外界不良環(huán)境誘發(fā)機(jī)體表觀遺傳毒性的研究進(jìn)展

龔 慧，陳暉娟，劉 欣，郭宇冰，王曉娜，高春芳，劉忠于

環(huán)境中有毒有害物質(zhì)的暴露可導(dǎo)致全身多系統(tǒng)的損害，甚至引發(fā)癌癥。不利的環(huán)境暴露不僅會(huì)引起 DNA堿基序列的改變，還會(huì)引發(fā)表觀遺傳學(xué)的改變，從而導(dǎo)致有害效應(yīng)的產(chǎn)生，而且這些改變是生命后期疾病發(fā)展的基礎(chǔ)。

1 表觀遺傳學(xué)主要機(jī)制

1.1DNA甲基化DNA甲基化主要是向胞嘧啶的第五位C原子添加甲基以產(chǎn)生5-甲基胞嘧啶（5mC），是一種酶促的化學(xué)修飾過(guò)程，DNA甲基化模式的建立是甲基化、去甲基化動(dòng)態(tài)變化的過(guò)程，這些過(guò)程主要受到DNA甲基化轉(zhuǎn)移酶 （DNMT）和去甲基化轉(zhuǎn)移酶的調(diào)控。甲基化是最常見(jiàn)的一種DNA結(jié)構(gòu)修飾，也是表觀遺傳的一種重要機(jī)制［1］。

1.2非編碼RNA非編碼RNA（ncRNA）按照其長(zhǎng)度可分為長(zhǎng)鏈非編碼 RNA（lncRNA）（＞200 nt）和短鏈非編碼 RNA（sncRNA）（＜200 nt），其中短鏈非編碼 RNA 主要包括 miRNA（單鏈，19～25 nt）和 siRNA（雙鏈，20～25 nt）。非編碼 DNA 被轉(zhuǎn)錄成 ncRNA，其在調(diào)節(jié)基因表達(dá)中起主要作用。雖然lncRNA以多種方式做到這一點(diǎn)，包括染色體重塑，轉(zhuǎn)錄或轉(zhuǎn)錄后調(diào)控，但非編碼RNA主要在轉(zhuǎn)錄后水平介導(dǎo)基因表達(dá)。一般而言，miRNA通過(guò)以序列特異性方式結(jié)合mRNA來(lái)抑制基因表達(dá)，并誘導(dǎo)其降解或抑制其翻譯，即 miRNA 主要參與微調(diào)基因表達(dá)［1，2］。

1.3組蛋白修飾組蛋白是高度保守的、帶正電荷的蛋白質(zhì)家族，其周圍被帶負(fù)電荷的DNA纏繞形成核小體，核小體是染色質(zhì)的主要結(jié)構(gòu)單元。組蛋白修飾的機(jī)制主要包括乙?；⒓谆土姿峄?］。

2 常見(jiàn)不良環(huán)境誘發(fā)的表觀遺傳毒性

2.1人群研究有研究報(bào)道，意大利塞韋索二口惡英泄漏事故，廣島和長(zhǎng)崎原子彈爆炸以及切爾諾貝利核事故等人類災(zāi)難的幸存者發(fā)生代謝綜合征、激素紊亂、精子質(zhì)量下降和癌癥的風(fēng)險(xiǎn)增加，原因主要是與化工污染和輻射有關(guān)［1，3］。

