DNA甲基化與腦血管病

仇鑫，李子孝，3，4

“表觀遺傳學”的概念于1942年首次被提出，指基于非基因序列改變所致基因表達水平的變化或表型改變，其形式包括DNA甲基化、組蛋白修飾、染色體重塑和非編碼RNA調(diào)控等，主要通過對基因轉(zhuǎn)錄或翻譯過程的調(diào)控，影響基因的功能和特性[1]。表觀遺傳學調(diào)控是一種只影響基因修飾加工和表達的調(diào)控機制，其發(fā)生不會引起DNA序列的改變，是連接環(huán)境、遺傳、臨床表型的重要橋梁。隨著生物檢測技術(shù)的不斷發(fā)展，越來越多的證據(jù)支持表觀遺傳過程在細胞生物學和組織生理學中具有重要作用的觀點，其與人類疾病的關(guān)聯(lián)性也逐漸顯現(xiàn)。目前，表觀遺傳學生物標志物在臨床中的應用主要有兩種：①預測藥物反應或預后的個體差異，篩選適合患者個體的藥物、劑量和方式，指導治療；②作為分子靶標，通過逆轉(zhuǎn)異常的表觀修飾，開創(chuàng)治療新途徑[2]。

DNA甲基化是目前研究最廣泛的表觀調(diào)控形式之一，其通過改變DNA和蛋白質(zhì)之間的相互作用來調(diào)節(jié)染色質(zhì)“開放”和“封閉”形式之間的平衡，也被稱為是一種“表觀遺傳開關(guān)”。所謂DNA甲基化是指在DNA甲基轉(zhuǎn)移酶（DNA methyltransferase，DNMT）的催化作用下，在基因組CpG二核苷酸的胞嘧啶5’碳位共價鍵結(jié)合一個甲基基團，使胞嘧啶被修飾為5-甲基胞嘧啶（5-methylcytosine，5-mC）的過程[1]。DNA甲基化的改變可在全基因組范圍內(nèi)影響各類疾病的發(fā)生與發(fā)展。在大多數(shù)情況下，甲基化修飾會引起基因轉(zhuǎn)錄水平降低，但有時也會因不同組織微環(huán)境等因素而促進基因表達。因此，DNA甲基化在未來疾病診斷、預后預測和治療方面都具有較大的臨床應用前景[3]。

腦血管病是因顱內(nèi)血液循環(huán)障礙而造成腦組織損傷的一組疾病，也是導致我國成人致殘的首要疾病，具有高發(fā)病率、高致殘率和高死亡率的特點，嚴重威脅國民健康。其中，急性缺血性卒中（acute ischemic stroke，AIS）是最常見的腦血管病，占我國卒中的70%左右[4]。2020年發(fā)表的《中國卒中報告2019》顯示，年齡標準化后，我國卒中的發(fā)病率約為246.8/10萬人年（首次發(fā)生在記錄時間前1年內(nèi)的卒中），死亡率更是達到了149.49/10萬，占我國居民總死亡率的22.3%，卒中現(xiàn)患已多達1300萬[5]。

近年研究表明，腦血管病是由遺傳因素和外界環(huán)境共同作用導致的一種復雜綜合性疾病[6]。近年來，基因組學不斷發(fā)展，目前腦血管病領(lǐng)域的基因組學研究主要針對遺傳風險，對單基因遺傳性腦動脈病有明確的診斷價值，但在多基因遺傳腦血管病人群中的應用價值仍有一定的局限性。表觀遺傳學主要研究外界環(huán)境因素對疾病發(fā)生、發(fā)展和轉(zhuǎn)歸的動態(tài)調(diào)節(jié)機制，可用于心腦血管疾病等由多基因遺傳背景和外界環(huán)境作用共同驅(qū)動的復雜疾病的研究，從而不斷豐富臨床對復雜疾病發(fā)病風險和預后轉(zhuǎn)歸的生物學的理解。

目前已有多項研究證實DNA甲基化在冠心病等心血管疾病的發(fā)生、發(fā)展中發(fā)揮重要作用，但腦血管病相關(guān)的甲基化研究尚處于起步階段。有動物研究顯示，腦組織缺血損傷后，DNA甲基化模式會發(fā)生顯著的動態(tài)改變。由于缺血部位組織損傷，DNMT在短時間內(nèi)表達上調(diào)，可引起級聯(lián)反應，導致局部組織甲基基團增多，CpG島呈現(xiàn)高甲基化狀態(tài)。在大腦中動脈閉塞的小鼠模型中，缺血30 min后，小鼠缺血側(cè)大腦皮質(zhì)和紋狀體等部位的DNA甲基化水平明顯升高，而在缺血2 h后缺血部位的DNA甲基化水平回歸正常水平。使用去甲基化藥物（如地西他濱等）可特異性抑制另一種表觀遺傳修飾——組蛋白去乙?；乃?，增加組織對缺血的抵抗性，明顯減輕小鼠的缺血性腦損傷[7]。

臨床研究中也有一些小樣本研究報道了DNA甲基化水平與腦血管病發(fā)病、預后、治療效果之間的作用。例如，在一項小型的前瞻性隊列中，研究者發(fā)現(xiàn)缺血性卒中患者的DNA轉(zhuǎn)座子長散在核元件-1（long interspersed nuclear element-1，LINE-1）基因呈現(xiàn)低甲基化狀態(tài)，且其在無癥狀個體臨床前階段就發(fā)生了改變[8]。同時，有研究發(fā)現(xiàn)LINE-1低甲基化可能會改變脂質(zhì)和碳水化合物的代謝，并導致異常的脂質(zhì)分布和糖代謝受損，進一步導致動脈粥樣硬化斑塊的形成，同樣提示了LINE-1甲基化改變可能是缺血性卒中的早期致病因素[9]。Gallego-Fabrega等[10]發(fā)現(xiàn)，在使用阿司匹林治療的患者中，編碼蛋白磷酸酶1A（protein phosphatase magnesium depend ent1A，PPM1A）的PPM1A基因中差異甲基化模式與血管事件復發(fā)具有較強的相關(guān)性，對這些位點的甲基化干預可能會增強阿司匹林的療效，這也提示DNA甲基化在腦血管病的藥物治療方面也扮演了重要角色。但是，目前在腦血管病領(lǐng)域尚缺乏大規(guī)模的隊列研究對DNA甲基化與疾病的病因機制、臨床特征、預后及治療進行全面評價，亟待更多深入研究發(fā)掘具有臨床應用價值的DNA甲基化標志物。

將DNA甲基化為主的表觀遺傳學研究技術(shù)引入腦血管病領(lǐng)域，將成為闡明疾病發(fā)病機制、篩選疾病新治療靶點、設計新一代治療方案的重要途徑。未來，我們可以通過研究甲基化這種“表觀遺傳開關(guān)”在缺血性腦血管病發(fā)生、發(fā)展過程中的特征性變化，尋找與臨床表型和治療結(jié)局密切相關(guān)的分子標志物，建立有效的風險預測模型，對不同風險等級的患者施以不同的二級預防策略，推進腦血管病精準醫(yī)療的發(fā)展，也將有助于緩解我國腦血管病疾病負擔。