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偏头痛的表观遗传学研究进展

发布时间:2018-10-06 08:45

  摘要:偏头痛是一种常见的,可致残的慢性神经血管疾病。我国偏头痛的年患病率高达9.3%。偏头痛的病理生理机制仍未完全阐明,是遗传与环境多种因素共同作用的结果。表观遗传学机制将环境因素和遗传因素联系起来,在偏头痛的发病中起重要作用。本文将对近年来表观遗传学与偏头痛关系的研究及其未来前景进行综述。


  关键词:表观遗传学;偏头痛;DNA甲基化;


  作者简介:于生元yusy1963@126.com


  世界卫生组织(worldhealthorganization,WHO)2012年数据表明偏头痛是第七位的致残性疾病,其疼痛程度剧烈,反复发作,造成患者巨大的痛苦及国民经济的损失。据统计,我国偏头痛的年患病率为9.3%[1]。其病因复杂,具有明显的家族聚集性,涉及遗传、环境等多种因素,是遗传与环境因素共同作用的多基因多因素疾病。表观遗传学作为现代遗传学的一个前沿领域,为人们提供了认识这个问题的新思路。几十年来人们一直认为基因决定着生命过程中所需要的各种蛋白质,决定着生命体的表型。但经典的遗传学理论无法解释具有完全相同基因组的双胞胎在性格、健康等方面的差异。表观遗传学是研究基因的核苷酸序列不发生改变的情况下,基因表达了可遗传的变化的一门遗传学分支学科。偏头痛的发病机制复杂,以往的研究热点多集中在神经递质和信号转导通路的角度探讨其机制,现在学者们越来越重视表观遗传学机制在偏头痛研究中的重要作用[2]。已知的表观遗传现象包括DNA甲基化、RNA干扰、组织蛋白修饰等。其主要研究内容包括大致两方面内容。一类为基因选择性转录表达的调控,有DNA甲基化、基因印记、组蛋白共价修饰、染色质重塑。另一类为基因转录后的调控,包含基因组中非编码的RNA、微小RNA、反义RNA、内含子及核糖开关等。本文对偏头痛的表观遗传学研究进展做一综述,展示了目前表观遗传学和偏头痛存在密切联系的证据,同时也推测表观遗传学发挥作用可能的神经生物学机制。


  1.偏头痛的遗传易感性


  全基因组关联研究(Genome-WideAssociationStudy,GWAS)已经发现部分偏头痛相关基因。并发现与偏头痛病理生理有关的一些单核苷酸多态性的蛋白的调节与表观遗传学相关。例如异黏蛋白(metadherin,MTDH)和PR结构域蛋白16(PR-domainProtein,PRDM16)。MTDH的去乙酰化可以促进核因子κB(NF-κB)靶基因的表达(YunJMetal.,2011);PRDM16则参与了去除果蝇嗅觉神经元分化过程中Notch靶基因的染色质修饰[3]。这些研究提示一些偏头痛靶基因位点的表观遗传学修饰可能影响偏头痛的发生发展。尽管付出了巨大的努力,GWAS目前为止仅能解释偏头痛发作的一部分遗传机制,可能的原因是DNA不是唯一的遗传信息携带者,表观遗传学信息也可以通过细胞分裂以及跨代进行传递。如果目前的GWAS能将表观遗传学标记和基因位点联系起来,这将很快被用于发现偏头痛遗传性的影响因素。


  2.雌激素与偏头痛


  流行病学研究证实女性偏头痛的发病率是男性的2~3倍,而且其发作与月经周期、妊娠和服用避孕药[4]有关,因此雌激素水平变化是偏头痛的诱发因素因素之一。绝经后偏头痛的发病率明显减少也可以从侧面证明这一点(FreemanEWetal.,2008)。动物研究进一步证明雌激素参与偏头痛发病的病理生理机制。例如,携带人家族性偏瘫型偏头痛突变基因的雌性小鼠较雄性小鼠更容易发生偏头痛,卵巢切除术后的雌性偏头痛小鼠皮层扩布性抑制(corticalspreadingdepression,CSD)的发生明显减少(Eikermann-HaerterKetal,2009)。除此之外,一些小鼠的研究显示雌激素治疗,卵巢手术和月经周期可以改变偏头痛三叉神经血管途径的激活[5]。雌激素的效应可以通过其受体靶基因的表观遗传学编程实现。例如,雌激素受体β通过保持葡萄糖转运蛋白4(glucosetransporter4,GLUT4)启动子的低水平DNA甲基化来调节其表达,从而使其激活[6]。


  3.表观遗传学和慢性偏头痛


  高发作频率的偏头痛发展为慢性偏头痛的风险更大(ScherAIetal,2003),因此偏头痛发作本身可能促进慢性偏头痛的发展。最近的研究显示,同步神经元活动例如CSD时的发作,导致参与神经元可塑性和保护性的标记发生改变[7]。这提供了表观遗传学机制参与基础神经突触活动调节的证据。因此有理由相信偏头痛患者中神经元活动的增加改变了大脑的表观遗传学基因组,因此促进了偏头痛的发作频率,形成了恶性循环,使偏头痛发作的潜在兴奋途径变得更为敏感。


