炎症性皮肤病的DNA异常甲基化

龙嘉 许翠 杨佳 李黎明 蒋明军

炎症性皮肤病的DNA异常甲基化

龙嘉 许翠 杨佳 李黎明 蒋明军

DNA甲基化是一种重要的不改变DNA序列，但可影响基因表达水平并遗传的表观遗传学事件。随着DNA甲基化检测方法的日趋完善，有越来越多的研究表明，DNA异常甲基化与炎症性皮肤病相关。有研究证实或提示，DNA异常甲基化可能与多种炎症性皮肤疾病的发病机制密切相关，如银屑病、系统性红斑狼疮、特应性皮炎、系统性硬皮病，其他尚包括雄激素性脱发、慢性湿疹和天疱疮等，但研究并不能清楚地解释异常的甲基化模式如何在疾病中发挥具体的生物学作用。随着研究的深入，可对相关疾病的研究提供新的思路。

银屑病；红斑狼疮，系统性；皮炎，特应性；硬皮病，系统性；DNA甲基化

DNA异常甲基化在包括皮肤病在内的多系统恶性肿瘤中的作用已得到广泛证实［1］。针对多种非肿瘤性疾病的研究表明，DNA异常甲基化亦在疾病中发挥了作用。有证据表明，阿兹海默患者的海马内有DNA异常甲基化和羟甲基化改变［2］，动脉粥样硬化亦与DNA异常甲基化相关［3］。

1 表观遗传学与DNA异常甲基化

表观遗传学指一系列不改变DNA序列，但仍然可以影响基因表达并可遗传的修饰过程。主要包括DNA甲基化、组蛋白修饰等，其可建立一个复杂的调控网来控制基因组的功能［4］。

DNA甲基化是指胞嘧啶转化为5甲基胞嘧啶

（5mc）的过程［5］，5mc 多见于 CpG 岛，其与基因印迹、基因再编码和稳定性、细胞分化、X染色体失活、转位子沉默、RNA拼接、DNA修复等重要功能相关，故又称为“第五碱基”。常见的DNA异常甲基化模式有高甲基化改变、DNA甲基转移酶（DNMT）家族异常表达和低甲基化改变。启动子区高甲基化改变可以通过抑制RNA转移酶Ⅱ的绑定和转录或者通过招募核小体共抑制因子，从而干扰转录机制导致基因表达沉默［1，6］。DNMT 家族可以催化 DNA 甲基化进程，DNMT1维持已建立的甲基化模式（维持甲基化），而DNA甲基化转移酶3A及DNMT3B则与使未甲基化的CpG岛产生新的甲基化相关（从头甲基化）［5］。低甲基化改变可以导致染色体的稳定性降低，激活内生的逆转录病毒因子，使沉默的基因重新表达［1］。

2 DNA甲基化检测方法

2.1 DNA甲基化的检测层面：目前甲基化的检测主要从3个层面展开，①基因组甲基化水平分析：能够明确检测出目的序列中所有CpG位点的甲基化状况，但无法对甲基化位点进行定位；②候选基因甲基化分析：可以就已给出的目的基因进行DNA甲基化位点的定位，但无法对未知的可能存在甲基化改变的基因片段进行探索；③全基因组范围的DNA甲基化模式与甲基化谱：可用于全基因组的DNA甲基化分析及定位,其中DNA甲基化测序可以实现对未知DNA异常甲基化的探索，因而在前沿的生物科学及医学研究中广泛应用。

作者单位：210042南京，中国医学科学院 北京协和医学院 皮肤病研究所中心实验室

2.2 DNA甲基化测序方法：甲基化测序方法可分为两类［7-8］：第一类是基于亚硫酸盐转化的方法；第二类是基于富集的方法。第一类方法可以对单个碱基进行分辨，可获得精确的目的基因甲基化改变位点，故被认为是甲基化检测的“金标准”；第二类方法基于富集技术，富集方法的优点是在覆盖全基因组的CpG检测中成本比第一类方法更低，但是也降低了分辨率。其潜在优势在于4种核苷酸均被保留，这增加了可映射序列的读出速率，且有利于基因型和表观型进行相对应的匹配。

3 炎症性皮肤病中的DNA异常甲基化

3.1 银屑病:特征是表皮角质形成细胞发生强烈的增殖及异常的分化，这一病理过程的发病机制被认为与银屑病患者T细胞、树突细胞、炎症性细胞因子有关［9］。越来越多的研究表明，包括DNA异常甲基化在内的表观遗传学修饰在该病中起到了一定作用。

