表觀遺傳學在阿爾茨海默病發病機制中的作用

于文磊，陸林杰，徐佳苗，錢祁瑋綜述，劉 辰審校

阿爾茨海默氏病(Alzheimer’s disease，AD)是一種常見的神經退行性疾病，以漸進性記憶障礙、認知功能障礙、人格改變以及語言障礙等神經精神癥狀為主要特征[1]。AD主要分為家族性AD(Familial AD，FAD)和散發性AD(Sporadic AD，SAD)，其中SAD約占AD總數的95%[2]。

AD是由遺傳和非遺傳因素相互作用而引起的復雜性疾病。發生AD的風險中約70%歸因于遺傳學[3]。同時，非遺傳因素也參與了疾病的發展：美國國立衛生研究院強調約三分之一的AD發生歸因于如糖尿病、吸煙、和飲食不良等風險因素；此外，空氣污染、鋁暴露和顱腦外傷等環境因素以及相關并發癥也與AD發生有關[4]。

表觀遺傳學是指表觀遺傳修飾與基因表達和分化的調節以及基因活性或細胞表型的遺傳變化相關，而無需改變DNA序列[5]。表觀遺傳學介導遺傳因素與非遺傳因素的相互作用，并提供機制相關分析解釋，有助于對AD發病機制的理解。本文就表觀遺傳學在AD中的作用及相關發現進行總結，并延伸討論。

1 主要表觀遺傳機制簡介

主要的表觀遺傳機制包括DNA甲基化、組蛋白修飾和非編碼RNA分子介導的基因表達調控。表觀遺傳機制的各個組成部分之間的高度相互聯系并受到各種非遺傳因素的影響[6]。DNA甲基化是脊椎動物基因組的主要表觀遺傳修飾，其表現為基因組胞嘧啶的共價修飾，在脊椎動物中主要發生在CpG二核苷酸上，能夠編碼環境因素對終身持續行為特征的影響。CPG二核苷酸也位于重復序列或著絲粒序列中，參與維持染色體穩定性和防止易位事件[7]。

真核DNA包裹在核心組蛋白(H2A、H2B、H3和H4)周圍，并結合于染色質中[8]。組蛋白的N末端歷經翻譯后修飾，包括乙酰化、甲基化、磷酸化、泛素化、SUMO化、ADP核糖基化和脫氨基，從而影響染色質的緊密度和可及性[9]。

非編碼RNA(Noncoding RNAs，ncRNAs)，包括微RNA(Micro RNAs，miRNAs)、長非編碼RNA(Long Noncoding RNAS，lncRNAs)和環狀RNA(Circular RNAs，circRNAs)，在表觀遺傳調控、基因組印跡、核和細胞質運輸、基因轉錄和剪接上有著功能性作用，其調控機制幾乎涉及例如增殖、分化、和免疫反應等所有細胞過程[10]。

2 AD中表觀遺傳學研究現狀

2.1 AD中的DNA甲基化 表征最好的DNA甲基化過程是在CpG二核苷酸背景下形成5-甲基胞嘧啶(5-mC),而中樞神經系統富含5-mC，提示甲基化可能參與AD的發展[7]。不同階段AD小鼠模型的大腦皮質的基因組5-mC含量，表明DNA甲基化在AD早期起到一定作用[11]。

研究表明多個基因的遺傳多態性與AD風險增加相關[12]。針對AD死后大腦(PMB)中APOE基因 DNA甲基化的分析研究表明，AD腦的非神經元細胞主要由神經膠質組成，是導致AD PMB中APOE DNA甲基化程度降低的主要因素，說明APOE可能作為AD風險的強影響因素[13]。從對在世的AD患者的血液DNA的研究中也得到了類似的結果，但至今沒有明確的證據表明AD腦區的表觀遺傳模式因這些基因的影響而發生改變[14]。通過對AD不一致的雙胞胎的外周血進行檢測，其DNA甲基化差異具有作為疾病標記物的潛質；但目前的研究仍未發掘出AD和對照受試者的血液DNA中甲基化程度不同的組分[15]。同時有研究表明，在3個大腦區域的健康和AD腦組織中，兩個分子伴侶HSPA8和HSPA9的啟動子DNA甲基化水平具備顯著差異，提示相關基因及其甲基化修飾可能參與了AD發病機制[16]。

綜上，目前的多數研究表明在AD患者和對照組之間存在甲基化的差異，AD病理特征與DNA特異性甲基化改變之間也有一定的相關性。

2.2 線粒體表觀遺傳學與AD 研究表明，AD患者的線粒體與健康線粒體相比，存在結構差異和功能缺陷，線粒體可以介導甚至可能引發AD中的病理分子級聯反應[17]。AD表現出的氧化損傷水平大大超過了老年人的氧化損傷水平，而結構和功能受損的線粒體更擅長產生活性氧[18]。針對AD患者腦部提取組織的研究發現，線粒體DNA(mtDNA)氧化損傷多發生于頂葉，表現出早期且持續的低代謝，可推測AD的氧化損傷有利于mtDNA突變，細胞通過逆行反應來響應線粒體功能障礙，其中涉及真核起始因子-激活轉錄因子-C/EBP同源蛋白(CHOP)綜合應激反應(ISR)[19]。已有研究顯示AD和輕度認知障礙患者血液中核編碼的氧化磷酸化(OXPHOS)亞基和線粒體編碼的OXPHOS基因翻譯所需的亞基的表達減少，這很可能會產生有害的活性氧[20,21]。綜上所述，AD患者的線粒體功能障礙目前正逐步成為該疾病的標志之一。

