DNA甲基化与心力衰竭

周云国，洪葵

·综述·

DNA甲基化与心力衰竭

周云国，洪葵

心力衰竭（简称心衰）是危害人类健康的一类重要疾病，可明显缩短寿命、降低患者生活质量。虽然药物治疗可缓解患者症状，延长患者生命，但其发病率和病死率仍然居高不下。因此，探究心衰的分子机制及特异性治疗措施已成为当今研究热点，尤其是心衰表观遗传学改变的研究越来越受到重视，其中 DNA 甲基化备受关注。以往研究发现动脉粥样硬化患者雌激素受体 α（ER-α）等抗增殖基因高甲基化，使血管平滑肌异常增生，促进动脉粥样硬化的发生[1]。11β-羟类固醇脱氢酶（11β-HSD2）选择性地表达在醛固酮受体组织，主要作用就是抑制非选择性盐皮质激素激活导致体内钠潴留，进而影响血压的变化。编码 11β-HSD2 的基因 HSD11B2 的启动子区和第一个外显子区高度甲基化，可使相应组织和细胞的 11β-HSD2 表达减少。在体外人体细胞和大鼠体内细胞中，使用去甲基化药物 5-氮-2′-脱氧胞苷和普鲁卡因胺可以促进 11β-HSD2 的转录，进而增强11β-HSD2 活性。可见，HSD11B2 基因的甲基化与高血压有密切关联[2]。虽然表观遗传学研究发现组蛋白的修饰与心肌病理性增长、重构以及心衰有关联[3-4]，microRNA 能调节细胞增殖、分化、坏死，可以改变心血管疾病中一些基因的表达，与心肌肥大以及心衰的发生、发展有重要关系[5-6]；但是对于 DNA 甲基化与心衰的关系却知之甚少，而明确DNA 甲基化与心衰的关系问题，将有望为心衰提供一个新的治疗策略。现本文就相关研究进展予以综述。

1 DNA 甲基化及其作用

在基因组中除了 DNA 和 RNA 以外，还有许多调控基因的信息分子，它们虽然本身不改变基因的序列，但是可以通过对基因 DNA 和组蛋白的化学修饰、RNA 干扰以及蛋白质与蛋白质、DNA 和其他分子的相互作用，而影响和调节基因的功能和特性，并且通过细胞分裂和增殖周期遗传给后代，这就是表观遗传学（epigenetics）。其主要包括X 染色体剂量补偿、DNA 甲基化、组蛋白密码、基因组印记、表观基因组学等[7]，其中以 DNA 甲基化研究最多。DNA 甲基化是表观遗传学中研究最为深入的一种机制，它是一种酶介导的化学修饰过程，即在 DNA 甲基转移酶（DNA methyltransferase，DNMT）的作用下，将 1 个甲基添加至基因组 CpG 二核苷酸胞嘧啶的 5′-C 上，形成 5-甲基化胞嘧啶（5-methylcytosine）。DNA 甲基化主要发生在基因的启动子区和第一个外显子区的 CpG 岛（CpG island）区域，CpG 岛主要位于转座子和基因启动子区域，含有60％ ～ 70％ 的 CpG，CpG 与 GpC 的比值至少高于 0.6[8]。DNA 甲基化通常与转录的起始有关，DNA 甲基化后核苷酸顺序未变，但基因表达却受到明显影响。DNA 甲基化调控基因表达的机制为：①干扰转录因子对 DNA 元件的识别和结合；②将转录因子的 DNA 识别序列转变为阻抑物的识别序列；③ DNA 甲基化有利于招募染色质重塑或修饰因子[9]。同时，DNA 甲基化随着年龄的增长，其个体改变会出现明显差异。如 Fraga 等[10]发现具有共同基因型的同卵双生儿，在幼儿时 DNA 甲基化无明显的差异，但是随着年龄的增长其 DNA 甲基化明显不同，并进而导致基因的差异性表达。

