DNA異常甲基化在潰瘍性結腸炎中的作用研究進展

施飛熊 張桂蝦 周宇

【摘要】潰瘍性結腸炎（UC）致病機制尚未明確，可能與遺傳、免疫及環境等多種因素有關。DNA甲基化在調節基因轉錄并在發育、分化和基因組穩定性中起重要作用。DNA異常甲基化既是腸道慢性炎癥的一個結果，同時也可能在UC的發生發展中發揮作用。該文對DNA異常甲基化在UC中可能存在的機制及其臨床意義等方面進行綜述。

【關鍵詞】潰瘍性結腸炎;DNA甲基化;腸道慢性炎癥

【Abstract】The pathogenesis of ulcerative colitis （UC） remains elusive， which is probably correlated with multiple factors， such as heredity， immunity and environment， etc. DNA methylation plays an important role in regulating gene transcription， development， differentiation and genomic stability. Aberrant DNA methylation is not only a consequence of chronic intestinal inflammation， but also may play a role in the occurrence and development of UC. In this article， the possible mechanism and clinical significance of aberrant DNA methylation in UC were reviewed.

【Key words】Ulcerative colits;DNA methylation;Chronic intestinal inflammation

潰瘍性結腸炎（UC）是一種慢性腸道炎癥性疾病，其在我國的發病率呈逐年上升趨勢，然而其發病機制目前仍不完全清楚，治療效果欠佳。DNA甲基化在調控正常細胞過程的基因表達中起著關鍵作用。近來越來越多研究表明異常DNA甲基化與UC的發生發展相關。有些基因的甲基化程度與UC的非典型增生甚至與UC相關結腸癌有關，而另一些基因在UC與其他疾病中甲基化程度差異較大甚至僅在UC中發生異常甲基化。因此明確UC中發生的DNA異常甲基化對UC的診斷、治療及預防等方面具有重要意義。本文主要討論了DNA異常甲基化與UC的關系、DNA甲基化在UC作用的可能機制及臨床意義。研究UC中DNA異常甲基化有望為UC提供新的血清學標志物及治療靶點。

一、DNA甲基化的功能與作用

DNA甲基化是一種表觀遺傳修飾，可能受飲食、疾病和吸煙等環境因素影響。DNA甲基化有建立（從頭DNA甲基化）、維持和去甲基化等3個階段，可調節基因轉錄并在發育、分化和基因組穩定性中起作用。DNA甲基化在哺乳動物基因組中普遍存在，盡管存在一些組織特異性差異，但哺乳動物基因組70% ～ 80%的CpG發生甲基化[1]。甲基化由DNA甲基轉移酶進行，在此過程中，甲基被共價加到胞嘧啶上，產生5-甲基胞嘧啶。在哺乳動物中，DNA主要在CpG二核苷酸處發生甲基化。CpG島（CGI）是相對較小的基因組區域，平均約為1 Kb，通常存在于組成型表達基因和組織特異性基因的啟動子區域中。除CGI外，哺乳動物的基因組通常是低CpG的。超過三分之二的哺乳動物啟動子是CGI，并且幾乎所有的管家基因都有CGI啟動子。

DNA甲基化和基因沉默之間的相關性與啟動子CpG二核苷酸密度成正比。然而其具體轉錄抑制的機制尚未明確。研究發現，轉錄因子易接近的染色質區域通常存在低甲基化或未甲基化，而單個低甲基化區域可作為增強子，增加啟動子的活性，代表活躍的調節區。此外，轉錄因子在未甲基化和低甲基化區域皆表現富集情況。上述證據表明轉錄因子的結合與DNA甲基化互斥，故DNA甲基化可能通過阻礙轉錄因子與啟動子區結合從而導致轉錄抑制[2]。但是甲基化的DNA基序也可能為其他轉錄因子創造新的結合位點，被特異性識別而起作用。例如DNA甲基化可以通過含有甲基CpG結合域的轉錄抑制因子來讀取。還有，DNA甲基化序列也可以被轉錄激活因子特異性識別。研究發現，人類和小鼠表達數十種具有特定甲基化序列結合偏好的轉錄因子，許多轉錄因子更易與CpG甲基化序列結合，其中大多數在擴展的同源結構域家族中[3]。DNA甲基化作為一種控制基因表達的手段具有至關重要的作用。例如DNA甲基化在X染色體失活中起關鍵作用。在雌性哺乳動物的發育過程中，每個細胞中的一個活性X染色體被非編碼RNA X非活性特異轉錄物（XIST）隨機沉默。X連鎖的CGI發生甲基化相對較晚，并且在基因已經沉默之后起到最終鎖定的作用，最終導致X染色體失活[4]。此外，異常DNA甲基化是許多疾病的特征，包括各種類型的癌癥及炎癥性疾病，異常的啟動子CGI甲基化正成為疾病檢測、診斷和預后的潛在生物標志物[5]。