2.3 AD中的組蛋白尾部修飾 組蛋白修飾過程中的兩種重要途徑(乙酰化和脫乙酰化)分別通過兩種酶進行，即組蛋白脫乙酰酶(Histone Deacetylases，HDACs)和組蛋白乙酰轉移酶(Histone Acetylases，HATs)[22]。為了探究HDACs在AD發病過程中有何變化，Anderson等利用AD的小鼠大腦模型觀察到HDAC3、HDAC4、HDAC5和HDAC6濃度顯著增加，HDAC1和HDAC2濃度減少[23]。

由于HDACs的作用，科學家猜測HDAC抑制劑(HDAC inhibitors，HDACIs)可能是治療神經破壞性疾病的潛在治療劑[24]。小鼠模型顯示HDACi的表觀遺傳藥物在對抗神經病理和認知障礙方面的具有潛在作用[25]。Pan-HDACi[伏立諾他(SAHA)]，煙酰胺與依賴鋅的HDAC蛋白(Ⅰ、Ⅱ和Ⅳ類)相互作用可影響Aβ斑的形成或tau過度磷酸化，參與AD的形成[26]。多項報告顯示，用HDACi抑制劑(白藜蘆醇和其他長壽因子sirtuin激活劑)可用于治療AD[24]。

2.4 AD中的ncRNAs 目前分子、細胞、生理和流行病學水平的研究已經確定ncRNAs參與AD的3個主要致病特征-Aβ斑塊的形成，Tau的磷酸化以及炎性區的建立[27]。特定的miRNA在中樞神經系統(Central Nervous System，CNS)中表達，調控大腦和神經元發育，與神經退行性疾病相關。AD患者的顳葉前皮中，miRNA-19b、miRNA-485-5p在嗅球和海馬中下調，并靶向調節BACE-1，是AD診斷的重要標志之一[28]。除miRNAs外，其他ncRNAs也與AD的發病有關。例如，在LncRNAs中，BACE1-AS、51A、17A、NDM29直接或間接促進Aβ的形成或增加Aβx-42/Aβx-40的比率[29]。研究同時發現，與年齡相關的神經系統疾病中circRNA水平顯著提高，提示circRNA參與AD形成發展機制的可能[30]。

2.5 結論 AD是一種進行性的神經退行性疾病，多項流行病學研究表明，環境改變與AD的發生風險增加有關[4]。同時，研究發現環境誘導的表觀遺傳學(腦區和外周淋巴細胞)改變，會引起炎癥反應，激活腦內的小膠質細胞，擴大中樞神經炎癥，加重AD的發展[31]。

大多數研究AD中潛在表觀遺傳學改變的研究都是基于相關性的，這些相關性尚不能反映因果關系。因此，尚不清楚表觀遺傳修飾是改變染色質行為，還是僅僅是附近發生其他過程的結果。盡管存在這些限制，但明朗的是，通過修飾染色質結構，表觀遺傳機制可以塑造基因組可及性，從而對基因轉錄產生影響[32]。從這個意義上說，表觀遺傳學可以相當于“U盤”模式，存儲持久的信息，并提供一個平臺來累積隨著時間推移的變化，從而改變某些基因的表達概率，進而可能誘發或加速AD的發作和發展。

3 討論與展望

總之，表觀遺傳通路受損在AD發病機制中起著關鍵作用，包括DNA甲基化、組蛋白修飾和ncRNAs表達的異常，可以增加外周和中樞的炎癥和氧化應激的水平，從而加劇神經元的喪失以及與AD相關的學習和記憶功能的缺陷。

此外，表觀遺傳機制可能由新的標志物執行，如DNA甲基轉移酶(DNMT1和DNMT3B)、5-甲基胞嘧啶核苷(5-mC)、5-羥甲基胞苷(5-hmC)及miRNA誘導的沉默復合體，這些標志物似乎在年齡匹配與神經細胞運行中具有重要作用[33]。研究證明，組蛋白甲基化和乙酰化增加對AD的認知功能產生負面影響，但其分子信號通路仍為未知，相關機制需要進一步研究[34]。就目前而言，由于缺乏基因座特異性，基于表觀遺傳學的治療可能會影響許多靶標，因此在臨床上表觀遺傳學暫不能用作改善AD的潛在治療策略。

在未來，可能隨著基因分型陣列，下一代測序、質譜技術和生物信息學的發展，使得能夠同時大規模研究基因組學、表觀基因組學、轉錄組學、代謝組學和蛋白質組學，并可能集成多種類型的組學數據，將會改變了研究AD的方法，從而形成一種新型工具來研究AD中幾種分子途徑與其他病理之間的關系，并發現新型診斷性生物標志物或藥物。