5-羥甲基胞嘧啶在神經退行性疾病中的作用研究進展

李小桃 朱愛琴

1）青海大學研究生院，青海 西寧 810000 2）青海省人民醫(yī)院，青海 西寧 810007

通信作者：朱愛琴

帕金森?。≒arkinson’s disease，PD）是一種常見的中老年神經系統(tǒng)退行性疾病，臨床上包括運動遲緩、靜止性震顫、肌強直、姿勢平衡障礙等運動癥狀及睡眠障礙、嗅覺障礙、自主神經功能障礙、認知和精神障礙等非運動癥狀［1］。帕金森病患病率、發(fā)病率隨年齡的增長而成倍升高，隨著老齡化社會的到來，老齡人口的增加導致全球（特別是中國）帕金森病患病率呈明顯上升態(tài)勢，中國65歲以上老年人群PD患病率為1.7%［2］。近年的研究表明，表觀遺傳調控介導了遺傳和環(huán)境因素的相互作用，主要通過DNA 甲基化、去甲基化、組蛋白修飾和非編碼RNA的復雜相互作用，從而調控DNA 表達。表觀遺傳是大腦適應環(huán)境應激的主要機制，而表觀遺傳調控的失衡則與神經退行性疾病的發(fā)生和發(fā)展密切相關，尚未確定這種表觀遺傳分子是神經退行性疾病發(fā)生和發(fā)展的原因還是結果，需深入研究［3］。

1 5hmC與表觀遺傳學

1.1 5hmC 在表觀遺傳學中的作用20 世紀40 年代由康拉德·瓦丁頓博士提出“表觀遺傳學”的學科［4］。表觀遺傳學是對DNA和DNA包裝的修飾，其不涉及DNA序列的改變［5］。5-甲基胞嘧啶（5-methylcytosine，5mC）氧化為5hmC可能是DNA的穩(wěn)定修飾［6］。5hmC是表觀遺傳基因調控的重要標志。研究表明，5mC修飾可抑制基因表達，而基因內部的5hmC修飾則促進基因表達［7］。最近的一項研究得出結論，5hmC 在有絲分裂后神經元中含量最高，其神經元中的積累具有細胞特異性并與基因表達相關，5hmC通過減少與甲基CpG結合蛋白2（methyl-CpG binding proteins，MeCP2）結合，從而促進基因轉錄［8］。多項研究表明，5hmC 不僅僅是DNA 去甲基化的中間體，而且是一種真正的表觀遺傳標記［9］。

1.2 5hmC與TET蛋白DNA去甲基化是一種將甲基化胞嘧啶轉化為未修飾的胞嘧啶的過程，在表觀遺傳學上屬于DNA甲基化的逆過程［10］。TET蛋白是一種依賴α-酮戊二酸（α-KG）/Fe2+的雙加氧酶［11］，TET催化胞嘧啶鳥嘌呤二核苷酸島（CpG）中的5mC 氧化5hmC，5hmC 進一步氧化為5-甲?；奏ぃ?-formylcytosine，5fC） 或 5- 羧 基 胞 嘧 啶（5-carboxylcytosine，5caC），再經胸腺嘧啶糖苷酶（thymine DNA glycosyllase，TDG）堿基切除修復得到未被修飾的胞嘧啶完成去甲基化過程［12］。TET蛋白通過修飾DNA 甲基化在發(fā)育中發(fā)揮關鍵作用，TET包 括3 種 不 同 的TET 蛋 白 變 體：TET1、TET2 和TET3。研究表明，TET1缺乏損害了人類胚胎干細胞（human embryonic stem cell，hESC）向神經外胚層分化的內在能力［13］。研究發(fā)現，TET1在幼稚和致敏多能細胞中大量表達，TET2在血清/白血病抑制因子中培養(yǎng)的胚胎干細胞（embryonic stem cell，ESC）中異常表達［14］。TET1 對胚胎干細胞的自我更新和維持發(fā)揮重要作用，TET2經常發(fā)生突變和參與胚胎生殖干細胞中基因序列的高效重排［15］。有文獻報道TET3是維持多能性基因沉默和神經干細胞身份所必需的，可能是通過調節(jié)神經前體細胞中的DNA 甲基化水平來實現的［16］。

