DNA甲基化參與動脈粥樣硬化發(fā)展的機制

謝慶雅 魏晗 辛小軍 肖平喜

動脈粥樣硬化(atherosclerosis,AS)是以血管內(nèi)膜形成纖維斑塊為特征,主要累及大動脈和中動脈,致管壁變硬、管腔狹窄和彈性減弱,引起相應器官缺血性改變的慢性退行性疾病。AS形成的危險因素包括高脂血癥、高血壓、吸煙、糖尿病、年齡、性別及遺傳因素,可變的危險因素形成是由于基因的改變而導致基因表達產(chǎn)物發(fā)生改變所形成。DNA甲基化是通過沉默相關(guān)表達基因表達來調(diào)節(jié)細胞功能的重要表觀遺傳修飾。同時,最近的研究發(fā)現(xiàn)[1-3]DNA甲基化在動脈粥樣硬化發(fā)展中起重要作用。為此,筆者就DNA甲基化與AS的關(guān)系進行綜述以供參考,也為AS的干預及治療提供堅實的基礎。

一、DNA甲基化參與AS中內(nèi)皮功能障礙

DNA甲基化是在DNA甲基轉(zhuǎn)移酶(DNA methyltransferase,DNMT)作用下,在基因組CpG二核苷酸的胞嘧啶的第5個碳上加入一個甲基,形成5-甲基胞嘧啶[4]。人類基因中,大部分啟動子的調(diào)控都與CpG島有關(guān),CpG島位于啟動子附近區(qū)域,并保持非甲基化狀態(tài),從而完成基因轉(zhuǎn)錄。相反,這些DNA區(qū)域可被甲基化,抑制轉(zhuǎn)錄因子與啟動子的結(jié)合,抑制基因轉(zhuǎn)錄。DNA甲基化在胚胎發(fā)育和生物學功能起重要作用,DNA甲基化失調(diào),即高甲基化和低甲基化均會導致各種疾病,當然也包括AS[1]。

大量研究表明[5-6],DNA甲基化參與調(diào)節(jié)NF-κB介導的信號通路,NF-κB可上調(diào)血管內(nèi)皮細胞(vascular endothelial cell,VEC)中促炎細胞因子和粘附分子的釋放,如TNF-α,IL-6,IL-1,ICAM-1,VCAM-1等,促炎基因細胞色素C氧化酶亞基II的表達增強和促炎細胞因子和粘附分子表達增強密切相關(guān),從而加速了VEC功能障礙。DNA甲基化過程需要DNMT的參與。研究表明[7],DNMT1調(diào)節(jié)炎癥信號從而參與內(nèi)皮功能障礙,其中DNMT1表達上調(diào)會促進krüppel樣因子(krüppel-like factor,KLF)-2基因啟動子甲基化,KLF-2是鋅指家族轉(zhuǎn)錄因子中的一種轉(zhuǎn)錄因子,可激活VEC中的抗炎反應,抑制KLF-2基因轉(zhuǎn)錄會加速炎癥反應,從而進一步導致EC功能障礙[8-9]。除KLF轉(zhuǎn)錄因子外,HOXA5也是調(diào)節(jié)炎癥的重要轉(zhuǎn)錄因子,DNMT1是HOXA5啟動子甲基化過程中重要參與者,進一步加速炎癥反應,誘發(fā)EC功能障礙[10-11]。同時DNMT1還參與整合素、局灶性粘附激酶和細胞外信號調(diào)節(jié)激酶等信號通路,加速EC功能障礙,但是具體機制還有待研究[12]。DNA低甲基化與活性氧(reactive oxygen species,ROS)的指示劑8-羥基鳥嘌呤(8-hydroxyguanine ,8-OHdG)密切相關(guān)。而ROS過量產(chǎn)生會導致氧化應激[13]。健康情況下,ROS的形成與抗氧化之間可以維持平衡,抗氧化系統(tǒng)起減少或清除ROS的作用[14]。慢性氧化應激可引起EC通透性增強,更促進內(nèi)皮功能障礙。研究表明[15],8-OHdG對親本鏈中鳥嘌呤的氧化損傷允許維持DNA甲基化模式的正常復制,而8-OHdG對新DNA鏈中鳥嘌呤的氧化損傷將阻止這種甲基化。也就是說,新DNA鏈上的DNA低甲基化與氧化應激造成的損害逃脫不了關(guān)系。值得注意的是,DNMT1和DNMT3b表達的改變與黑色素細胞系的轉(zhuǎn)化有一定的關(guān)系,而黑色素細胞系的轉(zhuǎn)化與氧化應激過程密切相關(guān)[16]。DNA甲基化與氧化應激的關(guān)系的研究已被不同的研究人員廣泛地分析。慢性氧化應激可能通過促進AS的病理發(fā)展而改變DNA的甲基化特征?？傊?DNA甲基化可能介導KLF和HOXA5等不同轉(zhuǎn)錄因子的表達調(diào)節(jié)AS中的炎癥過程, 同時DNA甲基化負向改變可能加速AS中的氧化應激,從而加快內(nèi)皮功能障礙。

