DNA甲基化在肺部疾病中的作用研究进展

温冬梅 余思源 芮奎 顾延会 欧阳瑶

DNA甲基化(DNA Methylation)是现阶段新发现运用于诊断、预后和预测治疗的生物标志物，也是一种最具特征、最早发现及最重要的表观遗传修饰之一[1]。随着对DNA甲基化的持续深入研究，其已渐渐被视为现代医学研究的热点，并为各种疾病的发生及发展提供新的研究方向和治疗策略。近年来，研究证实在多种呼吸道疾病，如哮喘、肺癌、慢性阻塞性肺疾病以及特发性肺纤维化等的发展中，常常捕捉到DNA甲基化发生变化，并引起疾病更进一步加重。当前，对其机制的进一步解释可以为肺部疾病提供新的诊断方法及治疗策略。本文着重介绍DNA甲基化在肺部疾病中的潜在临床应用。

一、DNA甲基化概述

表观遗传学(Epigenetics)是指可遗传的基因表达或细胞表型，它是由DNA序列以外的机制引起，且不会导致DNA序列的改变，表观遗传学的示例主要涉及DNA甲基化、染色体重塑、基因沉默、组蛋白尾修饰和非编码RNAs，每一个都可能受到环境、饮食、生活方式、疾病和衰老的影响[2]。表观遗传学中DNA甲基化是最重要的，DNA甲基化是胞嘧啶的化学修饰，具体的说是指在胞嘧啶碱基的第五个碳位处将甲基(CH3)添加到CPG二核苷酸中的鸟苷中，并组成甲基化CpG[3]。CpG二核苷酸在人类基因组中的分布不均匀，并且通常局部聚集组成一些长度为300～3000 bp的高CG含量的DNA片段(即CpG岛)，大多数DNA甲基化发生于CpG岛中[4]。DNA甲基化涉及高甲基化和低甲基化两种状态，CpG岛的DNA高甲基化使相关基因沉默，而低甲基化促进转录的发生，进一步调节上游及下游靶基因的转录[5]。DNA甲基化调节许多生物学功能，其功能调节障碍与自身免疫性疾病、纤维化疾病、肿瘤及心血管疾病等的进展息息相关[6]。因此，在多种疾病发病过程中检测某些基因的甲基化程度，可以成为评估该疾病预后、复发、早期检测和风险估计的有效生物标志物，甚至可以成为有效的治疗靶点[7]。

二、DNA甲基化与慢性阻塞性肺疾病

慢性阻塞性肺疾病(慢阻肺)是常见的慢性肺部疾病之一，其高发病率和死亡率已成为中国乃至全世界重要公共卫生问题[8-9]。既往慢阻肺的发生主要归因于吸烟、细菌和病毒感染以及环境空气污染物等，然而，目前其他因素包括异常DNA甲基化已被证实可影响慢阻肺的发展。有学者发现异常的DNA甲基化主要通过以下三种信号通路参与慢阻肺的发病机制:磷酸酶张力蛋白信号通路(PTEN)、核转录因子E-2相关因子2(Nrf2)介导的氧化应激途径、IL-17因子炎症反应途径。其中Nrf2介导的氧化应激途径在慢阻肺的进展中不可或缺。Nrf2介导的细胞保护作用减弱可造成细胞受损，进一步加重慢阻肺的进程[10]。当前大量研究已表明慢阻肺病人的外周血、痰液、肺组织中存在DNA甲基化异常。Sundar等[11]报道吸烟者和慢阻肺病人肺组织中NOS1AP和BID基因的表达与DNA甲基化状态的改变有很大关联，从而扰乱细胞的衰老、自我吞噬和凋亡。Qiu等[12]发现外周血中FUT7的甲基化状态相对降低会影响外周组织中sialyl lewis X的表达，增加和E选择素的相互作用，促进中性粒细胞向肺组织迁移，最终加重慢阻肺病人肺组织的炎症反应。Bruse等[13]研究证实在吸烟者痰标本中SULF2 启动子区的高甲基化，且与持续性的粘液高分泌相关。上述研究结果提示DNA甲基化在慢阻肺发病中占据不可忽视的作用，基因启动子甲基化可能是慢阻肺早期的生物标志物。因此急需阐述其在慢阻肺发病机理中的关键作用，更好的为慢阻肺的诊疗提供科学依据。

