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1、1神经元细胞甲基化与阿尔茨海默病【关键词】 神经元；甲基化；阿尔茨海默病【关键词】 神经元；甲基化；阿尔茨海默病0 引言染色体结构的松开和凝聚可调控启动子结合目的基因，而表遗传学修饰通过影响染色体结构的稳定性可对基因表达进行调控. 组蛋白修饰和 DNA 甲基化修饰均可引起染色体结构改变，因此在基因沉默中的作用很重要. 神经元细胞的基因表达和功能均受甲基化的调节. 基因启动子 CpG 岛的甲基化情况可影响蛋白表达，继而影响神经元的分化功能. 某些蛋白质通过影响 DNA 甲基化情况，也在神经元细胞分化中有作用. 组蛋白的甲基化修饰可直接影响神经元细胞基因转录，从而影响其分化.神经元细胞 DNA 和
2、蛋白质的甲基化与多种神经退行性病变有关. 阿尔茨海默病（Alzheimers disease，AD）是一种神经退行性疾病，是老年人的常见病、多发病，严重危害老年人的身心健康. A 淀粉样沉积和 tau 蛋白引起的神经元纤维缠结是 AD 典型的病理表现. 而 A 淀粉样蛋白的形成和 tau 蛋白的磷酸化均与神经元细胞2DNA 甲基化相关 .1DNA 甲基化与神经元的关系DNA 胞嘧啶甲基化（CpG）是一种表遗传学修饰. DNA 甲基化引起的基因沉默一般有两个机制：甲基化 CpG 区可抑制转录因子与特定靶基因结合，引起转录抑制；甲基化 CpG 结合蛋白（MBD）结合甲基化 CpG，吸引 HDAC
3、抑制复合物最终引起基因表达抑制. 最近研究证明 DNA 甲基化在中枢神经系统作用显著 . 在大脑发育过程中，DNA 甲基化在调控神经干细胞增殖，继而分化为神经元和胶质细胞中有重要作用. 神经元分化包括了细胞骨架（肌动蛋白和微管蛋白）的重排. 在神经元分化过程中，编码离子通道、神经递质和神经递质受体的基因表达上调. 此时，DNA 甲基化的整体水平降低. DNA 的去甲基化对解除基因抑制有重要作用. 用去甲基化物质处理未分化神经元细胞，会引导其向胆碱能和肾上腺素能神经元分化1.神经元的功能和 DNA 甲基化的联系密切（表 1）. BDNF 可影响神经可塑性，从而影响学习和记忆功能. BDNF 基因
4、调控区CpG 甲基化降低后，BDNF 在神经元内合成增多. MeCP2 结合甲基化的 BDNF 启动子后使基因表达沉默2 . 慢性乙醇处理后神经元细胞 NR2B 的 CpG 岛发生去甲基化，导致 NR2B 基因表达上调. 3NR2B 基因的甲基化与年龄相关 . 随着年龄增大，甲基化程度降低3. rsynuclein 在 AD 患者脑中表达较高4. Synuclein 的甲基化情况对于维持脑的正常功能非常重要，如果打破这种平衡，则可能引起某些神经退行性疾病. BRINP 包括 BMP/RA1, 2, 3. BRINP1 在哺乳动物神经系统不同部位广泛而高度表达 . BRINP 参与神经细胞分裂后
5、期细胞周期的抑制. 神经元细胞 BRINP1 的 CpG 岛存在高度甲基化状态5.表 1 神经元细胞启动子发生甲基化导致基因表达沉默的基因（略）神经元内的某些蛋白可通过影响 DNA 的甲基化而影响神经元细胞的分化（表 2） . 大脑和其他组织的 DNA 甲基化是由 DNA甲基转移酶（DNMT）介导的，在神经元有丝分裂后期，细胞内富含 DNA 甲基酶 DNMT1. DNMT1, 3a, 3b 在嗅觉神经元发育的不同阶段的表达不同6. 给神经元细胞培养基中加入蛋氨酸（甲基供体） ，Dnmt1 对 reelin 和 GAD67 基因的甲基化修饰作用增强7. Dnmt1 基因敲除小鼠，神经元干细胞分化
