DNA甲基化在阿爾茨海默病發(fā)病機(jī)制中作用的研究新進(jìn)展

栗鋆 邵宏元 劉凡

阿爾茨海默病(Alzheimer disease，AD)是一種與年齡相關(guān)的慢性進(jìn)行性不可逆性的認(rèn)知功能衰退的神經(jīng)退行性病變，主要以認(rèn)知功能障礙、精神行為異常、日常生活活動(dòng)執(zhí)行困難三組主要癥狀為特征[1]。AD的病因至今尚不明確，細(xì)胞外淀粉樣蛋白β(Aβ)聚集、細(xì)胞內(nèi)過(guò)度磷酸化tau蛋白形成的神經(jīng)原纖維纏結(jié)(NFT)和進(jìn)行性神經(jīng)細(xì)胞死亡是AD的主要病理學(xué)特征[2]。DNA甲基化是影響基因活性的主要表觀因素，其異常與很多疾病相關(guān)，包括癌癥、代謝性疾病、心血管疾病、神經(jīng)退行性疾病等[3]。DNA甲基化是表觀遺傳學(xué)機(jī)制重要組成部分，可調(diào)控多種基因表達(dá)。DNA甲基化在腦發(fā)育和神經(jīng)發(fā)生的表觀遺傳調(diào)控中發(fā)揮重要作用，并且其變化是衰老過(guò)程的一個(gè)重要因素，在與年齡相關(guān)的神經(jīng)系統(tǒng)疾病的發(fā)病機(jī)制中起至關(guān)重要的作用。在衰老的大腦中，DNA甲基化的丟失可能會(huì)減少成年人的神經(jīng)發(fā)生，并導(dǎo)致與年齡相關(guān)的學(xué)習(xí)和記憶能力下降[4]。因此，人們有充分理由相信DNA甲基化和AD之間存在很強(qiáng)的潛在聯(lián)系?，F(xiàn)就DNA甲基化在AD疾病機(jī)制及治療方面發(fā)揮的作用研究進(jìn)展進(jìn)行綜述。

1 DNA甲基化異常與AD發(fā)病的關(guān)系

DNA甲基化在AD發(fā)病中發(fā)揮重要作用。De Jager等[5]采用隊(duì)列研究708個(gè)前額葉皮質(zhì)樣的DNA甲基化差異，發(fā)現(xiàn)有71個(gè)甲基化水平與AD的神經(jīng)病理改變明顯相關(guān)，包括與AD易感性變異有關(guān)的ABCA7和BIN1的CpGs。研究發(fā)現(xiàn)，可預(yù)測(cè)實(shí)際年齡的DNA甲基化位點(diǎn)在AD大腦中顯示出加速衰老的變化，盡管這些位點(diǎn)尚未與特定的效應(yīng)基因相聯(lián)系[6]。這些在AD患者中表現(xiàn)出特異性的DNA甲基化位點(diǎn)，可能通過(guò)不同途徑參與疾病的發(fā)生發(fā)展。

1.1 DNA甲基化與Tau蛋白tau是一種可溶性蛋白，主要存在于神經(jīng)軸突中，可穩(wěn)定微管，確保正常的軸漿運(yùn)輸和突觸可塑性。在疾病發(fā)病中，tau蛋白會(huì)過(guò)度磷酸化并形成不溶性聚集物[7]。tau負(fù)荷與神經(jīng)元死亡和認(rèn)知能力下降相關(guān)，加速疾病的進(jìn)展。tau翻譯后修飾包括磷酸化、乙?；?、甲基化、泛素化等，其中tau的磷酸化是主要的翻譯后修飾事件[8-9]。tau磷酸化既能對(duì)神經(jīng)元造成損傷，又具有保護(hù)作用[10]。而tau磷酸化異常會(huì)導(dǎo)致微管塌陷、軸突變性和軸漿運(yùn)輸障礙，從而影響神經(jīng)遞質(zhì)的合成、運(yùn)輸、釋放和攝取，最后導(dǎo)致神經(jīng)變性[11]。

