DNA甲基化的相关研究进展

赵 娜（综述），赵翠萍（审校）

（哈尔滨医科大学附属第一医院心血管内科，哈尔滨 150001）

表观遗传学指不改变DNA的一级结构而改变表型的一种基因表达调控机制，主要包括DNA甲基化、组蛋白修饰、染色体重构、RNA干扰等［1］。DNA甲基化是最早发现的表观遗传学之一，1988年，科学家们发现了DNA甲基化相关的酶及基因，人们开始认识到，基因修饰（DNA甲基化）可能对基因表达产生影响［2］。从此，DNA甲基化相关课题的研究逐渐被开展起来。目前大量研究已经证实，DNA甲基化与多种癌症的发生和进展密切相关。现就DNA甲基化的相关研究进展予以综述。

1 DNA甲基化

DNA甲基化指由S-腺苷甲硫氨酸提供甲基，在DNA甲基转移酶的作用下，将CpG二核苷酸的胞嘧啶（C）甲基化为5-甲基胞嘧啶的过程，其不改变DNA的一级结构而是调控组织特异性基因表达的可逆过程［3］。在真核生物，DNA甲基化与基因表达调控、发育调节、基因组印迹、X染色体灭活、衰老等方面有密切联系［3-7］。DNA甲基化主要发生在 CpG岛，CpG岛指基因组中富含GC的DNA序列，常成簇存在，多位于基因的启动子区和第1外显子区，长约1 kb［8-9］。

2 DNA甲基化转移酶

DNA甲基化转移酶（DNA methyltransferases，DNMT）有3个家族，即 Dnmt1、Dnmt2、Dnmt3，其中 Dnmt3 又包括Dnmt3a、Dnmt3b和Dnmt3L，哺乳动物体内有 Dnmt1、Dnmt3a和Dnmt3b［10］。

2.1 Dnmt1 Dnmt1包含1573个氨基酸，相对分子质量为183 000，其C端为保守的催化甲基化反应结构域;Dnmt1主要是维持DNA的持续甲基化状态，使DNA分子中未甲基化的那一条子链甲基化，从而保持子链与亲链有完全相同的甲基化形式，因此Dnmt1是一种维持甲基转移酶［3］。

2.2 Dnmt3 Dnmt3a和Dnmt3b属于重新甲基化酶，参与DNA甲基化的从头合成，即对没有甲基化的DNA链进行甲基化;Dnmt3L是一种相关蛋白调节因子，本身不具有DNA甲基化功能，但可调节 Dnmt3a和Dnmt3b的活性，其氨基酸序列与Dnmt3a和Dnmt3b极其相似，但在C端区域缺少DNA甲基化转移酶活性所必需的相关物质［10］。

3 DNA甲基化的生物学意义

生理状态的DNA甲基化在细胞分化、基因表达、胚胎发育、生长、遗传以及机体免疫调节等过程中起重要作用，而异常的DNA甲基化与多种疾病的发生、发展密切相关（如肿瘤、自身免疫性疾病、糖尿病、心血管系统疾病等）［11］。目前研究较多的有DNA甲基化与肿瘤、DNA甲基化与心血管疾病等。

3.1 DNA甲基化与肿瘤 基因组甲基化异常与肿瘤发生、发展一直是医学界研究热点。1986年，Baglin首次报道人类肿瘤中出现CpG岛甲基化水平异常升高［12］，人们开始致力于研究与肿瘤相关的多个敏感基因的甲基化状态。人们发现，肿瘤细胞DNA总体甲基化水平低于正常细胞，但某些特定基因CpG岛却处于高甲基化状态［13］。DNA低甲基化使原癌基因激活，癌细胞异常增殖;而启动子区CpG岛高甲基化则引起基因表达抑制，使抑癌基因失活，从而促进肿瘤的发生和发展，因此甲基化被认为是肿瘤发生的另外一个机制［14］。DNA甲基化不仅参与细胞周期、增殖、凋亡、转移的调控，也参与调节肿瘤细胞的耐药性及胞内信号转导通路［15］。近年来，人们发现多个肿瘤的相关基因启动子区甲基化异常，例如，在人类肝癌中，甲基化Delta-like 3基因通过Notch信号通路抑制肝癌细胞的生长［16］，进一步证实DNA甲基化与肝癌有关系;雌果蝇基因蛋白产物相互作用蛋白1作为生长因子在抑制肿瘤的发生中发挥重要作用，而在肝癌细胞株中雌果蝇基因蛋白产物相互作用蛋白1启动子发生了甲基化［17］。这些结果提示，DNA甲基化机制参与调控肝癌的发生、发展。Ellinger等［18］对32例乳头状肾细胞癌组织和15例乳头状肾细胞癌组织相邻的正常组织进行研究，结果发现约94.4%的组织中均存在Ras相关区域家族1A抗体高甲基化，而Ras相关区域家族1A抗体高度甲基化不仅存在于乳头状肾细胞癌，而且在其各个组织学亚型中也普遍存在，且肿瘤中抑癌基因高甲基化亦参与肿瘤发生、发展的调节。另外，人类肿瘤中也存在低甲基化现象，包括整体低甲基化水平和个别基因低甲基化;整体低甲基化水平主要发生在DNA重复序列中（微卫星DNA、长散布元件等）［13］。mucin 3A基因在正常组织细胞不表达，而在肿瘤中，mucin 3A启动子区低甲基化和表达上调，即mucin 3A基因启动子区甲基化与其表达呈负相关［19］。在甲状腺癌的研究中发现，半乳糖凝集素3基因处于低甲基化状态，且在甲状腺癌中高度表达，但在正常的甲状腺组织及良性甲状腺病变中不表达或低表达［20］。DNA甲基化是一个可逆的过程，因此利用药物来改变细胞的甲基化水平可能是治疗癌症的一个新方向。进一步阐明肿瘤细胞特异性DNA甲基化的机制及与肿瘤发生、发展的关系，将为攻克肿瘤提供新的思路。

