甲基化修饰在缺血性脑卒中的研究进展

颜山荃，王光明

(1.大理大学临床医学院，云南大理 671000；2.大理大学第一附属医院基因检测中心，云南大理 671000)

脑卒中是我国人群乃至全世界人群致残与致死的首要原因，通常将脑卒中分为出血性卒中和缺血性卒中；其中缺血性卒中占据了脑卒中患病率的60%～70%。缺血性卒中是一种多因素疾病，受环境因素、基因改变和基因-环境相互作用的影响[1-2]。已有相关表观遗传研究为表观遗传因素如何影响缺血性脑卒中的发生、发展及预后提供了强有力的证明[3-4]。表观基因组调控作为基因型与表现型之间的沟通桥梁，是许多正常细胞的必备功能；当机体发生不适当的表观基因组调控时就可能引发相关疾病。DNA甲基化是最常见的表观遗传修饰之一，在调控基因表达方面有着关键作用，如DNA甲基化可参与血管细胞因环境胁迫而发生表型和功能改变的调控机制；高甲基化可抑制基因转录，而低甲基化可促进转录[4-5]。现就DNA甲基化修饰在缺血性卒中的研究进展作一综述。

1 甲基化

1.1 DNA的甲基化DNA甲基化(DNA methylation)是基因表观遗传修饰的一种形式，具有动态性和组织特异性、可逆性等特点[6]。DNA甲基化是指在DNA甲基化转移酶的作用下，在基因组CpG二核苷酸的胞嘧啶5号碳位共价键结合一个甲基基团从而形成5-甲基胞嘧啶(5-methylcytosine,5-mC)；其主要作用是沉默转录，抑制有害遗传基因的表达[7]。DNA甲基化一般发生在CpG岛;而非CpG甲基化则常见于胚胎干细胞。CpG岛通常采用甲基化与去甲基化这两种方式来实现对下游目的基因的表达调控, 其影响主要涉及损害转录因子的结合、汇集抑制性甲基结合蛋白或稳定沉默基因表达等方面[8]。有研究指出DNA甲基化对基因表达的控制主要表现在DNA的结构、稳定性及基因翻译的蛋白质之间相互作用方式的改变[9-10]。

1.2 DNA 的去甲基化DNA 甲基化的消除又称去甲基化，指细胞内因缺乏DNA甲基转移酶或其含量减少而引起DNA无甲基化修饰的一种生物反应过程，在开启特异性基因的表达和重编程的起始方面具有重要作用，参与了脑卒中、神经退行性疾病或肿瘤等疾病的病理过程[11]。DNA去甲基化主要有两种途径，即被动途径和主动途径。被动途径是指持续性DNA甲基转移酶(DNMT1)含量减少导致目的基因的甲基化程度降低[12]。在DNA 甲基化阻遏基因表达的过程中,黏附蛋白发挥了关键作用，例如核因子附着在甲基化修饰的DNA上,黏附点附近的DNA因不能完全甲基化从而阻断了DNMT1的作用[13]。主动途径也被称为TET-TDG途径，是指甲基基团在去甲基酶的作用下被除去的过程[12]。TET蛋白是生物体内存在的一种氧化酶，其主要作用是介导5mC的多次反复氧化反应。此外，5mC的氧化产物在胸腺嘧啶 DNA 糖基化酶的作用之下将相应碱基切除、修复，最终可出现去甲基化状态[14]。DNA的去甲基化作用与目的基因的表达之间存在一定的依存关系。

2 缺血性脑卒中与DNA甲基化之间可能存在的内在关联

缺血性脑卒中(ischemic stroke，IS)是指大脑动脉血管的狭窄或阻塞引发脑组织缺血、缺氧或坏死而产生的一系列症状的临床综合征。缺血后DNA甲基化的变化可能具有神经保护和神经毒性作用，具体作用需取决于脑组织缺血损伤的程度、损伤后持续的时间及发生甲基化的部位[15]；同时，DNA甲基化在脑发育和脑损伤中的变化也被认为是表观遗传调控的显著表现之一；大脑组织缺血性损伤后其DNA甲基化修饰增加导致大量基因转录被抑制，进一步加重机体的脑部损伤[9，16]。DNA甲基化在影响缺血性脑卒中的发生进程中发挥了重要作用，蛋氨酸合成酶还原酶(MTRR)上基因发生突变导致启动子甲基化异常可以增加高同型半胱氨酸血症患者发生IS的风险[17-18]。此外，遗传或环境因素也可调控基因的DNA甲基化状态从而影响脑卒中的发病机制；如不同甲基化模式的编码蛋白磷酸酶与采用阿司匹林治疗卒中患者存在着不同的影响关系，严重时可直接干扰脑卒中患者的预后[19]。由此可见，DNA甲基化在IS的发生、发展上具有影响作用，或许其可以成为预测IS的独立因素。

