空氣污染物對哮喘相關基因DNA甲基化調控的研究進展

楊寶霞，黎 萍，鄭百紅

(吉林大學第二醫院 兒科，吉林 長春130041)

新近大量研究證實，空氣污染物與兒童哮喘發生、發展關系密切。空氣污染物包括顆粒物(PM)，O3、SO2、NOx、CO、苯等。其中，顆粒物指生物顆粒(花粉、真菌孢子、細菌等)、土壤顆粒和煙霧顆粒等混合物；主要分為可吸入顆粒物(PM10，空氣動力學直徑<10 μm)以及細顆粒物(PM2.5，空氣動力學直徑<2.5 μm)，顆粒物可通過呼吸系統進入血液[1]。空氣污染物可來自于交通相關空氣污染(TRAP)、柴油機尾氣顆粒(DEP)、家庭供暖等。研究證實，顆粒物會影響兒童肺功能，誘導兒童哮喘的發生、發展[2]。Lee等[3]發現孕期顆粒物的暴露和早期兒童哮喘相關，且孕中期為暴露的敏感時間窗，孕期顆粒物的暴露對男胎的影響更明顯。

近年研究發現，空氣污染物可在染色體、基因等不同水平影響遺傳物質，包括染色體結構改變、DNA損傷、基因突變以及表觀遺傳的改變等。DNA甲基化是表觀遺傳最常見的修飾形式之一，DNA甲基化[4]是在DNA甲基轉移酶(DNMT)的作用下，使CpG二核苷酸胞嘧啶5號碳原子上添加一個甲基集團，形成5-甲基胞嘧啶；甲基化區域多在啟動子、加強子等基因調控序列區域。輔助性T淋巴細胞兩種亞型Thl細胞和Th2細胞的失衡、Treg細胞、Th17活性等是哮喘發生、發展的重要機制。越來越多的證據表明，空氣污染物可通過調控哮喘相關細胞及細胞因子的分泌相關基因及基因組的甲基化，影響哮喘的發生、發展[5]，本文綜述了相關研究進展。

1 空氣污染物對免疫細胞相關基因DNA甲基化程度的影響

1.1 空氣污染物對Th1細胞相關基因甲基化的影響

干擾素(IFN)基因家族是Th1相關的基因，其表達產物可抑制氣道過敏性免疫反應。其中IFN-γ促進Th1細胞分化，抑制Th2細胞分化，減少IL-4、IgE的分泌，可降低氣道高反應性。研究表明，空氣污染物暴露增加效應T細胞IFN-γ基因甲基化水平[6]，抑制IFN-γ分泌，從而促進哮喘發生；而藥物抑制IFN-γ基因的甲基化可減輕哮喘動物的癥狀[7]。動物實驗研究[8]表明，和對照組比較，圍產期煙草暴露會導致C57BL/6小鼠IFN-γ基因啟動子區甲基化水平持久性顯著升高，抑制IFN-γ細胞因子表達；暴露于DEP后，小鼠IFN-γ基因多個CpG位點甲基化，導致CD4+T細胞(包括Th1、Th17及Treg細胞)數量增加[9]。Lee等[3]發現孕期多環芳烴(PAH)暴露與臍帶血白細胞IFN-γ啟動子甲基化增加有關。

1.2 空氣污染物對Th2細胞相關基因甲基化的影響

Th2細胞釋放IL4、IL10等多種細胞因子，介導氣道炎癥及氣道高反應。Yue等[10]對BALB/c孕鼠進行OVA致敏，隨后進行NO2暴露，子代小鼠Th2細胞極化、IL4啟動子去甲基化，并表現出哮喘的氣道炎癥反應；孕期NO2的暴露導致子代出生后哮喘的發生率增加。Liu[11]等研究證實DEP和致敏原的暴露均可導致IL4啟動子甲基化增加，血清IgE水平升高。細胞因子IL10會促進免疫耐受，并抑制B細胞產生IgE。Prunicki[12]等發現，哮喘發作與IL10內含子區甲基化水平呈顯著正相關，短期及長期高水平CO、NO2、PM2.5的暴露均可導致其甲基化水平升高，抑制IL10基因表達，導致外周血IL10水平下降。

