阿爾茲海默病的表觀遺傳學(xué)機制及相關(guān)藥物研究
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1、阿爾茲海默病的表觀遺傳學(xué)機制及相關(guān)藥物研究 隨著人口的老齡化,認知障礙疾病如阿爾茲海默?。ˋlzheimer’sdisease,AD),已成為危害社會人群健康的重大疾病之一。盡管AD發(fā)病的具體機制仍不十分明確,但P淀粉樣蛋白及Tau蛋白異常修飾等在病理過程中的關(guān)鍵作用,已被廣泛公認。由于對AD病理靶點的研究還不夠深入,目前尚缺乏有效治療藥物,因此,尋找更準確有效的治療靶點和相關(guān)藥物,成為AD治療研究重中之重。 表觀遺傳學(xué)(epigenetics)是與遺傳學(xué)(genetic)相對應(yīng)的概念,是對經(jīng)典遺傳學(xué)的有益補充;其認為在不改變基因序列的條件下,生物體從基因到基因表型之間存在一種
2、調(diào)控,這種機制即“表觀遺傳學(xué)”的含義。盡管已被提出70余年,但直到近10余年,隨著科學(xué)家們對這種“獲得性遺傳”的進一步認識,才成為生命科學(xué)界最熱門的研究之一。因此,研究者們轉(zhuǎn)換思維,從表觀遺傳學(xué)角度對AD發(fā)病及治療進行了研究,發(fā)現(xiàn)了一系列表觀修飾的關(guān)鍵酶類,以及對這些酶類發(fā)揮影響的藥物,從而為AD藥物研發(fā)提供了新的思路和研究方向。本文擬就AD的表觀遺傳學(xué)治療研究綜述如下。 1阿爾茨海默?。ˋD)概況 阿爾茨海默?。ˋD)是一種以進行性認知障礙和記憶力損害為主的中樞神經(jīng)系統(tǒng)退行性疾病。它是最常見的癡呆類型,西方國家[中50%?70%的癡呆屬于AD。其病因及發(fā)病機制復(fù)雜,涵蓋了
3、遺傳和環(huán)境的危險因素,涉及成千上萬個基因表達的改變,以及多種信號途徑的上調(diào),如P淀粉樣肽W-amyloidpeptide,Ap)的沉積、Tau蛋白過度磷酸化、炎癥、氧化應(yīng)激、能量代謝、血管因素及細胞凋亡周期異常等。ad的典型病理改變包括突觸喪失、某些神經(jīng)遞質(zhì)水平下降、神經(jīng)元內(nèi)異常物質(zhì)沉積以及選擇性腦神經(jīng)細胞死亡,使大腦受累區(qū)域廣泛萎縮,導(dǎo)致記憶力喪失伴行為改變和人格異常,嚴重者可影響工作及社會生活。受累區(qū)域常會出現(xiàn)A沉積、老年斑(senileplaques,SP)、神經(jīng)原纖維纏結(jié)(neurofibrillarytangles,NFT)及Tau蛋白過度磷酸化等。疾病逐漸進展惡化,甚至累及生命。遺
4、憾的是目前尚缺乏延緩或阻礙疾病進展的治療手段。 在AD中,涉及神經(jīng)元退行性改變的基因達200余個,越來越多的研究數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)在沒有基因序列改變的情況下,某些機制也可以決定致病基因何時或怎樣表達,最終導(dǎo)致AD發(fā)病。因此,AD基因組并不能完全解釋發(fā)病機制[14]。已知編碼APP、PSEN1和PSEN2的基因僅可導(dǎo)致家族性早發(fā)型AD(early-onsetAD,EOAD);而大多數(shù)(約95%)AD均為晚發(fā)型AD(late-onsetAD,LOAD)或散發(fā)型。因此可以推斷,表觀遺傳現(xiàn)象或環(huán)境因素參與了LOAD的致病。這就部分解釋了為什么同一家族中有的家庭成員發(fā)病而另一些不發(fā)??;而且,在年輕的同卵
5、雙胞胎中基因組無實質(zhì)上的差異,而在同一老年雙胞胎中其基因表觀遺傳學(xué)上存在顯著差異。 大量研究數(shù)據(jù)證實,基因-環(huán)境相互作用在AD的病理生理過程中發(fā)揮了關(guān)鍵作用營養(yǎng)物質(zhì)、毒素、環(huán)境暴露及人的生活行為,都可以在不改變基因組序列的條件下使基因激活或沉默。目前已知的可調(diào)控基因轉(zhuǎn)錄和表達的表觀遺傳學(xué)機制主要分兩大類:①基因選擇性轉(zhuǎn)錄的調(diào)控:包括基因組DNA甲基化,多種組蛋白甲基化及乙?;刃揎?;②基因轉(zhuǎn)錄后的調(diào)控:包括微小RNA(microRNA,miRNA)和小干擾RNA(smallinterferingRNA,siRNA)等非編碼RNA的調(diào)節(jié),以及沉默的核糖體RNA(ribosomalRNA
