可吸入細(xì)顆粒物通過(guò)表觀遺傳機(jī)制影響缺血性腦卒中發(fā)生發(fā)展的研究進(jìn)展

肖再興，柴爾青

缺血性腦卒中是社會(huì)非意外情況下，導(dǎo)致功能障礙甚至危及生命的重大疾病之一[1-2]，也是世界范圍內(nèi)成年人致殘的首要病因[3]。腦部供血?jiǎng)用}發(fā)生狹窄或被栓子、血栓堵塞時(shí)，大腦血流量和氧氣供應(yīng)量減少，發(fā)生缺血性腦卒中[4]。這種現(xiàn)象持續(xù)存在時(shí)，因神經(jīng)元細(xì)胞死亡，導(dǎo)致不可逆腦損傷，出現(xiàn)一系列相應(yīng)的神經(jīng)功能缺損癥狀。炎癥和氧化應(yīng)激增加是缺血性腦卒中的共同特征，可解釋為原因或結(jié)果[5]。腦梗死是一種多因素疾病，環(huán)境和遺傳風(fēng)險(xiǎn)因素均與發(fā)病相關(guān)[6-7]。多項(xiàng)研究表明，空氣污染特別是可吸入細(xì)顆粒物(fine particulate matter，PM2.5)暴露與缺血性腦卒中發(fā)病有關(guān)[8-11]，PM2.5是引起表觀遺傳變化的環(huán)境因素之一[12-14]。表觀遺傳變化導(dǎo)致某些疾病的易感性增加，相關(guān)研究已確定PM2.5暴露和心血管疾病表觀遺傳之間的關(guān)系[15-17]；缺血性腦卒中表觀遺傳變化影響疾病的發(fā)生發(fā)展和預(yù)后[18-19]。認(rèn)為PM2.5可能通過(guò)表觀遺傳機(jī)制影響缺血性腦卒中的發(fā)生發(fā)展[8]，但PM2.5通過(guò)表觀遺傳變化影響缺血性腦卒中發(fā)生發(fā)展的具體機(jī)制尚未明確。以PM2.5、表觀遺傳變化和缺血性腦卒中為主題詞查閱相關(guān)文獻(xiàn)，對(duì)PM2.5通過(guò)表觀遺傳機(jī)制影響缺血性腦卒中發(fā)生發(fā)展的研究進(jìn)展做一綜述，從表觀遺傳機(jī)制明確PM2.5暴露與缺血性腦卒中的關(guān)系，指導(dǎo)缺血性腦卒中的預(yù)防。

1 PM2.5與缺血性腦卒中的關(guān)系

暴露于空氣污染是一個(gè)公共健康問(wèn)題，是發(fā)展中國(guó)家死亡率居前5位的風(fēng)險(xiǎn)因素之一，40%的死亡可能是由室外空氣污染引起的，在快速工業(yè)化帶來(lái)的中低等收入國(guó)家，較多疾病歸因于環(huán)境空氣污染[8]。PM2.5是一種復(fù)雜的混合物，直徑<2.5 μm，不僅由固定源和分布源的一次排放組成，還可由大氣轉(zhuǎn)化后形成二次氣溶膠組成。由于PM2.5較小的尺寸和化學(xué)活性，可穿透小氣道和肺泡，進(jìn)入血液循環(huán)[19]，流行病學(xué)研究表明，暴露于PM2.5與腦血管疾病(特別是腦卒中)發(fā)病風(fēng)險(xiǎn)增加之間存在短期關(guān)聯(lián)[20]。一項(xiàng)對(duì)美國(guó)204個(gè)城市醫(yī)療保險(xiǎn)受益者數(shù)據(jù)的時(shí)間序列研究顯示，PM2.5與腦血管疾病住院高風(fēng)險(xiǎn)率相關(guān)[21]。對(duì)我國(guó)172個(gè)城市進(jìn)行的時(shí)間序列分析中，PM2.5增加10 μg/m3與同日缺血性腦卒中住院人數(shù)增加0.34%有關(guān)[22]。一項(xiàng)多中心研究顯示，短期接觸PM2.5與缺血性腦卒中和短暫性腦缺血發(fā)作的住院人數(shù)增加有關(guān)，與出血性腦卒中無(wú)關(guān)；年齡、季節(jié)和城市年平均PM2.5濃度是影響PM2.5和缺血性腦卒中關(guān)系的因素[23]。上述流行病學(xué)研究結(jié)果表明，缺血性腦卒中的發(fā)生發(fā)展與PM2.5暴露存在相關(guān)性，不同地區(qū)/國(guó)家的顆粒物含有不同成分，收集和研究信息不同，結(jié)果各異。需進(jìn)行大規(guī)模流行病學(xué)研究，特別是不同地區(qū)/國(guó)家之間的比較研究，以解決這些爭(zhēng)議，并可能最終解決觀察到的差異。到目前為止，PM2.5與缺血性腦卒中發(fā)生發(fā)展和死亡率增加有關(guān)。盡管如此，由于顆粒物暴露對(duì)人類(lèi)健康的影響延遲，進(jìn)行長(zhǎng)期流行病學(xué)研究至關(guān)重要。

