多发性硬化症(multiple sclerosis,MS)是经典的中枢神经系统自身免疫性脱髓鞘疾病,目前病因未知。大部分患者在发病初期呈现复发-缓解的症状,称为复发缓解型MS(relapsing-remitting MS,RRMS)。RRMS以中枢神经系统脱髓鞘损伤并出现症状作为起病特征,病程高度可变,在起病早期其复发频率和致残比例都与一些危险因素相关,如性别和年龄。
RRMS的病程晚期,大部分患者将转变为 继 发 进 展 型MS(secondary progressive MS,SPMS),病情将逐渐加重不能完全缓解,导致永久性致残。少部分MS患者(<10%)从发病起病情就缓慢加重,并且症状不会缓解,称为原发进展型MS(primary progressive MS,PPMS)。由 于SPMS和PPMS患者神经功能的丢失都呈现缓慢进行性加重,病理切片也发现病灶处不仅有脱髓鞘损伤,还有神经元轴突的退行性改变,因此MS也具有神经退行性疾病的特点。
尽管目前还没有直接证据证明MS是遗传病,但遗传因素与其易感性有极大关系。
MS患者亲属是MS发病的高危人群,危险系数随着与患者关系密切程度而增加。MS遗传学研究发现并鉴定了一些MS的易感基因,如人类白细胞抗原(humanleukocyte antigen,HLA)基因等。最新的研究表明,MS的发生可能受表观遗传调节机制的调控。这些表观遗传学机制包括DNA甲基化、组蛋白修饰和微小RNA(microRNA,miRNA)介导的转录后基因沉默。本文综述了目前对表观遗传学的理解,包括表观遗传学概述、表观遗传学修饰在MS病因学和发病机制中的作用,解释表观遗传学调控如何特异性地影响MS的病理生理,最后提出新的治疗措施,即通过调控患者表观遗传信息进而改善患者的病情和预后。
1 表观遗传学概述
表观遗传学是研究基因核苷酸序列不发生改变情况下,基因表达可遗传变化的一门学科。DNA甲基化、组蛋白修饰和miRNA转录后基因沉默是表观遗传机制中研究最多的3个领域。表观遗传学改变是可遗传的,可以通过有丝分裂或减数分裂,从亲代传给子代。但这种改变是可逆的,非常容易受到环境的影响。
DNA甲基化是在甲基转移酶 (DNA methyl-transferase,DNMT)的催化下,将DNA上的胞嘧啶第5位碳原子上选择性地添加甲基,形成5-甲基胞嘧啶的过程。DNMT1是持续性甲基转移酶,负责DNA复制过程中保持DNA甲基化作用。DNMT1主要位于DNA的复制交叉,可参与DNA复制双链中新合成链的甲基化。
DNMT3a和DNMT3b则分别与核和线粒体DNA的未甲基化和半甲基化位点的从头甲基化有关。在哺乳动物中,CpG二核苷酸(CpG dinucleotide)是DNA甲基化发生的主要位点,富含CpG二核苷酸的区域称为CpG岛。CpG岛通常位于基因启动子区或是第一个外显子区,CpG岛内 胞 嘧 啶 的 甲 基 化 可 以 阻 止 相 关 基 因 表达。DNA甲基化是研究得最清楚、也是最重要的基因表观修饰方式,在细胞增殖和基因组稳定中发挥关键作用。在哺乳动物细胞中,组蛋白与DNA结合形成DNA-组 蛋 白 复 合 物。4种 组 蛋 白 (H1、H2A、H2B、H3和H4),各2个分子构成组蛋白八聚体,每个组蛋白八聚体表面由146bp的DNA链缠绕形成一个核小体,核小体是染色质的基本单位。组蛋白的共价修饰(包括乙酰化、甲基化、磷酸化、遍在蛋白化和瓜氨酸化)可通过影响组蛋白与DNA双链的亲和性,从 而 改 变 染 色 质 的 松 散 或 凝 集 状 态,调 节DNA转录因子的结合能力,并进一步调控基因的转录。组蛋白共价修饰研究较为明确的是乙酰化,由组蛋白乙酰基转移酶和去乙酰化酶介导。组蛋白的乙酰化作用通常伴随相关基因转录的上调,而组蛋白的去乙酰化作用有助于转录沉默。miRNA是一类小分子、单链、非编码的RNA,在动植物中广泛存在,通过与mRNA中特定互补位点结合来调节蛋白编码基因的表达。在细胞质中,成熟的miRNA首先与蛋白质结合形成RNA介导的沉默复合物(RNA-induced silencing complex,RISC),然后通过与同源mRNA分子的不完全配对结合,使mRNA被RISC降解,无法翻译为蛋白质。因此,miRNA在许多重要的细胞过程(如分化、增殖和凋亡)中起阻止蛋白质翻译的作用。