6、,rRNA)基因。除此之外,染色體重塑、基因印記、X染色體失活也屬于表觀遺傳學(xué)范疇。 2表觀遺傳學(xué) 表觀遺傳學(xué)的涵義即在DNA序列不發(fā)生改變的情況下,基因的表達與功能發(fā)生改變,并產(chǎn)生可遺傳的表型。基本機制即:通過多種基因修飾,影響基因轉(zhuǎn)錄和(或)表達,從而參與調(diào)控機體的生長、發(fā)育、衰老及病理過程。至此,表觀遺傳學(xué)的發(fā)現(xiàn)極大豐富了傳統(tǒng)遺傳學(xué)的內(nèi)容,使人們認識到遺傳信息可以有兩種形式:即DNA序列編碼的“遺傳密碼”和表觀遺傳學(xué)信息。它和DNA序列改變不同的是,許多表觀遺傳的基因轉(zhuǎn)錄和表達是可逆的,這就為許多疾病的治療開創(chuàng)了樂觀的前景。 2.1組蛋白修飾 組蛋
7、白在DNA組裝中發(fā)揮了關(guān)鍵作用,利用核心組蛋白的共價修飾傳遞表觀遺傳學(xué)信息。這些修飾主要包括組蛋白甲基化、乙酰化、磷酸化、泛素化、ADP-核糖基化及特定氨基酸殘基N-末端的SUMO化;其中組蛋白氨基末端上的賴氨酸、精氨酸殘基是修飾的主要靶點,這些組蛋白翻譯后修飾(post-translationalmodifications,PTMs)對基因特異性表達的調(diào)控,是其表觀遺傳學(xué)的重要標志。正常機體內(nèi),組蛋白修飾保持著可逆的動態(tài)平衡。一般而言,組蛋白乙?;窃诮M蛋白乙酰轉(zhuǎn)移酶(histoneacetyl-transferase,HATs)的催化下,從乙酰輔酶A上轉(zhuǎn)移乙?;浇M蛋白N-末端的賴氨酸殘基
8、上;由于乙?;泻土私M蛋白的正電荷,使組蛋白末端和相關(guān)DNA帶負電荷磷酸基團之間的作用減弱,降低了組蛋白和DNA之間的親和力,這種染色質(zhì)構(gòu)象的放寬有助于轉(zhuǎn)錄因子向靶基因片段聚集并利于轉(zhuǎn)錄的進行。而去乙酰化則是組蛋白去乙?;福╤istonedeacetylases,HDACs)將乙酰基從乙?;M蛋白轉(zhuǎn)移到乙酰輔酶A上,形成了致密的染色質(zhì)狀態(tài),從而使基因轉(zhuǎn)錄下降或沉默。 2.2DNA甲基化 DNA甲基化較組蛋白修飾更進一步,是表觀遺傳學(xué)的又一重要機制。DNA甲基化主要是在DNA甲基轉(zhuǎn)移酶(DNAmethyltransferase,DNMTs,包括DNMT1、2、3a/b和4)
9、催化下,將同型半胱氨酸(homocysteine,Hcy)-甲硫氨酸循環(huán)中S-腺苷甲硫氨酸(SAM)中的甲基,由四氫葉酸轉(zhuǎn)移到胞嘧啶的第5位上形成5-甲基胞嘧啶(5-methylcytosine,5-mC)。其中,相鄰的胞嘧啶-鳥嘌呤二核苷酸(CpGs)是最主要的甲基化位點。在人類基因組中,CpG以兩種形式存在:一種分散存在于DNA中,其CpG70%?90%的位點是甲基化的;另一種CpG呈密集分布于一定區(qū)域,稱之為“CpG島”(CpGislands),通常位于或接近基因啟動子區(qū)(promoterregions),在正常人體基因組中處于非甲基化狀態(tài)。CpG島中的胞嘧啶甲基化可以阻礙轉(zhuǎn)錄因子的結(jié)合
10、,從而可致基因沉默。一般而言,高度甲基化的基因可致表達抑制,而低甲基化的基因可增強基因表達或過表達。 2.3非編碼RNA 表觀遺傳學(xué)調(diào)控機制涉及RNA的主要包括:miRNA、siRNA以及維持細胞周期的沉默rRNA基因的一部分。 miRNA是較短的雙鏈RNA分子,約有22個核苷酸,來源于機體自身基因即細胞核及細胞質(zhì)中較大的RNA前體,有自己的啟動子和調(diào)控元件。人類基因組中有約700?800個miRNA。這些小分子RNA在轉(zhuǎn)錄后通過綁定靶mRNA,從而抑制轉(zhuǎn)錄或誘導(dǎo)mRNA分裂降解。大多數(shù)miRNA具有高度保守性和組織特異性,可以調(diào)控機體中30%?50%的蛋白質(zhì)編碼
