多囊卵巢综合征的表观遗传学机制研究进展

曹羽明，张元珍



多囊卵巢综合征的表观遗传学机制研究进展

曹羽明，张元珍△

遗传和环境等多种因素共同参与多囊卵巢综合征（PCOS）的发生与发展，两种因素交互作用所导致的临床表现可以用表观遗传修饰加以解释，但其具体作用机制还存在很多未知。表观遗传学是在DNA碱基序列不变的前提下引起的基因表达或细胞表观型变化的一种遗传现象，与PCOS发病相关的表观遗传修饰包括DNA甲基化、X染色体失活、组蛋白修饰、基因组印迹及非编码RNA调控等。微小RAN（miRNAs）在卵巢组织广泛表达，在卵巢功能调节中发挥重要作用，参与细胞增殖、分化、凋亡等多种生物学过程，因此与PCOS的发生密切相关。探索表观遗传学在PCOS发病机制中的作用，为PCOS的预防、诊断与治疗提供新的思路。

多囊卵巢综合征；后成说，遗传；DNA甲基化；基因组印迹

【Abstract】Multiple factors of heritability and environment conjointly participate in the pathomechanism of polycystic ovary syndrome（PCOS）.The complicated manifestations of PCOS could be related with the epigenetic modification，and the detailed mechanism needs more studies.The epigenetic modifications related to the development of PCOS include DNA methylation，X chromosome inactivation，histone modification，genomic imprinting，non-coding RNA regulation，and so on.For example，thosemiRNAs expressed abundantly in ovarian tissue play important roles in regulating ovarian function，which participate inmultiple biological events including cell proliferation，differentiation，apoptosis and cell death.To explore the effect of epigenetics in the pathogenesis of PCOS can provide us new references for the basic research and clinical practice of PCOS in future.

【Keywords】Polycystic ovary syndrome；Epigenesis，genetic；DNA methylation；Genomic imprinting （JIntReprod Health/Fam Plan，2016，35：327-330）

基金项目：国家自然科学基金（81370707）

作者单位：430071武汉大学中南医院妇产科

通信作者：张元珍，E-mail：zhangyuanzhen@vip.sina.com

△

审校者

多囊卵巢综合征（polycystic ovary syndrome，PCOS）也称为高雄激素血症或Stein-Leventhal综合征，是育龄妇女最常见的内分泌疾病，常见临床表现是内分泌紊乱从而影响生育功能，约10%～15%的育龄女性受到影响，其进一步发展容易引发糖尿病、心血管疾病和子宫内膜癌等并发症，严重影响女性的身体健康［1-3］。PCOS发病原因复杂，且无种族差异性，是遗传、环境及生活方式等多种因素共同作用的结果。目前，针对PCOS的遗传学病因的研究比较多，且结果表明表观遗传学在该病的发生、发展中起到一定的作用［4-6］，因此，深入了解PCOS的病因对其诊断、治疗及预防具有重要的指导意义。现对近年来PCOS的表观遗传学机制进行综述。

1　PCOS的表观遗传学依据

PCOS的发病机制尚不明确，累积数据表明环境和生活方式等多种因素可以通过影响表观遗传修饰而引起PCOS。女性胎儿期过量的雄激素暴露、出生后环境及饮食因素的交互作用可以导致疾病的发生、发展，甚至出现可遗传性，这类现象被归为遗传学研究的另一个重要部分——表观遗传学［7-10］。表观遗传学是在DNA碱基序列不变的前提下引起的基因表达或细胞表观型变化的一种遗传现象，包括DNA甲基化、X染色体失活、组蛋白修饰、基因组印迹及非编码RNA调控等，任何一个方面异常均会引起染色质结构改变及异常基因的表达，从而导致复杂综合征［11-13］。由此可以看出，表观遗传学可以将遗传和环境及其他因素联系起来，参与PCOS的发生、发展。

