DNA甲基化和环境暴露共同作用对慢性阻塞性肺疾病的影响

李婷婷 陈石 陈明会 孔祥阳（通讯作者）

（昆明理工大学医学院疾病与药物遗传实验室 云南 昆明 650500）

慢性阻塞性肺疾病(Chronic Obstructive Pulmonary Disease，COPD)是由于气道中的一组气流受限并且持续存在，呈现进行性发展，与此同时一些气道和肺慢性炎症反应疾病会伴随发生，且还可引起由有害颗粒或气体导致的全身性不良效应。COPD患者有严重的呼吸困难症状，生活质量较差[1]。其主要特点是慢性低度全身炎症和肺部老化（炎症），据研究这与有害颗粒或气体介导的氧化应激引起的类固醇抵抗有关。从目前看来，COPD是一种不可治愈但可预防的呼吸道疾病，具有极高发病率，对人类健康有着极大的威胁。据分析估计，至2020年COPD将成为全球第三大最常见死亡疾病。

1.DNA甲基化与COPD

表观遗传学是指在外源刺激下改变基因组功能的不同种过程总称，同时也提供了一种使基因表达能稳定遗传给下一代细胞的分子机制。表观遗传修饰可通过多种机制发生，例如DNA甲基化、翻译后组蛋白修饰、非编码RNA等，并根据基因内的位置而抑制或激活转录。DNA甲基化也是一种共价化学修饰，以S腺苷甲硫氨酸作为甲基供体，由DNA甲基化转移酶（DNMTs）催化，将胞嘧啶核苷酸的嘧啶环第五位碳原子甲基化，并与其3’端鸟嘌呤形成甲基化的CpG岛，进而导致基因表达发生变化。迄今为止，DNA甲基化仍是研究最多的表观遗传学修饰。因此本章就COPD与DNA甲基化之间的关系进行讨论。

据报道COPD与很多甲基化遗传位点有很大关联,而甲基化位点具有遗传功能，其可通过DNA的复制来实现，这一过程是借助甲基化酶来完成的。甲基化转移酶有两种：（1）持续性DNA甲基化转移酶——DNMT1，其在DNA双链其中一条链甲基化时才发挥作用，将DNA双链完全甲基化，而且还能对接下来DNA复制后的新链的甲基化产生影响；其还能阻断转录，而这一过程则需要组蛋白去乙酰基转移酶的配合；（2）从头甲基转移酶——DNMT3a、DNMT3b，这种酶作用于CpG岛，先使其一半甲基化，之后逐渐全甲基化。

研究显示，DNA的高甲基化对COPD患者的病情有很大的影响，并发现某些基因的启动子区域高甲基化会导致COPD患者肺功能降低。同时大规模的分析表明，DNA甲基化可能是COPD的生物标记物，可以作为突显COPD发病机理的新途径。

2.环境暴露与COPD

COPD是一种呼吸道疾病，特点是持续性气流受限，这主要是由于香烟烟雾和空气中的颗粒物所致，所以环境因素对其影响巨大。目前证据表明，香烟烟雾是COPD的主要危险因素，其他环境因素包括大气污染、室内环境污染和职业环境暴露等[1]。

在世界范围内，吸烟都是最常见的危险因素。而其他的环境污染虽不是主要原因但其对COPD也有一定影响。COPD和空气污染的关系在发达国家早已被评估，很多国家评估了COPD和空气污染间的关系，发现空气污染是COPD的一个危险因素[2]。

3.COPD发展过程中DNA甲基化和环境暴露之间的关联

3.1 吸烟与DNA甲基化在COPD中的关联

COPD是一种以遗传和表型异质性为特征的吸烟相关疾病，目前吸烟是COPD极为重要的并且可预防的危险因素。研究者在对患有COPD的吸烟者淋巴母细胞和肺泡巨噬细胞中观察时发现DNA甲基化现象，同时芳香烃受体阻遏物协调变化，这表明香烟烟雾介导的表观遗传效应对COPD发生有影响。香烟烟雾中含有1015种自由基和4700种不同化学成分，估计约有15%～20%的吸烟者发展成为COPD。这是由于香烟烟雾直接或间接影响某些易感基因的DNA甲基化，而对吸烟者造成影响，故而其患COPD风险很高。另一方面，香烟烟雾介导的表观遗传学变化，导致转录因子、辅酶和聚合酶DNA可达性的改变，从而导致转录基因激活，引发炎症。现有证据表明DNA甲基化异常会导致炎症，这是由于DNA的低甲基化使得炎症基因表达的上调。而炎症反应又增加活性氧的产生，肺部则成为活性氧和自由基损伤的直接靶点。几项研究表明，活性氧参与了生理和病理条件下的DNA甲基化反应。事实上，活性氧过度生产可能会影响表观遗传机制。故而促进COPD相关的病理生理变化并增加肺癌发展的风险。

综上，发现COPD中发生DNA甲基化与香烟烟雾导致的炎症反应关系密切。近年来有证据表明，在不同类型的炎症反应中，DNA甲基化对炎症反应都有调控作用。而同时炎症反应又会导致甲基化异常，某些炎症因子可促进DNMTs的表达并增加其活性，引起DNA的异常甲基化。因此，在DNA甲基化和香烟烟雾相互作用下会影响COPD患者肺部各种细胞和生理、病理过程，并加重病情。

3.2 其他环境污染与DNA甲基化在COPD中的关联

3.2.1 大气污染

随着环境污染的日益严重，污染物质会附着在大气颗粒物表面。大气颗粒物的组成成分十分的复杂，包含许多组分，例如物理、化学、生物等。截止2014年，我国城市尤其是北部大气颗粒物为首要污染物，经分析后发现这些污染物以PM2.5为主。人体通过呼吸将这些颗粒物吸入，由各种循环系统进入各种器官，而颗粒物表面同时附着许多的氧化物，可引起机体产生氧自由基，从而形成氧化应激反应，对人体造成越来越大的影响。而全基因组DNA甲基化的改变与氧化应激有关，COPD的其中一个特点就是氧化应激增加。

氧化应激引起多种激酶信号通路，从而导致染色质改变（组蛋白乙酰化/去乙酰化和组蛋白甲基化/去甲基化），进而导致了炎症、衰老等发生。而组蛋白和DNA甲基化的表观遗传标记之间又存在交叉，烟雾和氧化剂都可改变组蛋白乙酰化/去乙酰化和甲基化/去甲基化，从而增强炎症反应的基因表达[3]。在本文中我们体会了炎症反应与DNA甲基化之间的关系，在两者相互作用下诱导了COPD的发生。

3.2.2 室内与工作环境污染

我国COPD流行率是8.2%（男性12.4%，女性5.1%），室内环境污染可能对女性影响较大，其污染物主要来源于生物燃料和烟雾（多数源于烹饪）。室内生物燃料暴露已经成为COPD的独立危险因素，因此认为生物燃料所产生的室内空气污染与吸烟有协同作用，长时间暴露于烟雾中，可引起体内氧化应激反应。

工作中的环境污染物主要是粉尘，多环芳烃、重金属等。已证实多环芳烃暴露能提高呼吸系统疾病的发病风险,包括哮喘、COPD和肺癌等；重金属是影响DNA甲基化的主要因素之一，可导致COPD的发生。

4.展望

越来越多的研究显示，多个基因联合检测甲基化情况可以显著提高非小细胞肺癌的检出率，可达到80%以上，这对非小细胞肺癌的诊断具有非常重要的价值。故而可以将这种联合多基因运用到COPD中，希望能够对COPD早期诊断起重要作用。