衰老與DNA甲基化

衰老體現(xiàn)在生理完整性的逐步丟失,導致功能衰退,并提高死亡的風險性。衰老是癌癥、糖尿病、心血管疾病和神經(jīng)退行性疾病等的主要危險因素。表觀遺傳是指不改變DNA的序列但基因表達卻發(fā)生可遺傳的變化,在人類生長發(fā)育和細胞分化過程中發(fā)揮著重要的作用。DNA甲基化作為其重要組成部分之一,與衰老及其相關疾病有著密切的關系。本文就DNA的甲基化與衰老的研究進展做一綜述。

1 CpG島與DNA甲基化模式

S-腺苷甲硫氨酸(SAM)為供體,將甲基轉移到胞嘧啶的C-5位上，形成5-甲基胞嘧啶(5mc),這一過程是在DNA甲基轉移酶(DNMTs)的催化下進行的。目前已在哺乳動物體內發(fā)現(xiàn)多種DNA甲基轉移酶家族成員,其中起最主要作用的包括DNMT1、DNMT3A和DNMT3B。對于未發(fā)生甲基化修飾的DNA片段,DNMT3A和DNMT3B具有從頭合成DNA甲基化的能力。DNMT3B基因突變可以引起ICF綜合征,即以免疫缺陷、著絲粒不穩(wěn)定和面部異常為特征的常染色體隱性遺傳病。利用RT-PCR技術,Auclair等[1]發(fā)現(xiàn)在早期外胚層細胞DNMT3A和DNMT3B的mRNA水平與全基因組的甲基化程度相一致,且DNMT3B表達量要相對高于DNMT3A。同時發(fā)現(xiàn)相對于DNMT3A的失活,DNMT3B的缺失會導致更大幅度的低甲基化水平,提示DNMT3B在胚胎發(fā)育DNA甲基化過程中發(fā)揮更重要的作用。DNMT1則主要在維持DNA甲基化過程中起重要作用,即將DNA甲基化模式從親代DNA鏈復制到子代。

哺乳動物DNA中約有70%～80%的CpG是甲基化的,并且主要集中于CpG稀少區(qū)域和重復序列中,主要包括:長散在重復序列(LINEs)、短散在重復序列(SINEs)、長末端重復轉座子(LTR)和鄰近著絲粒區(qū)域的衛(wèi)星DNA重復序列。CpG島是一段富含CpG二核苷酸主要集中啟動子和外顯子區(qū)域的序列。與基因組整體CpG甲基化不同,CpG島往往是非甲基化的。因為未甲基化的胞嘧啶容易脫氨基轉變?yōu)槟蜞奏?機體尿嘧啶DNA糖苷酶可以修復這個突變并恢復成胞嘧啶。但甲基化的胞嘧啶脫氨基后形成胸腺嘧啶,因為哺乳動物體內原本就存在胸腺嘧啶不能及時修復,會導致大量胞嘧啶向胸腺嘧啶的轉變,這也被認為是包括人在內的哺乳動物體內CpG二核苷酸序列水平較低的原因。而CpG島正因為其低甲基化水平,故可以保持進化過程中的穩(wěn)定性。雖然哺乳動物的甲基化主要存在于CpG二核苷酸序列中,但近年來，越來越多的研究表明,非CpG位點的甲基化也參與基因表達調控,包括CpA、CpT及CpC[2]。

2 衰老過程中DNA甲基化水平變化

分化細胞的穩(wěn)定性是高等生物的重要特征之一,然而在生命的不同階段,生物體DNA甲基化發(fā)生著劇烈的變化。

2.1 全基因組5-甲基胞嘧啶發(fā)生增齡性含量減低 一項旨在研究老化、環(huán)境和個體內在變化對表觀遺傳影響的研究發(fā)現(xiàn),無論是在組織還是全血中,受試者非CpG島的DNA甲基化水平隨著年齡增長顯著降低[3]。Heyn 等[4]利用全基因組重亞硫酸鹽測序(WGBS),比較了新生兒的臍帶血與百歲老人外周血的CpGs甲基化水平,發(fā)現(xiàn)基因組整體甲基化水平有隨年齡增長而降低的趨勢,這一變化存在于包括啟動子、外顯子、內含子和基因間區(qū)在內的全部基因組分中。

