DNA 甲基化可通過調節基因轉錄水平的表達改變，在突觸重塑、神經前體細胞分化等神經生物過程中起重要作用。近年來，不斷有研究發現，DNA 甲基化與癲癇密切相關。文章主要探討 DNA 甲基化參與癲癇發病的可能機制，以及為 DNA 甲基化提供甲基的甲硫氨酸循環在癲癇發病機制中的調控作用，以期為癲癇的預防和治療提供新思路。
引用本文： 包翌, 肖爭. DNA 甲基化在癲癇中的研究進展. 癲癇雜志, 2018, 4(3): 238-241. doi: 10.7507/2096-0247.20180042 復制
DNA 甲基化是最常見的表觀遺傳學修飾之一[1]。它是指以 S-腺苷甲硫氨酸（S-adenosyl methionine，SAM）為甲基供體，在 DNA 甲基化轉移酶（DNA methyctransferace，DNMTs）的作用下，把甲基轉移到 DNA 分子的堿基上，形成 5-甲基胞嘧啶、N6-甲基腺嘌呤、7-甲基鳥嘌呤，其中 5-甲基胞嘧啶是 DNA 甲基化最常見的一種形式[2]。在哺乳動物中，DNA 甲基化是必不可少的且大多數甲基化胞嘧啶都發生在 CpG 島上。DNMT1 和 3（包括 3a 和 3b）是 DNA 甲基化過程中的兩類關鍵酶，分別起維持和形成甲基化的作用[3]。DNA 甲基化主要通過改變 DNA 構象、DNA 與轉錄因子結合、DNA 與有關蛋白的相互作用等來抑制基因的表達。
1 DNA 甲基化與癲癇
癲癇是以腦部神經元異常同步化放電為主要特征的復雜神經系統疾病。全球有超過 5 千萬的癲癇患者，每年新發病例超過 60 萬，且約 1/3 的患者最終發展成為耐藥性癲癇[4]。但是，癲癇的發病機制尚不完全清楚。近年來，不斷有研究發現，DNA 甲基化與癲癇密切相關。
1.1 DNA 甲基化轉移酶與癲癇
DNA 甲基化在癲癇發病機制中的作用的間接證據首先來于自體外研究。癲癇神經網絡及環路重組學說認為異常的突觸可塑性改變可使神經元之間建立異常聯系，形成病理性神經環路，從而參與癲癇的發生。2006 年，Levenso 等[5]研究發現 DNMTs 抑制劑（5-氮雜-2'-脫氧胞苷和 2-嘧啶酮-B-核甙）可以抑制離體腦片中 Schaffer collateral-CA1 區突觸的長時程誘導增強作用（Long-term potentiation，LTP）。2008 年，Nelson 等[6]用 DNMTs 抑制劑（5-氮雜-2'-脫氧胞苷）處理原代海馬神經元后，用全細胞膜片鉗記錄到微興奮性突觸后電流（miniature excitatory postsynaptic currents，mEPSC）較對照組明顯降低，而增加甲基化的底物 SAM 可以逆轉 DNMTs 抑制劑對 mEPSCs 的抑制作用。這些體外實驗表明，DNA 甲基化與突觸可塑性密切相關，可能參與癲癇的形成。隨后，多項體內實驗證實 DNMTs 與癲癇密切相關，DNMTs 抑制劑具有潛在的抗癲癇作用。Zhu 等[7]在顳葉癲癇患者腦組織中觀察到 DNMT1 和 3a 表達上調，這從側面提示 DNMTs 參與 DNA 甲基化的動態變化，從而影響癲癇的發生。Parrish 等[8]研究發現，用 DNMTs 抑制（zebularine）預處理可以縮短海人酸誘導的大鼠癲癇發作的潛伏期。而 Chen 等[9]也觀察到 DNMTs 抑制（Rg108）預處理小鼠可以減輕海人酸誘導的小鼠癲癇發作的嚴重程度。
