外界不良环境诱发机体表观遗传毒性的研究进展

龚 慧，陈晖娟，刘 欣，郭宇冰，王晓娜，高春芳，刘忠于

环境中有毒有害物质的暴露可导致全身多系统的损害，甚至引发癌症。不利的环境暴露不仅会引起 DNA碱基序列的改变，还会引发表观遗传学的改变，从而导致有害效应的产生，而且这些改变是生命后期疾病发展的基础。

1 表观遗传学主要机制

1.1DNA甲基化DNA甲基化主要是向胞嘧啶的第五位C原子添加甲基以产生5-甲基胞嘧啶（5mC），是一种酶促的化学修饰过程，DNA甲基化模式的建立是甲基化、去甲基化动态变化的过程，这些过程主要受到DNA甲基化转移酶 （DNMT）和去甲基化转移酶的调控。甲基化是最常见的一种DNA结构修饰，也是表观遗传的一种重要机制［1］。

1.2非编码RNA非编码RNA（ncRNA）按照其长度可分为长链非编码 RNA（lncRNA）（＞200 nt）和短链非编码 RNA（sncRNA）（＜200 nt），其中短链非编码 RNA 主要包括 miRNA（单链，19～25 nt）和 siRNA（双链，20～25 nt）。非编码 DNA 被转录成 ncRNA，其在调节基因表达中起主要作用。虽然lncRNA以多种方式做到这一点，包括染色体重塑，转录或转录后调控，但非编码RNA主要在转录后水平介导基因表达。一般而言，miRNA通过以序列特异性方式结合mRNA来抑制基因表达，并诱导其降解或抑制其翻译，即 miRNA 主要参与微调基因表达［1，2］。

1.3组蛋白修饰组蛋白是高度保守的、带正电荷的蛋白质家族，其周围被带负电荷的DNA缠绕形成核小体，核小体是染色质的主要结构单元。组蛋白修饰的机制主要包括乙酰化、甲基化和磷酸化［1］。

2 常见不良环境诱发的表观遗传毒性

2.1人群研究有研究报道，意大利塞韦索二口恶英泄漏事故，广岛和长崎原子弹爆炸以及切尔诺贝利核事故等人类灾难的幸存者发生代谢综合征、激素紊乱、精子质量下降和癌症的风险增加，原因主要是与化工污染和辐射有关［1，3］。

不良环境所导致的各种疾病日益增多，但相关的表观遗传学机制尚不清楚，因此，我们查阅了相关文献，以评估常见的不良环境所诱发的表观遗传毒性的证据。结果发现，暴露于外界常见的不良环境的人群的不良表型与表观遗传改变有一定的关联。如Kumar等的研究发现，长期慢性暴露于电离辐射的男性不育症工人，其精细胞的甲基化率显著增高［4］；闫鹏等的研究表明，放射介入工作人员的职业暴露是DNA甲基化降低、染色体畸变率和微核率增加的重要风险因素［5］；Somineni等的研究表明，交通尾气造成的污染导致儿童TET1基因启动子中单个CpG位点的甲基化损失和全基因组5-hmC水平升高，这与哮喘的发生显著相关［6］；Carmona等收集了美国马萨诸塞州2280份男士 （他们都短期暴露于汽车尾气型、燃煤型黑碳等不良环境）的血液样品，然后，检测炎症反应相关基因丝裂原活化蛋白激酶 （MAPK）的DNA甲基化改变情况，结果发现，84个MAPK通路基因中有14个基因的DNA甲基化水平与汽车尾气型和燃煤型黑碳的暴露具有显著相关性［7］；Snyder等的研究对象为加油站服务人员和交通警察，通过检测他们的外周血DNA的甲基化情况，发现吸入型苯的暴露与Alu和LINE-1的甲基化显著相关，而且也与p15基因和抑癌基因MAGE-1甲基化异常有关［8］；Xing等的研究发现，确诊为苯中毒的11名工人与同工厂同工种非苯中毒的工人相对比，p16启动子区第4CpO位点，p15启动子区第3CpG位点的甲基化水平较高［9］；Pavanello等的研究发现，长期暴露于高浓度多环芳烃PAHs的非吸烟的焦炉工人，其外周血全基因组高甲基化，t953、HICl基因启动子低甲基化［10］；Kundakovic等的研究表明，化学物质双酚A（BPA）的暴露导致外周血BDNF基因甲基化改变，此改变与神经系统疾病包括抑郁、精神分裂症、自闭症等相关［11］；Tong 等对老龄小鼠的研究表明，DNMT3a在海马中的过表达可以逆转老龄小鼠的空间记忆缺陷，同时，通过对阿尔茨海默病患者进行尸检发现，海马结构的全基因组DNA甲基化水平显著下降，这与化工产品甲醛有关；重金属进入体内能够催化生物学大分子的氧化损伤，诱导产生活性氧和自由基，而活性氧能够影响表观遗传因子［12］，Chiou等通过招募76例从不吸烟的肺癌患者，检测其相邻正常肺组织的镍水平，结果表明，镍诱导的miR-21降低了SPRY2和RECK的表达，促进了肺癌细胞的侵袭性，高镍亚组的总生存期（OS）较差，无复发生存期（RFS）低于低镍亚组［13］；Cantone 等的研究发现，电炉钢铁厂工人暴露的颗粒物中，金属铬、铅、砷和镍的含量分别与组蛋白H3-K4二甲基化成正相关，镉的含量与组蛋白H3-K9乙酰化呈负相关［14］；Xie等通过检测 41名健康人，40名无症状重度吸烟者和49例慢性阻塞性肺疾病（COPD）患者的血清候选miRNA的水平，发现COPD患者和无症状重度吸烟者的miR-21水平显著高于正常健康人群，而COPD患者和无症状重度吸烟者的miR-181a水平却显著低于健康人群，相关的数据表明，血清miR-21和miR-181a水平可能对评估重度吸烟者COPD的发展有价值［15］。

