衰老与DNA甲基化

衰老体现在生理完整性的逐步丢失,导致功能衰退,并提高死亡的风险性。衰老是癌症、糖尿病、心血管疾病和神经退行性疾病等的主要危险因素。表观遗传是指不改变DNA的序列但基因表达却发生可遗传的变化,在人类生长发育和细胞分化过程中发挥着重要的作用。DNA甲基化作为其重要组成部分之一,与衰老及其相关疾病有着密切的关系。本文就DNA的甲基化与衰老的研究进展做一综述。

1 CpG岛与DNA甲基化模式

S-腺苷甲硫氨酸(SAM)为供体,将甲基转移到胞嘧啶的C-5位上，形成5-甲基胞嘧啶(5mc),这一过程是在DNA甲基转移酶(DNMTs)的催化下进行的。目前已在哺乳动物体内发现多种DNA甲基转移酶家族成员,其中起最主要作用的包括DNMT1、DNMT3A和DNMT3B。对于未发生甲基化修饰的DNA片段,DNMT3A和DNMT3B具有从头合成DNA甲基化的能力。DNMT3B基因突变可以引起ICF综合征,即以免疫缺陷、着丝粒不稳定和面部异常为特征的常染色体隐性遗传病。利用RT-PCR技术,Auclair等[1]发现在早期外胚层细胞DNMT3A和DNMT3B的mRNA水平与全基因组的甲基化程度相一致,且DNMT3B表达量要相对高于DNMT3A。同时发现相对于DNMT3A的失活,DNMT3B的缺失会导致更大幅度的低甲基化水平,提示DNMT3B在胚胎发育DNA甲基化过程中发挥更重要的作用。DNMT1则主要在维持DNA甲基化过程中起重要作用,即将DNA甲基化模式从亲代DNA链复制到子代。

哺乳动物DNA中约有70%～80%的CpG是甲基化的,并且主要集中于CpG稀少区域和重复序列中,主要包括:长散在重复序列(LINEs)、短散在重复序列(SINEs)、长末端重复转座子(LTR)和邻近着丝粒区域的卫星DNA重复序列。CpG岛是一段富含CpG二核苷酸主要集中启动子和外显子区域的序列。与基因组整体CpG甲基化不同,CpG岛往往是非甲基化的。因为未甲基化的胞嘧啶容易脱氨基转变为尿嘧啶,机体尿嘧啶DNA糖苷酶可以修复这个突变并恢复成胞嘧啶。但甲基化的胞嘧啶脱氨基后形成胸腺嘧啶,因为哺乳动物体内原本就存在胸腺嘧啶不能及时修复,会导致大量胞嘧啶向胸腺嘧啶的转变,这也被认为是包括人在内的哺乳动物体内CpG二核苷酸序列水平较低的原因。而CpG岛正因为其低甲基化水平,故可以保持进化过程中的稳定性。虽然哺乳动物的甲基化主要存在于CpG二核苷酸序列中,但近年来，越来越多的研究表明,非CpG位点的甲基化也参与基因表达调控,包括CpA、CpT及CpC[2]。

2 衰老过程中DNA甲基化水平变化

分化细胞的稳定性是高等生物的重要特征之一,然而在生命的不同阶段,生物体DNA甲基化发生着剧烈的变化。

2.1 全基因组5-甲基胞嘧啶发生增龄性含量减低 一项旨在研究老化、环境和个体内在变化对表观遗传影响的研究发现,无论是在组织还是全血中,受试者非CpG岛的DNA甲基化水平随着年龄增长显著降低[3]。Heyn 等[4]利用全基因组重亚硫酸盐测序(WGBS),比较了新生儿的脐带血与百岁老人外周血的CpGs甲基化水平,发现基因组整体甲基化水平有随年龄增长而降低的趋势,这一变化存在于包括启动子、外显子、内含子和基因间区在内的全部基因组分中。

2.2 某些特异性基因中5-甲基胞嘧啶发生增龄性含量增加 除了广泛的全基因组的低甲基化变化外,部分衰老还表现为DNA甲基化的增强。Johnson等[5]利用两个基因表达数据库(GSE32393和GSE31979),在正常乳腺组织中共发现了204个与衰老具有显著相关性的CpG位点,其中发现位于基因IGFBP3和CSNKIG2的CpG位点甲基化水平随年龄增长而显著上升。同时与正常乳腺组织相比,乳腺肿瘤中这204个CpG位点也同样观测到甲基化水平上升。其中,IGFBP3蛋白可以通过与IGF-1结合阻断其抗凋亡作用,因衰老过程中其编码基因超甲基化而导致的蛋白水平的下调,可以增加乳腺癌的风险。

随着对甲基化研究的不断深入, 各种各样甲基化检测方法被广泛应用,其中包括WGBS[6]、甲基化DNA免疫共沉淀测序[7]和基因芯片技术[8]等。利用这些检测技术发现了衰老过程中某些基因的启动子序列发生的不同程度的DNA超甲基化, 这些基因包括肿瘤抑制基因(p16、APC、RUNX3[9])、参与新陈代谢的基因(HIF3A、FTO[10-11])、凋亡相关的基因(RASSF1[12])等。

3 DNA甲基化作为衰老的生物标志物

随着对DNA甲基化与衰老之间关系的不断深入研究,如何将DNA甲基化应用到预测人类寿命中引起了研究者们的广泛关注。分子生物学、基因组学和表观遗传学等学科的发展为研究衰老有关的生物标志物提供了可能。

