DNA甲基化、代谢调控与肿瘤及慢性疾病

刘 展，周志远，彭 谨，陈 伟，江 华，3，5△

(1.电子科技大学医学院，四川 成都 610054；2.四川省医学科学院·四川省人民医院创伤代谢组多学科实验室，四川 成都 610072；3.四川大学华西基础医学与法医学院组织胚胎学教研室，四川 成都 610041；4.西南医科大学生物化学系，四川 泸州 646000；5.中国医学科学院北京协和医院肠外与肠内营养科，北京 100730)

DNA甲基化、代谢调控与肿瘤及慢性疾病

刘 展1，2，周志远2，4，彭 谨2，3，陈 伟2，5，江 华1，2，3，5△

(1.电子科技大学医学院，四川 成都 610054；2.四川省医学科学院·四川省人民医院创伤代谢组多学科实验室，四川 成都 610072；3.四川大学华西基础医学与法医学院组织胚胎学教研室，四川 成都 610041；4.西南医科大学生物化学系，四川 泸州 646000；5.中国医学科学院北京协和医院肠外与肠内营养科，北京 100730)

甲基化是烷基化反应的重要类型之一，是指在底物上增加甲基或者利用甲基取代一个氢原子或基团的过程。生物系统中的甲基化是经酶催化的一种反应，参与了包括基因表达调控、蛋白质功能调节、RNA加工过程和重金属修饰等重要环节。因此对甲基化过程的认识和研究，广泛的应用于生命科学和疾病研究的诸领域，其中包括：癌症、产前诊断、感染性疾病及临床免疫、先天性疾病及获得性疾病的发生发展。

甲基化；癌症；慢性疾病

有机化学中甲基化是烷基化反应的重要类型之一，是指在底物上增加甲基或者利用甲基取代一个氢原子或基团的过程。生物系统中的甲基化是经酶催化的一种反应，参与了包括基因表达调控、蛋白质功能调节、RNA加工过程和重金属修饰等重要环节。因此对甲基化过程的认识和研究，广泛的应用于生命科学和疾病研究的诸领域，其中包括：癌症、产前诊断、感染性疾病及临床免疫、先天性疾病及获得性疾病的发生发展[1～4]。

同样已有很多研究显示，生物系统中的甲基化水平和许多重大疾病的可能病理原因存在密切联系。在生命的成长过程中，膳食习惯、环境因素或致病等因素都可改变正常的表观遗传机制，其大部分改变方式即通过甲基化[5]。尤其对于重大疾病，从发病机理上讲都有研究显示与甲基化密切相关。对这些疾病形成过程中的甲基化等表观遗传现象的认识不足，是导致在预防、诊断、和治疗等方面还存在许多疑点和难点的原因之一。因此对于甲基化的进一步研究很可能推动许多重大疾病的预防、诊断和治疗。本文针对目前较为复杂的疾病，如癌症、糖尿病、阿兹海默病(Alzheimer disease，AD)以及高血压等，探究其病理机制与甲基化本质关系进行综述。

1 甲基化与癌症

最早发现癌症与甲基化有联系是在1983年，当时发现癌细胞基因组相比正常细胞显示出低甲基化。近几年在关于癌症遗传学基础的研究，发现了癌症中DNA和染色质甲基化模式的明显改变。正常的细胞中CpG岛通常是处于非甲基化状态。但是，在癌细胞中，肿瘤相关基因启动子的这些区域发生了超甲基化，这个现象被认为是肿瘤发生过程中最为重要的表观遗传学改变。启动子的甲基化在各个类型的肿瘤发生中都有被发现，并且和转录水平的基因异常沉默有关[6]。

2001年Esteller等对涵盖了肺癌、乳腺癌、结肠癌等15种癌症的600个肿瘤标本进行分析，发现12个重要的肿瘤相关基因的启动子在癌组织中发生了甲基化模式的改变[7]。同时有研究发现过量的低甲基化和高甲基化都和一些人类癌症有关。其中低甲基化可能导致基因组不稳定；而高甲基化可引起局部基因启动子沉默，以及抑癌基因失活[8]。因为基因的甲基化模式是可遗传的，所以子代中持续的启动子沉默和抑癌基因的失活会极大的增加癌症产生的风险。

