DNA甲基化在眼科疾病中的研究進(jìn)展

劉 琳，嵇霄雯，魏瑞華

0 引言

DNA甲基化是指DNA序列上特定的堿基在DNA甲基轉(zhuǎn)移酶(DNA methyltransferase，DNMT)的催化作用下，以s-腺苷甲硫氨酸作為甲基供體，以共價(jià)鍵結(jié)合方式獲得一個(gè)甲基基團(tuán)的化學(xué)修飾過(guò)程[1-2]。異常病理?xiàng)l件下，DNA甲基化狀態(tài)發(fā)生改變，引起機(jī)體內(nèi)環(huán)境紊亂，產(chǎn)生病變。DNA甲基化作為遺傳表觀學(xué)的重要研究?jī)?nèi)容之一，已被認(rèn)為在形成復(fù)雜的表型中發(fā)揮重要作用，包括疾病的病因?qū)W等。這些修飾已被證明具有高度的可塑性，能夠響應(yīng)環(huán)境變化，并且以遺傳的方式改變基因表達(dá)。近年來(lái)，在角、結(jié)膜等眼表疾病、青光眼、白內(nèi)障以及視網(wǎng)膜疾病、眼部腫物等各領(lǐng)域，有關(guān)DNA甲基化的研究層出不窮，為不同眼部疾病發(fā)病機(jī)制的研究，提供了新的探索方向。

1 角膜疾病

異常DNA甲基化參與角膜疾病發(fā)生發(fā)展[3]，了解DNA甲基化在角膜生理病理過(guò)程中的作用至關(guān)重要。正常生理?xiàng)l件下角膜表達(dá)DNMT1、DNMT2、DNMT3[4]，角膜上皮傷口愈合期間，DNMT1表達(dá)上調(diào)，整體DNA甲基化水平升高，而下調(diào)DNMT1可抑制角膜上皮細(xì)胞增殖及遷移，延緩傷口愈合[5]。

Fuchs角膜內(nèi)皮營(yíng)養(yǎng)不良(Fuchs endothelial corneal dystrophy，F(xiàn)ECD)患者存在大量差異甲基化位點(diǎn)[6]，其中離子通道相關(guān)基因低甲基化對(duì)角膜上皮功能至關(guān)重要，可能調(diào)控角膜上皮功能使FECD角膜透明度喪失。細(xì)胞外基質(zhì)異常沉積是FECD的特異性改變，Snail和ZEB1是細(xì)胞外基質(zhì)誘導(dǎo)基因，在FECD患者中高表達(dá)[7]，miRNA基因的啟動(dòng)子作為FECD異常甲基化位點(diǎn)，miR-199B高甲基化下調(diào)miR-199B-5p，調(diào)控Snail和ZEB1基因的表達(dá)[8]，提示調(diào)控miRNA甲基化可引起細(xì)胞外基質(zhì)沉積從而導(dǎo)致疾病發(fā)生發(fā)展。

2 結(jié)膜疾病

翼狀胬肉是結(jié)膜疾病中的常見(jiàn)病，為瞼裂部球結(jié)膜與角膜上一種贅生組織。Arish等[9]發(fā)現(xiàn)翼狀胬肉患者胬肉組織中鼠雙微基因2(murine double minute 2，MDM2)啟動(dòng)子低甲基化，蛋白表達(dá)上調(diào)， p53蛋白表達(dá)下調(diào)。MDM2是腫瘤抑制因子p53的負(fù)調(diào)控基因[10]，DNA甲基化修飾增加與p53蛋白的結(jié)合，抑制p53轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)功能[11]。此外，研究發(fā)現(xiàn)，翼狀胬肉組織中轉(zhuǎn)谷氨酰胺酶2(transglutaminase 2，TGM-2)的轉(zhuǎn)錄起始位點(diǎn)及E-cadherin基因啟動(dòng)子CpG島高甲基化，基質(zhì)金屬蛋白酶2(matrix metalloproteinases 2，MMP2)的轉(zhuǎn)錄起始位點(diǎn)下游及CD24的轉(zhuǎn)錄起始位點(diǎn)上游CpG島低甲基化，提示基質(zhì)(MMP2)重塑和細(xì)胞(TGM-2、CD24、E-cadherin)黏附相關(guān)基因的異常DNA甲基化與翼狀胬肉高度相關(guān)[12]。

3 青光眼

青光眼是一組以視乳頭萎縮及凹陷、視野缺損及視力下降為共同特征的疾病。研究表明青光眼患者Schlemm管內(nèi)皮細(xì)胞及小梁網(wǎng)細(xì)胞存在全基因組甲基化水平升高，小梁網(wǎng)細(xì)胞促纖維化因子轉(zhuǎn)化生長(zhǎng)因子(transforming growth factor, TGF)β1表達(dá)增加，抗纖維化基因RASAL1表達(dá)降低，DNA甲基化抑制劑5-氮雜胞苷(5-azacytidine，5-AC)可抑制纖維化[13-15]，提示DNA甲基化改變導(dǎo)致的眼組織異常纖維化可能是青光眼發(fā)病機(jī)制之一。此外，跨篩板壓差是青光眼視神經(jīng)受損的主要原因，青光眼患者鞏膜篩板變薄，鞏膜篩板細(xì)胞TGFβ1啟動(dòng)子甲基化水平降低[16]，纖維化水平增加，提示青光眼跨篩板壓形成可能與篩板纖維化有關(guān)。

