可吸入細顆粒物通過表觀遺傳機制影響缺血性腦卒中發生發展的研究進展

肖再興，柴爾青

缺血性腦卒中是社會非意外情況下，導致功能障礙甚至危及生命的重大疾病之一[1-2]，也是世界范圍內成年人致殘的首要病因[3]。腦部供血動脈發生狹窄或被栓子、血栓堵塞時，大腦血流量和氧氣供應量減少，發生缺血性腦卒中[4]。這種現象持續存在時，因神經元細胞死亡，導致不可逆腦損傷，出現一系列相應的神經功能缺損癥狀。炎癥和氧化應激增加是缺血性腦卒中的共同特征，可解釋為原因或結果[5]。腦梗死是一種多因素疾病，環境和遺傳風險因素均與發病相關[6-7]。多項研究表明，空氣污染特別是可吸入細顆粒物(fine particulate matter，PM2.5)暴露與缺血性腦卒中發病有關[8-11]，PM2.5是引起表觀遺傳變化的環境因素之一[12-14]。表觀遺傳變化導致某些疾病的易感性增加，相關研究已確定PM2.5暴露和心血管疾病表觀遺傳之間的關系[15-17]；缺血性腦卒中表觀遺傳變化影響疾病的發生發展和預后[18-19]。認為PM2.5可能通過表觀遺傳機制影響缺血性腦卒中的發生發展[8]，但PM2.5通過表觀遺傳變化影響缺血性腦卒中發生發展的具體機制尚未明確。以PM2.5、表觀遺傳變化和缺血性腦卒中為主題詞查閱相關文獻，對PM2.5通過表觀遺傳機制影響缺血性腦卒中發生發展的研究進展做一綜述，從表觀遺傳機制明確PM2.5暴露與缺血性腦卒中的關系，指導缺血性腦卒中的預防。

1 PM2.5與缺血性腦卒中的關系

暴露于空氣污染是一個公共健康問題，是發展中國家死亡率居前5位的風險因素之一，40%的死亡可能是由室外空氣污染引起的，在快速工業化帶來的中低等收入國家，較多疾病歸因于環境空氣污染[8]。PM2.5是一種復雜的混合物，直徑<2.5 μm，不僅由固定源和分布源的一次排放組成，還可由大氣轉化后形成二次氣溶膠組成。由于PM2.5較小的尺寸和化學活性，可穿透小氣道和肺泡，進入血液循環[19]，流行病學研究表明，暴露于PM2.5與腦血管疾病(特別是腦卒中)發病風險增加之間存在短期關聯[20]。一項對美國204個城市醫療保險受益者數據的時間序列研究顯示，PM2.5與腦血管疾病住院高風險率相關[21]。對我國172個城市進行的時間序列分析中，PM2.5增加10 μg/m3與同日缺血性腦卒中住院人數增加0.34%有關[22]。一項多中心研究顯示，短期接觸PM2.5與缺血性腦卒中和短暫性腦缺血發作的住院人數增加有關，與出血性腦卒中無關；年齡、季節和城市年平均PM2.5濃度是影響PM2.5和缺血性腦卒中關系的因素[23]。上述流行病學研究結果表明，缺血性腦卒中的發生發展與PM2.5暴露存在相關性，不同地區/國家的顆粒物含有不同成分，收集和研究信息不同，結果各異。需進行大規模流行病學研究，特別是不同地區/國家之間的比較研究，以解決這些爭議，并可能最終解決觀察到的差異。到目前為止，PM2.5與缺血性腦卒中發生發展和死亡率增加有關。盡管如此，由于顆粒物暴露對人類健康的影響延遲，進行長期流行病學研究至關重要。

2 表觀基因組與表觀遺傳變化

不斷變化的環境從基因組和表觀基因組水平影響人類健康。表觀基因組隨著環境、飲食、疾病和年齡改變[24]。有些變化是短暫的，有些是可遺傳的，一些表觀遺傳變化導致疾病易感性增加。因此，表觀遺傳變化可在疾病早期發現，甚至在疾病被其他診斷前發現。了解PM2.5暴露引起的表觀遺傳變化可為分析顆粒物暴露與缺血性腦卒中之間的關系提供重要工具。表觀遺傳變化主要分為3類：DNA甲基化、組蛋白修飾和MicroRNA(miRNA)表達[25]。DNA甲基化是通過DNA甲基轉移酶(DNMT)催化完成的，CpG島胞嘧啶殘基的脫氧核糖核酸甲基化是癌癥表征良好的表觀遺傳調控之一[26]。組蛋白修飾可調節基因轉錄水平，包括乙酰化、甲基化、磷酸化和泛素化；組蛋白乙酰轉移酶和組蛋白去乙酰化酶平衡作用后，組蛋白發生乙酰化，組蛋白乙酰化通過降低組蛋白和DNA之間的親和力，導致DNA解旋。組蛋白甲基轉移酶和組蛋白去甲基化酶相互平衡作用后導致組蛋白甲基化[27]。另一方面，微小核糖核酸轉錄后可調節基因表達，它是長18～23個核苷酸的非編碼單鏈RNA分子，與基因結合導致基因降解或抑制蛋白質翻譯[28]。推測位于功能未知的非編碼基因組DNA區域的一些疾病相關變異體可能調節某些miRNA水平，反之miRNA也可調節與疾病相關蛋白質的翻譯[29]。

