DNA甲基化和羥甲基化在帕金森病發(fā)病機(jī)制中的研究進(jìn)展

王建勇 黃詩詩 金婉君 朱師國 陳竹靈 麻璐璐 劉媛 Kajol Punjabi 張雄

帕金森?。≒arkinson’s disease，PD）是一種常見的神經(jīng)退行性疾病，主要表現(xiàn)為運(yùn)動(dòng)遲緩、肌強(qiáng)直、靜止性震顫和姿勢(shì)步態(tài)不穩(wěn)等[1-2]。有研究報(bào)道中國60歲以上人群中，PD患病率為1.06%，且隨著年齡增加，發(fā)病率急劇升高[3]。PD的特征性病理性改變主要包括黑質(zhì)區(qū)致密部的多巴胺能神經(jīng)元的選擇性缺失和殘留細(xì)胞胞質(zhì)內(nèi)路易小體的形成[4]。研究表明多種環(huán)境因素、遺傳因素及其相互作用參與了PD的發(fā)生過程[5]。表觀遺傳調(diào)控被認(rèn)為是遺傳因素和環(huán)境因素之間的中間環(huán)節(jié)，是指在不影響DNA序列的情況下基因表達(dá)和功能發(fā)生穩(wěn)定改變，主要包括DNA甲基化、DNA羥甲基化、組蛋白修飾及非編碼RNA等[6-7]。研究表明，表觀遺傳調(diào)控在神經(jīng)系統(tǒng)生長發(fā)育過程中有不可估量的作用[8-9]，其在PD發(fā)病機(jī)制中的作用日益受到重視[10-11]。本文對(duì)DNA甲基化和羥甲基化在PD發(fā)病機(jī)制中的研究進(jìn)展作一綜述。

1 DNA甲基化

在真核細(xì)胞中，DNA甲基化是指在DNA甲基轉(zhuǎn)移酶（DNA methyltransferase，DNMT）的催化下，甲基從S-腺苷甲硫氨酸（S-adenosylmethionine，SAM）轉(zhuǎn)移到胞嘧啶的第5個(gè)碳原子上，形成5-甲基胞嘧啶（5-methylcytosine，5mC）[12]。DNA甲基化主要發(fā)生于胞嘧啶-鳥苷酸二核苷酸（CpG dinucleotides，CpG）密集區(qū)（CpG島）。一般而言，基因的啟動(dòng)子區(qū)或者其他非編碼部位DNA序列的高甲基化會(huì)抑制該基因的表達(dá)。這主要通過兩種方式：（1）DNA甲基化可通過干擾轉(zhuǎn)錄因子對(duì)結(jié)合位點(diǎn)進(jìn)行識(shí)別，進(jìn)而影響基因轉(zhuǎn)錄[13]；（2）甲基CpG結(jié)合蛋白2（methyl-CpG-binding protein 2，MeCP2）識(shí)別并與甲基化的DNA結(jié)合，從而抑制相關(guān)基因轉(zhuǎn)錄[14]。

DNMT家族成員主要包括DNMT1、DNMT2、DNMT3a、DNMT3b和DNMT3L。其中DNMT1在DNA復(fù)制過程中可與半甲基化的DNA結(jié)合，催化新合成的DNA鏈產(chǎn)生甲基化。DNMT1是哺乳動(dòng)物中維持DNA甲基化的關(guān)鍵酶。DNMT3a和DNMT3b主要介導(dǎo)DNA從頭開始產(chǎn)生新的甲基化。DNMT2的甲基化活性較低，而DNMT3L常作為DNMT3a的輔助因子發(fā)揮作用[15]。

2 DNA甲基化與PD

α-突觸核蛋白（synuclein alpha，SNCA）是最先被發(fā)現(xiàn)其突變可引起家族性PD的基因[16]，其編碼產(chǎn)物SNCA是路易小體的主要成分。SNCA擁有2個(gè)CpG島，分別位于啟動(dòng)子區(qū)（CpG島-1）和1號(hào)內(nèi)含子區(qū)（CpG島-2）。有研究表明SNCA CpG島-2甲基化水平降低能夠促進(jìn)SNCA的表達(dá)，同時(shí)尸檢研究表明，PD患者的黑質(zhì)區(qū)CpG島-2的甲基化率呈現(xiàn)下降趨勢(shì)[17-18]。外周血和腦組織的甲基化水平變化較為一致[19]，一項(xiàng)對(duì)PD患者和健康對(duì)照者的外周血和尸檢腦組織展開的病例對(duì)照研究發(fā)現(xiàn)，PD患者外周血DNA中SNCA CpG島-2的甲基化水平明顯低于健康對(duì)照者，且和腦組織呈現(xiàn)一致的變化趨勢(shì)[20]。另外兩項(xiàng)病例對(duì)照研究進(jìn)一步指出PD患者外周血SNCA的CpG島-2甲基化水平低于健康對(duì)照者[21-22]。