11、基因。siRNA長短與miRNA相似,作用方式也有很多相同之處,區(qū)別在于siRNA可以體外合成,多由外源性導(dǎo)入或感染誘導(dǎo)產(chǎn)生。 重復(fù)rRNA基因的復(fù)制為真核生物核糖體提供了初始活性位點,在基因表達中是蛋白質(zhì)合成的熱點區(qū)。不同細胞類型可表現(xiàn)不同的活性rRNA比率,提示隨著細胞發(fā)育分化,rRNA基因拷貝數(shù)比例會發(fā)生改變。沉默rRNA的表觀遺傳學(xué)方式在這個過程中發(fā)揮了重要作用,使活性和非活性rRNAs保持了動態(tài)平衡。 2.4染色質(zhì)重塑、基因印記和X染色體失活 染色質(zhì)重塑(chromatinremodeling)指基因復(fù)制、轉(zhuǎn)錄和重組等過程中,核小體位置和結(jié)構(gòu)及其中的組蛋
12、白發(fā)生變化,引起染色質(zhì)改變的過程;主要機制即致密的染色質(zhì)發(fā)生解壓縮,暴露基因轉(zhuǎn)錄啟動子區(qū)中的特定結(jié)合位點,使轉(zhuǎn)錄因子(transcriptionfactor,TF)更易與之結(jié)合?;蛴∮?geneticimprinting)指來自親本的等位基因在發(fā)育過程中產(chǎn)生特異性的加工修飾,導(dǎo)致子代體細胞中兩個親本來源的等位基因有不同的表達方式,即一個等位基因有表達活性,另一等位基因沉默。X染色體失活指雌性哺乳動物細胞中兩條X染色體的其中之一失去活性的現(xiàn)象,即X染色體被包裝成異染色質(zhì),進而因功能受抑制而沉默化,使雌性不會因為擁有兩個X染色體而產(chǎn)生兩倍的基因產(chǎn)物。 3AD的表觀遺傳學(xué)3.1組蛋白修飾
13、 研究顯示,在AD中存在組蛋白的PTMs。組蛋白3(histone3,H3)磷酸化作為激活有絲分裂的關(guān)鍵步驟,可使AD海馬神經(jīng)元呈過磷酸化狀態(tài)。對APP/PS1突變小鼠和野生型小鼠進行條件恐懼訓(xùn)練,結(jié)果顯示前者乙?;疕4較野生小鼠組降低50%;之后對突變組進行HDAC抑制劑(histonedeacetylasesinhibitors,HDACIs)曲古抑菌素A的治療,顯示前者乙?;疕4水平出現(xiàn)了上升。在一項皮層神經(jīng)元培養(yǎng)模型研究中,APP過度表達則可導(dǎo)致H3和H4乙?;档?,以及c-AMP反應(yīng)元件結(jié)合蛋白(cAMP-responseelementbindingprotein,CREB
14、)水平下降;而CREB則是腦神經(jīng)元中激活記憶相關(guān)基因,形成長期記憶的關(guān)鍵蛋白??傊M管在AD患者、AD動物模型及AD培養(yǎng)模型中,都出現(xiàn)了組蛋白修飾,但這個過程是極其復(fù)雜的,特異性位點會因功能狀態(tài)不同而出現(xiàn)組蛋白乙?;黾踊驕p少。 3.2DNA甲基化 3.2.1相關(guān)基因的甲基化研究顯示,盡管很難判 斷AD中甲基化程度是升高還是下降,但12個甲基化的AD特異性基因表現(xiàn)出了顯著的“表觀偏移”;同時研究還發(fā)現(xiàn),在DNMT1啟動子內(nèi)一些CpG位點也表現(xiàn)出年齡相關(guān)的表觀偏移。研究還發(fā)現(xiàn),葉酸、甲硫氨酸及Hcy代謝與DNA甲基化機制顯著關(guān)聯(lián)。例如,人類及動物模型葉酸缺乏將導(dǎo)致