二、DNA異常甲基化與UC密切相關

大量研究表明，UC是由多個基因的遺傳易感性與免疫、環境因素的異常相互作用引起。UC相關基因甲基化狀態變化可以顯著改變基因表達水平，可能導致疾病發生和發展[6]。有研究顯示，將UC初次治療患者（n = 10）及健康對照組（n = 11）的全基因組DNA甲基化測序對比分析，結果顯示在DNA甲基化差異基因中有25個基因已被證實為炎癥性腸病（IBD）易感基因，其中6個基因在其TSS具有CGI[7]。30%的基因CpG位點甲基化靠近轉錄起始位點，并且約25%顯著差異表達基因與DNA甲基化類型相關。因此說明，UC中存在其相關基因的CpG位點甲基化，可能與UC的發生發展有關。

DNA甲基化和消化道的炎癥狀態密切相關，慢性炎癥通過誘導腸道上皮細胞DNA異常甲基化參與UC發生發展，提示DNA甲基化是慢性炎癥的一個結果[8]。IFN-γ的表達不僅對炎癥的發展和維持至關重要，而且在IBD發病機制及IBD風險區域側翼IFN-γ基因（IFNG）發揮重要作用。有研究發現，第3個IFNG內含子區域發現一個新單核苷酸多態性（SNP）位點rs1861494 T/C[9]。該SNP位點同時也為CpG甲基化引入新位點。進一步研究顯示，特定的等位基因序列和甲基化水平均可調節轉錄因子與rs1861494區域的結合，從而調節IFN-γ的表達。T至C的取代引入新的CpG二核苷酸序列，新位點的甲基化與IFN-γ表達降低相關。

對UC炎癥活動性相關的45個高甲基化基因進行聚類分析結果提示，在UC患者中活動期炎癥黏膜較非活動期炎癥黏膜其相關基因表現出更高的甲基化水平[10]。但上述高甲基化基因與UC病程并無相關性，可能與僅對其炎癥黏膜活動期和非活動期區分，而未區分是否發生非典型增生或癌變有關。研究表明，與無非典型增生相比，UC患者的非典型增生和周圍無非典型增生的腸道黏膜DNA甲基化增加[8]。

由于炎癥中較高的細胞更新，所以UC可被視為一種組織過早老化的疾病。而一些基因在非腫瘤組織中因老化而發生并加速甲基化，這類改變稱為年齡相關甲基化[8]。研究發現，SOX17、CDH13、DPYS、MLF1、SOX11、GDNF、N33和SCL16A12等基因在UC中甲基化程度加速，且與較長的UC病程相關，認為炎癥持續時間比當前炎癥程度更重要。另外，此研究還發現DPYS、N33在腫瘤性UC組織及近瘤組織中甲基化程度更高[11-12]。一些年齡相關甲基化基因ER、MYOD、p16外顯子1和CSPG2在UC中甲基化程度與不典型增生程度正相關[11]。

三、DNA甲基化在UC作用的可能機制

DNA甲基化異常包括全基因組的低甲基化和局部基因的高甲基化。根據基因功能不同，其甲基化類型也不同。參與內環境穩態及防御的基因觀察到高甲基化，而與免疫應答相關基因則觀察到低甲基化[13]。在黏膜炎癥過程中，上皮細胞的比例減少，導致腸通透性受損和體內平衡失調。這可能是由于富含脯氨酸的酸性蛋白1和參與維持上皮細胞內穩態的溶質載體蛋白家族成員SLC6A19和SLC3A1的高甲基化和表達下調所致。此外，參與腸道黏膜防御系統的基因也檢測到高甲基化。腸道堿性磷酸酶1和防御素B1與上皮表面對微生物定植的抵抗力有關，而UDP葡萄糖醛酸基轉移酶家族UGT1A10和UGT1A8與限制胃腸黏膜通過細胞色素P450系統對有害化學物質的消化吸收有關，這些基因在UC中均出現高甲基化。同時參與胃腸液和電解質平衡的鳥苷酸環化酶激活劑GUCA2A和GUCA2B也檢測到高甲基化，這可能與其在炎癥中下調有關。此外，所檢測到UC相關低甲基化且在UC中上調的基因，大多數與先天免疫系統相關，例如趨化因子、趨化因子受體、細胞因子、IL和轉運蛋白。此研究也發現，BTNL3、DEFA、OLFM4和REG1B存在非CpG甲基化，而這些基因不僅參與炎癥反應及可能與抗菌活性有關，也參與大腸癌的發生發展。然而非CpG甲基化機制尚未明確，需待進一步研究和證實。

上皮-間質轉換（EMT）與UC的發病機制相關[14]。EMT是黏附上皮細胞轉化為間充質細胞表型的一種現象，能增強細胞的侵襲和遷移能力。研究發現EMT相關基因CDH1和CDH13啟動子甲基化和患者年齡顯著相關，并且與UC病程具有相同趨勢。說明EMT相關基因啟動子甲基化與UC的發病過程有關。

