重金属暴露影响DNA甲基化并导致先天性心脏病发生的研究进展

邱依聆 陈乐 江燕萍

1广东省人民医院（广东省医学科学院）（广州510080）；2汕头大学医学院（广东汕头515063）

先天性心脏病（congenital heart disease，CHD）是指胎儿胚胎发育过程中，心脏或血管出现结构或功能上异常，是我国先天畸形最常见的疾病。CHD 的发病呈逐年上升的趋势，全世界每年大约有100 多万的CHD 新生儿出生，不同地方CHD 的发生率在0.5‰ ～9‰之间［1-2］。CHD 对婴幼儿的身体健康产生巨大的影响，是围产儿死亡的主要原因之一，对家庭和社会造成巨大负担。目前公认CHD 主要是遗传因素、环境因素或两者相互作用的结果［3］，孕期重金属暴露等不良刺激是CHD发生的危险因素，然而CHD 的确切病因目前尚未完全明确。

1 DNA 甲基化

表观遗传修饰，包括DNA 甲基化、组蛋白修饰、非编码RNA 调控等，是基因在不改变核苷酸序列的情况下发生基因表达的可遗传改变［4］。DNA 甲基化是指在DNA 甲基转移酶DNMTs 的催化下由s⁃腺苷甲硫氨酸提供甲基基团，以共价键添加到胞嘧啶·磷酸⁃鸟嘌呤（CPG）二核苷酸中胞嘧啶的5 位碳原子上，改变染色质结构、DNA 构象及稳定性，通过调节基因和蛋白之间的相互作用，进而控制基因组的活动［5］。CpG 高度聚集的区域称为CpG 岛，多数DNA 甲基化发生在富含CpG 岛的启动子区。通常高甲基化会影响转录激活因子的结合并抑制基因表达，而去甲基化会导致基因高表达或影响基因组的稳定性。DNA 甲基化在胚胎发育时期特定阶段建立相关模式，在受精卵形成时期经历广泛的去甲基化，随后在胚胎发育过程中逐步建立甲基化［5］。目前认为DNA 甲基化调控模式在细胞正常生长和发育中发挥重要作用，而DNA 甲基化调控过程中主要受到环境因素的影响，环境因素的影响可通过这一途径导致CHD的发生［5］。

2 DNA 甲基化与CHD

众所周知，CHD 是指心脏血管形态、结构和功能异常，与遗传因素变化和环境影响息息相关。随着研究的深入，经典遗传学已不足以完全解释CHD 的病因，表观遗传修饰调控对疾病的影响也逐渐受到大家的关注［3］。孕早期是心脏形成正常结构和功能的关键时期，心脏发育过程中，相关基因按照时间空间规律严格有序的激活和表达，是心脏发育的重要基础，而这个过程会受到表观遗传修饰调控。研究表示目前孕母孕期自身DNA 甲基化情况的改变可影响子代CHD 的发生［6］，而孕期相关因素对子代甲基化情况产生影响也是CHD发生的相关机制。不同表观遗传调控的改变特别是DNA 甲基化被认为是CHD 发病的重要机制，研究发现在法洛四联症患儿的LINE1 基因组甲基化水平下降，且存在多个心脏发育相关基因的启动子区CpG 岛甲基化程度升高［7］。其他研究也认为胚胎发育期间心脏发育相关基因如CITED2 基因、NKX2.5 基因、CX43 基因、NOX5 基因的甲基化程度与CHD 的发生相关［3，7］。

3 铅

3.1 铅与DNA 甲基化异常的关系目前DNA 甲基化被认为可能是铅暴露发挥其生物学效应的机制之一。体外研究表明铅暴露可通过非竞争性抑制改变甲基转移酶DNMT 的表达，降低全基因组DNA 甲基化水平［8］。同时，血铅可通过影响同型半胱氨酸水平，进一步影响DNA 甲基化水平的降低。多个实验中也证实了铅对DNA 甲基化产生影响，然而不同实验中铅对DNA 甲基化的影响程度不同。WU 等［9］在美国268 对母婴中通过研究产前母亲血液中铅浓度及检测脐带血中全基因组甲基化程度，检出脐带血中多个基因产生甲基化差异位点，提示产前铅暴露与子代的低DNA 甲基化相关。PILSNER 等［10-11］发现孕母骨中铅含量与脐带血中反转座核元件LINE 1 和Alu1 的低甲基化状态相关。而有动物研究发现孕期大鼠饮用含铅化合物的水后，子代出现海马体全基因组甲基化水平升高［12］。

