DNA甲基化与阿尔茨海默病的关系

孟祥宏 王 蓉 (首都医科大学宣武医院中心实验室 北京市老年病医疗研究中心，北京 100053)

DNA甲基化与阿尔茨海默病的关系

孟祥宏 王 蓉 (首都医科大学宣武医院中心实验室 北京市老年病医疗研究中心，北京 100053)

DNA甲基化;阿尔茨海默病;β-淀粉样肽;SAM/HCY循环;氧化应激

DNA甲基化在细胞分化、机体的发育成熟以及老化过程中具有重要的调节作用。DNA甲基化的异常会导致年龄相关疾病的发生，阿尔茨海默病(AD)就是其中之一。一方面，导致AD发病的相关基因 β-淀粉样前体蛋白(β-APP)裂解酶(BACE)等低甲基化，表达增加;另一方面，抑制AD发病的基因(如NEP等)高度甲基化，表达减少，造成β-淀粉样肽(Aβ)过量产生和沉积。S-腺苷甲硫氨酸(SAM)是体内主要的甲基供体，SAM/同型半胱氨酸(HCY)循环障碍，常导致DNA甲基化异常，促进AD的发生。DNA的氧化性损伤对于神经元的功能和存活是极其有害的，而DNA甲基化异常加剧DNA的氧化性损伤，阻止DNA修复。本文就DNA甲基化与AD的关系作一综述。

1 DNA 甲基化与老化

老化是指随着年龄增长而产生的一系列解剖学和生理生化方面的变化，引起机体对内外环境的适应力的逐渐减退。特定基因突变在体细胞中积累所引起的基因产物的功能缺失，被认为是导致老化和老化相关疾病的主要因素〔1〕，而在细胞分化过程中，酶促的DNA甲基化反应通过将甲基化的胞嘧啶转变为胸腺嘧啶是基因突变最主要的原因。所以DNA甲基化作为一种分子机制是生物进化与细胞老化过程中突变累积的前提。既往的体外和动物实验已经表明，基因组DNA甲基化水平随着细胞的衰老和机体的老化而减低，而对正常老年人的队列研究也显示，基因组DNA甲基化水平随着年龄增长而降低〔2〕，因此，基因组DNA甲基化水平可能是机体衰老的生物学指标之一。众所周知，DNA的甲基化是调节基因表达的表观遗传学机制之一，在机体的发育过程中，通过调节特定基因在特定时间、特定阶段的表达，促进细胞的分化和组织器官的形成。机体成熟以后，DNA的甲基化则保持动态的平衡，维持正常的生理功能。哺乳动物的老化过程总是伴随着DNA甲基化的数量和模式的改变，常常表现为总DNA甲基化水平的降低和特异基因甲基化水平的增高。DNA甲基化异常可能造成老化相关疾病的发生，如恶性肿瘤，自身免疫疾病，神经退行性疾病等等。因此，老化伴随着DNA的甲基化的改变，而DNA甲基化的改变也能影响老化的进展。

2 DNA甲基化与AD

AD是一种常见的神经元退行性疾病，病理特征主要表现为细胞外的Aβ沉积和细胞内的神经原纤维缠结(NFT)。尽管已经陆续发现几种基因突变与AD的发病有关〔3〕，但超过85%的病例都是散发性的。由于AD的发病机制复杂、疾病进程各异，尤其是AD的迟发性特点，表明环境和表观遗传学因素在AD的发病中扮演了重要的角色。

表观遗传学是指在没有改变DNA序列的情况下对调节基因的表达，主要有几种形式:DNA的甲基化/去甲基化;组蛋白的修饰(乙酰化/去乙酰化，甲基化/去甲基化，磷酸化/去磷酸化);ATP介导的染色体重构。尽管表观遗传学机制对于一些生理和病理过程的作用已经被人们所熟知，但直到近些年，表观遗传学在老化和神经退行性疾病中的作用才引起人们的注意。DNA的甲基化，作为表观遗传的主要机制之一，在AD的发病中作用，逐渐成为研究的热点之一〔4〕。

