DNA甲基化在肺部疾病中的作用研究進展

溫冬梅 余思源 芮奎 顧延會 歐陽瑤

DNA甲基化(DNA Methylation)是現階段新發現運用于診斷、預后和預測治療的生物標志物，也是一種最具特征、最早發現及最重要的表觀遺傳修飾之一[1]。隨著對DNA甲基化的持續深入研究，其已漸漸被視為現代醫學研究的熱點，并為各種疾病的發生及發展提供新的研究方向和治療策略。近年來，研究證實在多種呼吸道疾病，如哮喘、肺癌、慢性阻塞性肺疾病以及特發性肺纖維化等的發展中，常常捕捉到DNA甲基化發生變化，并引起疾病更進一步加重。當前，對其機制的進一步解釋可以為肺部疾病提供新的診斷方法及治療策略。本文著重介紹DNA甲基化在肺部疾病中的潛在臨床應用。

一、DNA甲基化概述

表觀遺傳學(Epigenetics)是指可遺傳的基因表達或細胞表型，它是由DNA序列以外的機制引起，且不會導致DNA序列的改變，表觀遺傳學的示例主要涉及DNA甲基化、染色體重塑、基因沉默、組蛋白尾修飾和非編碼RNAs，每一個都可能受到環境、飲食、生活方式、疾病和衰老的影響[2]。表觀遺傳學中DNA甲基化是最重要的，DNA甲基化是胞嘧啶的化學修飾，具體的說是指在胞嘧啶堿基的第五個碳位處將甲基(CH3)添加到CPG二核苷酸中的鳥苷中，并組成甲基化CpG[3]。CpG二核苷酸在人類基因組中的分布不均勻，并且通常局部聚集組成一些長度為300～3000 bp的高CG含量的DNA片段(即CpG島)，大多數DNA甲基化發生于CpG島中[4]。DNA甲基化涉及高甲基化和低甲基化兩種狀態，CpG島的DNA高甲基化使相關基因沉默，而低甲基化促進轉錄的發生，進一步調節上游及下游靶基因的轉錄[5]。DNA甲基化調節許多生物學功能，其功能調節障礙與自身免疫性疾病、纖維化疾病、腫瘤及心血管疾病等的進展息息相關[6]。因此，在多種疾病發病過程中檢測某些基因的甲基化程度，可以成為評估該疾病預后、復發、早期檢測和風險估計的有效生物標志物，甚至可以成為有效的治療靶點[7]。

二、DNA甲基化與慢性阻塞性肺疾病

慢性阻塞性肺疾病(慢阻肺)是常見的慢性肺部疾病之一，其高發病率和死亡率已成為中國乃至全世界重要公共衛生問題[8-9]。既往慢阻肺的發生主要歸因于吸煙、細菌和病毒感染以及環境空氣污染物等，然而，目前其他因素包括異常DNA甲基化已被證實可影響慢阻肺的發展。有學者發現異常的DNA甲基化主要通過以下三種信號通路參與慢阻肺的發病機制:磷酸酶張力蛋白信號通路(PTEN)、核轉錄因子E-2相關因子2(Nrf2)介導的氧化應激途徑、IL-17因子炎癥反應途徑。其中Nrf2介導的氧化應激途徑在慢阻肺的進展中不可或缺。Nrf2介導的細胞保護作用減弱可造成細胞受損，進一步加重慢阻肺的進程[10]。當前大量研究已表明慢阻肺病人的外周血、痰液、肺組織中存在DNA甲基化異常。Sundar等[11]報道吸煙者和慢阻肺病人肺組織中NOS1AP和BID基因的表達與DNA甲基化狀態的改變有很大關聯，從而擾亂細胞的衰老、自我吞噬和凋亡。Qiu等[12]發現外周血中FUT7的甲基化狀態相對降低會影響外周組織中sialyl lewis X的表達，增加和E選擇素的相互作用，促進中性粒細胞向肺組織遷移，最終加重慢阻肺病人肺組織的炎癥反應。Bruse等[13]研究證實在吸煙者痰標本中SULF2 啟動子區的高甲基化，且與持續性的粘液高分泌相關。上述研究結果提示DNA甲基化在慢阻肺發病中占據不可忽視的作用，基因啟動子甲基化可能是慢阻肺早期的生物標志物。因此急需闡述其在慢阻肺發病機理中的關鍵作用，更好的為慢阻肺的診療提供科學依據。

