表观遗传学在阿尔茨海默病发病机制中的作用

于文磊，陆林杰，徐佳苗，钱祁玮综述，刘 辰审校

阿尔茨海默氏病(Alzheimer’s disease，AD)是一种常见的神经退行性疾病，以渐进性记忆障碍、认知功能障碍、人格改变以及语言障碍等神经精神症状为主要特征[1]。AD主要分为家族性AD(Familial AD，FAD)和散发性AD(Sporadic AD，SAD)，其中SAD约占AD总数的95%[2]。

AD是由遗传和非遗传因素相互作用而引起的复杂性疾病。发生AD的风险中约70%归因于遗传学[3]。同时，非遗传因素也参与了疾病的发展：美国国立卫生研究院强调约三分之一的AD发生归因于如糖尿病、吸烟、和饮食不良等风险因素；此外，空气污染、铝暴露和颅脑外伤等环境因素以及相关并发症也与AD发生有关[4]。

表观遗传学是指表观遗传修饰与基因表达和分化的调节以及基因活性或细胞表型的遗传变化相关，而无需改变DNA序列[5]。表观遗传学介导遗传因素与非遗传因素的相互作用，并提供机制相关分析解释，有助于对AD发病机制的理解。本文就表观遗传学在AD中的作用及相关发现进行总结，并延伸讨论。

1 主要表观遗传机制简介

主要的表观遗传机制包括DNA甲基化、组蛋白修饰和非编码RNA分子介导的基因表达调控。表观遗传机制的各个组成部分之间的高度相互联系并受到各种非遗传因素的影响[6]。DNA甲基化是脊椎动物基因组的主要表观遗传修饰，其表现为基因组胞嘧啶的共价修饰，在脊椎动物中主要发生在CpG二核苷酸上，能够编码环境因素对终身持续行为特征的影响。CPG二核苷酸也位于重复序列或着丝粒序列中，参与维持染色体稳定性和防止易位事件[7]。

真核DNA包裹在核心组蛋白(H2A、H2B、H3和H4)周围，并结合于染色质中[8]。组蛋白的N末端历经翻译后修饰，包括乙酰化、甲基化、磷酸化、泛素化、SUMO化、ADP核糖基化和脱氨基，从而影响染色质的紧密度和可及性[9]。

非编码RNA(Noncoding RNAs，ncRNAs)，包括微RNA(Micro RNAs，miRNAs)、长非编码RNA(Long Noncoding RNAS，lncRNAs)和环状RNA(Circular RNAs，circRNAs)，在表观遗传调控、基因组印迹、核和细胞质运输、基因转录和剪接上有着功能性作用，其调控机制几乎涉及例如增殖、分化、和免疫反应等所有细胞过程[10]。

2 AD中表观遗传学研究现状

2.1 AD中的DNA甲基化 表征最好的DNA甲基化过程是在CpG二核苷酸背景下形成5-甲基胞嘧啶(5-mC),而中枢神经系统富含5-mC，提示甲基化可能参与AD的发展[7]。不同阶段AD小鼠模型的大脑皮质的基因组5-mC含量，表明DNA甲基化在AD早期起到一定作用[11]。

研究表明多个基因的遗传多态性与AD风险增加相关[12]。针对AD死后大脑(PMB)中APOE基因 DNA甲基化的分析研究表明，AD脑的非神经元细胞主要由神经胶质组成，是导致AD PMB中APOE DNA甲基化程度降低的主要因素，说明APOE可能作为AD风险的强影响因素[13]。从对在世的AD患者的血液DNA的研究中也得到了类似的结果，但至今没有明确的证据表明AD脑区的表观遗传模式因这些基因的影响而发生改变[14]。通过对AD不一致的双胞胎的外周血进行检测，其DNA甲基化差异具有作为疾病标记物的潜质；但目前的研究仍未发掘出AD和对照受试者的血液DNA中甲基化程度不同的组分[15]。同时有研究表明，在3个大脑区域的健康和AD脑组织中，两个分子伴侣HSPA8和HSPA9的启动子DNA甲基化水平具备显著差异，提示相关基因及其甲基化修饰可能参与了AD发病机制[16]。

综上，目前的多数研究表明在AD患者和对照组之间存在甲基化的差异，AD病理特征与DNA特异性甲基化改变之间也有一定的相关性。

2.2 线粒体表观遗传学与AD 研究表明，AD患者的线粒体与健康线粒体相比，存在结构差异和功能缺陷，线粒体可以介导甚至可能引发AD中的病理分子级联反应[17]。AD表现出的氧化损伤水平大大超过了老年人的氧化损伤水平，而结构和功能受损的线粒体更擅长产生活性氧[18]。针对AD患者脑部提取组织的研究发现，线粒体DNA(mtDNA)氧化损伤多发生于顶叶，表现出早期且持续的低代谢，可推测AD的氧化损伤有利于mtDNA突变，细胞通过逆行反应来响应线粒体功能障碍，其中涉及真核起始因子-激活转录因子-C/EBP同源蛋白(CHOP)综合应激反应(ISR)[19]。已有研究显示AD和轻度认知障碍患者血液中核编码的氧化磷酸化(OXPHOS)亚基和线粒体编码的OXPHOS基因翻译所需的亚基的表达减少，这很可能会产生有害的活性氧[20,21]。综上所述，AD患者的线粒体功能障碍目前正逐步成为该疾病的标志之一。