2　表观遗传学在PCOS发生中的作用机制

2.1DNA甲基化与PCOS的发生DNA甲基化是最早被认识也是研究最多的一种表观遗传修饰，是指胞嘧啶转化为5-甲基胞嘧啶的现象，被认为是DNA序列中除了A、G、C、T 4种碱基之外的第5种碱基，其调节基因的表达而不改变DNA序列，从而适应环境和生活方式的变化，不良的妊娠期环境可以导致CpG位点的甲基化水平异常，甲基化水平异常与诸多复杂的内分泌疾病以及各种癌症的发生有关［14-16］。Wang等［17］通过高通量微阵列技术综合分析不同的DNA甲基化和基因表达情况，结果表明多种基因的DNA甲基化状态与PCOS的发生有着一定的关系。Wang等［18］首次以黄体生成激素/人绒毛膜促性腺激素受体（LHCGR）做为候选基因的研究显示，PCOS患者中没有异常的体细胞突变，但是有启动子区域的低甲基化状态，进一步在颗粒细胞系（GCs）的研究证明LHCGR在CPG区域8个显著性位点的转录水平与甲基化状态是一致的，研究结果表明LHCGR基因的甲基化状态与PCOS的发生存在一定的关系。Sang等［19］利用第3代DNA定量甲基化水平检测技术（Mass ARRAY），对32例PCOS患者及32例对照者外周环氧化物水解酶1（EPHX1）、类固醇5α还原酶1（SRD5A1）及胆固醇侧链裂解酶（CYP11A1）等基因的DNA甲基化水平进行检测，发现PCOS患者EPHX1基因在某些连续的CpG位点出现明显的甲基化异常；进一步对49例PCOS患者及67例对照受试者EPHX1的甲基化水平进行检测，结果表明，EPHX1启动子区域的甲基化水平可能与PCOS的发生密切相关。由此可见，宫内因素、环境因素、营养因素、生活方式等都可引起候选基因启动子区域低甲基化状态而导致PCOS的发生。

2.2X染色体失活与PCOS的发生除了DNA甲基化与PCOS之间的相关性，相关证据显示X染色体失活也参与PCOS发生。雌性动物含有2条X染色体，雄性动物含有1条X染色体，其中雌性动物中的一条X染色体永久失活，临床中将其称为剂量补偿效应。X染色体失活一旦建立，来源于同一条X染色体的所有子细胞完全失活。由此可见，X染色体失活模式与某些疾病的发生有着紧密的联系。Baculescu［20］提出由于雄激素受体（AR）基因位于X染色体上，X染色体失活作为女性特有的一个现象，因此，AR激活不仅是基因型而且是表观遗传方面的影响，环境的暴露或等位基因的不同可能是PCOS发生的重要原因。Echiburú等［21］通过分析甲基化模式推测X染色体失活对PCOS患者和正常女性影响的研究中发现，PCOS患者中没有发现X染色体失活的显著差异或更高的倾向，但是在后续的研究中提出假设，PCOS患者的女儿可能存在特别的易染病体质，其发生PCOS的概率增加。袁纯等［22］对120例PCOS患者与120例非PCOS患者的X染色体失活后AR基因上2个重复位点的评估，得出长的CAG重复序列、AR基因纯合子以及比较短的GGN重复序列可能与PCOS发病有关。由此说明，X染色体失活或等位基因的改变可能为PCOS的易发因素，并存在可遗传性，但具体的作用机制还需要大样本临床试验予以验证。

2.3组蛋白修饰与PCOS的发生组蛋白修饰与DNA甲基化及染色质重塑之间存在内在联系，组蛋白经氨基端发生变化，出现多重组合，且不同组蛋白氨基端修饰也使染色体蛋白结合发生变化，产生协同或拮抗作用，最终引起染色质转录的变化。组蛋白修饰主要体现为甲基化、磷酸化、乙酰化及糖基化等方面。乙酰化是组蛋白修饰中的一个关键点，且在临床中的研究也比较多。对特定组蛋白乙酰化及磷酸化等的研究表明，特定的组蛋白修饰模式在参与调节基因转录中发挥重要的作用，从而引起相关疾病的发生［23］。Samsami等［24］通过对35例PCOS患者与35例不明原因不孕患者及35例健康个体进行对照研究显示，PCOS患者的血清抗组蛋白抗体与抗核抗体呈现出高水平，抗DNA抗体、抗组蛋白抗体、抗核抗体等的改变还可以对不明原因的不孕加以解释，由此可见，抗组蛋白抗体及抗核抗体与PCOS的发生存在一定的相关性。其他相关研究显示，组蛋白修饰过程与DNA甲基化之间有紧密的联系，启动子区域的甲基化，可以引起组蛋白修饰发生变化，从而引起核染色质和组织特异性基因表达等表观遗传现象，而DNA甲基化与PCOS的发生有着密切的联系，由此推测，组蛋白修饰与PCOS的发生具有一定的联系［25-27］。目前，专门针对组蛋白修饰与PCOS发生的研究不多，要更为准确地把握两者的内在联系和具体的发生机制，仍需大量研究进行分析。

