甲基化修飾在缺血性腦卒中的研究進(jìn)展

顏山荃，王光明

(1.大理大學(xué)臨床醫(yī)學(xué)院，云南大理 671000；2.大理大學(xué)第一附屬醫(yī)院基因檢測中心，云南大理 671000)

腦卒中是我國人群乃至全世界人群致殘與致死的首要原因，通常將腦卒中分為出血性卒中和缺血性卒中；其中缺血性卒中占據(jù)了腦卒中患病率的60%～70%。缺血性卒中是一種多因素疾病，受環(huán)境因素、基因改變和基因-環(huán)境相互作用的影響[1-2]。已有相關(guān)表觀遺傳研究為表觀遺傳因素如何影響缺血性腦卒中的發(fā)生、發(fā)展及預(yù)后提供了強(qiáng)有力的證明[3-4]。表觀基因組調(diào)控作為基因型與表現(xiàn)型之間的溝通橋梁，是許多正常細(xì)胞的必備功能；當(dāng)機(jī)體發(fā)生不適當(dāng)?shù)谋碛^基因組調(diào)控時(shí)就可能引發(fā)相關(guān)疾病。DNA甲基化是最常見的表觀遺傳修飾之一，在調(diào)控基因表達(dá)方面有著關(guān)鍵作用，如DNA甲基化可參與血管細(xì)胞因環(huán)境脅迫而發(fā)生表型和功能改變的調(diào)控機(jī)制；高甲基化可抑制基因轉(zhuǎn)錄，而低甲基化可促進(jìn)轉(zhuǎn)錄[4-5]。現(xiàn)就DNA甲基化修飾在缺血性卒中的研究進(jìn)展作一綜述。

1 甲基化

1.1 DNA的甲基化DNA甲基化(DNA methylation)是基因表觀遺傳修飾的一種形式，具有動(dòng)態(tài)性和組織特異性、可逆性等特點(diǎn)[6]。DNA甲基化是指在DNA甲基化轉(zhuǎn)移酶的作用下，在基因組CpG二核苷酸的胞嘧啶5號(hào)碳位共價(jià)鍵結(jié)合一個(gè)甲基基團(tuán)從而形成5-甲基胞嘧啶(5-methylcytosine,5-mC)；其主要作用是沉默轉(zhuǎn)錄，抑制有害遺傳基因的表達(dá)[7]。DNA甲基化一般發(fā)生在CpG島;而非CpG甲基化則常見于胚胎干細(xì)胞。CpG島通常采用甲基化與去甲基化這兩種方式來實(shí)現(xiàn)對(duì)下游目的基因的表達(dá)調(diào)控, 其影響主要涉及損害轉(zhuǎn)錄因子的結(jié)合、匯集抑制性甲基結(jié)合蛋白或穩(wěn)定沉默基因表達(dá)等方面[8]。有研究指出DNA甲基化對(duì)基因表達(dá)的控制主要表現(xiàn)在DNA的結(jié)構(gòu)、穩(wěn)定性及基因翻譯的蛋白質(zhì)之間相互作用方式的改變[9-10]。