VEC位于血管壁中,動脈中血液流動使血管內(nèi)皮暴露于多種類型流體力學相關(guān)的負荷,包括流體剪切力,拉伸張力和靜水壓力[17]。動脈中曲率小的區(qū)域里穩(wěn)定的層流在AS的發(fā)展中起保護作用,而動脈中曲率大區(qū)域和分叉區(qū)域里加速的渦流促進AS的發(fā)展[17-18]。大量研究表明[19-20],層流可能通過激活有絲分裂原的多種信號傳導通路,例如細胞外信號調(diào)節(jié)激酶5、細胞外信號調(diào)節(jié)激酶-5和KLF-2,進而上調(diào)保護性基因和其蛋白質(zhì)的表達;相反,渦流激活NF-κB和蛋白激酶ceta等多種信號傳導通路,從而促進炎癥發(fā)展和AS[20]。研究顯示[21],在沒有頸動脈結(jié)扎手術(shù)的情況下自然且長期地暴露于層流的EC中無DNMT1蛋白的表達,與對照組相比下,頸動脈結(jié)扎手術(shù)誘導渦流的動脈內(nèi)皮中DNMT1表達增加。相反,給予DNMT抑制劑延緩了渦流下血管內(nèi)AS病變的進展。另一項研究顯示[7],EC受血液動力振蕩剪切力影響后,DNMT3a表達上調(diào),且與KLF-4啟動子結(jié)合,導致KLF-4轉(zhuǎn)錄水平降低,KLF-4與KLF-2相似,都具有抗炎作用,故DNMT3a抑制KLF-4轉(zhuǎn)錄進一步導致內(nèi)皮功能障礙。相反,其他催化活性的DNMT在部分動脈結(jié)扎或者暴露在渦流的EC中幾乎檢測不到,且蛋白水平?jīng)]有明顯差異[21]。VEC暴露于渦流下,DNMT1和DNMT3a的高表達激活NF-κB和蛋白激酶ceta等多種信號傳導通路促進內(nèi)皮功能障礙。

DNA甲基化可通過介導KLF-2和HOXA5等部分轉(zhuǎn)錄因子直接導致內(nèi)皮功能障礙,同時渦流引發(fā)DNMT高表達而進一步加速內(nèi)皮功能障礙,這均是加快AS病程的因素[7]。

二、DNA甲基化調(diào)節(jié)巨噬細胞活化

經(jīng)典觀點提出了巨噬細胞的M1/M2表型二分法,M1巨噬細胞參與了炎癥的開始和進展,且分泌促炎細胞因子,包括IL-6和TNF-α;M2巨噬細胞與抗炎有關(guān),并且它在組織修復,血管生成和炎癥消退中起作用[22]。KLF-4轉(zhuǎn)錄因子在巨噬細胞活化中起關(guān)鍵作用,體內(nèi)與體外數(shù)據(jù)表明DNMT1通過抑制KLF-4的表達從而活化M1巨噬細胞,活化的M1巨噬細胞中IL-6和TNF-α表達水平升高[23]。有趣的是,一項動物實驗[24]用高脂飲食誘導母體雌鼠高脂血癥,使巨噬細胞通過經(jīng)典活化M1途徑產(chǎn)生粘多糖反應,并且巨噬細胞釋放IL-6和TNF-α是對照組的2倍和1.5倍。同時,誘導高脂血癥的雌鼠的子代中,LXRα的5’UTR位點是低甲基化的,而LXRα是轉(zhuǎn)錄因子核受體超族成員,其活性抑制粘多糖誘導的M1巨噬細胞相關(guān)基因NOS2的表達[24-25]。因此,DNA甲基化調(diào)節(jié)M1巨噬細胞活化可能與LXRα和KLF-4等轉(zhuǎn)錄因子表達降低有關(guān),從而加快AS進程。此外,抑制DNMT3a表達限制了巨噬細胞中Ⅰ型干擾素的產(chǎn)生,這可能在AS進展中具有保護作用[26]。