4 白內(nèi)障

白內(nèi)障是由各種原因引起晶狀體代謝紊亂，從而導(dǎo)致晶狀體蛋白質(zhì)變性而發(fā)生混濁的疾病。研究發(fā)現(xiàn)，晶狀體上皮細(xì)胞中DNA甲基化相關(guān)基因表達(dá)上調(diào)[17]，外周血差異甲基化基因與晶狀體上皮細(xì)胞凋亡相關(guān)通路相關(guān)[18]。晶狀體上皮細(xì)胞機(jī)能減退，無(wú)法清除自由基，導(dǎo)致氧化應(yīng)激反應(yīng)發(fā)生，細(xì)胞凋亡，造成晶狀體氧化損傷，白內(nèi)障發(fā)生。

機(jī)體抗氧化基因[19-20]如沃納綜合征基因、谷胱甘肽轉(zhuǎn)移酶P1等，其啟動(dòng)子在白內(nèi)障患者晶狀體中高甲基化，氧化與抗氧化作用失衡，氧化應(yīng)激反應(yīng)發(fā)生。Nrf2/Keap1是機(jī)體抗氧化機(jī)制的重要通路，核因子E2相關(guān)因子(nuclear factor erythroid 2-related factor 2，Nrf2)是轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)因子，可激活多種抗氧化酶；Keap1即Kelch樣環(huán)氧氯丙烷相關(guān)蛋白1，是Nrf2的負(fù)調(diào)控蛋白。研究發(fā)現(xiàn)，白內(nèi)障患者晶狀體的Keap1基因啟動(dòng)子DNA甲基化水平降低，Nrf2活性減弱，導(dǎo)致氧化系統(tǒng)失衡，晶狀體上皮細(xì)胞氧化凋亡[21]。

5 視網(wǎng)膜疾病

5.1年齡相關(guān)性黃斑變性年齡相關(guān)性黃斑變性(age-related macular degeneration,ARMD)是一種神經(jīng)退行性疾病。氧化應(yīng)激和炎癥反應(yīng)會(huì)降低視網(wǎng)膜色素上皮細(xì)胞(retinal pigment epithelium, RPE) DNMT的表達(dá)及活性，下調(diào)甲基化水平[22]，然而研究發(fā)現(xiàn)ARMD患者外周血DNMT表達(dá)及活性上升[23]，表明不同樣本之間DNA甲基化存在差異，可能由于模擬的氧化應(yīng)激及炎癥反應(yīng)不能完全替代ARMD的病理環(huán)境，或外周血在經(jīng)過(guò)復(fù)雜的生物過(guò)程后甲基化修飾發(fā)生改變而表現(xiàn)出差異，白藜蘆醇可以抑制氧化應(yīng)激及炎癥反應(yīng)對(duì)細(xì)胞甲基化水平的影響。谷胱甘肽-S-轉(zhuǎn)移酶作為氧化應(yīng)激反應(yīng)的關(guān)鍵蛋白，其啟動(dòng)子在ARMD患者RPE/脈絡(luò)膜和視網(wǎng)膜神經(jīng)感覺(jué)層中甲基化水平上調(diào)[24]；同型半胱氨酸作為氧化應(yīng)激反應(yīng)的重要因子，異常堆積可顯著提高DNMT的活性，增加視網(wǎng)膜DNA甲基化水平[25]。ELOVL2基因與年齡相關(guān)性疾病有關(guān)，其功能受損會(huì)干擾脂質(zhì)合成，增加內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激和線粒體功能障礙。研究發(fā)現(xiàn)，ELOVL2在ARMD患者中高甲基化，玻璃體腔注射甲基化抑制劑可逆轉(zhuǎn)其高甲基化狀態(tài)，恢復(fù)部分視網(wǎng)膜功能[26]。

5.2糖尿病視網(wǎng)膜病變糖尿病視網(wǎng)膜病變(diabetic retinopathy，DR)是長(zhǎng)期高血糖使毛細(xì)血管自身調(diào)節(jié)失常，活性氧自由基堆積引起氧化應(yīng)激反應(yīng)，導(dǎo)致線粒體DNA(mitochondrial DNA，mtDNA)結(jié)構(gòu)受損，內(nèi)皮細(xì)胞屏障功能受損，最終引起的視網(wǎng)膜損傷[27-29]。視網(wǎng)膜線粒體腫脹可導(dǎo)致線粒體融合蛋白(mitofusin 2，Mfn2)甲基化，加劇線粒體損害及氧自由基堆積，DNA甲基化抑制劑可抑制Mfn2甲基化，改善視網(wǎng)膜功能[30-31]。

