可吸入细颗粒物通过表观遗传机制影响缺血性脑卒中发生发展的研究进展

肖再兴，柴尔青

缺血性脑卒中是社会非意外情况下，导致功能障碍甚至危及生命的重大疾病之一[1-2]，也是世界范围内成年人致残的首要病因[3]。脑部供血动脉发生狭窄或被栓子、血栓堵塞时，大脑血流量和氧气供应量减少，发生缺血性脑卒中[4]。这种现象持续存在时，因神经元细胞死亡，导致不可逆脑损伤，出现一系列相应的神经功能缺损症状。炎症和氧化应激增加是缺血性脑卒中的共同特征，可解释为原因或结果[5]。脑梗死是一种多因素疾病，环境和遗传风险因素均与发病相关[6-7]。多项研究表明，空气污染特别是可吸入细颗粒物(fine particulate matter，PM2.5)暴露与缺血性脑卒中发病有关[8-11]，PM2.5是引起表观遗传变化的环境因素之一[12-14]。表观遗传变化导致某些疾病的易感性增加，相关研究已确定PM2.5暴露和心血管疾病表观遗传之间的关系[15-17]；缺血性脑卒中表观遗传变化影响疾病的发生发展和预后[18-19]。认为PM2.5可能通过表观遗传机制影响缺血性脑卒中的发生发展[8]，但PM2.5通过表观遗传变化影响缺血性脑卒中发生发展的具体机制尚未明确。以PM2.5、表观遗传变化和缺血性脑卒中为主题词查阅相关文献，对PM2.5通过表观遗传机制影响缺血性脑卒中发生发展的研究进展做一综述，从表观遗传机制明确PM2.5暴露与缺血性脑卒中的关系，指导缺血性脑卒中的预防。

1 PM2.5与缺血性脑卒中的关系

暴露于空气污染是一个公共健康问题，是发展中国家死亡率居前5位的风险因素之一，40%的死亡可能是由室外空气污染引起的，在快速工业化带来的中低等收入国家，较多疾病归因于环境空气污染[8]。PM2.5是一种复杂的混合物，直径<2.5 μm，不仅由固定源和分布源的一次排放组成，还可由大气转化后形成二次气溶胶组成。由于PM2.5较小的尺寸和化学活性，可穿透小气道和肺泡，进入血液循环[19]，流行病学研究表明，暴露于PM2.5与脑血管疾病(特别是脑卒中)发病风险增加之间存在短期关联[20]。一项对美国204个城市医疗保险受益者数据的时间序列研究显示，PM2.5与脑血管疾病住院高风险率相关[21]。对我国172个城市进行的时间序列分析中，PM2.5增加10 μg/m3与同日缺血性脑卒中住院人数增加0.34%有关[22]。一项多中心研究显示，短期接触PM2.5与缺血性脑卒中和短暂性脑缺血发作的住院人数增加有关，与出血性脑卒中无关；年龄、季节和城市年平均PM2.5浓度是影响PM2.5和缺血性脑卒中关系的因素[23]。上述流行病学研究结果表明，缺血性脑卒中的发生发展与PM2.5暴露存在相关性，不同地区/国家的颗粒物含有不同成分，收集和研究信息不同，结果各异。需进行大规模流行病学研究，特别是不同地区/国家之间的比较研究，以解决这些争议，并可能最终解决观察到的差异。到目前为止，PM2.5与缺血性脑卒中发生发展和死亡率增加有关。尽管如此，由于颗粒物暴露对人类健康的影响延迟，进行长期流行病学研究至关重要。

2 表观基因组与表观遗传变化

不断变化的环境从基因组和表观基因组水平影响人类健康。表观基因组随着环境、饮食、疾病和年龄改变[24]。有些变化是短暂的，有些是可遗传的，一些表观遗传变化导致疾病易感性增加。因此，表观遗传变化可在疾病早期发现，甚至在疾病被其他诊断前发现。了解PM2.5暴露引起的表观遗传变化可为分析颗粒物暴露与缺血性脑卒中之间的关系提供重要工具。表观遗传变化主要分为3类：DNA甲基化、组蛋白修饰和MicroRNA(miRNA)表达[25]。DNA甲基化是通过DNA甲基转移酶(DNMT)催化完成的，CpG岛胞嘧啶残基的脱氧核糖核酸甲基化是癌症表征良好的表观遗传调控之一[26]。组蛋白修饰可调节基因转录水平，包括乙酰化、甲基化、磷酸化和泛素化；组蛋白乙酰转移酶和组蛋白去乙酰化酶平衡作用后，组蛋白发生乙酰化，组蛋白乙酰化通过降低组蛋白和DNA之间的亲和力，导致DNA解旋。组蛋白甲基转移酶和组蛋白去甲基化酶相互平衡作用后导致组蛋白甲基化[27]。另一方面，微小核糖核酸转录后可调节基因表达，它是长18～23个核苷酸的非编码单链RNA分子，与基因结合导致基因降解或抑制蛋白质翻译[28]。推测位于功能未知的非编码基因组DNA区域的一些疾病相关变异体可能调节某些miRNA水平，反之miRNA也可调节与疾病相关蛋白质的翻译[29]。