CpG岛是DNA甲基化和基因突变的高频位点。有证据显示，癌细胞中的异常高甲基化经常发生在CpG岛，而在正常体细胞中大多是未甲基化的；事实证明，许多肿瘤都有一个独特的CpG岛甲基化表型，能够增加异常甲基化发生的频率，如此就能为肿瘤细胞提供生长优势，提高基因的不稳定性，增加突变频率，并使其容易发生转移[9]。也有研究表明，关键甲基转移酶的过表达催化H3-K4或者H3-K7残基甲基化是肿瘤形成的高发过程[10]。近期美国一项临床研究发现，组蛋白甲基化在前列腺癌患者标本中比例很高。这些都表明组蛋白甲基化和癌症发生密切相关[11]。

DNA甲基化和组蛋白甲基化目前尚处于起步阶段，许多甲基化的位点及具体功能尚未明确，随着甲基化的深入研究，必将为癌症的诊断和治疗提供一种新的思路。

2 甲基化与2型糖尿病

越来越多的研究表明DNA甲基化模式的改变水平对2型糖尿病的发病有着重要影响，主要是因为2型糖尿病多为基因和各种环境因素共同参与并相互作用的结果，这些因素包括肥胖、缺乏锻炼和饮食不均等。这些因素的变化也会使DNA甲基化模式发生改变，从而极大增加2型糖尿病的发病风险[12]。

随着全基因组测序技术的深入研究，目前科学家已发现了60余个2型糖尿病的易感基因，也有研究者对胰岛细胞内DNA甲基化模式进行全基因组研究，Rönn等在其2015年的研究中对比2型糖尿病患者和正常对照组总共1649个CpG位点，共853个基因，这些基因中已知的和2型糖尿病有关的基因位点包括TCF7L2、KCNQ1、THADA、 FTO、IRS1及PPARG等，发现2型糖尿病患者和对照组相比其中102个基因的DNA甲基化水平发生改变[13]，说明2型糖尿病的易感基因的表观遗传修饰的改变是致病的潜在机制之一。

目前的研究已发现2型糖尿病患者的糖尿病易感基因DNA甲基化等表观遗传变化水平会发生改变，而且已有研究人员试图通过DNA甲基化标记物来鉴定2型糖尿病的发生风险和形成过程，这是DNA甲基化的研究对糖尿病的预防、诊断和治疗的又一重要贡献。但是正如Gillberg等2015年在一篇关于DNA甲基化对鉴定2型糖尿病的风险和形成的潜在应用一文中指出，目前关于2型糖尿病等复杂代谢类疾病的风险和形成的鉴定标记物研究较少，以甲基化为代表的表观遗传基因组的研究依旧充满挑战[12]。

3 甲基化与AD

AD的主要特征为深度的认知功能紊乱，同时伴有一系列的行为、心理和情绪的异常，且至今无有效治疗手段。曾有研究显示，即使是双胞胎也有可能呈现完全不同的AD症状，这充分说明了AD复杂的病理学特征和致病因素[14]。这项研究很可能强调了AD病因学中非基因因素的重要性，从而促使近几年转向AD表观遗传变化的研究。

早发性和家族性的AD并不常见，晚发性、零星发生的AD更为普遍，这表明AD疾病很可能是基因和环境危险因素多重作用导致的，同时伴有控制基因表达的表观遗传机制的破坏，而且可以看出很可能和年龄有关[15]。有大量证据表明随着年龄的增长，年老时人体血液中和脑中甲基化水平会发生变化，年龄相关的胞嘧啶去甲基化，对于Aβ(β淀粉样蛋白)在老年人脑内沉积有很大影响，且DNA甲基化在Aβ生成、清除及毒性相关基因的调控中发挥着重要作用。不仅如此，有研究在AD患者发现了异常的乙酰化和甲基化模式，尤其是启动子DNA甲基化的异常现象。还有研究显示，AD患者尸检发现，皮层APP基因完全去甲基化；但正常对照组或 Pick病无类似发现。在脑组织中 APP 启动子区上游-500bp 中，发现在-236 至-101 区域至少有 13% 的甲基化位点。这些证据都表明AD和甲基化有很大的关系[16]。