上述3种表观遗传修饰过程都不是单独起作用的。越来越多的证据表明,这些进程通过相互作用,实现复杂的基因转录和翻译的调控。例如,DNA甲基化和组蛋白修饰可以共同调节miRNA的表达,并各自被miRNA所调节。DNA甲基化与组蛋白去乙酰化之间,可以通过复杂的相互作用机制,协同抑制基因转录,进行生长、代谢、分化和癌变的调控。表观遗传调控过程一旦出错则会引发多种疾病,包括多种自身免疫性疾病、内分泌疾病和肿瘤等。MS是一种病因不明的自身免疫性疾病,越来越多的证据表明表观遗传学可能通过DNA甲基化等机制来诱发MS。
2 MS患者血液和中枢神经系统的表观遗传学改变
2.1 MS患者血液的基因甲基化改变研究发现,DNA甲基化可能作为MS疾病活性标记物。对已知癌症患者发生甲基化改变的56个基因进行研究,发现其中15个基因在MS患者和健康对照者的无细胞血浆DNA中出现甲基化改变,而且,这15个基因中的5个基因的启动子甲基化程度还可以区分病情缓解和加重的患者。但是,因为不能确定这些无细胞血浆中DNA甲基化的来源,所以这个结果还有待进一步深入研究。
2.2 MS患者血和脑中miRNA表达变化研究miRNA表达谱可以帮助我们寻找MS的诊断和预后的标记物,并进一步了解miRNA在MS发病和进展中的作用。例如,一项研究显示,RRMS患者全血中有165种miRNA异常表达。统计学分析表明,其中miRNA-145是诊断MS的最佳标记物,具有高度的特异性、敏感性和精确性。另一项研究则发现,有49种miRNA在RRMS患者的B细胞中表达下调;此外,与未治疗的RRMS患者相比,那他珠单抗治疗患者的B细胞中有10种miRNA表达上调。尽管miRNA表达谱可以用于判断MS的诊断和预后,但是,目前关于MS患者血液细胞miR-NA表达谱研究非常多,综合对比可以发现,这些研究的重复性较差,有时在不同研究中,MS患者血中某些miRNA表达水平的调节方向甚至是相反的。导致这些结果差异较大的原因可能包括使用的研究平台不同、发病时间窗不同或人类组织个体差异性等复杂因素。Junker等还研究了MS患者脑局部病灶中的miRNA表达谱,发现激活病灶中的28种miRNA和未激活病灶中的35种miRNA,与病灶周围的白质对照区相比有明显的异常调节。
3 表观遗传学改变对MS发病的影响
3.1 表观遗传学改变对MS遗传易感性的影响易感性是由遗传基础所决定的、相同环境下不同个体患病的风险。同卵双胞胎MS的共同罹患率仅有6%~30%,说明MS的易感性并不完全由基因型决定,表 观 遗 传 学 修 饰 可 能 在 其 中 发 挥 作 用。
Baranzini等采用简化亚硫氢酸盐甲基化测序方法,对3对同卵双胞胎CD4+T细胞的基因组进行甲基化检测,发现在200万个CpG检测位点中,仅有2个基因(TMEM1和PEX14)在MS患者与其未患病同卵双胞胎之间表现出完全不同的甲基化程度改变。因此,与年龄和癌症所诱导的甲基化改变相比,MS患者与其未患病同卵双胞胎CD4+T细胞之间的甲基化区别非常小。但是,这项关于同卵双胞胎MS患病率不一致的表观遗传学机制研究,由于样本量太小,且3对双胞胎的年龄和MS患病亚型等条件均不相同,结果可能失于片面,需进一步深入研究。此外,MS患者女性多见(妇女患病率约为男性的2倍);MS风险等位基因HLADRB 1*15的女性携带者多于男性;该等位基因母女遗传的概率大于父子或父女遗传,这些基因组印迹和传递不平衡的现象也可能是由表观遗传机制介导的。
3.2 环境因素与表观遗传学和MS发病的关系环境因素包括吸烟、维生素D缺乏、微生物感染以及性激素等,可能通过表观遗传学机制改变基因表达水平和细胞表型,影响MS的发病;同时,表观遗传学也可以通过调节环境致病因子影响MS的发病。
