DNA甲基化與阿爾茨海默病的關(guān)系

孟祥宏 王 蓉 (首都醫(yī)科大學宣武醫(yī)院中心實驗室 北京市老年病醫(yī)療研究中心，北京 100053)

DNA甲基化與阿爾茨海默病的關(guān)系

孟祥宏 王 蓉 (首都醫(yī)科大學宣武醫(yī)院中心實驗室 北京市老年病醫(yī)療研究中心，北京 100053)

DNA甲基化;阿爾茨海默病;β-淀粉樣肽;SAM/HCY循環(huán);氧化應(yīng)激

DNA甲基化在細胞分化、機體的發(fā)育成熟以及老化過程中具有重要的調(diào)節(jié)作用。DNA甲基化的異常會導致年齡相關(guān)疾病的發(fā)生，阿爾茨海默病(AD)就是其中之一。一方面，導致AD發(fā)病的相關(guān)基因 β-淀粉樣前體蛋白(β-APP)裂解酶(BACE)等低甲基化，表達增加;另一方面，抑制AD發(fā)病的基因(如NEP等)高度甲基化，表達減少，造成β-淀粉樣肽(Aβ)過量產(chǎn)生和沉積。S-腺苷甲硫氨酸(SAM)是體內(nèi)主要的甲基供體，SAM/同型半胱氨酸(HCY)循環(huán)障礙，常導致DNA甲基化異常，促進AD的發(fā)生。DNA的氧化性損傷對于神經(jīng)元的功能和存活是極其有害的，而DNA甲基化異常加劇DNA的氧化性損傷，阻止DNA修復。本文就DNA甲基化與AD的關(guān)系作一綜述。

1 DNA 甲基化與老化

老化是指隨著年齡增長而產(chǎn)生的一系列解剖學和生理生化方面的變化，引起機體對內(nèi)外環(huán)境的適應(yīng)力的逐漸減退。特定基因突變在體細胞中積累所引起的基因產(chǎn)物的功能缺失，被認為是導致老化和老化相關(guān)疾病的主要因素〔1〕，而在細胞分化過程中，酶促的DNA甲基化反應(yīng)通過將甲基化的胞嘧啶轉(zhuǎn)變?yōu)樾叵汆奏な腔蛲蛔冏钪饕脑颉Ｋ訢NA甲基化作為一種分子機制是生物進化與細胞老化過程中突變累積的前提。既往的體外和動物實驗已經(jīng)表明，基因組DNA甲基化水平隨著細胞的衰老和機體的老化而減低，而對正常老年人的隊列研究也顯示，基因組DNA甲基化水平隨著年齡增長而降低〔2〕，因此，基因組DNA甲基化水平可能是機體衰老的生物學指標之一。眾所周知，DNA的甲基化是調(diào)節(jié)基因表達的表觀遺傳學機制之一，在機體的發(fā)育過程中，通過調(diào)節(jié)特定基因在特定時間、特定階段的表達，促進細胞的分化和組織器官的形成。機體成熟以后，DNA的甲基化則保持動態(tài)的平衡，維持正常的生理功能。哺乳動物的老化過程總是伴隨著DNA甲基化的數(shù)量和模式的改變，常常表現(xiàn)為總DNA甲基化水平的降低和特異基因甲基化水平的增高。DNA甲基化異常可能造成老化相關(guān)疾病的發(fā)生，如惡性腫瘤，自身免疫疾病，神經(jīng)退行性疾病等等。因此，老化伴隨著DNA的甲基化的改變，而DNA甲基化的改變也能影響老化的進展。

2 DNA甲基化與AD

AD是一種常見的神經(jīng)元退行性疾病，病理特征主要表現(xiàn)為細胞外的Aβ沉積和細胞內(nèi)的神經(jīng)原纖維纏結(jié)(NFT)。盡管已經(jīng)陸續(xù)發(fā)現(xiàn)幾種基因突變與AD的發(fā)病有關(guān)〔3〕，但超過85%的病例都是散發(fā)性的。由于AD的發(fā)病機制復雜、疾病進程各異，尤其是AD的遲發(fā)性特點，表明環(huán)境和表觀遺傳學因素在AD的發(fā)病中扮演了重要的角色。