6、功能障碍，出生后容易死亡. 甲基化结合蛋白 2（MeCP2）是一种广泛表达的转录抑制因子，在有丝分裂后期的神经元中表达丰富，在调节基因转录过程中起重要作用. MeCP2 突变会引起 Rett 综合征8. 甲基结合蛋白（MBD）在神经系统发生上也起作用. 敲除 MBD1 的小鼠神经4系统发育缓慢，空间记忆缺陷和海马的齿状回长时程增强减弱9.表 2 神经元细胞内参与 DNA 甲基化过程的基因（略）2 组蛋白甲基化与神经元的关系组蛋白是组装染色体的亚单位核小体的组成部分. H3H4 四聚体和两个 H2AH2B 组成的八聚体复合物，被 146 个 DNA 碱基对环绕两圈. 组蛋白的转录后修饰可影响基因
7、表达，包括乙酰化、甲基化、磷酸化、泛素化和 ADP 核糖基化 . 这些修饰通常发生在组蛋白氨基酸末端，影响基因转录、翻译和细胞调控. 组蛋白氨基酸末端修饰的方式和数量不同可产生不同的表遗传学信息. 而组蛋白甲基化与神经元功能密切相关. 组蛋白甲基化引起的转录抑制在亨廷顿氏舞蹈病（HD ）的致病机制上起重要作用. HD 患者 H3L9 甲基化升高，Mithramycin 可以治疗 HD 的机制是通过抑制 H3 的甲基化来起作用的. 组蛋白甲基化随着神经元的分化是呈动态分布的，它们与神经元细胞分化和有丝分裂有关10. G9a 是组蛋白H3K9 的甲基转移酶，对胚胎发育很重要. GLP 是和 G9a
8、 相互作用的转移酶. Makoto Tachibana11 研究了 GLP 对 H3K9 甲基化的作用. 敲除 GLP 的胚胎， H3K9 去甲基化严重下降，可引起致死性胚胎. Makoto Tachibana 的研究揭示了 G9a 和 GLP 共同发挥5H3K9 甲基转移酶的功能，对神经元的分化起调控作用（表 2）.3 甲基化和 ADAD 患者表现为短期记忆严重受损，发病率很低. 它的组织病理学改变表现为淀粉样蛋白 A 聚集而形成的斑块，和 tau 蛋白聚集形成的神经纤维缠绕. 引起 AD 发病的危险因素包括高热量的摄入，同型半胱氨酸（HCY）水平升高12和中年期智力和体力活动减少. 而在
9、AD 的致病过程中，甲基循环功能发生障碍，与甲基循环密切相关的叶酸盐和 HCY 起了重要的作用.3.1SAM/HCY 循环 SAM/HCY 循环是体内的甲基循环途径，SAM 是 DNA 甲基化的主要供甲基来源. DNA 胞嘧啶甲基化是在甲基转移酶的催化下由 S 腺苷蛋氨酸(SAM)提供甲基 . 在转移甲基过程中 SAM 脱甲基变成 S 腺苷同型半胱氨酸（SAH） ，SAH 可被水解成 HCY. 在 VitB12 催化下 5 甲基甲氢叶酸盐(5MeTHF) 把甲基递给 HCY 使其变成蛋氨酸. 蛋氨酸和 ATP 反应生成 SAM，整个甲基循环就完成. 正常蛋氨酸饮食不能满足甲基化反应的需求，因此
10、有一部分甲基是由叶酸盐合成. 而叶酸盐只能由食物中获得，如绿色植物，柑橘，动物肝脏和谷物等等. 食物中叶酸盐的形式主要为5MeTHF，要使细胞外 5MeTHF 转变为可被细胞利用的叶酸盐形式四氢叶酸酯（THF）这个过程需要 VitB12，因此 VitB12 和叶酸盐6是 SAM/HCY 循环正常运行必不可少的. 神经元细胞和胶质细胞都表达叶酸盐载体，因此低叶酸盐是 AD 发病的重要致病因素之一.32 叶酸盐，HCY 与 AD 饮食中叶酸盐和 VitB12 水平降低，可导致 SAM/HCY 甲基化代谢循环发生障碍，SAM 降低. 在正常状态下 HCY 维持低水平，叶酸盐缺乏时 HCY 不能获得甲