三、DNA甲基化與支氣管哮喘

支氣管哮喘(bronchial asthma，簡稱哮喘)是一種繁雜的疾病，導致喘息、氣短、胸悶、夜間或清晨咳嗽，它已成為當前難以解決的重要公共衛生問題[14-15]。迄今認為哮喘主要是由環境因素和多基因遺傳交互作用引起的慢性呼吸系統疾病。哮喘的發病原因與持續暴露于環境中某些危險因素引起的關鍵基因甲基化變化密切相關，如生物污染物和空氣污染物等。Tanday等[16]研究發現，早期接觸環境因素可使DNA甲基化水平發生變化，從而使機體的免疫調節發生失調，使過敏性氣道疾病的遺傳風險加劇，最終導致過敏性疾病，如哮喘的發展。Nadeau等[17]研究證明在哮喘發病機制中調節性T(Treg)細胞是重要的免疫應答抑制因子，Treg-細胞損傷與叉頭盒轉錄因子3(Foxp 3)DNA甲基化增加有關，后者是Treg-細胞活性的關鍵轉錄因子，由于環境空氣污染暴露可引起表觀遺傳變化，且樹突細胞功能會受到環境空氣污染的影響，從而擴增炎癥反應導致哮喘進一步加重。Zhu等[18]報道DNA甲基化水平可調控哮喘患者STAT6基因的轉錄和表達，促進原始T細胞向Th2細胞的分化，增加Th2相關細胞因子的產生。此外，另有研究報道過敏原刺激時IL-4基因的啟動子區域去甲基化增強，有助于幼稚T淋巴細胞向Th2細胞分化[19-20]。有文獻報道DNA甲基化在哮喘發生發展中占有重要位置[21]。但目前對有助于哮喘表達的基因組和表觀遺傳因素，以及這一疾病過程的嚴重程度知之甚少。進一步了解這些表型的發病機制將有助于更好地評估、分類和治療哮喘患者。

四、DNA甲基化與肺癌

肺癌(lung cancer)是指肺部生長惡性腫瘤，肺癌的病因較復雜，常見與生活習慣、環境污染、自身性格、吸煙、遺傳因素等密切相關，肺癌是癌癥中排名第一的惡性腫瘤，是全世界與癌癥有關的死亡的主要原因[22]。在中國新發布的統計數據中，2015年新發肺癌病例數約為730，000例，其中死亡人數約占610，000例[23]。肺癌的發生發展涉及多種因素，其中環境和遺傳因素占有主要地位，受異常的DNA甲基化、非編碼RNAS、組蛋白乙酰化調控。其中異常的 DNA甲基化占優勢，在肺癌的發病過程中整個基因組 DNA的低甲基化，及DNA啟動子區CpG島高甲基化，起著很重要作用[24]。DNA甲基化和肺癌有兩種狀態：①DNA低甲基化與肺癌：DNA的低甲基化是導致原癌基因的激活和肺癌致病的主要機制之一。Fujii等[25]發現ARL4C基因3′UTR低甲基化導致其過表達，參與肺鱗癌的發生。Yokoyama等[26]表明，TET1介導的DNA低甲基化可調節肺腺癌中MUC4基因的表達。MUC4的高表達會導致較差的肺癌預后。Gao X等[27]證明了吸煙對8個肺癌相關基因的 DNA甲基化(KLF6，STK32 A，TERT，MSH5，ACTA2，GATA3，VTI1 A和 CHRNA5)產生了影響，其中11個位點的 DNA低甲基化是與吸煙相關。上述結果表明DNA低甲基化在肺癌中普遍存在，癌基因的低甲基化與基因組不穩定性以及癌基因亞型異常過度表達有關。最終將導致肺癌進展。②DNA高甲基化與肺癌：現階段已證實各種腫瘤抑制基因的高甲基化狀態與肺癌的進展有關。Yuan等[28]研究發現GPC5在肺癌組織和肺癌細胞系中呈現高度甲基化，并且可抑制肺癌細胞的增殖、遷移及侵襲，表明肺癌預后不良與GPC5的低表達有關。Yang等[29]研究了DAPK啟動子在非小細胞肺癌和健康受試者的癌組織和癌旁組織中的甲基化狀態，結果顯示，非小細胞肺癌組織中 DAPK啟動子甲基化的頻率顯著高于健康受試者。其他研究人員發現p53、APC、MGMT等腫瘤抑制基因，已被證實在肺癌中呈現高度甲基化[30]。在肺癌的早期階段已存在腫瘤抑制基因的高甲基化狀態，并且可以抑制腫瘤抑制基因的主要基因的轉錄，引起表達減少或沉默，導致相應的功能減弱或失去，從而促進肺癌的進展。DNA甲基化被視為是腫瘤重要的診斷標志物或治療靶點[31],可預測疾病過程的侵襲程度及預后。因此，了解肺癌發病機制中存在的表觀遺傳改變可能有助于提供治療靶點及開發有效的治療方法。

