馬玉萍　劉文天

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·綜述·

表觀遺傳學(xué)在炎癥性腸病中作用機制的研究進(jìn)展

馬玉萍劉文天

摘要：炎癥性腸病(IBD)包括潰瘍性結(jié)腸炎(UC)和克羅恩病(CD)，其發(fā)病率近年來呈持續(xù)上升趨勢，但目前發(fā)病機制尚不清楚。越來越多的證據(jù)表明，表觀遺傳學(xué)改變與IBD的發(fā)病有關(guān)。表觀遺傳修飾可以影響相關(guān)基因的表達(dá)，但不會改變DNA的序列，并被認(rèn)為是可遺傳的。它可能通過飲食、環(huán)境和腸道微生物等多方面影響基因表型而參與IBD的發(fā)病過程。該文綜述了表觀遺傳修飾在IBD發(fā)生中的作用機制，并從表觀遺傳學(xué)角度為診斷和治療IBD提供新的途徑。

關(guān)鍵詞：表觀遺傳學(xué)；炎癥性腸??；DNA甲基化；組蛋白修飾；非編碼RNA

作者單位：300070天津醫(yī)科大學(xué)總醫(yī)院消化內(nèi)科

炎癥性腸病(IBD)包括潰瘍性結(jié)腸炎(UC)和克羅恩病(CD)，兩者均屬于慢性腸道炎性疾病[1-2]。目前認(rèn)為IBD是全球性多種族共患的疾病[3]，其發(fā)病因素較多、病情復(fù)雜，發(fā)病機制仍不清楚[4-5]。目前普遍認(rèn)為IBD的發(fā)生是由于環(huán)境、遺傳易感性和異常腸道微生物免疫反應(yīng)等多種因素之間相互作用，從而導(dǎo)致病理性腸道炎性反應(yīng)[4]。一些有關(guān)表觀遺傳學(xué)改變、微生物致病基因表達(dá)調(diào)控以及宿主對共生菌反應(yīng)的研究表明，表觀遺傳學(xué)因素可能是IBD發(fā)展中主要的影響因素[6-8]。另有研究發(fā)現(xiàn)，表觀遺傳學(xué)修飾對IBD的影響可能通過母體遺傳給子代，引起子代表型的改變[9]。

1表觀遺傳學(xué)的概述

“表觀遺傳學(xué)”這一概念首先由Waddington等提出，它包括DNA甲基化、組蛋白修飾和非編碼RNA[10-11]。表觀遺傳學(xué)修飾的重要特征是其可遺傳性，母體和子代之間通過有絲分裂遺傳，幾代之間通過減數(shù)分裂遺傳。這可以解釋具有相同DNA的細(xì)胞和機體卻有顯著的表型差異。此外，飲食和環(huán)境因素可能改變表觀遺傳學(xué)調(diào)控的程度和范圍，因此，表觀遺傳學(xué)的研究可能可以解釋生活方式與疾病風(fēng)險之間的相關(guān)性。

DNA甲基化包含胞嘧啶殘基的甲基化或羥甲基化[12]，是研究得最普遍的表觀遺傳學(xué)修飾。它是指在DNA甲基轉(zhuǎn)移酶(DNMT)催化下甲基團(tuán)轉(zhuǎn)移到胞嘧啶的C5位點，形成5-甲基2′-脫氧胞嘧啶核苷(5-mdC)。由于CpG二核苷酸的甲基化是最常見的，因此5-mdC也被稱為第五核苷酸。因此，總體DNA甲基化是指總的5-mdC含量的分析，而基因特異性DNA甲基化是對感興趣的特異基因甲基化的CpG的測定。CpG二核苷酸在基因組中相對集中的特定區(qū)域被稱為CpG島，它通常位于基因啟動子區(qū)?；騿幼訁^(qū)高甲基化與基因沉默或基因失活有關(guān)；反之，基因啟動子區(qū)低甲基化則激活轉(zhuǎn)錄，增加基因的表達(dá)[13]。DNA甲基化所需的S-腺苷甲硫氨酸(SAM)需要膳食中甲基供體如葉酸、膽堿、維生素B12@等提供?？傊?，DNA甲基化在哺乳動物的發(fā)育和分化中發(fā)揮著重要的作用[14]。

