DNA甲基化參與動脈粥樣硬化發展的機制

謝慶雅 魏晗 辛小軍 肖平喜

動脈粥樣硬化(atherosclerosis,AS)是以血管內膜形成纖維斑塊為特征,主要累及大動脈和中動脈,致管壁變硬、管腔狹窄和彈性減弱,引起相應器官缺血性改變的慢性退行性疾病。AS形成的危險因素包括高脂血癥、高血壓、吸煙、糖尿病、年齡、性別及遺傳因素,可變的危險因素形成是由于基因的改變而導致基因表達產物發生改變所形成。DNA甲基化是通過沉默相關表達基因表達來調節細胞功能的重要表觀遺傳修飾。同時,最近的研究發現[1-3]DNA甲基化在動脈粥樣硬化發展中起重要作用。為此,筆者就DNA甲基化與AS的關系進行綜述以供參考,也為AS的干預及治療提供堅實的基礎。

一、DNA甲基化參與AS中內皮功能障礙

DNA甲基化是在DNA甲基轉移酶(DNA methyltransferase,DNMT)作用下,在基因組CpG二核苷酸的胞嘧啶的第5個碳上加入一個甲基,形成5-甲基胞嘧啶[4]。人類基因中,大部分啟動子的調控都與CpG島有關,CpG島位于啟動子附近區域,并保持非甲基化狀態,從而完成基因轉錄。相反,這些DNA區域可被甲基化,抑制轉錄因子與啟動子的結合,抑制基因轉錄。DNA甲基化在胚胎發育和生物學功能起重要作用,DNA甲基化失調,即高甲基化和低甲基化均會導致各種疾病,當然也包括AS[1]。

大量研究表明[5-6],DNA甲基化參與調節NF-κB介導的信號通路,NF-κB可上調血管內皮細胞(vascular endothelial cell,VEC)中促炎細胞因子和粘附分子的釋放,如TNF-α,IL-6,IL-1,ICAM-1,VCAM-1等,促炎基因細胞色素C氧化酶亞基II的表達增強和促炎細胞因子和粘附分子表達增強密切相關,從而加速了VEC功能障礙。DNA甲基化過程需要DNMT的參與。研究表明[7],DNMT1調節炎癥信號從而參與內皮功能障礙,其中DNMT1表達上調會促進krüppel樣因子(krüppel-like factor,KLF)-2基因啟動子甲基化,KLF-2是鋅指家族轉錄因子中的一種轉錄因子,可激活VEC中的抗炎反應,抑制KLF-2基因轉錄會加速炎癥反應,從而進一步導致EC功能障礙[8-9]。除KLF轉錄因子外,HOXA5也是調節炎癥的重要轉錄因子,DNMT1是HOXA5啟動子甲基化過程中重要參與者,進一步加速炎癥反應,誘發EC功能障礙[10-11]。同時DNMT1還參與整合素、局灶性粘附激酶和細胞外信號調節激酶等信號通路,加速EC功能障礙,但是具體機制還有待研究[12]。DNA低甲基化與活性氧(reactive oxygen species,ROS)的指示劑8-羥基鳥嘌呤(8-hydroxyguanine ,8-OHdG)密切相關。而ROS過量產生會導致氧化應激[13]。健康情況下,ROS的形成與抗氧化之間可以維持平衡,抗氧化系統起減少或清除ROS的作用[14]。慢性氧化應激可引起EC通透性增強,更促進內皮功能障礙。研究表明[15],8-OHdG對親本鏈中鳥嘌呤的氧化損傷允許維持DNA甲基化模式的正常復制,而8-OHdG對新DNA鏈中鳥嘌呤的氧化損傷將阻止這種甲基化。也就是說,新DNA鏈上的DNA低甲基化與氧化應激造成的損害逃脫不了關系。值得注意的是,DNMT1和DNMT3b表達的改變與黑色素細胞系的轉化有一定的關系,而黑色素細胞系的轉化與氧化應激過程密切相關[16]。DNA甲基化與氧化應激的關系的研究已被不同的研究人員廣泛地分析。慢性氧化應激可能通過促進AS的病理發展而改變DNA的甲基化特征?？傊?DNA甲基化可能介導KLF和HOXA5等不同轉錄因子的表達調節AS中的炎癥過程, 同時DNA甲基化負向改變可能加速AS中的氧化應激,從而加快內皮功能障礙。

