近视的表观遗传学机制

龚蔚 综述 刘堃 何鲜桂, 审校

1上海市眼病防治中心 上海市眼科医院/上海市视觉健康中心,上海 200050;2上海交通大学医学院附属第一人民医院 国家眼部疾病临床医学研究中心,上海 200080

目前全球约有20亿近视患者,预计至2050年,接近一半的人口(48亿人)将患有近视[1]。近视不仅造成患者视力下降,影响学习、工作和生活质量,高度近视还会增加眼底病变发生风险,其导致的近视性黄斑病变已成为致盲的重要原因[2-3]。然而,现有的干预手段整体上难以遏制近视进展态势,探究近视发病机制以寻求有效干预靶点成为当务之急。

目前,近视的病因和发病机制仍不清楚,潜在影响因素还有待验证,但已明确的是,环境因素和遗传因素均对近视的发生发展产生重要影响。一方面,近视受到多种环境因素的调控,增加户外活动时间、近视离焦、减少近距离用眼等均能够延缓近视发生发展[4-7];另一方面,近视也有明显的遗传易感性,在多项家系研究和双生子研究中,通过连锁分析、全基因组关联分析等,已鉴定出与近视或有关性状相关的100多个基因和20多个染色体位点[8]。在近视发生发展的过程中,环境因素和遗传因素并非独立发挥作用,而是相互联系构成调控网络。表观遗传代表了环境因素对遗传物质的作用,诸多研究表明其与近视存在密切联系,近年来成为近视发病机制的研究热点[9]。本文就近年来与近视相关的表观遗传学研究进行综述,以期提高对近视的认识。

1 表观遗传的概念

经典遗传学认为遗传信息储存在DNA序列内,序列改变会引起基因表达和个体表型的改变,但是随着生命科学的发展,人们意识到仅靠经典遗传学无法解释全部遗传性状。据此,表观遗传学的概念便被提出用以描述环境和行为因素对基因表达所造成的影响。具体来说,表观遗传是指在基因表达过程中发生的不涉及DNA序列改变的基因表达水平和功能上的改变,其是可逆的且能够在生物体发育过程中稳定传递。表观遗传的表现形式主要包括DNA甲基化、非编码RNA调控、组蛋白修饰以及mRNA修饰等,它们可以单独或协同地影响基因表达水平和疾病的发生发展。近年来,表观遗传修饰作为一种特殊的遗传信息在生物医学领域受到广泛关注。

2 DNA甲基化与近视

DNA甲基化是表观遗传调控的主要类型之一,它指在DNA甲基转移酶(DNA methyltransferase,DNMT)的催化下,将S-腺苷甲硫氨酸的甲基转移到胞嘧啶核苷酸的5'碳位上,从而形成5-甲基胞嘧啶。DNA甲基化受到内源性因素和环境因素的影响,主要发生在转录调控区附近的CpG岛,甲基化和去甲基化间的稳态决定了相关基因的表达模式。

2.1 DNA甲基化影响近视进展

在2项针对婴儿及儿童近视队列的全基因组DNA甲基化分析中,研究者发现近视与DNA甲基化有显著关联性[10-11]。类似地,Vishweswaraiah等[12]对18例4～12岁非综合征性高度近视儿童和18位4～12岁非高度近视对照组儿童的外周血细胞进行了全基因组甲基化分析,发现2个组之间的DNA甲基化程度存在显著差异;生物信息学分析进一步表明,鉴定出的甲基化水平存在差异的基因与视网膜神经节细胞发育、突触信号传递、角膜和巩膜功能障碍以及眼轴长度有关,提示DNA甲基化能够从多个方面对近视产生影响。

在近视的发生发展过程中,巩膜细胞外基质(extracellular matrix,ECM)重塑是引起眼轴增长和屈光状态变化的重要机制。巩膜ECM重塑发生时,胶原纤维合成减少引起巩膜张力下降,导致眼球后极部巩膜延长变薄,形态发生变化。Ⅰ型胶原蛋白α1链基因(collagen type Ⅰ alpha 1,Col1a11)甲基化影响了胶原纤维合成,Zhou等[13]发现与未造模对照组相比,形觉剥夺近视模型小鼠的Col1a1启动子/外显子1区的6个CpG岛甲基化程度显著增加,且Col1a1mRNA表达水平明显下降;而在去除形觉剥夺装置后,模型小鼠Col1a1的CpG岛甲基化程度逐渐恢复至接近正常水平,相应地,其mRNA表达水平升高。据此可推测,DNA甲基化是Col1a1表达水平改变并影响巩膜ECM重塑的可能机制。