1.2 DNA 的去甲基化DNA 甲基化的消除又稱去甲基化，指細(xì)胞內(nèi)因缺乏DNA甲基轉(zhuǎn)移酶或其含量減少而引起DNA無甲基化修飾的一種生物反應(yīng)過程，在開啟特異性基因的表達(dá)和重編程的起始方面具有重要作用，參與了腦卒中、神經(jīng)退行性疾病或腫瘤等疾病的病理過程[11]。DNA去甲基化主要有兩種途徑，即被動(dòng)途徑和主動(dòng)途徑。被動(dòng)途徑是指持續(xù)性DNA甲基轉(zhuǎn)移酶(DNMT1)含量減少導(dǎo)致目的基因的甲基化程度降低[12]。在DNA 甲基化阻遏基因表達(dá)的過程中,黏附蛋白發(fā)揮了關(guān)鍵作用，例如核因子附著在甲基化修飾的DNA上,黏附點(diǎn)附近的DNA因不能完全甲基化從而阻斷了DNMT1的作用[13]。主動(dòng)途徑也被稱為TET-TDG途徑，是指甲基基團(tuán)在去甲基酶的作用下被除去的過程[12]。TET蛋白是生物體內(nèi)存在的一種氧化酶，其主要作用是介導(dǎo)5mC的多次反復(fù)氧化反應(yīng)。此外，5mC的氧化產(chǎn)物在胸腺嘧啶 DNA 糖基化酶的作用之下將相應(yīng)堿基切除、修復(fù)，最終可出現(xiàn)去甲基化狀態(tài)[14]。DNA的去甲基化作用與目的基因的表達(dá)之間存在一定的依存關(guān)系。

2 缺血性腦卒中與DNA甲基化之間可能存在的內(nèi)在關(guān)聯(lián)

缺血性腦卒中(ischemic stroke，IS)是指大腦動(dòng)脈血管的狹窄或阻塞引發(fā)腦組織缺血、缺氧或壞死而產(chǎn)生的一系列癥狀的臨床綜合征。缺血后DNA甲基化的變化可能具有神經(jīng)保護(hù)和神經(jīng)毒性作用，具體作用需取決于腦組織缺血損傷的程度、損傷后持續(xù)的時(shí)間及發(fā)生甲基化的部位[15]；同時(shí)，DNA甲基化在腦發(fā)育和腦損傷中的變化也被認(rèn)為是表觀遺傳調(diào)控的顯著表現(xiàn)之一；大腦組織缺血性損傷后其DNA甲基化修飾增加導(dǎo)致大量基因轉(zhuǎn)錄被抑制，進(jìn)一步加重機(jī)體的腦部損傷[9，16]。DNA甲基化在影響缺血性腦卒中的發(fā)生進(jìn)程中發(fā)揮了重要作用，蛋氨酸合成酶還原酶(MTRR)上基因發(fā)生突變導(dǎo)致啟動(dòng)子甲基化異常可以增加高同型半胱氨酸血癥患者發(fā)生IS的風(fēng)險(xiǎn)[17-18]。此外，遺傳或環(huán)境因素也可調(diào)控基因的DNA甲基化狀態(tài)從而影響腦卒中的發(fā)病機(jī)制；如不同甲基化模式的編碼蛋白磷酸酶與采用阿司匹林治療卒中患者存在著不同的影響關(guān)系，嚴(yán)重時(shí)可直接干擾腦卒中患者的預(yù)后[19]。由此可見，DNA甲基化在IS的發(fā)生、發(fā)展上具有影響作用，或許其可以成為預(yù)測IS的獨(dú)立因素。

3 DNA甲基化對(duì)缺血性卒中的影響

3.2 DNA低甲基化對(duì)IS的作用機(jī)理DNA低甲基化有助于缺血性卒中的治療。DNMT1和組蛋白甲基轉(zhuǎn)移酶可以成為缺血半影細(xì)胞的潛在蛋白質(zhì)靶標(biāo)，并且它們的抑制劑是潛在的神經(jīng)保護(hù)劑，能夠保護(hù)半影細(xì)胞免受大腦皮層的術(shù)后損傷[28]。同時(shí)，還了解到IS后期機(jī)體的耐受神經(jīng)元中將出現(xiàn)整體DNA甲基化降低，減弱甲基化修飾將有助于緩解IS；換言之，DNA甲基化阻滯劑對(duì)腦缺血具有神經(jīng)保護(hù)作用[29]。在動(dòng)物實(shí)驗(yàn)中對(duì)小鼠進(jìn)行缺血預(yù)適應(yīng)(ischemic preconditioning，IPC)治療后，許多神經(jīng)保護(hù)基因的調(diào)節(jié)區(qū)發(fā)生了廣泛的去甲基化，重新啟動(dòng)基因表達(dá)和蛋白質(zhì)合成等程序，去甲基化有利于IPC小鼠的恢復(fù)治療[30-31]。在中腦動(dòng)脈栓塞30分鐘處理的小鼠模型中DNA甲基化修飾減少；將其與DNA甲基轉(zhuǎn)移酶基因敲除的小鼠相比較，前者需要治療梗死面積比后者要小[16]，神經(jīng)保護(hù)和DNA低甲基化之間確實(shí)存在一定聯(lián)系。因此，DNA的低甲基化對(duì)缺血性卒中的恢復(fù)具有幫助作用。

