空气污染物对哮喘相关基因DNA甲基化调控的研究进展

杨宝霞，黎 萍，郑百红

(吉林大学第二医院 儿科，吉林 长春130041)

新近大量研究证实，空气污染物与儿童哮喘发生、发展关系密切。空气污染物包括颗粒物(PM)，O3、SO2、NOx、CO、苯等。其中，颗粒物指生物颗粒(花粉、真菌孢子、细菌等)、土壤颗粒和烟雾颗粒等混合物；主要分为可吸入颗粒物(PM10，空气动力学直径<10 μm)以及细颗粒物(PM2.5，空气动力学直径<2.5 μm)，颗粒物可通过呼吸系统进入血液[1]。空气污染物可来自于交通相关空气污染(TRAP)、柴油机尾气颗粒(DEP)、家庭供暖等。研究证实，颗粒物会影响儿童肺功能，诱导儿童哮喘的发生、发展[2]。Lee等[3]发现孕期颗粒物的暴露和早期儿童哮喘相关，且孕中期为暴露的敏感时间窗，孕期颗粒物的暴露对男胎的影响更明显。

近年研究发现，空气污染物可在染色体、基因等不同水平影响遗传物质，包括染色体结构改变、DNA损伤、基因突变以及表观遗传的改变等。DNA甲基化是表观遗传最常见的修饰形式之一，DNA甲基化[4]是在DNA甲基转移酶(DNMT)的作用下，使CpG二核苷酸胞嘧啶5号碳原子上添加一个甲基集团，形成5-甲基胞嘧啶；甲基化区域多在启动子、加强子等基因调控序列区域。辅助性T淋巴细胞两种亚型Thl细胞和Th2细胞的失衡、Treg细胞、Th17活性等是哮喘发生、发展的重要机制。越来越多的证据表明，空气污染物可通过调控哮喘相关细胞及细胞因子的分泌相关基因及基因组的甲基化，影响哮喘的发生、发展[5]，本文综述了相关研究进展。

1 空气污染物对免疫细胞相关基因DNA甲基化程度的影响

1.1 空气污染物对Th1细胞相关基因甲基化的影响

干扰素(IFN)基因家族是Th1相关的基因，其表达产物可抑制气道过敏性免疫反应。其中IFN-γ促进Th1细胞分化，抑制Th2细胞分化，减少IL-4、IgE的分泌，可降低气道高反应性。研究表明，空气污染物暴露增加效应T细胞IFN-γ基因甲基化水平[6]，抑制IFN-γ分泌，从而促进哮喘发生；而药物抑制IFN-γ基因的甲基化可减轻哮喘动物的症状[7]。动物实验研究[8]表明，和对照组比较，围产期烟草暴露会导致C57BL/6小鼠IFN-γ基因启动子区甲基化水平持久性显著升高，抑制IFN-γ细胞因子表达；暴露于DEP后，小鼠IFN-γ基因多个CpG位点甲基化，导致CD4+T细胞(包括Th1、Th17及Treg细胞)数量增加[9]。Lee等[3]发现孕期多环芳烃(PAH)暴露与脐带血白细胞IFN-γ启动子甲基化增加有关。

1.2 空气污染物对Th2细胞相关基因甲基化的影响

Th2细胞释放IL4、IL10等多种细胞因子，介导气道炎症及气道高反应。Yue等[10]对BALB/c孕鼠进行OVA致敏，随后进行NO2暴露，子代小鼠Th2细胞极化、IL4启动子去甲基化，并表现出哮喘的气道炎症反应；孕期NO2的暴露导致子代出生后哮喘的发生率增加。Liu[11]等研究证实DEP和致敏原的暴露均可导致IL4启动子甲基化增加，血清IgE水平升高。细胞因子IL10会促进免疫耐受，并抑制B细胞产生IgE。Prunicki[12]等发现，哮喘发作与IL10内含子区甲基化水平呈显著正相关，短期及长期高水平CO、NO2、PM2.5的暴露均可导致其甲基化水平升高，抑制IL10基因表达，导致外周血IL10水平下降。

