DNA甲基化与健康长寿的研究进展

孙　亮　杨　泽

卫生部公益性研究基金(201302008)；国家科技部十二五支撑计划项目(2012BAI10B01)

DNA甲基化与健康长寿的研究进展

孙亮杨泽※

卫生部公益性研究基金(201302008)；国家科技部十二五支撑计划项目(2012BAI10B01)

【摘要】表观遗传修饰在基因调控的过程中起重要作用，抑制疾病发生的相关基因在健康长寿的个体中可能也受到表观遗传修饰，从而参与促进健康长寿的表型。年龄相关的DNA甲基化改变，涉及到老年个体中的代谢性疾病、心血管疾病、肿瘤等增龄性疾病的发生与发展。关于长寿和延缓衰老的作用目前基于基因变异领域得到支持性的证据有限，但近年来DNA甲基化的增龄性变化模式已经得到多个人群证实贯穿于生命全程而存在，其改变受到性别和年龄阶段影响，这将是我们认识生命发生发展的重要科学突破口。但是对于DNA甲基化的发生原因和确切机制还需要未来进一步研究，未来对于认识衰老、延缓衰老，以及个体化“精准”监测衰老进程和干预疗效，将提供更为广阔的前景。

【关键词】健康长寿衰老DNA甲基化表观遗传个体化

遗传变异在解释人类长寿中的比例仅占20%～30%，但是大部分潜在的遗传学机制还并不清楚[1, 2]。表观遗传(Epigenetics)修饰在基因调控的过程中起重要作用，抑制疾病发生的相关基因在健康长寿的个体中可能也受到表观遗传修饰，从而参与促进健康长寿的表型。DNA甲基化是表观遗传学的重要组成部分，在维持细胞功能、遗传印记、基因表达的时空特异性中起重要作用[3]。年龄相关的DNA甲基化改变，涉及到老年个体中的代谢性疾病、心血管疾病、肿瘤等增龄性疾病的发生与发展[4]。通过全基因组的低甲基化和某些特定基因的高甲基化，除了有助于认识衰老过程中的机制，还有助于精准判断衰老和甲基化之间最佳的平衡关系，进一步延缓机体的衰老和阻止与衰老相关疾病的发生，也将具有重大临床应用前景[5]。

1.DNA甲基化及其表达调控意义

DNA甲基化是表观遗传学的重要组成部分，是DNA化学修饰的一种形式，通过此修饰可以在不改变DNA碱基组成的前提下，改变遗传表型，它可以在转录水平抑制基因的表达[6]。一般情况下，DNA甲基化可引起对应基因的表达失活，通过DNA甲基转移酶，形成5-甲基胞嘧啶(5-mC)，主要集中在基因5’端的非编码区及启动子区，并成簇存在形成CpG岛，并可随DNA的复制而遗传。CpG岛是CpG二联核苷富集区域，CG含量大于50%，长约200～500bp。哺乳动物DNA甲基化的模式只有5mC这一形式，真核生物中大约2%～7% 的胞嘧啶被甲基化修饰。发生甲基化后，相应的DNA序列因为与甲基化DNA结合蛋白相结合，而呈高度的紧密排列，其他转录因子及RNA合成酶都无法再结合，导致对应基因无法表达。此外，DNA甲基化模式并非静态，其很不稳定，受内环境的改变也发生动态改变，DNA甲基化程度越高，其转录活性越低。和基因表达规律一致，总的来说，结构基因中看家基因的CpG呈现低甲基化模式，80%左右基因的CpG是高甲基化的。

2.人类衰老和健康长寿可能受DNA甲基化的表观遗传调控

随着增龄发展，个体机能出现减退，体现为虚弱(frailty)和代谢性疾病、心血管疾病、肿瘤等增龄性疾病，而仅极少数人能达到国际上认可的长寿标准(年龄>90岁)。这种健康表型和寿限的个体差异，随着年龄的增长也逐渐更为显著。此外，长寿现象的家族聚集性也提示遗传因素在其中的作用[7]。Haytlick提出的生物钟学说，以及后续一系列关于遗传方面的论述都认为衰老和遗传有直接联系[8, 9]。人类的自然寿限取决于先天遗传，是按遗传安排的程序逐步进行的。在模式动物中已经识别了daf-2，daf-16及sir-2等许多长寿基因，它们在遗传上可以有利于延长模式动物的寿限，证明了长寿基因确实存在[10, 11]。对长寿基因的研究，让人们看到基因的生存调控机制如何延长寿命，以及如何增进健康[12]。

