DNA甲基化、代謝調控與腫瘤及慢性疾病

劉 展，周志遠，彭 謹，陳 偉，江 華，3，5△

(1.電子科技大學醫學院，四川 成都 610054；2.四川省醫學科學院·四川省人民醫院創傷代謝組多學科實驗室，四川 成都 610072；3.四川大學華西基礎醫學與法醫學院組織胚胎學教研室，四川 成都 610041；4.西南醫科大學生物化學系，四川 瀘州 646000；5.中國醫學科學院北京協和醫院腸外與腸內營養科，北京 100730)

DNA甲基化、代謝調控與腫瘤及慢性疾病

劉 展1，2，周志遠2，4，彭 謹2，3，陳 偉2，5，江 華1，2，3，5△

(1.電子科技大學醫學院，四川 成都 610054；2.四川省醫學科學院·四川省人民醫院創傷代謝組多學科實驗室，四川 成都 610072；3.四川大學華西基礎醫學與法醫學院組織胚胎學教研室，四川 成都 610041；4.西南醫科大學生物化學系，四川 瀘州 646000；5.中國醫學科學院北京協和醫院腸外與腸內營養科，北京 100730)

甲基化是烷基化反應的重要類型之一，是指在底物上增加甲基或者利用甲基取代一個氫原子或基團的過程。生物系統中的甲基化是經酶催化的一種反應，參與了包括基因表達調控、蛋白質功能調節、RNA加工過程和重金屬修飾等重要環節。因此對甲基化過程的認識和研究，廣泛的應用于生命科學和疾病研究的諸領域，其中包括：癌癥、產前診斷、感染性疾病及臨床免疫、先天性疾病及獲得性疾病的發生發展。

甲基化；癌癥；慢性疾病

有機化學中甲基化是烷基化反應的重要類型之一，是指在底物上增加甲基或者利用甲基取代一個氫原子或基團的過程。生物系統中的甲基化是經酶催化的一種反應，參與了包括基因表達調控、蛋白質功能調節、RNA加工過程和重金屬修飾等重要環節。因此對甲基化過程的認識和研究，廣泛的應用于生命科學和疾病研究的諸領域，其中包括：癌癥、產前診斷、感染性疾病及臨床免疫、先天性疾病及獲得性疾病的發生發展[1～4]。

同樣已有很多研究顯示，生物系統中的甲基化水平和許多重大疾病的可能病理原因存在密切聯系。在生命的成長過程中，膳食習慣、環境因素或致病等因素都可改變正常的表觀遺傳機制，其大部分改變方式即通過甲基化[5]。尤其對于重大疾病，從發病機理上講都有研究顯示與甲基化密切相關。對這些疾病形成過程中的甲基化等表觀遺傳現象的認識不足，是導致在預防、診斷、和治療等方面還存在許多疑點和難點的原因之一。因此對于甲基化的進一步研究很可能推動許多重大疾病的預防、診斷和治療。本文針對目前較為復雜的疾病，如癌癥、糖尿病、阿茲海默病(Alzheimer disease，AD)以及高血壓等，探究其病理機制與甲基化本質關系進行綜述。

1 甲基化與癌癥

最早發現癌癥與甲基化有聯系是在1983年，當時發現癌細胞基因組相比正常細胞顯示出低甲基化。近幾年在關于癌癥遺傳學基礎的研究，發現了癌癥中DNA和染色質甲基化模式的明顯改變。正常的細胞中CpG島通常是處于非甲基化狀態。但是，在癌細胞中，腫瘤相關基因啟動子的這些區域發生了超甲基化，這個現象被認為是腫瘤發生過程中最為重要的表觀遺傳學改變。啟動子的甲基化在各個類型的腫瘤發生中都有被發現，并且和轉錄水平的基因異常沉默有關[6]。

2001年Esteller等對涵蓋了肺癌、乳腺癌、結腸癌等15種癌癥的600個腫瘤標本進行分析，發現12個重要的腫瘤相關基因的啟動子在癌組織中發生了甲基化模式的改變[7]。同時有研究發現過量的低甲基化和高甲基化都和一些人類癌癥有關。其中低甲基化可能導致基因組不穩定；而高甲基化可引起局部基因啟動子沉默，以及抑癌基因失活[8]。因為基因的甲基化模式是可遺傳的，所以子代中持續的啟動子沉默和抑癌基因的失活會極大的增加癌癥產生的風險。

