人類疾病發(fā)生的表觀遺傳機(jī)制及治療研究進(jìn)展

1、人類疾病發(fā)生的表觀遺傳機(jī)制及治療研究進(jìn)展【關(guān)鍵詞】 表觀遺傳學(xué);環(huán)境;治療;人類疾病在Watson和Crick發(fā)現(xiàn)DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)后的50多年里，基因工程藥物在治療人類疾病中逐漸占據(jù)一席之地，人類基因組計(jì)劃的完成為基因治療開辟了更廣闊的空間。近年來隨著遺傳學(xué)的新興學(xué)科表觀遺傳學(xué)在人類疾病治療方面獲得了越來越多的證據(jù)1。它從分子水平上揭示復(fù)雜的臨床現(xiàn)象，為解開生命奧秘及征服疾病帶來新希望。表觀遺傳學(xué)是研究沒有DNA序列變化的情況下，生物的表型發(fā)生了可遺傳改變的一門學(xué)科2。表觀遺傳學(xué)即可遺傳的基因組表觀修飾，表觀修飾包括：DNA甲基化、組蛋白修飾、染色質(zhì)重塑、X染色體失活、基因組印記、非編碼RNA

2、調(diào)控等3,任何一方面的異常都可能導(dǎo)致疾病,包括癌癥、染色體不穩(wěn)定綜合征和智力遲鈍4等。表觀遺傳的改變是可逆的,這就為治療人類疾病提供了樂觀的前景。本文從表觀遺傳學(xué)與人類疾病、環(huán)境與表觀遺傳學(xué)的關(guān)系以及表觀遺傳治療3個(gè)方面進(jìn)行綜述。1 表觀遺傳學(xué)修飾與人類疾病1 / 191.1 DNA甲基化相關(guān)疾病DNA甲基化是指在DNA甲基轉(zhuǎn)移酶(DNMTs)的催化下,將甲基基團(tuán)轉(zhuǎn)移到胞嘧啶堿基上的一種修飾方式。它主要發(fā)生在富含雙核苷酸CpG島的區(qū)域,在人類基因組中有近5萬個(gè)CpG島5。正常情況下CpG島是以非甲基化形式(活躍形式)存在的，DNA甲基化可導(dǎo)致基因表達(dá)沉默。DNMTs的活性異常與疾病有密切的關(guān)系

3、,例如位于染色體上的DNMT3B基因突變可導(dǎo)致ICF綜合征。有報(bào)道6表明，重度女性侵襲性牙周炎的發(fā)生與2條X染色體上TMP1基因去甲基化比例增高有關(guān)。DNMT基因的過量表達(dá)與精神分裂癥和情緒障礙等精神疾病的發(fā)生也密切相關(guān)。風(fēng)濕性疾病等自身免疫性疾病特別是系統(tǒng)性紅斑狼瘡(SLE)與DNA甲基化之間關(guān)系已經(jīng)確定7，在SLE病人的T細(xì)胞發(fā)現(xiàn)DNMTs活性降低導(dǎo)致的異常低甲基化。啟動子區(qū)的CpG島過度甲基化使抑癌基因沉默,基因組總體甲基化水平降低導(dǎo)致一些在正常情況下受到抑制的基因如癌基因被激活8,都會導(dǎo)致細(xì)胞癌變。1.2 組蛋白修飾相關(guān)疾病組蛋白的修飾包括乙酰化、甲基化、磷酸化、泛素化、糖基化、ADP