3.2 DNA甲基化与心血管疾病 心血管疾病包括冠状动脉疾病、原发性高血压、心力衰竭、卒中等。这些疾病的复杂发病机制源于基因及环境的多样性，表观遗传学现象越来越成为研究的主要因素，可能成为疾病的独特生物标志物。表观遗传学机制的一个重要方面是其有潜在可逆性，受营养-环境因素的影响，通过基因-环境的相互作用，共同影响心血管疾病［21-22］。DNA甲基化等表观遗传学机制调节基因表达已被大家熟知，但表观遗传学在心血管疾病的作用目前还未被深入研究［23］。现在已有学者开始在这一领域研究其对心血管疾病发生、发展的作用及影响［24］。

3.2.1 DNA甲基化与动脉粥样硬化 动脉粥样硬化是一种慢性炎症性疾病，由多因素引起，以血管内皮功能紊乱、内膜下脂质沉积、平滑肌细胞迁移和增殖，以及泡沫细胞形成为主要特征，累及全身重要器官的动脉血管［25］。以动脉粥样硬化为病理基础的多种疾病，如冠状动脉粥样硬化性心脏病（冠心病）、缺血性脑病、肾动脉狭窄等，严重威胁人类健康，尤其是心脑血管疾病，已成为全球重要的疾病负担［26］，但其发病机制尚不完全清楚。目前很多研究发现，基因DNA甲基化的改变与动脉粥样硬化有密切关系;Baccarelli等［27］进行了一个人口调查研究，对长点缀核苷酸序列进行焦磷酸序列分析显示，心血管疾病患者的DNA处于低甲基化状态;进一步研究显示，长点缀核苷酸序列处于低甲基化的个体存在缺血性心脏病和卒中的高风险;而Hiltunen等［28］报道，在人类、老鼠及兔子的粥样硬化病变中，全基因组发生了低甲基化，但全基因组的低甲基化在动脉粥样硬化的形成中是否起作用，目前尚不确定;在小鼠模型中，通过比较粥样硬化组及对照组小鼠的载脂蛋白E对早期动脉粥样硬化进行了评估，结果表明，在大动脉样本中发生了适度但有意义的全基因组低甲基化状态。这一发现领先于动脉粥样硬化其他任一组织学的证据，由此推测，不仅在癌症中，而且在动脉粥样硬化中，DNA甲基化的变化可能成为疾病的主要表现。Kim等［29］的一项研究中，对286例新加坡华裔受试者的外周血白细胞基因组甲基化水平进行检测并进行随访5.8年，结果发现，基因组甲基化水平和冠心病及冠心病风险因素呈正相关。另有学者研究了心血管动脉粥样硬化组织的雌激素受体β基因启动子的DNA甲基化改变，相对于正常组，冠状动脉粥样硬化组表现出高甲基化［30］。另有相关实验对患有动脉粥样硬化症的绝经前女性进行研究，结果发现，雌激素受体表达降低，且雌激素受体表达沉默与动脉粥样硬化形成有显著的相关性;进一步研究发现，凝血因子7启动子区的低甲基化与活化型凝血因子7的高血浆浓度及心血管疾病的高风险有关系［31］。综上所述，动脉粥样硬化与基因组DNA甲基化及相关基因的甲基化模式异常密切相关。但人们对DNA甲基化和动脉粥样硬化关系的研究还处于起步阶段，尚需对遗传修饰和基因表型的关系展开大规模研究，以期揭示DNA甲基化在动脉粥样硬化中的作用机制。