三、DNA甲基化調(diào)節(jié)平滑肌細胞增生

AS的病理過程包括三個重要階段。第一階段是通過危險因素激活EC,之后免疫細胞,如單核細胞,浸入內(nèi)膜,單核細胞吞噬低密度脂蛋白促進泡沫細胞的形成。第二階段,炎癥狀態(tài)下平滑肌細胞(smooth muscle cell,SMC)通過內(nèi)彈力膜的窗口遷入內(nèi)膜,其增殖導致斑塊形成。這些激活的SMC產(chǎn)生大量的細胞外基質(zhì)(extracellular matrix,ECM)并形成纖維帽。第三階段也是最后一個階段是AS斑塊破裂和血栓形成。由于血管SMC是AS斑塊形成的主要參與者,因此血管SMC增生的調(diào)節(jié)可能在AS的發(fā)展中起重要作用[27-28]。

血管SMC在AS斑塊內(nèi)的多種刺激下,經(jīng)歷了從“收縮”表型到“合成”表型的轉(zhuǎn)變[29]。在這個轉(zhuǎn)變過程中,血管內(nèi)膜SMC中與“收縮性”相關(guān)的蛋白,如α-平滑肌肌動蛋白的表達降低,而表現(xiàn)出更強的ECM和蛋白酶的合成能力。ECM主要由膠原蛋白、纖維蛋白、玻連蛋白和蛋白聚糖組成,在SMC增生中扮演著重要角色,同時也是決定斑塊的完整性的重要部分[30]。ECM的DNA甲基化會影響SMC表型轉(zhuǎn)換,而SMC的表型轉(zhuǎn)換會引起血管鈣化。研究表明[31],DNA甲基化可能控制著某些與SMC增生分化有關(guān)的基因,例如血清反應因子,PDGF和SMC特異性的SM22α。此外,基質(zhì)金屬蛋白酶(matrix metalloproteinases,MMP)與SMC的增生及遷移也有關(guān)[32-33]。血管SMC在DNA甲基化抑制劑作用下MMP1的表達和蛋白分泌增加[34]。同時,DNA甲基化抑制劑抑制血小板衍生生長因子(platelet-derived growth factor,PDGF)誘導的SMC的增殖和遷移,并增加血管細胞收縮力[35]。

同型半胱氨酸(homocysteine,Hcy)是在甲硫氨酸代謝過程中產(chǎn)生的非經(jīng)典含硫氨基酸,Hcy通過甲基化在DNA代謝中發(fā)揮生理功能[36]。升高的Hcy通過抑制細胞周期蛋白A轉(zhuǎn)錄,降低DNMT1活性,抑制DNA甲基化,并且通過增加PDGF的表達在SMC增殖中起作用。也有研究表明[37],高Hcy血癥引起凝集素樣氧化型低密度脂蛋白受體-1的DNA低甲基化,從而可能抑制泡沫細胞的形成。因此,細胞周期蛋白A的低甲基化通過升高Hcy水平可能是SMC增殖并最終導致AS的關(guān)鍵機制[38-40]研究表明[41],在SMC增生遷移過程中發(fā)現(xiàn)DNMT的活性低并且總體DNA呈低甲基化。最近的一項研究顯示[42],在AS斑塊中SMAD7的表達降低,SMAD7基因啟動子的甲基化水平升高以及Hcy水平升高均會加快斑塊形成。這些研究均證明SMC的DNA甲基化不足或者DNMT1的活性降低與SMC的遷移和增生有著密不可分的關(guān)系,進一步推動AS的形成。

四、總結(jié)與展望

目前衰老相關(guān)的系統(tǒng)疾病逐漸成為重要的公共衛(wèi)生問題,其中AS占了很大比例,AS是一種復雜的慢性疾病,其病因涉及遺傳和非遺傳因素,重要的非遺傳因素之一是表觀遺傳,表觀遺傳目前是血管生物學研究的新領(lǐng)域,最新的研究揭示其在AS形成方面有廣闊的研究前景,其中DNA甲基化參與多種調(diào)控通路,從而共同作用于AS的形成。動脈粥樣硬化過程中促發(fā)炎癥及氧化應激,引起內(nèi)皮功能障礙,巨噬細胞活化及血管SMC增生與遷移,均是AS的發(fā)展的原因。本文總結(jié)了與AS發(fā)展中可能相關(guān)的DNA甲基化機制,而這些機制與DNA突變不同,它的改變是可逆的,因此探尋干預措施顯得尤為重要,目標旨在減緩不可避免的發(fā)展過程。未來的研究方向可能涉及“表觀遺傳藥物”的潛在靶點,例如DNMT抑制劑。因此,探討AS有關(guān)的DNA甲基化機制有助于為AS的管理治療提供更多新的可能,具有重要臨床意義。

利益沖突:所有作者聲明不存在利益沖突