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DNA甲基化与衰老研究进展综述

DNA甲基化是一类基因组核酸序列未改变的功能性修饰,它是一种常见的表观遗传学现象。在过去的几十年中,人们对于产生DNA甲基化的各种遗传和环境因素及其生物学效应已经进行了广泛而深入的研究。继人类基因组计划结束后,于2003年,人类表观基因组协会(Human Epigenome Consortium,HEC)启动人类表观基因组计划(human epigenome project,HEP),旨在识别和分类人类基因组中甲基化变异位点(methylation variable positions,MVP),绘制人类基因组中甲基化变异位点图谱,同时开发全自动的甲基化基因组学基础的技术平台,以指导和系统地研究DNA甲基化在人类表观遗传学研究、胚胎和组织发育、基因印记和表型、肿瘤及疾病发生中所起的重要作用。在众多DNA甲基化的研究领域中,DNA甲基化水平与衰老研究是目前表观遗传学的一个重要的研究方向。

1 DNA甲基化及CpG岛

DNA甲基化是指生物体在DNA甲基转移酶(DNA methyltransferase,Dnmts)的催化下,以S-腺苷甲硫氨酸(SAM)为甲基供体,将甲基转移到特定的碱基上的过程(图1)。DNA甲基化可以发生在腺嘌呤的N-6位、胞嘧啶的N-4位、鸟嘌呤的N-7位或胞嘧啶的C-5位等。但作为最具有特点的表观遗传学修饰,真核生物的DNA甲基化修饰几乎只在胞嘧啶残基上出现,并且其紧邻鸟嘌呤。这种双核苷酸单元通常被写作CpG。这种DNA修饰方式并没有改变基因序列,但它调控了基因的表达,很多情况下,这种修饰与基因沉默密切相关。由于甲基基团较小,甲基化的检测是DNA甲基化研究的一个关键技术,目前在各个层面衍生出了大量的检测方法,如敏感酶酶切法、甲基化特异性PCR法(methylation-specific PCR,MSP)、亚硫酸氢钠结合酶切分析法(combined bisulfite restriction analysis,COBRA)、微阵列分析法(micro array for DNA methyla-tion analysis)、高效液相色谱法(high-performance liquid chromatography)、免疫沉淀法(immuno precipitation,MeDIP)等。

在哺乳动物中,CpG序列在基因组中出现的频率仅有1%,远低于基因组中的其他类型的双核苷酸序列。在基因组中,高含量的CpG序列通常被称为CpG岛。这种结构在基因的启动子区域经常出现,如人类基因组的CpG岛几乎全部出现在基因的启动子区域。CpG岛序列大小为500~1000bp,约56%的编码基因含此结构。在健康人基因组中,重复序列和着丝粒序列上存在大量的CpG岛,CpG岛中的CpG位点通常是处于非甲基化状态,而在CpG岛外的CpG位点则通常是甲基化的。这种甲基化的形式在细胞分裂过程中能够稳定地保留。此外,细胞在执行某种特定的功能时,如X染色体失活,CpG岛的胞嘧啶通常进行甲基化。众多研究表明,当机体发生肿瘤时,抑癌基因CpG岛以外的CpG序列非甲基化程度增加,而CpG岛中的CpG则呈高度甲基化状态,以致染色体螺旋化程度增加及抑癌基因表达的丢失,从而诱发肿瘤出现。DNA甲基化模式很不稳定,受机体营养、衰老、疾病、理化等因素的影响而发生改变。

2 DNA甲基化与衰老理论

生物的衰老是一个极其复杂的生物化学过程,它涉及蛋白质、脂类和核酸等显著性的改变。Mazin通过对70个功能参数进行分析表明,人类器官从(20±10)岁开始均会发生或多或少的呈线性的老化。Hannum等对656人全血中450000多个CpG位点标记建立了量化模型,该模型通过甲基化指标的变化可预测人类衰老速度及年龄相关的疾病,如癌症等。根据衰老模型推定,在个体衰老的过程中,DNA甲基化的酶促反应将5-mC转变为胸腺嘧啶T。这种DNA甲基化的生物学作用并不是抑制了某些基因转录的活性,而是引起细胞突变的发生。脊椎动物有75%~80%的CpG位点因此而突变丢失。个体衰老是由于基因组中的突变逐渐累积而最终导致细胞功能丧失而引起的。目前的研究表明,年龄相关的大部分或全部的5-mC的缺失与细胞系的Hayflick极限和不同物种最大的生命周期相一致。DNA的低甲基化与细胞衰老率成正比。所以,DNA甲基化是一种随着衰老而程序化积累突变的机制以及检测衰老的生物标志。