1.2 癲癇模型/患者全基因組甲基化水平的改變
DNMTs 與癲癇的密切相關預示著癲癇發生同時伴隨著大規模基因甲基化水平發生變化。Miller-Delaney 等[10]發現，與正常小鼠海馬組織相比海人酸誘導癲癇持續狀態模型和癲癇耐受模型的海馬組織中，約 90% 甲基化改變的基因表現為低甲基化。而Kobow 等[11]在鋰-匹魯卡品癲癇模型慢性期大鼠海馬組織觀察到全基因組高甲基改變占主導地位。上述研究提示誘發癲癇的急性腦損傷可能促使基因的甲基化狀態降低，而慢性癲癇狀態可能與全基因組高甲基化有關。此外，Miller-Delaney 等[12]對顳葉癲癇患者的硬化海馬組織進行 DNA 甲基化深度測序發現，146 條蛋白編碼基因甲基化水平發生改變，而這些基因中，81.5% 基因啟動子區的甲基化水平升高。值得注意的是，2016 年，D?bski 等[13]對比了 3 種慢性癲癇模型鼠與正常鼠（杏仁核點燃、鋰-匹魯卡品腹腔注射、側位液壓沖擊腦損傷）腦組織的甲基化表達差異的基因，沒有發現任何一個共同改變的甲基化基因，即使是兩個模型之間共同改變的甲基化基因的數量也十分有限，這表明病因和模型的特異性對機體甲基化的調控有較強的特異性。
1.3 癲癇相關基因甲基化水平改變
1.3.1 Reelin 基因甲基化與癲癇
Reelin 是由 Cajal-Retzius 細胞的一種細胞外基質分子，主要作用是在哺乳動物大腦的早期發育中，作為神經細胞遷移終止信號調節神經元的遷移和定位，誘導大腦板層結構形成。而在成熟的腦組織中，Reelin 蛋白可以調節神經元突觸的功能，以及參與大腦板層結構的維持。研究發現，顳葉癲癇患者海馬 Reelin 蛋白表達明顯降低，且降低程度與海馬齒狀回顆粒細胞彌散程度密切相關，提示 Reelin 蛋白與顳葉癲癇密切相關[14, 15]。Levenson 等發現 DNMTs 抑制劑在調節成熟海馬神經元突觸可塑性的同時，Reelin 基因啟動子區甲基化也發生了變化。隨后，Kobow 等[16]觀察到顳葉癲癇患者的硬化海馬區的 Reelin 基因甲基化水平與顆粒細胞板層結構破壞程度明顯相關。
1.3.2 SCN3a 基因甲基化與癲癇
SCN3a 基因編碼的 α 亞基是組成電壓門控鈉離子通道 α 亞基的一個亞型，其主要作用是維持胚胎期中樞神經系統神經細胞的興奮性。研究表明，SCN3a 基因高表達參與癲癇的形成[17-19]。Li 等[20]研究發現，SCN3a 啟動子區-39 位點甲基化狀態改變可影響其與 MBD2 的結合能力，從而調節 SCN3a 基因的表達，參與癲癇的發生。
1.3.3 BDNF 基因甲基化與癲癇
腦源性神經營養因子（Brain-derived neurotrophic factor，BDNF）對神經細胞有著廣泛的營養作用和重要保護作用。BDNF 能促進苔蘚纖維芽生，建立新的突觸鏈接作用，其高表達能導致驚厥發作[21, 22]。Parrish 等[23, 24]檢測到海人酸誘導的癲癇持續狀態后小鼠的海馬組織 BDNF 基因甲基化水平明顯降低。
癲癇相關基因甲基化水平失調導致的基因異常表達，可能是癲癇發病的關鍵環節。多項研究還發現了其他癲癇相關基因甲基化水平的變化（表 1）。
表1
癲癇相關基因甲基化水平改變