DNA甲基化的甲基供体主要来自同型半胱氨酸代谢,而研究表明,同型半胱氨酸尿症患者大多患有高度近视[14]。另外,长期服用半胱氨酸会对抑制近视的多巴胺能系统造成损害[15]。Hsi等[16]发现在近视模型小鼠的眼组织中,存在同型半胱氨酸和甲硫氨酸的过度积累。同时,与非近视对照组相比,近视患者和近视模型小鼠外周血白细胞以及小鼠眼组织中的长散在核苷酸原件-1(long interspersed nucleotide element 1,LINE-1)的甲基化水平均显著上升,而多巴胺干预可下调Dnmt1mRNA表达并减少LINE-1的甲基化。以上发现表明,甲基供体的过度累积可能增加眼组织细胞中DNA甲基化水平和DNMT1表达,同时损害了多巴胺的保护作用,并最终增加近视风险。

2.2 DNA甲基化影响近视并发症

DNA甲基化推动近视进展的同时,对近视并发症也有影响。高度近视是黑核白内障的危险因素,Zhu等[17]研究发现与年龄相关性白内障患者相比,高度近视诱发的核性白内障患者的晶状体上皮中,Dnmt1mRNA表达升高,Cryaa、Gstp1和Txnrd2基因启动子的甲基化水平均明显上升,引起基因表达下调。其中,Cryaa编码晶状体结构蛋白,并与GSTP1和TXNRD2一起发挥抗氧化功能,维持晶状体透明度[18-19]。高度近视患者的晶状体暴露于较高水平的氧气,可能会引发DNA甲基化和氧化应激之间的相互促进,形成恶性循环,影响结构蛋白的表达,导致白内障进展。

3 非编码RNA与近视

人类基因组中仅有1.5%的DNA具有编码蛋白质的功能,其余不能编码蛋白质的DNA转录产生的功能性RNA即为非编码RNA。非编码RNA包括微小RNA(microRNA,miRNA)、长链非编码RNA(long non-coding RNA,lncRNA)、环状RNA(circular RNA,circRNA)等,已被证实对近视发生发展产生影响[20-22]。

3.1 miRNA与近视

miRNA是一类重要且高度保守的小非编码RNA,其长度约为22个核苷酸,能够识别靶mRNA的3'非翻译区(3' untranslated region,3' UTR)的互补序列,调控基因转录,从而参与多种病理生理活动,包括细胞分化、增生、凋亡和新陈代谢等。对于眼组织,miRNA表现出显著的组织特异性和发育阶段特异性[23-25]。而对于近视,Metlapally等[20]发现近视模型小鼠巩膜内的miRNA表达与对照组存在显著的差异性,且差异miRNA与眼球生长调节相关,提示miRNA是预防或减缓近视进展的潜在靶点。目前研究已经发现miR-328、miR-29a和miR-let-7i等多种miRNA能够通过影响眼组织细胞活动以及ECM成分参与调节近视发生发展。

Pax6是调控眼球发育的重要基因,在近视患者和动物近视模型的眼组织中均发现了Pax6的表达下调[26-27]。Liang等[26]确定了位于Pax63' UTR处的功能性单核苷酸多态性(single nucleotide polymorphism,SNP)rs662702,其位置紧邻miR-328的作用位点且与近视的患病风险有显著相关性。Kunceviciene等[28]进一步发现近视患者和非近视对照组外周血细胞中miR-328的表达存在显著差异。Chen等[29]则通过细胞转染实验证明了miR-328可以下调RPE中Pax6表达,引起RPE增生活性加强,进而抑制巩膜成纤维细胞的增生。另外,有研究者发现视黄酸以剂量依赖性方式增加miR-328的表达和RPE的增生,诱导眼轴增长[30]。以上发现提示,降低miR-328或视黄酸水平可能是预防或控制近视的潜在策略。此外,miR-204和miR-196a也被证实与PAX6存在相互作用,影响RPE细胞活动和眼球发育[31-32],但其与近视的关系有待进一步验证。