翻譯后的組蛋白修飾是另一個關(guān)鍵的表觀遺傳學(xué)修飾，最常見的是甲基化和乙酰化，另外還有磷酸化、泛素化和蘇素化。組蛋白乙?；诨虮磉_(dá)調(diào)控中具有重要的作用，通常與轉(zhuǎn)錄活躍的基因密集區(qū)域有關(guān)，這一區(qū)域被稱為常染色質(zhì)。乙酰基團(tuán)(COCH3)常通過組蛋白乙?；D(zhuǎn)移酶(HAT)加入DNA中，引起染色質(zhì)松弛而發(fā)生基因轉(zhuǎn)錄。通過組蛋白去乙?；D(zhuǎn)移酶(HDAC)去除乙?；鶊F(tuán)可導(dǎo)致染色質(zhì)壓縮而阻止轉(zhuǎn)錄。組蛋白乙酰化是短暫的，而且必須由酶活性維持。而組蛋白的甲基化與基因的活化和沉默均有關(guān)，它取決于甲基化定位在賴氨酸還是精氨酸，賴氨酸甲基化相對穩(wěn)定，而精氨酸甲基化是暫時的并可能與炎性反應(yīng)相關(guān)[11,14]。

非編碼RNA(ncRNA)是表觀遺傳學(xué)研究的另一領(lǐng)域，依據(jù)分子大小分為長RNA(lncRNA)、中等RNA(mncRNA)和小RNA(sncRNA)。sncRNA中包括微小RNA(miRNA)[15]。其中主要是sncRNA能夠干擾信使RNA(mRNA)轉(zhuǎn)錄，導(dǎo)致其降解[16]，或通過DNA-ncRNA/ncRNA-蛋白質(zhì)相互作用來調(diào)節(jié)基因表達(dá)[15]。

所有的這些表觀遺傳學(xué)修飾是相互作用的動態(tài)過程，實現(xiàn)復(fù)雜的基因表達(dá)調(diào)控。例如，DNA甲基化和組蛋白修飾可以共同調(diào)節(jié)miRNA的表達(dá)，并各自被miRNA所調(diào)節(jié)[17]。

2表觀遺傳學(xué)與IBD

2.1DNA甲基化與IBD

目前有研究報道，在IBD患者中存在許多基因甲基化異常，如干擾素基因(IFNG)甲基化與IBD(CD或UC)有關(guān)，在IBD患者中，結(jié)腸黏膜IFNG甲基化水平是升高的，且檢測外周血細(xì)胞中基因的甲基化水平發(fā)現(xiàn)，外周血液T細(xì)胞(PBT)IFNG甲基化水平高于結(jié)腸黏膜IFNG甲基化水平[18]。DNA甲基化有可能作為檢測IBD的生物標(biāo)志物，但還沒有標(biāo)準(zhǔn)的IBD相關(guān)基因甲基化數(shù)據(jù)庫[19]。

DNA甲基化依賴于食物中含有的SAM提供甲基團(tuán)。食物是人類表觀基因組一個重要的環(huán)境調(diào)節(jié)器[20]。膳食中葉酸是必須的，因為它不能在體內(nèi)合成，作為甲基供體的葉酸缺乏可導(dǎo)致DNA低甲基化[13]。母體子宮中DNA甲基化模式能夠?qū)е禄虮磉_(dá)發(fā)生穩(wěn)定性改變，并且持續(xù)在整個生命過程中[21]。一項實驗研究發(fā)現(xiàn)，在母鼠孕期和哺乳期及子代鼠均予以甲基缺乏飼料(MDD，包括葉酸、維生素B12@和膽堿缺乏)，隨后以葡聚糖硫酸鈉(DSS)誘導(dǎo)實驗性小鼠結(jié)腸炎，發(fā)現(xiàn)MDD能夠加劇子代小鼠實驗性結(jié)腸炎[22]。另有研究報道，母鼠子宮中低葉酸供給能夠降低成年子鼠腸道的總體甲基化水平[23]。進(jìn)一步研究表明，母鼠葉酸缺乏與子代腸道基因特異性DNA甲基化有因果關(guān)系[24]。由此可見，葉酸或其他甲基供體缺乏可能通過DNA甲基化異常(低甲基化)從而誘導(dǎo)IBD，其機制可能通過母體遺傳子代。另有研究表明[25]，在DSS誘導(dǎo)的小鼠結(jié)腸炎模型中，甲基化抑制物能夠抑制細(xì)胞和組織甲基化，從而加重結(jié)腸炎性反應(yīng)，而通過補充葉酸增加甲基化可以改善小鼠結(jié)腸炎性反應(yīng)。

2.2組蛋白修飾與IBD

在DSS和2，4，6-三硝基苯磺酸(TNBS)誘導(dǎo)的小鼠結(jié)腸炎模型以及CD患者的活檢標(biāo)本中均發(fā)現(xiàn)，在炎性組織和集合淋巴結(jié)中組蛋白H4(賴氨酸殘基8和12位點)存在高乙酰化[26]。組蛋白H1已確定為核周抗中性粒細(xì)胞胞質(zhì)抗體(pANCA)的抗原[27]，pANCA可作為UC主要的血清標(biāo)志物，也是家族性特征和疾病易感性的標(biāo)志物。有研究表明，HDAC抑制劑可作為IBD的治療性化合物。HDAC抑制劑通過增加高乙?；慕M蛋白H3和H4，以細(xì)胞特異性和基因特異性的方式調(diào)節(jié)基因表達(dá)。研究發(fā)現(xiàn)，HDAC抑制劑具有結(jié)腸特異性抗炎作用，表明組蛋白H3的高乙?；c小鼠實驗性結(jié)腸炎的改善有關(guān)，但僅表現(xiàn)在炎性反應(yīng)部位[28]。這些結(jié)果表明HDAC抑制劑有可能成為IBD的一種有效的治療方法。

