【摘要】慢性阻塞性肺疾病（COPD）是一种年龄和吸烟相关的进行性肺疾病，由于慢性支气管炎和肺气肿的影响，呈现出不可逆性气流的受限。COPD的发病率和死亡率不断增加，但是并没有有效的治疗策略。DNA甲基化是目前研究中备受关注的表观遗传学调控机制，与COPD的发生与发展密切相关。因此，针对DNA甲基化进行治疗可能存在重要的临床价值。
【关键词】慢性阻塞性肺病（COPD）；DNA甲基化；吸烟；治疗
【中图分类号】R563.9 【文献标识码】A 【文章编号】1007-8231（2017）35-0002-03
慢性阻塞性肺病（Chronic obstructive pulmonary disease，COPD）是全球第四大死因，预计到2030年将成为第三大死亡原因[1]，其特征是持续存在的气流受限，并呈进行性发展，同时伴有有害颗粒对肺器官引起的慢性炎症反应，如慢性支气管炎等。导致COPD日益成为全球性健康负担的主要原因是吸烟，此外，室内煤烟污染，职业暴露和世界人口老龄化也是重要的危险因素[2]。此外，包括表观遗传变化在内的遗传易感性可能在疾病发病和进展中起着不容忽视的作用。迄今为止，COPD无法治愈，但是对症治疗可延缓疾病进展。过去几十年，许多关于DNA甲基化的研究，有助于我们了解COPD的发生和发展。本研究就DNA甲基化发生机制及其与COPD的关系进行综述。
1.COPD
COPD是一种进行性疾病，其特征包括不可逆的气道阻塞、过度的粘液分泌、炎症、细胞外基质破坏和异常组织修复。气流阻塞通常由定量肺活量指数的降低确定，包括1秒的强制呼气量（FEV1）和FEV1与强制肺活量（FVC）的比值。据世界卫生组织（WHO）称，世界范围内有2亿多人患有COPD，发病率随年龄增长而上升。COPD发生的最重要的危险因素是吸烟，但其他吸入性有害颗粒和气体也被认为具有致病作用。吸烟是慢性阻塞性肺疾病（COPD）发病机制的主要病因。COPD的发病机制目前有氧化应激、炎症、蛋白酶/抗蛋白酶、表观遗传学、细胞凋亡和细胞衰老。
2.DNA甲基化机制及其在临床疾病中的作用研究
表观遗传学是指在外源性刺激下修饰基因组功能，并提供允许基因表达状态稳定传递给下一代的分子机制的各种过程。表观遗传学是独立于DNA序列基因表达的调节，是通过组蛋白修饰，染色质结构，微RNA，非编码RNA变化和DNA甲基化而引起的。
DNA甲基化是与基因印记、X染色体失活和细胞分化失活相关的生长发育的基础[3]。在人类中，大多数DNA甲基化是向胞嘧啶-鸟嘌呤（CpG）DNA序列中的胞嘧啶碱基添加甲基。CpG的碱基对相对高密度集中的区域称为CpG岛（CpG Island，CGI）。DNA甲基化可以降低转座子的活性，如Alu重复序列，从而有助于基因组的稳定性。DNA甲基化与基因表达之间的相互作用是复杂的。另外，CGI中的DNA甲基化通过预防转录因子结合启动子区域并影响局部染色质重塑来实现基因抑制。DNA甲基化反应的甲基供体是S-腺苷甲硫氨酸（SAM），而甲基的转移由三种活性DNA甲基转移酶催化：DNMT1，DNMT3a或DNMT3b。DNMT1通常负责在DNA复制过程中将甲基化模式从母链复制到子链，而DNMT3a/b在细胞转化过程中激活。在调控元件中包含甲基化胞嘧啶可以防止转录因子在某些情况下与DNA结合，从而限制该位点的转录。因此，通常DNA低甲基化与基因转录活性相关，而高甲基化与基因沉默相关。
