DNA甲基化在肺部疾病中的作用研究進(jìn)展

溫冬梅 余思源 芮奎 顧延會 歐陽瑤

DNA甲基化(DNA Methylation)是現(xiàn)階段新發(fā)現(xiàn)運(yùn)用于診斷、預(yù)后和預(yù)測治療的生物標(biāo)志物，也是一種最具特征、最早發(fā)現(xiàn)及最重要的表觀遺傳修飾之一[1]。隨著對DNA甲基化的持續(xù)深入研究，其已漸漸被視為現(xiàn)代醫(yī)學(xué)研究的熱點(diǎn)，并為各種疾病的發(fā)生及發(fā)展提供新的研究方向和治療策略。近年來，研究證實(shí)在多種呼吸道疾病，如哮喘、肺癌、慢性阻塞性肺疾病以及特發(fā)性肺纖維化等的發(fā)展中，常常捕捉到DNA甲基化發(fā)生變化，并引起疾病更進(jìn)一步加重。當(dāng)前，對其機(jī)制的進(jìn)一步解釋可以為肺部疾病提供新的診斷方法及治療策略。本文著重介紹DNA甲基化在肺部疾病中的潛在臨床應(yīng)用。

一、DNA甲基化概述

表觀遺傳學(xué)(Epigenetics)是指可遺傳的基因表達(dá)或細(xì)胞表型，它是由DNA序列以外的機(jī)制引起，且不會導(dǎo)致DNA序列的改變，表觀遺傳學(xué)的示例主要涉及DNA甲基化、染色體重塑、基因沉默、組蛋白尾修飾和非編碼RNAs，每一個(gè)都可能受到環(huán)境、飲食、生活方式、疾病和衰老的影響[2]。表觀遺傳學(xué)中DNA甲基化是最重要的，DNA甲基化是胞嘧啶的化學(xué)修飾，具體的說是指在胞嘧啶堿基的第五個(gè)碳位處將甲基(CH3)添加到CPG二核苷酸中的鳥苷中，并組成甲基化CpG[3]。CpG二核苷酸在人類基因組中的分布不均勻，并且通常局部聚集組成一些長度為300～3000 bp的高CG含量的DNA片段(即CpG島)，大多數(shù)DNA甲基化發(fā)生于CpG島中[4]。DNA甲基化涉及高甲基化和低甲基化兩種狀態(tài)，CpG島的DNA高甲基化使相關(guān)基因沉默，而低甲基化促進(jìn)轉(zhuǎn)錄的發(fā)生，進(jìn)一步調(diào)節(jié)上游及下游靶基因的轉(zhuǎn)錄[5]。DNA甲基化調(diào)節(jié)許多生物學(xué)功能，其功能調(diào)節(jié)障礙與自身免疫性疾病、纖維化疾病、腫瘤及心血管疾病等的進(jìn)展息息相關(guān)[6]。因此，在多種疾病發(fā)病過程中檢測某些基因的甲基化程度，可以成為評估該疾病預(yù)后、復(fù)發(fā)、早期檢測和風(fēng)險(xiǎn)估計(jì)的有效生物標(biāo)志物，甚至可以成為有效的治療靶點(diǎn)[7]。