2 Ca2+-ATP 酶（SERCA）对心衰的作用

2.1 SERCA 与心肌正常收缩

心肌细胞的收缩由 L 型钙通道 Ca2+内流以及细胞内质网 Ca2+释放介导完成，影响细胞内质网 Ca2+摄取的两个关键因素是内质网 SERCA 和磷酸受钙蛋白（phospholamban，PLB）。SERCA 是一类高度保守的跨膜蛋白，由 SERCA1、SERCA2、SERCA3 三种高度同源基因编码。SERCA1 主要存在于骨骼肌中，分 SERCA1a 和 SERCA1b 两个亚型。SERCA3 主要存在于上皮内皮系统中，对 Ca2+的亲和力较低。SERCA2 也分为两个亚型：① SERCA2a 主要在心肌和骨骼肌慢肌纤维中大量表达，表达量是其他组织的 10 ～50 倍；它是一种 P 型离子激活型 ATP 酶，当细胞内 Ca2+浓度 ＞ 10-7mol/L 时即被激活，通过消耗 ATP 从而将 Ca2+逆浓度梯度由细胞质泵入至细胞内质网内。② SERCA2b 被认为是一种管家基因，存在于体内各种细胞中，其主要作用是维持细胞内 Ca2+浓度的稳定。

2.2 SERCA2a与心衰

心肌细胞在一次收缩后细胞质内大部分的 Ca2+通过SERCA2a 被泵回至细胞内质网内，少部分经 Na+-Ca2+交换和肌细胞膜表面的钙泵排至细胞外。SERCA2a 的水平是Ca2+浓度稳定和心肌收缩的重要决定因子，其对于心肌舒张和 Ca2+存储的补充以及心肌再次收缩和收缩功能都具有重要作用。研究显示，SERCA2a 在心肌中表达量的升高或降低与心功能的改变成正相关[11]。SERCA2a 蛋白的表达量可直接影响心肌的正常功能，而其表达量则决定于SERCA2a 基因的表达。很多研究证实心衰晚期 SERCA2a 的 mRNA 和蛋白减少；动物心衰模型以及人类心衰心肌中也均可见 SERCA2a 表达下降[12-13]。Schultz 等[14]研究认为SERCA2a 的降低可以促进心衰，SERCA2a 在增强心功能的同时还可抑制心肌重构。心脏移植晚期患者的 SERCA2a转运功能明显下降，研究数据显示当抑制 SERCA2a 蛋白量及其活性降低至某一临界数值时（例如蛋白量及其活性降低 35％ 时）即可以促进心衰的发生发展。但是关于SERCA2a 与心衰发生的因果关系及其具体机制尚有待研究探讨。

2.3 肿瘤坏死因子与心衰

在过去的 20 多年里，大量研究证明炎症反应是慢性心衰疾病恶化的一个重要原因，并在心衰发病机制中占有重要作用[15]。心肌能合成细胞因子，从而导致体内炎症反应维持在低水平状态，因此这些细胞因子的浓度水平可提示疾病的预后；然而包括肿瘤坏死因子-α（TNF-α）在内的细胞因子活性抑制剂的临床疗效却始终不甚理想[16]。TNF-α 浓度在各种心血管疾病的心肌和血液中均明显升高，心功能I 级患者的 TNF-α 浓度低于心功能 II、III 级患者；此外，TNF-α 与射血分数、心功能、冠心病、慢性肾衰竭等变量成负相关，可以作为稳定性心衰患者病情严重性和病死率的独立评估因素[17]。Kubota 等[18]在实验中将能编码 TNF 受体 IgG（TNFRI）融合蛋白的腺病毒经静脉注入 6 周龄的转基因小鼠体内，导致 TNFRI 在血浆和心肌中高表达，结果心肌炎症反应明显降低，同时心肌内细胞间黏附分子-1 （intercellular adhesion molecule-1）以及细胞因子 IL-β、MCP-1 等表达受阻，SERCA2a 和受磷蛋白浓度显著上调，从而使左心室直径增大发生逆转。此外，TNF-α 还可下调SERCA2a 的表达，影响 Ca2+浓度的稳定，而通过应用抗TNF药物治疗可以逆转 SERCA 的表达，但是关于 TNF 下调 SERCA2a 表达的具体机制尚不明确[18-19]。

