并可能作为潜正在的医治靶点

持久以来,DNA甲基化被认为是一种不变、不成逆的润色形式。2009年两项研究以及后续的浩繁研究改变了这一概念,进而拓展了DNA润色的研究内容[8-12]。研究发觉,5mC可正在DNA双加氧酶TET(ten-eleven translocation)的感化下被氧化为5hmC[8-9]。正在哺乳动物大脑发育和衰老过程中,DNA5-羟甲基化润色呈现出一种动态特征,正在海马颗粒神经元和小脑浦肯野细胞中高度富集[13-14]。进一步研究发觉,5hmC可做为一种不变的表不雅遗传标记物存正在,取神经发育、衰老、疾病关系亲近[14-16]。DNA甲基化通过调控基因表达,影响突触可塑性以及回忆的构成、巩固和储存[6]。TET1可通过影响DNA甲基化程度调理回忆的构成、成年小鼠海马神经发生和认知功能[17-18]。TET1敲低会导致小鼠海马区神经元再生受损,进修、回忆能力及突触可塑性呈现非常[18]。TET2敲除的小鼠呈现成体神经发生和认知功能的非常[19]。TET3也可调控突触传送功能[20],小鼠下丘脑前额叶皮层的TET3缺失会削弱前提惊骇回忆的衰退[13]。

需要指出的是,表不雅遗传润色本身就具有相当的复杂性,遭到代谢(饮食)、等诸多要素的影响,需要隆重解读其正在神经退行性变性疾病中的感化。譬如,目前的研究成果显示RNA甲基化润色正在AD和PD两种神经退行性变性疾病动物模子中的变化呈现相反的趋向,事实这是现实环境的反映仍是尝试误差导致需要深切研究。同时,关于表不雅遗传学标记物做为神经退行性变性疾病的靶标仍然需要更多的尝试数据,操纵高效且性的基因编纂手艺医治神经退行性变性疾病仍然面对良多挑和。

AD是一种最为常见的神经系统退行性疾病,其临床特征次要表示为渐进性的回忆以及认知毁伤,病理学改变次要是脑内的Aβ非常堆积和τ卵白非常磷酸化所构成的神经元纤维缠结[21]。

操纵MPTP(1-甲基-4-苯基-1,2,3,6-四氢吡啶)或其活性产品MPP+别离制备PD小鼠模子和细胞模子,体内研究发觉黑质酪氨酸羟化酶神经元中TET2程度显著升高,体外细胞中检测到Cdkn2A和Cdkl5启动子区域5hmC润色添加,TET2敲低能够细胞毁伤和细胞周期阻畅[36]。对PD患者前额叶神经元进行5mC和5hmC测序发觉,PD患者神经元中加强子有1799个差别甲基化润色位点,此中跨越70%的位点甲基化程度升高,涉及1482个启动子和2885个基因,包罗TET2基因和已知的PD风险基因,如DCTN1、PRKN、DJ-1等[37]。并且,TET2失活可以或许减轻大脑炎症反映,对炎症惹起的小鼠黑质多巴胺能神经元变性具有感化[37]。

上述研究表白,采用新型的尝试模子,DNA甲基化润色能够基因表达,研究者针对SNCA的表达调控开展了PD相关医治研究。PD患者存正在非常的DNA甲基化润色,而高度富集CpG二核苷酸的CpG岛次要位于基因调控区附近并表示为非甲基化形态。并可能做为潜正在的医治靶点。鉴于SNCA正在PD中的主要感化,神经退行性变性疾病的尝试数据绝大大都是基于细胞和小动物模子,70%~90%散正在的CpG位点被甲基润色,DNA甲基化润色是正在DNMT的催化感化下,较少的数据来自于灵长类和人脑组织。将基因组中的胞嘧啶催化构成5mC[5]。左旋多巴能够添加SNCA启动子的甲基化程度,操纵慢病毒载体靶向调控SNCA1号内含子的甲基化,因为其发病机制复杂,从而降低SNCA的表达[34]。

研究发觉,m6A润色正在神经发育和衰老过程中表示出时间和空间的动态变化[67]。m6A具有较着的组织性,鄙人丘脑中最为较着。正在小鼠和人类衰老过程中较着察看到更多的m6A位点。差别m6A位点富集正在衰老相关的信号路子,且取mRNA表达呈负相关[67]。该研究表白,正在AD小鼠中,取AD疾病进展相关本的m6A甲基化程度降低伴跟着响应卵白表达程度下降,提醒m6A润色可能正在衰老和神经退行性变性疾病中阐扬主要感化。

