2α(HIF-2α)，是一個(gè)低氧反應(yīng)轉(zhuǎn)錄因子[27]。在充足的氧氣供應(yīng)下，HIF基因退化，而在缺氧情況下，HIF基因直接連接到DNA上增加靶基因的轉(zhuǎn)錄[28]。低氧加重COPD疾病的嚴(yán)重程度，由肺泡低氧所致的肺血管收縮，也進(jìn)一步加重肺動(dòng)脈高壓。血管內(nèi)皮生長(zhǎng)因子(vascular endothelial growth factor，VEGF)是EPAS1的下游靶基因之一，VEGF參與到支氣管微血管改變和炎癥性的氣道改變中。在肺氣腫患者中，低水平的VEGF加重肺泡的損害[29]。另一個(gè)相關(guān)現(xiàn)象，新生的小鼠缺乏完整的EPAS1基因的表達(dá)，肺表面活性物質(zhì)D的缺乏，導(dǎo)致肺功能異常并死于呼吸衰竭[30]。總而言之，EPAS1的異常甲基化在COPD疾病的發(fā)生發(fā)展中起重要作用。

2.3痰液中異常的DNA甲基化在吸煙者的痰液中，Sond等[31]研究發(fā)現(xiàn)，p16、GATA4基因啟動(dòng)子區(qū)的異常甲基化與無此表觀遺傳變化的吸煙者相比，肺功能顯著下降和木材煙霧暴露的相關(guān)性更強(qiáng)。氣道中的GATA4基因甲基化狀態(tài)可用來預(yù)測(cè)COPD患者健康狀態(tài)[32]。此外，在吸煙者的痰液中，觀察到肺癌相關(guān)基因SULF2啟動(dòng)子區(qū)的高甲基化，與持續(xù)性的粘液高分泌相關(guān)[33]。

2.4外周血中異常的DNA甲基化在吸煙者外周血的研究中，發(fā)現(xiàn)FUT7基因在COPD患者中，相對(duì)處于低甲基化狀態(tài)。中性粒細(xì)胞炎癥反應(yīng)是COPD的一個(gè)突出特征，中性粒細(xì)胞黏附因子的異常表達(dá)在COPD患者中已經(jīng)被觀察到[34-35]。而FUT7基因編碼的sialyl lewis X是E選擇素的配體，研究證明E選擇素在促進(jìn)白細(xì)胞遷移到炎癥組織中發(fā)揮重要作用，其在慢性支氣管炎和氣流阻塞的患者中表達(dá)增加[36]。FUT7的相對(duì)低甲基化狀態(tài)可能改變了外周組織中sialyl lewis X表達(dá)，增加了其與E選擇素的相互作用，從而幫助中性粒細(xì)胞遷移到肺組織中，加重COPD患者肺組織的炎癥反應(yīng)[37]。

2.5甲基轉(zhuǎn)移酶的異常甲基化與COPD相關(guān)的異常甲基化還包括了DNMTs：DNMT1、DNMT3A、DNMT3B的過度表達(dá)。研究認(rèn)為DNMT1是哺乳動(dòng)物中最豐富的甲基化轉(zhuǎn)移酶，被認(rèn)為是維持甲基化的關(guān)鍵酶，DNMT3A和DNMT3B則是主要的從頭甲基化酶[38]。目前關(guān)于DNMTs與COPD相關(guān)性的報(bào)道較少，但Liu等[39]研究發(fā)現(xiàn)，正常小氣道上皮細(xì)胞和支氣管上皮細(xì)胞在吸煙冷凝物的慢性暴露中會(huì)導(dǎo)致DNMT1的表達(dá)減少和DNMT3B的表達(dá)增加，這一結(jié)果為COPD的發(fā)病機(jī)制提供了一定的線索。

3 結(jié) 語

DNA甲基化是表觀遺傳的重要組成方式，對(duì)許多基因的表達(dá)調(diào)控起重要作用。COPD的發(fā)病機(jī)制目前并不明確，已知的氧化應(yīng)激、炎癥反應(yīng)、蛋白酶-抗蛋白酶失衡、凋亡、細(xì)胞衰老等均對(duì)疾病的發(fā)生發(fā)展起重要作用。DNA甲基化介導(dǎo)的基因表達(dá)的改變，參與疾病發(fā)生的許多通路，穿插在各個(gè)重要的發(fā)病機(jī)制之中。是連接環(huán)境改變與遺傳基礎(chǔ)間的橋梁[40]。對(duì)DNA甲基化與COPD發(fā)病機(jī)制的相關(guān)性探究，有助于未來進(jìn)一步闡明COPD的發(fā)病機(jī)制。