2 5hmC與神經退行性疾病

2.1 TET2 與神經細胞小膠質細胞在神經炎癥反應和神經退行性病變中起關鍵作用，在神經元損傷或感染時，小膠質細胞將啟動炎癥反應，TET2 是小膠質細胞促炎反應的主要調節(jié)因子，TET2調節(jié)基因的早期轉錄和晚期炎癥反應。TET2 可能是對抗神經退行性疾病的潛在靶點［17］。

2.2 大腦中5hmC 的分布近幾年的研究表明，不同組織中的5hmC含量差異很大。大腦內5hmC的含量最高［18］，研究發(fā)現，5hmC 在大腦皮質、海馬、小腦和腦干等大腦區(qū)域中存在，以下丘腦中5hmC含量最豐富。5hmC因不同種類的神經元中含量也不一致，在ESC（小鼠胚胎干細胞）和神經組織中發(fā)現MeCP2與基因體上的5hmC 結合可能促進基因表達［19］。最近發(fā)現一種DNA 核苷酸5-羥甲基-2’-脫氧胞苷（5-hydroxymethyl-2’-deoxycytidine，hmdC），其在浦肯野細胞和顆粒細胞中占一定的比例。hmdC 是在大腦中富集的核DNA 的組成部分，在神經元功能的表觀遺傳控制中起作用［20］。

3 5hmC與AD

AD是發(fā)生于老年和老年前期、以進行性認知功能和行為損害為特征的中樞神經系統(tǒng)退行性疾病。有研究發(fā)現，AD患者海馬區(qū)5hmC水平顯著降低，海馬5hmC 與淀粉樣斑塊病理之間存在負相關［21］。研究［22-23］發(fā)現，在AD 患者的內嗅皮層和小腦中5hmC顯著下降，表明其在AD 的表觀遺傳改變中發(fā)揮作用。研究發(fā)現，5mC和5hmC水平的整體變化發(fā)生在AD 的兩個易感區(qū)域——額葉中回（middle frontal gyrus，MFG）和 顳 葉 中 回（middle temporal gyrus，MTG），發(fā)現AD 患者MFG 和MTG 中的5mC 和5hmC水平顯著增加。這些變化與Aβ、NFTs和泛素負荷呈正相關，同時5hmC與AD的生物標志物β淀粉樣蛋白呈正相關，提示可能與AD病理嚴重程度有關［24］。不同研究間存在差異，可能是因大腦不同區(qū)域的分析以及使用了不同的免疫組織化學定量技術。5hmC修飾失調可能早在胎兒發(fā)育時就影響結構性大腦發(fā)育，遲發(fā)性AD 的人類死后大腦中5hmC 發(fā)生強烈的改變［25］。3xTg 小鼠（一種AD 小鼠模型）的神經元中發(fā)現全基因組的5hmC 減少，大腦中5hmC 水平的失調在AD神經退行性病變中起重要作用［26］。