3.3 DNA去甲基化對(duì)IS的作用機(jī)理研究指出，5-羥甲基胞嘧啶(5-hydroxymethylcytosine，5HmC)可能與基因去甲基化的過程有關(guān)。5HmC是5mC在TET酶的作用下氧化作用的產(chǎn)物，幾乎存在于所有的哺乳動(dòng)物基因組中，不同的細(xì)胞中5HmC的含量大有不同[14]。5HmC在中樞神經(jīng)系統(tǒng)的神經(jīng)細(xì)胞中含量最高，特別是在急性腦組織缺血性損傷之后5HmC豐度大大增加[32]。賴氨酸脫甲基酶6B(KDM6B)是一種組蛋白H3賴氨酸27脫甲基酶，作為基因轉(zhuǎn)錄的關(guān)鍵介質(zhì)。KDM6B已被證明可以調(diào)節(jié)缺血性卒中后的神經(jīng)炎癥，KDM6B介導(dǎo)的干擾素調(diào)節(jié)因子4去甲基化有助于通過相關(guān)酶的激活加劇缺血性腦損傷[33]。此外，還了解到在哺乳動(dòng)物細(xì)胞中，組蛋白的甲基化賴氨酸殘基的去甲基化是由含一個(gè)轉(zhuǎn)錄因子家族Jumonji小的特征結(jié)構(gòu)域的蛋白質(zhì)(JMJD)家族催化的。其中，JMJD3被報(bào)道為缺氧靶基因，在包括神經(jīng)元在內(nèi)的所有細(xì)胞類型的大腦中表達(dá)。在腦組織缺氧損傷時(shí)，培養(yǎng)神經(jīng)元中JMJD3的表達(dá)被上調(diào)，JMJD3通過調(diào)節(jié)Bax和Caspase-3的表達(dá)是神經(jīng)元凋亡的關(guān)鍵啟動(dòng)子，加劇了腦組織的損傷程度[34]。DNA的去甲基化修飾可以加劇IS的進(jìn)程。

4 展望

在機(jī)體缺血條件下的甲基化修飾對(duì)神經(jīng)損傷部位發(fā)揮著重要的作用，這將揭示DNA甲基化修飾可能是神經(jīng)保護(hù)的一個(gè)潛在靶標(biāo)。DNA 甲基化修飾與IS間的密切關(guān)系為此后的深入研究提供了更多的指導(dǎo)理論,基因的 DNA 甲基化修飾的異常變化可能引起IS的發(fā)生、促進(jìn)該疾病的發(fā)展進(jìn)程，或者影響它的治療及后期恢復(fù)。DNA 甲基化既可遺傳，也可因疾病影響而發(fā)生變化，探究在IS發(fā)生時(shí)DNA 甲基化的變化是遺傳因素所致，還是疾病所引起具有重要臨床意義。但當(dāng)前關(guān)于甲基化與IS的研究尚少，因此加深 DNA 甲基化與IS的研究仍然是學(xué)者們的一個(gè)重要方向，需要對(duì)大量無癥狀人群進(jìn)行前瞻性研究，以驗(yàn)證現(xiàn)有證據(jù)，探索新的途徑，確定新的風(fēng)險(xiǎn)/保護(hù)性基因座，有助于IS的預(yù)防和治療。