VEC位于血管壁中,動脈中血液流動使血管內皮暴露于多種類型流體力學相關的負荷,包括流體剪切力,拉伸張力和靜水壓力[17]。動脈中曲率小的區域里穩定的層流在AS的發展中起保護作用,而動脈中曲率大區域和分叉區域里加速的渦流促進AS的發展[17-18]。大量研究表明[19-20],層流可能通過激活有絲分裂原的多種信號傳導通路,例如細胞外信號調節激酶5、細胞外信號調節激酶-5和KLF-2,進而上調保護性基因和其蛋白質的表達;相反,渦流激活NF-κB和蛋白激酶ceta等多種信號傳導通路,從而促進炎癥發展和AS[20]。研究顯示[21],在沒有頸動脈結扎手術的情況下自然且長期地暴露于層流的EC中無DNMT1蛋白的表達,與對照組相比下,頸動脈結扎手術誘導渦流的動脈內皮中DNMT1表達增加。相反,給予DNMT抑制劑延緩了渦流下血管內AS病變的進展。另一項研究顯示[7],EC受血液動力振蕩剪切力影響后,DNMT3a表達上調,且與KLF-4啟動子結合,導致KLF-4轉錄水平降低,KLF-4與KLF-2相似,都具有抗炎作用,故DNMT3a抑制KLF-4轉錄進一步導致內皮功能障礙。相反,其他催化活性的DNMT在部分動脈結扎或者暴露在渦流的EC中幾乎檢測不到,且蛋白水平沒有明顯差異[21]。VEC暴露于渦流下,DNMT1和DNMT3a的高表達激活NF-κB和蛋白激酶ceta等多種信號傳導通路促進內皮功能障礙。

DNA甲基化可通過介導KLF-2和HOXA5等部分轉錄因子直接導致內皮功能障礙,同時渦流引發DNMT高表達而進一步加速內皮功能障礙,這均是加快AS病程的因素[7]。

二、DNA甲基化調節巨噬細胞活化

經典觀點提出了巨噬細胞的M1/M2表型二分法,M1巨噬細胞參與了炎癥的開始和進展,且分泌促炎細胞因子,包括IL-6和TNF-α;M2巨噬細胞與抗炎有關,并且它在組織修復,血管生成和炎癥消退中起作用[22]。KLF-4轉錄因子在巨噬細胞活化中起關鍵作用,體內與體外數據表明DNMT1通過抑制KLF-4的表達從而活化M1巨噬細胞,活化的M1巨噬細胞中IL-6和TNF-α表達水平升高[23]。有趣的是,一項動物實驗[24]用高脂飲食誘導母體雌鼠高脂血癥,使巨噬細胞通過經典活化M1途徑產生粘多糖反應,并且巨噬細胞釋放IL-6和TNF-α是對照組的2倍和1.5倍。同時,誘導高脂血癥的雌鼠的子代中,LXRα的5’UTR位點是低甲基化的,而LXRα是轉錄因子核受體超族成員,其活性抑制粘多糖誘導的M1巨噬細胞相關基因NOS2的表達[24-25]。因此,DNA甲基化調節M1巨噬細胞活化可能與LXRα和KLF-4等轉錄因子表達降低有關,從而加快AS進程。此外,抑制DNMT3a表達限制了巨噬細胞中Ⅰ型干擾素的產生,這可能在AS進展中具有保護作用[26]。