3.2 铅与CHD 的关系铅是一种在职业环境和生活环境中广泛存在的污染物，容易通过胎盘组织由母体转移到胎儿的重金属，母体内90%的铅可通过胎盘传输给胎儿。铅暴露目前已被发现可对胎儿造成损伤，引起胎儿早产、低出生体重儿等，也会引起如神经管缺陷、肌肉骨骼系统畸形、唇腭裂等多种出生缺陷。其机制目前并不明确，可能原因是铅对生殖系统染色体DNA 的损害影响胚胎植入和胚胎发育，也可能是铅对胎儿基因甲基化程度的影响，而铅影响体内如氧化应激等代谢途径的机制也可能参与铅对胚胎发育的影响过程当中。LIU 等［13］发现孕期铅暴露会引起较高的先天畸形发病率，通过检测300 多对CHD 母婴，发现子代有心脏畸形的母亲头发中铅浓度明显高于正常组，生活中铅的接触可显著增加胎儿发生多种类型CHD 的风险如间隔缺损、圆锥干缺损及右心室流出道畸形等。其他研究［14］通过检测孕期外周血铅、镉等重金属浓度发现，铅、镉等主要引起圆锥动脉干畸形、间隔缺损、右室流出道梗阻等先天性心脏畸形。铅引起先天畸形的机制目前仍待探讨，BAKHEET 等［15］发现在机体发育过程中铅暴露可能会影响DNA 修复基因OGG1 的表达，从而造成心脏发育异常，形成心脏畸形或缺陷。PIL⁃SNER 等［7，10］发现铅暴露会引起LINE1 的甲基化程度改变，而LINE 1 的甲基化程度被认为与法洛四联症的发生相关。

4 镉

4.1 镉与DNA 甲基化异常关系镉是有效的DNA 甲基转移酶的抑制剂，但随着镉的暴露时间增长会增强DNA 甲基转移酶活性，影响DNA 甲基化［16］。KIPPLER 等［17］通过前瞻性队列研究探究宫内镉暴露下对脐带血全基因组DNA 甲基化的影响，发现宫内镉暴露下男婴脐带血DNA 的CpG 位点的甲基化呈现高水平状态，并与暴露剂量呈正相关，而女婴的脐带血DNA 甲基化和镉暴露相关性程度较低，提示孕期镉暴露与基因甲基化具有性别特异性。在动物实验中发现对鸡胚给予镉暴露4 h 后引起DNMT3A 和DNMT3B 的表达程度降低，同时伴随全基因组的甲基化水平降低［18］。

4.2 镉与CHD 关系镉主要存在于烟草及被污染的水源和土壤中，主要通过吸烟及饮食摄入。镉是一种能通过胎盘并积聚在胎盘的毒性重金属，具有致突变性，能诱导细胞凋亡和氧化应激。镉的半衰期长达10年，在血液中难以清除，在孕期重金属镉暴露会不断积蓄在胎盘中，会对先天性心脏畸形的发生造成影响。THOMPSON 等［19］发现实验动物经口服或胃肠外途径暴露于镉会引起广泛的胚胎异常，且与暴露阶段和暴露浓度相关。JIN 等［20］检测339 例CHD 患儿母亲孕期镉和砷暴露的情况，发现孕母头发中镉水平≥26 ng/g 的子代患CHD 的风险增加，特别是圆锥动脉干畸形。同时研究［14］也发现孕期铅和镉两种重金属共同暴露也会增加多种先心病的发生风险。

5 砷

5.1 砷与DNA 甲基化异常关系砷与基因遗传修饰间存在相互关系，理论上砷导致DNA 甲基化变化有不同种机制，其核心均是砷抑制DNA 甲基转移酶活性［21］。在孟加拉国127 名婴儿脐带血全基因组甲基化程度的研究中，通过检测孕母尿液中砷代谢产物的浓度评估孕早期和孕晚期砷暴露情况，发现母亲砷暴露会改变子代男婴脐带血中总DNA 甲基化水平并呈负相关，且妊娠早期的砷暴露较孕晚期暴露对基因甲基化影响程度更大［22］。其他研究［23］也发现宫内砷暴露与脐带血中LINE 1、p53 及p16 启动子区域内的CpG 位点改变有关，其中LINE 1 通过反转座作用对胚胎早期发育产生重要影响。动物实验也提示宫内砷暴露会改变后代的DNA 甲基化水平并有剂量依赖性，可以诱导全基因组低甲基化或超甲基化［24］。