1.3 空气污染物对Treg细胞相关基因甲基化的影响

叉头样转录因子3(Foxp3)是Treg活化的重要转录因子，在对抗哮喘和气道高反应性的共同抗原耐受中发挥重要作用。一项研究[21]评估了短期及长期外界空气污染物暴露对哮喘的影响，结果发现CO、NO2、PM2.5的暴露与Foxp3甲基化呈正相关，与Treg细胞活性呈负相关；2年后，该团队对33名研究对象外周血研究发现，外界空气污染物暴露与Foxp3启动子甲基化仍然呈正相关。Runt相关转录因子3(Runx3)在人类扁桃体的Treg细胞表达丰富，Runx3基因沉默会减弱Treg细胞的免疫抑制作用，与哮喘发病密切相关[13]。哮喘患儿体内Runx3基因甲基化水平升高，孕期烟草暴露可导致子代Runx3甲基化水平增加[14]。

1.4 空气污染物对Th17细胞相关基因甲基化的影响

Th17细胞产生IL-22、IL-17、TNF-α等多种细胞因子参与哮喘发病。有研究[15]表明：哮喘儿童高水平DEP暴露者的血清IL-17水平比低水平暴露者高6倍，IL17与DEP相关的哮喘发作有关。Alejandro[16]等的动物实验也有类似发现。有研究[17]称，持久性有机污染物中多溴联苯的暴露导致脐带血TNF-α基因去甲基化。

2 空气污染物对DNA甲基化调控基因及其他基因甲基化的影响

2.1 空气污染物对DNA甲基化调控基因甲基化的影响

甲基胞嘧啶双加氧酶TET-1促进DNA去甲基化；TET1基因的表达水平与其启动子CpG位点甲基化水平呈负相关。Hari等[18]对早年以及现居住地暴露于TRAP的哮喘儿童的研究发现：TET1基因启动子区cg23602092低甲基化与哮喘急性发作间有显著的统计学关联(P=0.04)，同时发现，TRAP暴露与TET1的cg23602092位点低甲基化相关(P<0.001)。该研究表明TRAP暴露导致TET1表达增加，调控下游相关基因转录水平，从而促进哮喘的发生、发展。

2.2 空气污染物对其他哮喘相关基因甲基化的影响

呼出气一氧化氮(FENO)是哮喘气道炎症的生物指标；FENO主要受诱导型一氧化氮合酶(iNOS/NOS2)的调控。FENO升高是哮喘的主要特征之一。颗粒物的暴露会导致iNOS/NOS2基因甲基化降低，iNOS过度表达，继而促进FENO的合成[19,20]。

长链乙酰辅酶A家族成员3(ACSL3)基因位于2q36.1位点，是新近发现的哮喘易感基因。一项研究[21]显示，产妇PAH的暴露会造成胎儿脐带血中ACSL3基因甲基化水平下降，导致哮喘的高风险。

受体酪氨酸激酶Axl是固有免疫的关键信号分子。Axl基因启动子区CpG甲基化会导致免疫系统的过度刺激，介导儿童哮喘的发生。孕期烟草暴露导致子代Axl的基因甲基化增加了2.3%[22]；出生时Axl基因甲基化水平每升高1%，儿童期喘息的发病风险增加了72%，且女孩比男孩更明显[23]。

3 空气污染物对基因组DNA甲基化程度的影响

基因组甲基化程度与哮喘发生、发展密切相关[24]。长散在核重复序列-1(long interspersed nuclear element-1，LINE-1)和重复序列Alu甲基化水平体现了全基因组甲基化程度。正常情况下，LINE-1是高度甲基化的；Alu序列是基因组重新甲基化过程中的甲基化中心。研究[25]表明，LINE-1甲基化水平的降低与基因组的稳定性有关，也是气道慢性炎症疾病的一个重要特征。高浓度的PM2.5暴露可导致LINE-1甲基化水平下降和Alu甲基化下降[26]，孕期烟草暴露导致子代Alu甲基化显著降低(P=0.03)[27]。

4 总结与展望

综上所述，空气污染物通过调控炎症相关免疫细胞、细胞因子相关基因、DNA甲基化调控基因以及基因组甲基化水平，促进哮喘的发生及发展。明确空气污染物与哮喘相关的甲基化分子标志物将有助于阐明哮喘的发病机制，为采取措施减少颗粒物的暴露，以及哮喘的防治提供科学依据与新思路。