糖原合成酶激酶3β(GSK-3β)是一種主要磷酸化tau的蛋白激酶，在小鼠胚胎干細(xì)胞中，GSK-3β的缺失會(huì)導(dǎo)致DNA甲基轉(zhuǎn)移酶(DNMT)3a2表達(dá)減少。蛋白磷酸酶2(PP2A)是腦部一種主要的絲氨酸/蘇氨酸磷酸酶，其對(duì)tau的底物特異性受PP2A甲基轉(zhuǎn)移酶的調(diào)節(jié)，AD患者中PP2A甲基化的減少與甲基化酶LCMT-1的減少和去甲基化酶PME-1增加有關(guān)，最后PP2A失調(diào)導(dǎo)致過(guò)磷酸化tau蛋白的累積和神經(jīng)退行性變[12]。在癡呆大鼠模型的海馬CA1區(qū)，周期蛋白依賴(lài)性激酶5(CDK5)的啟動(dòng)子區(qū)存在低水平的胞嘧啶甲基化，從而使CDK5表達(dá)上調(diào)，導(dǎo)致tau過(guò)度磷酸化，抑制長(zhǎng)時(shí)程突觸增強(qiáng)，造成空間學(xué)習(xí)和記憶障礙[13]。CDK5抑制劑羅斯科維汀可顯著降低tau蛋白的磷酸化，提示細(xì)胞周期蛋白依賴(lài)性激酶抑制劑在AD中具有應(yīng)用前景。此外，在AD患者和轉(zhuǎn)基因tau小鼠中，PTK2B與過(guò)度磷酸化的tau在進(jìn)展性病理階段中共存，表明PTK2B是AD的一個(gè)遺傳危險(xiǎn)因子，可能參與了tau的病理生理過(guò)程[14]。腦神經(jīng)營(yíng)養(yǎng)因子(BDNF)可能與tau過(guò)度磷酸化密切相關(guān)，Tet1調(diào)控BDNF的DNA去甲基化可能影響tau磷酸化水平。上述研究表明，靶向調(diào)節(jié)tau磷酸化相關(guān)基因的甲基化水平可能是治療AD的一種潛在策略。

1.2 DNA甲基化與AβAβ的過(guò)度產(chǎn)生和積累形成斑塊會(huì)導(dǎo)致神經(jīng)退行性病變，致病性Aβ的產(chǎn)生需要β分泌酶(BACE1)，它能裂解淀粉樣前體蛋白(APP)，這是Aβ產(chǎn)生的限速步驟。AD的突觸功能障礙早在神經(jīng)元大量丟失之前即已出現(xiàn)，其原因是BACE1水平升高促使突觸終末產(chǎn)生過(guò)量的毒性Aβ[15]。Aβ的病理性過(guò)度累積會(huì)導(dǎo)致氧化損傷、炎癥、血-腦屏障損傷、NFT形成和記憶受損[16]。有研究表明，Aβ斑塊可促進(jìn)tau聚集，進(jìn)而形成細(xì)胞內(nèi)NFT[17]。

AD神經(jīng)元中位于DSCAML1內(nèi)含子3的增強(qiáng)子存在廣泛的DNA甲基化缺失，而染色質(zhì)構(gòu)象分析表明，DSCAML1中的增強(qiáng)子對(duì)應(yīng)BACE1基因啟動(dòng)子，這些增強(qiáng)子的低甲基化發(fā)生于AD的早期，與疾病早期BACE1表達(dá)量的異常增高相對(duì)應(yīng)[18]。因此可推測(cè)，DSCAML1中增強(qiáng)子的低甲基化激活靶基因BACE1啟動(dòng)子，誘導(dǎo)AD患者Aβ斑塊和NFT病理的形成和進(jìn)展。Aβ反過(guò)來(lái)參與影響神經(jīng)發(fā)生和細(xì)胞周期基因的增強(qiáng)子的低甲基化，細(xì)胞周期基因的重新激活促進(jìn)了tau的過(guò)度磷酸化，并與Aβ斑塊一起導(dǎo)致AD病理的形成和擴(kuò)散，最終導(dǎo)致神經(jīng)元死亡和AD認(rèn)知障礙[19]。腦啡肽酶是兩種羥基降解酶之一，在正常衰老大腦及AD大腦中存在腦啡肽酶表達(dá)下調(diào)。Li等[18]研究表明，腦啡肽酶啟動(dòng)子區(qū)域的高甲基化會(huì)抑制腦啡肽酶表達(dá)，進(jìn)而降低Aβ清除率，增加Aβ的聚集。但也有研究表明腦啡肽酶啟動(dòng)子的DNA甲基化與AD的發(fā)展和進(jìn)展無(wú)關(guān)[20]。