11、基变成胱硫醚，HCY 水平升高，因此聚集在神经元细胞内，对细胞造成损伤. SAM 是甲基化循环中的主要甲基供体 . 如果叶酸盐水平降低，SAM降低引起 DNA 甲基化程度降低，引起基因转录水平升高. 早老素基因(PS1)表达过多 PS1 时，会引起 A 蛋白局部产生增多，形成 AD老年斑的典型病理变化. 而 PS1 的表达受其启动子甲基化情况的影响. 甲基循环功能障碍将引起 PS1 启动子低甲基化，表达过多的PS1，最终引起 A 蛋白聚集. Tau 蛋白高度磷酸化是 AD 发展的中心事件. 正常情况下，蛋白磷酸酶 2A（PP2A ）三连体的形成使Tau 蛋白有效的脱去磷酸基. PP2A 的组装
12、需要 SAM 甲基化过程. SAM/HCY 甲基循环发生障碍，HCY 升高，可抑制 PP2A 蛋白的甲基化，PP2A 的活性降低， tau 蛋白高度磷酸化，引起神经衰退和痴呆. PP2A 甲基化系统将血浆 HCY 水平与 AD 发病联系起来. 因此HCY 可通过 PP2A 的作用促进 AD 的发病进程. HCY 代谢障碍，在细胞内堆积会对细胞产生极大损害. HCY 升高后，加上随着年龄的增加，过氧化物损伤增多， DNA 损伤增加，激活肿瘤抑制蛋白7P53，最终引起神经元细胞发生凋亡12.叶酸盐缺乏和 HCY 水平升高都对神经系统的发育有负面作用，最终引起与年龄相关的神经衰退性疾病. 叶酸盐通过
13、影响 SAM 和HCY 水平参与 AD 发病 . HCY 在 AD 患者血浆中升高. HCY 是甲基循环重要的中间产物，流行病学研究发现血浆 HCY 水平升高是 AD的危险因素. HCY 升高和叶酸盐缺乏都会损伤和杀死神经元细胞，同时神经元细胞对毒素，氧化物和代谢物的损害敏感性增强12. 因此即使 HCY 水平中度升高，也会增加神经系统发生年龄相关神经衰退性疾病的机率.4 展望DNA 甲基化最初是在研究肿瘤的过程中发现的，在神经系统的研究近几年逐渐增加. 神经元细胞 DNA 甲基化和蛋白质甲基化在神经系统的分化和发育中作用很大. 在研究神经系统发育紊乱性疾病时，发现多种疾病与 DNA 或蛋白质
14、的甲基化状态相关，AD 就是其中一种. 而由于这方面研究开始不久，许多问题还有待解决. 例如AD 的发病与低叶酸盐和低 VitB12 水平有密切关系，但至今补充叶酸盐和 VitB12 治疗 AD 的结果仍令人失望. 这是否和其他与 AD 相联系的遗传和环境营养因素的干扰及低叶酸盐和 VitB12 水平造成损害的不可逆有关？这些问题期待着更多的研究者们加入到这个研究领域中来.8【参考文献】1 Costello JF. DNA methylation in brain development and gliomagenesisJ. Front Biosci, 2003,8:175-184.2 Wa
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16、na N, Buchman VL, et al. Protein aggregation in retinal cells and approaches to cell protectionJ. Cell Mol Neurobiol, 2005,25(6):1051-1066.5 Nakatani T, Ueno S, Mori N, et al. Role of NRSF/REST in the molecular mechanisms regulating neuralspecific expression of trkC/neurotrophin3 receptor 9geneJ. Brain Res Mol Brain Res, 2005,135(12):249-259.6 Macdonald JL, Gin CS, Roskams AJ. Stagespecif