2.1 Aβ、DNA甲基化与AD生理情况下，Aβ产生和清除处于平衡状态，低浓度的Aβ不表现出神经毒性。病理状态下，Aβ形成致密的纤维状聚合体，在神经组织中沉积，通过诱导神经细胞凋亡〔5，6〕、突触的功能障碍和丢失〔7〕，促进隔-海马胆碱能神经系统损害;还可以通过诱导产生活性氧自由基(ROS)等多种作用导致神经细胞的丢失减少，最终导致AD患者学习记忆功能的丧失〔8〕。

Chen等〔9〕人研究发现，Aβ1-40通过表观遗传学机制，能够对鼠类大脑内皮细胞的总DNA和中性内肽酶(NEP)基因的甲基化状态产生影响。他们应用高效液相色谱法(HPLC)、甲基化特异性PCR(MSPCR)等技术发现，Aβ1-40处理的鼠类大脑内皮细胞中，总DNA的甲基化减低，而NEP基因甲基化水平增高，NEP的mRNA和蛋白质含量下降。总DNA甲基化水平的降低，可能引起一些与AD密切相关的基因的低甲基化而过度表达，如APP，BACE基因等，导致Aβ的产生增加，超过脑内的清除能力，进而在脑内累积。NEP是Aβ降解酶之一，属于含锌的金属蛋白酶家族成员之一〔10〕，过表达NEP能够显著减轻AD小鼠模型中Aβ负担〔11〕，而NEP在老年人和AD患者的脑内表达下降〔12〕，NEP的启动子区域含有富含双核苷酸CG的区域(CpG岛)，Aβ可能通过介导氧化应激使CpG岛的胞嘧啶高度甲基化，从而抑制NEP基因表达，NEP表达的减少引起Aβ在脑内的累积。增多的Aβ反过来降低总DNA的甲基化水平和增高NEP基因的甲基化，形成一个恶性循环。

2.2 SAM/HCY循环、DNA的甲基化与AD 少数疾病以高半胱氨酸(HCY)血症同时伴有叶酸和维生素B12水平降低为特征性表现，AD就是其中之一。血浆中HCY水平增高被认为是AD发病的危险因素之一〔13〕，另外，在老年人和AD患者中发现，S-腺苷甲硫氨酸(SAM)的含量下降〔14〕。SAM/HCY循环是体内的甲基循环途径，SAM是体内主要的甲基供体，正常蛋氨酸饮食不能满足体内甲基化反应需求，一部分甲基需要由叶酸合成，而食物中的叶酸的主要形式为5-甲基四氢叶酸(5-Me-THF)，在维生素B12的催化下，5-Me-THE和HCY反应产生可以被细胞利用的四氢叶酸(THFA)和蛋氨酸，因此，叶酸和维生素B12对于SAM/HCY循环的正常运行是必不可少的。叶酸和维生素B12水平下降，可导致SAM/HCY循环发生障碍，一方面HCY水平增高，聚集在神经细胞内，对细胞造成伤害;另一方面，HCY可以与腺苷生成S-腺苷SAH，此反应可逆，但在HCY不能被及时清除的情况下，反应倾向于SAH的产生。研究发现，SAH是DNA甲基转移酶类的强抑制剂，从而增强DNA的去甲基化〔15〕。为了证明SAM/HCY循环、DNA甲基化与AD之间的联系，Fuso等人〔16〕应用SK-N-SH和SK-N-BE成神经瘤细胞系进行研究，结果发现，在培养基中移除叶酸和维生素B12以后，SAM的合成减少，早老素-1(PS-1)和BACE基因表达增加;而当外源性应用SAM后，PS1和BACE的基因表达则下降，PS-1基因的启动子低甲基化，而SAM则可以使PS1基因启动子的甲基化恢复正常。这项研究表明，BACE和PS-1受甲基化调节，SAM/HCY循环障碍可以促进BACE和PS-1基因的过表达，增加Aβ的产生;反之，外源性应用SAM能使PS-1和BACE基因的表达降低，从而降低Aβ的水平。