5.2 砷与CHD 关系砷是环境中的一种致癌物，人群主要通过饮水接触摄入，该重金属容易通过人类和其他哺乳动物胎盘，在脐带血中浓度可达到母体血液的砷浓度，造成胎儿的直接暴露。砷可随血液分布蓄积在机体各个组织器官，对胚胎发育具有致畸作用。流行病学调查［25］表明，母亲砷暴露与子代CHD 的发生相关，母亲妊娠期接触的饮用水中砷超过10 μg/L 会增加子代发生先天性心脏畸形的风险，特别是动脉导管未闭和房间隔缺损。动物实验［26］也表明，孕期砷暴露存在心脏致畸作用，孕期接触含砷饮用水的小鼠子代会出现心血管系统的异常，房间隔缺损等心脏畸形发生率也显著升高。有研究［25］在小鼠实验中发现宫内砷暴露可引起子代心肌纤维呈现厚薄不均，排列紊乱。

6 镍

6.1 镍与DNA 甲基化异常关系镍及其化合物是国际公认的第一类致癌物，可引起不同表观遗传效应如DNA 甲基化及组蛋白脱乙酰化［27］。赵艳丰等［28］对人支气管上皮细胞进行结晶型硫化镍诱导实验，结果显示镍暴露全基因组DNA 甲基化水平升高。同时，其他实验研究［27］发现镍化合物可对某些特定基因的DNA 甲基化水平产生影响，如镍对DNA 修复基因MGMT 基因启动子的CpG 岛甲基化水平升高，进而影响疾病的相关进展。然而目前缺少孕期镍暴露对脐带血的DNA 甲基化水平影响相关研究，无法提示镍暴露对子代DNA 甲基化的影响。

6.2 镍与CHD 关系镍存在于合金、不锈钢、医疗器械等多种物品制造过程中，在职业环境中多经呼吸系统吸入空气中的镍及其混合物烟尘，且其毒性作用会随着接触浓度升高而增强。镍暴露会导致对生殖系统和胎儿发育过程产生毒性，可引起生育能力下降、流产及出生缺陷。镍化合物可引起DNA 损伤，其诱导的氧化应激在镍的毒性作用中起重要作用，可引起有丝分裂过程产生突变，这可能会在胎儿心脏发育关键时期引发细胞死亡［29］。ZHANG 等［30］检测中国399 例CHD 患儿母亲头发中镍浓度，发现孕期金属镍暴露会增加子代多种类型CHD 的风险，包括间隔缺损、圆锥动脉干畸形、右心室流出道梗阻及左心室流出道梗阻。

7 汞

7.1 汞与DNA 甲基化异常关系汞能有效改变DNA 甲基转移酶的活性，这提示了汞与基因组DNA 甲基化差异情况有关。孕期汞暴露与脐带血中多个特定基因CpG 位点的甲基化改变相关，CARDENAS 等［31-32］的研究检测母体产前血液中汞浓度与脐带血中特定基因PON1 基因甲基化改变程度，以及该甲基化在儿童时期的持续程度，结果提示孕期汞暴露会导致特定基因甲基化改变，并且该改变可持续到儿童期早期。

7.2 汞与CHD 关系汞是一种强毒性的重金属污染物，可对空气、土壤及水等均造成污染，在微生物代谢作用下少数汞可转换为毒性较大的甲基汞。汞容易通过胎盘和血脑屏障，能在胎儿组织内积聚，胎儿血液中甲基汞浓度可超过母体中水平［31］。汞是一种神经毒性物质，可对发育中的胎儿造成神经系统紊乱、氧化损伤等影响，然而其对心脏发育的影响相关研究较少。OU 等［14］在检测孕期血液中有毒物质与CHD 的关系时，发现孕期汞暴露是右室流出道梗阻的风险因素。

8 小结与展望

CHD 的发生发展经历复杂的过程，是遗传和环境因素相互作用的结果。在胚胎发育过程中，CHD 的发生与胚胎发育过程中某些心脏发育相关基因的启动子区域或相关转录因子异常甲基化相关，而目前研究已经表明孕期重金属暴露可直接对胎儿全基因组或某些特定基因的DNA 甲基化产生影响。流行病学研究提到了环境因素中重金属暴露与DNA甲基化的关系、重金属暴露与CHD的关系，以及某些特定基因的甲基化与该疾病的关系，但目前鲜有文献将三者联合进行研究讨论。为了更进一步研究重金属暴露在CHD 的发生发展过程中所产生的影响，建议开展前瞻性队列研究，对重金属暴露、心脏发育相关基因DNA 甲基化及CHD 之间的关联进行探究，进一步认识环境及遗传因素在该疾病中起到的作用，以在其预防及诊断中提供相关依据。