3 表觀遺傳變化與缺血性腦卒中的聯系

3.1 DNA甲基化與缺血性腦卒中 DNA甲基化通常由DNMT進行的化學穩定修飾降低基因轉錄，該修飾與基因啟動子中胞嘧啶的5′位添加甲基(-CH3)有關。這種修飾阻止了轉錄因子與特異性結合位點之間的相互作用。啟動子DNA甲基化在缺血性腦卒中發病機制中的作用已得到證實[30]。DNA甲基化與大腦中DNMT的高活性有關。大腦中動脈閉塞(MCAO)大鼠模型中，DNMT的藥理學抑制作用證實了可減少DNA甲基化，從而減小梗死面積，減輕腦缺血損傷。DNMT活性導致缺血性腦損傷后組織預后不良，DNMT抑制劑認為可提供抗腦缺血保護，是治療腦缺血的潛在新靶點。DNMT基因缺失[DNMT(S/+)]雜合的突變小鼠免受輕度腦缺血損傷，去乙酰化抑制劑曲古菌素A和DNMT抑制劑5-氮雜-2′脫氧胞苷的治療可保護野生型小鼠免受缺血性腦卒中。5-氮雜脫氧胞苷通過抑制DNA甲基化保護小鼠免受缺血性損傷。另一種DNMT抑制劑澤普勒寧在水溶液中更穩定，毒性更低，因此適合生物學研究。采用澤普勒寧治療后，通過抑制DNMT，大鼠缺血性腦損傷得到改善[31-32]。相關研究表明，長散布核苷酸元件(LINE-1)的低甲基化與老年人血管細胞黏附蛋白1(VCAM-1)水平增加有關，LINE-1低甲基化和VCAM-1表達之間的聯系僅在無缺血性心臟病或腦卒中是顯著的，心臟病和腦卒中病人中未發現相關性；LINE低甲基化和VCAM-1表達之間的聯系可能是心腦血管疾病病因中的早期事件[33-34]。

3.2 組蛋白修飾與缺血性腦卒中 人類和動物模型研究強調了組蛋白修飾(乙酰化、甲基化、磷酸化和泛素化)在染色質濃縮和轉錄穩定性中的作用，包括缺血性腦卒中在內的各種腦血管疾病參與[35]。相關研究顯示，腦卒中動物模型中組蛋白H3和H4乙酰化水平普遍下降，與嚴重腦損傷有關[36]。由于表觀遺傳變化可逆轉，HDAC抑制劑認為是減輕腦損傷的有效方法，HDAC抑制對炎癥反應具有保護作用[37]。分離自MCAO小鼠模型的原代小膠質細胞，采用丁酸鈉進行HDAC抑制增加了H3組蛋白(H3K9ac)中賴氨酸9的乙酰化，可下調不同的促炎介質，如誘導型一氧化氮合酶，同時上調抗炎介質[38]。盡管臨床研究中獲得了滿意結果，但HDAC抑制劑的使用在缺血性腦卒中病人未得到滿意結果。

3.3 miRNA調節與缺血性腦卒中 miRNA是長18～23個核苷酸的核糖核酸，與基因結合導致基因降解或抑制蛋白質翻譯。miRNA與目標基因的3′-未定位區域相互作用，根據miRNA與靶點之間的互補程度，通過基因降解或抑制翻譯，導致基因沉默發生，使miRNA作為基因表達轉錄后的調節劑[39]。有研究顯示，缺血性腦卒中不同階段發現了miRNA水平變化，表明其在早期診斷、預后和治療方面的潛在作用[40]。MCAO大鼠模型研究發現，與對照組相比，大腦和血漿miR-124水平均增加，在缺血性腦卒中發生后24 h達到峰值[41]。上述結果表明血漿miR-124水平可監測腦缺血損傷。易患腦卒中的自發性高血壓大鼠(一種與人類腦卒中相似的動物模型)中，miR-122水平降低為發生缺血性腦卒中的標志，并與內皮完整性降低、凋亡增加和炎癥相關[42]。上述研究結果支持了miRNA在缺血性腦卒中發病機制中日益增長的重要性。詳見圖1。

圖1 表觀遺傳變化與缺血性腦卒中聯系示意圖

4 PM2.5誘導表觀遺傳變化影響缺血性腦卒中的發生發展

有研究表明，PM2.5暴露可改變表觀遺傳變化，急性暴露于PM2.5，血液中LINE-1DNA甲基化減少[43]。PM2.5暴露可改變微小核糖核酸表達水平，血漿微小核糖核酸表達水平變化認為與PM2.5誘發的心腦血管疾病發病風險相關。表觀遺傳機制，如DNA翻譯后修飾、RNA相關過程和組蛋白，可能在血管機制的調節中發揮著重要作用，包括內皮干細胞功能。血液DNA低甲基化認為是動脈粥樣硬化發生的生物標志物，從而有助于識別具有動脈粥樣硬化風險的病人。DNA甲基化在導致缺血性腦卒中基因上發揮作用，如內皮功能、細胞因子介導的炎癥反應和凝血。

5 小 結

DNA甲基化表觀遺傳變化包括全基因組和啟動子特異性甲基化，是目前PM2.5暴露研究最多的是表觀遺傳變化之一，關于組蛋白修飾和miRNA表達研究較少。一些表觀遺傳變化導致缺血性腦卒中易感性增加和疾病進展。查閱大量國內外文獻綜合回顧之后，考慮到PM2.5暴露在表觀遺傳機制(特別是DNA甲基化變化)與缺血性腦卒中的聯系，認為PM2.5可能通過表觀遺傳機制影響缺血性腦卒中的發生發展，為臨床預防缺血性腦卒中及早期診斷的相關研究提供參考。今后需開展多中心隨機對照研究驗證并指導今后的工作。