4、核糖基化、羰基化等,組成各種組蛋白密碼。其中,研究最多的是乙?；?、甲基化。一般來說，組蛋白乙?；瘶?biāo)志著其處于轉(zhuǎn)錄活性狀態(tài);反之，組蛋白低乙酰化或去乙?；砻魈幱诜寝D(zhuǎn)錄活性的常染色質(zhì)區(qū)域或異染色質(zhì)區(qū)域。乙?；揎椥枰阴；D(zhuǎn)移酶(HATs)和去乙酰化酶(HDACs)參與。組蛋白修飾酶異?？蓪?dǎo)致包括癌癥在內(nèi)的各種疾病，例如，H4K20的三甲基化是癌癥中的一個(gè)普遍現(xiàn)象。甲基化CpG2結(jié)合蛋白2(MeCP2)可使組蛋白去乙?；瘜?dǎo)致染色質(zhì)濃縮而失活,其中Rett綜合征就是MeCP2的突變所致。1.3 染色質(zhì)重塑相關(guān)疾病染色質(zhì)重塑是DNA甲基化、組蛋白修飾、染色質(zhì)重塑復(fù)合物的共同作用。它通過影響核小體結(jié)構(gòu)

5、,為其他蛋白提供和DNA的結(jié)合位點(diǎn)9。其中染色質(zhì)重塑因子復(fù)合物主要包括SWI/SNF復(fù)合物和ISW復(fù)合物。染色質(zhì)重塑復(fù)合物如果發(fā)生突變,可導(dǎo)致染色質(zhì)不能重塑,影響基因的正常表達(dá)，導(dǎo)致人類疾病。如果突變引起抑癌基因出現(xiàn)異常將導(dǎo)致癌癥，例如：小兒科癌癥中檢測到SNF5的丟失。編碼SWI/SNF復(fù)合物相關(guān)的ATP酶的基因ATRX、ERCC6、SMARCAL1的突變可導(dǎo)致B型Cockayne綜合征、Schimke綜合征甚至腫瘤。ATRX突變可引起DNA甲基化異常，從而導(dǎo)致數(shù)種遺傳性的智力遲鈍疾病如:X連鎖2地中海貧血綜合征和SmithFinemanMyers綜合征,這些疾病與核小體重新定位的異常引起的

6、基因表達(dá)抑制有關(guān)10。1.4 X染色體失活相關(guān)疾病哺乳動物雌性個(gè)體不論有多少條X染色體,最終只能隨機(jī)保留一條的活性。X染色體失活由X失活中心(Xic)調(diào)控,Xic調(diào)控X染色體失活特異性轉(zhuǎn)錄基因(Xist)的表達(dá)。X染色體的不對稱失活可導(dǎo)致多種疾病，例如男性發(fā)病率較高的WiskottAldrich綜合征是由于WASP基因突變所致。X染色體的PLP基因突變失活常導(dǎo)致PelizaeusMerzbacher病;X染色體的MeCP2基因突變失活導(dǎo)致Rett綜合征11。在失活的X染色體中，有一部分基因因逃避失活而存在2個(gè)有活性的等位基因,使一些抑癌基因喪失功能,這是引發(fā)女性癌癥的一個(gè)重要原因12。1.5

7、基因組印記相關(guān)疾病基因組印記是指二倍體細(xì)胞的一對等位基因(父本和母本)只有一個(gè)可以表達(dá)，另一個(gè)因表觀遺傳修飾而沉默。已知在人體中有80多種印記基因。印記丟失導(dǎo)致等位基因同時(shí)表達(dá)或有活性的等位基因突變，均可引起人類疾病。一些環(huán)境因素,如食物中的葉酸也會破壞印記。印記丟失不僅影響胚胎發(fā)育，并可誘發(fā)出生后的發(fā)育異常。如果抑癌基因中有活性的等位基因失活可導(dǎo)致癌癥的發(fā)生,如IGF2基因印記丟失導(dǎo)致的Wilms瘤13。15號染色體的表觀遺傳異?？蓪?dǎo)致PraderWilli綜合征(PWS)和Angelman綜合征(AS)，PWS是由于突變導(dǎo)致父本表達(dá)的基因簇沉默，印記基因(如SNURF/SNRPN)在大腦中