15、基因組整體低甲基化,而補充葉酸則可部分逆轉(zhuǎn)甲基化程度。Smith等研究發(fā)現(xiàn),衰老及AD人群中都出現(xiàn)了葉酸缺乏和甲硫氨酸-Hcy周期的改變。另一研究發(fā)現(xiàn)AD患者腦脊液(cerebro-spinalfluid,CSF)中葉酸顯著下降,同樣下降的還有CSF及腦組織中SAM。同時還觀察到AD患者腦組織中S-腺苷同型半胱氨酸(SAH)及血漿中Hcy的升高,后者可抑制DNA甲基化。 目前已知的AD相關(guān)基因主要包括:p淀粉樣蛋白前體(APP)基因、早老素1(PS1)和早老素2(PS2)基因、載脂蛋白E(ApoE)基因、p-分泌酶(BACE)基因、sortilin相關(guān)受體基因(sortilin-re
16、latedreceptor1gene,SORL1)以及白介素1a(IL-1a)和白介素6(IL-6)基因等。其中,APP基因、BACE基因或PS1基因均存在可調(diào)控的CpG甲基化位點。有研究顯示,一例AD尸檢的大腦皮層中APP基因發(fā)生了完全去甲基化,而正常樣本或匹克氏病(Pick’sdisease)患者樣本則沒有這種變化。實驗發(fā)現(xiàn),葉酸缺乏所致的BACE和PS1基因表達增強,可通過補充SAM而恢復(fù)正常。同樣,體內(nèi)實驗發(fā)現(xiàn),給予APP過度表達的轉(zhuǎn)基因小鼠缺乏葉酸、B12及B6的飲食,可以使SAH升高并上調(diào)PS1和BACE的表達,以及促進A的沉積和出現(xiàn)認知障礙。在LOAD尸檢標本中,研究者發(fā)現(xiàn)了著名
17、的“年齡依賴的表觀遺傳學(xué)漂移”(age-dependentepigeneticdrift);對CpG島異常的表觀遺傳學(xué)控制,可能促成了LOAD的病理變化,因此,“表觀遺傳學(xué)漂移”可能是LOAD個體易感的重要機制。 3.2.2Tau蛋白相關(guān)的甲基化Tau蛋白是一種微管結(jié)合蛋白(microtubulebindingprotein,MAP),它能與神經(jīng)軸突內(nèi)的微管結(jié)合,具有誘導(dǎo)與促進微管形成,防止微管解聚、維持微管功能穩(wěn)定的功能。對記憶和正常大腦功能起重要作用。然而,在AD中,Tau蛋白不僅不再發(fā)揮正常功能,還會因異常磷酸化或糖基化等改變了Tau蛋白的構(gòu)象,使神經(jīng)元微管結(jié)構(gòu)廣泛破壞,形成以
18、Tau蛋白為核心的NFT,最終導(dǎo)致神經(jīng)元功能受損或神經(jīng)元丟失。 人體在正常條件下,Tau蛋白啟動子的AP2結(jié)合位點是非甲基化的,但SP1和GCF結(jié)合位點則被甲基化。而隨著年齡的增加,SP1作為一種轉(zhuǎn)錄激活位點甲基化程度升高,GCF作為啟動子抑制位點則逐漸去甲基化,因此總體而言Tau蛋白的基因表達是下調(diào)的。尤其在額葉及海馬區(qū)域,正常Tau蛋白也出現(xiàn)了年齡相關(guān)的下降。蛋白磷酸酶2A(PP2A)是一種針對磷酸化Tau蛋白的去磷酸化酶,PP2A催化亞基的甲基化可以激活該酶。研究顯示,在APP及PS1基因突變的轉(zhuǎn)基因小鼠中,PP2A的甲基化程度顯著下降,結(jié)果顯示Tau蛋白磷酸化增高。對培養(yǎng)的神
19、經(jīng)元添加葉酸拮抗劑甲氨蝶呤,也可導(dǎo)致PP2A去甲基化,從而增加Tau蛋白的磷酸化程度。另外,還有研究顯示,Hcy可以使PP2A的甲基化程度及活性下降,而添加葉酸和B12則可以逆轉(zhuǎn)這個過程??傊?,Tau蛋白的磷酸化和脫磷酸化間平衡是維持微管穩(wěn)定性的關(guān)鍵因素;而其中磷酸化相關(guān)酶類的甲基化程度,成為影響Tau蛋白磷酸化的重要因素。 3.2.3異常的細胞周期和神經(jīng)元凋亡研究證實,細胞周期異常和神經(jīng)元凋亡是AD神經(jīng)退行性變的常見機制。AD神經(jīng)元中細胞周期及凋亡途徑關(guān)鍵因子受DNA甲基化影響并發(fā)生上調(diào)。包括細胞周期素B2基因、caspase-1基因、caspase-3基因等。這些相關(guān)基因的低甲基