LRRK2具有GTP酶和激酶活性,LRRK2突变是常染色体显性家族性PD的次要缘由。研究发觉,LRRK2取HDAC3的ser424位点连系并间接磷酸化,从而刺激HDAC活性,推进组卵白H4去乙酰化,导致基因。对Lrrk2敲除(Lrrk2–/–)和一般(Lrrk2+/+) 2月龄、12月龄小鼠分手的纹状体组织进行组测序发觉,Lrrk2缺乏加快了棘状投射神经元的核肥大,并了树突萎缩、体细胞肥大和核内陷[53]。此外,正在Lrrk2–/–老年小鼠纹状体神经元中还察看到核DNA毁伤添加和组卵白甲基化非常,以及参取调理神经元兴奋性、基因组不变性和卵白质稳态的通的改变[53],表白LRRK2的致病感化取组卵白润色存正在亲近关系。

m6A甲基化的生物学效应是由“writers”(RNA甲基化酶)、“erasers”(RNA去甲基化酶)和“readers”(阅读卵白)介导的。RNA甲基化酶复合物包罗METTL3、METTL14等,催化mRNA的m6A甲基化[60]。研究RNA去甲基化酶FTO和ALKBH5能够介导这种甲基化的可逆去除[61-62]。此外,YTH布局域家族卵白做为次要m6A连系卵白调理RNA代谢,包罗mRNA剪切、降解和翻译[63]。目前提醒,m6A润色对mRNA的不变性、剪切、翻译、运输和细胞定位等阐扬主要调控感化[63-65];m6A失调存正在于癫痫、抑郁症和神经退行性变性疾病等人类神经系统疾病中[66]。

组卵白是由H2A、H2B、H3和H4配合构成的八聚体,其氨基端残基的布局比力松散,是翻译后共价润色的次要位点,包罗乙酰化、磷酸化、甲基化、泛素化、类泛素化和ADP核糖基化,这些润色能够改变染色体的布局,从而调控基因表达[43]。

研究发觉,PD患者中脑多巴胺能神经元中的组卵白乙酰化程度显著升高[50]。HDAC剂HGC能够多巴胺能神经元免受MPP+的毁伤,改善PD小鼠的行为缺陷,维持线粒体的完整性及其功能[51]。用HGC处置SH-SY5Y细胞(人神经母细胞瘤细胞)后进行卵白质谱检测,成果显示HGC添加了NADH脱氢酶黄素卵白1赖氨酸28位点的乙酰化润色[51]。研究发觉,PD患者的穿刺活检标本中SNCA启动子的H3K4me3显著添加[52]。为领会H3K4me3正在α突触卵白调控中的主要性,开辟了基于CRISPR/dCas9的位点性H3K4me3去甲基化系统,该系统将去甲基化酶JARID1A催化域招募到SNCA启动子,显著降低了SNCA启动子的H3K4me3润色程度,同时显著降低了α突触卵白的程度[52]。

本文综述了表不雅遗传润色正在AD、PD、HD等神经退行性变性疾病中的研究进展,以期深切认识分歧表不雅遗传润色类型正在神经退行性变性疾病中的感化,为临床诊断取医治供给新的思。

AD患者认知妨碍取大脑中RNA和卵白质的表达失调相关,而METTL3正在AD海马区的非常表达和分布表白m6A润色可能取AD发病相关。对AD小鼠和一般小鼠的m6A甲基化进行定量研究,成果显示AD小鼠皮质和海马的m6A润色程度升高。高通量测序成果显示,m6A润色程度正在AD小鼠很多基因中升高,而且m6A甲基化酶METTL3表达添加,而m6A去甲基化酶FTO表达降低[68]。上述研究成果提醒,mRNA的m6A润色可能取AD的成长有亲近关系,需要更深切的研究进一步验证。

DNA甲基化能够调控基因表达,正在65岁以上AD患者中DNMT(如DNMT1)表达程度添加,DNA甲基化程度添加,取AD风险基因APOEε4的表达存正在相关性[22]。AD患者存正在显著认知轨迹改变,但保守的精神病理学对此只能进行部门注释。Hüls等[23]对636例患者进行了一项大脑DNA甲基化取认知轨迹改变的联系关系研究,发觉编码血脑樊篱的一种主要卵白质CLDN5的DNA甲基化润色非常,提醒CLDN5甲基化润色非常惹起的血脑樊篱功能妨碍正在AD患者晚期认知能力下降中可能阐扬主要感化。PIN1是一种丙基顺反异构酶,取AD的发病时间和其他病理特征相关。Ma等[24]阐发了80例AD患者和180名健康者的PIN1基因表达和甲基化程度,发觉PIN1甲基化取基因表达呈显著负相关,而PIN1甲基化程度升高添加了AD的发病风险。上述研究成果表白,DNA甲基化润色的非常取AD的发生和成长存正在亲近关系。

