动脉粥样硬化与DNA甲基化:研究现状,不足与展望

  动脉粥样硬化(atherosclerosis,AS) 是由多种因素导致的以动脉管壁炎性病变为主的缓慢性、进行性病变,是多种心脑血管疾病的重要病理基础。AS类疾病是导致人口死亡的首位因素,给全球卫生健康系统带来严重的负担,因而抗AS治疗一直是心脑血管疾病领域的热点[1]。AS的病理过程涉及炎症反应、脂质代谢失常、内皮细胞功能紊乱、平滑肌异常增生等[2]。近些年,人们逐渐认识到 DNA 异常甲基化对 AS 的发生与发展具有重要意义[3,4],为实现对AS的突破性治疗带来希望。


  DNA甲基化是指CpG 序列 5-胞嘧啶选择性添加甲基基团形成5-甲基胞嘧啶的化学修饰过程,这一过程中DNA甲基转移酶( DNA methyltransferases,DNMTs) 起关键作用。DNA甲基化能够影响基因的下游表达,通常基因高甲基化其下游表达减低,基因低甲基化下游表达升高,在生命活动中具有十分重要的作用,同时由于DNA甲基化是可逆的,因而又是理想的药物作用靶点。近年来越来越多的研究表明,DNA甲基化在AS的发生发展中具有重要作用,针对DNA异常基因甲基化的抗AS药物研究得到重视,初步明确了甲基化作用药物的抗AS效应,但是仍然有一些关键问题亟待解决:


1 DNA异常甲基化与AS 


  内皮细胞(EC)受损、炎症反应、脂质代谢紊乱、血管平滑肌细胞(VSMC)的异常增殖与迁移是引起AS发生与进展的重要病理因素。研究表明,基因异常甲基化与血管内皮受损、炎症反应、脂质代谢紊乱、平滑肌细胞功能异常等密切相关,很可能是 AS 发生与发展的核心环节。


  1.1 DNA异常甲基化与EC功能紊乱

  Jessilyn等证实基因异常的甲基化能诱导AS内皮细胞致病基因表达,进而起内皮细胞紊乱,形成或加重AS[5]。早前的研究认为,DDAH2基因具有保护EC的功能,Pan等的研究表明,AS患者中DDAH2基因常处于异常高甲基化状态,使得该基因对EC的保护作用丧失,加重EC的损伤,促进了疾病的进展[6]。高同型半胱氨酸(Hyperhomocysteinemia,HHcy)是心血管疾病的独立危险因素,其对AS的危害也是通过甲基化起作用,HHcy能诱导AS基因组低甲基化,并通过使细胞周期蛋白-A(cyclin A)表达沉默,进而阻断内皮细胞增殖[7]。再如KLF4是重要的血管内皮保护基因,异常的血液流变能导致EC中该基因启动子高甲基化,进而表达下降,失去对血管内皮的保护作用[8]。


  1.2 DNA异常甲基化与AS炎症反应

  AS是慢性病,炎症反应贯穿了AS的全部病理阶段。AS的慢性炎症反应主要由单核细胞来源的巨噬细胞与T淋巴细胞所介导。炎症相关因子(如IL-12, IFN-γ, TNF-α等)是AS重要的致病因子,而炎症因子的表达如INF-γ、IL-4、 ICAM-1等受到DNA甲基化的调控[9-13]。再如FOXP3能调整Th1与Th2细胞,该基因具有抗AS效应,研究发现外周血单个核细胞经ox-LDL处理后,FOXP3启动子区域甲基化水平明显升高[14]。此外,单核细胞趋化蛋白-1(monocyte chemotactic protein 1,MCP-1)的启动子区域常呈异常的低甲基化状态,并通过NF-κβ/DNMT1信号通路影响单核细胞聚集及炎症反应,进而参与AS斑块的形成[15]。血管生成素样蛋白2(ANGPTL2)与炎症反应密切相关,巨噬细胞来源的ANGPTL2能加速AS疾病的进展。最近Jianqing Zhou[16]等研究发现,与正常人相比,冠心病(CHD)患者ANGPTL2基因启动子区域甲基化水平更低,提示该基因的异常甲基化可能是CHD的危险因素。总之,越来越多的证据表明由DNA甲基化参与的炎症反应能加速AS的疾病进程[17]。