20、化使細胞進入異常細胞周期。同樣,高Hcy可使培養(yǎng)神經(jīng)元凋亡,也間接證實了低甲基化導(dǎo)致異常細胞周期;而使用SAM還可起到拮抗細胞凋亡的效果。 3.3A與miRNA 研究發(fā)現(xiàn),miRNA可以調(diào)節(jié)APP的表達、APP處理、A聚積以及BACE1的表達,從而導(dǎo)致A毒性改變或影響神經(jīng)再生。因而,miRNA失調(diào)可使APP表達及處理過程發(fā)生改變,最終引起神經(jīng)元存活率和神經(jīng)再生程度的改變。針對全球AD人群和正常老年人群的對比研究發(fā)現(xiàn),特異性miRNA水平存在顯著差異。研究顯示,在AD中APP相關(guān)miRNA顯著下降,而APPmRNA水平則保持平穩(wěn),提示miRNA影響APP表達是通過抑制轉(zhuǎn)錄而不
21、是促進APPmRNA的裂解;同時,在AD皮層中miRNA-106b出現(xiàn)顯著下降。具體機制還有待進一步研究。 3.4AD與一碳代謝 葉酸代謝又稱為一碳代謝,需要SAM提供甲基。諸多研究表明,AD患者常存在血漿及CSF中Hcy升高(兩者濃度升高常呈正相關(guān)),血漿葉酸和B12水平下降,以及腦組織中SAM減少。早期暴露于缺乏葉酸及B族維生素飲食的動物,其AD相關(guān)基因在腦組織中發(fā)生了表觀遺傳學(xué)修飾。SAM作為甲基化過程最重要的甲基來源,其產(chǎn)生及循環(huán)依賴于甲硫氨酸循環(huán)的正常進行[11]。研究顯示,AD患者CSF中SAM出現(xiàn)顯著下降,口服SAM(1200mg,qd)4?8個月,可以使CS
22、F中SAM濃度升高。同時,維生素B12缺乏可使SAM產(chǎn)生減少,從而影響甲基化。前瞻性隊列研究表明,高Hcy與AD高風險顯著相關(guān),而較高的葉酸攝入量可以降低老年人的AD風險。葉酸缺乏導(dǎo)致的SAM缺乏以及Hcy升高,使甲基化水平下降;并且,Hcy影響SAM和SAH水平,后兩者可調(diào)節(jié)DNA甲基化活性以及蛋白翻譯后修飾。另外,研究還發(fā)現(xiàn)Hcy可通過抑制甲基化,降低PP2A甲基化程度,從而導(dǎo)致Tau蛋白過磷酸化、NFT及SP形成。因此,最關(guān)鍵機制即:葉酸/同型半胱氨酸代謝異常導(dǎo)致AD相關(guān)基因啟動子的表觀遺傳修飾(CpG區(qū)域甲基化狀態(tài)的改變),使基因沉默(高甲基化)或過度表達(低甲基化),最終發(fā)生AD。
23、 4表觀遺傳學(xué)在AD診療中的應(yīng)用研究 近年來,隨著表觀遺傳學(xué)在AD研究中的不斷進步,研究者已逐漸將其應(yīng)用于AD的診斷及治療中,盡管多數(shù)還處于臨床前試驗階段,但表觀遺傳學(xué)應(yīng)用于AD臨床的前景是樂觀并值得期待的。 4.1表觀遺傳學(xué)診斷手段 利用亞硫酸氫鈉進行甲基化測序是檢測DNA甲基化的金標準。該方法利用鹽析法從血液中提取基因組DNA,經(jīng)過亞硫酸氫鹽處理后,變性DNA中胞嘧啶轉(zhuǎn)換為尿嘧啶,而5-mC則不發(fā)生轉(zhuǎn)換,因此在經(jīng)過PCR擴增和DNA測序后,胸腺嘧啶則代表非甲基化胞嘧啶,而5-mC(主要為CpG二核苷酸)仍為胞嘧啶。繼而由該方法延伸出多個DNA甲基化分析
24、法,例如:甲基化特異性PCR(methylationspecificPCR,MSP)、結(jié)合亞硫酸氫鹽限制性分析(combinedbisulfiterestrictionanalysis,COBRA)以及甲基敏感性單核苷酸引物(methylation-sensitivesinglenucleotideprimerextension,MS-SNuPE)等。然而,由于目前對AD相關(guān)基因甲基化的研究還不完善,只能在臨床前研究中應(yīng)用甲基化測序,用于對比分析AD中基因甲基化的真實狀態(tài)。 實時基因成像(real-timegeneticimaging)技術(shù)是另一種判斷基因表觀遺傳修飾的手段;該技術(shù)避