不良環(huán)境所導(dǎo)致的各種疾病日益增多，但相關(guān)的表觀遺傳學(xué)機(jī)制尚不清楚，因此，我們查閱了相關(guān)文獻(xiàn)，以評(píng)估常見(jiàn)的不良環(huán)境所誘發(fā)的表觀遺傳毒性的證據(jù)。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，暴露于外界常見(jiàn)的不良環(huán)境的人群的不良表型與表觀遺傳改變有一定的關(guān)聯(lián)。如Kumar等的研究發(fā)現(xiàn)，長(zhǎng)期慢性暴露于電離輻射的男性不育癥工人，其精細(xì)胞的甲基化率顯著增高［4］；閆鵬等的研究表明，放射介入工作人員的職業(yè)暴露是DNA甲基化降低、染色體畸變率和微核率增加的重要風(fēng)險(xiǎn)因素［5］；Somineni等的研究表明，交通尾氣造成的污染導(dǎo)致兒童TET1基因啟動(dòng)子中單個(gè)CpG位點(diǎn)的甲基化損失和全基因組5-hmC水平升高，這與哮喘的發(fā)生顯著相關(guān)［6］；Carmona等收集了美國(guó)馬薩諸塞州2280份男士 （他們都短期暴露于汽車尾氣型、燃煤型黑碳等不良環(huán)境）的血液樣品，然后，檢測(cè)炎癥反應(yīng)相關(guān)基因絲裂原活化蛋白激酶 （MAPK）的DNA甲基化改變情況，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，84個(gè)MAPK通路基因中有14個(gè)基因的DNA甲基化水平與汽車尾氣型和燃煤型黑碳的暴露具有顯著相關(guān)性［7］；Snyder等的研究對(duì)象為加油站服務(wù)人員和交通警察，通過(guò)檢測(cè)他們的外周血DNA的甲基化情況，發(fā)現(xiàn)吸入型苯的暴露與Alu和LINE-1的甲基化顯著相關(guān)，而且也與p15基因和抑癌基因MAGE-1甲基化異常有關(guān)［8］；Xing等的研究發(fā)現(xiàn)，確診為苯中毒的11名工人與同工廠同工種非苯中毒的工人相對(duì)比，p16啟動(dòng)子區(qū)第4CpO位點(diǎn)，p15啟動(dòng)子區(qū)第3CpG位點(diǎn)的甲基化水平較高［9］；Pavanello等的研究發(fā)現(xiàn)，長(zhǎng)期暴露于高濃度多環(huán)芳烴PAHs的非吸煙的焦?fàn)t工人，其外周血全基因組高甲基化，t953、HICl基因啟動(dòng)子低甲基化［10］；Kundakovic等的研究表明，化學(xué)物質(zhì)雙酚A（BPA）的暴露導(dǎo)致外周血BDNF基因甲基化改變，此改變與神經(jīng)系統(tǒng)疾病包括抑郁、精神分裂癥、自閉癥等相關(guān)［11］；Tong 等對(duì)老齡小鼠的研究表明，DNMT3a在海馬中的過(guò)表達(dá)可以逆轉(zhuǎn)老齡小鼠的空間記憶缺陷，同時(shí)，通過(guò)對(duì)阿爾茨海默病患者進(jìn)行尸檢發(fā)現(xiàn)，海馬結(jié)構(gòu)的全基因組DNA甲基化水平顯著下降，這與化工產(chǎn)品甲醛有關(guān)；重金屬進(jìn)入體內(nèi)能夠催化生物學(xué)大分子的氧化損傷，誘導(dǎo)產(chǎn)生活性氧和自由基，而活性氧能夠影響表觀遺傳因子［12］，Chiou等通過(guò)招募76例從不吸煙的肺癌患者，檢測(cè)其相鄰正常肺組織的鎳水平，結(jié)果表明，鎳誘導(dǎo)的miR-21降低了SPRY2和RECK的表達(dá)，促進(jìn)了肺癌細(xì)胞的侵襲性，高鎳亞組的總生存期（OS）較差，無(wú)復(fù)發(fā)生存期（RFS）低于低鎳亞組［13］；Cantone 等的研究發(fā)現(xiàn)，電爐鋼鐵廠工人暴露的顆粒物中，金屬鉻、鉛、砷和鎳的含量分別與組蛋白H3-K4二甲基化成正相關(guān)，鎘的含量與組蛋白H3-K9乙?；守?fù)相關(guān)［14］；Xie等通過(guò)檢測(cè) 41名健康人，40名無(wú)癥狀重度吸煙者和49例慢性阻塞性肺疾?。–OPD）患者的血清候選miRNA的水平，發(fā)現(xiàn)COPD患者和無(wú)癥狀重度吸煙者的miR-21水平顯著高于正常健康人群，而COPD患者和無(wú)癥狀重度吸煙者的miR-181a水平卻顯著低于健康人群，相關(guān)的數(shù)據(jù)表明，血清miR-21和miR-181a水平可能對(duì)評(píng)估重度吸煙者COPD的發(fā)展有價(jià)值［15］。