多种miRNA参与了巩膜ECM重塑以及相应的眼轴增长的过程。首先,miRNA能够直接调控巩膜ECM组分。例如,miR-328会引起巩膜中基质金属蛋白酶2的升高,以及Ⅰ型胶原和整联蛋白β1的降低[29];miR-29簇(miR-29a、miR-29b和miR-29c)则能够负调控胶原蛋白、原纤维蛋白等多种ECM成分的表达[33]。其次,miRNA能与其他ECM调节因子构成调控网络。例如,纤维形成的主要诱导介质转化生长因子-β(transforming growth factor-β,TGF-β)与miRNA存在相互作用,一方面TGF-β能够通过激活Smad3[33]或Wnt/β-catenin通路引起miR-29的显著下调[34],另一方面TGF-β表达水平又受到miR-let-7家族和miR-328等的调控[29]。最近有研究在豚鼠近视模型中发现,胶原蛋白交联剂Genipin能够通过抑制巩膜中的miR-29和MMP2水平来促进Col1a1表达,进而加固巩膜,延缓眼轴增长[35]。

除了上述几种miRNA,还有一些miRNA在初步研究中被证明可能与近视相关。miR-184富含于角膜和晶状体中,其突变与家族性圆锥角膜早期发作有关,而圆锥角膜会导致轴性近视的发生[36],这提示我们miR-184突变可能能够促进轴性近视。然而,Lechner等[37]在对780例无亲缘性圆锥角膜患者和96例无亲缘性轴性近视患者的测序中并未检测到miR-184突变,因此miR-184在近视发生发展中的作用仍需要进一步论证。此外,最近一项研究通过对豚鼠近视模型巩膜组织进行RNA测序发现,近视进展涉及了多种与氧化还原和能量代谢相关的miRNA,提示miRNA可能从氧化应激和能量代谢途径对近视产生影响[38]。

3.2 lncRNA与近视

lncRNA也是一种重要的非编码RNA,其长度超过200个核苷酸,在细胞分化、干细胞维持和表观遗传调控等多种生物学过程中起调节作用。lncRNA参与多种眼部疾病的病理过程,包括糖尿病性视网膜病变、青光眼、眼肿瘤和眼新生血管形成等[39-40];然而关于其对近视影响的研究较少。Geng等[21]通过对2种豚鼠近视模型的眼后极部进行RNA测序以及生物信息学分析发现,相较于未造模对照组,2种模型鼠分别有372和247种lncRNA的表达具有显著差异;这些lncRNA所调控的mRNA主要涉及ECM结构成分、激酶、ECM-受体相互作用、糖胺聚糖降解和粘蛋白型O-聚糖生物合成,这些靶标途径均与ECM重塑密切相关。Li等[41]则对形觉剥夺近视模型小鼠的视网膜进行了lncRNA测序,近视造模眼和未造模对照样眼的视网膜存在655个差异表达的lncRNA,主要富集在细胞因子-细胞因子受体相互作用、视黄醇代谢和节律等通路。此外,Wang等[42]提出了近视相关lncRNA的转录因子结合位点发生改变可介导近视的发生发展。这些研究从lncRNA的角度提示了近视的分子发病机理,并为探寻新的近视干预靶标提供了线索。

3.3 circRNA与近视

除miRNA和lncRNA外,circRNA也是一类重要的非编码RNA。最近有研究指出,在近视动物模型中,脉络膜的circFoxO1水平显著上调,而将circFoxO1沉默后则可以抑制ECM重塑以及眼轴增长,从而缓解近视进展[22]。目前circRNA对于近视影响的直接证据还相对较少,circRNA是miRNA的重要调节因子,miRNA对于近视的作用也有可能涉及到circRNA。

4 组蛋白修饰与近视

组蛋白修饰是表观遗传的另一重要类别。组蛋白存在于真核细胞染色质内,与DNA共同构成核小体。组蛋白的N末端尾巴可以进行甲基化、乙酰化、磷酸化及泛素化等翻译后修饰,影响染色质结构和蛋白质结合,进而调控基因转录。然而,目前有关组蛋白修饰对近视影响的研究还相对匮乏。