Aβ可通過(guò)高甲基化BDNF外顯子4的啟動(dòng)子抑制BDNF的表達(dá)，而S-腺基甲硫氨酸作為主要的甲基供體，可通過(guò)減少BDNF外顯子4的啟動(dòng)子的甲基化水平逆轉(zhuǎn)Aβ對(duì)BDNF表達(dá)的抑制作用[16]。Liu等[21]研究結(jié)果顯示，Aβ可降低DNMT的活性，增加PSEN1和APP的表達(dá)，降低細(xì)胞活力，而葉酸可劑量依賴(lài)性地刺激甲基化電位和DNMT活性，增加PSEN1和APP啟動(dòng)子的甲基化，降低PSEN1和APP表達(dá)，保留部分細(xì)胞活力。Lardenoije等[22]給予APPswe/PS1dE9小鼠接種Aβ疫苗發(fā)現(xiàn)，主動(dòng)免疫并不影響整體DNA甲基化水平，但可導(dǎo)致DNA羥甲基化和DNMT3a水平下降，但Aβ累及與DNA甲基化水平無(wú)關(guān)，而與DNA羥甲基化和DNMT3a水平呈正相關(guān)。有研究者以AD模型大鼠為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，篩選靈芝提取物中含有主要抗衰老活性的提取物，以評(píng)價(jià)其對(duì)DNA甲基化的影響，結(jié)果顯示，靈芝提取物不僅能改善學(xué)習(xí)記憶功能，延緩神經(jīng)元凋亡和腦萎縮，還能使組蛋白H3、DNMT3a、DNMT3b等甲基化調(diào)控因子上調(diào)，并下調(diào)AD細(xì)胞內(nèi)標(biāo)記物Aβ1-42的表達(dá)[23]。

1.3 DNA甲基化與載脂蛋白E載脂蛋白E基因(APOE)的ε4等位基因是一個(gè)公認(rèn)的遲發(fā)性AD(LOAD)的遺傳風(fēng)險(xiǎn)因素。人類(lèi)APOE基因有3種遺傳變異，分別是ε2、ε3和ε4，可分別翻譯3種蛋白質(zhì)亞型APOE2、E3和E4。研究顯示，與無(wú)上述任何一種等位基因者比較，攜帶一個(gè)ε4等位基因的人患AD的風(fēng)險(xiǎn)增加2～3倍，而攜帶兩個(gè)ε4等位基因的人患AD的風(fēng)險(xiǎn)增加約12倍，ε2對(duì)AD有一定保護(hù)作用[24]。

Karlsson等[25]通過(guò)使用Illumina 450K芯片檢測(cè)447對(duì)瑞典雙胞胎(平均年齡78.1歲)白細(xì)胞DNA甲基化水平發(fā)現(xiàn)，APOE基因啟動(dòng)子區(qū)域的甲基化與癡呆和AD相關(guān)，其甲基化程度越高，AD發(fā)病風(fēng)險(xiǎn)越大。因此，APOE啟動(dòng)子中的DNA甲基化具有闡明疾病機(jī)制和識(shí)別臨床前疾病的生物標(biāo)記的潛力。但也有研究表明，AD的認(rèn)知減退癥狀和家族史與APOE甲基化無(wú)關(guān)，其中伴隨AD相關(guān)認(rèn)知能力下降出現(xiàn)的APOE的表觀遺傳變化可能是由疾病的病理生理或AD導(dǎo)致的機(jī)體適應(yīng)性反應(yīng)引起[24]。所以，AD發(fā)病與APOE及其甲基化的確切關(guān)系需要進(jìn)一步研究。

非神經(jīng)細(xì)胞主要參與AD中APOE的DNA甲基化降低，非神經(jīng)細(xì)胞主要為膠質(zhì)細(xì)胞，其中星形膠質(zhì)細(xì)胞是腦內(nèi)APOE的主要產(chǎn)生者。Tulloch等[26]研究顯示，與對(duì)照組比較，AD額葉組織中的DNA甲基化水平較低，神經(jīng)元APOE基因的DNA甲基化水平明顯高于膠質(zhì)細(xì)胞，這種甲基化減少是膠質(zhì)細(xì)胞特異性的，提示膠質(zhì)細(xì)胞表觀遺傳調(diào)控的APOE表達(dá)的改變可能是其對(duì)AD患病風(fēng)險(xiǎn)產(chǎn)生影響的重要原因。

與AD相關(guān)的第三大相關(guān)負(fù)荷風(fēng)險(xiǎn)基因是聚集素基因(CLU)，也被稱(chēng)為載脂蛋白J，但其效應(yīng)遠(yuǎn)小于其他APOE基因。有研究者使用Sanger測(cè)序檢測(cè)了與AD疾病密切相關(guān)的6個(gè)基因CpG島(CGI)的甲基化差異，發(fā)現(xiàn)其中CR1、CLU和PICALM的甲基化水平在AD者中明顯降低[27]，提示深入研究CLU甲基化對(duì)AD病理的影響并探究其在診斷治療方面的潛力具有重要意義。