CpG島是DNA甲基化和基因突變的高頻位點。有證據顯示，癌細胞中的異常高甲基化經常發生在CpG島，而在正常體細胞中大多是未甲基化的；事實證明，許多腫瘤都有一個獨特的CpG島甲基化表型，能夠增加異常甲基化發生的頻率，如此就能為腫瘤細胞提供生長優勢，提高基因的不穩定性，增加突變頻率，并使其容易發生轉移[9]。也有研究表明，關鍵甲基轉移酶的過表達催化H3-K4或者H3-K7殘基甲基化是腫瘤形成的高發過程[10]。近期美國一項臨床研究發現，組蛋白甲基化在前列腺癌患者標本中比例很高。這些都表明組蛋白甲基化和癌癥發生密切相關[11]。

DNA甲基化和組蛋白甲基化目前尚處于起步階段，許多甲基化的位點及具體功能尚未明確，隨著甲基化的深入研究，必將為癌癥的診斷和治療提供一種新的思路。

2 甲基化與2型糖尿病

越來越多的研究表明DNA甲基化模式的改變水平對2型糖尿病的發病有著重要影響，主要是因為2型糖尿病多為基因和各種環境因素共同參與并相互作用的結果，這些因素包括肥胖、缺乏鍛煉和飲食不均等。這些因素的變化也會使DNA甲基化模式發生改變，從而極大增加2型糖尿病的發病風險[12]。

隨著全基因組測序技術的深入研究，目前科學家已發現了60余個2型糖尿病的易感基因，也有研究者對胰島細胞內DNA甲基化模式進行全基因組研究，R?nn等在其2015年的研究中對比2型糖尿病患者和正常對照組總共1649個CpG位點，共853個基因，這些基因中已知的和2型糖尿病有關的基因位點包括TCF7L2、KCNQ1、THADA、 FTO、IRS1及PPARG等，發現2型糖尿病患者和對照組相比其中102個基因的DNA甲基化水平發生改變[13]，說明2型糖尿病的易感基因的表觀遺傳修飾的改變是致病的潛在機制之一。

目前的研究已發現2型糖尿病患者的糖尿病易感基因DNA甲基化等表觀遺傳變化水平會發生改變，而且已有研究人員試圖通過DNA甲基化標記物來鑒定2型糖尿病的發生風險和形成過程，這是DNA甲基化的研究對糖尿病的預防、診斷和治療的又一重要貢獻。但是正如Gillberg等2015年在一篇關于DNA甲基化對鑒定2型糖尿病的風險和形成的潛在應用一文中指出，目前關于2型糖尿病等復雜代謝類疾病的風險和形成的鑒定標記物研究較少，以甲基化為代表的表觀遺傳基因組的研究依舊充滿挑戰[12]。

3 甲基化與AD

AD的主要特征為深度的認知功能紊亂，同時伴有一系列的行為、心理和情緒的異常，且至今無有效治療手段。曾有研究顯示，即使是雙胞胎也有可能呈現完全不同的AD癥狀，這充分說明了AD復雜的病理學特征和致病因素[14]。這項研究很可能強調了AD病因學中非基因因素的重要性，從而促使近幾年轉向AD表觀遺傳變化的研究。

早發性和家族性的AD并不常見，晚發性、零星發生的AD更為普遍，這表明AD疾病很可能是基因和環境危險因素多重作用導致的，同時伴有控制基因表達的表觀遺傳機制的破壞，而且可以看出很可能和年齡有關[15]。有大量證據表明隨著年齡的增長，年老時人體血液中和腦中甲基化水平會發生變化，年齡相關的胞嘧啶去甲基化，對于Aβ(β淀粉樣蛋白)在老年人腦內沉積有很大影響，且DNA甲基化在Aβ生成、清除及毒性相關基因的調控中發揮著重要作用。不僅如此，有研究在AD患者發現了異常的乙酰化和甲基化模式，尤其是啟動子DNA甲基化的異常現象。還有研究顯示，AD患者尸檢發現，皮層APP基因完全去甲基化；但正常對照組或 Pick病無類似發現。在腦組織中 APP 啟動子區上游-500bp 中，發現在-236 至-101 區域至少有 13% 的甲基化位點。這些證據都表明AD和甲基化有很大的關系[16]。

由于表觀遺傳的可逆性及 Aβ在AD發生、發展中的關鍵作用，以Aβ為靶點的表觀遺傳學治療可能為 AD 的治療帶來曙光。而且AD 的病因尚不明確，從DNA甲基化角度探究AD，將為AD病因及發病機制的研究提供新思路。隨著人口老齡化的日益加重，對AD的研究將越來越緊迫，表觀遺傳學的研究必將對該病的發病機制的揭示及診治產生重要影響。