但是，在人类百岁老人及其后代个体中发现现象，并不能很好的支持在模式生物中所发现的长寿基因的作用[13]。但是，长寿老人，尤其是百岁老人，往往能逃避或延缓年龄相关疾病(如心血管疾病、老年痴呆、2型糖尿病及肿瘤等)的侵扰，且百岁老人的后代也能获得类似的生存优势，提示百岁老人可能具有独特的遗传模式逃避或延缓老年疾病的发生。目前认为，人类健康长寿的机制远比模式生物复杂，其长寿基因可能影响生命寿限，并且抑制疾病关联的基因功能；并且可能并非由常见基因变异发挥作用，起作用的可能是罕见变异[14]。但是，不能忽视的是，虽然没有直接证据表明遗传变异和长寿及老年疾病的必然关系，但环境、生活方式等因素的改善却可以促进寿限延长，外环境通过影响内环境，从而发挥对基因组的表观遗传修饰，动态贯穿人类生命全程，因而人类衰老和健康长寿可能同时受到DNA甲基化的表观遗传调控[15]。

总的来说，全基因组范围的DNA甲基化水平随衰老的进展而呈下降趋势，个别基因座的甲基化水平增加，除此之外，心血管疾病、糖尿病和癌症等衰老相关疾病发生时也会出现DNA甲基化的改变，衰老和疾病伴随DNA甲基化改变的背后是否存在内在联系，这是目前研究的热点[16～18]。

3.DNA甲基化和人类衰老及健康长寿的研究进展

中国科学院昆明动物所孔庆鹏等[19]，利用甲基化DNA免疫共沉淀测序的技术(Methylated DNA Immunoprecipitation Sequencing, MeDIP-seq)，对4对百岁老人和年轻对照的中国人进行全基因组DNA甲基化模式分析，通过5’-甲基胞嘧啶抗体特异性富集基因组上发生甲基化的DNA片段，然后通过高通量测序实现全基因组水平的高精度的CpG密集的高甲基化区域研究。结果发现626个具有显著甲基化差异的区域。进一步分析发现与这些差异甲基化区域相关的基因区域(DMRs)明显富集于衰老相关疾病，包括心血管疾病、2型糖尿病、中风以及阿尔兹海默症等。课题组还比较分析了高加索百岁老人的全基因组甲基化数据，进一步验证了该发现。不同于之前寻找长寿和衰老相关疾病共有的基因组变异的科学角度，本项研究表明，长寿老人的确拥有特殊的DNA甲基化模式，可能通过抑制衰老相关疾病易感基因的表达，延缓这些疾病的发生，促进长寿性状的产生。

北京老年医学研究所杨泽等，对中国长寿之乡广西巴马和广西永福的长寿老人也进行了健康长寿的遗传研究和全基因组DNA甲基化研究[20～24]。除基因组方面的研究工作外，他们发现人类的百岁老人都有一个共同点，即超过90%的百岁老人都是女性，通过长期研究观察当人们衰老时不同性别之间个体确实存在差异，但目前仍不清楚为何女性会活的更久一些。杨泽小组认为，性别在决定个体寿命和健康寿命上扮演着重要的角色，利用Illumina的全基因组450K甲基化芯片对比男性和女性长寿老人的全基因组甲基化差异，发现DNA甲基化模式随着衰老会以复杂形式发生改变，虽然在男女性长寿老人中平均CpG岛的甲基化水平没有显著性差异，但在特定染色体和基因中特征性识别了大量差异甲基化的探针信号(DMPs)。功能富集分析提示，这些DNA的高甲基化和低甲基化可能参与不同信号通路的生物学过程调节，包括激素调节、神经元投射和疾病相关的信号通路[20]。此外，杨泽小组的研究还发现，除了特定基因和信号通路甲基化水平随衰老出现特征性改变之外，全基因组范围的个体甲基化水平的评估，可能有助于进行人类实际年龄和衰老程度的个体化预测，从而督促人们及时转变生活方式以延缓分子老化，下一步他们将尝试通过甲基化水平预测特定疾病，并深入分析甲基化诊断是否比现有临床生理学指标更有优势，他们对研究结果表示乐观。

此外，加州大学圣迭戈分校张康教授的团队也针对个体化甲基化水平和衰老的密切联系得到突破性发现[25]。他们也采用Illumina的全基因组450甲基化芯片,对19～101岁的426例高加索人群和230例西班牙人群外周血中甲基化水平进行了测定，特征性的评估了个体化的甲基化组的实际生物学年龄，并且发现其受性别和基因组遗传变异的影响。此外，他们还发现甲基化组水平的衰老速率的个体化差异，有助于解释表观遗传学的漂变，并且在转录组学的水平反映出来。他们通过甲基化指标在基因和分子水平上对衰老进行了定量，这项研究不仅能确定一个人的生物学年龄，更有望帮助人们治疗增龄性相关的疾病。该研究是通过甲基化组准确预测年龄，而非几个关键基因。从甲基化组的分子水平上看，不同人的衰老速度明显不同，而且不同器官的老化速度也不相同，此外癌细胞的老化也与周围细胞不同。研究人者们认为甲基化组还能够显示不同个体衰老的快慢程度，而这类信息具有重要的医学价值，用于持续对患者进行评估，看治疗是否使患者更健康更“年轻”；也可以筛选能在组织或细胞水平上延缓衰老的药物分子。但是，未来需要进一步探索除外周血单个核细胞中甲基化组外，其余靶组织中随增龄出现的甲基化组改变模式，这是未来的方向。

