DNA甲基化与原发性高血压关系研究进展

郭梦阳 王守富 邢冬梅

(1.河南中医药大学,河南 郑州 450046;2.河南省中西医结合医院,河南 郑州 450003;3.河南中医药大学第一附属医院,河南 郑州 450000)

原发性高血压(essential hypertension,EH)是以动脉血压升高为特点的一种复杂的多因素疾病,2015年全球高血压患病人数为11.3亿,预估2025年成人患病人数将为15.6亿,EH约占高血压人群的95%,是世界性的公共健康问题之一[1]。2015年中国年龄≥18岁人群高血压患病人数为2.45亿,不仅患病率逐年升高(2018年为27.5%),且患病人群趋于年轻化,20～39岁青年患病率由1991年的4.5%上升到2015年的11.0%,EH已成为中国的重大慢性疾病之一[2-3]。 研究[1]表明,EH是遗传和环境因素相互作用的结果,表观遗传学作为环境和遗传因素之间的桥梁,在EH的病理过程中发挥重要作用。表观遗传学是在不改变自身DNA序列的情况下改变基因表达或细胞表型,是一种稳定的遗传变化,但在某些情况下,表观遗传变化是动态的,可对环境、年龄、饮食、药物等因素的刺激产生反应,通过DNA甲基化、组蛋白修饰、非编码RNA等调控基因表达,改变遗传表型,影响疾病的发生[4-5]。其中DNA甲基化是参与基因调控最明确的表观遗传机制,异常DNA甲基化在冠状动脉疾病、癌症等疾病中的作用已有深入研究[6-7],但这种机制与EH的关系还处于初步阶段。现对DNA甲基化在EH中的研究进展进行总结,进一步探索DNA甲基化在EH中的致病机制,为临床诊治提供线索。

1 DNA甲基化的定义

哺乳动物DNA甲基化是指在DNA甲基化酶的催化下,将供体S-腺苷甲硫氨酸的甲基基团结合到胞嘧啶鸟嘌呤二核苷酸(cytosine-phosphate-guanine,CpG)第5位碳原子位置上,形成5-甲基胞嘧啶的化学修饰过程[8]。DNA甲基化大多发生在含有CpG位点的基因启动子区域,通过甲基化位点结合参与基因抑制的蛋白质或直接抑制转录因子与DNA的结合调控基因表达[9]。有证据[10]表明,启动子CpG岛的高甲基化与抑制转录有关,而低甲基化促进基因转录。关于EH与DNA甲基化的研究,前期多集中在全基因组DNA甲基化水平与EH发病机制的关联分析,近年来多关注特定DNA序列的甲基化。

2 DNA甲基化与EH的关系

2.1 全基因组甲基化

与EH相关的全基因组关联分析(genome wide association study,GWAS)主要通过对多个体DNA样本的全基因组范围的遗传变异进行基因分型及表观遗传分析,寻找与EH发病相关的遗传变异。Smolarek等[11]发现,与对照组相比,高血压组DNA样本中5-甲基胞嘧啶含量明显降低,5-甲基胞嘧啶的含量反映了DNA的甲基化水平,说明全基因组DNA甲基化水平随着EH严重程度的增加而降低。在一项关于17 010例欧洲、非洲、西班牙血统个体的研究[12]中,发现了8个基因内区域和3个基因间区域的13个CpG位点的DNA甲基化与收缩压或舒张压显著相关。在该研究的后续,Huang等[13]进行的荟萃分析发现了39个与血压相关的CpG位点,复制验证了在先前分析中确定的几个CpG位点,其中13个CpG位点显示出与血压的新关联,且强调了遗传和环境因素对血压相关CpG位点甲基化的影响。目前GWAS研究发现了数百种与血压相关的遗传变异,但序列变异只是表型变异的一部分,还需考虑不同候选基因的差异甲基化,了解特定DNA甲基化在EH发病机制中的作用。