二、DNA甲基化與慢性阻塞性肺疾病

慢性阻塞性肺疾病(慢阻肺)是常見的慢性肺部疾病之一，其高發(fā)病率和死亡率已成為中國乃至全世界重要公共衛(wèi)生問題[8-9]。既往慢阻肺的發(fā)生主要?dú)w因于吸煙、細(xì)菌和病毒感染以及環(huán)境空氣污染物等，然而，目前其他因素包括異常DNA甲基化已被證實(shí)可影響慢阻肺的發(fā)展。有學(xué)者發(fā)現(xiàn)異常的DNA甲基化主要通過以下三種信號通路參與慢阻肺的發(fā)病機(jī)制:磷酸酶張力蛋白信號通路(PTEN)、核轉(zhuǎn)錄因子E-2相關(guān)因子2(Nrf2)介導(dǎo)的氧化應(yīng)激途徑、IL-17因子炎癥反應(yīng)途徑。其中Nrf2介導(dǎo)的氧化應(yīng)激途徑在慢阻肺的進(jìn)展中不可或缺。Nrf2介導(dǎo)的細(xì)胞保護(hù)作用減弱可造成細(xì)胞受損，進(jìn)一步加重慢阻肺的進(jìn)程[10]。當(dāng)前大量研究已表明慢阻肺病人的外周血、痰液、肺組織中存在DNA甲基化異常。Sundar等[11]報(bào)道吸煙者和慢阻肺病人肺組織中NOS1AP和BID基因的表達(dá)與DNA甲基化狀態(tài)的改變有很大關(guān)聯(lián)，從而擾亂細(xì)胞的衰老、自我吞噬和凋亡。Qiu等[12]發(fā)現(xiàn)外周血中FUT7的甲基化狀態(tài)相對降低會影響外周組織中sialyl lewis X的表達(dá)，增加和E選擇素的相互作用，促進(jìn)中性粒細(xì)胞向肺組織遷移，最終加重慢阻肺病人肺組織的炎癥反應(yīng)。Bruse等[13]研究證實(shí)在吸煙者痰標(biāo)本中SULF2 啟動子區(qū)的高甲基化，且與持續(xù)性的粘液高分泌相關(guān)。上述研究結(jié)果提示DNA甲基化在慢阻肺發(fā)病中占據(jù)不可忽視的作用，基因啟動子甲基化可能是慢阻肺早期的生物標(biāo)志物。因此急需闡述其在慢阻肺發(fā)病機(jī)理中的關(guān)鍵作用，更好的為慢阻肺的診療提供科學(xué)依據(jù)。

三、DNA甲基化與支氣管哮喘

支氣管哮喘(bronchial asthma，簡稱哮喘)是一種繁雜的疾病，導(dǎo)致喘息、氣短、胸悶、夜間或清晨咳嗽，它已成為當(dāng)前難以解決的重要公共衛(wèi)生問題[14-15]。迄今認(rèn)為哮喘主要是由環(huán)境因素和多基因遺傳交互作用引起的慢性呼吸系統(tǒng)疾病。哮喘的發(fā)病原因與持續(xù)暴露于環(huán)境中某些危險(xiǎn)因素引起的關(guān)鍵基因甲基化變化密切相關(guān)，如生物污染物和空氣污染物等。Tanday等[16]研究發(fā)現(xiàn)，早期接觸環(huán)境因素可使DNA甲基化水平發(fā)生變化，從而使機(jī)體的免疫調(diào)節(jié)發(fā)生失調(diào)，使過敏性氣道疾病的遺傳風(fēng)險(xiǎn)加劇，最終導(dǎo)致過敏性疾病，如哮喘的發(fā)展。Nadeau等[17]研究證明在哮喘發(fā)病機(jī)制中調(diào)節(jié)性T(Treg)細(xì)胞是重要的免疫應(yīng)答抑制因子，Treg-細(xì)胞損傷與叉頭盒轉(zhuǎn)錄因子3(Foxp 3)DNA甲基化增加有關(guān)，后者是Treg-細(xì)胞活性的關(guān)鍵轉(zhuǎn)錄因子，由于環(huán)境空氣污染暴露可引起表觀遺傳變化，且樹突細(xì)胞功能會受到環(huán)境空氣污染的影響，從而擴(kuò)增炎癥反應(yīng)導(dǎo)致哮喘進(jìn)一步加重。Zhu等[18]報(bào)道DNA甲基化水平可調(diào)控哮喘患者STAT6基因的轉(zhuǎn)錄和表達(dá)，促進(jìn)原始T細(xì)胞向Th2細(xì)胞的分化，增加Th2相關(guān)細(xì)胞因子的產(chǎn)生。此外，另有研究報(bào)道過敏原刺激時(shí)IL-4基因的啟動子區(qū)域去甲基化增強(qiáng)，有助于幼稚T淋巴細(xì)胞向Th2細(xì)胞分化[19-20]。有文獻(xiàn)報(bào)道DNA甲基化在哮喘發(fā)生發(fā)展中占有重要位置[21]。但目前對有助于哮喘表達(dá)的基因組和表觀遺傳因素，以及這一疾病過程的嚴(yán)重程度知之甚少。進(jìn)一步了解這些表型的發(fā)病機(jī)制將有助于更好地評估、分類和治療哮喘患者。