表觀遺傳學是指在沒有改變DNA序列的情況下對調(diào)節(jié)基因的表達，主要有幾種形式:DNA的甲基化/去甲基化;組蛋白的修飾(乙酰化/去乙酰化，甲基化/去甲基化，磷酸化/去磷酸化);ATP介導的染色體重構(gòu)。盡管表觀遺傳學機制對于一些生理和病理過程的作用已經(jīng)被人們所熟知，但直到近些年，表觀遺傳學在老化和神經(jīng)退行性疾病中的作用才引起人們的注意。DNA的甲基化，作為表觀遺傳的主要機制之一，在AD的發(fā)病中作用，逐漸成為研究的熱點之一〔4〕。

2.1 Aβ、DNA甲基化與AD生理情況下，Aβ產(chǎn)生和清除處于平衡狀態(tài)，低濃度的Aβ不表現(xiàn)出神經(jīng)毒性。病理狀態(tài)下，Aβ形成致密的纖維狀聚合體，在神經(jīng)組織中沉積，通過誘導神經(jīng)細胞凋亡〔5，6〕、突觸的功能障礙和丟失〔7〕，促進隔-海馬膽堿能神經(jīng)系統(tǒng)損害;還可以通過誘導產(chǎn)生活性氧自由基(ROS)等多種作用導致神經(jīng)細胞的丟失減少，最終導致AD患者學習記憶功能的喪失〔8〕。

Chen等〔9〕人研究發(fā)現(xiàn)，Aβ1-40通過表觀遺傳學機制，能夠?qū)κ箢惔竽X內(nèi)皮細胞的總DNA和中性內(nèi)肽酶(NEP)基因的甲基化狀態(tài)產(chǎn)生影響。他們應(yīng)用高效液相色譜法(HPLC)、甲基化特異性PCR(MSPCR)等技術(shù)發(fā)現(xiàn)，Aβ1-40處理的鼠類大腦內(nèi)皮細胞中，總DNA的甲基化減低，而NEP基因甲基化水平增高，NEP的mRNA和蛋白質(zhì)含量下降。總DNA甲基化水平的降低，可能引起一些與AD密切相關(guān)的基因的低甲基化而過度表達，如APP，BACE基因等，導致Aβ的產(chǎn)生增加，超過腦內(nèi)的清除能力，進而在腦內(nèi)累積。NEP是Aβ降解酶之一，屬于含鋅的金屬蛋白酶家族成員之一〔10〕，過表達NEP能夠顯著減輕AD小鼠模型中Aβ負擔〔11〕，而NEP在老年人和AD患者的腦內(nèi)表達下降〔12〕，NEP的啟動子區(qū)域含有富含雙核苷酸CG的區(qū)域(CpG島)，Aβ可能通過介導氧化應(yīng)激使CpG島的胞嘧啶高度甲基化，從而抑制NEP基因表達，NEP表達的減少引起Aβ在腦內(nèi)的累積。增多的Aβ反過來降低總DNA的甲基化水平和增高NEP基因的甲基化，形成一個惡性循環(huán)。

2.2 SAM/HCY循環(huán)、DNA的甲基化與AD 少數(shù)疾病以高半胱氨酸(HCY)血癥同時伴有葉酸和維生素B12水平降低為特征性表現(xiàn)，AD就是其中之一。血漿中HCY水平增高被認為是AD發(fā)病的危險因素之一〔13〕，另外，在老年人和AD患者中發(fā)現(xiàn)，S-腺苷甲硫氨酸(SAM)的含量下降〔14〕。SAM/HCY循環(huán)是體內(nèi)的甲基循環(huán)途徑，SAM是體內(nèi)主要的甲基供體，正常蛋氨酸飲食不能滿足體內(nèi)甲基化反應(yīng)需求，一部分甲基需要由葉酸合成，而食物中的葉酸的主要形式為5-甲基四氫葉酸(5-Me-THF)，在維生素B12的催化下，5-Me-THE和HCY反應(yīng)產(chǎn)生可以被細胞利用的四氫葉酸(THFA)和蛋氨酸，因此，葉酸和維生素B12對于SAM/HCY循環(huán)的正常運行是必不可少的。葉酸和維生素B12水平下降，可導致SAM/HCY循環(huán)發(fā)生障礙，一方面HCY水平增高，聚集在神經(jīng)細胞內(nèi)，對細胞造成傷害;另一方面，HCY可以與腺苷生成S-腺苷SAH，此反應(yīng)可逆，但在HCY不能被及時清除的情況下，反應(yīng)傾向于SAH的產(chǎn)生。研究發(fā)現(xiàn)，SAH是DNA甲基轉(zhuǎn)移酶類的強抑制劑，從而增強DNA的去甲基化〔15〕。為了證明SAM/HCY循環(huán)、DNA甲基化與AD之間的聯(lián)系，F(xiàn)uso等人〔16〕應(yīng)用SK-N-SH和SK-N-BE成神經(jīng)瘤細胞系進行研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在培養(yǎng)基中移除葉酸和維生素B12以后，SAM的合成減少，早老素-1(PS-1)和BACE基因表達增加;而當外源性應(yīng)用SAM后，PS1和BACE的基因表達則下降，PS-1基因的啟動子低甲基化，而SAM則可以使PS1基因啟動子的甲基化恢復正常。這項研究表明，BACE和PS-1受甲基化調(diào)節(jié)，SAM/HCY循環(huán)障礙可以促進BACE和PS-1基因的過表達，增加Aβ的產(chǎn)生;反之，外源性應(yīng)用SAM能使PS-1和BACE基因的表達降低，從而降低Aβ的水平。