2.2 特定基因DNA甲基化

2.2.1 肾素-血管紧张素系统相关基因

肾素-血管紧张素系统(renin-angiotension system,RAS)是由肾素、血管紧张素原(angiotensinogen,AGT)、血管紧张素Ⅰ(angiotensinⅠ,AngⅠ)、血管紧张素转换酶(angiotensin converting enzyme,ACE)、血管紧张素Ⅱ(angiotensinⅡ,AngⅡ)、血管紧张素受体(angiotensin receptor,ATR)六部分组成的调节血压和水电解质平衡的重要机制[14]。由肝脏合成的AGT作为起始底物,被肾小球旁细胞分泌的肾素裂解为Ang Ⅰ,Ang Ⅰ在肺循环中被ACE及其他酶转化为具有生物活性的Ang Ⅱ,Ang Ⅱ与ATR结合后,收缩外周小动脉,使肾上腺皮质细胞分泌醛固酮增多,血容量增加,血压升高。

AGT是已知的肾素底物,是RAS的限速酶,AGT水平调节RAS的活性,其表达上调会水解生成更多的血管紧张素,使血压升高。AGT的DNA甲基化水平可调控AGT基因的表达。在人和大鼠的AGT甲基化研究中,高盐摄入或循环中过量的醛固酮会导致AGT启动子区的CCAAT/增强子结合蛋白位点发生去甲基化,从而将AGT基因从无活性状态转化到活性状态的表达[15-16]。

ACE在RAS中发挥核心作用,RAS参与了心血管疾病的发病机制。在Fan等[17]进行的EH组与健康血压组的对照研究中,发现EH组ACE2 CpG4和CpG5位点甲基化水平显著增高,ACE2通过降解AngⅡ生成血管扩张剂血管紧张素1-7,来舒张血管抵消RAS的作用,其CpG4和CpG5位点的高甲基化状态可能会降低ACE2的表达,促进EH的发生和发展。

AngⅡ是RAS的主要活性肽物质,而血管紧张素Ⅱ1型受体(angiotensin Ⅱ type 1 receptor,AT1R)是AngⅡ发挥生物学作用的主要介质,AT1R分为两个亚型：AT1aR和AT1bR。妊娠期间喂食低蛋白饮食小鼠的子代会出现盐敏感性高血压,这与下丘脑编码AT1aR基因的异常甲基化有关,启动子区低甲基化导致AT1aR表达增加和肾脏交感神经过度活跃引起血压升高[18]。类似的,大鼠在宫内暴露于母体低蛋白饮食会导致后代大鼠成年后发生高血压,这与AT1bR基因启动子区低甲基化密切相关[19]。

醛固酮由醛固酮合酶(CYP11B2)在肾上腺皮质中分泌,其生物合成受RAS和钾、钠离子等因素的影响,主要作用是保钠排钾,调节水液代谢影响血压。据报道,对大鼠进行钠限制或输注AngⅡ会降低CYP11B2的甲基化,显著增加大鼠肾上腺中CYP11B2 mRNA水平使血压升高,CpG岛甲基化与CYP11B2 mRNA表达水平呈负相关[20]。

2.2.2 水盐代谢相关基因

水盐代谢不仅包括水和钠的平衡代谢,还包括其他无机盐的代谢,水盐代谢紊乱会引起细胞离子转运障碍,对血压稳定产生重要的影响。水盐代谢相关基因如钠钾氯共转运蛋白1(Na+-K+-2Cl-cotransporter 1,NKCC1)、α-内收蛋白、11β-羟基类固醇脱氢酶2(11β-hydroxysteroid dehydrogenase 2,11β-HSD2)等已被列为EH的候选基因。

NKCC1是调节钠、钾和氯离子在各种细胞之间交换的转运蛋白,通常Na+-K+-ATP酶提供能量将Na+、K+转运至细胞外,NKCC1则以继发主动转运的方式将Na+、K+、Cl-转入细胞内,调节离子平衡,NKCC1还通过介导离子转运改变细胞渗透压,调节细胞体积[21]。NKCC1基因启动子区低甲基化导致NKCC1的表达上调。Cho等[22]研究发现,与正常对照组相比,EH大鼠和输注AngⅡ的大鼠NKCC1 mRNA表达上调,CpG岛的甲基化降低。