8、高表達(dá)所致;AS是由于母本表達(dá)的UBE3A或ATP10C基因的缺失或受到抑制所致。Beckwithweideman綜合征(BWS)是11號染色體表觀遺傳突變引起印跡控制區(qū)域甲基化的丟失，導(dǎo)致基因印記丟失引起14。1.6 非編碼RNA介導(dǎo)相關(guān)疾病功能性非編碼RNA分為長鏈非編碼RNA和短鏈非編碼RNA。長鏈RNA對染色質(zhì)結(jié)構(gòu)的改變起著重要的作用。短鏈RNA對外源的核酸序列有降解作用以保護(hù)自身的基因組。小干涉RNA(siRNA)和微小RNA(miRNA)都屬于短鏈RNA，在人類細(xì)胞中小片段的siRNA也可以誘導(dǎo)基因沉默。miRNA能夠促使與其序列同源的靶基因mRNA的降解或者抑制翻譯，在發(fā)育的過程

9、中起著關(guān)鍵性作用。轉(zhuǎn)錄的反義RNA可以導(dǎo)致基因的沉寂，引起多種疾病，如使地中海貧血病人的正常球蛋白基因發(fā)生甲基化。由于miRNA在腫瘤細(xì)胞中的表達(dá)顯著下調(diào)，P53基因可通過調(diào)控miRNA34ac的表達(dá)治療腫瘤。在細(xì)胞分裂時(shí),短鏈RNA異常將導(dǎo)致細(xì)胞分裂異常,如果干細(xì)胞發(fā)生這種情況也可能導(dǎo)致癌癥。2 環(huán)境表觀遺傳學(xué)對多基因復(fù)雜癥狀性疾病來說，單一的蛋白質(zhì)編碼基因研究遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能解釋疾病的發(fā)生機(jī)理，需要環(huán)境與外界因素的作用才會發(fā)病。疾病是外界因素與遺傳因素共同作用的結(jié)果。流行病學(xué)研究已經(jīng)證實(shí)，人類疾病與環(huán)境有明確的關(guān)系，高血壓、中風(fēng)、2型糖尿病、骨質(zhì)疏松癥等疾病的發(fā)病率與環(huán)境有著密切的關(guān)系15。特別是

10、在發(fā)育初期，不利的環(huán)境、 營養(yǎng)的缺乏都有可能導(dǎo)致出生低體重、早產(chǎn)、胎兒發(fā)育不成熟等16。環(huán)境與DNA甲基化的關(guān)系一旦建立，將為環(huán)境射線暴露與癌癥發(fā)生提供依據(jù)17。環(huán)境污染等不利因素均有可能增加基因的不穩(wěn)定性，每個(gè)人對環(huán)境和飲食的敏感性可因先天遺傳不同而不同，環(huán)境因素與個(gè)體遺傳共同作用，決定潛在表觀遺傳疾病的危險(xiǎn)性。有人推測上述因素肯定會在我們基因組上遺留下微量的基因表遺傳學(xué)痕跡1。隨著年齡增長，DNA甲基化等化學(xué)修飾改變也在長時(shí)間中錯(cuò)誤積累，這也有助于解釋為什么很多疾病總是在人進(jìn)入老年后才發(fā)生。由此可見，如果改變不良生活習(xí)慣、減少環(huán)境污染，都有可能降低表觀遺傳疾病的發(fā)病率。因此研究環(huán)境與表觀遺

11、傳改變的關(guān)系對于預(yù)防和治療人類疾病都有著重要的意義。3 表觀遺傳學(xué)藥物人類許多疾病都可能具有表觀遺傳學(xué)的改變，表觀遺傳學(xué)治療研究如火如荼。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)許多藥物可以通過改變DNA甲基化模式或進(jìn)行組蛋白的修飾等來治療疾病。目前，很多藥物處于研制階段，盡管其有效性尚未得到充分證實(shí)，但給癌癥、精神疾病以及其他復(fù)雜的疾病的治療帶來了希望。3.1 組蛋白去乙?；敢种苿┠壳鞍l(fā)現(xiàn)的組蛋白去乙酰化酶抑制劑(HDAC Inhibitor)有近百種。其中FK228主要作用機(jī)制是抑制腫瘤細(xì)胞內(nèi)組蛋白去乙?；?HDAC)活性,引起乙?；M蛋白的積聚,從而發(fā)揮抑制腫瘤細(xì)胞增殖、誘導(dǎo)細(xì)胞周期阻滯、促進(jìn)細(xì)胞凋亡或分化等作用1