多個(gè)基因參與了PD的發(fā)病機(jī)制。除SNCA外，其他PD相關(guān)基因的甲基化研究也在不斷展開。Parkin基因也被稱為Park2，其突變是青少年常染色體隱性遺傳性PD的常見發(fā)病原因。一項(xiàng)招募了17例攜帶Parkin基因雜合突變PD患者、17例無攜帶Parkin基因突變的散發(fā)性PD患者和10例健康對(duì)照者的研究顯示，3組對(duì)象外周血DNA中Parkin基因啟動(dòng)子區(qū)CpG島的甲基化水平比較差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＞0.05）[23]。另一項(xiàng)對(duì)5例PD患者和2例健康對(duì)照者的尸檢研究發(fā)現(xiàn)，兩組對(duì)象黑質(zhì)區(qū)、小腦和枕葉皮層組織的Parkin基因啟動(dòng)子區(qū)甲基化水平比較差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＞0.05）[24]。這兩項(xiàng)研究結(jié)果均提示Parkin基因啟動(dòng)子區(qū)甲基化調(diào)控可能并未參與PD發(fā)病機(jī)制。

DJ-1和ATP13A2均與早發(fā)型PD相關(guān)。DJ-1的啟動(dòng)子區(qū)附近有兩個(gè)CpG島。一項(xiàng)招募了40例PD患者和40名健康對(duì)照者的研究結(jié)果顯示，兩組對(duì)象外周血DNA的兩個(gè)CpG島并無位點(diǎn)被甲基化。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)在SHSY5Y細(xì)胞模型中用甲基化抑制劑5-Aza-dC處理后，DJ-1表達(dá)水平未發(fā)生改變[25]。另一項(xiàng)針對(duì)來自ATP13A2突變引起的4例家族性PD患者的研究發(fā)現(xiàn)，患者ATP13A2啟動(dòng)子區(qū)的甲基化水平與疾病進(jìn)程無明顯相關(guān)[26]。

除此之外，PD患者的外周血和腦組織中其他一些PD相關(guān)基因（如MAPT和CYP2E1等）以及線粒體基因的D環(huán)區(qū)也存在甲基化異常[27-29]。

3 DNA甲基轉(zhuǎn)移酶與PD

由于DNMT1、DNMT3a和DNMT3b在哺乳動(dòng)物DNA甲基化過程中有著重要作用，他們?cè)谡{(diào)控PD相關(guān)基因甲基化方面的作用也被陸續(xù)發(fā)現(xiàn)。Desplats等[30]研究表明PD患者腦內(nèi)DNMT1蛋白水平下降，且SNCA會(huì)通過與DNMT1的相互作用，阻止DNMT1進(jìn)入細(xì)胞核，因此PD患者SNCA基因的CpG島及基因組的整體甲基化水平出現(xiàn)下降。Hossein-Nezhad等[31]針對(duì)27例PD患者和30名健康對(duì)照者腦脊液轉(zhuǎn)錄組學(xué)展開的研究發(fā)現(xiàn)兩組DNMT1的mRNA水平比較差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＜0.05）。Pezzi等[32]在214例PD患者和308名健康對(duì)照者之間針對(duì)DNMT1和DNMT3b的單核苷酸多態(tài)性（single nucleotide polymorphism，SNP）的研究發(fā)現(xiàn)，DNMT1的SNPs（rs2162560和rs759920）與PD發(fā)病風(fēng)險(xiǎn)無相關(guān)性（P＞0.05），而DNMT3b的SNP（rs2424913）在呈現(xiàn)T等位基因時(shí)會(huì)增加PD的發(fā)病風(fēng)險(xiǎn)。然而，不同中心關(guān)于DNMT3b單核苷酸多態(tài)性與PD發(fā)病風(fēng)險(xiǎn)的研究結(jié)果并不完全一致[33-34]。近期有研究發(fā)現(xiàn)，與健康人群比較，PD患者外周血血漿和PD細(xì)胞模型中miR-17水平較高，而較高的miR-17水平可抑制DNMT1的表達(dá)，從而引起PD相關(guān)基因的甲基化異常[35]。有理由相信，隨著研究的不斷深入，DNA甲基化異常如何參與PD的發(fā)病機(jī)制將會(huì)更加明確。