三、DNA甲基化調節平滑肌細胞增生

AS的病理過程包括三個重要階段。第一階段是通過危險因素激活EC,之后免疫細胞,如單核細胞,浸入內膜,單核細胞吞噬低密度脂蛋白促進泡沫細胞的形成。第二階段,炎癥狀態下平滑肌細胞(smooth muscle cell,SMC)通過內彈力膜的窗口遷入內膜,其增殖導致斑塊形成。這些激活的SMC產生大量的細胞外基質(extracellular matrix,ECM)并形成纖維帽。第三階段也是最后一個階段是AS斑塊破裂和血栓形成。由于血管SMC是AS斑塊形成的主要參與者,因此血管SMC增生的調節可能在AS的發展中起重要作用[27-28]。

血管SMC在AS斑塊內的多種刺激下,經歷了從“收縮”表型到“合成”表型的轉變[29]。在這個轉變過程中,血管內膜SMC中與“收縮性”相關的蛋白,如α-平滑肌肌動蛋白的表達降低,而表現出更強的ECM和蛋白酶的合成能力。ECM主要由膠原蛋白、纖維蛋白、玻連蛋白和蛋白聚糖組成,在SMC增生中扮演著重要角色,同時也是決定斑塊的完整性的重要部分[30]。ECM的DNA甲基化會影響SMC表型轉換,而SMC的表型轉換會引起血管鈣化。研究表明[31],DNA甲基化可能控制著某些與SMC增生分化有關的基因,例如血清反應因子,PDGF和SMC特異性的SM22α。此外,基質金屬蛋白酶(matrix metalloproteinases,MMP)與SMC的增生及遷移也有關[32-33]。血管SMC在DNA甲基化抑制劑作用下MMP1的表達和蛋白分泌增加[34]。同時,DNA甲基化抑制劑抑制血小板衍生生長因子(platelet-derived growth factor,PDGF)誘導的SMC的增殖和遷移,并增加血管細胞收縮力[35]。

同型半胱氨酸(homocysteine,Hcy)是在甲硫氨酸代謝過程中產生的非經典含硫氨基酸,Hcy通過甲基化在DNA代謝中發揮生理功能[36]。升高的Hcy通過抑制細胞周期蛋白A轉錄,降低DNMT1活性,抑制DNA甲基化,并且通過增加PDGF的表達在SMC增殖中起作用。也有研究表明[37],高Hcy血癥引起凝集素樣氧化型低密度脂蛋白受體-1的DNA低甲基化,從而可能抑制泡沫細胞的形成。因此,細胞周期蛋白A的低甲基化通過升高Hcy水平可能是SMC增殖并最終導致AS的關鍵機制[38-40]研究表明[41],在SMC增生遷移過程中發現DNMT的活性低并且總體DNA呈低甲基化。最近的一項研究顯示[42],在AS斑塊中SMAD7的表達降低,SMAD7基因啟動子的甲基化水平升高以及Hcy水平升高均會加快斑塊形成。這些研究均證明SMC的DNA甲基化不足或者DNMT1的活性降低與SMC的遷移和增生有著密不可分的關系,進一步推動AS的形成。

四、總結與展望

目前衰老相關的系統疾病逐漸成為重要的公共衛生問題,其中AS占了很大比例,AS是一種復雜的慢性疾病,其病因涉及遺傳和非遺傳因素,重要的非遺傳因素之一是表觀遺傳,表觀遺傳目前是血管生物學研究的新領域,最新的研究揭示其在AS形成方面有廣闊的研究前景,其中DNA甲基化參與多種調控通路,從而共同作用于AS的形成。動脈粥樣硬化過程中促發炎癥及氧化應激,引起內皮功能障礙,巨噬細胞活化及血管SMC增生與遷移,均是AS的發展的原因。本文總結了與AS發展中可能相關的DNA甲基化機制,而這些機制與DNA突變不同,它的改變是可逆的,因此探尋干預措施顯得尤為重要,目標旨在減緩不可避免的發展過程。未來的研究方向可能涉及“表觀遺傳藥物”的潛在靶點,例如DNMT抑制劑。因此,探討AS有關的DNA甲基化機制有助于為AS的管理治療提供更多新的可能,具有重要臨床意義。

利益沖突:所有作者聲明不存在利益沖突