3 相关基因甲基化与心衰

基因启动子区域 CpG 岛的甲基化可以通过与转录因子竞争或者干扰转录因子的正常结合而抑制基因转录，SERCA2a 的近端启动子区域含有 CpG 岛，CpG 岛的甲基化可以调控 SERCA2a 蛋白的表达和活性进而影响心肌Ca2+浓度的稳定性以及心肌功能。最近研究发现 TNF-α 是通过促使 SERCA2a 启动子区甲基化而抑制 SERCA2a 基因的表达，进而导致 SERCA2a mRNA 及其蛋白表达下降以及钙瞬变的减少，破坏细胞内 Ca2+浓度的稳定性，促进心衰，而甲基化抑制剂则可明显降低这种由 TNF-α 所介导的高甲基化作用[20]，同时此结果也表明，抑制 TNF-α 介导的高甲基化作用今后将有可能成为治疗心衰的一个新策略。另外，最近 Movassagh 等[21]在实验中研究分析了心衰晚期患者心脏移植手术后的心脏组织样本，并将其与同龄因交通事故死亡者的健康心脏组织样本进行了比较，其中 6 例来源于交通事故死亡的正常男性心脏的左心室组织作为正常对照组，8 例因心肌病晚期导致心衰而进行心脏移植手术的男性患者心脏的左心室组织作为实验组，提取 2 组基因组 DNA，进行 qPCR、免疫沉淀实验检测，结果鉴定出与3 个心肌病差异性 DNA 甲基化区域有关的 3 个基因，即AMOTL2、ARHGAP24 和 PECAM1；然后采用 qPCR 技术检测它们的转录物，结果发现实验组与正常对照组比较，这 3 个血管生成相关性基因位点的 DNA 甲基化率差异具有统计学意义：①实验组 PECAM1 基因的 5' 端区域甲基化率明显高于对照组，而其 PECAM1 基因的表达下降；②实验组 AMOTL2 基因的基因主体低甲基化，AMOTL2基因表达下降；③实验组 ARHGAP24 基因的基因主体高甲基化，相应的基因表达也升高。可见，PECAM1 基因甲基化率与该基因的表达成负相关，AMOTL2 和 ARHGAP24基因的甲基化与该基因的表达成正相关。进一步分析左心室组织这 3 个基因的基因表达与差异甲基化的关系，正如预想结果，5' 端区域甲基化与基因表达成负相关，基因的甲基化与基因表达成正相关。重要的是，虽然 AMOTL2 和ARHGAP24 基因在扩张型心肌病中的基因表达相反，但是两者的甲基化和基因表达成正相关。

4 展望

已有动物模型实验研究证明，小鼠基因甲基化与心衰相关[20]；而尽管人类疾病研究也发现心衰患者与健康人群心肌的甲基化状态明显不同[21]，但关于甲基化与心衰的关系还有诸多疑点有待进一步研究解决。例如，Kao 等[20]虽然研究探讨了 TNF-α 对心房心肌细胞的作用，但也有可能TNF-α 对心室肌细胞的作用与其不同；而且这仅为体外实验结果，体内实验结果尚属未知；此外，TNF-α 只有在较高浓度（50 ng/ml）才可以诱发 DNA 甲基化，并且实验采用小鼠心肌细胞，人体心肌细胞结果同样未知。Movassagh 等[21]实验虽然发现心衰患者心脏与正常人群心脏 DNA 甲基化存在差异，但尚无法证实 DNA 甲基化与心衰具有因果关系。而 DNA 甲基化可能是环境、饮食与心衰和其他疾病发展的中间环节之一[10, 21]，是外因和内因的综合结果[10]。上述种种均需要我们在现有研究的基础上更深入地进行探索阐释，同时进一步明确具体哪些基因的高甲基化或低甲基化与心衰的发生发展相关。可喜的是，现有研究已发现基因DNA 甲基化与心衰相关，这必将为今后心衰临床治疗提供新的靶点。

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10.3969/cmba.j.issn.1673-713X.2011.06.014

330006 南昌大学第二附属医院心内科

洪葵，Email：hongkui88@163.com

2011-05-12