這些研究提供了輻射、化工品、空氣污染物、金屬、香煙煙霧等暴露人群，表觀遺傳變化和不良表型之間的機(jī)制關(guān)聯(lián)，以及人類表觀遺傳毒性的潛在機(jī)制。

2.2動(dòng)物實(shí)驗(yàn)研究在人類群組中暴露于環(huán)境因素的有害影響刺激了對(duì)動(dòng)物模型中環(huán)境誘導(dǎo)的表觀遺傳毒性的研究。通過(guò)查閱文獻(xiàn)，發(fā)現(xiàn)動(dòng)物在不同的發(fā)育階段接觸不良環(huán)境所導(dǎo)致的不良表型和表觀遺傳變化之間具有一定的關(guān)聯(lián)。如高輝對(duì)暴露于X射線的ICR小鼠的研究結(jié)果表明，相對(duì)于對(duì)照組小鼠，DNA甲基化、組蛋白甲基化相關(guān)基因表達(dá)差異顯著［16］；Igor等的研究發(fā)現(xiàn) 1 Gy 電離輻射（5 cGy/s，90 kv，5 mA）照射的 C57BL/6 小鼠，海馬組織相關(guān)miRNA相較于對(duì)照組來(lái)說(shuō)，差異表達(dá)，這也是神經(jīng)系統(tǒng)功能差異的原因［17］；Yaroslav等的研究發(fā)現(xiàn)2.5 Gy γ 射線（90 kV，5 mA）照射的 C57BL/6 小鼠免疫功能較對(duì)照組較差，原因在與其脾臟和胸腺中的相關(guān)miRNA表達(dá)顯著下降；Jiang等對(duì)斷奶雄性小鼠進(jìn)行 50 μg/kg·d 的雙酚 A（BPA）暴露研究，然后，在暴露第24周和第48周，檢查心臟功能、線粒體功能、檢測(cè)PCG-1α的mRNA表達(dá)和甲基化狀態(tài)（其中PCG-1α是心肌中線粒體生物發(fā)生的主要調(diào)節(jié)劑），結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在第48周，暴露于BPA的大鼠表現(xiàn)出心肌病，其特征在于心肌肥大，心肌細(xì)胞增大和心臟功能受損，BPA暴露降低了PGC-1α的表達(dá)并誘導(dǎo)了心臟組織中 PGC-1α的高甲基化［18］；Kundakovic等進(jìn)行了雙酚A（BPA）暴露作為模擬環(huán)境對(duì)動(dòng)物和人類的行為產(chǎn)生長(zhǎng)期影響的相關(guān)研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，產(chǎn)前BPA誘導(dǎo)導(dǎo)致BALB/c小鼠海馬和血液中Bdnf基因轉(zhuǎn)錄相關(guān)區(qū)域的DNA甲基化發(fā)生變化，并且這些變化與暴露于高母體BPA水平的人的臍帶血中BDNF變化一致，這些數(shù)據(jù)表明，血液中的BDNF DNA甲基化可用作腦BDNF DNA甲基化和基因表達(dá)的預(yù)測(cè)因子以及早期環(huán)境暴露引起不利行為的標(biāo)志物，因?yàn)锽DNF表達(dá)和DNA甲基化在與早年逆境相關(guān)的幾種精神疾病中發(fā)生了改變，包括抑郁癥，精神分裂癥，雙相情感障礙和自閉癥等［11］；Tong等的研究發(fā)現(xiàn)，通過(guò)對(duì)SD成年鼠腦室注射甲醛（1 μl of 0.5 mM），結(jié)果導(dǎo)致SD鼠年齡相關(guān)的空間記憶受損和全基因組DNA甲基化水平下降［12］；Onishchenko等從妊娠第7天到分娩后的第7天，讓BALB/C懷孕小鼠以0.5 mg/kg·d的劑量暴露于甲基汞（MeHg）環(huán)境，結(jié)果發(fā)現(xiàn)圍產(chǎn)期接觸甲基汞會(huì)導(dǎo)致小鼠學(xué)習(xí)和動(dòng)機(jī)行為的持續(xù)變化，他們利用抗抑郁藥氟西汀慢性治療，結(jié)果逆轉(zhuǎn)了甲基汞暴露雄性小鼠的抑郁樣行，機(jī)制是MeHg暴露誘導(dǎo)BDNF啟動(dòng)子區(qū)域染色質(zhì)結(jié)構(gòu)處于長(zhǎng)期的抑制狀態(tài)，特別是DNA高甲基化，組蛋白H3-K27三甲基化的增加和啟動(dòng)子IV處H3乙?