4 甲基化與原發性高血壓

2013年Ash GI等的研究調查顯示，每年全球有超過760萬人因原發性高血壓死亡[17]，然而目前其發病機制尚未明確，但有大量證據表明原發性高血壓是以遺傳和環境為主要因素的多因素相互作用所導致的一種復雜性疾病[18]，而無論是遺傳因素還是環境因素都會不同程度地影響表觀遺傳修飾，DNA甲基化作為為一種常見的表觀遺傳修飾，近年來，通過基因DNA甲基化研究高血壓疾病的發病機制受到越來越多人的關注。

有很多研究顯示神經內分泌系統、免疫系統相關基因的 DNA 甲基化改變，參與了原發性高血壓的發生發展[19，20]。已發現血管緊張素Ⅱ受體(angiotensinⅡ receptor，ATR)基因、11β-羥基類固醇脫氫酶-2(11β-hydroxysteroid dehydrogenase-2，11β-HSD-2)基因、內皮素轉換酶1(endothelin converting enzyme-1，ECE-1)等基因發生甲基化和去甲基化會影響代謝酶和受體的表達，從而通過腎素-血管緊張素-醛固酮系統激活以及腎性水鈉潴留等途徑引起高血壓的發生，這些基因通過甲基化調控參與了高血壓病的發生和發展。

2004年Bogdarina 等關于給予妊娠期間的大鼠低蛋白飲食導致其子代腎上腺AT1b受體基因啟動子發生顯著去甲基化的研究[21]，以及2007年Nuyt 等關于胚胎時期有害環境導致AT1b基因啟動子SP1位點去甲基化的研究[22]，均顯示AT1b 基因啟動子區低甲基化或去甲基化可能會導致高血壓的發生。除此之外，有許多研究發現許多不同基因的低甲基化均有可能導致高血壓，例如：NKCC1基因(K+-Na+-2Cl-共運轉體基因)啟動子低甲基化，ACE(血管緊張素轉換酶基因)基因的低甲基化，ADD1(高血壓病的一個候選基因)啟動子低甲基化等等[23]。

隨著表觀遺傳學的發展，將會有更多與原發性高血壓發病有關的甲基化調控機制得到闡明，對這些 DNA 甲基化調控機制的深入研究使我們對原發性高血壓的發病機制有了新的認識.目前國內外 DNA 甲基化研究主要局限于單一因素甲基化程度的探討，難以揭示高血壓這種多因素疾病發生發展的全面機制，所以在今后的研究中，應重視各危險因素間的共同作用與DNA甲基化水平關系的探討，在多基因水平上進行研究注重研究的整體性，以便深入了解 DNA 甲基化調控在原發性高血壓發病過程中的分子機制。

5 總結與展望

目前通過對DNA甲基化的研究，已經發現了如此多的疾病與其存在顯著的相關性，同樣在一些領域取得了良好的成果，但是由于基因組學和表觀遺傳學的復雜性，使得研究者極難窺探到這些疾病的病理機制的核心。就像1953年DNA雙螺旋結構的發現，仿佛開啟了可以克服一切疾病的分子生物學時代的大門，然而研究過程卻遠沒有想象中簡單。但是代謝組學的出現對生物醫學的研究做出了巨大貢獻[24]，同時也可能為DNA甲基化的研究提供一種新的思路。相較于基因組學、蛋白質學，代謝組學關注的是基因和蛋白質表達的最終作用產物，如果將中心法則比擬為一座金字塔，機體中的代謝物就相當于最底端。相對于代謝組學來說，DNA甲基化等表觀遺傳學的研究都處于基因或者蛋白質層面的頂端。如果能夠通過結合代謝組學和甲基化研究方法，將金字塔頂端和終端結合在一起，完整的看待一個疾病或生化反應從產生到成型的具體演變，無疑是DNA甲基化研究的新的方向。

[1] 鄒菁，陳智超，鄒萍.急性髓性白血病中hMLH1基因啟動子區甲基化與表達水平檢測及意義[J].實用醫院臨床雜志，2011，8(4)：11-13.

[2] 陳龍，韓盛璽.BRAF基因與結腸癌的關系及臨床意義[J].實用醫院臨床雜志，2009，6(3)：123-125.