利用弹性网络回归算法,Horvath[13]分析了不同组织的CpG位点甲基化水平,发现了353个衰老相关的CpG作为表观遗传时钟,可以较为精准地预测年龄。运用相同的算法,Hannum等[14]对来自于656个年龄波动范围较宽(19～101岁)的血液样本进行了分析,发现了71个CpG标志物。另一项基于血液的研究也发现了99个可以准确预测年龄的甲基化位点,利用这些位点预测的生物学年龄与实际年龄的平均绝对偏差(MAD)仅为4.12年[15]。在校正了性别和年龄因素后,年龄偏差超过5年会使发生死亡的风险增加21%[16]。目前表观遗传在衰老和死亡中的准确作用尚不清楚,需要进一步研究解答这些问题。

以上研究证实了甲基化DNA可以加速衰老,影响预期寿命。通过两组人群的推导和验证研究,Zhang等[17]证实了以上研究结果,并发现特定的CpG位点与预期寿命显著相关,但是这些位点在老化过程中呈低甲基化状态。更多的特异性甲基化位点分析方法,比如焦磷酸测序、核算质谱分析系统等可能会使研究结果更精准[18]。

4 DNA甲基化与衰老相关性疾病

虽然DNA甲基化模式随年龄增长发生着广泛的演变,但只有一部分基因与衰老相关性疾病有关。目前研究最多的就是癌症,低甲基化状态DNA会降低基因组的稳定性和增加染色体畸变率。但是特定基因的超甲基化可能增加癌症的易感性,比如细胞质膜微囊蛋白-1基因(CAV-1)[19]、胰岛素生长因子-1(IGF-1)[20]等。DNA甲基化参与氧化应激、线粒体功能障碍、炎症反应及凋亡蛋白等多个生物过程的调控。这些调控发生在部分脑区的神经网络中,往往会表现为认知功能行为学的损害。

4.1 DNA甲基化与阿尔茨海默病 阿尔茨海默病(Alzheimer’s disease,AD)是最常见的神经退行性疾病,其病理特征表现为老年斑和神经元纤维缠绕。Di Francesco 等[21]发现,AD病人外周血单核细胞甲基化水平与认知功能呈负相关;AD病人DNA超甲基化与较高的DNA甲基转移酶1(DNMT1)基因表达和蛋白质水平相平行,且甲基化水平与APOEε4等位基因的存在有关。然而,DNA甲基化水平与AD病理变化的关系是复杂的。比如,AD病人的内嗅皮层[22]、颞叶皮层[23]和海马体[24]基因组DNA甲基化水平降低,这些脑区在学习、记忆和情感等方面有重要作用,从而导致认知功能障碍。但另有研究在AD病人相同脑区却观察到相反的DNA甲基化结果[25-26],这可能与样本量的不足以及不同的组织处理方法和检测流程有关。

同时,众多研究证实β-淀粉样蛋白(Aβ)代谢及tau相关基因受到DNA甲基化的调控[27-29]。利用重亚硫酸盐测序(BSP)和甲基特异性PCR(MSP)等相关技术, Hou等[30]发现,与对照组相比,AD病人外周血淀粉样前体蛋白(APP)基因呈明显去甲基化水平,而沉默信息调节因子2同源蛋白1(SIRT1)呈超甲基化,结合既往研究，推测APP mRNA的高水平表达和SIRT1 mRNA的低水平表达共同促进了AD的病理发生。Yu等[31]通过对招募到的740个受试者的背外侧前额叶皮层进行研究,发现AD病人SORL1、ABCA7、HLA-DRB5、SLC24A4和BIN1 的甲基化水平发生了显著的变化,Aβ可以降低全基因组DNA甲基化水平,但增加脑啡肽酶甲基化水平,从而影响基因转录活性。其中发现SORL1、ABCA7的高表达与神经原纤维缠结显著相关,一种可能的解释是这些基因过度表达,以回应AD病理学引起的神经炎症和退化。

4.2 DNA甲基化与帕金森病(PD) PD被认为是基因变异和环境基因相互作用产生的衰老相关性疾病,关于PD的表观遗传学研究远没有AD广泛。α-突触核蛋白(SNCA)基因是帕金森发病过程的一个重要基因。研究发现，原发性PD病人黑质、皮质和壳核中SNCA基因甲基化水平降低[32],导致SNCA基因高转录和蛋白质水平上升,从而促进PD的发生。此外,Ai等[33]发现，AD病人外周血单核细胞SNCA内含子1甲基化水平降低。并且很多研究证实,在PD病人的大脑和血液样本中,基因组的DNA甲基化变化趋于一致[34],表明在寻找生物标志物的过程中,来自外周血的DNA甲基化模式有望成为脑组织的替代物。但也有结果相反的报道,在41例健康人群的调查中发现,随年龄的增长脑内SNCA内含子1甲基化水平轻微上升,并且相对于神经细胞,非神经细胞甲基化水平更低，SNCA的表达量也更低[35]。因此猜想除了DNA甲基化变异,可能还存在未知的机制参与SNCA的转录调控以及PD调节失衡。

DNA甲基化作为表观遗传中研究最透彻的机制之一,研究其与衰老发生过程的联系具有重要的临床意义。DNA甲基化不仅与多种衰老相关性疾病有密切联系,而且可以作为一种生物标志物提供生物年龄信息,并预测生物预期寿命和死亡风险。