四、DNA甲基化在UC中的臨床意義

DNA甲基化在各種疾病包括UC的診斷及治療上均有一定意義[15]。有研究發現，KIAA1614、RIBC2和FAM217B這3個基因在UC中高度甲基化，認為檢測其甲基化情況可能作為UC診斷和治療的潛力標志物[10]。一些基因的啟動子CGI僅在嚴重表型UC發生甲基化，它們所編碼的蛋白質通常參與生物合成、代謝調節及氮化合物代謝過程，如ZNF582、ZNF614、ZNF274、ZNF583和ZNF559等基因，并且部分基因已被報道在其他腫瘤中發生高甲基化[12]。此外據文獻報道，CDX1、miR-1247高甲基化與UC難治性表型正相關，miR-1247、CDH1高甲基化與較嚴重Mayo內鏡評分相關[14]。據報道，UC中RAS相關結構域家族成員1轉錄變異體A（RASSF1A）基因甲基化明顯高于克羅恩病，因此認為RASSF1A基因甲基化可能作為臨床鑒別UC與克羅恩病的指標之一[16]。研究顯示，Uhrf1基因的缺乏和突變均使葡聚糖硫酸鈉（DSS）處理小鼠的腸道炎癥加重，其原因是腸道巨噬細胞Uhrf1可介導TNF-α啟動子的甲基化，因此開發Uhrf1介導TNF-α啟動子的甲基化，使TNF-α對UC患者腸道組織損傷作用的減弱，為UC治療開拓新的思路[17]。某些基因的甲基化與UC相關結腸癌有關，這為臨床提示UC癌變提供預測指標。有研究發現，在結腸癌細胞HCT-116中過表達miR-34b-5p可顯著降低細胞增殖、集落形成和侵襲能力，而進一步研究發現miR-34b-5p在UC相關性結腸癌中低表達的原因之一是啟動子發生高甲基化，因此通過檢測UC組織中是否出現miR-34b-5p高度甲基化，可能提示UC是否出現癌變[18]。也有研究者分析UC相關結直腸癌患者結腸上皮CpG位點DNA甲基化水平，結果發現促腎上腺皮質激素釋放激素受體2（CRHR2）在癌與非癌黏膜組織的甲基化水平差異最大，提示CRHR2基因高甲基化檢測有可能用于UC患者的腫瘤篩查[19]?？傊行┗虻募谆潭扰cUC的非典型增生甚至癌變相關，這不僅為病理及內鏡下對病變的診斷和鑒別診斷提供重要的依據，而且還為UC的早期手術治療提供新指征。而另一些基因僅在嚴重表型UC患者中呈現高度甲基化，這對該類UC治療提供新的方向。

不少研究證實UC的發生發展與腸道菌群有關，并且可以通過菌群移植治療UC[20-21]。然而腸道菌群對DNA異常甲基化是否有影響？有研究發現，通過用環丙沙星、甲硝噠唑、新霉素和萬古霉素等抗生素治療DSS及氧化偶氮甲烷（AOM）鼠UC模型，結果顯示已增生的黏膜結節數量減少、直徑減小，由DSS及AOM誘導基因甲基化效應減弱，Cbln4、Fosb和Msx1的CGI甲基化增加程度被抑制約50% ～ 92%[22]。同時炎癥相關基因Nos2表達被顯著抑制，TNF呈現下降的趨勢。由此說明，通過抗生素調控腸道特定菌群不僅可以緩解UC的腸道炎癥，也可以抑制UC的癌變，說明抗生素治療UC具有一定可行性，同時也說明UC相關基因CGI甲基化參與這一過程。

最近研究表明，唾液具有替代上皮黏膜來進行DNA甲基化研究的潛力。將唾液和腸道黏膜中的DNA甲基化譜進行比對，結果顯示唾液和腸道黏膜的全局DNA甲基化在個體內呈正相關。唾液作為一種高質量甲基化譜，相比腸道黏膜具有無創、易收集的顯著優勢[23]。但是唾液是否可以完全取代腸道黏膜對UC患者DNA異常甲基化的檢測，尚需進一步研究。

五、展 望

UC是以慢性炎癥為特征的一種疾病，而DNA異常甲基化不僅是慢性炎癥的結果，也能促進腸道炎癥，與嚴重表型UC相關。DNA異常甲基化既是因又是果，與UC的發生、發展密切相關，并隨著UC病程的增加及異常甲基化基因的增加，使UC向UC相關大腸癌演變。那么如何檢測及阻止DNA異常甲基化對治療UC及預防癌變尤為重要?？偠灾?，在UC病因機制的研究及診斷和治療途徑的拓展等方面，或許DNA甲基化擔任更加重要的角色。

參 考 文 獻

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（收稿日期：2019-11-21）

（本文編輯：楊江瑜）