八、甲基化异常
早在1980年之前,科学家就发现甲基化在基因调控中起着重要作用,经过过去几十年的研究,现在科学家已经清楚了甲基化是怎样发生、在什么地方发生。DNA正常的甲基化是细胞正常分化、胚胎的正常发育所必需的。除调控基因外,甲基化也影响重金属排泄、调节蛋白质的功能、调节RNA的转录等。这一切对人身的正常发育和功能的正常维持不可缺少。
甲基化在机体中的主要作用:
(1)参与DNA的合成与修复。
(2)参与RNA的调节与修复,参与基因调控。
(3)参与免疫系统的调节。
(4)参与机体重金属和其他有毒物质的解毒排泄。
(5)生成谷胱甘肽(机体主要的排毒物质)。
(6)参与蛋白质甲基化修复功能调节,产生蛋氨酸。
(7)控制炎症反应。
(8)合成神经递质,如5-羟色胺、多巴胺。
(9)产生褪黑素、辅酶Q10、肉碱、肌氨酸、胆碱等。
(10)参与脑细胞的发育和功能发挥。(https://www.daowen.com)
那什么是甲基化呢?从化学上讲,甲基化就是将一个甲基加到另一个基团上,即以甲基替换一个基团上的氢原子。如下面的两个反应式:
这一反应需要咖啡酰辅酶A-O-甲基转移酶(caffeoyl-CoA-O-methyltransferase)的催化,甲基化过程常用一些亲电子的甲基如碘代甲烷(iodomethane)、硫酸二甲酯(dimethyl sulfate)、碳酸二甲酯(dimethyl carbonate)等。
DNA的甲基化通常都在CPG位置上,使胞嘧啶(cytosine)转化为5-甲基胞嘧啶(5-methylcytosine)。人类的DNA有80%～90%需要被甲基化。DNA甲基化将甲基原子团加到DNA分子上,使DNA分子表观结构发生变化从而启动或关闭其上的基因,达到调控目的。
越来越多的研究表明甲基化异常影响自闭的发生和发展,那么是什么原因造成甲基化异常呢?科学家们认为甲基化异常可能反映基因和环境的共同作用,而甲基化可能是环境影响基因的一种方式。研究已表明SH AN K 3是引发自闭症的高危基因。Jessica Wright团队的研究发现在自闭症患者SHANK 3基因存在多处变异和缺失。他们采用了54位自闭症患者和43位非自闭症患者死后的脑样本进行研究,特别检测了SHANK 3基因内的CPG区,结果发现与对照组相比自闭症患者的脑样本中有3个区的甲基化是升高的。
MT H FR在甲基化循环中是一个关键的基因,它指导编码合成甲基四氢叶酸还原酶,此酶将5,10-甲基四氢叶酸转化为5-甲基四氢叶酸(5-MTHF),这是叶酸的活性形式,只有这种形式才能进入甲基化循环。当MT HFR基因变异时,甲基叶酸还原酶合成不足,从而使体内活性叶酸含量减少,影响甲基化的正常进行。研究表明自闭症患者MT HFR基因的变异(如C677)频率比非自闭症的对照组要高,可高达98%。MT HFR基因变异是很普遍的现象,即便是“正常”人此基因变异者也有近50%。
蛋白质的甲基化通常在蛋白分子的精氨酸(arginine)或赖氨酸(lysine)的位置上。蛋白质的甲基化研究主要是利用组蛋白(histone)进行的。研究表明组蛋白甲基化后可抑制或激活基因表达,而蛋白的甲基化是转录后的一种修饰形式。
目前医学研究者们也正在研究甲基化异常与疾病的关系,如癌症、肌肉萎缩症、某些先天缺陷、自闭症等。
有关甲基化异常与自闭症的研究也正在进行中。甲基化异常和过氧化压力已被研究者们公认为是自闭症的病理生理变化。在这个方面Arkansas大学的Melnyk S团队进行了综合研究。他们应用68位自闭症儿童、40位年龄相同的非自闭症同胞和54位年龄相同的对照组作为实验对象。研究了细胞的抗氧化和甲基化途径,结果显示对照组和非自闭症同胞的这一代谢途径一致,而自闭症患儿不同。在自闭症患儿中有明显过氧化蛋白和DNA损伤,以及DNA甲基化不足(表观基因异常),而对照组和其同胞没有这些变化。这一研究结果表明自闭症患者存在抗氧化和甲基化缺陷,从而可造成细胞损伤和基因表达异常。同时也提示环境中的某些过氧化因素可能改变基因,使其对自闭症有易感倾向。
随着更多自闭症研究工作的进行,研究者们也越来越多地发现更多证据提示环境因素和表观基因(epigenetics)因素在其发病中起着重要作用。所谓表观基因变化,即某些因素对基因的影响所引起的变化使基因表达发生改变,而DNA的基本序列没有改变。比如有的重金属可使DNA上的基因失去活性,而无法表达,这时基因的基本结构没变化,若想办法将重金属除掉,基因又可能恢复活性,DNA的甲基化异常即属这类变化。
英国皇家学院精神病研究所的Chloe Wong博士的团队应用了50对同卵双生的双胞胎进行了DNA甲基化的研究,其中包括自闭症特点相似的和不相似的对照组。研究结果表明自闭症患者与对照组的甲基化模式不同,同时也表明在自闭症患者中其症状的严重程度不同,甲基化的模式也不相同。在这项研究中他们检查了27 000基因点的DNA甲基化,发现在社交障碍的自闭症患者中PIK 3C 3启动子有明显变化。与其同胞相比,自闭症患者的DNA此区域甲基化不足。这一结果也提示某些环境因素可以通过影响表观基因组产生作用,而某些CPG点的改变似乎与某些特定症状有关。他们进一步认为这些基因表观的变化是可以被逆转的,这样就给自闭症的治疗提供了可能理论依据。
为深入了解DNA甲基化在自闭症发病中的作用,美国Johns Hopkins大学基础医学研究所的Lodd-Acosta团队进行了研究。他们采用了19位自闭症患者和21位无关患者的尸检样本进行对照分析。对脑后侧叶、前叶、颞叶和小脑的485 000个CPG点进行了研究,发现在自闭症患者有4个基因组的甲基化发生异常改变。同一大学的另一个团队由Andrew Feinberg教授领导,他们对一组自闭症患者父亲的精子进行分析,发现这些自闭症患儿父亲精子DNA甲基化模式在其他无血缘关系的自闭症儿童脑神经中也同样存在。这个研究明确提示精子异常变化可以引发下一代脑神经异常变化,也提示我们如果精子的这些异常变化在施孕之前得到纠正,应当可以预防下一代脑神经的变异。