郭夢陽 王守富 邢冬梅

(1.河南中醫(yī)藥大學,河南 鄭州 450046;2.河南省中西醫(yī)結合醫(yī)院,河南 鄭州 450003;3.河南中醫(yī)藥大學第一附屬醫(yī)院,河南 鄭州 450000)

原發(fā)性高血壓(essential hypertension,EH)是以動脈血壓升高為特點的一種復雜的多因素疾病,2015年全球高血壓患病人數(shù)為11.3億,預估2025年成人患病人數(shù)將為15.6億,EH約占高血壓人群的95%,是世界性的公共健康問題之一[1]。2015年中國年齡≥18歲人群高血壓患病人數(shù)為2.45億,不僅患病率逐年升高(2018年為27.5%),且患病人群趨于年輕化,20～39歲青年患病率由1991年的4.5%上升到2015年的11.0%,EH已成為中國的重大慢性疾病之一[2-3]。 研究[1]表明,EH是遺傳和環(huán)境因素相互作用的結果,表觀遺傳學作為環(huán)境和遺傳因素之間的橋梁,在EH的病理過程中發(fā)揮重要作用。表觀遺傳學是在不改變自身DNA序列的情況下改變基因表達或細胞表型,是一種穩(wěn)定的遺傳變化,但在某些情況下,表觀遺傳變化是動態(tài)的,可對環(huán)境、年齡、飲食、藥物等因素的刺激產(chǎn)生反應,通過DNA甲基化、組蛋白修飾、非編碼RNA等調(diào)控基因表達,改變遺傳表型,影響疾病的發(fā)生[4-5]。其中DNA甲基化是參與基因調(diào)控最明確的表觀遺傳機制,異常DNA甲基化在冠狀動脈疾病、癌癥等疾病中的作用已有深入研究[6-7],但這種機制與EH的關系還處于初步階段?，F(xiàn)對DNA甲基化在EH中的研究進展進行總結,進一步探索DNA甲基化在EH中的致病機制,為臨床診治提供線索。

1 DNA甲基化的定義

哺乳動物DNA甲基化是指在DNA甲基化酶的催化下,將供體S-腺苷甲硫氨酸的甲基基團結合到胞嘧啶鳥嘌呤二核苷酸(cytosine-phosphate-guanine,CpG)第5位碳原子位置上,形成5-甲基胞嘧啶的化學修飾過程[8]。DNA甲基化大多發(fā)生在含有CpG位點的基因啟動子區(qū)域,通過甲基化位點結合參與基因抑制的蛋白質(zhì)或直接抑制轉錄因子與DNA的結合調(diào)控基因表達[9]。有證據(jù)[10]表明,啟動子CpG島的高甲基化與抑制轉錄有關,而低甲基化促進基因轉錄。關于EH與DNA甲基化的研究,前期多集中在全基因組DNA甲基化水平與EH發(fā)病機制的關聯(lián)分析,近年來多關注特定DNA序列的甲基化。

2 DNA甲基化與EH的關系

2.1 全基因組甲基化

與EH相關的全基因組關聯(lián)分析(genome wide association study,GWAS)主要通過對多個體DNA樣本的全基因組范圍的遺傳變異進行基因分型及表觀遺傳分析,尋找與EH發(fā)病相關的遺傳變異。Smolarek等[11]發(fā)現(xiàn),與對照組相比,高血壓組DNA樣本中5-甲基胞嘧啶含量明顯降低,5-甲基胞嘧啶的含量反映了DNA的甲基化水平,說明全基因組DNA甲基化水平隨著EH嚴重程度的增加而降低。在一項關于17 010例歐洲、非洲、西班牙血統(tǒng)個體的研究[12]中,發(fā)現(xiàn)了8個基因內(nèi)區(qū)域和3個基因間區(qū)域的13個CpG位點的DNA甲基化與收縮壓或舒張壓顯著相關。在該研究的后續(xù),Huang等[13]進行的薈萃分析發(fā)現(xiàn)了39個與血壓相關的CpG位點,復制驗證了在先前分析中確定的幾個CpG位點,其中13個CpG位點顯示出與血壓的新關聯(lián),且強調(diào)了遺傳和環(huán)境因素對血壓相關CpG位點甲基化的影響。目前GWAS研究發(fā)現(xiàn)了數(shù)百種與血壓相關的遺傳變異,但序列變異只是表型變異的一部分,還需考慮不同候選基因的差異甲基化,了解特定DNA甲基化在EH發(fā)病機制中的作用。