2 DNA甲基化與AD治療

DNA甲基化在記憶和學(xué)習(xí)中起重要作用，AD患者腦組織內(nèi)呈現(xiàn)整體低甲基化，與甲基供體一起進(jìn)食有助于預(yù)防和治療AD。低葉酸和高同型半胱氨酸濃度與認(rèn)知能力差密切相關(guān)，補(bǔ)充葉酸似乎可改善輕度認(rèn)知功能障礙患者的認(rèn)知功能，并降低血液中與低氧核糖核酸相關(guān)的生物標(biāo)記物水平[28]。缺乏維生素B會(huì)導(dǎo)致AD鼠腦內(nèi)GSK-3β啟動(dòng)子區(qū)域的甲基化減少，從而使GSK-3β表達(dá)增加，最終導(dǎo)致tau蛋白的過(guò)度磷酸化。最新一項(xiàng)Meta分析顯示，補(bǔ)充維生素B能有效降低血清同型半胱氨酸水平，然而其并不能提高AD患者的認(rèn)知能力，這與既往研究結(jié)果矛盾，關(guān)于補(bǔ)充維生素B是否能改善AD患者認(rèn)知能力仍需進(jìn)一步探索。

有研究者提出了同源性輔助修復(fù)依賴(lài)表觀遺傳工程(HARDEN)手段，這是一種利用內(nèi)源性DNA雙鏈斷裂修復(fù)途徑靶向DNA甲基化的新方法，這種方法允許通過(guò)體外甲基化外源性修復(fù)模板，通過(guò)同源定向修復(fù)實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的靶向DNA甲基化，并證明HARDEN可應(yīng)用于神經(jīng)退行性疾病基因C9orf72和APP，有望在AD的治療中發(fā)揮新的作用[29]。

動(dòng)物和細(xì)胞研究表明，鉛可以特異性地降低DNMT1和DNMT3a的表達(dá)，從而導(dǎo)致APP和BACE1等AD相關(guān)基因的低甲基化，導(dǎo)致Aβ異常聚集[30]。細(xì)胞學(xué)研究顯示，短期接觸鎘與DNA低甲基化有關(guān)，而長(zhǎng)期接觸與DNA高甲基化有關(guān)[31]。砷甲基轉(zhuǎn)移酶以S-腺基甲硫氨酸作為甲基供體，將無(wú)機(jī)砷甲基化，降低其毒性，因此砷可以通過(guò)耗盡細(xì)胞的甲基供體而導(dǎo)致DNA低甲基化[31]。因此，營(yíng)養(yǎng)治療可能成為防治AD的有效選擇，特別是與乙酰膽堿酯酶抑制劑、腦鍛煉、體育鍛煉等其他抗癡呆干預(yù)措施相結(jié)合，從而有望找到一條預(yù)防和治療AD的途徑。

3 展望

AD病因尚不清楚，診斷和治療手段缺乏，盡管目前已經(jīng)明確表觀遺傳學(xué)在其發(fā)病過(guò)程中發(fā)揮了重要作用，但仍需更多研究以明確表觀遺傳機(jī)制，尤其是DNA甲基化在疾病發(fā)病機(jī)制中的作用。

DNA甲基化在tau蛋白的異常磷酸化和可變剪切、β蛋白的異常聚集、APOE的表達(dá)等方面發(fā)揮作用，相關(guān)位點(diǎn)的甲基化改變有可能成為AD未來(lái)一個(gè)新的生物標(biāo)志物，并且可以為針對(duì)神經(jīng)退行性疾病表觀基因組的臨床前用藥提供科學(xué)依據(jù)。生物信息學(xué)算法可以用來(lái)進(jìn)一步探索當(dāng)前的DNA甲基化數(shù)據(jù)，尤其是轉(zhuǎn)錄組與甲基化聯(lián)合分析，可以獲得與AD相關(guān)的其他可靠信息。

此外，學(xué)者們還探究了甲基供體及其他疾病相關(guān)危險(xiǎn)因素的預(yù)防在疾病中可能發(fā)揮的作用，某些中藥(如靈芝)可能通過(guò)調(diào)控相關(guān)甲基化因子對(duì)AD發(fā)揮治療作用。總之，揭開(kāi)DNA甲基化在AD中的確切作用仍然是一項(xiàng)具有挑戰(zhàn)性的任務(wù)，特別是其在疾病診斷治療中發(fā)揮的作用，仍需進(jìn)一步探索。