[3] 李巖.胃癌腫瘤標志物及臨床意義[J].實用醫院臨床雜志，2011，8(1)：11-15.

[4] Nakagawa T，Kanai Y，Ushijima S，et al.DNA hypomethylation on pericentromeric satellite regions significantly correlates with loss of heterozygosity on chromosome 9 in urothelial carcinomas[J].Journal of Urology，2005，173(1)：243-246.

[5] Keith D.Robertson.DNA Methlation and Human Disease[J].Nature Reviews，2005，6：597-610.

[6] Ober M，Linne U，Gierlich J，et al.The two main DNA lesions8-oxo-7，8-dihydroguanine and 2，6-dia-mino-5-formamido-4-hydroxypyrimidine exhibit strongly different pairing properties[J].Angew Chem Int Ed，2003，4947-4951.

[7] Esteller M1，Corn PG，Baylin SB，et al.A gene hypermethylation profile of human cancer[J].Cancer Res，2001，61(8)：3225-3229.

[8] Christine A.Iacobuzio-Donahue.Epigenetic Changes in Cancer[J].Annu Rev Pathol Mech Dis，2009，4：229-249.

[9] Saleem M，Abbas K，Manan M，et al.Epigenetic therapy for cancer[J].Pak J Pharm Sci，2015，28(3)：1023-1032.

[10]Ulanovskaya OA，Zuhl AM，Cravatt BF.NNMT promotes epigenetic remodeling in cancer by creating a metabolic methylation sink[J].Nat Chem Biol，2013，9(5)：300-306.

[11]Tamaru H，Selker E.A histone H3 methyltransferase controls DNA methylation in Neurosporacrassa[J].Nature，2001，414(6861)：277-283.

[12]Gillberg L，Ling C.The potential use of DNA methylation biomarkers to identify risk and progression of type 2 diabetes[J].Front Endocrinol (Lausanne)，2015，30：6-43.

[13]R?nn T，Ling C.DNA methylation as a diagnostic and therapeutic target in the battle against Type 2 diabetes[J].Epigenomics，2015，7(3)：451-460.

[14]Bennett D A，Yu L，Yang J，et al.Epigenomics of Alzheimer’s disease.[J].Translational Research the Journal of Laboratory & Clinical Medicine，2015，165(1)：200-220.

[15]Millan MJ.The epigenetic dimension of Alzheimer’s disease：causal，consequence，or curiosity？[J].Dialogues ClinNeurosci，2014，16(3)：373-393.

[16]Cong L1，Jia J，Qin W，et al.Genome-wide analysis of DNA methylation in an APP/PS1 mouse model of Alzheimer’s disease[J].ActaNeurol Belg，2014，114(3)：195-206.

[17]鄧鈺雙，余剛.阿爾茲海默病中DNA甲基化對β-淀粉樣蛋白的影響[J].遺傳，2014，36(4)：295-300.

[18]Ash GI，Eicher JD，Pescatello LS.The promises and challenges of the use of genomics in the prescription of exercise for hypertension：the 2013 update[J].CurrHypertens Rev，2013，9(2)：130-147.

[19]Smolarek I，Wyszko E，Barciszewska AM，et al.Global DNA methylation changes in blood of patients with essential hypertension[J].Med SciMonit Basic Res，2010，16(3)：149-155.

[20]Fuchikami M，Morinobu S，Segawa M，et al.DNA methylation profiles of the brain-derived neurotrophic factor (BDNF) gene as a potent diagnostic biomarker in major depression[J].PLoS One，2011，6(8)：e23881.

[21]Webster AL，Yan MS，Marsden PA.Epigenetics and cardiovascular disease[J].Can J Cardiol 2013，29(1)：46-57.

[22]Bogdarina I，Murphy HC，Burns S P，et al.Investigation of the role of epigenetic modification of the rat glucokinase gene in fetal programming.Life Sci，2004，74(11)：1407-1415.

[23]Nuyt AM，Szyf M.Developmental programming through epigenetic changes[J].Circ Res，2007，100(4)：452-455.

[24]曾俊，江華，楊浩.臨床系統生物醫學研究[M].北京：科學出版社，2017.

DNA methylation，metabolism regulation and tumour，chronic disease

LIU Zhan，ZHOU Zhi-yuan，PENG Jin，CHEN Wei，JIANG Hua

四川省中醫藥管理局科研項目(編號：2010-93)

R-1

B

1672-6170(2017)05-0253-03

2017-02-19；

2017-07-11)

△通訊作者