研究表明，银屑病患者的CD4+T细胞的某些基因（如 PPAPDC3、TP73、FANK1、CATSPERS2等）的启动子甲基化水平均高于正常对照［10］。30%银屑病患者中，p16INK4a基因（一种抗细胞凋亡基因）启动子高甲基化，这类患者的疾病活性［银屑病面积和严重程度指数（PASI）］比无p16INK4a异常甲基化的患者增高，且前者mRNA表达显著低于后者［11］。与p16INK4a基因发挥协同作用的p14ARF基因，同样发现在银屑病皮损中有高甲基化改变［12］。此外，在寻常性银屑病皮损中发现，金属蛋白酶组织抑制剂（TIMP）2基因和程序性细胞死亡分子5（PDCD5）基因高甲基化，而mRNA表达显著降低，TIMP2基因和PDCD5基因甲基化水平与PASI得分正相关［13］。银屑病患者的p15及p21基因启动子区低甲基化，同时其骨髓中高增殖潜在集落细胞较健康对照降低，这种集落形成能力的减低与p16基因启动子的低甲基化相关［9］。SHP-1基因具有调控生长及增殖过程的功能，含有2个启动子区，在银屑病患者的角质形成细胞中，第2启动子被发现有明显的低甲基化改变［14］。此外还有许多研究表明，银屑病的发病机制与DNA异常甲基化相关，这些异常甲基化涉及表皮分化、增殖、免疫、细胞周期、细胞凋亡、炎症反应、以及干扰素（IFN）γ和肿瘤坏死因子（TNF）α信号传导［15］。

3.2 SLE：是一种系统性自身免疫性疾病，可累及肾脏、血管、关节、皮肤等多个系统，其90%的患者为女性。其发病机制尚不明确，但随着表观遗传学的发展，已有一些研究表明与DNA异常甲基化相关。有证据表明，SLE患者的淋巴细胞表现出全基因组的低甲基化和局部特殊基因的高甲基化。如有文献证实，在动物模型及狼疮T细胞中有相同的去甲基作用发生。在DNA、mRNA、蛋白质及功能4个水平中，至 少 有 4 种 基 因 （ITGAL、TNFSF7、CD40LG 和PRF1）作用于T细胞自身反应、B细胞过度激活及巨噬细胞杀伤活动。DNA低甲基化T细胞在动物模型上可致狼疮样疾病发生。在特发性狼疮及肼苯哒嗪导致的狼疮中，DNA低甲基化不能使有丝分裂期的DNMT1上调。由于细胞外调节蛋白激酶通路信号缺失，敲除磷酸烯醇式丙酮酸羧激酶δ和蛋白激酶Cδ基因的小鼠发生狼疮，提示T细胞DNA甲基化缺陷可能是有遗传缺陷个体罹患狼疮的机制之一［16-17］。

Jeffries等［18］通过高通量甲基化阵列对SLE患者T细胞的甲基化状况进行研究，发现有236个低甲基化位点和105个高甲基化位点。低甲基化基因包括 ADAMTS1、ALX4、CD9、ESRRA、FGF8、HOXA13、HOXD11、MMP9、MSX1、PDGFRA 和 SOX5 等，均涉及结缔组织的发育，而高甲基化基因均涉及叶酸合成。Guo等［19］的研究同样提示，在SLE患者的CD4+T细胞中有异常的DNA甲基化及组蛋白修饰。在CD4+T细胞中，高表达的蛋白磷酸酶2通过影响MEK/细胞外调节蛋白激酶通路使DNMT1的表达下调，继而减少CD70启动子去甲基化，并导致CD70过度表达；GADD45α基因和高迁移率族蛋白B1结合，导致CD11a和CD70启动子的甲基化减少；RFX1通过募集 SUV39H1，DNMT1和组蛋白去乙酰化酶1到启动子来影响CD11a和CD70的表达；CREMα募集组蛋白去乙酰化酶1和DNMT 3A至白细胞介素（IL）2启动子区，以抑制其表达。

值得注意的是，在 2015 年 Coit等［20］对 SLE 患者中性粒细胞的全基因组甲基化分析发现，中性粒细胞和同源的低密度粒细胞内的IFN信号基因均表现为去甲基化作用持续增强，而细胞骨架调节基因RAC1在同源低密度粒细胞至少有1个CpG岛低甲基化。

这些研究均证明，在SLE患者体内存在DNA异常甲基化的改变，进一步的表观遗传学研究将为其致病机制的探索、临床治疗方法的进步提供帮助。

3.3 特应性皮炎：病理特征是T细胞浸润以及嗜酸性粒细胞产物聚集［16］。研究提示，高水平IgE特应性皮炎患者的外周血中，单核细胞的DNMT1转录显著降低，T细胞的DNA低甲基化导致IL-4产生增加，从而刺激B细胞产生IgE。甲基化敏感的免疫相关基因发生低甲基化改变，增强了表皮的免疫反应，激活了与T/B细胞相互作用及炎症反应相关的基因，可以引起持续的自体免疫反应［17］。对特应性皮炎患者的单核细胞的基因组DNA甲基化水平的研究表明，其单核细胞表现为基因组水平低甲基化。