3.2.1 维生素D缺乏研究发现,体内维生素D3水平 与MS患 病 和 复 发 的 几 率 负 相 关;给 予1,25-羟基维生素D3可以减少小鼠自身免疫性疾病模型的严重程度。流行病学调查表明高纬度国家MS的发病率较高,可能是因为高纬度国家紫外线照 射 时 间 短,机 体 产 生 维 生 素D相 对 不 足 所致。
缺乏维生素D导致MS发病率增加的机制目前尚不完全清楚,但有证据表明,维生素D可以影响组蛋白的修饰。人类癌细胞克隆研究表明,维生素D可以诱导JMJD3的表达,JMJD3编码赖氨酸特异性去甲基化酶6B,可以使组蛋白H3的第27位赖氨酸特异性地去甲基化。研究还发现,1,25-羟基维生素D3与维生素D受体结合后,能够招募组蛋白去乙酰化酶2到IL17A的启动子区域,从而抑制与MS发病密切相关的细胞因子———IL-17的转录,这项研究表明维生素D3诱导的组蛋白修饰与MS发病具有潜在相关性。
3.2.2 性激素MS常见于青壮年,女性高发,而且MS患病女性在第二和第三孕期复发率明显减少,说明性激素水平可能与MS发病有关。研究发现,孕酮可以促进Th1向Th2型免疫反应转变,而睾丸激素在小鼠自身免疫性疾病模型中发挥抗炎和免疫抑制效应。有文献报道,雌激素可以通过促进少突 胶 质 前 体 细 胞 (oligodendrocyte progenitorcells,OPCs)向少突胶质细胞分化,从而促进脱髓鞘的神经再髓鞘化。此外,常见于非怀孕妇女的雌激素———雌二醇,可以加重MS病情,但怀孕女性主要的雌激素———雌三醇,却可以减少MS的发生和复发。
通过对MS患者脑片的miRNA谱研究,发现与对照组相比,miR-155、miR-338和miR-491在MS患者脑中上调。进一步研究显示这些miR-NA可以影响抑制醛酮还原酶家族1中C1和C2的翻译,而这两个酶参与脑部神经甾体(如四氢孕酮)的生成。小鼠中miR-155和miR-338的过表达可 以 下 调 神 经 甾 体 合 成 酶 和 四 氢 孕 酮 的 表达。在小鼠EAE模型中,给予四氢孕酮可以明显缓解临床症状,并减少髓鞘和轴突的损伤。这些发现提示,内源性神经甾体的合成受到miRNA相关转录后基因沉默的调节,并且这种神经甾体合成的异常调节也是进展型MS的重要病理机制。
3.2.3 其他因素吸烟是诱发MS的危险因素,当前吸烟者与从未吸烟者相比,MS的患病率高1.6倍。吸烟可以影响多种基因的甲基化,例如在肺癌患者中,吸烟与肿瘤抑制基因CDKN2A、DAPK和MGMT的高度甲基化相关。MS患者血液和脑脊液中还发现多种病毒的抗体滴度增高,其中曾感染EB病毒人群的MS发生率较未感染者高8倍。EB病毒感染可以影响受感染细胞的表观遗传谱,许多类型的肿瘤与EB病毒感染有关。例如,EB病毒诱导的霍奇金淋巴瘤和鼻咽癌,病毒核心蛋白LMP1可以通过上调DNMT1、DNMT3a和DN-MT3b等 甲 基 化 催 化 酶 导 致 启 动 子 的 高 度 甲 基化。但是,目前还没有直接的证据表明吸烟或者EB病毒感染可以通过调节基因甲基化等表观遗传学机制直接影响MS的发病。
4 表观遗传学改变在MS病理机制中的作用
4.1 表观遗传学与小胶质细胞/巨噬细胞吞噬能力和极化状态一项对20例MS患者脑部活检研究表明,激活和非激活的MS病灶具有不同miRNA表达谱。在激活的MS病灶中,miR-155、miR-34a和miR-326表达水平高于未激活病灶和健康对照。这3种miRNA都可以抑制CD47的翻译,CD47广泛表达于细胞表面,具有抑制巨噬细胞吞噬和激活的功能。因此,这些miRNA可能通过下调MS病灶中CD47的表达,导致巨噬细胞过度激活和髓鞘的过度吞噬,使病灶的活动性增强。