3.2.2 DNA甲基化与心力衰竭 心力衰竭是各种心血管疾病终末阶段的临床综合征，严重危害人类健康。心力衰竭的发病机制仍不明确，研究发现心力衰竭与表观遗传学机制尤其是DNA甲基化有一定的关系［32］。肌质网钙ATP酶2a在心肌中的表达量与心功能的改变呈正相关;肌质网钙ATP酶2a的表达下降已经在心力衰竭患者的心肌组织及心力衰竭动物模型中记录到［33］。研究发现，肿瘤坏死因子α通过升高DNA甲基转移酶的水平进而提高肌浆网钙ATP酶2a启动子区的甲基化水平，从而导致肌质网钙ATP酶2a水平的降低;这一发现提示，抑制甲基化可能成为治疗心功能障碍新的治疗策略［32］。扩张型心肌病是频发性心肌疾病，其流行病学发病率约为1∶2500，以充血性心力衰竭和心肌基因表达改变为主要特点［34］。目前已经发现其表观遗传学机制，尤其是DNA甲基化与扩张型心肌病的发生、发展有联系，但并没有被广泛的研究。Koczor等［35］利用相关技术检测出4个与扩张型心肌病相关的基因，即细胞质胸苷激酶1、人封闭蛋白5、人极光激酶B和嗜乳脂蛋白9，这4个基因在扩张型心肌病患者的启动子区发生高甲基化，然而表达降低。Haas等［34］利用光学分析法和亚硫酸氢盐序列分析法等在扩张型心肌病患者中得出，人淋巴细胞抗原75和腺苷受体A2a甲基化水平发生了具有统计学意义的改变;而两者的信使RNA表达水平也相应地发生了改变;在扩张型心肌病患者中，人淋巴细胞抗原75基因甲基化与表达水平呈负相关;腺苷受体A2a基因甲基化水平与表达水平呈正相关;同时该实验在活体斑马鱼扩张型心肌病模型中发现，人淋巴细胞抗原75和腺苷受体A2a 2个基因在心力衰竭中起一定的作用，证实人淋巴细胞抗原75和腺苷受体A2a在心肌细胞的表达下降导致心力衰竭。Movassagh等［21］最近研究示，心肌病患者心肌组织和正常对照组心肌组织中存在甲基水平化的不同。以上研究均提示DNA甲基化与扩张型心肌病心力衰竭有一定的关系。此外，有学者利用高通量技术方法比较心力衰竭患者和对照组左心室组织的基因组甲基化情况，研究显示，心力衰竭组血小板内皮细胞黏附分子1和Angiomotin-like2的基因表达均下降，伴随血小板内皮细胞黏附分子1启动子区高甲基化和Angiomotin-like2启动子区低甲基化，小鸟苷酸三磷酸酶激活蛋白24抗体启动子区高甲基化和基因表达水平也升高;这些结果显示，心力衰竭患者中可能存在甲基化相关调控基因表达的表观遗传学机制［21］。以上研究均提示，DNA甲基化与心力衰竭可能存在相关性。

3.2.3 DNA甲基化与其他 在高血压、先天性心脏病等疾病中也存在DNA甲基化现象（如高血压患者中11-a羟基类固醇脱氢酶2基因的启动子区为高甲基化状态）。Lee等［36］发现，钠-钾离子转运蛋白1（NKCC1）在原发性高血压疾病的老鼠及对照组Wistar东京大鼠的主动脉及心脏中处于低甲基化状态，其基因表达水平也升高，这一发现提示，在高血压疾病中，基因甲基化可调控基因转录水平;同时还研究了继发性高血压NKCC1的表观遗传学调控，证实在原发性高血压病鼠类模型中NKCC1通过其启动子区表达低甲基化而使其上调。另有学者在最近研究的低蛋白饮食相关的DNA甲基化中发现，甲基化的X-受体基因与胆固醇及脂肪酸的新陈代谢控制有关系，这一基因可以列为心血管疾病的风险［37］。此外，先天性心脏病中同样存在DNA甲基化现象［38］。

4 小结

近年来，随着DNA甲基化检测技术的不断发展和完善，人们逐步认识到差异性DNA甲基化在基因调控、蛋白质表达、胚胎发育、个体生长中起重要作用，并且在肿瘤疾病中的研究已得到肯定。目前人们正致力于研究DNA甲基化与其他常见疾病（如心血管疾病、糖尿病等）的联系，并取得很大进展。这些进展为临床更好地认识疾病的发生、发展，解决治疗上遇到的问题开辟了一条新的道路。

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