DNA甲基化與腦血管病

仇鑫，李子孝，3，4

“表觀遺傳學(xué)”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(dá)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(xué)調(diào)控是一種只影響基因修飾加工和表達(dá)的調(diào)控機(jī)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(xì)胞生物學(xué)和組織生理學(xué)中具有重要作用的觀點(diǎn)，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(xué)生物標(biāo)志物在臨床中的應(yīng)用主要有兩種：①預(yù)測藥物反應(yīng)或預(yù)后的個體差異，篩選適合患者個體的藥物、劑量和方式，指導(dǎo)治療；②作為分子靶標(biāo)，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(tuán)，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(jìn)基因表達(dá)。因此，DNA甲基化在未來疾病診斷、預(yù)后預(yù)測和治療方面都具有較大的臨床應(yīng)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(dǎo)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(diǎn)，嚴(yán)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(bào)告2019》顯示，年齡標(biāo)準(zhǔn)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(dá)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(dá)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(dǎo)致的一種復(fù)雜綜合性疾病[6]。近年來，基因組學(xué)不斷發(fā)展，目前腦血管病領(lǐng)域的基因組學(xué)研究主要針對遺傳風(fēng)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(yīng)用價值仍有一定的局限性。表觀遺傳學(xué)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(jī)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(fù)雜疾病的研究，從而不斷豐富臨床對復(fù)雜疾病發(fā)病風(fēng)險和預(yù)后轉(zhuǎn)歸的生物學(xué)的理解。

目前已有多項(xiàng)研究證實(shí)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(dá)上調(diào)，可引起級聯(lián)反應(yīng)，導(dǎo)致局部組織甲基基團(tuán)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——組蛋白去乙酰化的水平，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(bào)道了DNA甲基化水平與腦血管病發(fā)病、預(yù)后、治療效果之間的作用。例如，在一項(xiàng)小型的前瞻性隊(duì)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(dǎo)致異常的脂質(zhì)分布和糖代謝受損，進(jìn)一步導(dǎo)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(fù)發(fā)具有較強(qiáng)的相關(guān)性，對這些位點(diǎn)的甲基化干預(yù)可能會增強(qiáng)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(duì)列研究對DNA甲基化與疾病的病因機(jī)制、臨床特征、預(yù)后及治療進(jìn)行全面評價，亟待更多深入研究發(fā)掘具有臨床應(yīng)用價值的DNA甲基化標(biāo)志物。

將DNA甲基化為主的表觀遺傳學(xué)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(jī)制、篩選疾病新治療靶點(diǎn)、設(shè)計(jì)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(biāo)志物，建立有效的風(fēng)險預(yù)測模型，對不同風(fēng)險等級的患者施以不同的二級預(yù)防策略，推進(jìn)腦血管病精準(zhǔn)醫(yī)療的發(fā)展，也將有助于緩解我國腦血管病疾病負(fù)擔(dān)。