4 DNA羥甲基化

盡管DNA甲基化長久以來一直被認(rèn)為是一種穩(wěn)定的表觀遺傳調(diào)控，但近年來研究發(fā)現(xiàn)生物體內(nèi)可通過被動(dòng)去甲基化和主動(dòng)去甲基化兩種方式去除甲基化[36]。前者是指DNA在復(fù)制的過程中，由于DNA甲基化維持能力下降而導(dǎo)致5mC被稀釋。主動(dòng)去甲基化是指5mC在依賴α-酮戊二酸和Fe2+的雙加氧酶（teneleven translocation，TET）的作用下形成5-羥甲基胞嘧啶（5-hydroxymethylcytosine，5hmC）、5-甲酰基胞嘧啶（5-formylcytosine，5fC）和5-羧基胞嘧啶（5-carboxylcytosine，5caC），再通過復(fù)制稀釋或胸腺嘧啶糖苷酶介導(dǎo)的堿基切除修復(fù)達(dá)到去甲基化。TET酶家族成員包括TET1、TET2和TET3[37]。

研究表明，DNA羥甲基化除了作為甲基化的DNA在去甲基化過程中的一個(gè)中間產(chǎn)物外，其本身也是一種獨(dú)特的表觀遺傳調(diào)控[36]。5hmC主要分布在基因上的轉(zhuǎn)錄起始位點(diǎn)及轉(zhuǎn)錄調(diào)控元件如增強(qiáng)子等區(qū)域，提示其可能與基因的轉(zhuǎn)錄調(diào)控有關(guān)[38]。另外，在特定神經(jīng)細(xì)胞中MeCP2可與某些活躍表達(dá)基因中的5hmC直接結(jié)合從而調(diào)控表達(dá)。這與傳統(tǒng)認(rèn)為MeCP2與5hmC結(jié)合抑制基因表達(dá)不同[39]。

5 DNA羥甲基化與PD

近年來研究表明DNA羥甲基化與神經(jīng)退行性疾病高度相關(guān)。阿爾茨海默病（Alzheimer’s disease，AD）是最常見的神經(jīng)退行性疾病，其特征性病理表現(xiàn)為β淀粉樣蛋白沉積形成的老年斑和tau蛋白過度磷酸化形成的神經(jīng)纖維纏結(jié)。有研究表明AD患者和小鼠模型中腦組織海馬、小腦和內(nèi)嗅皮層均出現(xiàn)5hmC水平減少[40-41]，并且AD患者海馬區(qū)5hmC水平與β淀粉樣蛋白水平呈負(fù)相關(guān)[41]。亨廷頓舞蹈?。℉untington’s disease，HD）是一種常染色體顯性遺傳的神經(jīng)退行病，由亨廷頓基因HTT的一段三核苷酸重復(fù)序列CAG異常擴(kuò)增引起。研究顯示正常情況下在基底核高表達(dá)的腺苷A2A受體在HD患者殼核區(qū)明顯下降，伴隨著其編碼基因ADORA2A的5’端非編碼區(qū)5mC水平的升高及5hmC水平的下降[42]。這提示基因的甲基化和羥甲基化異?？赡茉谄渲邪缪菀欢ㄗ饔谩?/p>

近年來，關(guān)于DNA羥甲基化調(diào)控在PD中的作用也逐漸受到關(guān)注。一項(xiàng)針對(duì)36例PD患者和27名健康對(duì)照者的小腦組織尸檢研究顯示，PD組的5hmC水平高于對(duì)照組[43]。另一項(xiàng)在1 657例PD患者和1 394名健康對(duì)照者之間，針對(duì)甲基化和羥甲基化相關(guān)的12個(gè)基因多態(tài)性展開研究發(fā)現(xiàn)，TET1基因多態(tài)性與PD相關(guān)[44]。另外，PD的動(dòng)物實(shí)驗(yàn)中也顯示，敲除TET2能緩解PD小鼠運(yùn)動(dòng)功能下降和多巴胺能神經(jīng)元的損傷，這可能與基因Cdkn2A的羥甲基化修飾有關(guān)[45]。隨著分子生物學(xué)技術(shù)的發(fā)展和研究的不斷深入，會(huì)有越來越多的證據(jù)顯明DNA羥甲基化修飾參與PD的發(fā)病機(jī)制。

6 小結(jié)

DNA甲基化和羥甲基化調(diào)控著生物體內(nèi)細(xì)胞的生長、分化及衰老等過程，并且貫穿多種疾病的始終。兩者之間可通過動(dòng)態(tài)平衡來實(shí)現(xiàn)調(diào)控，其各自本身也是一種獨(dú)特的表觀遺傳調(diào)控方式。PD發(fā)病機(jī)制復(fù)雜，遺傳和環(huán)境因素均有重要影響。DNA甲基化和羥甲基化作為重要的表觀遺傳調(diào)控方式，在PD的發(fā)病機(jī)制中有重要作用。檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展可促使DNA甲基化和羥甲基化調(diào)控在PD發(fā)病中的作用領(lǐng)域開展更深入的研究。