3 DNA甲基化对缺血性卒中的影响

3.2 DNA低甲基化对IS的作用机理DNA低甲基化有助于缺血性卒中的治疗。DNMT1和组蛋白甲基转移酶可以成为缺血半影细胞的潜在蛋白质靶标，并且它们的抑制剂是潜在的神经保护剂，能够保护半影细胞免受大脑皮层的术后损伤[28]。同时，还了解到IS后期机体的耐受神经元中将出现整体DNA甲基化降低，减弱甲基化修饰将有助于缓解IS；换言之，DNA甲基化阻滞剂对脑缺血具有神经保护作用[29]。在动物实验中对小鼠进行缺血预适应(ischemic preconditioning，IPC)治疗后，许多神经保护基因的调节区发生了广泛的去甲基化，重新启动基因表达和蛋白质合成等程序，去甲基化有利于IPC小鼠的恢复治疗[30-31]。在中脑动脉栓塞30分钟处理的小鼠模型中DNA甲基化修饰减少；将其与DNA甲基转移酶基因敲除的小鼠相比较，前者需要治疗梗死面积比后者要小[16]，神经保护和DNA低甲基化之间确实存在一定联系。因此，DNA的低甲基化对缺血性卒中的恢复具有帮助作用。

3.3 DNA去甲基化对IS的作用机理研究指出，5-羟甲基胞嘧啶(5-hydroxymethylcytosine，5HmC)可能与基因去甲基化的过程有关。5HmC是5mC在TET酶的作用下氧化作用的产物，几乎存在于所有的哺乳动物基因组中，不同的细胞中5HmC的含量大有不同[14]。5HmC在中枢神经系统的神经细胞中含量最高，特别是在急性脑组织缺血性损伤之后5HmC丰度大大增加[32]。赖氨酸脱甲基酶6B(KDM6B)是一种组蛋白H3赖氨酸27脱甲基酶，作为基因转录的关键介质。KDM6B已被证明可以调节缺血性卒中后的神经炎症，KDM6B介导的干扰素调节因子4去甲基化有助于通过相关酶的激活加剧缺血性脑损伤[33]。此外，还了解到在哺乳动物细胞中，组蛋白的甲基化赖氨酸残基的去甲基化是由含一个转录因子家族Jumonji小的特征结构域的蛋白质(JMJD)家族催化的。其中，JMJD3被报道为缺氧靶基因，在包括神经元在内的所有细胞类型的大脑中表达。在脑组织缺氧损伤时，培养神经元中JMJD3的表达被上调，JMJD3通过调节Bax和Caspase-3的表达是神经元凋亡的关键启动子，加剧了脑组织的损伤程度[34]。DNA的去甲基化修饰可以加剧IS的进程。

4 展望

在机体缺血条件下的甲基化修饰对神经损伤部位发挥着重要的作用，这将揭示DNA甲基化修饰可能是神经保护的一个潜在靶标。DNA 甲基化修饰与IS间的密切关系为此后的深入研究提供了更多的指导理论,基因的 DNA 甲基化修饰的异常变化可能引起IS的发生、促进该疾病的发展进程，或者影响它的治疗及后期恢复。DNA 甲基化既可遗传，也可因疾病影响而发生变化，探究在IS发生时DNA 甲基化的变化是遗传因素所致，还是疾病所引起具有重要临床意义。但当前关于甲基化与IS的研究尚少，因此加深 DNA 甲基化与IS的研究仍然是学者们的一个重要方向，需要对大量无症状人群进行前瞻性研究，以验证现有证据，探索新的途径，确定新的风险/保护性基因座，有助于IS的预防和治疗。