在一项中国的高度近视人群对照研究中,研究者证明了一种近视相关基因——钾离子通道基因Kcnq5的5个SNP与高度近视显著相关,其中关联性最高的2种SNP均位于H3K4me1和H3K27ac的组蛋白标记或附近的DNaseⅠ超敏位点内,这一发现一定程度上提示我们组蛋白修饰参与调控高度近视易感性[43]。在另一项韩国的研究中,Park等[44]对人眼后节组织进行分析发现,组蛋白去乙酰化酶下调引起的组蛋白乙酰化水平升高会影响赖氨酰氧化酶样蛋白2、弹性蛋白和原纤蛋白-1的表达,同时,赖氨酰氧化酶样蛋白2调控了ECM的重要成分胶原和弹性蛋白的合成。综上,推测组蛋白修饰可能会直接调控巩膜ECM组分的表达,进而影响眼球形态并参与到近视的形成过程中。

另外,鉴于视网膜能够通过多巴胺通路等途径对屈光发育产生影响,组蛋白修饰还可能通过调控视网膜发育对近视产生影响。Rao等[45]发现H3K4me3和H3K27me3分别在哺乳动物的视网膜中发挥转录活化和转录抑制的作用。Iwagawa等[46]则发现H3K4me3和H3K27me3在视网膜细胞增生、分化以及生物节律中起关键作用。

组蛋白作为核小体的重要组成成分,参与了染色质重塑,其修饰调控了染色质的结构以及基因的可及性。有研究指出,成熟的Müller神经胶质的基因可及性较差,导致神经再生能力受限,而组蛋白乙酰化酶抑制剂可以改善Müller神经胶质的关键基因可及性,并允许视网膜神经元有效的重编程,这一发现为近视性黄斑变性等致盲性视网膜疾病提供了新的治疗道路[47]。此外,组蛋白乙酰化修饰已被证实与多种眼部疾病相关,且有证据表明组蛋白去乙酰化酶抑制剂可能会对角膜疾病、青光眼、白内障、糖尿病视网膜病变等起到治疗作用[48-52]。鉴于组蛋白乙酰化对眼前节和眼底均会产生影响,其有可能参与了近视的发生发展过程,组蛋白去乙酰化酶抑制剂对于近视的控制效果也有待进一步验证。

5 mRNA修饰与近视

mRNA修饰是近年来受关注较多的一类表观遗传修饰,它是发生在mRNA上的转录后修饰,调节基因的表达和功能。mRNA修饰包括6-甲基腺嘌呤(N6-methyladenosine,m6A)修饰、1-甲基腺嘌呤、5-胞嘧啶甲基化、假尿嘧啶等。其中,m6A修饰是真核生物中常见的mRNA修饰之一[47],受到3种酶的催化调控:甲基化酶(METTL3、METTL14和WTAP)、去甲基化酶(FTO和ALKBH5)和甲基化识别酶(YTHDF1、YTHDF2和YTHDF3)。

最近,有研究发现单纯核性白内障患者和高度近视核性白内障患者晶状体前囊膜中m6A修饰和基因表达存在差异,高度近视患者晶状体前囊膜中去甲基化酶ALKBH5表达下调;功能富集分析显示,差异甲基化基因在调节ECM形成的途径中富集[53]。这些发现表明m6A修饰可能通过调节编码蛋白质影响ECM的组成来改变眼底解剖结构。

6 结语

近视作为一种受到遗传和环境因素多重调控的疾病,其发病过程与表观遗传密切相关,针对近视的表观遗传研究目前已取得一定成果。其中,影响近视及其并发症的DNA甲基化、能够通过影响眼组织细胞活动以及ECM成分参与调节近视发生发展的非编码RNA(包括miRNA、lncRNA和circRNA)、对眼前节和眼底均会产生影响的组蛋白乙酰化及可能通过调节编码蛋白质影响细胞外基质的组成来改变眼底解剖结的mRNA修饰等表观遗传作用相互联系,构建复杂的调控网络,通过控制巩膜基质重塑、眼球细胞增生、视网膜发育等过程共同调节眼球形态并最终影响近视的发生发展。表观遗传的可逆性使得从中寻找近视防控靶点具备可行性和转化性。随着技术的进步和研究的深入,表观遗传对近视的影响将被进一步揭示,明确相关信号通路并发掘出新的干预靶点,为近视防控工作提供助力将是下一步的研究重点。

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