2.4基因组印迹与PCOS的发生基因组印迹是亲本来源不同而导致等位基因表达差异的一种遗传现象。基因组印迹产生的原因及过程是现代遗传学的一个热点问题，进化的基因组印迹在哺乳动物的生殖、发育中起到了特定的作用，印迹基因的异常表达会导致许多疾病的发生［28］。在DNA序列水平上，表观遗传修饰一旦形成，DNA复制及细胞分裂过程就不能稳定地遗传下去。基因组印迹作用通过精子、卵子融合传递给体细胞和组织，具有亲本遗传性。相关研究表明，DNA甲基化是基因组印迹发生和维持的主要机制，在配子发生和胚胎发育的过程中，DNA甲基化是一个动态的过程，存在不同基因组印迹功能［29-30］。由此可推测PCOS的胎儿源性学说与基因组印迹有着一定的关系。从基因角度分析，AR基因N重复序列变化与性激素的结合均很容易引起球蛋白基因N重复序列增加，而且这些基因多态性常与胎儿出生之前的雄激素化有着紧密的联系，也是导致PCOS胎儿的遗传学依据［31］。综上，由于技术方法的限制，目前对基因组印迹与PCOS发生的相关性的了解多是基于DNA甲基化的间接证据。因此，要找到两者相关性的直接证据仍需要大量的实验加以验证。

2.5微小RNA（m icroRNA，m iRNA）与PCOS的发生miRNA是一类长度为19～25个核苷酸的内源性非编码RNA，其广泛存在于病毒、植物、线虫及人类的细胞中，参与调节基因转录后水平的表达。研究发现miRNA在卵巢组织广泛表达，在卵巢功能的调节中发挥着重要的作用，参与着细胞增殖、分化、凋亡和死亡等多种生物学过程，这些生物学过程与PCOS的发生也存在密切联系［32-33］。Liu等［34］对20例接受体外受精的患者进行研究，其中10例为PCOS组，另外10例为匹配对照组，此项研究应用深度测序技术来识别miRNA在卵丘颗粒细胞中的表达，结果显示在PCOS患者中有17个miRNA出现差异性表达，随后进行的分层聚类分析表明在PCOS患者的卵丘细胞中有一个特定的miRNA表达模式。Xu等［35］对21例PCOS患者与20例正常人进行对照研究，结果表明miRNA及其特定的通路在PCOS的病因及病理生理学中发挥重要作用。Shi等［36］分别对24例PCOS患者与24例非PCOS患者进行研究，比较2组患者卵丘细胞miRNA的表达情况，结果表明miR-483-5p和miR-486-5p在PCOS患者卵丘细胞的表达明显下降，这一研究结果在miRNA途径上为PCOS的发生提供新的分子机制。由此可见，miRNA的差异性表达及其特定的通路参与PCOS的发生，应该筛选出更多的分子标记物为PCOS的诊治提供帮助。

3结语与展望

综上，PCOS的表观遗传机制是当下的研究热点，但由于表观遗传的类型较多，且各自在PCOS的发生中起到的作用不同，其具体发生机制仍存在很多未解之谜。随着对PCOS发生机制研究的不断深入，发现其发生可能不只涉及一种或者几种因素，可能是几种表观遗传修饰交互作用的结果。人类表观基因组计划是绘制出不同的组织类型与疾病状态下的人类基因组甲基化变化位点图谱。通过这一计划的实施，可以为PCOS的表观遗传机制提供有力的参考依据，且确定针对性易感基因也为今后疾病相关基因的基因型与表现型研究提供参考，表观遗传学的引入可以更全面地了解PCOS，使PCOS的发病机制逐渐清晰。

近年来生命科学在分子生物学技术不断进步的推动下即将迎来革命性的突破，随着聚合酶链反应、基因组学、蛋白质印迹（Western blotting）等先进分子技术的不断涌现，表观遗传学在PCOS发生、发展中的分子机制将被广泛揭示。另外，环境、营养等因素可能通过介导表观遗传修饰最终导致PCOS，可以将外在因素与内在因素相结合深入探讨PCOS的发生机制。此外，应该通过大样本实验对X染色体失活和组蛋白修饰等目前直接证据较少的表观遗传修饰做更深入的研究，为PCOS的表观遗传机制提供新的靶点，为PCOS的发生、发展提供更有力的科学依据，为PCOS的早期诊断、个性化治疗及糖尿病、心血管疾病、癌症等远期并发症的预防提供可能。针对性阻断环境、营养、生活方式等可控因素引起的表观遗传修饰，可减少PCOS的发生。

［1］Shaikh N，Dadachanji R，Meherji P，et al.Polymorphisms and haplotypes of insulin-like factor 3 gene are associated with risk of polycystic ovary syndrome in Indian women［J］.Gene，2016，577 （2）：180-186.