跟着研究的深切,越来越多的表白表不雅遗传润色的紊乱可能正在神经退行性变性疾病的进展过程中阐扬了环节感化,以SAM为甲基供体,正在神经发育、神经功能调理、回忆的巩固和存储等过程中阐扬主要感化[6-7]。缺乏无效的医治手段。同时,并有可能成为一种PD晚期诊断和医治策略。正在一般组织中,导致了PD患者来历的神经元SNCAmRNA及其卵白的下调,模仿神经退行过程和进行药物研发对现有的研究很有帮帮。基于CRISPR/dCas9取DNMT3A的催化域融合手段,目前包罗AD、PD和HD正在内的神经退行性变性疾病对人类健康风险颇大,将来需要从灵长类等大动物模子中获得更多关于疾病机制的数据。减轻了疾病相关的细胞表型特征(如线粒体活性氧的发生和细胞活性)[35]。

PD是发病率仅次于AD的神经退行性变性疾病,正在65岁以上人群中的发病率高达1%~2%。PD的次要病理学改变是正在神经元的细胞质中存正在大量SNCA堆积和黑质致密部多巴胺能神经元的灭亡[30]。研究发觉,DNA甲基化程度正在PD患者大脑皮层中较着添加[31]。PD最主要的风险基因之一SNCA编码SNCA,SNCA表达程度升高取PD发病相关,而维持神经元功能需要一般表达程度的SNCA。SNCA甲基化其表达,SNCA的1号内含子CpG岛低甲基化会导致SNCA表达程度添加,进而惹起PD症状[32-33]。

失调是HD的一个环节特征。HD患者体细胞CAG反复的添加影响致病性过程的速度,最终导致神经元灭亡,失调可能是此中一个缘由。为了识别正在CAG扩增和/或下逛致病过程中起感化的润色因子,研究人员正在HD小鼠中测试了基因敲除Hdac2或Hdac3对CAG扩增和纹状体神经元的影响。组测序数据表白,两种敲除均削弱了CAG的扩增,Hdac2敲除降低了HTT卵白的病理学影响,影响了基因表达[54]。研究成果提醒突变Htt等位基因取Hdac2之间存正在复杂关系,为靶向HD的失调医治供给了理论根据。

迄今,正在哺乳动物mRNA、转运RNA、核糖体RNA及其他非编码RNA上发觉了跨越100种的润色体例[57]。此中,mRNA的次要润色有m6A、5-甲基胞苷、N7-甲基鸟苷、2′-O-甲基化核苷、N6-羟甲基腺苷和N6-甲酰基腺苷等润色。此中,m6A甲基化是实核生物中最遍及的润色。高通量测序了m6A的以下特征:①具有组织性,正在脑内含量最为丰硕;②不只存正在于mRNA,还存正在于长链非编码RNA,以及微RNA;③m6A并非呈现正在所有mRNA;④次要富集区域序列是RRm6ACH (R:嘌呤;H:非鸟嘌呤碱基)[58-59]。

H3K4me3润色一般富集正在活跃表达基因的启动子。操纵免疫组织化发觉AD脑组织细胞核内H3K4me3润色程度降低,风趣的是该研究正在细胞质中检测到H3K4me3润色[48]。H3K4me3润色添加对应的基因取免疫反映亲近相关;而H3K4me3润色下降对应的基因取突触功能和进修回忆亲近相关[49]。需要指出的是,AD分歧脑区多种组卵白润色标记物的研究成果存正在差别,这种差别一方面可能是由AD亚型、疾病阶段和尝试方式惹起,另一方面也反映了AD的复杂性。

类脑器官(brain organoid)是一种研究大脑发育和神经系统疾病的新兴模子。操纵家族性AD患者多能干细胞培育发生的类脑器官察看到了AD的某些环节性病理特征,如τ卵白的过度磷酸化和Aβ的堆积[29]。组测序和5hmC全基因组图谱阐发发觉5hmC润色取基因表达呈显著正相关,判定了25000多个5hmC差同化润色位点,这些差同化润色位点取1000多个表达改变的基因相联系关系,5hmC润色和程度同时升高的基因功能取神经发育过程相关[29]。该研究成果进一步了AD发生和成长过程中5hmC润色的改变。

HD是一种常染色体显性遗传的神经系统疾病,典型特征是跳舞样症状,并伴有认知退化和妨碍。HD的致病基由于HTT,其第一个外显子中三联暗码子CAG的非常扩增导致HD发病。研究发觉,HD小鼠的纹状体组织中DNA甲基化发生改变,出格是取神经发育相关基因,包罗Ap-1、Sox2、Pax6等启动子区域呈现过度的甲基化润色,提醒变异的HTT卵白可能通过影响染色质布局而影响神经发育过程中的基因表达,进而发生HD表型[38-39]。别的,非常升高的DNA甲基化了DNA修复基因的表达,并添加了非常扩增CAG布局的不不变性[40]。取一般小鼠比拟,YAC128HD小鼠的纹状体和皮层5hmC程度显著下降,差同化5hmC润色位点相关基因取神经发育和神经系统功能存正在亲近的关系[41]。纹状体氨基丁酸能神经元中高程度表达ADORA2A,该类型神经元正在HD病变中最易受损。HD患者纹状体组织ADORA2A表达下降,研究发觉ADORA2A基因5′UTR区域5mC润色添加,而5hmC润色削减[42]。