2.2 特定基因DNA甲基化

2.2.1 腎素-血管緊張素系統(tǒng)相關基因

腎素-血管緊張素系統(tǒng)(renin-angiotension system,RAS)是由腎素、血管緊張素原(angiotensinogen,AGT)、血管緊張素Ⅰ(angiotensinⅠ,AngⅠ)、血管緊張素轉換酶(angiotensin converting enzyme,ACE)、血管緊張素Ⅱ(angiotensinⅡ,AngⅡ)、血管緊張素受體(angiotensin receptor,ATR)六部分組成的調(diào)節(jié)血壓和水電解質(zhì)平衡的重要機制[14]。由肝臟合成的AGT作為起始底物,被腎小球旁細胞分泌的腎素裂解為Ang Ⅰ,Ang Ⅰ在肺循環(huán)中被ACE及其他酶轉化為具有生物活性的Ang Ⅱ,Ang Ⅱ與ATR結合后,收縮外周小動脈,使腎上腺皮質(zhì)細胞分泌醛固酮增多,血容量增加,血壓升高。

AGT是已知的腎素底物,是RAS的限速酶,AGT水平調(diào)節(jié)RAS的活性,其表達上調(diào)會水解生成更多的血管緊張素,使血壓升高。AGT的DNA甲基化水平可調(diào)控AGT基因的表達。在人和大鼠的AGT甲基化研究中,高鹽攝入或循環(huán)中過量的醛固酮會導致AGT啟動子區(qū)的CCAAT/增強子結合蛋白位點發(fā)生去甲基化,從而將AGT基因從無活性狀態(tài)轉化到活性狀態(tài)的表達[15-16]。

ACE在RAS中發(fā)揮核心作用,RAS參與了心血管疾病的發(fā)病機制。在Fan等[17]進行的EH組與健康血壓組的對照研究中,發(fā)現(xiàn)EH組ACE2 CpG4和CpG5位點甲基化水平顯著增高,ACE2通過降解AngⅡ生成血管擴張劑血管緊張素1-7,來舒張血管抵消RAS的作用,其CpG4和CpG5位點的高甲基化狀態(tài)可能會降低ACE2的表達,促進EH的發(fā)生和發(fā)展。

AngⅡ是RAS的主要活性肽物質(zhì),而血管緊張素Ⅱ1型受體(angiotensin Ⅱ type 1 receptor,AT1R)是AngⅡ發(fā)揮生物學作用的主要介質(zhì),AT1R分為兩個亞型：AT1aR和AT1bR。妊娠期間喂食低蛋白飲食小鼠的子代會出現(xiàn)鹽敏感性高血壓,這與下丘腦編碼AT1aR基因的異常甲基化有關,啟動子區(qū)低甲基化導致AT1aR表達增加和腎臟交感神經(jīng)過度活躍引起血壓升高[18]。類似的,大鼠在宮內(nèi)暴露于母體低蛋白飲食會導致后代大鼠成年后發(fā)生高血壓,這與AT1bR基因啟動子區(qū)低甲基化密切相關[19]。

醛固酮由醛固酮合酶(CYP11B2)在腎上腺皮質(zhì)中分泌,其生物合成受RAS和鉀、鈉離子等因素的影響,主要作用是保鈉排鉀,調(diào)節(jié)水液代謝影響血壓。據(jù)報道,對大鼠進行鈉限制或輸注AngⅡ會降低CYP11B2的甲基化,顯著增加大鼠腎上腺中CYP11B2 mRNA水平使血壓升高,CpG島甲基化與CYP11B2 mRNA表達水平呈負相關[20]。

2.2.2 水鹽代謝相關基因

水鹽代謝不僅包括水和鈉的平衡代謝,還包括其他無機鹽的代謝,水鹽代謝紊亂會引起細胞離子轉運障礙,對血壓穩(wěn)定產(chǎn)生重要的影響。水鹽代謝相關基因如鈉鉀氯共轉運蛋白1(Na+-K+-2Cl-cotransporter 1,NKCC1)、α-內(nèi)收蛋白、11β-羥基類固醇脫氫酶2(11β-hydroxysteroid dehydrogenase 2,11β-HSD2)等已被列為EH的候選基因。

NKCC1是調(diào)節(jié)鈉、鉀和氯離子在各種細胞之間交換的轉運蛋白,通常Na+-K+-ATP酶提供能量將Na+、K+轉運至細胞外,NKCC1則以繼發(fā)主動轉運的方式將Na+、K+、Cl-轉入細胞內(nèi),調(diào)節(jié)離子平衡,NKCC1還通過介導離子轉運改變細胞滲透壓,調(diào)節(jié)細胞體積[21]。NKCC1基因啟動子區(qū)低甲基化導致NKCC1的表達上調(diào)。Cho等[22]研究發(fā)現(xiàn),與正常對照組相比,EH大鼠和輸注AngⅡ的大鼠NKCC1 mRNA表達上調(diào),CpG島的甲基化降低。