2 甲硫氨酸循環與癲癇
DNA 甲基化依賴 SAM 為其提供甲基供體，而甲基供體 SAM 的合成和在體內的平衡主要依賴于甲硫氨酸循環。甲硫氨酸循環是指，甲硫氨酸活化生成 SAM，被甲基轉移酶（Methyltransferase，MTs）催化去甲基生成 S-腺苷同型半胱氨酸（S-adenosyl homocysteine，SAH），SAH 再脫去腺苷生成同型半胱氨酸，同型半胱氨酸再接受 N-CH3-FH4 上的甲基，重新生成甲硫氨酸的循環過程（圖 1）。細胞內 SAM 濃度的增加可以促進 DNA 的甲基化，而高 SAH 水平可以防止 DNA 的進一步甲基化[29]。因此，甲硫氨酸循環可能通過參與調節體內甲基化水平，與癲癇的發生發展密切相關。
圖1
甲硫氨酸循環
多項研究表明，參與甲硫氨酸循環中的代謝物與癲癇密切相關。蛋氨酸亞砜亞胺（Methionine sulfoximine，MSO）是一種已知幾十年的具有誘發癲癇發作的化學物質。甲硫氨酸作為 MSO 的一種成分，其在癲癇中的作用也就通過 MSO 的促驚厥作用表現出來[30]。與甲硫氨酸相比，腺苷和 SAM 已被證明具有抗驚厥作用。Williams-Karnesky 等[31]研究發現，對海人酸造模小鼠給予持續 10 d 的腺苷干預，可以逆轉小鼠腦組織的 DNA 甲基化變化，同時抑制海馬苔蘚纖維的芽生，從而抑制癲癇的自發發作。Dhediya 等[32]研究發現，SAM 可以顯著延長戊四氮誘導的大鼠點燃模型的潛伏期，改善發作的嚴重程度。此外，同型半胱氨酸作為一種 N-甲基-D-天冬氨酸受體激動劑，也可通過增加谷氨酸能神經元傳遞發揮促驚厥和神經毒性的作用[33]。
3 結語
綜上，DNA 甲基化在癲癇發展過程中是動態調節的，并與癲癇密切相關。干預甲硫氨酸循環中的物質代謝或者關鍵基因的甲基化水平，可能成為未來抗癲癇治療的有效方法。DNA 甲基化在癲癇研究中作為一個新的領域具有廣泛前景。
DNA 甲基化是最常見的表觀遺傳學修飾之一[1]。它是指以 S-腺苷甲硫氨酸（S-adenosyl methionine，SAM）為甲基供體，在 DNA 甲基化轉移酶（DNA methyctransferace，DNMTs）的作用下，把甲基轉移到 DNA 分子的堿基上，形成 5-甲基胞嘧啶、N6-甲基腺嘌呤、7-甲基鳥嘌呤，其中 5-甲基胞嘧啶是 DNA 甲基化最常見的一種形式[2]。在哺乳動物中，DNA 甲基化是必不可少的且大多數甲基化胞嘧啶都發生在 CpG 島上。DNMT1 和 3（包括 3a 和 3b）是 DNA 甲基化過程中的兩類關鍵酶，分別起維持和形成甲基化的作用[3]。DNA 甲基化主要通過改變 DNA 構象、DNA 與轉錄因子結合、DNA 與有關蛋白的相互作用等來抑制基因的表達。
1 DNA 甲基化與癲癇
癲癇是以腦部神經元異常同步化放電為主要特征的復雜神經系統疾病。全球有超過 5 千萬的癲癇患者，每年新發病例超過 60 萬，且約 1/3 的患者最終發展成為耐藥性癲癇[4]。但是，癲癇的發病機制尚不完全清楚。近年來，不斷有研究發現，DNA 甲基化與癲癇密切相關。
1.1 DNA 甲基化轉移酶與癲癇