25、免了尸檢或動物研究,是一種新型的非侵入性的可視化基因調(diào)控檢測。磁共振波譜(MRspectroscopy,MRS)即是這樣一種特殊的磁共振成像,該技術(shù)可掃描到特定的蛋白,將來可使我們能夠?qū)崿F(xiàn)對基因表達變化的可視化實時檢測,理論上而言可以追蹤到DNA甲基化或組蛋白修飾的責任蛋白;因此,在一定程度上,將為AD的表觀遺傳學(xué)診斷和治療提供新的手段[39]。 此外,另有研究發(fā)現(xiàn),脂肪酸酰胺水解酶(fattyacidamidehydrolase,FAAH)參與了AD的發(fā)病,同時還發(fā)現(xiàn)FAAH易于從外周血中檢出,并可作為一個新的潛在的AD生物標志物(biomarker),繼而用于AD的預(yù)測或診斷。然
26、而,由于一些AD相關(guān)蛋白或酶類在外周血中易降解,穩(wěn)定的miRNA檢測已成為反映疾病的重要手段。由于大多數(shù)AD患者外周血單核細胞中存在各種miRNA的表達上調(diào)(如miR-371、miR-517等),且與其在AD腦中高表達相對應(yīng),提示通過測定血漿及血單核細胞的miRNA譜變化,可作為AD診斷和病情評估的重要方法。 4.2AD的表觀遺傳學(xué)治療 表觀遺傳學(xué)對研究AD的發(fā)病機制和病程轉(zhuǎn)歸,以及研發(fā)新的藥物等方面開拓了廣闊的空間。表觀遺傳學(xué)藥物進入體內(nèi)后,可充當基因轉(zhuǎn)錄或表達的“開關(guān)”,通過不同的基因修飾及調(diào)控基因表觀修飾相關(guān)酶類的活性,繼而達到在未改變DNA序列的情況下影響基因表型。
27、因此,正是表觀遺傳學(xué)改變的“可逆性”,使與之相關(guān)藥物的研發(fā)成為AD治療研究的新方向和重點。 4.2.1HDACIs近年來,科學(xué)家們研發(fā)了多種新的HDACIs。根據(jù)化學(xué)形態(tài)主要分為4類:①短鏈脂肪酸類:如丁酸鈉、苯丁酸鹽和丙戊酸(valproicacid,VPA);②異輕肟酸(hydroxamicacid)類:如曲古抑菌素A(trichostatinA,TSA)、辛二酰苯胺異輕肟酸(suberoylanilidehydroxamicacid,SAHA);③環(huán)氧酮類:如trapoxinA和trapoxinB;④苯甲酰胺類:如MS-275。這些HDACIs與鋅依賴性HDAC蛋白(zinc-
28、dependentHDACprotein,I、II及IV類組蛋白亞型)相互作用;煙酰胺作為NAD+前體,可以抑制III類HDAC蛋白。其中,研究最廣泛的是丁酸鈉、苯丁酸鹽、VPA、TSA和SAHA。 目前FDA批準上市的是SAHA,-種治療T細胞淋巴瘤的新型化合物,不僅可增加組蛋白乙酰化水平,同時還可提高認知。在神經(jīng)系統(tǒng)中,VPA具有抗驚厥和穩(wěn)定情緒的作用,因此這些作用可能與引起組蛋白乙酰化改變有關(guān);VPA還可以通過抑制GSK-3#介導(dǎo)的y-分泌酶裂解APP,從而抑制Ap的產(chǎn)生,減少A斑塊,最終緩解AD模型鼠的認知功能障礙。Ricobaraza等研究顯示,4-苯基丁酸乙酯(PBA)可
29、通過降低GSD-3#來降低AD大鼠腦內(nèi)Tau蛋白磷酸化,并可清除突觸間A沉積,減輕內(nèi)質(zhì)網(wǎng)壓力,從而恢復(fù)記憶并逆轉(zhuǎn)學(xué)習障礙。而煙酰胺則可選擇性降低Tau蛋白磷酸化并增加乙?;腶微管蛋白。Fischer等也研究發(fā)現(xiàn),非特異性HDACIs如VPA、TSA、4-苯基丁酸鈉及伏立諾他等,都可以通過不同的表觀遺傳機制影響Ap沉積和Tau蛋白過磷酸化,并可改善學(xué)習和記憶力。另外,HDACi丙戊酸可以降低APP的表達,減輕大腦中的A肽斑塊負擔;研究還證實,HDACI治療還可誘導(dǎo)樹突發(fā)芽,增加突觸數(shù)量,以及恢復(fù)學(xué)習行為和形成長期記憶。Zhang等報道,口服HDACIMS-275可改善神經(jīng)炎癥和腦淀粉樣變,以及