3 表观遗传变化与缺血性脑卒中的联系

3.1 DNA甲基化与缺血性脑卒中 DNA甲基化通常由DNMT进行的化学稳定修饰降低基因转录，该修饰与基因启动子中胞嘧啶的5′位添加甲基(-CH3)有关。这种修饰阻止了转录因子与特异性结合位点之间的相互作用。启动子DNA甲基化在缺血性脑卒中发病机制中的作用已得到证实[30]。DNA甲基化与大脑中DNMT的高活性有关。大脑中动脉闭塞(MCAO)大鼠模型中，DNMT的药理学抑制作用证实了可减少DNA甲基化，从而减小梗死面积，减轻脑缺血损伤。DNMT活性导致缺血性脑损伤后组织预后不良，DNMT抑制剂认为可提供抗脑缺血保护，是治疗脑缺血的潜在新靶点。DNMT基因缺失[DNMT(S/+)]杂合的突变小鼠免受轻度脑缺血损伤，去乙酰化抑制剂曲古菌素A和DNMT抑制剂5-氮杂-2′脱氧胞苷的治疗可保护野生型小鼠免受缺血性脑卒中。5-氮杂脱氧胞苷通过抑制DNA甲基化保护小鼠免受缺血性损伤。另一种DNMT抑制剂泽普勒宁在水溶液中更稳定，毒性更低，因此适合生物学研究。采用泽普勒宁治疗后，通过抑制DNMT，大鼠缺血性脑损伤得到改善[31-32]。相关研究表明，长散布核苷酸元件(LINE-1)的低甲基化与老年人血管细胞黏附蛋白1(VCAM-1)水平增加有关，LINE-1低甲基化和VCAM-1表达之间的联系仅在无缺血性心脏病或脑卒中是显著的，心脏病和脑卒中病人中未发现相关性；LINE低甲基化和VCAM-1表达之间的联系可能是心脑血管疾病病因中的早期事件[33-34]。

3.2 组蛋白修饰与缺血性脑卒中 人类和动物模型研究强调了组蛋白修饰(乙酰化、甲基化、磷酸化和泛素化)在染色质浓缩和转录稳定性中的作用，包括缺血性脑卒中在内的各种脑血管疾病参与[35]。相关研究显示，脑卒中动物模型中组蛋白H3和H4乙酰化水平普遍下降，与严重脑损伤有关[36]。由于表观遗传变化可逆转，HDAC抑制剂认为是减轻脑损伤的有效方法，HDAC抑制对炎症反应具有保护作用[37]。分离自MCAO小鼠模型的原代小胶质细胞，采用丁酸钠进行HDAC抑制增加了H3组蛋白(H3K9ac)中赖氨酸9的乙酰化，可下调不同的促炎介质，如诱导型一氧化氮合酶，同时上调抗炎介质[38]。尽管临床研究中获得了满意结果，但HDAC抑制剂的使用在缺血性脑卒中病人未得到满意结果。

3.3 miRNA调节与缺血性脑卒中 miRNA是长18～23个核苷酸的核糖核酸，与基因结合导致基因降解或抑制蛋白质翻译。miRNA与目标基因的3′-未定位区域相互作用，根据miRNA与靶点之间的互补程度，通过基因降解或抑制翻译，导致基因沉默发生，使miRNA作为基因表达转录后的调节剂[39]。有研究显示，缺血性脑卒中不同阶段发现了miRNA水平变化，表明其在早期诊断、预后和治疗方面的潜在作用[40]。MCAO大鼠模型研究发现，与对照组相比，大脑和血浆miR-124水平均增加，在缺血性脑卒中发生后24 h达到峰值[41]。上述结果表明血浆miR-124水平可监测脑缺血损伤。易患脑卒中的自发性高血压大鼠(一种与人类脑卒中相似的动物模型)中，miR-122水平降低为发生缺血性脑卒中的标志，并与内皮完整性降低、凋亡增加和炎症相关[42]。上述研究结果支持了miRNA在缺血性脑卒中发病机制中日益增长的重要性。详见图1。

图1 表观遗传变化与缺血性脑卒中联系示意图

4 PM2.5诱导表观遗传变化影响缺血性脑卒中的发生发展

有研究表明，PM2.5暴露可改变表观遗传变化，急性暴露于PM2.5，血液中LINE-1DNA甲基化减少[43]。PM2.5暴露可改变微小核糖核酸表达水平，血浆微小核糖核酸表达水平变化认为与PM2.5诱发的心脑血管疾病发病风险相关。表观遗传机制，如DNA翻译后修饰、RNA相关过程和组蛋白，可能在血管机制的调节中发挥着重要作用，包括内皮干细胞功能。血液DNA低甲基化认为是动脉粥样硬化发生的生物标志物，从而有助于识别具有动脉粥样硬化风险的病人。DNA甲基化在导致缺血性脑卒中基因上发挥作用，如内皮功能、细胞因子介导的炎症反应和凝血。

5 小 结

DNA甲基化表观遗传变化包括全基因组和启动子特异性甲基化，是目前PM2.5暴露研究最多的是表观遗传变化之一，关于组蛋白修饰和miRNA表达研究较少。一些表观遗传变化导致缺血性脑卒中易感性增加和疾病进展。查阅大量国内外文献综合回顾之后，考虑到PM2.5暴露在表观遗传机制(特别是DNA甲基化变化)与缺血性脑卒中的联系，认为PM2.5可能通过表观遗传机制影响缺血性脑卒中的发生发展，为临床预防缺血性脑卒中及早期诊断的相关研究提供参考。今后需开展多中心随机对照研究验证并指导今后的工作。