外界不良環境誘發機體表觀遺傳毒性的研究進展

龔 慧，陳暉娟，劉 欣，郭宇冰，王曉娜，高春芳，劉忠于

環境中有毒有害物質的暴露可導致全身多系統的損害，甚至引發癌癥。不利的環境暴露不僅會引起 DNA堿基序列的改變，還會引發表觀遺傳學的改變，從而導致有害效應的產生，而且這些改變是生命后期疾病發展的基礎。

1 表觀遺傳學主要機制

1.1DNA甲基化DNA甲基化主要是向胞嘧啶的第五位C原子添加甲基以產生5-甲基胞嘧啶（5mC），是一種酶促的化學修飾過程，DNA甲基化模式的建立是甲基化、去甲基化動態變化的過程，這些過程主要受到DNA甲基化轉移酶 （DNMT）和去甲基化轉移酶的調控。甲基化是最常見的一種DNA結構修飾，也是表觀遺傳的一種重要機制［1］。

1.2非編碼RNA非編碼RNA（ncRNA）按照其長度可分為長鏈非編碼 RNA（lncRNA）（＞200 nt）和短鏈非編碼 RNA（sncRNA）（＜200 nt），其中短鏈非編碼 RNA 主要包括 miRNA（單鏈，19～25 nt）和 siRNA（雙鏈，20～25 nt）。非編碼 DNA 被轉錄成 ncRNA，其在調節基因表達中起主要作用。雖然lncRNA以多種方式做到這一點，包括染色體重塑，轉錄或轉錄后調控，但非編碼RNA主要在轉錄后水平介導基因表達。一般而言，miRNA通過以序列特異性方式結合mRNA來抑制基因表達，并誘導其降解或抑制其翻譯，即 miRNA 主要參與微調基因表達［1，2］。

1.3組蛋白修飾組蛋白是高度保守的、帶正電荷的蛋白質家族，其周圍被帶負電荷的DNA纏繞形成核小體，核小體是染色質的主要結構單元。組蛋白修飾的機制主要包括乙酰化、甲基化和磷酸化［1］。

2 常見不良環境誘發的表觀遺傳毒性

2.1人群研究有研究報道，意大利塞韋索二口惡英泄漏事故，廣島和長崎原子彈爆炸以及切爾諾貝利核事故等人類災難的幸存者發生代謝綜合征、激素紊亂、精子質量下降和癌癥的風險增加，原因主要是與化工污染和輻射有關［1，3］。

不良環境所導致的各種疾病日益增多，但相關的表觀遺傳學機制尚不清楚，因此，我們查閱了相關文獻，以評估常見的不良環境所誘發的表觀遺傳毒性的證據。結果發現，暴露于外界常見的不良環境的人群的不良表型與表觀遺傳改變有一定的關聯。如Kumar等的研究發現，長期慢性暴露于電離輻射的男性不育癥工人，其精細胞的甲基化率顯著增高［4］；閆鵬等的研究表明，放射介入工作人員的職業暴露是DNA甲基化降低、染色體畸變率和微核率增加的重要風險因素［5］；Somineni等的研究表明，交通尾氣造成的污染導致兒童TET1基因啟動子中單個CpG位點的甲基化損失和全基因組5-hmC水平升高，這與哮喘的發生顯著相關［6］；Carmona等收集了美國馬薩諸塞州2280份男士 （他們都短期暴露于汽車尾氣型、燃煤型黑碳等不良環境）的血液樣品，然后，檢測炎癥反應相關基因絲裂原活化蛋白激酶 （MAPK）的DNA甲基化改變情況，結果發現，84個MAPK通路基因中有14個基因的DNA甲基化水平與汽車尾氣型和燃煤型黑碳的暴露具有顯著相關性［7］；Snyder等的研究對象為加油站服務人員和交通警察，通過檢測他們的外周血DNA的甲基化情況，發現吸入型苯的暴露與Alu和LINE-1的甲基化顯著相關，而且也與p15基因和抑癌基因MAGE-1甲基化異常有關［8］；Xing等的研究發現，確診為苯中毒的11名工人與同工廠同工種非苯中毒的工人相對比，p16啟動子區第4CpO位點，p15啟動子區第3CpG位點的甲基化水平較高［9］；Pavanello等的研究發現，長期暴露于高濃度多環芳烴PAHs的非吸煙的焦爐工人，其外周血全基因組高甲基化，t953、HICl基因啟動子低甲基化［10］；Kundakovic等的研究表明，化學物質雙酚A（BPA）的暴露導致外周血BDNF基因甲基化改變，此改變與神經系統疾病包括抑郁、精神分裂癥、自閉癥等相關［11］；Tong 等對老齡小鼠的研究表明，DNMT3a在海馬中的過表達可以逆轉老齡小鼠的空間記憶缺陷，同時，通過對阿爾茨海默病患者進行尸檢發現，海馬結構的全基因組DNA甲基化水平顯著下降，這與化工產品甲醛有關；重金屬進入體內能夠催化生物學大分子的氧化損傷，誘導產生活性氧和自由基，而活性氧能夠影響表觀遺傳因子［12］，Chiou等通過招募76例從不吸煙的肺癌患者，檢測其相鄰正常肺組織的鎳水平，結果表明，鎳誘導的miR-21降低了SPRY2和RECK的表達，促進了肺癌細胞的侵襲性，高鎳亞組的總生存期（OS）較差，無復發生存期（RFS）低于低鎳亞組［13］；Cantone 等的研究發現，電爐鋼鐵廠工人暴露的顆粒物中，金屬鉻、鉛、砷和鎳的含量分別與組蛋白H3-K4二甲基化成正相關，鎘的含量與組蛋白H3-K9乙酰化呈負相關［14］；Xie等通過檢測 41名健康人，40名無癥狀重度吸煙者和49例慢性阻塞性肺疾病（COPD）患者的血清候選miRNA的水平，發現COPD患者和無癥狀重度吸煙者的miR-21水平顯著高于正常健康人群，而COPD患者和無癥狀重度吸煙者的miR-181a水平卻顯著低于健康人群，相關的數據表明，血清miR-21和miR-181a水平可能對評估重度吸煙者COPD的發展有價值［15］。