高血糖水平使視網(wǎng)膜基質(zhì)金屬蛋白酶9(matrix metalloproteinases 9,MMP9)基因啟動(dòng)子甲基化-羥甲基化過(guò)程失衡，視網(wǎng)膜受損[32]。同型半胱氨酸可提高視網(wǎng)膜DNA甲基化酶活性，激活MMP9，引起血視網(wǎng)膜屏障功能障礙，調(diào)節(jié)同型半胱氨酸可預(yù)防或減緩DR病變的發(fā)展[33]。SOD2基因是負(fù)責(zé)清除線粒體超氧物的基因，編碼MnSOD酶，其啟動(dòng)子在DR患者中高甲基化[34]。上調(diào)SOD2表達(dá)可抑制糖尿病引起的mtDNA甲基化[35]。MnSOD酶模擬物可減少M(fèi)MP9啟動(dòng)子區(qū)與DNMT1結(jié)合，防止線粒體損傷[36]。高血糖狀態(tài)下，Ras相關(guān)的C3肉毒素1(Ras-related C3 botulinum toxin substrate 1，Rac1)啟動(dòng)子區(qū)甲基化改變，Rac1激活，胞漿活性氧水平增加，引起氧化應(yīng)激[37]。DNMT抑制劑、抗氧化劑均可調(diào)節(jié)視網(wǎng)膜抗氧化酶DNA甲基化，維持氧化還原平衡，阻止DR進(jìn)展[38-39]。

DR患者外周血全基因組DNA甲基化水平明顯上調(diào)[40-41]，較無(wú)視網(wǎng)膜病變的糖尿病患者，DR患者外周血甲基化程度更高[42]，故外周血特異性DNA甲基化改變可能是DR診療的生物標(biāo)志物。此外，保持良好生活方式和健康體格有助于調(diào)節(jié)糖尿病患者DNA甲基化水平，預(yù)防和延緩視網(wǎng)膜病變[43]。

6 眼部腫瘤

6.1葡萄膜黑色素瘤葡萄膜黑色素瘤起源于葡萄膜內(nèi)黑色素細(xì)胞，惡性程度較高，易經(jīng)血行轉(zhuǎn)移，預(yù)后較差，了解致病機(jī)制有助于改善預(yù)后、延長(zhǎng)存活時(shí)間。

RAS相關(guān)區(qū)域家族1A(Ras association domain family 1 A，RASSF1A)、BRCA1相關(guān)蛋白1(BRCA1 associated protein1，BAP1)及p16INK4a是常見(jiàn)抑癌基因，葡萄膜黑色素瘤中RASSF1A、BAP1及p16INK4a啟動(dòng)子高甲基化，蛋白表達(dá)下降[44]，且研究發(fā)現(xiàn)啟動(dòng)子的高甲基化與腫瘤轉(zhuǎn)移有關(guān)[45]。DNA甲基化轉(zhuǎn)移酶抑制劑處理可逆轉(zhuǎn)抑癌基因啟動(dòng)子甲基化狀態(tài)，減少腫瘤轉(zhuǎn)移[46]。

癌基因經(jīng)DNA甲基化修飾表達(dá)上調(diào)，促進(jìn)腫瘤發(fā)生發(fā)展。黑色素瘤特異性抗原是黑色素瘤患者中篩查得出的表面抗原，在葡萄膜黑色素瘤患者中該基因啟動(dòng)子異常低甲基化，且與轉(zhuǎn)移風(fēng)險(xiǎn)增加有關(guān)，是轉(zhuǎn)移性葡萄膜黑色素瘤免疫治療的潛在靶點(diǎn)[47]。生長(zhǎng)分化因子11(growth differentiation factor 11，GDF11)調(diào)節(jié)細(xì)胞增殖、凋亡等生物過(guò)程，Yu等[48]發(fā)現(xiàn)在腫瘤組織中GDF11啟動(dòng)子CpG位點(diǎn)低甲基化，蛋白表達(dá)明顯高于鄰近正常組織。

6.2視網(wǎng)膜母細(xì)胞瘤視網(wǎng)膜母細(xì)胞瘤基因(RB1)的缺失或失活是視網(wǎng)膜母細(xì)胞瘤(retinoblastoma, RB)發(fā)生的重要機(jī)制，RB患者中RB1基因啟動(dòng)子高甲基化，蛋白表達(dá)下調(diào)，細(xì)胞分裂能力受損，細(xì)胞分化方向異常，導(dǎo)致疾病的發(fā)生發(fā)展[49]。其余抑癌基因如RASSF1A、MEG3、APC-2等，均受DNA甲基化調(diào)控，經(jīng)去甲基化劑處理可逆轉(zhuǎn)其結(jié)果[50-51]。

7 小結(jié)

表觀遺傳學(xué)可以作為基因-環(huán)境的中介，為研究疾病發(fā)生發(fā)展機(jī)制提供新思路。目前，眼科疾病中DNA甲基化的研究還處于初步階段，隨著DNA甲基化研究技術(shù)的發(fā)展，有望明確DNA甲基化在不同眼科疾病發(fā)生發(fā)展中的機(jī)制，為眼科疾病診療提供新思路。