內(nèi)收蛋白由α、β和γ三個亞基組成的異二聚體蛋白質(zhì),參與細胞膜骨架的組成和細胞膜離子的轉運,特別是Na+轉運,內(nèi)收蛋白基因主要通過影響Na+-K+-ATP酶的活性,改變腎小管對鈉的重吸收來調(diào)節(jié)血壓[23]。Bayoumy等[24]采用焦磷酸測序技術測量了α-內(nèi)收蛋白啟動子區(qū)5個CpG島的甲基化水平,發(fā)現(xiàn)CpG1甲基化水平降低與女性患EH風險增加有關,CpG2～5位點的低甲基化與男性患EH風險增加顯著關聯(lián),CpG1、CpG2～5位點甲基化可作為EH的預測因子。

11β-HSD2是一種專一氧化酶,主要在鹽皮質(zhì)激素的靶器官(腎臟遠曲小管、集合管,汗腺等)中表達,將有活性的皮質(zhì)醇轉化為無活性的可的松,當11β-HSD2活性下降或表達下調(diào)時,皮質(zhì)醇向可的松的轉化受損,腎臟中游離的皮質(zhì)醇水平增高,過多的皮質(zhì)醇與鹽皮質(zhì)激素受體結合產(chǎn)生了高鹽皮質(zhì)激素狀態(tài),引起鈉潴留,血容量增加,使血壓升高[25]。11β-HSD2基因啟動子區(qū)甲基化已被證實在11β-HSD2表達中有重要作用。Friso等[26]研究發(fā)現(xiàn)EH患者的11β-HSD2基因啟動子區(qū)甲基化與其表達呈負相關,甲基化升高抑制11β-HSD2基因轉錄,11β-HSD2表達下調(diào)則血壓升高。

心房鈉尿肽是一種由NPPA基因編碼的利尿肽激素,參與機體的水鹽代謝,具有舒張血管抵消RAS的作用,與高血壓及心血管疾病密切相關。中國學者[27]研究發(fā)現(xiàn),成人高血壓患者NPPA啟動子DNA甲基化水平比正常人群更低,NPPA基因的低甲基化被認為與心房鈉尿肽轉錄上調(diào)有關,因此,考慮NPPA基因的啟動子甲基化可能通過調(diào)節(jié)心房鈉尿肽表達參與高血壓的發(fā)病機制。

2.2.3 促炎細胞因子相關基因

通過誘導氧化應激反應和血管內(nèi)皮功能障礙,慢性炎癥在EH中的作用已得到證實[28]。Toll樣受體(Toll-like receptor,TLR)是一種跨膜受體,主要在單核細胞、巨噬細胞和中性粒細胞中表達,通過識別病原體相關分子模式啟動先天免疫反應,TLR2活化后可通過某些途徑釋放白細胞介素-6(interleukin-6,IL-6)、C反應蛋白(C-reactive protein ,CRP)、腫瘤壞死因子-α(tumor necrosis factor-α,TNF-α)等促炎細胞因子,參與EH、冠狀動脈粥樣硬化疾病的發(fā)病機制[29-30]。Mao等[31]進行的200例病例研究發(fā)現(xiàn),與健康組相比,EH組TLR2基因啟動子的8個CpG位點甲基化水平降低,尤其是CpG1、CpG6和CpG8位點,經(jīng)Pearson相關性分析發(fā)現(xiàn)CpG6的甲基化水平與血壓呈負相關,考慮TLR2基因啟動子的低甲基化可能通過激活炎性反應參與EH的發(fā)生和發(fā)展。另一項研究[32]也表明,IL-6基因啟動子區(qū)域的甲基化水平與血壓負相關,甲基化水平降低,IL-6表達增加,通過促進全身的炎癥反應及損害血管內(nèi)皮功能,導致血壓升高。Ferrari等[33]研究表明,持續(xù)有氧運動可增加TNF-α、內(nèi)皮素-1(endothelin-1,ET-1)等基因啟動子區(qū)域的甲基化水平,降低患者的收縮壓和舒張壓,說明DNA甲基化可能在將運動訓練與血壓降低聯(lián)系起來的復雜機制中發(fā)揮作用。

2.2.4 血管內(nèi)皮功能相關基因

血管的舒縮功能主要由血管內(nèi)皮細胞分泌的一氧化氮(nitrogen oxide,NO)、ET-1、血栓素A2等活性因子調(diào)控,ET-1是內(nèi)皮細胞合成的血管收縮蛋白,NO是內(nèi)皮釋放的血管舒張因子,二者相互作用維持血管的舒縮平衡。血管內(nèi)皮功能障礙是EH的發(fā)病機制之一,而內(nèi)皮相關基因的表達受DNA甲基化修飾的調(diào)控。