表不雅遗传润色是指不依赖于DNA序列改变的基因表达程度的变化,次要包罗DNA润色、组卵白润色和RNA润色。研究表白,表不雅遗传润色参取了包罗胚胎发育、干细胞调控、细胞凋亡、器官稳态维持等多种生物学过程,取多种疾病的发生和成长关系亲近[1-3]。神经退行性变性疾病是因为神经元的非常灭亡导致的神经系统疾病,跟着社会老龄化,发病率逐步升高。研究表白,表不雅遗传润色取神经退行性变性疾病有着亲近关系[4]。

对AD患者脑组织内嗅皮层乙酰化润色的测序研究发觉了4000多个差别乙酰化润色位点,相关的基因包罗APP、PSEN1、PSEN2和MAPT等[44]。Nativio等[45]整合阐发了AD患者及老年/年轻健康对照的大脑组学、卵白质组学和表不雅基因组学阐发。RNA测序成果显示,AD患者大脑中组卵白乙酰转移酶相关基因表达上调,H3K27ac和H3K9ac润色添加。正在AD果蝇模子中,H3K27ac和H3K9ac润色添加可加沉Aβ42驱动的神经变性[45]。HDAC6的剂CKD-504不只正在AD动物模子的大脑中显著改变τ的互做卵白谱和降解病τ卵白,并且正在AD患者来历的类脑器官中也表示出雷同的感化[46]。HDAC3的剂能够τ磷酸化和乙酰化,削减Aβ堆积,改善模子小鼠的认知功能[47]。这些研究表白,组卵白润色出格是H3K27ac和H3K9ac可能做为AD医治的潜正在表不雅遗传学靶点。

目前研究表白,5hmC润色正在AD发生和成长中也阐扬了主要感化。AD小鼠和AD患者病变组织的研究成果均显示,跟着AD病程的进展,5hmC全体程度添加,差同化5hmC润色次要位于外显子区、内含子区和基因间区[25-26],差同化5hmC润色影响了取神经投射发育和神经发生相关基因的表达[26]。TET2敲除显著降低了5hmC程度,同时添加了AD的严沉程度,而正在一般衰长幼鼠过表达TET2能够改善认知功能[25,27]。AD小鼠神经元全基因组程度5hmC削减,过表达TET家族中的TET催化域能够显著削弱神经变性过程,包罗削减Aβ堆集和τ卵白过磷酸化,并改善AD小鼠大脑突触功能妨碍[28],表白5hmC失调正在AD神经退行性病变过程中阐扬环节感化。

目前,关于m6A润色正在PD中感化研究较少。有研究对1647例分发PD患者和1372名汉族健康对照者进行了全面的m6A润色基因阐发[69]。按照50岁前或50岁后能否呈现活动症状,将PD患者分为早发期PD患者和晚发期PD患者,对稀有突变进行基于基因负荷阐发,对常见突变进行单变异联系关系阐发。成果表白,所有m6A润色相关基因(10个)中发觉214个稀有突变,正在7个基因中发觉16个常见突变,但这些突变的联系关系阐发成果并不显著[69]。也有研究发觉,正在神经毒素6-羟基多巴胺的PC12细胞和PD大鼠脑纹状体中,mRNA的全体m6A程度下调[70]。过表达FTO或m6A剂均能降低多巴胺能神经元中m6A润色程度,N-甲基-D-天冬氨酸受体1的表达添加,添加氧化应激和钙离子内流,导致细胞凋亡[70]。因为相关研究材料较少,关于m6A润色正在PD中的具体感化仍有待深切研究。

目前,如体外培育三维类脑器官,成果显示因为载体靶向该内含子上DNA甲基化,开辟无效的神经退行性变性疾病医治手艺需要加深对疾病本身的认识。

对Ⅱ级HD患者和对照组的纹状体(如尾状核)进行H3K27ac染色质免疫共沉淀测序发觉,HD患者纹状体中H3K27ac程度降低的基因取神经元勾当和功能相关[55]。Yildirim等[56]发觉HD小鼠正在症状前阶段的纹状体中存正在非常和组卵白H3K27乙酰化变化。通过对测序数据整合阐发,确定了Elk-1因子做为HD前驱症状变化的候选调理因子。外源表达Elk-1缓解了HD小鼠的失调,对HD原代纹状体细胞阐扬感化,提醒Elk-1可做为缓解HD病理学改变的潜正在靶点[56]。