已经有研究表明DNA甲基化在一些疾病如癌症和心血管疾病中起重要作用。而且，有研究表明，在这些疾病状态下，DNA甲基化与氧化应激相关[4]。当体内活性氧（ROS）量超过保护性抗氧化剂形成的防御机制则会发生氧化应激反应，导致细胞结构遭受氧化攻击。氧化反应的瞬时增加导致产生DNA碱加成物，如8-羟基-2'-脱氧鸟苷（8-OH-dG）和O6-甲基鸟嘌呤，其抑制相邻胞嘧啶残基的甲基化，最终导致DNA低甲基化。此外，通过相关酶的氧化还原调节，多氧化态细胞氧化还原状态导致基因组DNA甲基化的降低。而且，半胱氨酸残基的存在可以诱导作为敏感性氧化还原酶的SAM依赖性甲基转移酶的识别。此外，在过氧化的环境中，甲硫氨酸腺苷转移酶的活性在催化甲硫氨酸与腺苷合成SAM时的活性降低。特定CpG位点的DNA特异的甲基化状态，在慢性炎性疾病、癌症和衰老过程中发挥关键作用。同时，DNA甲基化在基因沉默等转录调控过程中起重要作用。环境和遗传因素的影响，如CS暴露，饮食，遗传变异和衰老，通过将甲基-CpG结合蛋白2和DNA甲基转移酶结合到多种启动子从而触发氧化应激从而影响启动子CpG甲基化。
3.DNA甲基化与copd
吸烟刺激炎症反应并增加肺中活性氧（ROS）的产生，其促进与COPD相关的病理生理变化并增加肺癌发展的风险。实际上，已有研究表明，吸烟与血细胞，支气管上皮细胞，肺组织和痰细胞的表观遗传变化有关[5]。DNA甲基化是分析在表观遗传关联研究（EWAS）中患有与未患COPD的吸烟者的表观遗传学异常的表观遗传标记。由于高通量平台目前可以在单核苷酸水平下定量检测基因组中超过850,000个（850K）甲基化位点。已发表的EWAS结果（涵盖27K或450K甲基化位点）表明许多基因的甲基化与吸烟有明确关联，这些基因多数与癌症相关。Zeilinger在EWAS研究中发现，吸烟和非吸烟人群在187个CpG位点的甲基化存在差异，多数表明吸烟导致甲基化水平降低[6]。但是戒烟人群的介于两者之间，由此可见甲基化变化是可逆的。DNA甲基化的可逆性与吸烟暴露的剂量和时间有关，表明DNA甲基化可用作COPD的生物标志物。近期针对韩国COPD群体研究证实了白种人中的研究结果，但也发现了血液中新的与吸烟相关的DNA甲基化变化。这些甲基化变化与吸烟强度和病史有关。
在外周血中使用DNA甲基化作为疾病风险和治疗反应的生物标志物，更有利于转化为临床实践。外周血中与吸烟有关的甲基化差异的鉴定也显示出影响COPD和肺功能发展的风险。有研究表明，14号染色体上的SERPINA1基因中CpG位点cg02181506的低甲基化与COPD相关[7]。在痰中，发现p16或GATA4基因的启动子异常甲基化与吸烟者肺功能低下和COPD增加的几率相关。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆此外，气道GATA4基因甲基化状态也可以预测COPD患者的预后状况。此外，COPD的临床表型包括慢性粘液分泌过多（CMH），有该症状的戒烟者的痰液DNA中观察到SULF2等肺癌相关基因的启动子高甲基化。
4.DNA甲基化在COPD与肺癌相关性研究中的意义
尽管已知存在健康风险，发达国家中相当一部分男性和女性有吸烟的习惯。更糟糕的是，发展中国家的吸烟率正在上升，因此，近几年吸烟相关疾病的发病率持续增加。鉴于大多数这些疾病缺乏有效的治疗方法，预计死亡率将大幅增加。在许多与吸烟相关的疾病中，包括冠状动脉疾病，外周血管疾病，膀胱癌，中风等，最常见的是慢性阻塞性肺疾病（COPD），最致命的是肺癌。已有证据表明，COPD的存在增加了肺癌的死亡率，也即这两种疾病相关联。
表观遗传改变可能通过甲基化标记和由吸烟引起的基因表达变化将COPD和肺癌联系起来。DNA超甲基化已经涉及肺癌中许多致癌基因和肿瘤抑制因子的表达的改变，特别是RAS关联结构域蛋白1（RASSF1A），O-6-甲基鸟嘌呤-DNA甲基转移酶（MGMT），细胞周期蛋白依赖性激酶抑制剂2A（CDKN2A），视网膜母细胞瘤基因1（RB1），谷胱甘肽S-转移酶（GSTP1）和转化生长因子-β受体II（TGFBRII）。其中编码肿瘤抑制因子p16（即INK4A）和ARF的CDKN2A是COPD与肺癌之间的共有甲基化标记。COPD受试者的全基因组表型遗传学研究已经完成，并确定了349个CpG位点与COPD显着相关。据报道，其中许多位点与肺癌相关。