2.3 氧化应激、DNA的甲基化与AD 越来越多的证据表明，AD患者的病理特点除了Aβ的沉积和NFT外，AD脑中还存在氧化还原状态的改变。AD脑中，氧化性损伤标记物水平增高〔17〕，同时伴有抗氧化系统表达的改变〔18〕。DNA的氧化损伤对于神经元的功能和存活是极其有害的。由于DNA碱基中鸟嘌呤的氧化电位最低，因此，8-羟脱氧鸟苷(8-oxo-dG)是DNA氧化性损伤最主要的产物。有研究显示，除了其本身的突变特性，8-oxo-dG影响转录因子与DNA的结合，改变表观遗传信号传递〔19〕。

在CpG二核苷酸中，DNA甲基化优先作用于胞嘧啶，而鸟嘌呤则是氧化性损伤的作用位点。8-oxo-dG是广泛用于氧化性DNA损伤的生物学标志。有研究发现，正常情况下，内源性代谢使细胞每天产生约105个分子的ROS。在老化和AD患者中，ROS的产量大大增加，加重DNA的损伤。氧化性DNA损伤的修复主要方式是碱基切除，DNA糖基化酶类通过识别损伤的碱基位点启动碱基切除修复。8-羟鸟苷DNA糖基化酶1(Ogg1)是识别和移除8-oxo-dG的主要修复酶。氧化性DNA损伤和可能存在的Ogg1的缺失被认为可能是老化过程和老化相关疾病(如AD)的中心事件。为了研究DNA甲基化与DNA氧化之间的相互作用，研究者合成了一些类似转录因子Sp1结合的DNA寡核苷酸序列，将其中一些CpG二核苷酸中的C变成mC，G则被8-oxo-dG代替;另一些序列中mC与8-oxo-dG同时存在。在接下来的DNA结合和修复的实验中发现，mC与8-oxo-dG都能显著减低Sp1与DNA的结合，而两者同时存在时的影响比单独一种存在时更加显著;而8-oxo-dG邻近位点存在mC时，阻碍了Ogg1与损伤位点的识别，降低了DNA的修复效率。研究表明，一个基因的甲基化状态对基因的表达和DNA的修复具有重要影响。如果发育过程中基因的调节区域甲基化同时相同区域遭受氧化应激损伤，那么此基因就会被大大的抑制，同时，这样的基因也不能被有效的修复。反过来，氧化的DNA抑制邻近C的甲基化〔20〕。

DNA甲基化的改变伴随着生命的始终，然而，DNA甲基化的异常会导致多种疾病的发生。如AD发病相关基因APP、BACE的低甲基化，导致APP产生增加，进而裂解产生Aβ，聚集的Aβ不仅诱导神经细胞凋亡和突触损害，还促进ROS的释放，造成DNA损伤。相反，DNA高度甲基化，导致CpG二核苷酸结构的改变，阻碍了DNA损伤的修复。在AD疾病过程中，同时存在DNA低甲基化和高甲基化，如何控制DNA适度甲基化来预防和治疗AD，有待进一步研究。

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R749.1

A

1005-9202(2011)12-2367-03

北京市自然科学基金(7082043);北京市卫生系统高层次卫生技术人才计划资助项目(2009-3-64);首都医学发展科研基金(2007-3108)

王 蓉(1963-)，女，研究员，博士生导师，主要从事神经退行性疾病研究。

孟祥宏(1981-)，男，硕士，主要从事神经退行性疾病研究。

〔2009-12-17收稿 2010-09-27修回〕

(编辑 袁左鸣/曹梦园)