衰老與DNA甲基化

衰老體現在生理完整性的逐步丟失,導致功能衰退,并提高死亡的風險性。衰老是癌癥、糖尿病、心血管疾病和神經退行性疾病等的主要危險因素。表觀遺傳是指不改變DNA的序列但基因表達卻發生可遺傳的變化,在人類生長發育和細胞分化過程中發揮著重要的作用。DNA甲基化作為其重要組成部分之一,與衰老及其相關疾病有著密切的關系。本文就DNA的甲基化與衰老的研究進展做一綜述。

1 CpG島與DNA甲基化模式

S-腺苷甲硫氨酸(SAM)為供體,將甲基轉移到胞嘧啶的C-5位上，形成5-甲基胞嘧啶(5mc),這一過程是在DNA甲基轉移酶(DNMTs)的催化下進行的。目前已在哺乳動物體內發現多種DNA甲基轉移酶家族成員,其中起最主要作用的包括DNMT1、DNMT3A和DNMT3B。對于未發生甲基化修飾的DNA片段,DNMT3A和DNMT3B具有從頭合成DNA甲基化的能力。DNMT3B基因突變可以引起ICF綜合征,即以免疫缺陷、著絲粒不穩定和面部異常為特征的常染色體隱性遺傳病。利用RT-PCR技術,Auclair等[1]發現在早期外胚層細胞DNMT3A和DNMT3B的mRNA水平與全基因組的甲基化程度相一致,且DNMT3B表達量要相對高于DNMT3A。同時發現相對于DNMT3A的失活,DNMT3B的缺失會導致更大幅度的低甲基化水平,提示DNMT3B在胚胎發育DNA甲基化過程中發揮更重要的作用。DNMT1則主要在維持DNA甲基化過程中起重要作用,即將DNA甲基化模式從親代DNA鏈復制到子代。

哺乳動物DNA中約有70%～80%的CpG是甲基化的,并且主要集中于CpG稀少區域和重復序列中,主要包括:長散在重復序列(LINEs)、短散在重復序列(SINEs)、長末端重復轉座子(LTR)和鄰近著絲粒區域的衛星DNA重復序列。CpG島是一段富含CpG二核苷酸主要集中啟動子和外顯子區域的序列。與基因組整體CpG甲基化不同,CpG島往往是非甲基化的。因為未甲基化的胞嘧啶容易脫氨基轉變為尿嘧啶,機體尿嘧啶DNA糖苷酶可以修復這個突變并恢復成胞嘧啶。但甲基化的胞嘧啶脫氨基后形成胸腺嘧啶,因為哺乳動物體內原本就存在胸腺嘧啶不能及時修復,會導致大量胞嘧啶向胸腺嘧啶的轉變,這也被認為是包括人在內的哺乳動物體內CpG二核苷酸序列水平較低的原因。而CpG島正因為其低甲基化水平,故可以保持進化過程中的穩定性。雖然哺乳動物的甲基化主要存在于CpG二核苷酸序列中,但近年來，越來越多的研究表明,非CpG位點的甲基化也參與基因表達調控,包括CpA、CpT及CpC[2]。

2 衰老過程中DNA甲基化水平變化

分化細胞的穩定性是高等生物的重要特征之一,然而在生命的不同階段,生物體DNA甲基化發生著劇烈的變化。

2.1 全基因組5-甲基胞嘧啶發生增齡性含量減低 一項旨在研究老化、環境和個體內在變化對表觀遺傳影響的研究發現,無論是在組織還是全血中,受試者非CpG島的DNA甲基化水平隨著年齡增長顯著降低[3]。Heyn 等[4]利用全基因組重亞硫酸鹽測序(WGBS),比較了新生兒的臍帶血與百歲老人外周血的CpGs甲基化水平,發現基因組整體甲基化水平有隨年齡增長而降低的趨勢,這一變化存在于包括啟動子、外顯子、內含子和基因間區在內的全部基因組分中。

2.2 某些特異性基因中5-甲基胞嘧啶發生增齡性含量增加 除了廣泛的全基因組的低甲基化變化外,部分衰老還表現為DNA甲基化的增強。Johnson等[5]利用兩個基因表達數據庫(GSE32393和GSE31979),在正常乳腺組織中共發現了204個與衰老具有顯著相關性的CpG位點,其中發現位于基因IGFBP3和CSNKIG2的CpG位點甲基化水平隨年齡增長而顯著上升。同時與正常乳腺組織相比,乳腺腫瘤中這204個CpG位點也同樣觀測到甲基化水平上升。其中,IGFBP3蛋白可以通過與IGF-1結合阻斷其抗凋亡作用,因衰老過程中其編碼基因超甲基化而導致的蛋白水平的下調,可以增加乳腺癌的風險。

隨著對甲基化研究的不斷深入, 各種各樣甲基化檢測方法被廣泛應用,其中包括WGBS[6]、甲基化DNA免疫共沉淀測序[7]和基因芯片技術[8]等。利用這些檢測技術發現了衰老過程中某些基因的啟動子序列發生的不同程度的DNA超甲基化, 這些基因包括腫瘤抑制基因(p16、APC、RUNX3[9])、參與新陳代謝的基因(HIF3A、FTO[10-11])、凋亡相關的基因(RASSF1[12])等。

3 DNA甲基化作為衰老的生物標志物

隨著對DNA甲基化與衰老之間關系的不斷深入研究,如何將DNA甲基化應用到預測人類壽命中引起了研究者們的廣泛關注。分子生物學、基因組學和表觀遺傳學等學科的發展為研究衰老有關的生物標志物提供了可能。