4 5hmC與PD

帕金森病是一種慢性進行性神經退行性疾病，伴運動障礙，包括震顫、運動遲緩、肌強直和姿勢平衡障礙等癥狀。研究發(fā)現，帕金森病患者的小腦DNA樣本中具有更高的5hmC水平［27］。在小鼠MPTP誘導帕金森病模型中檢測到帕金森病病理的主要腦區(qū)黑質和紋狀體區(qū)RNA 5hmC水平下降［28］。一項以1-甲基-4-苯基-吡啶離子（MPP+）作為神經毒素處理SH-SY5Y 細胞構建PD 細胞損傷模型的研究發(fā)現，MPP+誘導的帕金森病細胞模型中TET2表達增加［29］，TET2蛋白可能是PD新型的表觀遺傳學標志物，提示將來也許可以使用TET2 抑制劑治療PD。在6-羥基多巴胺（6-OHDA）誘導的PD大鼠模型的紋狀體腦組織中研究5hmC 水平發(fā)現，5hmC 含量通常隨年齡增長而增加［30］。PD不同腦區(qū)的5hmC表達水平不同，可能反映了由于疾病相關功能障礙的代償，基因表達的表觀遺傳調控改變可導致PD發(fā)生有害變化［31］。有研究發(fā)現帕金森病患者大腦殼核中腺苷A2A 型受體（adenosine A2A receptor，A2AR）過表達，5hmC 水平降低與紋狀體A2AR水平降低有關，還發(fā)現大鼠紋狀體中基因組5hmC水平隨著大鼠的生長而增加，表明5hmC介導的表觀遺傳修飾也介導了紋狀體中5hmC水平與年齡相關的變化［32］。維生素C 可輔助TET2/3 增強5hmC 水平，促進多能干細胞（induced pluripotent stem cells，iPSCs）向中腦多巴胺神經元（midbrain dopaminergic，mDA）神經元分化。維生素C能顯著增加神經元活動和多巴胺釋放，受維生素C 調節(jié)的TET-5hmC 通路對于人類mDA 神經元的重要發(fā)育階段至關重要［33］。近年來，腦脊液中檢測出差異性甲基化基因［34］，腦脊液可能成為PD 的潛在診斷標記物，有助于PD 早期診斷［35-36］。

5 5hmC與MSA

MSA是一種快速進展的散發(fā)性成人神經退行性疾病，具有多種臨床表現，包括帕金森綜合征、小腦綜合征和自主神經功能衰竭。在病理學上，MSA 被歸類為α-突觸核蛋白病之一，α-突觸核蛋白聚集被認為是該病發(fā)病機制的罪魁禍首。相對于對其他突觸核蛋白病（如帕金森病和路易體癡呆）發(fā)病機制的研究，對MSA發(fā)病機制的研究很少［37］。有研究發(fā)現，5-hmC在MSA患者的小腦白質中顯著上調［38］。MSA患者前額葉皮層中AREL1基因呈現從胞嘧啶甲基化到胞嘧啶羥甲基化的轉變，AREL1 基因在MSA 患者中減少可能與MSA患者5hmC水平增加相關［39］。

6 5hmC與HD

HD 是一種常染色體顯性遺傳性神經退行性疾病，以運動（舞蹈?。?、認知和精神異常為特征。該病的致病基因為IT15 基因，IT15 基因內含有一段多態(tài)性的三核苷酸（CAG）重復序列。CAG重復長度影響疾病的嚴重程度和發(fā)病年齡。研究表明，腺苷A2AR在基底神經節(jié)中高度表達，在HD患者腦組織中表達水平嚴重降低，A2AR是一種G蛋白偶聯受體。研究發(fā)現，HD患者紋狀體A2AR水平降低與5hmC水平的變化有關，A2AR 活性在維持腦源性神經營養(yǎng)因子（brain-derived neurotrophic factor，BDNF）水平中起至關重要的作用［40］，5hmC水平伴隨紋狀體A2AR蛋白的下調而發(fā)生變化，5hmC可能與HD病理變化相關。有文獻報道，與年齡匹配的野生型（WT）小鼠相比，YAC128（具有128個CAG重復的酵母人工染色體轉基因）HD小鼠腦組織中的5hmC信號顯著降低［41］，大腦中5hmC水平的高低可能與HD的進展相關。

7 結論與展望

5hmC在基因體中富集，與基因表達呈現更好的正相關。5hmC 在正常神經發(fā)育和成人中樞神經系統(tǒng)功能的維持中發(fā)揮重要作用。5hmC 的分布或功能的異常也可能是神經退行性疾病的重要因素，并與大腦不同區(qū)域的神經發(fā)育和衰老有關，尚未確定這種表觀遺傳分子是神經退行性疾病發(fā)生和發(fā)展的原因還是結果。盡管成熟神經元中有大量的5hmC，但尚不清楚在何種程度上以及在何處發(fā)生了活躍的DNA去甲基化，還需深入研究。5hmC水平與相關基因轉錄活性之間的相關性還有待于進一步的研究與證實，破譯其在組織發(fā)育和疾病中的可能作用?；蚪M中5hmC 水平的檢測和定量對于理解許多生物學過程和診斷變得重要。隨著5hmC的研究深入，有可能為我們提供一種新的治療方法。