3 DNA甲基化调节机制与衰老

3.1 DNA甲基化外源性调节与衰老

体内DNA甲基化水平受外源性和内源性两种因素的调节。外源性因素,如与衰老相关的营养因素同样参与了DNA低甲基化。食物对基因的影响作用主要是通过影响转录和转录后修饰机制,机体摄入的营养促进了基因表达谱的改变。同时,营养还通过对参与代谢或其他生物网络的基因表达调节的表观遗传标记进行瞬时或持久性改变。
当体内甲基基团供应不足时,将难以形成5-甲基胞嘧啶。通过基因-营养的相互作用,DNA甲基化在调解代谢和体重方面起了非常重要的作用。对含有Avy(viableyellowagouti)基因的小鼠饲喂不同的甲基含量的日粮,可以清楚地观察到其毛色和体重随着日粮中甲基含量的变化而发生改变。该研究说明,饮食中甲基供体的摄入影响基因组甲基化的水平。大鼠实验表明,所有的缺乏叶酸的饮食和甲基供体不足的饮食,均会导致甲基-CpG结合蛋白和Dnmt的减少,从而引起肝脏基因组DNA低甲基化。

食物甲基化供体摄入的不足有可能导致某些基因启动子发生去甲基化,而这些标记的改变可能会导致病理情况的发生和发展,如肥胖、2型糖尿病、癌症、心血管系统疾病、神经退行性疾病和免疫性疾病等一系列老年性疾病。此外,食物中微量元素的不足也会影响DNA的甲基化。在老年人中,微量元素锌、硒等的缺乏会导致一碳代谢的改变,从而也会引起基因组DNA的低甲基化。

3.2 DNA甲基化内源性调节与衰老

DNA甲基化的内源性调节因素主要指机体内DNA甲基转移酶和去甲基化酶的活性水平和体内其他因素对DNA甲基化水平的调节。在胚胎发育期,每个细胞、组织和器官获得了由DNA甲基化等表观遗传修饰调节的不同的基因表达模式。实际上,哺乳动物在生殖细胞和早期的植入胚胎中,其基因组DNA甲基化模式进行了重编程。当受精时,来源于亲本配子的甲基化模式通过一个基因组范围的去甲基化事件被抹去,并且在植入过程中甲基化模式通过全新甲基化(denovomethylation)而建立。这些胚胎标记对于早期胚胎的发育以及全能性和多能性的建立是十分重要的。研究表明,衰老和DNA甲基化变化的相关性可能存在以下三种潜在的机制。

3.2.1 DNA甲基化酶活性改变

随着年龄的增加,对于保持异染色质DNA超甲基化状态起重要作用的Dnmt1活性逐渐降低,引起被动去甲基化,进而引起在衰老过程中,基因组的DNA甲基化被逐渐消耗。从出生到衰老的过程中,Dnmt1的表达量显著减少,并且Dnmt1的活性降低可能导致在有丝分裂过程中甲基化模式复制减少。Connelly等报道,Dnmt1的表达降低与平滑肌细胞的复制衰老和动脉粥样硬化有关。Elsner等在对3到20月龄的Wistar鼠的一项研究中发现,Dnmt1和H3-K9甲基化水平的不平衡可能与脑部的衰老进程存在关系。

3.2.2 叶酸代谢的障碍

随着年龄的增加,作为甲基供体之一的叶酸的摄入及其可利用率降低,叶酸也逐渐减少。在对希腊65岁以上老人的一项研究发现,血清中低水平的叶酸会对老人的认知产生损害。而叶酸的消耗导致了老年妇女DNA低甲基化。衰老时由叶酸调节一碳代谢通路中的高半胱氨酸含量增加。而一碳代谢中甲基转移的紊乱是引起血液中高同型半胱氨酸增加的一个主要原因,这也同时增加细胞的S-腺苷高半胱氨酸,进而抑制DNA甲基转移酶活性,导致基因组低DNA甲基化状态。