FCER1G基因启动子区也表现出基因座专一的低甲基化，这种低甲基化与FCER1G基因的表达负相关，进一步的研究表明，FCER1G基因的特殊调控因子的低甲基化导致特应性皮炎患者单核细胞的FcRⅠ过表达［21］。胸腺基质淋巴细胞生成素（TSLP）在促进T细胞内平衡、过敏反应（特别是在哮喘及过敏性皮炎）中起重要作用，研究表明，在急性或慢性特应性皮炎患者的表皮角质形成细胞中有TSLP高表达，其特殊调控区域发生的DNA去甲基化作用可能是导致胸腺基质淋巴细胞生成素在特应性皮炎患者皮损中高表达的原因［16］。

近期也有不同的研究指出，在特应性皮炎患者的全血、T细胞、B细胞中未发现明显的表观遗传学差异，仅皮损处有DNA甲基化差异，这些DNA异常甲基化可改变表皮分化及自身免疫应答相关基因的转录水平［22］。

3.4 系统性硬皮病：免疫异常导致了皮肤及内脏器官过量的胶原蛋白沉积、纤维化及小血管受损。纤维化是系统性硬皮病的主要组织病理学改变，有研究表明，这样的纤维化改变与组蛋白修饰及DNA异常甲基化相关。在系统性硬皮病的成纤维细胞中，抗纤维化基因FLI1的启动子高甲基化，可导致其转录受到抑制。此外，使用DNA甲基化转移酶抑制剂可减少硬皮病的成纤维细胞释放胶原蛋白、增加FLI1 的转录［23］。

3.5 其他:此外，尚有多种炎症性皮肤病可能与DNA异常甲基化相关。如针对雄激素脱发患者的研究发现，较枕部而言，顶部毛囊雄激素受体基因的启动子区DNA甲基化水平明显升高，但该研究并未证明雄激素受体基因甲基化水平升高与雄激素受体表达的水平正相关［24］。慢性湿疹皮损中的分化抑制剂4启动子的甲基化水平明显升高［25］，并且丝聚蛋白基因发生DNA异常甲基化可形成功能缺失的丝聚蛋白变体，导致罹患湿疹的风险增加［26］。天疱疮患者外周血中单核粒细胞的DNA甲基化水平DNMT1表达水平明显增高，甲基化核苷酸结合域蛋白3表达受到抑制，天疱疮患者的皮损中的5mc明显增加，这些表观遗传学改变都可能是导致天疱疮的病态免疫反应的原因［27］。

4 结语

由于DNA甲基化位点数量巨大，调节通路及机制复杂，甲基化位点改变后基因表达差异复杂，目前对于DNA异常甲基化研究仍面临巨大挑战。但是随着研究的深入，尤其是全基因组测序方法的进步，对DNA异常甲基化的研究正不断进展。

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Aberrant DNA methylation in inflammatory skin diseases

Long Jia,Xu Cui,Yang Jia,Li Liming,Jiang Mingjun.Central Laboratory,Institute of Dermatology,Chinese Academy of Medical Sciences and Peking Union Medical College,Nanjing 210042,China

DNA methylation is an important epigenetic event leading to heritable changes in gene expression without alterations in DNA sequence.With the development of techniques for detection of DNA methylation,more and more studies have indicated that aberrant DNA methylation is associated with various nonmalignant tumors.In addition,it has been demonstrated or implied that aberrant DNA methylation is closely related tothe pathogenesis of manyinflammatory skin diseases,such aspsoriasis,systemiclupus erythematosus,atopic dermatitis,systemic scleroderma,androgenetic alopecia,chronic eczema,pemphigus,etc.However,it is unclear how aberrant DNA methylation patterns play their biological roles in these diseases.Further in-depth studies will provide new clues for investigations into related diseases.

Psoriasis;Lupus erythematosus,systemic;Dermatitis,atopic;Scleroderma,systemic;DNA methylation

Jiang Mingjun,Email:Drmingjunjiang@163.com

2015-03-19）

10.3760/cma.j.issn.1673-4173.2016.01.005

蒋明军，Drmingjunjiang@163.com

本文主要缩写：5mc：5甲基胞嘧啶，DNMT：DNA甲基转移酶，PASI：银屑病面积和严重程度指数，TIMP：金属蛋白酶组织抑制剂，PDCD5：程序性细胞死亡分子 5，IFN：干扰素，TNF：肿瘤坏死因子IL：白细胞介素，TSLP：胸腺基质淋巴细胞生成素