2.2 某些特異性基因中5-甲基胞嘧啶發(fā)生增齡性含量增加 除了廣泛的全基因組的低甲基化變化外,部分衰老還表現(xiàn)為DNA甲基化的增強。Johnson等[5]利用兩個基因表達數(shù)據(jù)庫(GSE32393和GSE31979),在正常乳腺組織中共發(fā)現(xiàn)了204個與衰老具有顯著相關性的CpG位點,其中發(fā)現(xiàn)位于基因IGFBP3和CSNKIG2的CpG位點甲基化水平隨年齡增長而顯著上升。同時與正常乳腺組織相比,乳腺腫瘤中這204個CpG位點也同樣觀測到甲基化水平上升。其中,IGFBP3蛋白可以通過與IGF-1結合阻斷其抗凋亡作用,因衰老過程中其編碼基因超甲基化而導致的蛋白水平的下調,可以增加乳腺癌的風險。

隨著對甲基化研究的不斷深入, 各種各樣甲基化檢測方法被廣泛應用,其中包括WGBS[6]、甲基化DNA免疫共沉淀測序[7]和基因芯片技術[8]等。利用這些檢測技術發(fā)現(xiàn)了衰老過程中某些基因的啟動子序列發(fā)生的不同程度的DNA超甲基化, 這些基因包括腫瘤抑制基因(p16、APC、RUNX3[9])、參與新陳代謝的基因(HIF3A、FTO[10-11])、凋亡相關的基因(RASSF1[12])等。

3 DNA甲基化作為衰老的生物標志物

隨著對DNA甲基化與衰老之間關系的不斷深入研究,如何將DNA甲基化應用到預測人類壽命中引起了研究者們的廣泛關注。分子生物學、基因組學和表觀遺傳學等學科的發(fā)展為研究衰老有關的生物標志物提供了可能。

利用彈性網(wǎng)絡回歸算法,Horvath[13]分析了不同組織的CpG位點甲基化水平,發(fā)現(xiàn)了353個衰老相關的CpG作為表觀遺傳時鐘,可以較為精準地預測年齡。運用相同的算法,Hannum等[14]對來自于656個年齡波動范圍較寬(19～101歲)的血液樣本進行了分析,發(fā)現(xiàn)了71個CpG標志物。另一項基于血液的研究也發(fā)現(xiàn)了99個可以準確預測年齡的甲基化位點,利用這些位點預測的生物學年齡與實際年齡的平均絕對偏差(MAD)僅為4.12年[15]。在校正了性別和年齡因素后,年齡偏差超過5年會使發(fā)生死亡的風險增加21%[16]。目前表觀遺傳在衰老和死亡中的準確作用尚不清楚,需要進一步研究解答這些問題。

以上研究證實了甲基化DNA可以加速衰老,影響預期壽命。通過兩組人群的推導和驗證研究,Zhang等[17]證實了以上研究結果,并發(fā)現(xiàn)特定的CpG位點與預期壽命顯著相關,但是這些位點在老化過程中呈低甲基化狀態(tài)。更多的特異性甲基化位點分析方法,比如焦磷酸測序、核算質譜分析系統(tǒng)等可能會使研究結果更精準[18]。

4 DNA甲基化與衰老相關性疾病

雖然DNA甲基化模式隨年齡增長發(fā)生著廣泛的演變,但只有一部分基因與衰老相關性疾病有關。目前研究最多的就是癌癥,低甲基化狀態(tài)DNA會降低基因組的穩(wěn)定性和增加染色體畸變率。但是特定基因的超甲基化可能增加癌癥的易感性,比如細胞質膜微囊蛋白-1基因(CAV-1)[19]、胰島素生長因子-1(IGF-1)[20]等。DNA甲基化參與氧化應激、線粒體功能障礙、炎癥反應及凋亡蛋白等多個生物過程的調控。這些調控發(fā)生在部分腦區(qū)的神經(jīng)網(wǎng)絡中,往往會表現(xiàn)為認知功能行為學的損害。