2.3 氧化應(yīng)激、DNA的甲基化與AD 越來越多的證據(jù)表明，AD患者的病理特點除了Aβ的沉積和NFT外，AD腦中還存在氧化還原狀態(tài)的改變。AD腦中，氧化性損傷標記物水平增高〔17〕，同時伴有抗氧化系統(tǒng)表達的改變〔18〕。DNA的氧化損傷對于神經(jīng)元的功能和存活是極其有害的。由于DNA堿基中鳥嘌呤的氧化電位最低，因此，8-羥脫氧鳥苷(8-oxo-dG)是DNA氧化性損傷最主要的產(chǎn)物。有研究顯示，除了其本身的突變特性，8-oxo-dG影響轉(zhuǎn)錄因子與DNA的結(jié)合，改變表觀遺傳信號傳遞〔19〕。

在CpG二核苷酸中，DNA甲基化優(yōu)先作用于胞嘧啶，而鳥嘌呤則是氧化性損傷的作用位點。8-oxo-dG是廣泛用于氧化性DNA損傷的生物學標志。有研究發(fā)現(xiàn)，正常情況下，內(nèi)源性代謝使細胞每天產(chǎn)生約105個分子的ROS。在老化和AD患者中，ROS的產(chǎn)量大大增加，加重DNA的損傷。氧化性DNA損傷的修復主要方式是堿基切除，DNA糖基化酶類通過識別損傷的堿基位點啟動堿基切除修復。8-羥鳥苷DNA糖基化酶1(Ogg1)是識別和移除8-oxo-dG的主要修復酶。氧化性DNA損傷和可能存在的Ogg1的缺失被認為可能是老化過程和老化相關(guān)疾病(如AD)的中心事件。為了研究DNA甲基化與DNA氧化之間的相互作用，研究者合成了一些類似轉(zhuǎn)錄因子Sp1結(jié)合的DNA寡核苷酸序列，將其中一些CpG二核苷酸中的C變成mC，G則被8-oxo-dG代替;另一些序列中mC與8-oxo-dG同時存在。在接下來的DNA結(jié)合和修復的實驗中發(fā)現(xiàn)，mC與8-oxo-dG都能顯著減低Sp1與DNA的結(jié)合，而兩者同時存在時的影響比單獨一種存在時更加顯著;而8-oxo-dG鄰近位點存在mC時，阻礙了Ogg1與損傷位點的識別，降低了DNA的修復效率。研究表明，一個基因的甲基化狀態(tài)對基因的表達和DNA的修復具有重要影響。如果發(fā)育過程中基因的調(diào)節(jié)區(qū)域甲基化同時相同區(qū)域遭受氧化應(yīng)激損傷，那么此基因就會被大大的抑制，同時，這樣的基因也不能被有效的修復。反過來，氧化的DNA抑制鄰近C的甲基化〔20〕。

DNA甲基化的改變伴隨著生命的始終，然而，DNA甲基化的異常會導致多種疾病的發(fā)生。如AD發(fā)病相關(guān)基因APP、BACE的低甲基化，導致APP產(chǎn)生增加，進而裂解產(chǎn)生Aβ，聚集的Aβ不僅誘導神經(jīng)細胞凋亡和突觸損害，還促進ROS的釋放，造成DNA損傷。相反，DNA高度甲基化，導致CpG二核苷酸結(jié)構(gòu)的改變，阻礙了DNA損傷的修復。在AD疾病過程中，同時存在DNA低甲基化和高甲基化，如何控制DNA適度甲基化來預防和治療AD，有待進一步研究。

1 Hasty P，Vijg J.Genomic priorities in aging〔J〕.Science，2002;296(5571):1250-1.

2 Bollati V，Schwartz J，Wright R，et al.Decline in genomic DNA methylation through aging in a cohort of elderly subjects〔J〕.Mech Ageing Dev，2009;130(4):234-9.