；臏p少。雖然氟西汀治療不會(huì)改變H3-K27的高甲基化，但它可顯著上調(diào)甲型肝炎病毒暴露小鼠BDNF啟動(dòng)子IV的H3乙?；Ｑ芯勘砻?，低水平的MeHg的暴露使小鼠易于抑郁并誘導(dǎo)海馬中BDNF基因表達(dá)的表觀遺傳發(fā)生變化［19］。Zhang等通過(guò)向 Wistar Rattus注射 Ni3S2化合物（10 mg Ni3S2/鼠）來(lái)建立鎳誘導(dǎo)的腫瘤模型，結(jié)果發(fā)現(xiàn)miR-222的表達(dá)與正常組織相比，在腫瘤組織中顯著上調(diào)，miR-222的靶基因CDKN1B和CDKN1C的表達(dá)顯著下調(diào)［20］；有研究表明，在妊娠第12天急性暴露于乙醇溶液中的大鼠，在出生后第42天表現(xiàn)出社交動(dòng)機(jī)減少，Ignacio等通過(guò)向Long Evans鼠的腹腔注射乙醇溶液（2.9 g/kg+1.45 g/kg 2 h后）來(lái)研究由于產(chǎn)前乙醇暴露是否會(huì)導(dǎo)致杏仁核和腹側(cè)紋狀體中的miRNA和mRNA網(wǎng)絡(luò)發(fā)生改變，結(jié)果表明，由于產(chǎn)前乙醇暴露，在LE鼠的一個(gè)或兩個(gè)腦區(qū)域中，幾種miRNA表現(xiàn)出顯著變化，包括mir-204，mir-299a，miR-384-5p，miR-222-3p，miR-301b-3p 和 mir-6239［21］；Peng等在之前的研究中證明懷孕期間的乙醇溶液攝入會(huì)導(dǎo)致心臟基因的不受控制的表達(dá)，并最終導(dǎo)致胎兒心臟發(fā)育不良，接下來(lái)又研究了其中的表觀遺傳學(xué)機(jī)制，他們用56%乙醇溶液或鹽水灌胃C57BL/6懷孕小鼠，然后，收集胎兒的心臟用于分析研究，結(jié)果表明，暴露于乙醇溶液的胎鼠心臟中的 NKX2.5 啟動(dòng)子中的 p300，CBP，PCAF，SRC1（GCN5除外）的表達(dá)增加，同時(shí)，在相同的樣品中觀察到 H3K9的乙?；黾?，NKX2.5，β-MHC和Cx43的mRNA表達(dá)增加，此外，也在實(shí)驗(yàn)小鼠中研究了漆樹酸對(duì)乙醇溶液誘導(dǎo)的心臟肥大的保護(hù)作用，漆樹酸能夠使乙醇誘導(dǎo)的相關(guān)心臟基因的表達(dá)下調(diào)，最終減輕乙醇溶液誘導(dǎo)的胎鼠心臟肥大［22］；Izzotti等通過(guò)燃燒肯塔基3R4F標(biāo)準(zhǔn)科研用香煙，讓瑞士H小鼠全身暴露于香煙煙霧中，用以檢測(cè)由香煙煙霧誘導(dǎo)的早期肺部分子變化和腫瘤的發(fā)生，結(jié)果表明，從出生開(kāi)始持續(xù)吸煙4個(gè)月的小鼠全身性致裂傷，DNA加合物形成，氧化性DNA損傷，以及肺中miRNA的廣泛下調(diào)，同時(shí)，在煙霧暴露的小鼠中，二甲雙胍的服用顯著降低了DNA加合物水平和氧化性DNA損傷，并使幾種microRNA的表達(dá)正常化［23］；大量吸煙與慢性阻塞性肺疾?。–OPD）的發(fā)展有關(guān)，Xie等通過(guò)讓大鼠被動(dòng)吸煙來(lái)誘導(dǎo)大鼠肺氣腫模型，然后，通過(guò)微陣列和RT-PCR分析不同吸煙時(shí)期肺氣腫不同階段的動(dòng)態(tài)miRNA的表達(dá)譜，結(jié)果表明，在吸煙不同時(shí)期后，在不同組的大鼠中觀察到不同嚴(yán)重程度的肺氣腫，伴隨著與調(diào)節(jié)某些途徑相關(guān)的一些血清miRNA的水平改變，特別是血清miR-21與miR-181a水平差異變化比較明顯［24］；產(chǎn)婦吸煙會(huì)增加新生兒發(fā)病的風(fēng)險(xiǎn)，Li等通過(guò)皮下滲透微型泵向懷孕大鼠施用尼古丁，結(jié)果在10日齡幼仔中確定了HI腦損傷，圍產(chǎn)期尼古丁暴露增加新生大鼠缺氧缺血性腦損傷的易感性［25］。