  4.降钙素基因相关肽(calcitoningenerelatedpeptide,CGRP)的表观遗传学调控


  降钙素基因相关肽是与三叉神经系统相关的最主要的神经肽之一,由Calca基因编码,具有很强的扩血管作用。基础研究还表明CSD模型大鼠血浆CGRP明显增加[8]。临床研究还发现,偏头痛患者头痛发作期及缓解期血浆CGRP水平均升高,且发作时血浆CGRP水平与头痛强度和持续时间呈正相关,CGRP受体拮抗剂可显著减轻偏头痛的发作,均支持CGRP参与偏头痛发作的病理生理机制。CGRP的分泌有很强的组织特异性和细胞特异性,正常情况下只在神经元细胞中表达,而不在神经胶质细胞中表达。Ki-YoubPark等[9]认为这是由于神经胶质细胞的Calca基因高度甲基化引起的基因表达沉默,采用DNA甲基化抑制剂处理神经胶质细胞可以诱导其CALCA基因表达。而Sieneke[10]等的研究发现Calca在正常雌性大鼠的血淋巴细胞、主动脉弓、硬脑膜、三叉神经节中均处于低甲基化水平,这种差异可能是由于实验条件和甲基化检测方法的不同所致,仍需进一步的研究证实。


  5.偏头痛共病的表观遗传学研究


  偏头痛可与多种神经系统疾病共存,并在发病机制上有一定的相关性。偏头痛与抑郁存在着密切联系,除此之外,偏头痛可以增加心脑血管疾病,如卒中和心肌梗死的风险。抑郁和偏头痛之间存在着双向联系,它们具有相同的调节因素,如雌激素、长期应激,后者已经明确是抑郁的危险因素(HolsboerFetal,2000)。虽然两种疾病的易感基因仍未找到,家系研究证实遗传因素对偏头痛共病抑郁症有重要影响,但具体分子生物学机制仍不清楚。表观遗传学在偏头痛共病中的角色已经被广泛关注[11]。主要证实表观遗传学机制影响抑郁发病的证据来源于抑郁障碍动物模型的研究:应激相关基因Bdnf的表观遗传学改变被抗抑郁治疗逆转[12]。除此之外,最近的研究报道了在抑郁症患者的外周血白细胞中发现了DNA甲基转移酶的差异表达,这提示异常的表观遗传学基因调节可能与抑郁症的病理机制有关[13]。偏头痛与癫痫是神经系统常见的慢性发作性疾病。两者的共同点是反复发作的神经系统功能障碍,但发作间期基本正常。有研究在颞叶癫痫病人的大脑发现了Reelin启动子DNA甲基化的增加[14]。Reelin是参与大脑可塑性调节的基因,它的低表达与癫痫发病相关[15]。因此表观遗传学机制可能参与了偏头痛及其共病的发病机制。


  6.表观遗传学治疗


  由于表观遗传学对基因表达的调节是一个动态可逆的过程,因此是药物治疗的理想靶目标。目前甲基化修饰酶抑制剂等表观遗传学治疗药物已经临床应用于肿瘤的治疗。在偏头痛治疗领域,有研究发现丙戊酸钠对偏头痛的预防作用可能是通过表观遗传学效应实现的[16]。丙戊酸钠是一种抗惊厥药物,具有多种效应和副作用的机制[17]。同时是一种组蛋白去乙酰化酶抑制剂(histonedeacetylaseinhibitor,HDAC),可以促进染色质重塑。有趣的是,丙戊酸钠也成功的被用于治疗双向抑郁[18]。此外,在抑郁的动物模型中,抗抑郁治疗对于重建表观基因组对慢性应激的影响需要HDAC活性减弱。除了丙戊酸钠之外,直到今天还没有开发出治疗神经系统疾病或偏头痛的进入临床试验阶段的表观基因学药物[19]。开发特异性的针对大脑表观遗传学机制的药物将会打开一条崭新的令人兴奋的治疗偏头痛的道路。


  偏头痛是一种常见的慢性神经血管性疾病。偏头痛对生活质量影响很大,世界卫生组织将严重偏头痛定为最致残的慢性疾病之一。然而直到今天仅仅知道偏头痛痛发病的部分机制。复杂疾病的发病往往融合了环境和遗传等多种因素。表观遗传学的改变将环境因素和遗传因素联系起来,为我们认识偏头痛的发病机制打开了一扇新的窗户。另外,表观遗传学已经开始临床应用于部分肿瘤和神经精神疾病的诊断和治疗。总之,后基因组时代的表观遗传学研究在偏头痛领域有着令人期望的前景。本文来自《中国医学物理学》杂志

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