五、DNA甲基化與IPF

特發性肺纖維化(Idiopathic pulmonary fibrosis，IPF)是一種以間質纖維化為特點的慢性呼吸道疾病，其發病與年齡、性別及吸煙史密不可分，在60歲以上人群中特發性肺纖維化患病率較高，大多數患者有吸煙史，男性患病率高于女性[32]。研究證明，特發性肺纖維化有許多危險因素，包括慢性吸入、病毒感染、吸煙和家族遺傳等[33]，IPF病理過程涉及EMT形成、肌成纖維細胞的形成和增殖，導致ECM沉積和肺組織結構重塑等[34]。吸煙是IPF的危險因素之一，吸煙可能導致Wnt7a 啟動子甲基化改變并影響小氣道上皮細胞全基因組DNA 甲基化水平[35]。研究表明，IPF發病過程中的基因和 miRNAs表達受 DNA甲基化調控，如趨化因子 IP-10、前凋亡基因 P14、環氧化酶2(COX-2)、胸腺細胞抗原-1(Thy-1)表達的糖蛋白 Thy-1(CD90)和 miR-NA17。維持正常肺成纖維細胞中細胞與基質平衡的重要因子是Thy-1(CD90)，而在IPF的成纖維細胞中不存在Thy-1表達。有相關研究報道在 IPF發病過程中Thy-1啟動子發生甲基化，沉默Thy-1基因增強肺成纖維細胞抗凋亡能力，導致 ECM沉積及肺部瘢痕形成，而 DNMTs抑制劑可使這一過程發生逆轉[36]。上述研究結果提示，DNA甲基化在IPF中普遍存在且扮演了重要角色。然而，仍需深入闡明DNA甲基化在IPF中的作用，為IPF的診斷及治療提供線索。

六、展望

迄今為止，在表觀遺傳事件中研究得最好的是DNA甲基化，DNA甲基化在化學上是穩定的，易于擴增，易于檢測，是不可或缺的生物標記物。大量的研究表明肺部疾病的進展與 DNA甲基化模式的變化和 DNA甲基化異常密切相關，值得注意的是，DNA超甲基化與去甲基化之間的平衡需要維持，如何高效、恰當地通過調節兩者平衡調控基因表達值得高度重視。現階段 DNA甲基化的臨床應用正處于探究階段，仍待更進一步深入研究，因此，在肺部疾病的發病機制中詳細研究 DNA甲基化的作用，它可能會導致更有效和有針對性的治療策略。總之，盡管DNA甲基化在肺部疾病中的作用已取得了令人鼓舞的成果，但這一領域仍面臨重大挑戰，尚需進一步探索。