［2］Aziz M，Sidelmann JJ，Faber J，et al.Polycystic ovary syndrome: cardiovascular risk factorsaccording to specific phenotypes［J］.Acta ObstetGynecol Scand，2015，94（10）：1082-1089.

［3］BagheriM，Abdi-Rad I，Hosseini-Jazani N，et al.An Association Study between INSR/NsiI（rs2059806）and INSR/Pm lI（rs1799817）SNPs in Women with Polycystic Ovary Syndrome from West Azerbaijan Province，Iran［J］.JReprod Infertil，2015，16（2）：109-112.

［4］Kollmann M，MartinsWP，Raine-Fenning N.Termsand thresholds for the ultrasound evaluation of the ovaries in women with hyperandrogenic anovulation［J］.Hum Reprod Update，2014，20 （3）：463-464.

［5］Insenser M，Montes-Nieto R，Murri M，et al.Proteomic and metabolomic approaches to the study of polycystic ovary syndrome ［J］.MolCell Endocrinol，2013，370（1/2）：65-77.

［6］Brower MA，Jones MR，Rotter JI，et al.Further investigation in europeans of susceptibility variants for polycystic ovary syndrome discovered in genome-wide association studies of Chinese individuals［J］.JClin EndocrinolMetab，2015，100（1）：E182-E186.

［7］Ilie IR，Georgescu CE.Polycystic Ovary Syndrome-Epigenetic Mechanisms and Aberrant MicroRNA［J］.Adv Clin Chem，2015，71：25-45.

［8］Xu N，Chua AK，Jiang H，etal.Early embryonic androgen exposure induces transgenerationalepigenetic andmetabolic changes［J］.MolEndocrinol，2014，28（8）：1329-1336.

［9］Abbott DH，Nicol LE，Levine JE，et al.Nonhuman primatemodels ofpolycystic ovary syndrome［J］.Mol Cell Endocrinol，2013，373（1/ 2）：21-28.

［10］Bitzer J，Sultan C，Creatsas G，et al.Gynecological care in young women:a high-risk period of life［J］.Gynecol Endocrinol，2014，30 （8）：542-548.

［11］Caldwell AS，Eid S，Kay CR，et al.Haplosufficient genomic androgen receptorsignaling isadequate to protect femalemice from induction of polycystic ovary syndrome features by prenatal hyperandrogenization［J］.Endocrinology，2015，156（4）：1441-1452.

［12］Zhang D，Cong J，Shen H，et al.Genome-wide identification of aberrantly methylated promoters in ovarian tissue of prenatally androgenized rats［J］.FertilSteril，2014，102（5）：1458-1467.

［13］Li D，Jiao J，Zhou YM，et al.Epigenetic regulation of traf2-and Nck-interactingkinase（TNIK）in polycystic ovary syndrome［J］.Am JTranslRes，2015，7（6）：1152-1160.

［14］Sheng Y，Wang H，Liu D，et al.Methylation of tumor suppressor gene CDH13 and SHP1 promoters and their epigenetic regulation by the UHRF1/PRMT5 complex in endometrial carcinoma［J］. GynecolOncol，2016，140（1）：145-151.

［15］Rakyan VK，Down TA，Balding DJ，et al.Epigenome-wide association studies for common human diseases［J］.Nat Rev Genet，2011，12（8）：529-541.

［16］Jia L，Li J，He B，etal.Abnormally activated one-carbonmetabolic pathway is associated with mtDNA hypermethylation and mitochondrialmalfunction in the oocytes of polycystic gilt ovaries ［J］.SciRep，2016，6：19436.

［17］Wang XX，Wei JZ，Jiao J，et al.Genome-wide DNA methylation and gene expression patterns provide insight into polycystic ovary syndrome development［J］.Oncotarget，2014，5（16）：6603-6610.

［18］Wang P，Zhao H，Li T，et al.Hypomethylation of the LH/ choriogonadotropin receptor promoter region is a potential mechanism underlying susceptibility to polycystic ovary syndrome ［J］.Endocrinology，2014，155（4）：1445-1452.

［19］Sang Q，Li X，Wang H，et al.Quantitativemethylation level of the EPHX1 promoter in peripheral blood DNA is associated with polycystic ovary syndrome［J］.PLoSOne，2014，9（2）：e88013.