2 表觀基因組與表觀遺傳變化

不斷變化的環(huán)境從基因組和表觀基因組水平影響人類(lèi)健康。表觀基因組隨著環(huán)境、飲食、疾病和年齡改變[24]。有些變化是短暫的，有些是可遺傳的，一些表觀遺傳變化導(dǎo)致疾病易感性增加。因此，表觀遺傳變化可在疾病早期發(fā)現(xiàn)，甚至在疾病被其他診斷前發(fā)現(xiàn)。了解PM2.5暴露引起的表觀遺傳變化可為分析顆粒物暴露與缺血性腦卒中之間的關(guān)系提供重要工具。表觀遺傳變化主要分為3類(lèi)：DNA甲基化、組蛋白修飾和MicroRNA(miRNA)表達(dá)[25]。DNA甲基化是通過(guò)DNA甲基轉(zhuǎn)移酶(DNMT)催化完成的，CpG島胞嘧啶殘基的脫氧核糖核酸甲基化是癌癥表征良好的表觀遺傳調(diào)控之一[26]。組蛋白修飾可調(diào)節(jié)基因轉(zhuǎn)錄水平，包括乙酰化、甲基化、磷酸化和泛素化；組蛋白乙酰轉(zhuǎn)移酶和組蛋白去乙酰化酶平衡作用后，組蛋白發(fā)生乙?；?，組蛋白乙?；ㄟ^(guò)降低組蛋白和DNA之間的親和力，導(dǎo)致DNA解旋。組蛋白甲基轉(zhuǎn)移酶和組蛋白去甲基化酶相互平衡作用后導(dǎo)致組蛋白甲基化[27]。另一方面，微小核糖核酸轉(zhuǎn)錄后可調(diào)節(jié)基因表達(dá)，它是長(zhǎng)18～23個(gè)核苷酸的非編碼單鏈RNA分子，與基因結(jié)合導(dǎo)致基因降解或抑制蛋白質(zhì)翻譯[28]。推測(cè)位于功能未知的非編碼基因組DNA區(qū)域的一些疾病相關(guān)變異體可能調(diào)節(jié)某些miRNA水平，反之miRNA也可調(diào)節(jié)與疾病相關(guān)蛋白質(zhì)的翻譯[29]。

3 表觀遺傳變化與缺血性腦卒中的聯(lián)系

3.1 DNA甲基化與缺血性腦卒中 DNA甲基化通常由DNMT進(jìn)行的化學(xué)穩(wěn)定修飾降低基因轉(zhuǎn)錄，該修飾與基因啟動(dòng)子中胞嘧啶的5′位添加甲基(-CH3)有關(guān)。這種修飾阻止了轉(zhuǎn)錄因子與特異性結(jié)合位點(diǎn)之間的相互作用。啟動(dòng)子DNA甲基化在缺血性腦卒中發(fā)病機(jī)制中的作用已得到證實(shí)[30]。DNA甲基化與大腦中DNMT的高活性有關(guān)。大腦中動(dòng)脈閉塞(MCAO)大鼠模型中，DNMT的藥理學(xué)抑制作用證實(shí)了可減少DNA甲基化，從而減小梗死面積，減輕腦缺血損傷。DNMT活性導(dǎo)致缺血性腦損傷后組織預(yù)后不良，DNMT抑制劑認(rèn)為可提供抗腦缺血保護(hù)，是治療腦缺血的潛在新靶點(diǎn)。DNMT基因缺失[DNMT(S/+)]雜合的突變小鼠免受輕度腦缺血損傷，去乙?；种苿┣啪谹和DNMT抑制劑5-氮雜-2′脫氧胞苷的治療可保護(hù)野生型小鼠免受缺血性腦卒中。5-氮雜脫氧胞苷通過(guò)抑制DNA甲基化保護(hù)小鼠免受缺血性損傷。另一種DNMT抑制劑澤普勒寧在水溶液中更穩(wěn)定，毒性更低，因此適合生物學(xué)研究。采用澤普勒寧治療后，通過(guò)抑制DNMT，大鼠缺血性腦損傷得到改善[31-32]。相關(guān)研究表明，長(zhǎng)散布核苷酸元件(LINE-1)的低甲基化與老年人血管細(xì)胞黏附蛋白1(VCAM-1)水平增加有關(guān)，LINE-1低甲基化和VCAM-1表達(dá)之間的聯(lián)系僅在無(wú)缺血性心臟病或腦卒中是顯著的，心臟病和腦卒中病人中未發(fā)現(xiàn)相關(guān)性；LINE低甲基化和VCAM-1表達(dá)之間的聯(lián)系可能是心腦血管疾病病因中的早期事件[33-34]。