DNA 甲基化在癲癇發病機制中的作用的間接證據首先來于自體外研究。癲癇神經網絡及環路重組學說認為異常的突觸可塑性改變可使神經元之間建立異常聯系，形成病理性神經環路，從而參與癲癇的發生。2006 年，Levenso 等[5]研究發現 DNMTs 抑制劑（5-氮雜-2'-脫氧胞苷和 2-嘧啶酮-B-核甙）可以抑制離體腦片中 Schaffer collateral-CA1 區突觸的長時程誘導增強作用（Long-term potentiation，LTP）。2008 年，Nelson 等[6]用 DNMTs 抑制劑（5-氮雜-2'-脫氧胞苷）處理原代海馬神經元后，用全細胞膜片鉗記錄到微興奮性突觸后電流（miniature excitatory postsynaptic currents，mEPSC）較對照組明顯降低，而增加甲基化的底物 SAM 可以逆轉 DNMTs 抑制劑對 mEPSCs 的抑制作用。這些體外實驗表明，DNA 甲基化與突觸可塑性密切相關，可能參與癲癇的形成。隨后，多項體內實驗證實 DNMTs 與癲癇密切相關，DNMTs 抑制劑具有潛在的抗癲癇作用。Zhu 等[7]在顳葉癲癇患者腦組織中觀察到 DNMT1 和 3a 表達上調，這從側面提示 DNMTs 參與 DNA 甲基化的動態變化，從而影響癲癇的發生。Parrish 等[8]研究發現，用 DNMTs 抑制（zebularine）預處理可以縮短海人酸誘導的大鼠癲癇發作的潛伏期。而 Chen 等[9]也觀察到 DNMTs 抑制（Rg108）預處理小鼠可以減輕海人酸誘導的小鼠癲癇發作的嚴重程度。
1.2 癲癇模型/患者全基因組甲基化水平的改變
DNMTs 與癲癇的密切相關預示著癲癇發生同時伴隨著大規模基因甲基化水平發生變化。Miller-Delaney 等[10]發現，與正常小鼠海馬組織相比海人酸誘導癲癇持續狀態模型和癲癇耐受模型的海馬組織中，約 90% 甲基化改變的基因表現為低甲基化。而Kobow 等[11]在鋰-匹魯卡品癲癇模型慢性期大鼠海馬組織觀察到全基因組高甲基改變占主導地位。上述研究提示誘發癲癇的急性腦損傷可能促使基因的甲基化狀態降低，而慢性癲癇狀態可能與全基因組高甲基化有關。此外，Miller-Delaney 等[12]對顳葉癲癇患者的硬化海馬組織進行 DNA 甲基化深度測序發現，146 條蛋白編碼基因甲基化水平發生改變，而這些基因中，81.5% 基因啟動子區的甲基化水平升高。值得注意的是，2016 年，D?bski 等[13]對比了 3 種慢性癲癇模型鼠與正常鼠（杏仁核點燃、鋰-匹魯卡品腹腔注射、側位液壓沖擊腦損傷）腦組織的甲基化表達差異的基因，沒有發現任何一個共同改變的甲基化基因，即使是兩個模型之間共同改變的甲基化基因的數量也十分有限，這表明病因和模型的特異性對機體甲基化的調控有較強的特異性。
1.3 癲癇相關基因甲基化水平改變
1.3.1 Reelin 基因甲基化與癲癇
Reelin 是由 Cajal-Retzius 細胞的一種細胞外基質分子，主要作用是在哺乳動物大腦的早期發育中，作為神經細胞遷移終止信號調節神經元的遷移和定位，誘導大腦板層結構形成。而在成熟的腦組織中，Reelin 蛋白可以調節神經元突觸的功能，以及參與大腦板層結構的維持。研究發現，顳葉癲癇患者海馬 Reelin 蛋白表達明顯降低，且降低程度與海馬齒狀回顆粒細胞彌散程度密切相關，提示 Reelin 蛋白與顳葉癲癇密切相關[14, 15]。Levenson 等發現 DNMTs 抑制劑在調節成熟海馬神經元突觸可塑性的同時，Reelin 基因啟動子區甲基化也發生了變化。隨后，Kobow 等[16]觀察到顳葉癲癇患者的硬化海馬區的 Reelin 基因甲基化水平與顆粒細胞板層結構破壞程度明顯相關。