三、DNA甲基化与支气管哮喘

支气管哮喘(bronchial asthma，简称哮喘)是一种繁杂的疾病，导致喘息、气短、胸闷、夜间或清晨咳嗽，它已成为当前难以解决的重要公共卫生问题[14-15]。迄今认为哮喘主要是由环境因素和多基因遗传交互作用引起的慢性呼吸系统疾病。哮喘的发病原因与持续暴露于环境中某些危险因素引起的关键基因甲基化变化密切相关，如生物污染物和空气污染物等。Tanday等[16]研究发现，早期接触环境因素可使DNA甲基化水平发生变化，从而使机体的免疫调节发生失调，使过敏性气道疾病的遗传风险加剧，最终导致过敏性疾病，如哮喘的发展。Nadeau等[17]研究证明在哮喘发病机制中调节性T(Treg)细胞是重要的免疫应答抑制因子，Treg-细胞损伤与叉头盒转录因子3(Foxp 3)DNA甲基化增加有关，后者是Treg-细胞活性的关键转录因子，由于环境空气污染暴露可引起表观遗传变化，且树突细胞功能会受到环境空气污染的影响，从而扩增炎症反应导致哮喘进一步加重。Zhu等[18]报道DNA甲基化水平可调控哮喘患者STAT6基因的转录和表达，促进原始T细胞向Th2细胞的分化，增加Th2相关细胞因子的产生。此外，另有研究报道过敏原刺激时IL-4基因的启动子区域去甲基化增强，有助于幼稚T淋巴细胞向Th2细胞分化[19-20]。有文献报道DNA甲基化在哮喘发生发展中占有重要位置[21]。但目前对有助于哮喘表达的基因组和表观遗传因素，以及这一疾病过程的严重程度知之甚少。进一步了解这些表型的发病机制将有助于更好地评估、分类和治疗哮喘患者。

四、DNA甲基化与肺癌

肺癌(lung cancer)是指肺部生长恶性肿瘤，肺癌的病因较复杂，常见与生活习惯、环境污染、自身性格、吸烟、遗传因素等密切相关，肺癌是癌症中排名第一的恶性肿瘤，是全世界与癌症有关的死亡的主要原因[22]。在中国新发布的统计数据中，2015年新发肺癌病例数约为730，000例，其中死亡人数约占610，000例[23]。肺癌的发生发展涉及多种因素，其中环境和遗传因素占有主要地位，受异常的DNA甲基化、非编码RNAS、组蛋白乙酰化调控。其中异常的 DNA甲基化占优势，在肺癌的发病过程中整个基因组 DNA的低甲基化，及DNA启动子区CpG岛高甲基化，起着很重要作用[24]。DNA甲基化和肺癌有两种状态：①DNA低甲基化与肺癌：DNA的低甲基化是导致原癌基因的激活和肺癌致病的主要机制之一。Fujii等[25]发现ARL4C基因3′UTR低甲基化导致其过表达，参与肺鳞癌的发生。Yokoyama等[26]表明，TET1介导的DNA低甲基化可调节肺腺癌中MUC4基因的表达。MUC4的高表达会导致较差的肺癌预后。Gao X等[27]证明了吸烟对8个肺癌相关基因的 DNA甲基化(KLF6，STK32 A，TERT，MSH5，ACTA2，GATA3，VTI1 A和 CHRNA5)产生了影响，其中11个位点的 DNA低甲基化是与吸烟相关。上述结果表明DNA低甲基化在肺癌中普遍存在，癌基因的低甲基化与基因组不稳定性以及癌基因亚型异常过度表达有关。最终将导致肺癌进展。②DNA高甲基化与肺癌：现阶段已证实各种肿瘤抑制基因的高甲基化状态与肺癌的进展有关。Yuan等[28]研究发现GPC5在肺癌组织和肺癌细胞系中呈现高度甲基化，并且可抑制肺癌细胞的增殖、迁移及侵袭，表明肺癌预后不良与GPC5的低表达有关。Yang等[29]研究了DAPK启动子在非小细胞肺癌和健康受试者的癌组织和癌旁组织中的甲基化状态，结果显示，非小细胞肺癌组织中 DAPK启动子甲基化的频率显著高于健康受试者。其他研究人员发现p53、APC、MGMT等肿瘤抑制基因，已被证实在肺癌中呈现高度甲基化[30]。在肺癌的早期阶段已存在肿瘤抑制基因的高甲基化状态，并且可以抑制肿瘤抑制基因的主要基因的转录，引起表达减少或沉默，导致相应的功能减弱或失去，从而促进肺癌的进展。DNA甲基化被视为是肿瘤重要的诊断标志物或治疗靶点[31],可预测疾病过程的侵袭程度及预后。因此，了解肺癌发病机制中存在的表观遗传改变可能有助于提供治疗靶点及开发有效的治疗方法。