1.3 空氣污染物對Treg細胞相關基因甲基化的影響

叉頭樣轉錄因子3(Foxp3)是Treg活化的重要轉錄因子，在對抗哮喘和氣道高反應性的共同抗原耐受中發揮重要作用。一項研究[21]評估了短期及長期外界空氣污染物暴露對哮喘的影響，結果發現CO、NO2、PM2.5的暴露與Foxp3甲基化呈正相關，與Treg細胞活性呈負相關；2年后，該團隊對33名研究對象外周血研究發現，外界空氣污染物暴露與Foxp3啟動子甲基化仍然呈正相關。Runt相關轉錄因子3(Runx3)在人類扁桃體的Treg細胞表達豐富，Runx3基因沉默會減弱Treg細胞的免疫抑制作用，與哮喘發病密切相關[13]。哮喘患兒體內Runx3基因甲基化水平升高，孕期煙草暴露可導致子代Runx3甲基化水平增加[14]。

1.4 空氣污染物對Th17細胞相關基因甲基化的影響

Th17細胞產生IL-22、IL-17、TNF-α等多種細胞因子參與哮喘發病。有研究[15]表明：哮喘兒童高水平DEP暴露者的血清IL-17水平比低水平暴露者高6倍，IL17與DEP相關的哮喘發作有關。Alejandro[16]等的動物實驗也有類似發現。有研究[17]稱，持久性有機污染物中多溴聯苯的暴露導致臍帶血TNF-α基因去甲基化。

2 空氣污染物對DNA甲基化調控基因及其他基因甲基化的影響

2.1 空氣污染物對DNA甲基化調控基因甲基化的影響

甲基胞嘧啶雙加氧酶TET-1促進DNA去甲基化；TET1基因的表達水平與其啟動子CpG位點甲基化水平呈負相關。Hari等[18]對早年以及現居住地暴露于TRAP的哮喘兒童的研究發現：TET1基因啟動子區cg23602092低甲基化與哮喘急性發作間有顯著的統計學關聯(P=0.04)，同時發現，TRAP暴露與TET1的cg23602092位點低甲基化相關(P<0.001)。該研究表明TRAP暴露導致TET1表達增加，調控下游相關基因轉錄水平，從而促進哮喘的發生、發展。

2.2 空氣污染物對其他哮喘相關基因甲基化的影響

呼出氣一氧化氮(FENO)是哮喘氣道炎癥的生物指標；FENO主要受誘導型一氧化氮合酶(iNOS/NOS2)的調控。FENO升高是哮喘的主要特征之一。顆粒物的暴露會導致iNOS/NOS2基因甲基化降低，iNOS過度表達，繼而促進FENO的合成[19,20]。

長鏈乙酰輔酶A家族成員3(ACSL3)基因位于2q36.1位點，是新近發現的哮喘易感基因。一項研究[21]顯示，產婦PAH的暴露會造成胎兒臍帶血中ACSL3基因甲基化水平下降，導致哮喘的高風險。

受體酪氨酸激酶Axl是固有免疫的關鍵信號分子。Axl基因啟動子區CpG甲基化會導致免疫系統的過度刺激，介導兒童哮喘的發生。孕期煙草暴露導致子代Axl的基因甲基化增加了2.3%[22]；出生時Axl基因甲基化水平每升高1%，兒童期喘息的發病風險增加了72%，且女孩比男孩更明顯[23]。

3 空氣污染物對基因組DNA甲基化程度的影響

基因組甲基化程度與哮喘發生、發展密切相關[24]。長散在核重復序列-1(long interspersed nuclear element-1，LINE-1)和重復序列Alu甲基化水平體現了全基因組甲基化程度。正常情況下，LINE-1是高度甲基化的；Alu序列是基因組重新甲基化過程中的甲基化中心。研究[25]表明，LINE-1甲基化水平的降低與基因組的穩定性有關，也是氣道慢性炎癥疾病的一個重要特征。高濃度的PM2.5暴露可導致LINE-1甲基化水平下降和Alu甲基化下降[26]，孕期煙草暴露導致子代Alu甲基化顯著降低(P=0.03)[27]。

4 總結與展望

綜上所述，空氣污染物通過調控炎癥相關免疫細胞、細胞因子相關基因、DNA甲基化調控基因以及基因組甲基化水平，促進哮喘的發生及發展。明確空氣污染物與哮喘相關的甲基化分子標志物將有助于闡明哮喘的發病機制，為采取措施減少顆粒物的暴露，以及哮喘的防治提供科學依據與新思路。