12、8。FK228單獨(dú)用藥或與其他藥物或方法聯(lián)合應(yīng)用表現(xiàn)出良好的抗腫瘤作用，同時(shí)還可阻礙血管生成，具有抑制腫瘤轉(zhuǎn)移、逆轉(zhuǎn)耐藥性、調(diào)節(jié)免疫力等作用。FK228還具有治療炎癥、免疫性疾病、視網(wǎng)膜新生血管疾病及神經(jīng)系統(tǒng)等多種疾病的藥理學(xué)作用。3.2 DNA甲基轉(zhuǎn)移酶抑制劑核苷類DNA甲基轉(zhuǎn)移酶抑制劑作用機(jī)理是在體內(nèi)通過代謝形成三磷酸脫氧核苷，在DNA復(fù)制過程中代替胞嘧啶，與DNMTs具有很強(qiáng)的結(jié)合力。核苷類似物5氮雜胞苷(5azacytidine)是第一個(gè)發(fā)現(xiàn)的甲基化抑制劑，最初被認(rèn)為是細(xì)胞毒性物質(zhì)，隨后發(fā)現(xiàn)它可抑制DNA甲基化和使沉默基因獲得轉(zhuǎn)錄性，用于治療高甲基化的骨髓增生異常綜合征，低劑量治療白血

13、病。其他核苷類DNA甲基轉(zhuǎn)移酶抑制劑有5氮2脫氧核苷(5aza2deoxycytidine)，Zebularine(5azacytidine的衍生物)19，5Fluoro2deoxycytidine，RG108，Procainamide，Psammaplins(4aminobenzoic acid衍生物)，MG98(寡聚核苷酸)等。DNA甲基化抑制劑Procainamide可用于抗心律失常。另外在茶葉和海藻中提取的EGCG也顯示具有體外活性。臨床中應(yīng)用反義寡核苷酸對DNA甲基轉(zhuǎn)移酶進(jìn)行抑制正在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。3.3 聯(lián)合治療DNA甲基化抑制劑與HDAC抑制劑聯(lián)合應(yīng)用治療疾病可能具有協(xié)同作用。進(jìn)行表觀

14、修飾治療后的細(xì)胞可能對于化療、干擾素、免疫治療更具有敏感性。在癌癥的治療方面，應(yīng)當(dāng)包括遺傳治療和表觀遺傳治療兩個(gè)方面，同時(shí)運(yùn)用兩種或兩種以上表觀修飾的方法對病人進(jìn)行治療對人類疾病意義重大。3.4 其他方法人胚胎干細(xì)胞保留有正?；蛴∮?，這些干細(xì)胞可能具有治療意義20。另外，在女性細(xì)胞中非活性的X染色體中存在正常的野生型基因，如果選擇正確的靶點(diǎn)，就有可能激活這個(gè)正常但是未被利用的野生型基因，從而對其進(jìn)行基因治療。有報(bào)道21運(yùn)用RNAi技術(shù)沉默胰島細(xì)胞相關(guān)基因，抑制胰島淀粉樣形成可能用來治療糖尿病。短鏈脂肪酸(SCFAs)丙戊酸鈉用于抗癲癇，丁酸可用來治療結(jié)腸癌22等。siRNA可在外來核酸的誘導(dǎo)