内收蛋白由α、β和γ三个亚基组成的异二聚体蛋白质,参与细胞膜骨架的组成和细胞膜离子的转运,特别是Na+转运,内收蛋白基因主要通过影响Na+-K+-ATP酶的活性,改变肾小管对钠的重吸收来调节血压[23]。Bayoumy等[24]采用焦磷酸测序技术测量了α-内收蛋白启动子区5个CpG岛的甲基化水平,发现CpG1甲基化水平降低与女性患EH风险增加有关,CpG2～5位点的低甲基化与男性患EH风险增加显著关联,CpG1、CpG2～5位点甲基化可作为EH的预测因子。

11β-HSD2是一种专一氧化酶,主要在盐皮质激素的靶器官(肾脏远曲小管、集合管,汗腺等)中表达,将有活性的皮质醇转化为无活性的可的松,当11β-HSD2活性下降或表达下调时,皮质醇向可的松的转化受损,肾脏中游离的皮质醇水平增高,过多的皮质醇与盐皮质激素受体结合产生了高盐皮质激素状态,引起钠潴留,血容量增加,使血压升高[25]。11β-HSD2基因启动子区甲基化已被证实在11β-HSD2表达中有重要作用。Friso等[26]研究发现EH患者的11β-HSD2基因启动子区甲基化与其表达呈负相关,甲基化升高抑制11β-HSD2基因转录,11β-HSD2表达下调则血压升高。

心房钠尿肽是一种由NPPA基因编码的利尿肽激素,参与机体的水盐代谢,具有舒张血管抵消RAS的作用,与高血压及心血管疾病密切相关。中国学者[27]研究发现,成人高血压患者NPPA启动子DNA甲基化水平比正常人群更低,NPPA基因的低甲基化被认为与心房钠尿肽转录上调有关,因此,考虑NPPA基因的启动子甲基化可能通过调节心房钠尿肽表达参与高血压的发病机制。

2.2.3 促炎细胞因子相关基因

通过诱导氧化应激反应和血管内皮功能障碍,慢性炎症在EH中的作用已得到证实[28]。Toll样受体(Toll-like receptor,TLR)是一种跨膜受体,主要在单核细胞、巨噬细胞和中性粒细胞中表达,通过识别病原体相关分子模式启动先天免疫反应,TLR2活化后可通过某些途径释放白细胞介素-6(interleukin-6,IL-6)、C反应蛋白(C-reactive protein ,CRP)、肿瘤坏死因子-α(tumor necrosis factor-α,TNF-α)等促炎细胞因子,参与EH、冠状动脉粥样硬化疾病的发病机制[29-30]。Mao等[31]进行的200例病例研究发现,与健康组相比,EH组TLR2基因启动子的8个CpG位点甲基化水平降低,尤其是CpG1、CpG6和CpG8位点,经Pearson相关性分析发现CpG6的甲基化水平与血压呈负相关,考虑TLR2基因启动子的低甲基化可能通过激活炎性反应参与EH的发生和发展。另一项研究[32]也表明,IL-6基因启动子区域的甲基化水平与血压负相关,甲基化水平降低,IL-6表达增加,通过促进全身的炎症反应及损害血管内皮功能,导致血压升高。Ferrari等[33]研究表明,持续有氧运动可增加TNF-α、内皮素-1(endothelin-1,ET-1)等基因启动子区域的甲基化水平,降低患者的收缩压和舒张压,说明DNA甲基化可能在将运动训练与血压降低联系起来的复杂机制中发挥作用。

2.2.4 血管内皮功能相关基因

血管的舒缩功能主要由血管内皮细胞分泌的一氧化氮(nitrogen oxide,NO)、ET-1、血栓素A2等活性因子调控,ET-1是内皮细胞合成的血管收缩蛋白,NO是内皮释放的血管舒张因子,二者相互作用维持血管的舒缩平衡。血管内皮功能障碍是EH的发病机制之一,而内皮相关基因的表达受DNA甲基化修饰的调控。