2.3 AD中的组蛋白尾部修饰 组蛋白修饰过程中的两种重要途径(乙酰化和脱乙酰化)分别通过两种酶进行，即组蛋白脱乙酰酶(Histone Deacetylases，HDACs)和组蛋白乙酰转移酶(Histone Acetylases，HATs)[22]。为了探究HDACs在AD发病过程中有何变化，Anderson等利用AD的小鼠大脑模型观察到HDAC3、HDAC4、HDAC5和HDAC6浓度显着增加，HDAC1和HDAC2浓度减少[23]。

由于HDACs的作用，科学家猜测HDAC抑制剂(HDAC inhibitors，HDACIs)可能是治疗神经破坏性疾病的潜在治疗剂[24]。小鼠模型显示HDACi的表观遗传药物在对抗神经病理和认知障碍方面的具有潜在作用[25]。Pan-HDACi[伏立诺他(SAHA)]，烟酰胺与依赖锌的HDAC蛋白(Ⅰ、Ⅱ和Ⅳ类)相互作用可影响Aβ斑的形成或tau过度磷酸化，参与AD的形成[26]。多项报告显示，用HDACi抑制剂(白藜芦醇和其他长寿因子sirtuin激活剂)可用于治疗AD[24]。

2.4 AD中的ncRNAs 目前分子、细胞、生理和流行病学水平的研究已经确定ncRNAs参与AD的3个主要致病特征-Aβ斑块的形成，Tau的磷酸化以及炎性区的建立[27]。特定的miRNA在中枢神经系统(Central Nervous System，CNS)中表达，调控大脑和神经元发育，与神经退行性疾病相关。AD患者的颞叶前皮中，miRNA-19b、miRNA-485-5p在嗅球和海马中下调，并靶向调节BACE-1，是AD诊断的重要标志之一[28]。除miRNAs外，其他ncRNAs也与AD的发病有关。例如，在LncRNAs中，BACE1-AS、51A、17A、NDM29直接或间接促进Aβ的形成或增加Aβx-42/Aβx-40的比率[29]。研究同时发现，与年龄相关的神经系统疾病中circRNA水平显著提高，提示circRNA参与AD形成发展机制的可能[30]。

2.5 结论 AD是一种进行性的神经退行性疾病，多项流行病学研究表明，环境改变与AD的发生风险增加有关[4]。同时，研究发现环境诱导的表观遗传学(脑区和外周淋巴细胞)改变，会引起炎症反应，激活脑内的小胶质细胞，扩大中枢神经炎症，加重AD的发展[31]。

大多数研究AD中潜在表观遗传学改变的研究都是基于相关性的，这些相关性尚不能反映因果关系。因此，尚不清楚表观遗传修饰是改变染色质行为，还是仅仅是附近发生其他过程的结果。尽管存在这些限制，但明朗的是，通过修饰染色质结构，表观遗传机制可以塑造基因组可及性，从而对基因转录产生影响[32]。从这个意义上说，表观遗传学可以相当于“U盘”模式，存储持久的信息，并提供一个平台来累积随着时间推移的变化，从而改变某些基因的表达概率，进而可能诱发或加速AD的发作和发展。

3 讨论与展望

总之，表观遗传通路受损在AD发病机制中起着关键作用，包括DNA甲基化、组蛋白修饰和ncRNAs表达的异常，可以增加外周和中枢的炎症和氧化应激的水平，从而加剧神经元的丧失以及与AD相关的学习和记忆功能的缺陷。

此外，表观遗传机制可能由新的标志物执行，如DNA甲基转移酶(DNMT1和DNMT3B)、5-甲基胞嘧啶核苷(5-mC)、5-羟甲基胞苷(5-hmC)及miRNA诱导的沉默复合体，这些标志物似乎在年龄匹配与神经细胞运行中具有重要作用[33]。研究证明，组蛋白甲基化和乙酰化增加对AD的认知功能产生负面影响，但其分子信号通路仍为未知，相关机制需要进一步研究[34]。就目前而言，由于缺乏基因座特异性，基于表观遗传学的治疗可能会影响许多靶标，因此在临床上表观遗传学暂不能用作改善AD的潜在治疗策略。

在未来，可能随着基因分型阵列，下一代测序、质谱技术和生物信息学的发展，使得能够同时大规模研究基因组学、表观基因组学、转录组学、代谢组学和蛋白质组学，并可能集成多种类型的组学数据，将会改变了研究AD的方法，从而形成一种新型工具来研究AD中几种分子途径与其他病理之间的关系，并发现新型诊断性生物标志物或药物。