5.DNA甲基化与COPD治疗
目前，COPD无法治愈。在许多COPD的晚期阶段，肺移植是显著改善肺功能或降低死亡率的唯一干预措施。COPD确诊后，临床治疗的目标是通过保留肺功能，改善症状和预防恶化，从而改善患者的肺功能状态和生活质量。戒烟是目前吸烟患者治疗的主要手段，此外使用吸入性皮质类固醇（IHC）与长效支气管扩张剂组合的维持治疗是现在治疗中度和重度COPD的主要手段。特别是血液中嗜酸性粒细胞计数增加的患者对高剂量的IHC/长效β2激动剂的组合反应良好。正如嗜酸粒细胞水平高的严重哮喘患者可能采用抗嗜酸性粒细胞疗法有更好的疗效，包括阻断抗IL-5，IL-13和IL-33的抗体，COPD患者也可以采用免疫疗法进行治疗。对于具有增强的嗜中性粒细胞计数的患者，则更多受益于用大环内酯类抗生素治疗，其经典的抗微生物作用也可能是由于其抗炎或免疫调节作用。此外，还建议对COPD患者进行其他类型的保健，包括对营养和运动方案的健康教育[8]。在非常严重的COPD中，主要需要长期服用氧气（>15小时/天）。COPD可以呈现不同的表型，最可能由各种分子内切型引起。因此，为了进一步改善COPD的治疗，迫切需要采用更个性化治疗方法的新策略。通过表观遗传学研究发现新的治疗靶点可能产生这种方法。COPD中基因的失调表达如FAM13A，CHRNA 3/5，IRES2和HHIP通过基于人群的GWAS发现，其代表COPD治疗的潜在目标基因。到目前为止，改变COPD病理学的机制大多是未知的，并且没有一个确定的基因是COPD治疗方法的特异性靶向。
6.展望
DNA甲基化可作为新的COPD等慢性疾病的表观遗传生物标志，为疾病的机理研究，诊断以及后期的治疗提供有力的支持。然而，迄今为止，针对DNA甲基化的研究相对较少，DNA甲基化影响COPD的具体机理尚不明确，不同的DNA甲基化位点稳定性差异较大，针对不同组织或细胞，DNA甲基化存在差异性。同时，DNA甲基化检测的方法种类繁多，如甲基化特异性PCR，重亚硫酸盐测序法，荧光定量法等，都有各自的优势，但是也均存在不足，很难运用到临床检验中去。因此，需要继续对DNA甲基化与COPD的关系深入研究，以解释COPD的发病机制，使DNA甲基化成为COPD诊断和治疗的有效方法。
【参考文献】
[1]WHO.World health statistics 2008.2008.Available from:http://www.who.int/whosis/whostat/EN_WHS08_Full.pdf[cited 11 September2012].
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[6] Zeilinger,S.,Kühnel,B.,Klopp,N.,Baurecht,H.,Kleinschmidt,A.,Gieger,C.,et al.Tobacco smoking leads to extensive genome-wide changes in DNA methylation.PloS One.2013;8,e63812.
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[8]陈俊东，潘伟，方长庚.营养疗法对COPD急性加重期治疗作用的临床研究.海南医学，2006;17(2):34-35.
论文作者:郭丽琼,黄新伟,孔祥阳（通讯作者）
论文发表刊物:《心理医生》2017年35期
论文发表时间:2018/1/19
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