30、改善AD模型動物的行為能力。這些研究提示,HDACIs可通過調(diào)節(jié)HDAC蛋白活性和Tau蛋白磷酸化水平,從而用于AD的治療. HDACIs可選擇性抑制HDACs,導(dǎo)致組蛋白乙?;缴?,恢復(fù)AD模型動物中組蛋白乙?;郊疤岣邔W(xué)習和記憶能力。例如:Guan等發(fā)現(xiàn)當腦內(nèi)HDAC2過表達時,小鼠海馬神經(jīng)元樹突棘密度降低、突觸形成減少、CA1區(qū)LTP形成障礙、空間記憶和工作記憶損傷;而使用HDACIs則能夠促進小鼠神經(jīng)元樹突棘和突觸的形成,改善AD模型小鼠的學(xué)習和記憶減退狀態(tài)。因此,HDAC2可能是HDACIs最適宜的治療靶點之一,可能使腦神經(jīng)元內(nèi)合成新的蛋白以改善或恢復(fù)AD患者記憶。除
31、此之外,HDACIs對基因表達的調(diào)節(jié)具有特異效應(yīng),可以在上調(diào)靶基因表達的同時下調(diào)其他基因;這種基因特異性常通過轉(zhuǎn)錄因子來調(diào)控,后者可以識別特定啟動子和增強子序列,并賦予靶基因特異性(gene-specificeffects),使之對HDACIs具有敏感性[44],繼而逆轉(zhuǎn)表觀遺傳改變。同時,應(yīng)用HDACIs治療AD還應(yīng)當考慮其是否可穿透血腦屏障,因此,最近的一項研究研發(fā)了一種可進入CNS(“CNS-penetrant”)的HDACIs(I類)EVP-0334,目前已進入I期臨床試驗用于AD治療。 眾所周知,AD大腦受累的主要區(qū)域為內(nèi)側(cè)嗅皮質(zhì)、海馬及杏仁核等。研究發(fā)現(xiàn),與正常腦組織相比
32、,AD患者皮質(zhì)中HDAC6蛋白水平升高了52%,而海馬中則升高了92%。HDAC6與Tau蛋白共同存在于核周,并發(fā)生相互作用;其中HDAC6具有獨立的微管蛋白脫乙?;傅幕钚?。使用HDAC6抑制劑Tubacin治療或敲除HDAC6,并不能影響HDAC6與Tau蛋白的相互作用,但可以減少Tau蛋白磷酸化[55]。通過結(jié)合HDAC6,Tau蛋白可抑制脫乙酰酶活性,從而導(dǎo)致微管蛋白乙?;黾?;在Tau蛋白過表達的細胞中也可見這種增加;說明過量的Tau蛋白成為HDAC6的抑制劑,然而AD患者中正常Tau蛋白是減少的。文獻顯示,HDAC6的減少或丟失可改善聯(lián)想和空間記憶形成[56,57],以及阻斷A誘導(dǎo)
33、的海馬神經(jīng)元線粒體運輸障礙。最近有研究人員還發(fā)現(xiàn),HDAC6無效突變(nullmutation)可以挽救神經(jīng)元中Tau蛋白誘導(dǎo)的微管缺陷。他們采用遺傳和藥理學(xué)方法抑制HDAC6的tubulin特異性脫乙?;富钚?,證實這種“挽救效應(yīng)”有可能是通過增進微管乙?;閷?dǎo)的。這些研究結(jié)果表明,HDAC6有可能是AD和相關(guān)Tau病的一種獨特的有潛力的藥物靶點,HDAC6抑制劑有望成為AD治療的新型藥物。 目前研究證實,HDACIs可用來治療神經(jīng)變性病、抑郁、焦慮情緒、認知功能障礙及神經(jīng)發(fā)育障礙,因此為AD的治療提供廣闊的前景。但現(xiàn)有的HDACIs存在生物利用度低、代謝快、低選擇性等缺點。因此
34、,研究開發(fā)結(jié)構(gòu)新穎、副作用小、特異性及選擇性高的HDACI具有重要的臨床意義。 4.2.2飲食因素除此之外,飲食因素,例如葉酸、維生素B2、B6、B12、蛋氨酸、膽堿等都可以影響甲基供體SAM的形成,并影響DNMTs活性;同時,一些天然化合物,如異黃酮、黃酮、兒茶素、姜黃素、白藜蘆醇等,可以改變表觀遺傳學(xué)機制,影響染色質(zhì)修飾酶的活性,因此備受關(guān)注。 研究證實,傳統(tǒng)用于抗腫瘤、抗氧化、抗炎、抗細胞凋亡及預(yù)防高脂血癥的姜黃素,也可用于治療AD:在體外實驗中,姜黃素可抑制A聚集沉積、A#誘導(dǎo)的炎癥、戶分泌酶及乙酰膽堿酯酶的活性;而體內(nèi)實驗則證實,口服姜黃素可抑制AD動物腦組織中A