此外，由于衰老是贯穿人类生命全程的必然过程，因而，儿科研究领域中的结果也对全面认识衰老发展特征具有重要的提示和参考作用，Stephen的团队对儿童中DNA甲基化的变化趋势做了研究[26]。虽然胚胎发育过程中的DNA甲基化有很强的可塑性，但同卵双生子研究却发现其在儿童期存在很相似的甲基化模式。通过Illumina全基因组27或450芯片，结合Pyrosequencing技术，对来自于美国13个研究中心的398例健康男性儿童(3～17岁，平均9.9岁)进行了全甲基化组分析，发现存在2078个位点上存在儿童时期的增龄性DNA甲基化改变，并经另一个78例儿童的人群得到验证。进一步基因组注释分析发现，增龄相关的去甲基化位点位于CpG岛的外侧2kb的范围，并且X染色体上增龄相关的甲基化位点更少，可能是因为男性作为X连锁的半合子的特性，使得X染色体中不易出现DNA甲基化的变异。GO分析发现儿童期的高甲基化和低甲基化的基因功能均集中于发育、免疫系统，提示DNA甲基化可能在生命早期发育过程中起重要的动态调控作用。进一步结合两项成年人的研究结果进行meta分析后发现，虽然增龄相关的位点间存在显著的重叠，但是大多数甲基化改变并非遵从生命全程的线性模式，在儿童期甲基化的改变的倍数更大，较成年人相比高3～4倍。甲基化的改变可能对儿童的作用要更高于成年人，通过认识不同年龄段人群中DNA甲基化的改变特征和模式，将最终有希望进一步为揭示DNA甲基化在健康和疾病中的作用提供数据支持[4]。

4.总结与展望

随着社会经济发展，生活水平的提高及生活方式的改变，我国目前人口呈加速老龄化。我国65岁及以上老人将从2010年的1.19亿(占总人口8.87%)增加到2050年的3.6亿(占总人口25.6%)。随着年龄不断增长，个体间的健康状态和生存期的差异也越加显著，主要受到遗传因素和环境因素的调节，因而研究健康长寿潜在的规律和调控机制具有重要意义[27]。基于基因变异领域目前没有得到支持性的证据表明其对于长寿和延缓衰老的作用，但DNA甲基化的增龄性变化模式已经得到多个人群证实贯穿于生命全程而存在，其改变受到性别和年龄阶段影响，这将是我们认识生命发生发展的重要科学突破口[28]。但是，目前对于DNA甲基化的研究还处在起步阶段[29]，对于DNA甲基化的发生原因和确切机制还需要未来进一步研究，并逐步认识生理水平和病理水平下甲基化组的全面变化，并尝试结合转录组学和基因组的变异图谱，探索内在联系，未来对于认识衰老、延缓衰老，以及个体化“精准”监测衰老进程和干预疗效，将提供更为广阔的前景。

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作者单位：北京老年医学研究所，卫生部老年医学重点试验室，北京医院100730

基金项目：北京市科技新星计划(Z121107002512058)；国家自然科学基金(30972709，81061120527，81241082, 81370445)；

doi:10.3969/j.issn.1672-4860.2015.04.003

收稿日期：2015-6-29

Advance in relationship between DNA methylation and healthy ageing and longevity(SUNLiang,YANGZe.InstituteofGeriatrics,MinistryofHealth,BeijingHospital,Beijing100730,China.)

【Abstract】Epigenetic modifications play an important role in the process of gene regulation.And inhibition of disease genes in longevity and health of individuals may have also been associated with epigenetic modifications, contributing to the phenotype of longevity and healthy.Age-related DNA methylation is involved in metabolic disease, cardiovascular disease, and cancer in elderly.The evidence is limited about genetic variations in longevity and anti-aging effect, but in recent years, the role of DNA methylation changes in human has been reported extensively throughout the entire life, which is affected by gender and age, this will be helpful to understand the nature of life.Although the reason for cause of DNA methylation and the exact mechanism still needs further research, it is still promisingto understand aging, anti-aging, and individualized “accurate” monitoring of effect of intervention.

【Key words】healthy longevity, ageing, DNA methylation, epigenetics, individualized

※为通讯作者