3 Wang XP，Ding HL.Alzheimer's disease:epidemiology，genetics，and beyond〔J〕.Neurosci Bull，2008;24(2):105-9.

4 Liu L，van Groen T，Kadish I，et al.DNA methylation impacts on learning and memory in aging〔J〕.Neurobiol Aging，2009;30(4):549-60.

5 Yin KJ，Hsu CY，Hu XY，et al.Protein phosphatase 2A regulates bim expression via the Akt/FKHRL1 signaling pathway in amyloid-beta peptideinduced cerebrovascular endothelial cell death〔J〕.JNeurosci，2006;26(8):2290-9.

6 Lee JT，Xu J，Lee JM，et al.Amyloid-beta peptide induces oligodendrocyte death by activating the neutral sphingomyelinase-ceramide pathway〔J〕.JCell Biol，2004;164(1):123-31.

7 Nimmrich V，Ebert U.Is Alzheimer's disease a result of presynaptic failure?Synaptic dysfunctions induced by oligomeric beta-amyloid〔J〕.Rev Neurosci，2009;20(1):1-12.

8 Jang JH，Kim CY，Lim SH，etal.Neuroprotective effectsof Triticum aestivum L.against beta-amyloid-induced cell death and memory impairments〔J〕.Phytother Res，2010;24(1):76-84.

9 Chen KL，Wang SS，Yang YY，etal.The epigenetic effects of amyloid-beta(1-40)on global DNA and neprilysin genes in murine cerebral endothelial cells〔J〕.Biochem Biophys Res Commun，2009;378(1):57-61.

10 Eckman EA，Eckman CB.Abeta-degrading enzymes:modulators of Alzheimer's disease pathogenesis and targets for therapeutic intervention〔J〕.Biochem Soc Trans，2005;33(5):1101-5.

11 Marr RA，Rockenstein E，Mukherjee A，et al.Neprilysin gene transfer reduces human amyloid pathology in transgenic mice〔J〕.JNeurosci，2003;23(6):1992-6.

12 Russo R，Borghi R，Markesbery W，et al.Neprylisin decreases uniformly in Alzheimer's disease and in normal aging〔J〕.FEBS Lett，2005;579(27):6027-30.

13 Seshadri S，Beiser A，Selhub J，et al.Plasma homocysteine as a risk factor for dementia and Alzheimer's disease〔J〕.N Engl JMed，2002;346(7):476-83.

14 Beyer K，Lao JI，Latorre P，et al.Methionine synthase polymorphism is a risk factor for Alzheimer disease〔J〕.Neuroreport，2003;14(10):1391-4.

15 Chiang PK，Gordon RK，Tal J，etal.S-Adenosylmethionine andmethylation〔J〕.FASEB J，1996;10(4):471-80.

16 Fuso A，Seminara L，Cavallaro RA，et al.S-adenosylmethionine/homocysteine cycle alterations modify DNA methylation status with consequent deregulation of PS1 and BACE and beta-amyloid production〔J〕.Mol Cell Neurosci，2005;28(1):195-204.

17 Moreira PI，Nunomura A，Nakamura M，et al.Nucleic acid oxidation in Alzheimer disease〔J〕.Free Radic Biol Med，2008;44(8):1493-505.

18 Marcus DL，Thomas C，Rodriguez C，et al.Increased peroxidation and reduced antioxidant enzyme activity in Alzheimer's disease〔J〕.Exp Neurol，1998;150(1):40-4.

19 Ghosh R，Mitchell DL.Effect of oxidative DNA damage in promoter elements on transcription factor binding〔J〕.Nucleic Acids Res，1999;27(15):3213-8.

20 Turk PW，Laayoun A，Smith S，et al.DNA adduct 8-hydroxyl-2'-deoxyguanosine(8-hydroxyguanine)affects function of human DNA methyltransferase〔J〕.Carcinogenesis，1995;16(5):1253-5.

R749.1

A

1005-9202(2011)12-2367-03

北京市自然科學基金(7082043);北京市衛(wèi)生系統(tǒng)高層次衛(wèi)生技術(shù)人才計劃資助項目(2009-3-64);首都醫(yī)學發(fā)展科研基金(2007-3108)

王 蓉(1963-)，女，研究員，博士生導師，主要從事神經(jīng)退行性疾病研究。

孟祥宏(1981-)，男，碩士，主要從事神經(jīng)退行性疾病研究。

〔2009-12-17收稿 2010-09-27修回〕

(編輯 袁左鳴/曹夢園)