35、p沉積、Ap寡聚化及Tau蛋白磷酸化,并改善行為及認知。另有研究發(fā)現(xiàn),姜黃素還可加速淀粉樣斑塊的分解,繼而改善AD的空間記憶障礙。據(jù)Bora-Tatar等[65]報道,在33種羧酸衍生物中,姜黃素是最有效的HDAC抑制劑,甚至比丙戊酸和丁酸鈉更強效;另有研究也發(fā)現(xiàn),姜黃素可顯著降低HDAC1、3和8蛋白水平,并可提高乙?;疕4水平。同時,姜黃素還是潛在的HAT抑制劑,2004年Balasubramanyam等[66]發(fā)現(xiàn),姜黃素是p300/CREB結(jié)合蛋白HAT活性特異性抑制劑,對維持一定的CREB水平起到關(guān)鍵作用。因此,姜黃素對HDAC和HAT均有調(diào)節(jié)作用;作為已知的抗氧化劑,姜黃素可能是通
36、過調(diào)節(jié)氧化應(yīng)激,從而對乙酰化和去乙?;哂须p重調(diào)節(jié)作用。 AD表觀遺傳學(xué)改變受環(huán)境、營養(yǎng)因素等諸多因素共同作用,因此自孕前保健開始,直至子代的一生,都保持機體內(nèi)外生存環(huán)境的良好,保證表觀遺傳學(xué)正常修飾及表達,在一定程度上可能會預(yù)防AD的發(fā)生。同時,由于目前糖尿病、肥胖、心血管疾病、高血壓等都是公認的AD高危因素,通過表觀遺傳學(xué)機制防治這些疾病,也是降低AD的發(fā)生風險的重要手段。另外,提倡低熱量、低膽固醇和富含葉酸、B族維生素及姜黃素等的飲食,以及降低血漿Hcy值,可能對保護大腦神經(jīng)元,改善老年期認知,以及預(yù)防AD發(fā)生或逆轉(zhuǎn)AD的表觀遺傳改變,起到一定的積極作用。 4.2.3
37、其他因素由于DNA甲基化是可逆的,該過程的相關(guān)酶類也可作為AD治療的研究靶點,例如DNMT抑制劑。然而,目前對DNMT抑制劑的研究多局限于腫瘤的治療,因此對于AD的治療作用還有待進一步研究。另外,研究發(fā)現(xiàn)AD中與APP裂解機制相關(guān)的多個miRNA也發(fā)生了改變,因此針對miRNA的AD表觀遺傳治療成為重要研究方向。2006年,中國科學(xué)院上海生命科學(xué)研究院生物化學(xué)與細胞生物學(xué)研究所裴鋼院士研究組研究發(fā)現(xiàn),腎上腺素受體被激活后,可以增強y-分泌酶的活性,進而能夠增加AD中Ap的產(chǎn)生。這項發(fā)現(xiàn)揭示了AD致病的新機制,提示腎上腺素受體有可能成為研發(fā)AD治療藥物的新靶點。 5展望 綜上
38、所述,在AD中,表觀遺傳學(xué)機制對疾病發(fā)生發(fā)展起到了關(guān)鍵作用,尤其是散發(fā)性AD。表觀遺[8]傳學(xué)調(diào)節(jié)障礙導(dǎo)致相關(guān)基因轉(zhuǎn)錄異常,引起關(guān)鍵蛋白或酶類異常,繼而發(fā)生一系列病理生理改變,是AD發(fā)病的主要原因。表觀遺傳學(xué)改變可以通過表觀遺傳藥物進行逆轉(zhuǎn),因而這不僅為AD的治療開創(chuàng)了一片新天地,更引導(dǎo)醫(yī)藥行業(yè)進入了一個嶄新的領(lǐng)域。 然而,使用表觀遺傳學(xué)藥物治療疾病也面臨著一系列難題。對于目前可用的表觀遺傳學(xué)化合物如HDACIs及辣椒素等而言,主要的困難即缺乏針對不同腦區(qū)、不同神經(jīng)元亞型或特異基因的“選擇性”。 這種選擇性的缺乏成為表觀遺傳治療機制中的關(guān)鍵問題。除此之外,由于組蛋白修飾與DNA甲基化可共同調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)錄,改變?nèi)我粰C制即會影響到其他復(fù)雜機制,這成為表觀遺傳治療的又一難題。表觀遺傳治療的這些難題都可能在治療中產(chǎn)生一系列副作用, 有些甚至可能是有害的,因此限制了其應(yīng)用。根據(jù)目前AD表觀遺傳學(xué)的研究現(xiàn)狀,有待更深入而準確地發(fā)現(xiàn)基因修飾靶點及其作用機制,在避免環(huán)境及飲食等不良因素的條件下,尋求更特異的靶位來開發(fā)更準確的表觀遺傳學(xué)藥物已成為當務(wù)之急。
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