四、DNA甲基化與肺癌

肺癌(lung cancer)是指肺部生長惡性腫瘤，肺癌的病因較復(fù)雜，常見與生活習(xí)慣、環(huán)境污染、自身性格、吸煙、遺傳因素等密切相關(guān)，肺癌是癌癥中排名第一的惡性腫瘤，是全世界與癌癥有關(guān)的死亡的主要原因[22]。在中國新發(fā)布的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)中，2015年新發(fā)肺癌病例數(shù)約為730，000例，其中死亡人數(shù)約占610，000例[23]。肺癌的發(fā)生發(fā)展涉及多種因素，其中環(huán)境和遺傳因素占有主要地位，受異常的DNA甲基化、非編碼RNAS、組蛋白乙酰化調(diào)控。其中異常的 DNA甲基化占優(yōu)勢，在肺癌的發(fā)病過程中整個(gè)基因組 DNA的低甲基化，及DNA啟動子區(qū)CpG島高甲基化，起著很重要作用[24]。DNA甲基化和肺癌有兩種狀態(tài)：①DNA低甲基化與肺癌：DNA的低甲基化是導(dǎo)致原癌基因的激活和肺癌致病的主要機(jī)制之一。Fujii等[25]發(fā)現(xiàn)ARL4C基因3′UTR低甲基化導(dǎo)致其過表達(dá)，參與肺鱗癌的發(fā)生。Yokoyama等[26]表明，TET1介導(dǎo)的DNA低甲基化可調(diào)節(jié)肺腺癌中MUC4基因的表達(dá)。MUC4的高表達(dá)會導(dǎo)致較差的肺癌預(yù)后。Gao X等[27]證明了吸煙對8個(gè)肺癌相關(guān)基因的 DNA甲基化(KLF6，STK32 A，TERT，MSH5，ACTA2，GATA3，VTI1 A和 CHRNA5)產(chǎn)生了影響，其中11個(gè)位點(diǎn)的 DNA低甲基化是與吸煙相關(guān)。上述結(jié)果表明DNA低甲基化在肺癌中普遍存在，癌基因的低甲基化與基因組不穩(wěn)定性以及癌基因亞型異常過度表達(dá)有關(guān)。最終將導(dǎo)致肺癌進(jìn)展。②DNA高甲基化與肺癌：現(xiàn)階段已證實(shí)各種腫瘤抑制基因的高甲基化狀態(tài)與肺癌的進(jìn)展有關(guān)。Yuan等[28]研究發(fā)現(xiàn)GPC5在肺癌組織和肺癌細(xì)胞系中呈現(xiàn)高度甲基化，并且可抑制肺癌細(xì)胞的增殖、遷移及侵襲，表明肺癌預(yù)后不良與GPC5的低表達(dá)有關(guān)。Yang等[29]研究了DAPK啟動子在非小細(xì)胞肺癌和健康受試者的癌組織和癌旁組織中的甲基化狀態(tài)，結(jié)果顯示，非小細(xì)胞肺癌組織中 DAPK啟動子甲基化的頻率顯著高于健康受試者。其他研究人員發(fā)現(xiàn)p53、APC、MGMT等腫瘤抑制基因，已被證實(shí)在肺癌中呈現(xiàn)高度甲基化[30]。在肺癌的早期階段已存在腫瘤抑制基因的高甲基化狀態(tài)，并且可以抑制腫瘤抑制基因的主要基因的轉(zhuǎn)錄，引起表達(dá)減少或沉默，導(dǎo)致相應(yīng)的功能減弱或失去，從而促進(jìn)肺癌的進(jìn)展。DNA甲基化被視為是腫瘤重要的診斷標(biāo)志物或治療靶點(diǎn)[31],可預(yù)測疾病過程的侵襲程度及預(yù)后。因此，了解肺癌發(fā)病機(jī)制中存在的表觀遺傳改變可能有助于提供治療靶點(diǎn)及開發(fā)有效的治療方法。