這些研究提供了輻射、化工品、空氣污染物、金屬、香煙煙霧等暴露人群，表觀遺傳變化和不良表型之間的機制關聯，以及人類表觀遺傳毒性的潛在機制。

2.2動物實驗研究在人類群組中暴露于環境因素的有害影響刺激了對動物模型中環境誘導的表觀遺傳毒性的研究。通過查閱文獻，發現動物在不同的發育階段接觸不良環境所導致的不良表型和表觀遺傳變化之間具有一定的關聯。如高輝對暴露于X射線的ICR小鼠的研究結果表明，相對于對照組小鼠，DNA甲基化、組蛋白甲基化相關基因表達差異顯著［16］；Igor等的研究發現 1 Gy 電離輻射（5 cGy/s，90 kv，5 mA）照射的 C57BL/6 小鼠，海馬組織相關miRNA相較于對照組來說，差異表達，這也是神經系統功能差異的原因［17］；Yaroslav等的研究發現2.5 Gy γ 射線（90 kV，5 mA）照射的 C57BL/6 小鼠免疫功能較對照組較差，原因在與其脾臟和胸腺中的相關miRNA表達顯著下降；Jiang等對斷奶雄性小鼠進行 50 μg/kg·d 的雙酚 A（BPA）暴露研究，然后，在暴露第24周和第48周，檢查心臟功能、線粒體功能、檢測PCG-1α的mRNA表達和甲基化狀態（其中PCG-1α是心肌中線粒體生物發生的主要調節劑），結果發現，在第48周，暴露于BPA的大鼠表現出心肌病，其特征在于心肌肥大，心肌細胞增大和心臟功能受損，BPA暴露降低了PGC-1α的表達并誘導了心臟組織中 PGC-1α的高甲基化［18］；Kundakovic等進行了雙酚A（BPA）暴露作為模擬環境對動物和人類的行為產生長期影響的相關研究，結果發現，產前BPA誘導導致BALB/c小鼠海馬和血液中Bdnf基因轉錄相關區域的DNA甲基化發生變化，并且這些變化與暴露于高母體BPA水平的人的臍帶血中BDNF變化一致，這些數據表明，血液中的BDNF DNA甲基化可用作腦BDNF DNA甲基化和基因表達的預測因子以及早期環境暴露引起不利行為的標志物，因為BDNF表達和DNA甲基化在與早年逆境相關的幾種精神疾病中發生了改變，包括抑郁癥，精神分裂癥，雙相情感障礙和自閉癥等［11］；Tong等的研究發現，通過對SD成年鼠腦室注射甲醛（1 μl of 0.5 mM），結果導致SD鼠年齡相關的空間記憶受損和全基因組DNA甲基化水平下降［12］；Onishchenko等從妊娠第7天到分娩后的第7天，讓BALB/C懷孕小鼠以0.5 mg/kg·d的劑量暴露于甲基汞（MeHg）環境，結果發現圍產期接觸甲基汞會導致小鼠學習和動機行為的持續變化，他們利用抗抑郁藥氟西汀慢性治療，結果逆轉了甲基汞暴露雄性小鼠的抑郁樣行，機制是MeHg暴露誘導BDNF啟動子區域染色質結構處于長期的抑制狀態，特別是DNA高甲基化，組蛋白H3-K27三甲基化的增加和啟動子IV處H3乙酰化的減少。雖然氟西汀治療不會改變H3-K27的高甲基化，但它可顯著上調甲型肝炎病毒暴露小鼠BDNF啟動子IV的H3乙酰化。研究表明，低水平的MeHg的暴露使小鼠易于抑郁并誘導海馬中BDNF基因表達的表觀遺傳發生變化［19］。