1.3.2 SCN3a 基因甲基化與癲癇
SCN3a 基因編碼的 α 亞基是組成電壓門控鈉離子通道 α 亞基的一個亞型，其主要作用是維持胚胎期中樞神經系統神經細胞的興奮性。研究表明，SCN3a 基因高表達參與癲癇的形成[17-19]。Li 等[20]研究發現，SCN3a 啟動子區-39 位點甲基化狀態改變可影響其與 MBD2 的結合能力，從而調節 SCN3a 基因的表達，參與癲癇的發生。
1.3.3 BDNF 基因甲基化與癲癇
腦源性神經營養因子（Brain-derived neurotrophic factor，BDNF）對神經細胞有著廣泛的營養作用和重要保護作用。BDNF 能促進苔蘚纖維芽生，建立新的突觸鏈接作用，其高表達能導致驚厥發作[21, 22]。Parrish 等[23, 24]檢測到海人酸誘導的癲癇持續狀態后小鼠的海馬組織 BDNF 基因甲基化水平明顯降低。
癲癇相關基因甲基化水平失調導致的基因異常表達，可能是癲癇發病的關鍵環節。多項研究還發現了其他癲癇相關基因甲基化水平的變化（表 1）。
表1
癲癇相關基因甲基化水平改變
2 甲硫氨酸循環與癲癇
DNA 甲基化依賴 SAM 為其提供甲基供體，而甲基供體 SAM 的合成和在體內的平衡主要依賴于甲硫氨酸循環。甲硫氨酸循環是指，甲硫氨酸活化生成 SAM，被甲基轉移酶（Methyltransferase，MTs）催化去甲基生成 S-腺苷同型半胱氨酸（S-adenosyl homocysteine，SAH），SAH 再脫去腺苷生成同型半胱氨酸，同型半胱氨酸再接受 N-CH3-FH4 上的甲基，重新生成甲硫氨酸的循環過程（圖 1）。細胞內 SAM 濃度的增加可以促進 DNA 的甲基化，而高 SAH 水平可以防止 DNA 的進一步甲基化[29]。因此，甲硫氨酸循環可能通過參與調節體內甲基化水平，與癲癇的發生發展密切相關。
圖1
甲硫氨酸循環
多項研究表明，參與甲硫氨酸循環中的代謝物與癲癇密切相關。蛋氨酸亞砜亞胺（Methionine sulfoximine，MSO）是一種已知幾十年的具有誘發癲癇發作的化學物質。甲硫氨酸作為 MSO 的一種成分，其在癲癇中的作用也就通過 MSO 的促驚厥作用表現出來[30]。與甲硫氨酸相比，腺苷和 SAM 已被證明具有抗驚厥作用。Williams-Karnesky 等[31]研究發現，對海人酸造模小鼠給予持續 10 d 的腺苷干預，可以逆轉小鼠腦組織的 DNA 甲基化變化，同時抑制海馬苔蘚纖維的芽生，從而抑制癲癇的自發發作。Dhediya 等[32]研究發現，SAM 可以顯著延長戊四氮誘導的大鼠點燃模型的潛伏期，改善發作的嚴重程度。此外，同型半胱氨酸作為一種 N-甲基-D-天冬氨酸受體激動劑，也可通過增加谷氨酸能神經元傳遞發揮促驚厥和神經毒性的作用[33]。
3 結語
綜上，DNA 甲基化在癲癇發展過程中是動態調節的，并與癲癇密切相關。干預甲硫氨酸循環中的物質代謝或者關鍵基因的甲基化水平，可能成為未來抗癲癇治療的有效方法。DNA 甲基化在癲癇研究中作為一個新的領域具有廣泛前景。