3.2 組蛋白修飾與缺血性腦卒中 人類(lèi)和動(dòng)物模型研究強(qiáng)調(diào)了組蛋白修飾(乙酰化、甲基化、磷酸化和泛素化)在染色質(zhì)濃縮和轉(zhuǎn)錄穩(wěn)定性中的作用，包括缺血性腦卒中在內(nèi)的各種腦血管疾病參與[35]。相關(guān)研究顯示，腦卒中動(dòng)物模型中組蛋白H3和H4乙?；狡毡橄陆?，與嚴(yán)重腦損傷有關(guān)[36]。由于表觀遺傳變化可逆轉(zhuǎn)，HDAC抑制劑認(rèn)為是減輕腦損傷的有效方法，HDAC抑制對(duì)炎癥反應(yīng)具有保護(hù)作用[37]。分離自MCAO小鼠模型的原代小膠質(zhì)細(xì)胞，采用丁酸鈉進(jìn)行HDAC抑制增加了H3組蛋白(H3K9ac)中賴(lài)氨酸9的乙?；?，可下調(diào)不同的促炎介質(zhì)，如誘導(dǎo)型一氧化氮合酶，同時(shí)上調(diào)抗炎介質(zhì)[38]。盡管臨床研究中獲得了滿意結(jié)果，但HDAC抑制劑的使用在缺血性腦卒中病人未得到滿意結(jié)果。

3.3 miRNA調(diào)節(jié)與缺血性腦卒中 miRNA是長(zhǎng)18～23個(gè)核苷酸的核糖核酸，與基因結(jié)合導(dǎo)致基因降解或抑制蛋白質(zhì)翻譯。miRNA與目標(biāo)基因的3′-未定位區(qū)域相互作用，根據(jù)miRNA與靶點(diǎn)之間的互補(bǔ)程度，通過(guò)基因降解或抑制翻譯，導(dǎo)致基因沉默發(fā)生，使miRNA作為基因表達(dá)轉(zhuǎn)錄后的調(diào)節(jié)劑[39]。有研究顯示，缺血性腦卒中不同階段發(fā)現(xiàn)了miRNA水平變化，表明其在早期診斷、預(yù)后和治療方面的潛在作用[40]。MCAO大鼠模型研究發(fā)現(xiàn)，與對(duì)照組相比，大腦和血漿miR-124水平均增加，在缺血性腦卒中發(fā)生后24 h達(dá)到峰值[41]。上述結(jié)果表明血漿miR-124水平可監(jiān)測(cè)腦缺血損傷。易患腦卒中的自發(fā)性高血壓大鼠(一種與人類(lèi)腦卒中相似的動(dòng)物模型)中，miR-122水平降低為發(fā)生缺血性腦卒中的標(biāo)志，并與內(nèi)皮完整性降低、凋亡增加和炎癥相關(guān)[42]。上述研究結(jié)果支持了miRNA在缺血性腦卒中發(fā)病機(jī)制中日益增長(zhǎng)的重要性。詳見(jiàn)圖1。

圖1 表觀遺傳變化與缺血性腦卒中聯(lián)系示意圖

4 PM2.5誘導(dǎo)表觀遺傳變化影響缺血性腦卒中的發(fā)生發(fā)展

有研究表明，PM2.5暴露可改變表觀遺傳變化，急性暴露于PM2.5，血液中LINE-1DNA甲基化減少[43]。PM2.5暴露可改變微小核糖核酸表達(dá)水平，血漿微小核糖核酸表達(dá)水平變化認(rèn)為與PM2.5誘發(fā)的心腦血管疾病發(fā)病風(fēng)險(xiǎn)相關(guān)。表觀遺傳機(jī)制，如DNA翻譯后修飾、RNA相關(guān)過(guò)程和組蛋白，可能在血管機(jī)制的調(diào)節(jié)中發(fā)揮著重要作用，包括內(nèi)皮干細(xì)胞功能。血液DNA低甲基化認(rèn)為是動(dòng)脈粥樣硬化發(fā)生的生物標(biāo)志物，從而有助于識(shí)別具有動(dòng)脈粥樣硬化風(fēng)險(xiǎn)的病人。DNA甲基化在導(dǎo)致缺血性腦卒中基因上發(fā)揮作用，如內(nèi)皮功能、細(xì)胞因子介導(dǎo)的炎癥反應(yīng)和凝血。

5 小 結(jié)

DNA甲基化表觀遺傳變化包括全基因組和啟動(dòng)子特異性甲基化，是目前PM2.5暴露研究最多的是表觀遺傳變化之一，關(guān)于組蛋白修飾和miRNA表達(dá)研究較少。一些表觀遺傳變化導(dǎo)致缺血性腦卒中易感性增加和疾病進(jìn)展。查閱大量國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)綜合回顧之后，考慮到PM2.5暴露在表觀遺傳機(jī)制(特別是DNA甲基化變化)與缺血性腦卒中的聯(lián)系，認(rèn)為PM2.5可能通過(guò)表觀遺傳機(jī)制影響缺血性腦卒中的發(fā)生發(fā)展，為臨床預(yù)防缺血性腦卒中及早期診斷的相關(guān)研究提供參考。今后需開(kāi)展多中心隨機(jī)對(duì)照研究驗(yàn)證并指導(dǎo)今后的工作。