这些研究提供了辐射、化工品、空气污染物、金属、香烟烟雾等暴露人群，表观遗传变化和不良表型之间的机制关联，以及人类表观遗传毒性的潜在机制。

2.2动物实验研究在人类群组中暴露于环境因素的有害影响刺激了对动物模型中环境诱导的表观遗传毒性的研究。通过查阅文献，发现动物在不同的发育阶段接触不良环境所导致的不良表型和表观遗传变化之间具有一定的关联。如高辉对暴露于X射线的ICR小鼠的研究结果表明，相对于对照组小鼠，DNA甲基化、组蛋白甲基化相关基因表达差异显著［16］；Igor等的研究发现 1 Gy 电离辐射（5 cGy/s，90 kv，5 mA）照射的 C57BL/6 小鼠，海马组织相关miRNA相较于对照组来说，差异表达，这也是神经系统功能差异的原因［17］；Yaroslav等的研究发现2.5 Gy γ 射线（90 kV，5 mA）照射的 C57BL/6 小鼠免疫功能较对照组较差，原因在与其脾脏和胸腺中的相关miRNA表达显著下降；Jiang等对断奶雄性小鼠进行 50 μg/kg·d 的双酚 A（BPA）暴露研究，然后，在暴露第24周和第48周，检查心脏功能、线粒体功能、检测PCG-1α的mRNA表达和甲基化状态（其中PCG-1α是心肌中线粒体生物发生的主要调节剂），结果发现，在第48周，暴露于BPA的大鼠表现出心肌病，其特征在于心肌肥大，心肌细胞增大和心脏功能受损，BPA暴露降低了PGC-1α的表达并诱导了心脏组织中 PGC-1α的高甲基化［18］；Kundakovic等进行了双酚A（BPA）暴露作为模拟环境对动物和人类的行为产生长期影响的相关研究，结果发现，产前BPA诱导导致BALB/c小鼠海马和血液中Bdnf基因转录相关区域的DNA甲基化发生变化，并且这些变化与暴露于高母体BPA水平的人的脐带血中BDNF变化一致，这些数据表明，血液中的BDNF DNA甲基化可用作脑BDNF DNA甲基化和基因表达的预测因子以及早期环境暴露引起不利行为的标志物，因为BDNF表达和DNA甲基化在与早年逆境相关的几种精神疾病中发生了改变，包括抑郁症，精神分裂症，双相情感障碍和自闭症等［11］；Tong等的研究发现，通过对SD成年鼠脑室注射甲醛（1 μl of 0.5 mM），结果导致SD鼠年龄相关的空间记忆受损和全基因组DNA甲基化水平下降［12］；Onishchenko等从妊娠第7天到分娩后的第7天，让BALB/C怀孕小鼠以0.5 mg/kg·d的剂量暴露于甲基汞（MeHg）环境，结果发现围产期接触甲基汞会导致小鼠学习和动机行为的持续变化，他们利用抗抑郁药氟西汀慢性治疗，结果逆转了甲基汞暴露雄性小鼠的抑郁样行，机制是MeHg暴露诱导BDNF启动子区域染色质结构处于长期的抑制状态，特别是DNA高甲基化，组蛋白H3-K27三甲基化的增加和启动子IV处H3乙酰化的减少。虽然氟西汀治疗不会改变H3-K27的高甲基化，但它可显著上调甲型肝炎病毒暴露小鼠BDNF启动子IV的H3乙酰化。研究表明，低水平的MeHg的暴露使小鼠易于抑郁并诱导海马中BDNF基因表达的表观遗传发生变化［19］。