4.1 DNA甲基化與阿爾茨海默病 阿爾茨海默病(Alzheimer’s disease,AD)是最常見的神經(jīng)退行性疾病,其病理特征表現(xiàn)為老年斑和神經(jīng)元纖維纏繞。Di Francesco 等[21]發(fā)現(xiàn),AD病人外周血單核細胞甲基化水平與認知功能呈負相關;AD病人DNA超甲基化與較高的DNA甲基轉移酶1(DNMT1)基因表達和蛋白質水平相平行,且甲基化水平與APOEε4等位基因的存在有關。然而,DNA甲基化水平與AD病理變化的關系是復雜的。比如,AD病人的內嗅皮層[22]、顳葉皮層[23]和海馬體[24]基因組DNA甲基化水平降低,這些腦區(qū)在學習、記憶和情感等方面有重要作用,從而導致認知功能障礙。但另有研究在AD病人相同腦區(qū)卻觀察到相反的DNA甲基化結果[25-26],這可能與樣本量的不足以及不同的組織處理方法和檢測流程有關。

同時,眾多研究證實β-淀粉樣蛋白(Aβ)代謝及tau相關基因受到DNA甲基化的調控[27-29]。利用重亞硫酸鹽測序(BSP)和甲基特異性PCR(MSP)等相關技術, Hou等[30]發(fā)現(xiàn),與對照組相比,AD病人外周血淀粉樣前體蛋白(APP)基因呈明顯去甲基化水平,而沉默信息調節(jié)因子2同源蛋白1(SIRT1)呈超甲基化,結合既往研究，推測APP mRNA的高水平表達和SIRT1 mRNA的低水平表達共同促進了AD的病理發(fā)生。Yu等[31]通過對招募到的740個受試者的背外側前額葉皮層進行研究,發(fā)現(xiàn)AD病人SORL1、ABCA7、HLA-DRB5、SLC24A4和BIN1 的甲基化水平發(fā)生了顯著的變化,Aβ可以降低全基因組DNA甲基化水平,但增加腦啡肽酶甲基化水平,從而影響基因轉錄活性。其中發(fā)現(xiàn)SORL1、ABCA7的高表達與神經(jīng)原纖維纏結顯著相關,一種可能的解釋是這些基因過度表達,以回應AD病理學引起的神經(jīng)炎癥和退化。

4.2 DNA甲基化與帕金森病(PD) PD被認為是基因變異和環(huán)境基因相互作用產(chǎn)生的衰老相關性疾病,關于PD的表觀遺傳學研究遠沒有AD廣泛。α-突觸核蛋白(SNCA)基因是帕金森發(fā)病過程的一個重要基因。研究發(fā)現(xiàn)，原發(fā)性PD病人黑質、皮質和殼核中SNCA基因甲基化水平降低[32],導致SNCA基因高轉錄和蛋白質水平上升,從而促進PD的發(fā)生。此外,Ai等[33]發(fā)現(xiàn)，AD病人外周血單核細胞SNCA內含子1甲基化水平降低。并且很多研究證實,在PD病人的大腦和血液樣本中,基因組的DNA甲基化變化趨于一致[34],表明在尋找生物標志物的過程中,來自外周血的DNA甲基化模式有望成為腦組織的替代物。但也有結果相反的報道,在41例健康人群的調查中發(fā)現(xiàn),隨年齡的增長腦內SNCA內含子1甲基化水平輕微上升,并且相對于神經(jīng)細胞,非神經(jīng)細胞甲基化水平更低，SNCA的表達量也更低[35]。因此猜想除了DNA甲基化變異,可能還存在未知的機制參與SNCA的轉錄調控以及PD調節(jié)失衡。

DNA甲基化作為表觀遺傳中研究最透徹的機制之一,研究其與衰老發(fā)生過程的聯(lián)系具有重要的臨床意義。DNA甲基化不僅與多種衰老相關性疾病有密切聯(lián)系,而且可以作為一種生物標志物提供生物年齡信息,并預測生物預期壽命和死亡風險。