  1.3 DNA异常甲基化与胆固醇代谢

  脂质代谢异常是AS的核心病理环节之一。脂质代谢包括脂质在体内的吸收、合成、转运等各个环节,其中胆固醇逆转运(reverse cholesterol transport, RCT)是机体外排胆固醇的唯一途径。 RCT是指胆固醇从细胞内流出至细胞外, 在RCT过程中,以ABCA1、ABCG1、SR-BI等基因的功能最为关键,受关注最多。 ATP结合盒转运体A1(ATP binding cassette transporter A1,ABCA1)主要负责把细胞内的胆固醇转运到贫脂的apoA-I,产生新生HDL颗粒,即不成熟HDL颗粒;ATP结合盒转运体 G1(ATP binding cassette transporter G1,ABCG1)主要负责促进胆固醇流出到成熟HDL中, ABCA1与ABCG1互相配合,介导主动转运,共同促进RCT[18]。目前已有证据表明RCT相关基因存在异常的甲基化。 Guay等报导AS患者中ABCA1 基因启动子存在异常的高甲基化,同时发现外周血白细胞ABCA1 基因启动子的甲基化程度与血浆HDL-C、 HDL 颗粒大小呈明显负相关[19]。Lv等的研究也证实ABCA1启动子区域异常高甲基化促进了AS的发展[20]。Qin等研究表明,ABCG1基因异常的高甲基化程度与颈动脉内膜厚度呈正相关,并与缺血性脑中风密切相关,提示ABCG1基因的异常高甲化参与到AS的发病[21]。


  1.4 DNA异常甲基化与VSMC

  VSMC是AS斑块的主要成分之一,其异常分化、增殖与迁移是导致AS斑块形成的主要因素之一。已有多项研究证明DNA甲基化调控了VSMC基因的表达。Renjing 等认为DNA甲基化能调节VSMC细胞的可塑性,在VSMC从收缩转向合成状态的过程中扮演重要角色,由此参与AS的进程[22]。HHcy还能通过抑制DNA甲基化转移酶T1基因表达,引起血小板衍生生长因子(PDGF)表达下调,导致SMC异常增殖与迁移[23]。


2.针对DNA异常甲基化的抗AS研究


  目前研究表明,介导DNA甲基化与去甲基化过程的主要有两大甲基化酶家族:DNMTs家族,该家族主要由DNMT1、DNMT3a和DNMT3b等蛋白构成,其功能主要在于建立与维持DNA甲基化; TET家族,主要有Tet1、Tet2与Tet3三大蛋白成员,其功能在于实施主动DNA去甲基化。正常生理情况下,DNMTs与TETs共同维持DNA甲基化与去甲基化的平衡。目前的研究基本明确DNA甲基化是引起AS发生与发展的重要分子机制,而且异常的基因甲基化可以被逆转,因而使得针对DNA异常甲基化的抗AS治疗研究开始得到重视。


  2.1 DNMTs抑制剂与抗AS研究

  Qiang Cao等的动物实验表明,DNAMTs抑制剂DAC抗AS效应明显,能够明显减少小鼠AS斑块面积,降低炎症因子(TNF-α、IL-6、IL-1β等)的表达[24]。ABCA1是RCT过程中的重要基因,Guay等报道阿司匹林能降低AS患者ABCA1基因甲基化水平,提示了阿司匹林有可能作为去甲基化药物应对AS疾病所带来的挑战[25]。增加多酚类物质的摄入能减少AS风险,如食用可可粉能降低心血管患病风险,其分子机理在于该类物质具有降低DNA甲基化水平的作用[26]。此外,叶酸缺乏可引起内皮细胞功能的损害,并能导致HHcy血症,临床实验表明在食物中添加叶酸可降低血浆中Hcy水平,调节基因甲基化,降低AS的患病风险和提高AS患者的预后[19],叶酸可作为潜在的甲基化作用药物[21]。表1归纳了以DNA甲基化为作用靶点的抗AS药物。