小胶质细胞/巨噬细胞在MS的病理发生中起重要作用,小胶质细胞/巨噬细胞有经典激活(M1型)和替代激活(M2型)两种极化方式。研究表明,M1和M2细胞比例失衡可能是造成慢性MS病灶中再髓鞘化障碍的重要原因。中枢给予M2型小胶质细胞可以明显促进体内再髓鞘化,并促进小鼠EAE模型神经功能修复。在静息的小胶质细胞/巨噬细胞中加入细胞因子如γ干扰素 (interferon-γ,IFN-γ)、粒细胞集落刺激因子 (granulocyte macro-phage colony-stimulating factor,GM-CSF)、脂多糖(lipopolysaccharide,LPS)刺激,可出现M1型极化,同时炎性因子分泌增加,并伴有miR-124的下调和miR-155的上调。研究证实,通过miR-155的上调可以抑制抗炎因子细胞因子信号抑制因子(suppressorof cytokine signaling-1,SOCS-1)的表达,进而促进小胶质细胞/巨噬细胞的M1型极化。此外,miR-125b和miR-101也可以促进小胶质细胞/巨噬细胞的M1型极化。MiR-124的过表达则会降低M1型小胶质细胞/巨噬细胞的极化标记物,使细胞向M2型极化并表达其标志分子转化生长因子β(trans-forming growth factor-β,TGF-β)、精氨酸酶(argi-nase-1)和FIZZ1(found in inflammatory zone-1)。
4.2 表观遗传学与Th17细胞分化Th17细胞以产生细胞因子IL-17为特征,而IL-17与多发性硬化症、哮喘、类风湿性关节炎等自身免疫性疾病的发生和发展密切相关。研究表明,miR-155和mir-326与Th17细胞的分化有关。其中一项涵盖了43例RRMS患者、11例视神经脊髓炎患者和42名健康者的对照研究发现,RRMS患者外周血CD4+T细胞中miR-326表达水平上调,并且在病情复发时明显高于缓解患者和健康对照。
miR-326的靶点是转录因子C-ets-1(也称作p54),能够抑制幼稚T细胞向Th17表型分化。研究人员同时发现,RRMS患 者 与 健 康 对 照 相 比,C-ets-1在CD4+T细 胞 中 降 低;体 内 沉 默miR-326,小 鼠CD4+T细胞中C-ets-1表达上调,外周血Th17细胞比例减少,EAE症状明显减轻。另一项研究发现,当炎性细胞因子与Toll样受体结合后,miR-155在巨噬细胞、T细胞和B细胞中表达上调,提示其可能参与了炎症过程。进一步研究表明,miR-155基因敲除小鼠EAE不发病,外周血Th17细胞的比例降低,说明miR-155通过促进Th17分化影响炎症进程。
4.3 表观遗传学与神经元退行性改变有研究表明DNA甲基化参与了运动神经元凋亡。喜树碱可以诱导DNA甲基化转移酶DNMT1和DNMT3a的表达;过表达DNMT3a可以促进DNA甲基化,并诱导神经元凋亡;干扰细胞内DNMT3a表达可以抑制神经元凋亡。然而,目前还没有直接证据证实DNMT与MS患者神经元和轴突退化有关。
4.4 表观遗传学与脱髓鞘髓鞘碱性蛋白(myelinbasic protein,MBP)的瓜氨酸化在MS的病理学方面有重要作用。MBP是中枢神经系统髓鞘的主要组成部分,在翻译后经过多次修饰。肽基精氨酸脱亚胺酶2型(peptidylarginine deiminase 2,PAD2)可以使MBP瓜氨酸化,瓜氨酸化的MBP不如未修饰的MBP稳定,可能导致髓鞘降解,并诱导MBP的自身免疫反应。此外,瓜氨酸化本身也可以诱导机体产生瓜氨酸抗体,从而导致免疫损伤。一项研究比较了15例MS患者(其中13例有进展型疾病)活检的外观正常白质样本与健康对照的瓜氨酸化水平,发现患者MBP的瓜氨酸化水平和PAD2表达都出现了增加。这项研究还发现,编码PAD2基因的启动子 区 域 出 现 了 去 甲 基 化。这 些 发 现 表 明DNA甲基化调节参与了MS的脱髓鞘进程。
5 展望
表观遗传学修饰与MS发生与发展之间相关性的研究还处于起步阶段,目前研究主要集中于鉴别MS患者和健康对照之间表观遗传谱的差异。今后的实验设计应该更注重表观遗传学机制和MS临床表现或神经影像结果之间的相关性。表观遗传学谱与MS炎症激活之间的相关性研究表明,与MS病理发生密切相关的巨噬细胞激活和Th17细胞分化过程均受表观遗传学调节;此外,与进展型MS病理发生有关的MBP瓜氨酸化和中枢神经甾体合成过程也受到表观遗传学机制的调节。因此,对表观遗传学调节机制进行深入研究将不仅为MS的发生和发展提供新的理论基础,而且为MS的治疗提供新的靶点。
6 利益冲突
所有作者声明本文不涉及任何利益冲突。