15、下產(chǎn)生,通過RNA干擾(RNAi)清除外來核酸,對預(yù)防傳染病有重要作用。目前，RNA干擾已大量應(yīng)用于包括腫瘤在內(nèi)的疾病研究,為一些重大疾病的治療帶來了新的希望。4 結(jié) 語從表觀遺傳學(xué)提出到現(xiàn)在，人們對表觀遺傳學(xué)與人類疾病的發(fā)生有了更深入的認(rèn)識。人類表觀基因組計(jì)劃(human epigenome proiect,HEP)已經(jīng)于2003年開始實(shí)施，其目的是要繪制出不同組織類型和疾病狀態(tài)下的人類基因組甲基化可變位點(diǎn)(methylation variable position ,MVP)圖譜。這項(xiàng)計(jì)劃可以進(jìn)一步加深研究者對于人類基因組的認(rèn)識,為表觀遺傳學(xué)方法治療人類復(fù)雜疾病提供藍(lán)圖1。但是，表觀遺傳學(xué)

16、與人類生物學(xué)行為(臨床表型)有密切關(guān)系,人類對表觀遺傳學(xué)在疾病中的角色研究還處于初級階段。應(yīng)更進(jìn)一步研究表觀遺傳學(xué)機(jī)制、基因表達(dá)以及與環(huán)境變化的關(guān)系，有效減少表觀遺傳疾病的發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)，努力探索這片造福人類的前沿領(lǐng)域?！緟⒖嘉墨I(xiàn)】 1 DAVID R,MELLISSA M. Epigenetic and human disease:translating basic biology into clinical applicationsJ. CMAJ, 2006,174(3):136-146.2 董玉瑋,候進(jìn)惠,朱必才,等.表觀遺傳學(xué)的相關(guān)概念和研究進(jìn)展J.生物學(xué)雜志,2005,22(1):1-3.

17、3 張永彪,褚嘉佑.表觀遺傳學(xué)與人類疾病的研究進(jìn)展J.遺傳,2005,27(3):466-472.4 GERDA E, GANGNING L, ANA A,et al. Epigenetics in human disease and prospects for epigenetic therapyJ.Nature,2004,429(27):457-462.5 吳超群.表觀遺傳學(xué)和人類疾病J.中國優(yōu)生優(yōu)育2007,13(3):112-119.6 趙紅宇,李紅,張旭,等.侵襲性牙周炎的表觀遺傳學(xué)研究J.醫(yī)藥論壇雜志,2006,27(21)：29.7 MARTIN H,MARCO A.Epigen

18、etics and human diseaseJ.Int J Biochem Cell Biol,2009,41:136-146.8李莉，李真.表觀遺傳學(xué)在腫瘤診斷及治療中的研究進(jìn)展J.重慶醫(yī)學(xué)，2008，37(11)：1250.9 LEWIN B.Gene M. New Jersey:Perarson Prenc Hall press, 2004:315-320.10 HUANG C, SLOAN E A, BOERKOEL C F. Chromatin remodeling and human diseaseJ.Curr Opin Genet Dev, 2003, 13 (3): 246-

19、252.11 HEARD E.Recent advances in Xchromosome inactivationJ. Curr Opin Cell Biol,2004,16:247-255.12 LIAO D J, DU Q Q, YU BW,et al. Novel perspective: focusing on the X chromosome in rep roductive cancersJ.Cancer Invest,2003,21(4):641-658.13 FEINBERG A P,TYCKO B.The history of cancer epigeneticJ.Nat

20、Rev Cancer,2004，4(2)：143-153.14 ANDREW P.Phenotypic plasticity and the epigenetics of human diseaseJ.Nature,2007，447(24)：433.15 GODRREY K M, LILLYCROP K A, BURDGE G C,et al. Epigenetic mechanismsand the mismatch concept of the developmental origins of health and diseaseJ.Pediatr Res, 2007,61:5R-10R.16 WAYNE S, CUTFIELD,PAUL L.et al. Could epigenetics play a role in the developmenta