DNA甲基化与脑血管病

仇鑫，李子孝，3，4

“表观遗传学”的概念于1942年首次被提出，指基于非基因序列改变所致基因表达水平的变化或表型改变，其形式包括DNA甲基化、组蛋白修饰、染色体重塑和非编码RNA调控等，主要通过对基因转录或翻译过程的调控，影响基因的功能和特性[1]。表观遗传学调控是一种只影响基因修饰加工和表达的调控机制，其发生不会引起DNA序列的改变，是连接环境、遗传、临床表型的重要桥梁。随着生物检测技术的不断发展，越来越多的证据支持表观遗传过程在细胞生物学和组织生理学中具有重要作用的观点，其与人类疾病的关联性也逐渐显现。目前，表观遗传学生物标志物在临床中的应用主要有两种：①预测药物反应或预后的个体差异，筛选适合患者个体的药物、剂量和方式，指导治疗；②作为分子靶标，通过逆转异常的表观修饰，开创治疗新途径[2]。

DNA甲基化是目前研究最广泛的表观调控形式之一，其通过改变DNA和蛋白质之间的相互作用来调节染色质“开放”和“封闭”形式之间的平衡，也被称为是一种“表观遗传开关”。所谓DNA甲基化是指在DNA甲基转移酶（DNA methyltransferase，DNMT）的催化作用下，在基因组CpG二核苷酸的胞嘧啶5’碳位共价键结合一个甲基基团，使胞嘧啶被修饰为5-甲基胞嘧啶（5-methylcytosine，5-mC）的过程[1]。DNA甲基化的改变可在全基因组范围内影响各类疾病的发生与发展。在大多数情况下，甲基化修饰会引起基因转录水平降低，但有时也会因不同组织微环境等因素而促进基因表达。因此，DNA甲基化在未来疾病诊断、预后预测和治疗方面都具有较大的临床应用前景[3]。

脑血管病是因颅内血液循环障碍而造成脑组织损伤的一组疾病，也是导致我国成人致残的首要疾病，具有高发病率、高致残率和高死亡率的特点，严重威胁国民健康。其中，急性缺血性卒中（acute ischemic stroke，AIS）是最常见的脑血管病，占我国卒中的70%左右[4]。2020年发表的《中国卒中报告2019》显示，年龄标准化后，我国卒中的发病率约为246.8/10万人年（首次发生在记录时间前1年内的卒中），死亡率更是达到了149.49/10万，占我国居民总死亡率的22.3%，卒中现患已多达1300万[5]。

近年研究表明，脑血管病是由遗传因素和外界环境共同作用导致的一种复杂综合性疾病[6]。近年来，基因组学不断发展，目前脑血管病领域的基因组学研究主要针对遗传风险，对单基因遗传性脑动脉病有明确的诊断价值，但在多基因遗传脑血管病人群中的应用价值仍有一定的局限性。表观遗传学主要研究外界环境因素对疾病发生、发展和转归的动态调节机制，可用于心脑血管疾病等由多基因遗传背景和外界环境作用共同驱动的复杂疾病的研究，从而不断丰富临床对复杂疾病发病风险和预后转归的生物学的理解。

目前已有多项研究证实DNA甲基化在冠心病等心血管疾病的发生、发展中发挥重要作用，但脑血管病相关的甲基化研究尚处于起步阶段。有动物研究显示，脑组织缺血损伤后，DNA甲基化模式会发生显著的动态改变。由于缺血部位组织损伤，DNMT在短时间内表达上调，可引起级联反应，导致局部组织甲基基团增多，CpG岛呈现高甲基化状态。在大脑中动脉闭塞的小鼠模型中，缺血30 min后，小鼠缺血侧大脑皮质和纹状体等部位的DNA甲基化水平明显升高，而在缺血2 h后缺血部位的DNA甲基化水平回归正常水平。使用去甲基化药物（如地西他滨等）可特异性抑制另一种表观遗传修饰——组蛋白去乙酰化的水平，增加组织对缺血的抵抗性，明显减轻小鼠的缺血性脑损伤[7]。

临床研究中也有一些小样本研究报道了DNA甲基化水平与脑血管病发病、预后、治疗效果之间的作用。例如，在一项小型的前瞻性队列中，研究者发现缺血性卒中患者的DNA转座子长散在核元件-1（long interspersed nuclear element-1，LINE-1）基因呈现低甲基化状态，且其在无症状个体临床前阶段就发生了改变[8]。同时，有研究发现LINE-1低甲基化可能会改变脂质和碳水化合物的代谢，并导致异常的脂质分布和糖代谢受损，进一步导致动脉粥样硬化斑块的形成，同样提示了LINE-1甲基化改变可能是缺血性卒中的早期致病因素[9]。Gallego-Fabrega等[10]发现，在使用阿司匹林治疗的患者中，编码蛋白磷酸酶1A（protein phosphatase magnesium depend ent1A，PPM1A）的PPM1A基因中差异甲基化模式与血管事件复发具有较强的相关性，对这些位点的甲基化干预可能会增强阿司匹林的疗效，这也提示DNA甲基化在脑血管病的药物治疗方面也扮演了重要角色。但是，目前在脑血管病领域尚缺乏大规模的队列研究对DNA甲基化与疾病的病因机制、临床特征、预后及治疗进行全面评价，亟待更多深入研究发掘具有临床应用价值的DNA甲基化标志物。

将DNA甲基化为主的表观遗传学研究技术引入脑血管病领域，将成为阐明疾病发病机制、筛选疾病新治疗靶点、设计新一代治疗方案的重要途径。未来，我们可以通过研究甲基化这种“表观遗传开关”在缺血性脑血管病发生、发展过程中的特征性变化，寻找与临床表型和治疗结局密切相关的分子标志物，建立有效的风险预测模型，对不同风险等级的患者施以不同的二级预防策略，推进脑血管病精准医疗的发展，也将有助于缓解我国脑血管病疾病负担。