Zhang等通過向 Wistar Rattus注射 Ni3S2化合物（10 mg Ni3S2/鼠）來建立鎳誘導的腫瘤模型，結果發現miR-222的表達與正常組織相比，在腫瘤組織中顯著上調，miR-222的靶基因CDKN1B和CDKN1C的表達顯著下調［20］；有研究表明，在妊娠第12天急性暴露于乙醇溶液中的大鼠，在出生后第42天表現出社交動機減少，Ignacio等通過向Long Evans鼠的腹腔注射乙醇溶液（2.9 g/kg+1.45 g/kg 2 h后）來研究由于產前乙醇暴露是否會導致杏仁核和腹側紋狀體中的miRNA和mRNA網絡發生改變，結果表明，由于產前乙醇暴露，在LE鼠的一個或兩個腦區域中，幾種miRNA表現出顯著變化，包括mir-204，mir-299a，miR-384-5p，miR-222-3p，miR-301b-3p 和 mir-6239［21］；Peng等在之前的研究中證明懷孕期間的乙醇溶液攝入會導致心臟基因的不受控制的表達，并最終導致胎兒心臟發育不良，接下來又研究了其中的表觀遺傳學機制，他們用56%乙醇溶液或鹽水灌胃C57BL/6懷孕小鼠，然后，收集胎兒的心臟用于分析研究，結果表明，暴露于乙醇溶液的胎鼠心臟中的 NKX2.5 啟動子中的 p300，CBP，PCAF，SRC1（GCN5除外）的表達增加，同時，在相同的樣品中觀察到 H3K9的乙酰化增加，NKX2.5，β-MHC和Cx43的mRNA表達增加，此外，也在實驗小鼠中研究了漆樹酸對乙醇溶液誘導的心臟肥大的保護作用，漆樹酸能夠使乙醇誘導的相關心臟基因的表達下調，最終減輕乙醇溶液誘導的胎鼠心臟肥大［22］；Izzotti等通過燃燒肯塔基3R4F標準科研用香煙，讓瑞士H小鼠全身暴露于香煙煙霧中，用以檢測由香煙煙霧誘導的早期肺部分子變化和腫瘤的發生，結果表明，從出生開始持續吸煙4個月的小鼠全身性致裂傷，DNA加合物形成，氧化性DNA損傷，以及肺中miRNA的廣泛下調，同時，在煙霧暴露的小鼠中，二甲雙胍的服用顯著降低了DNA加合物水平和氧化性DNA損傷，并使幾種microRNA的表達正常化［23］；大量吸煙與慢性阻塞性肺疾病（COPD）的發展有關，Xie等通過讓大鼠被動吸煙來誘導大鼠肺氣腫模型，然后，通過微陣列和RT-PCR分析不同吸煙時期肺氣腫不同階段的動態miRNA的表達譜，結果表明，在吸煙不同時期后，在不同組的大鼠中觀察到不同嚴重程度的肺氣腫，伴隨著與調節某些途徑相關的一些血清miRNA的水平改變，特別是血清miR-21與miR-181a水平差異變化比較明顯［24］；產婦吸煙會增加新生兒發病的風險，Li等通過皮下滲透微型泵向懷孕大鼠施用尼古丁，結果在10日齡幼仔中確定了HI腦損傷，圍產期尼古丁暴露增加新生大鼠缺氧缺血性腦損傷的易感性［25］。

綜上所述，盡管十多年前就有關于環境誘發的表觀遺傳毒性的研究工作，但這一研究領域仍處于起步階段，本文就常見的外界的不良因素所導致的表觀遺傳學方面的毒性進行綜述，來揭示相關毒性形成的分子機制。如大量研究表明，輻射包括電離輻射和高功率電磁輻射會對人體的生殖系統、免疫系統、血液系統等造成影響，所以研究其影響的分子機制刻不容緩；化工產品如雙酚A（BPA）大量應用于我們的日常生活中，比如礦泉水瓶、奶瓶、罐頭盒、醫療器械等等，造成了生活環境的嚴重污染，所以研究其是否會對人們的健康造成影響，以及影響的分子機制至關重要；鎳是一種重要的金屬，是人們生產和生活中必不可少的微量元素，常常鍍在金屬上防止生銹，文中針對鎳金屬的富集對身體影響的表觀遺傳學機理進行了描述；香煙煙霧在我們日常生活環境中也不可避免，其會導致肺部疾病病變，其表觀遺傳學機制主要是會影響相關的miRNA的表達。