五、DNA甲基化与IPF

特发性肺纤维化(Idiopathic pulmonary fibrosis，IPF)是一种以间质纤维化为特点的慢性呼吸道疾病，其发病与年龄、性别及吸烟史密不可分，在60岁以上人群中特发性肺纤维化患病率较高，大多数患者有吸烟史，男性患病率高于女性[32]。研究证明，特发性肺纤维化有许多危险因素，包括慢性吸入、病毒感染、吸烟和家族遗传等[33]，IPF病理过程涉及EMT形成、肌成纤维细胞的形成和增殖，导致ECM沉积和肺组织结构重塑等[34]。吸烟是IPF的危险因素之一，吸烟可能导致Wnt7a 启动子甲基化改变并影响小气道上皮细胞全基因组DNA 甲基化水平[35]。研究表明，IPF发病过程中的基因和 miRNAs表达受 DNA甲基化调控，如趋化因子 IP-10、前凋亡基因 P14、环氧化酶2(COX-2)、胸腺细胞抗原-1(Thy-1)表达的糖蛋白 Thy-1(CD90)和 miR-NA17。维持正常肺成纤维细胞中细胞与基质平衡的重要因子是Thy-1(CD90)，而在IPF的成纤维细胞中不存在Thy-1表达。有相关研究报道在 IPF发病过程中Thy-1启动子发生甲基化，沉默Thy-1基因增强肺成纤维细胞抗凋亡能力，导致 ECM沉积及肺部瘢痕形成，而 DNMTs抑制剂可使这一过程发生逆转[36]。上述研究结果提示，DNA甲基化在IPF中普遍存在且扮演了重要角色。然而，仍需深入阐明DNA甲基化在IPF中的作用，为IPF的诊断及治疗提供线索。

六、展望

迄今为止，在表观遗传事件中研究得最好的是DNA甲基化，DNA甲基化在化学上是稳定的，易于扩增，易于检测，是不可或缺的生物标记物。大量的研究表明肺部疾病的进展与 DNA甲基化模式的变化和 DNA甲基化异常密切相关，值得注意的是，DNA超甲基化与去甲基化之间的平衡需要维持，如何高效、恰当地通过调节两者平衡调控基因表达值得高度重视。现阶段 DNA甲基化的临床应用正处于探究阶段，仍待更进一步深入研究，因此，在肺部疾病的发病机制中详细研究 DNA甲基化的作用，它可能会导致更有效和有针对性的治疗策略。总之，尽管DNA甲基化在肺部疾病中的作用已取得了令人鼓舞的成果，但这一领域仍面临重大挑战，尚需进一步探索。