利用彈性網絡回歸算法,Horvath[13]分析了不同組織的CpG位點甲基化水平,發現了353個衰老相關的CpG作為表觀遺傳時鐘,可以較為精準地預測年齡。運用相同的算法,Hannum等[14]對來自于656個年齡波動范圍較寬(19～101歲)的血液樣本進行了分析,發現了71個CpG標志物。另一項基于血液的研究也發現了99個可以準確預測年齡的甲基化位點,利用這些位點預測的生物學年齡與實際年齡的平均絕對偏差(MAD)僅為4.12年[15]。在校正了性別和年齡因素后,年齡偏差超過5年會使發生死亡的風險增加21%[16]。目前表觀遺傳在衰老和死亡中的準確作用尚不清楚,需要進一步研究解答這些問題。

以上研究證實了甲基化DNA可以加速衰老,影響預期壽命。通過兩組人群的推導和驗證研究,Zhang等[17]證實了以上研究結果,并發現特定的CpG位點與預期壽命顯著相關,但是這些位點在老化過程中呈低甲基化狀態。更多的特異性甲基化位點分析方法,比如焦磷酸測序、核算質譜分析系統等可能會使研究結果更精準[18]。

4 DNA甲基化與衰老相關性疾病

雖然DNA甲基化模式隨年齡增長發生著廣泛的演變,但只有一部分基因與衰老相關性疾病有關。目前研究最多的就是癌癥,低甲基化狀態DNA會降低基因組的穩定性和增加染色體畸變率。但是特定基因的超甲基化可能增加癌癥的易感性,比如細胞質膜微囊蛋白-1基因(CAV-1)[19]、胰島素生長因子-1(IGF-1)[20]等。DNA甲基化參與氧化應激、線粒體功能障礙、炎癥反應及凋亡蛋白等多個生物過程的調控。這些調控發生在部分腦區的神經網絡中,往往會表現為認知功能行為學的損害。

4.1 DNA甲基化與阿爾茨海默病 阿爾茨海默病(Alzheimer’s disease,AD)是最常見的神經退行性疾病,其病理特征表現為老年斑和神經元纖維纏繞。Di Francesco 等[21]發現,AD病人外周血單核細胞甲基化水平與認知功能呈負相關;AD病人DNA超甲基化與較高的DNA甲基轉移酶1(DNMT1)基因表達和蛋白質水平相平行,且甲基化水平與APOEε4等位基因的存在有關。然而,DNA甲基化水平與AD病理變化的關系是復雜的。比如,AD病人的內嗅皮層[22]、顳葉皮層[23]和海馬體[24]基因組DNA甲基化水平降低,這些腦區在學習、記憶和情感等方面有重要作用,從而導致認知功能障礙。但另有研究在AD病人相同腦區卻觀察到相反的DNA甲基化結果[25-26],這可能與樣本量的不足以及不同的組織處理方法和檢測流程有關。

同時,眾多研究證實β-淀粉樣蛋白(Aβ)代謝及tau相關基因受到DNA甲基化的調控[27-29]。利用重亞硫酸鹽測序(BSP)和甲基特異性PCR(MSP)等相關技術, Hou等[30]發現,與對照組相比,AD病人外周血淀粉樣前體蛋白(APP)基因呈明顯去甲基化水平,而沉默信息調節因子2同源蛋白1(SIRT1)呈超甲基化,結合既往研究，推測APP mRNA的高水平表達和SIRT1 mRNA的低水平表達共同促進了AD的病理發生。Yu等[31]通過對招募到的740個受試者的背外側前額葉皮層進行研究,發現AD病人SORL1、ABCA7、HLA-DRB5、SLC24A4和BIN1 的甲基化水平發生了顯著的變化,Aβ可以降低全基因組DNA甲基化水平,但增加腦啡肽酶甲基化水平,從而影響基因轉錄活性。其中發現SORL1、ABCA7的高表達與神經原纖維纏結顯著相關,一種可能的解釋是這些基因過度表達,以回應AD病理學引起的神經炎癥和退化。

4.2 DNA甲基化與帕金森病(PD) PD被認為是基因變異和環境基因相互作用產生的衰老相關性疾病,關于PD的表觀遺傳學研究遠沒有AD廣泛。α-突觸核蛋白(SNCA)基因是帕金森發病過程的一個重要基因。研究發現，原發性PD病人黑質、皮質和殼核中SNCA基因甲基化水平降低[32],導致SNCA基因高轉錄和蛋白質水平上升,從而促進PD的發生。此外,Ai等[33]發現，AD病人外周血單核細胞SNCA內含子1甲基化水平降低。并且很多研究證實,在PD病人的大腦和血液樣本中,基因組的DNA甲基化變化趨于一致[34],表明在尋找生物標志物的過程中,來自外周血的DNA甲基化模式有望成為腦組織的替代物。但也有結果相反的報道,在41例健康人群的調查中發現,隨年齡的增長腦內SNCA內含子1甲基化水平輕微上升,并且相對于神經細胞,非神經細胞甲基化水平更低，SNCA的表達量也更低[35]。因此猜想除了DNA甲基化變異,可能還存在未知的機制參與SNCA的轉錄調控以及PD調節失衡。

DNA甲基化作為表觀遺傳中研究最透徹的機制之一,研究其與衰老發生過程的聯系具有重要的臨床意義。DNA甲基化不僅與多種衰老相關性疾病有密切聯系,而且可以作為一種生物標志物提供生物年齡信息,并預測生物預期壽命和死亡風險。