3.2.3 激素水平的改变

随着年龄的增大,动物机体内的激素水平也相应地发生一系列的变化。这些激素对于基因组的DNA甲基化状态也产生了一定的影响。Friso等报道,雌激素替代治疗绝经女性减少了血浆高半胱氨酸浓度和增加了外周单核细胞基因组DNA甲基化。这项研究表明,随着年龄的增加,性激素的减少可能会引起低DNA甲基化。通过对3、12、24月龄的侏儒长寿鼠和正常小鼠分析表明,在侏儒鼠中Dnmt蛋白及其转录物的表达与正常个体存在极显著的不同。其中,Dnmt1蛋白的表达与正常个体相比,极显著地下降。同时,Dnmt3a蛋白水平和活性与正常的也不相同。进一步的研究表明,生长激素可能在调解Dnmt1和Dnmt3a的活性、衰老相关的进程中起了重要作用。此外,众多的研究表明,类胰岛素生长因子2(insulin-like growth factors-2,IGF2)也随衰老发生相应的变化。随着年龄的增加,人类结肠中IGF2基因的启动子呈现甲基化增加的现象,而在人类的成纤维细胞中IGF2启动子表现为超甲基化状态。在大鼠大脑中,该基因mRNA水平发生下降,其启动子甲基化模式也发生改变,这可能也反映了随着年龄的增加,基因组水平的改变和脑部功能的下降。

4 DNA甲基化水平与衰老

4.1 全基因组甲基化水平与衰老


通过众多的对衰老与DNA甲基化研究表明,衰老与特定组织中基因组DNA甲基化状态的改变存在密切关系。对于多数脊椎动物的组织,其基因组中总甲基胞嘧啶的含量随衰老而倾向于减少,从而引起基因组中低甲基化。Wilson和Jones发现,在小鼠、仓鼠和人的二倍体成纤维细胞体外培养过程中,随培养代数增加,基因组5-mC含量都显著降低。其中,小鼠细胞系的5-mC降低速度最快,其存活的细胞也是最少的。而在小鼠的永生细胞系中,则会存在更稳定的甲基化率。Golbus等发现年龄相关的T细胞DNA甲基化减少可能对于发生在老年人中的T细胞功能的改变发挥作用。以上研究说明,基因组DNA甲基化水平降低的趋势在衰老中是普遍存在的。

但也有少量组织的基因组DNA甲基化变化不大或稍增强,如老年大鼠与青年大鼠肝细胞基因组总DNA甲基化程度差异无显著性,这种组织间DNA甲基化水平差异可能与组织的增殖修复能力有关。Zykovich等对老年人的骨骼肌DNA甲基化的动态进行了研究,发现与年轻人相比,老年人的骨骼肌基因组存在超甲基化现象。肝细胞具有强大的修复能力,可通过细胞的增殖来保持总体甲基化水平,而增殖能力低的脑细胞则表现为增龄性低甲基化现象。Raddatz等对人表皮进行转录组测序和Bisulfite测序发现,整个基因组并没有全局性的改变,而在某些特定的局部区域上,特别是增强子和启动子序列上发生较为明显的改变,这说明在衰老进程中,人皮肤的核心发育进程仍旧保持稳定状态,而衰老只是与一些特定基因的调节元件的有限的不稳定性存在相关。

4.2 单基因的甲基化水平与衰老

虽然衰老对于整个基因组而言,可能会引起其基因组DNA甲基化程度的改变,而对于单个基因而言,衰老细胞中的甲基化水平是不均一的。在基因组甲基化降低的同时,某些基因的启动子区域倾向于超甲基化,如ERα、IGF2、p16INK4a等。

目前,对于年龄相关的启动子的超甲基化机制尚不清楚,但有研究表明,在衰老中所表现出来的基因特异性启动子超甲基化可能与产生全新甲基化的其他Dnmts活性增加有关,如Dnmt3在衰老和永生细胞系中表现为活性增强。这也同样说明,在衰老的过程中,异染色质侵入常染色质可能会对毗邻基因的启动子区域进行甲基化。
然而,并不是所有的基因在衰老的过程中均表现为高甲基化状态。某些基因在特定的组织或细胞中会呈现出低甲基化现象,如ERα在人类的结肠、心脏和前列腺中呈现高甲基化,而在大鼠的乳腺中则随着年龄的增加和肿瘤的发生呈现低甲基化,这也说明了年龄依赖的某些基因的低甲基化可能和病理情况有关。

5结语

尽管目前要确定人类的衰老基因和长寿基因还为时尚早,但科学家在衰老的研究方面取得了尚为可观的进展,为衰老的理论发展提供了方向。众多的研究已经证实,DNA甲基化模式的改变与衰老存在相关性,而CpG岛的甲基化是癌变发生的一个早期步骤。然而,当前的研究还存在很多的未知现象,很多研究还有待更进一步地深入,如随机DNA甲基化漂移与衰老的研究等。而DNA甲基化水平改变与个体年龄的相关性尚处于试验阶段,但已引起许多学者的关注。在不久的将来,人类对于DNA甲基化和衰老的相关机制将会得到更为清晰的阐述。

原文链接: http:/www.novoprolabs.com/support/articles/201410291124.html

(by admin)

2014-10-29