Zhang等通过向 Wistar Rattus注射 Ni3S2化合物（10 mg Ni3S2/鼠）来建立镍诱导的肿瘤模型，结果发现miR-222的表达与正常组织相比，在肿瘤组织中显着上调，miR-222的靶基因CDKN1B和CDKN1C的表达显著下调［20］；有研究表明，在妊娠第12天急性暴露于乙醇溶液中的大鼠，在出生后第42天表现出社交动机减少，Ignacio等通过向Long Evans鼠的腹腔注射乙醇溶液（2.9 g/kg+1.45 g/kg 2 h后）来研究由于产前乙醇暴露是否会导致杏仁核和腹侧纹状体中的miRNA和mRNA网络发生改变，结果表明，由于产前乙醇暴露，在LE鼠的一个或两个脑区域中，几种miRNA表现出显著变化，包括mir-204，mir-299a，miR-384-5p，miR-222-3p，miR-301b-3p 和 mir-6239［21］；Peng等在之前的研究中证明怀孕期间的乙醇溶液摄入会导致心脏基因的不受控制的表达，并最终导致胎儿心脏发育不良，接下来又研究了其中的表观遗传学机制，他们用56%乙醇溶液或盐水灌胃C57BL/6怀孕小鼠，然后，收集胎儿的心脏用于分析研究，结果表明，暴露于乙醇溶液的胎鼠心脏中的 NKX2.5 启动子中的 p300，CBP，PCAF，SRC1（GCN5除外）的表达增加，同时，在相同的样品中观察到 H3K9的乙酰化增加，NKX2.5，β-MHC和Cx43的mRNA表达增加，此外，也在实验小鼠中研究了漆树酸对乙醇溶液诱导的心脏肥大的保护作用，漆树酸能够使乙醇诱导的相关心脏基因的表达下调，最终减轻乙醇溶液诱导的胎鼠心脏肥大［22］；Izzotti等通过燃烧肯塔基3R4F标准科研用香烟，让瑞士H小鼠全身暴露于香烟烟雾中，用以检测由香烟烟雾诱导的早期肺部分子变化和肿瘤的发生，结果表明，从出生开始持续吸烟4个月的小鼠全身性致裂伤，DNA加合物形成，氧化性DNA损伤，以及肺中miRNA的广泛下调，同时，在烟雾暴露的小鼠中，二甲双胍的服用显著降低了DNA加合物水平和氧化性DNA损伤，并使几种microRNA的表达正常化［23］；大量吸烟与慢性阻塞性肺疾病（COPD）的发展有关，Xie等通过让大鼠被动吸烟来诱导大鼠肺气肿模型，然后，通过微阵列和RT-PCR分析不同吸烟时期肺气肿不同阶段的动态miRNA的表达谱，结果表明，在吸烟不同时期后，在不同组的大鼠中观察到不同严重程度的肺气肿，伴随着与调节某些途径相关的一些血清miRNA的水平改变，特别是血清miR-21与miR-181a水平差异变化比较明显［24］；产妇吸烟会增加新生儿发病的风险，Li等通过皮下渗透微型泵向怀孕大鼠施用尼古丁，结果在10日龄幼仔中确定了HI脑损伤，围产期尼古丁暴露增加新生大鼠缺氧缺血性脑损伤的易感性［25］。

综上所述，尽管十多年前就有关于环境诱发的表观遗传毒性的研究工作，但这一研究领域仍处于起步阶段，本文就常见的外界的不良因素所导致的表观遗传学方面的毒性进行综述，来揭示相关毒性形成的分子机制。如大量研究表明，辐射包括电离辐射和高功率电磁辐射会对人体的生殖系统、免疫系统、血液系统等造成影响，所以研究其影响的分子机制刻不容缓；化工产品如双酚A（BPA）大量应用于我们的日常生活中，比如矿泉水瓶、奶瓶、罐头盒、医疗器械等等，造成了生活环境的严重污染，所以研究其是否会对人们的健康造成影响，以及影响的分子机制至关重要；镍是一种重要的金属，是人们生产和生活中必不可少的微量元素，常常镀在金属上防止生锈，文中针对镍金属的富集对身体影响的表观遗传学机理进行了描述；香烟烟雾在我们日常生活环境中也不可避免，其会导致肺部疾病病变，其表观遗传学机制主要是会影响相关的miRNA的表达。