5-羟甲基胞嘧啶在神经退行性疾病中的作用研究进展

李小桃 朱爱琴

1）青海大学研究生院，青海 西宁 810000 2）青海省人民医院，青海 西宁 810007

通信作者：朱爱琴

帕金森病（Parkinson’s disease，PD）是一种常见的中老年神经系统退行性疾病，临床上包括运动迟缓、静止性震颤、肌强直、姿势平衡障碍等运动症状及睡眠障碍、嗅觉障碍、自主神经功能障碍、认知和精神障碍等非运动症状［1］。帕金森病患病率、发病率随年龄的增长而成倍升高，随着老龄化社会的到来，老龄人口的增加导致全球（特别是中国）帕金森病患病率呈明显上升态势，中国65岁以上老年人群PD患病率为1.7%［2］。近年的研究表明，表观遗传调控介导了遗传和环境因素的相互作用，主要通过DNA 甲基化、去甲基化、组蛋白修饰和非编码RNA的复杂相互作用，从而调控DNA 表达。表观遗传是大脑适应环境应激的主要机制，而表观遗传调控的失衡则与神经退行性疾病的发生和发展密切相关，尚未确定这种表观遗传分子是神经退行性疾病发生和发展的原因还是结果，需深入研究［3］。

1 5hmC与表观遗传学

1.1 5hmC 在表观遗传学中的作用20 世纪40 年代由康拉德·瓦丁顿博士提出“表观遗传学”的学科［4］。表观遗传学是对DNA和DNA包装的修饰，其不涉及DNA序列的改变［5］。5-甲基胞嘧啶（5-methylcytosine，5mC）氧化为5hmC可能是DNA的稳定修饰［6］。5hmC是表观遗传基因调控的重要标志。研究表明，5mC修饰可抑制基因表达，而基因内部的5hmC修饰则促进基因表达［7］。最近的一项研究得出结论，5hmC 在有丝分裂后神经元中含量最高，其神经元中的积累具有细胞特异性并与基因表达相关，5hmC通过减少与甲基CpG结合蛋白2（methyl-CpG binding proteins，MeCP2）结合，从而促进基因转录［8］。多项研究表明，5hmC 不仅仅是DNA 去甲基化的中间体，而且是一种真正的表观遗传标记［9］。

1.2 5hmC与TET蛋白DNA去甲基化是一种将甲基化胞嘧啶转化为未修饰的胞嘧啶的过程，在表观遗传学上属于DNA甲基化的逆过程［10］。TET蛋白是一种依赖α-酮戊二酸（α-KG）/Fe2+的双加氧酶［11］，TET催化胞嘧啶鸟嘌呤二核苷酸岛（CpG）中的5mC 氧化5hmC，5hmC 进一步氧化为5-甲酰基胞嘧啶（5-formylcytosine，5fC） 或 5- 羧 基 胞 嘧 啶（5-carboxylcytosine，5caC），再经胸腺嘧啶糖苷酶（thymine DNA glycosyllase，TDG）碱基切除修复得到未被修饰的胞嘧啶完成去甲基化过程［12］。TET蛋白通过修饰DNA 甲基化在发育中发挥关键作用，TET包 括3 种 不 同 的TET 蛋 白 变 体：TET1、TET2 和TET3。研究表明，TET1缺乏损害了人类胚胎干细胞（human embryonic stem cell，hESC）向神经外胚层分化的内在能力［13］。研究发现，TET1在幼稚和致敏多能细胞中大量表达，TET2在血清/白血病抑制因子中培养的胚胎干细胞（embryonic stem cell，ESC）中异常表达［14］。TET1 对胚胎干细胞的自我更新和维持发挥重要作用，TET2经常发生突变和参与胚胎生殖干细胞中基因序列的高效重排［15］。有文献报道TET3是维持多能性基因沉默和神经干细胞身份所必需的，可能是通过调节神经前体细胞中的DNA 甲基化水平来实现的［16］。

2 5hmC与神经退行性疾病

2.1 TET2 与神经细胞小胶质细胞在神经炎症反应和神经退行性病变中起关键作用，在神经元损伤或感染时，小胶质细胞将启动炎症反应，TET2 是小胶质细胞促炎反应的主要调节因子，TET2调节基因的早期转录和晚期炎症反应。TET2 可能是对抗神经退行性疾病的潜在靶点［17］。

2.2 大脑中5hmC 的分布近几年的研究表明，不同组织中的5hmC含量差异很大。大脑内5hmC的含量最高［18］，研究发现，5hmC 在大脑皮质、海马、小脑和脑干等大脑区域中存在，以下丘脑中5hmC含量最丰富。5hmC因不同种类的神经元中含量也不一致，在ESC（小鼠胚胎干细胞）和神经组织中发现MeCP2与基因体上的5hmC 结合可能促进基因表达［19］。最近发现一种DNA 核苷酸5-羟甲基-2’-脱氧胞苷（5-hydroxymethyl-2’-deoxycytidine，hmdC），其在浦肯野细胞和颗粒细胞中占一定的比例。hmdC 是在大脑中富集的核DNA 的组成部分，在神经元功能的表观遗传控制中起作用［20］。