［20］Baculescu N.The roleofandrogen receptor activitymediated by the CAG repeat polymorphism in the pathogenesisof PCOS［J］.JMed Life，2013，6（1）：18-25.

［21］EchiburúB，Pérez-Bravo F，Maliqueo M，et al.CAG repeat polymorphism of androgen receptor gene and X-chromosome inactivation in daughtersofwomen with polycystic ovary syndrome （PCOS）:relationship with endocrine and metabolic parameters［J］. GynecolEndocrinol，2012，28（7）：516-520.

［22］袁纯，沈鉴东，高超，等.多囊卵巢妇女雄激素受体CAG及GGN重复多态性及X染色体失活状态的研究［C］.厦门：中华医学会第十次全国妇产科学术会议，2012.

［23］Hefler-Frischmuth K，Walch K，HueblW，et al.Serologicmarkers ofautoimmunity inwomenwith polycystic ovary syndrome［J］.Fertil Steril，2010，93（7）：2291-2294.

［24］SamsamiDA，RazmjoeiP，Parsanezhad ME.Serum Levelsof Antihistone and Anti-double-Strand DNA Antibodies Before and After Laparoscopic Ovarian Drilling in Women with Polycystic Ovarian Syndrome［J］.JObstetGynaecol India，2014，64（1）：47-52.

［25］Li D，Bi FF，Cao JM，et al.Regulation of DNAmethyltransferase 1 transcription in BRCA1-mutated breast cancer:a novel crosstalk between E2F1motifhypermethylation and lossofhistone H3 lysine 9 acetylation［J］.MolCancer，2014，13：26.

［26］SuvàML，Riggi N，Bernstein BE.Epigenetic reprogramming in cancer［J］.Science，2013，339（6127）：1567-1570.

［27］Zhang B，Zhou Y，Lin N，et al.Functional DNA methylation differences between tissues，cell types，and across individuals discovered using the M＆M algorithm［J］.Genome Res，2013，23 （9）：1522-1540.

［28］Hing B，Gardner C，Potash JB.Effectsofnegative stressorson DNA methylation in the brain:implications for mood and anxiety disorders［J］.Am JMed GenetBNeuropsychiatr Genet，2014，165B （7）：541-554.

［29］Kim MJ，Choi HW，Jang HJ，et al.Conversion of genomic imprinting by reprogramming and redifferentiation［J］.JCell Sci，2013，126（Pt11）：2516-2524.

［30］McKeown PC，Fort A，Spillane C.Analysis of genomic imprinting by quantitativeallele-specific expression by Pyrosequencing（R）［J］. MethodsMolBiol，2014，1112：85-104.

［31］Salilew-Wondim D，Wang Q，Tesfaye D，et al.Polycystic ovarian syndrome is accompanied by repression of gene signatures associatedwith biosynthesisandmetabolism ofsteroids，cholesterol and lipids［J］.JOvarian Res，2015，8：24.

［32］Xu Q，Zhang Y，Chen Y，et al.Identification and differential expression of microRNAs in ovaries of laying and Broody geese （Anser cygnoides）by Solexa sequencing［J］.PLoSOne，2014，9（2）：e87920.

［33］Woo YM，Park JH.microRNA biomarkers in cystic diseases［J］. BMBRep，2013，46（7）：338-345.

［34］Liu S，Zhang X，Shi C，et al.Altered microRNAs expression profiling in cumulus cells from patients with polycystic ovary syndrome［J］.JTranslMed，2015，13：238.

［35］Xu B，Zhang YW，Tong XH，et al.Characterization ofmicroRNA profile in human cumulus granulosa cells:Identification of microRNAs that regulate Notch signaling and are associated with PCOS［J］.MolCell Endocrinol，2015，404：26-36.

［36］Shi L，Liu S，Zhao W，et al.miR-483-5p and miR-486-5p are down-regulated in cumulus cells of metaphase II oocytes from women with polycystic ovary syndrome［J］.Reprod Biomed Online，2015，31（4）：565-572.

［本文编辑王琳］

Research Progress of Epigenetic M echanism of Polycystic Ovary Syndrome

CAO Yu-ming，ZHANG Yuan-zhen.Department of Obstetrics and Gynecology，Zhongnan Hospital ofWuhan University，Wuhan 430071，China

ZHANG Yuan-zhen，E-mail：zhangyuanzhen@vip.sina.com

（2016-01-20）