血管平滑肌細胞(vascular smooth muscle cell,VSMC)是血管中膜的主要成分,在內(nèi)皮細胞分泌的血管活性因子以及神經(jīng)、體液因素的作用下,通過血管舒縮,調(diào)節(jié)血壓、血流、血管的張力等。在外界因素刺激下,VSMC表型會發(fā)生改變引起血管重構,線粒體融合蛋白2(mitofusin 2,Mfn2)是一種抑制VSMC增殖的蛋白,在EH患者中低表達。Jin等[34]發(fā)現(xiàn)EH患者Mfn2 DNA序列的第3個CpG高甲基化,Mfn2 mRNA表達水平明顯降低,進一步的關聯(lián)分析表明,Mfn2甲基化水平與收縮壓和舒張壓相關,可能是EH的獨立危險因素。

ET-1是在內(nèi)皮細胞中合成的血管收縮劑,可介導VSMC的增殖和遷移。ET-1主要通過與其受體內(nèi)皮素A型受體(endothelin A receptor,ETAR)、內(nèi)皮素B型受體(endothelin B receptor,ETBR)結合發(fā)揮作用。ET-1的表達增加與許多心血管疾病相關。據(jù)報道,妊娠大鼠在產(chǎn)前暴露于缺氧環(huán)境中,其后代大鼠內(nèi)皮細胞中ETAR、ETBR表達上調(diào),促進ET-1介導的血管收縮和VSMC增殖,使血壓升高。甲基化分析顯示,缺氧降低了ETBR啟動子的甲基化水平,導致ETBR異?；罨痆35]。

內(nèi)皮型一氧化氮合酶(endothelial nitric oxide synthase,eNOS)主要在內(nèi)皮細胞中表達,是血管中產(chǎn)生NO的主要機制。在Rexhaj等[36]的研究中,輔助生殖技術妊娠的小鼠子代,會表現(xiàn)出血管功能障礙和血壓水平升高,這與主動脈內(nèi)eNOS基因啟動子區(qū)域的高甲基化抑制了血管中eNOS表達,使NO合成減少有關。

3 基于DNA甲基化在EH中的治療

DNA甲基化作為一種表觀遺傳修飾,獲得的特征可遺傳給后代,但與DNA的遺傳不同,這種在環(huán)境、飲食等因素刺激下發(fā)生的表觀遺傳變化是可逆的。目前已知EH的危險因素如吸煙、高鹽飲食、肥胖、年齡等可影響特定基因的甲基化修飾,調(diào)控基因表達參與EH發(fā)病機制,因此對其危險因素或靶基因進行干預,可能成為預防或治療EH的新靶點。如持續(xù)有氧運動可增加TNF-α、ET-1等基因的甲基化水平,使患者的收縮壓和舒張壓降低[33];一種DNA去甲基化酶激活劑通過增強DNA去甲基化酶的活性,降低Klotho基因的DNA甲基化,使腎臟和血清中Klotho分泌上調(diào),從而降低脈搏波速度和血壓水平,可治療與衰老相關的高血壓小鼠[37];Wang等[38]的研究中,在高血壓前期使用氯沙坦治療可逆轉高脂飲食喂養(yǎng)的EH大鼠脂肪組織中AT1R的高表達和啟動子區(qū)的低甲基化。

4 小結

越來越多的證據(jù)支持表觀遺傳修飾在EH中的作用,DNA甲基化作為重要的修飾方式,通過調(diào)控基因表達參與EH的發(fā)生和發(fā)展。目前多數(shù)研究集中在DNA甲基化與特定候選基因的聯(lián)系上(表1),而EH是復雜的多因素疾病,單一基因的改變并不能闡明EH的發(fā)病機制,仍有很多問題需要解決。如不能只考慮單個CpG位點,應注意多基因甲基化調(diào)控之間的交互作用,同時還應整合其他的表觀遺傳層(組蛋白修飾、非編碼RNA等),了解表觀遺傳修飾是通過單一途徑還是相互協(xié)作調(diào)控基因表達來影響血壓;此外,多數(shù)研究僅是動物實驗或細胞培養(yǎng),人類是否存在類似的作用機制,還需大樣本、多中心的臨床研究驗證;只有真正闡明表觀遺傳學在EH中的因果作用,才能更好地為EH患者提供個體化的風險評估和診療方案。

表1 特定基因DNA甲基化與EH的相關性研究結果