3 5hmC与AD

AD是发生于老年和老年前期、以进行性认知功能和行为损害为特征的中枢神经系统退行性疾病。有研究发现，AD患者海马区5hmC水平显著降低，海马5hmC 与淀粉样斑块病理之间存在负相关［21］。研究［22-23］发现，在AD 患者的内嗅皮层和小脑中5hmC显著下降，表明其在AD 的表观遗传改变中发挥作用。研究发现，5mC和5hmC水平的整体变化发生在AD 的两个易感区域——额叶中回（middle frontal gyrus，MFG）和 颞 叶 中 回（middle temporal gyrus，MTG），发现AD 患者MFG 和MTG 中的5mC 和5hmC水平显著增加。这些变化与Aβ、NFTs和泛素负荷呈正相关，同时5hmC与AD的生物标志物β淀粉样蛋白呈正相关，提示可能与AD病理严重程度有关［24］。不同研究间存在差异，可能是因大脑不同区域的分析以及使用了不同的免疫组织化学定量技术。5hmC修饰失调可能早在胎儿发育时就影响结构性大脑发育，迟发性AD 的人类死后大脑中5hmC 发生强烈的改变［25］。3xTg 小鼠（一种AD 小鼠模型）的神经元中发现全基因组的5hmC 减少，大脑中5hmC 水平的失调在AD神经退行性病变中起重要作用［26］。

4 5hmC与PD

帕金森病是一种慢性进行性神经退行性疾病，伴运动障碍，包括震颤、运动迟缓、肌强直和姿势平衡障碍等症状。研究发现，帕金森病患者的小脑DNA样本中具有更高的5hmC水平［27］。在小鼠MPTP诱导帕金森病模型中检测到帕金森病病理的主要脑区黑质和纹状体区RNA 5hmC水平下降［28］。一项以1-甲基-4-苯基-吡啶离子（MPP+）作为神经毒素处理SH-SY5Y 细胞构建PD 细胞损伤模型的研究发现，MPP+诱导的帕金森病细胞模型中TET2表达增加［29］，TET2蛋白可能是PD新型的表观遗传学标志物，提示将来也许可以使用TET2 抑制剂治疗PD。在6-羟基多巴胺（6-OHDA）诱导的PD大鼠模型的纹状体脑组织中研究5hmC 水平发现，5hmC 含量通常随年龄增长而增加［30］。PD不同脑区的5hmC表达水平不同，可能反映了由于疾病相关功能障碍的代偿，基因表达的表观遗传调控改变可导致PD发生有害变化［31］。有研究发现帕金森病患者大脑壳核中腺苷A2A 型受体（adenosine A2A receptor，A2AR）过表达，5hmC 水平降低与纹状体A2AR水平降低有关，还发现大鼠纹状体中基因组5hmC水平随着大鼠的生长而增加，表明5hmC介导的表观遗传修饰也介导了纹状体中5hmC水平与年龄相关的变化［32］。维生素C 可辅助TET2/3 增强5hmC 水平，促进多能干细胞（induced pluripotent stem cells，iPSCs）向中脑多巴胺神经元（midbrain dopaminergic，mDA）神经元分化。维生素C能显著增加神经元活动和多巴胺释放，受维生素C 调节的TET-5hmC 通路对于人类mDA 神经元的重要发育阶段至关重要［33］。近年来，脑脊液中检测出差异性甲基化基因［34］，脑脊液可能成为PD 的潜在诊断标记物，有助于PD 早期诊断［35-36］。

5 5hmC与MSA

MSA是一种快速进展的散发性成人神经退行性疾病，具有多种临床表现，包括帕金森综合征、小脑综合征和自主神经功能衰竭。在病理学上，MSA 被归类为α-突触核蛋白病之一，α-突触核蛋白聚集被认为是该病发病机制的罪魁祸首。相对于对其他突触核蛋白病（如帕金森病和路易体痴呆）发病机制的研究，对MSA发病机制的研究很少［37］。有研究发现，5-hmC在MSA患者的小脑白质中显著上调［38］。MSA患者前额叶皮层中AREL1基因呈现从胞嘧啶甲基化到胞嘧啶羟甲基化的转变，AREL1 基因在MSA 患者中减少可能与MSA患者5hmC水平增加相关［39］。

6 5hmC与HD

HD 是一种常染色体显性遗传性神经退行性疾病，以运动（舞蹈病）、认知和精神异常为特征。该病的致病基因为IT15 基因，IT15 基因内含有一段多态性的三核苷酸（CAG）重复序列。CAG重复长度影响疾病的严重程度和发病年龄。研究表明，腺苷A2AR在基底神经节中高度表达，在HD患者脑组织中表达水平严重降低，A2AR是一种G蛋白偶联受体。研究发现，HD患者纹状体A2AR水平降低与5hmC水平的变化有关，A2AR 活性在维持脑源性神经营养因子（brain-derived neurotrophic factor，BDNF）水平中起至关重要的作用［40］，5hmC水平伴随纹状体A2AR蛋白的下调而发生变化，5hmC可能与HD病理变化相关。有文献报道，与年龄匹配的野生型（WT）小鼠相比，YAC128（具有128个CAG重复的酵母人工染色体转基因）HD小鼠脑组织中的5hmC信号显著降低［41］，大脑中5hmC水平的高低可能与HD的进展相关。

7 结论与展望

5hmC在基因体中富集，与基因表达呈现更好的正相关。5hmC 在正常神经发育和成人中枢神经系统功能的维持中发挥重要作用。5hmC 的分布或功能的异常也可能是神经退行性疾病的重要因素，并与大脑不同区域的神经发育和衰老有关，尚未确定这种表观遗传分子是神经退行性疾病发生和发展的原因还是结果。尽管成熟神经元中有大量的5hmC，但尚不清楚在何种程度上以及在何处发生了活跃的DNA去甲基化，还需深入研究。5hmC水平与相关基因转录活性之间的相关性还有待于进一步的研究与证实，破译其在组织发育和疾病中的可能作用。基因组中5hmC 水平的检测和定量对于理解许多生物学过程和诊断变得重要。随着5hmC的研究深入，有可能为我们提供一种新的治疗方法。