2.3非編碼RNA與IBD

miRNA能夠嚴(yán)格地控制特異性mRNA的水平，而mRNA水平的輕微改變即可導(dǎo)致所表達(dá)蛋白質(zhì)的合成發(fā)生顯著變化，因此與IBD相關(guān)的miRNA能夠作為IBD相關(guān)基因表達(dá)良好的調(diào)節(jié)器[29]。有研究發(fā)現(xiàn)，miRNA在腸道穩(wěn)態(tài)和免疫功能方面起到重要的作用[30]，其中有11個miRNA的表達(dá)改變與UC相關(guān)，尤其是miRNA-192[31]。對IBD表觀遺傳學(xué)因素的研究表明，UC患者的結(jié)腸黏膜標(biāo)本與對照組相比，表現(xiàn)出miRNA的差異性表達(dá)[32]。另外，對UC患者外周血液的miRNA進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)特異性miRNA的鑒別有助于區(qū)分IBD亞型，這可能成為IBD新的生物標(biāo)志物[33-35]。

2.4環(huán)境的表觀遺傳學(xué)與IBD

越來越多的證據(jù)表明，與疾病風(fēng)險相關(guān)的環(huán)境因素如飲食、吸煙、酒精攝入、環(huán)境毒物及應(yīng)激等能夠改變表觀遺傳學(xué)模式[36]。因此檢測有可能導(dǎo)致IBD的環(huán)境因子的暴露時間、強度和頻率，從而得知環(huán)境不利因素對復(fù)雜疾病的影響變得尤為重要[37]。表觀遺傳學(xué)因素能夠在發(fā)病過程中調(diào)節(jié)基因與環(huán)境的相互作用，這種調(diào)控在配子形成時已經(jīng)開始并且持續(xù)整個生命過程。對第二次世界大戰(zhàn)荷蘭饑荒幸存者后代的一項調(diào)查研究表明，環(huán)境因素能夠?qū)Ρ碛^遺傳學(xué)產(chǎn)生影響，孕期膳食因素在子代發(fā)育早期影響表觀遺傳學(xué)重排，這種影響可持續(xù)兩代[38-39]。此外，有研究對具有相同基因的小鼠給予甲基供體，然后測定其基因組CpG島甲基化水平，結(jié)果顯示環(huán)境的改變?nèi)缂谆w的補充增加了個體基因組中甲基化變異位點的數(shù)量，即表觀遺傳學(xué)變異，而且這種變異在傳代中有累積效應(yīng)。在傳代中表觀遺傳學(xué)差異表現(xiàn)在個體與原代之間及個體相互之間，從而增加了表型變異，這可能就是表觀遺傳學(xué)的選擇[36]。

2.5腸穩(wěn)態(tài)的表觀遺傳學(xué)與IBD

除了膳食中的抗原成分，胃腸道黏膜長期暴露于共生菌和致病菌抗原成分，因此腸道免疫系統(tǒng)需要不斷地調(diào)節(jié)對各種抗原的耐受和反應(yīng)從而達(dá)到腸穩(wěn)態(tài)。越來越多的研究表明，表觀遺傳學(xué)標(biāo)志物可能直接對腸道菌群有反應(yīng)，如人抗菌肽β-防御素2(hBD2)在腸道上皮細(xì)胞的表達(dá)受組蛋白修飾的調(diào)節(jié)[40]。這些分子的相互作用和由此產(chǎn)生的表觀遺傳學(xué)修飾可能可以解釋為何早期暴露于微生物能夠預(yù)防免疫介導(dǎo)的疾病如IBD[41]。

3展望

表觀遺傳學(xué)可能為IBD發(fā)病機制提供新的線索，但是像遺傳學(xué)一樣，它不可能解決所有未解決的問題，它需要與其他IBD研究中有關(guān)的生物分析模式相結(jié)合，如轉(zhuǎn)錄組學(xué)、糖蛋白組學(xué)和代謝組學(xué)等。表觀遺傳學(xué)方面的研究可能可以為IBD的診斷和治療提供新的方向。

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(本文編輯：林磊)

(收稿日期：2014-12-30)

通信作者：劉文天，Email: lwentina@sohu.com

DOI:10.3969/j.issn.1673-534X.2015.06.009