綜上所述，盡管十多年前就有關(guān)于環(huán)境誘發(fā)的表觀遺傳毒性的研究工作，但這一研究領(lǐng)域仍處于起步階段，本文就常見(jiàn)的外界的不良因素所導(dǎo)致的表觀遺傳學(xué)方面的毒性進(jìn)行綜述，來(lái)揭示相關(guān)毒性形成的分子機(jī)制。如大量研究表明，輻射包括電離輻射和高功率電磁輻射會(huì)對(duì)人體的生殖系統(tǒng)、免疫系統(tǒng)、血液系統(tǒng)等造成影響，所以研究其影響的分子機(jī)制刻不容緩；化工產(chǎn)品如雙酚A（BPA）大量應(yīng)用于我們的日常生活中，比如礦泉水瓶、奶瓶、罐頭盒、醫(yī)療器械等等，造成了生活環(huán)境的嚴(yán)重污染，所以研究其是否會(huì)對(duì)人們的健康造成影響，以及影響的分子機(jī)制至關(guān)重要；鎳是一種重要的金屬，是人們生產(chǎn)和生活中必不可少的微量元素，常常鍍?cè)诮饘偕戏乐股P，文中針對(duì)鎳金屬的富集對(duì)身體影響的表觀遺傳學(xué)機(jī)理進(jìn)行了描述；香煙煙霧在我們?nèi)粘Ｉ瞽h(huán)境中也不可避免，其會(huì)導(dǎo)致肺部疾病病變，其表觀遺傳學(xué)機(jī)制主要是會(huì)影響相關(guān)的miRNA的表達(dá)。