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  2.2 针对TETs家族的抗AS药物研究

  人们对Tets家族的发现要晚于DNMTs家族,虽然目前以Tet蛋白为作用靶点的抗AS药物研究未见报道,但是基础研究发现,TET蛋白家族在AS也起重要作用。最近Wei Zhou[28]等运用AS小鼠模型证明,随着AS疾病进展TET2蛋白表达下降,进而炎症因子IL-1β等升高,研究提示TET2蛋白是进行AS药物研发的理想靶标。Yami Liu[29]等的综述研究表明,TET2蛋白为AS保护蛋白,具有保护EC功能,降低炎症反应,调节VSMCs的异常迁移,开发针以TET2蛋白为靶点药物是抗AS药物研究的重要策略。


3 对未来AS与DNA甲基化研究的思考


  以AS为病理基础的心脑血管疾病依然是导致人类死亡的主要因素,超越传统观点,从新的视角进行AS相关的研究十分重要,而从DNA甲基化角度出发进行AS的防治研究已经引起众多学者的关注,未来可加强以下几方面的研究,以寻求给AS的防治带来突破。


  3.1 DNA基因甲基化:AS早期病变的的理想生物标记物 

  AS病变的早期识别对于AS的防治具有十分重要的意义,当前对早期AS类疾病的诊断十分困难,而甲基化标志物有望能解决这一难题。 Geoffrey Istas[30]等运用甲基化450K芯片技术对健康人与AS患者的外周血进行检测比对,筛选到BRCA1与CRISP2差异甲基化基因,随后进一步对正常人与AS患者的颈动脉斑块、主动脉斑块以及人外周血等不同组织来源样本进行验证,均发现BRCA1与CRISP2存在异常的高甲化现象,其差异程度与斑块厚度呈正相关,研究提示BRCA1与CRISP2基因甲基化可作为AS患者的早期临床标记物。


  3.2 DNA异常甲基化:AS的理想治疗靶点

  由于基因甲基化是可逆的,因而通过包括药物在内的以DNA异常甲基化为效应靶点的研究是应对AS治疗挑战的一个有效途径。但是目前的研究提示AS所涉及的异常甲基化基因可达数千个,如最近 Einari[31]等在全基因组范围内检测了22例股动脉粥样斑块的甲基化情况,与9例正常组比较后发现,AS基因组在基因启动子区域存在3997个异常的低甲基化位点,同时伴有782个异常的高甲基化位点,这给以基因异常甲基化为效应靶点的药物研究带来挑战。可能的解决办法是转为以TETs与DNMTs为效应靶点进行药物研究,因为上述蛋白主导了DNA甲基化与去甲基化过程,数量有限,因而研究将会更加有效率。


  3.3 以DNA甲基化作为靶点的抗AS药物研发 

  目前以DNA甲基化为效应靶点的抗AS研究仅仅处于动物研究层面,尚无成熟的甲基化药物上市。动物实验表明,DNMTs抑制剂DAC具有显著的抗AS效应,但是该药细胞毒性较大,未来作为抗AS药物成功上市的可能性不大;针对多酚类物质如可可粉的研究表明,该类物质有DNMTs抑制效应,值得进一步深入研究。从传统中草药中寻找新型甲基化作用药物是笔者所在课题组的重要任务之一,前期动物实验初步表明中药复方栀子川芎胶囊抗AS效应明确[32],具有显著的双向甲基化调节作用,现正进行深入的机制研究。目前缺乏以TETs蛋白家族为效应靶点的抗AS药物研究,这方面亟需加强。


4 小结


  现有研究证实了DNA异常甲基化为AS重要病理机制,基因甲基化为早期AS标记物,可应用于AS的早期诊断;同时基因甲基化也为AS治疗的作用靶点,建议以DNMTs或TETs作为效应靶点研究开发抗AS药物。但从总体上讲当前AS的DNA甲基化研究仍处于初步阶段,仍需要进一步加强。


参考文献:略


    2020/4/10 12:38:01     访问数:127
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