五、DNA甲基化與IPF

特發(fā)性肺纖維化(Idiopathic pulmonary fibrosis，IPF)是一種以間質(zhì)纖維化為特點(diǎn)的慢性呼吸道疾病，其發(fā)病與年齡、性別及吸煙史密不可分，在60歲以上人群中特發(fā)性肺纖維化患病率較高，大多數(shù)患者有吸煙史，男性患病率高于女性[32]。研究證明，特發(fā)性肺纖維化有許多危險(xiǎn)因素，包括慢性吸入、病毒感染、吸煙和家族遺傳等[33]，IPF病理過程涉及EMT形成、肌成纖維細(xì)胞的形成和增殖，導(dǎo)致ECM沉積和肺組織結(jié)構(gòu)重塑等[34]。吸煙是IPF的危險(xiǎn)因素之一，吸煙可能導(dǎo)致Wnt7a 啟動子甲基化改變并影響小氣道上皮細(xì)胞全基因組DNA 甲基化水平[35]。研究表明，IPF發(fā)病過程中的基因和 miRNAs表達(dá)受 DNA甲基化調(diào)控，如趨化因子 IP-10、前凋亡基因 P14、環(huán)氧化酶2(COX-2)、胸腺細(xì)胞抗原-1(Thy-1)表達(dá)的糖蛋白 Thy-1(CD90)和 miR-NA17。維持正常肺成纖維細(xì)胞中細(xì)胞與基質(zhì)平衡的重要因子是Thy-1(CD90)，而在IPF的成纖維細(xì)胞中不存在Thy-1表達(dá)。有相關(guān)研究報(bào)道在 IPF發(fā)病過程中Thy-1啟動子發(fā)生甲基化，沉默Thy-1基因增強(qiáng)肺成纖維細(xì)胞抗凋亡能力，導(dǎo)致 ECM沉積及肺部瘢痕形成，而 DNMTs抑制劑可使這一過程發(fā)生逆轉(zhuǎn)[36]。上述研究結(jié)果提示，DNA甲基化在IPF中普遍存在且扮演了重要角色。然而，仍需深入闡明DNA甲基化在IPF中的作用，為IPF的診斷及治療提供線索。

六、展望

迄今為止，在表觀遺傳事件中研究得最好的是DNA甲基化，DNA甲基化在化學(xué)上是穩(wěn)定的，易于擴(kuò)增，易于檢測，是不可或缺的生物標(biāo)記物。大量的研究表明肺部疾病的進(jìn)展與 DNA甲基化模式的變化和 DNA甲基化異常密切相關(guān)，值得注意的是，DNA超甲基化與去甲基化之間的平衡需要維持，如何高效、恰當(dāng)?shù)赝ㄟ^調(diào)節(jié)兩者平衡調(diào)控基因表達(dá)值得高度重視?，F(xiàn)階段 DNA甲基化的臨床應(yīng)用正處于探究階段，仍待更進(jìn)一步深入研究，因此，在肺部疾病的發(fā)病機(jī)制中詳細(xì)研究 DNA甲基化的作用，它可能會導(dǎo)致更有效和有針對性的治療策略?？傊?，盡管DNA甲基化在肺部疾病中的作用已取得了令人鼓舞的成果，但這一領(lǐng)域仍面臨重大挑戰(zhàn)，尚需進(jìn)一步探索。