由于表观遗传的可逆性及 Aβ在AD发生、发展中的关键作用，以Aβ为靶点的表观遗传学治疗可能为 AD 的治疗带来曙光。而且AD 的病因尚不明确，从DNA甲基化角度探究AD，将为AD病因及发病机制的研究提供新思路。随着人口老龄化的日益加重，对AD的研究将越来越紧迫，表观遗传学的研究必将对该病的发病机制的揭示及诊治产生重要影响。

4 甲基化与原发性高血压

2013年Ash GI等的研究调查显示，每年全球有超过760万人因原发性高血压死亡[17]，然而目前其发病机制尚未明确，但有大量证据表明原发性高血压是以遗传和环境为主要因素的多因素相互作用所导致的一种复杂性疾病[18]，而无论是遗传因素还是环境因素都会不同程度地影响表观遗传修饰，DNA甲基化作为为一种常见的表观遗传修饰，近年来，通过基因DNA甲基化研究高血压疾病的发病机制受到越来越多人的关注。

有很多研究显示神经内分泌系统、免疫系统相关基因的 DNA 甲基化改变，参与了原发性高血压的发生发展[19，20]。已发现血管紧张素Ⅱ受体(angiotensinⅡ receptor，ATR)基因、11β-羟基类固醇脱氢酶-2(11β-hydroxysteroid dehydrogenase-2，11β-HSD-2)基因、内皮素转换酶1(endothelin converting enzyme-1，ECE-1)等基因发生甲基化和去甲基化会影响代谢酶和受体的表达，从而通过肾素-血管紧张素-醛固酮系统激活以及肾性水钠潴留等途径引起高血压的发生，这些基因通过甲基化调控参与了高血压病的发生和发展。

2004年Bogdarina 等关于给予妊娠期间的大鼠低蛋白饮食导致其子代肾上腺AT1b受体基因启动子发生显著去甲基化的研究[21]，以及2007年Nuyt 等关于胚胎时期有害环境导致AT1b基因启动子SP1位点去甲基化的研究[22]，均显示AT1b 基因启动子区低甲基化或去甲基化可能会导致高血压的发生。除此之外，有许多研究发现许多不同基因的低甲基化均有可能导致高血压，例如：NKCC1基因(K+-Na+-2Cl-共运转体基因)启动子低甲基化，ACE(血管紧张素转换酶基因)基因的低甲基化，ADD1(高血压病的一个候选基因)启动子低甲基化等等[23]。

随着表观遗传学的发展，将会有更多与原发性高血压发病有关的甲基化调控机制得到阐明，对这些 DNA 甲基化调控机制的深入研究使我们对原发性高血压的发病机制有了新的认识.目前国内外 DNA 甲基化研究主要局限于单一因素甲基化程度的探讨，难以揭示高血压这种多因素疾病发生发展的全面机制，所以在今后的研究中，应重视各危险因素间的共同作用与DNA甲基化水平关系的探讨，在多基因水平上进行研究注重研究的整体性，以便深入了解 DNA 甲基化调控在原发性高血压发病过程中的分子机制。

5 总结与展望

目前通过对DNA甲基化的研究，已经发现了如此多的疾病与其存在显著的相关性，同样在一些领域取得了良好的成果，但是由于基因组学和表观遗传学的复杂性，使得研究者极难窥探到这些疾病的病理机制的核心。就像1953年DNA双螺旋结构的发现，仿佛开启了可以克服一切疾病的分子生物学时代的大门，然而研究过程却远没有想象中简单。但是代谢组学的出现对生物医学的研究做出了巨大贡献[24]，同时也可能为DNA甲基化的研究提供一种新的思路。相较于基因组学、蛋白质学，代谢组学关注的是基因和蛋白质表达的最终作用产物，如果将中心法则比拟为一座金字塔，机体中的代谢物就相当于最底端。相对于代谢组学来说，DNA甲基化等表观遗传学的研究都处于基因或者蛋白质层面的顶端。如果能够通过结合代谢组学和甲基化研究方法，将金字塔顶端和终端结合在一起，完整的看待一个疾病或生化反应从产生到成型的具体演变，无疑是DNA甲基化研究的新的方向。

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DNA methylation，metabolism regulation and tumour，chronic disease

LIU Zhan，ZHOU Zhi-yuan，PENG Jin，CHEN Wei，JIANG Hua

四川省中医药管理局科研项目(编号：2010-93)

R-1

B

1672-6170(2017)05-0253-03

2017-02-19；

2017-07-11)

△通讯作者