血管平滑肌细胞(vascular smooth muscle cell,VSMC)是血管中膜的主要成分,在内皮细胞分泌的血管活性因子以及神经、体液因素的作用下,通过血管舒缩,调节血压、血流、血管的张力等。在外界因素刺激下,VSMC表型会发生改变引起血管重构,线粒体融合蛋白2(mitofusin 2,Mfn2)是一种抑制VSMC增殖的蛋白,在EH患者中低表达。Jin等[34]发现EH患者Mfn2 DNA序列的第3个CpG高甲基化,Mfn2 mRNA表达水平明显降低,进一步的关联分析表明,Mfn2甲基化水平与收缩压和舒张压相关,可能是EH的独立危险因素。

ET-1是在内皮细胞中合成的血管收缩剂,可介导VSMC的增殖和迁移。ET-1主要通过与其受体内皮素A型受体(endothelin A receptor,ETAR)、内皮素B型受体(endothelin B receptor,ETBR)结合发挥作用。ET-1的表达增加与许多心血管疾病相关。据报道,妊娠大鼠在产前暴露于缺氧环境中,其后代大鼠内皮细胞中ETAR、ETBR表达上调,促进ET-1介导的血管收缩和VSMC增殖,使血压升高。甲基化分析显示,缺氧降低了ETBR启动子的甲基化水平,导致ETBR异常活化[35]。

内皮型一氧化氮合酶(endothelial nitric oxide synthase,eNOS)主要在内皮细胞中表达,是血管中产生NO的主要机制。在Rexhaj等[36]的研究中,辅助生殖技术妊娠的小鼠子代,会表现出血管功能障碍和血压水平升高,这与主动脉内eNOS基因启动子区域的高甲基化抑制了血管中eNOS表达,使NO合成减少有关。

3 基于DNA甲基化在EH中的治疗

DNA甲基化作为一种表观遗传修饰,获得的特征可遗传给后代,但与DNA的遗传不同,这种在环境、饮食等因素刺激下发生的表观遗传变化是可逆的。目前已知EH的危险因素如吸烟、高盐饮食、肥胖、年龄等可影响特定基因的甲基化修饰,调控基因表达参与EH发病机制,因此对其危险因素或靶基因进行干预,可能成为预防或治疗EH的新靶点。如持续有氧运动可增加TNF-α、ET-1等基因的甲基化水平,使患者的收缩压和舒张压降低[33];一种DNA去甲基化酶激活剂通过增强DNA去甲基化酶的活性,降低Klotho基因的DNA甲基化,使肾脏和血清中Klotho分泌上调,从而降低脉搏波速度和血压水平,可治疗与衰老相关的高血压小鼠[37];Wang等[38]的研究中,在高血压前期使用氯沙坦治疗可逆转高脂饮食喂养的EH大鼠脂肪组织中AT1R的高表达和启动子区的低甲基化。

4 小结

越来越多的证据支持表观遗传修饰在EH中的作用,DNA甲基化作为重要的修饰方式,通过调控基因表达参与EH的发生和发展。目前多数研究集中在DNA甲基化与特定候选基因的联系上(表1),而EH是复杂的多因素疾病,单一基因的改变并不能阐明EH的发病机制,仍有很多问题需要解决。如不能只考虑单个CpG位点,应注意多基因甲基化调控之间的交互作用,同时还应整合其他的表观遗传层(组蛋白修饰、非编码RNA等),了解表观遗传修饰是通过单一途径还是相互协作调控基因表达来影响血压;此外,多数研究仅是动物实验或细胞培养,人类是否存在类似的作用机制,还需大样本、多中心的临床研究验证;只有真正阐明表观遗传学在EH中的因果作用,才能更好地为EH患者提供个体化的风险评估和诊疗方案。

表1 特定基因DNA甲基化与EH的相关性研究结果