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基因甲基化到底有什麼用?

作者:kylelong  於 2022-6-2 20:03 發表於 最熱鬧的華人社交網路--貝殼村

作者分類:養生保健|通用分類:健康生活

基因甲基化到底有什麼用?


基因甲基化(methylation)是現代生物與醫學界最熱門的一個專業辭彙。甲基化,是指從活性甲基化合物上將甲基催化轉移到其它化合物的過程,可形成各種甲基化合物,或是對某些蛋白質或核酸(基因、DNA)等進行化學修飾形成甲基化產物。在生物系統內,甲基化是經酶催化的,這種甲基化涉及重金屬修飾、基因表達的調控、蛋白質功能的調節以及核糖核酸加工。

DNA甲基化作為一種重要的表觀遺傳機制,主要通過甲基轉移酶的作用將甲基引入DNA中,導致基因表達水平改變從而引起表型變化。大量研究表明,DNA甲基化與人類的多種疾病及動植物的生長、發育、衰老等密切相關。功能性成分因其可調節人體機能而日益受到人們的重視,其調節機制也成為科研工作者的研究重點。研究顯示生物體DNA甲基化水平因自身和環境因素改變而變化,而多種具有生物活性的功能成分也對其有重要影響。

如果從分子水平再具體講,DNA甲基化是最早發現的一種與基因抑制相關的表觀遺傳機制,它不改變DNA的鹼基組成而影響基因的表達,並廣泛存在於動、植物基因組中。哺乳動物DNA甲基化過程是由S-腺苷甲硫氨酸(SAM)活化甲基,在甲基轉移酶(DNMT)催化下將甲基基團轉移到胞嘧啶的第五個碳原子上,DNMT作為DNA甲基化的核心調控物質在此過程中起「指揮」作用;DNMT主要分為DNMT1、DNMT3a、DNMT3b 3種,DNMT1在DNA複製過程中維持了DNA子鏈與母鏈相同的甲基化狀態,DNMT3a和DNMT3b則是從頭參與合成甲基化,DNA甲基化參與包括基因印記,維持染色體完整性,調節基因表達等多種生理過程,DNA甲基化因其對多種疾病都有重要影響而成為近年來醫學和營養學研究的重點。

甲基化研究是現代最流行的分子生物學與臨床醫學領域,而且已經開始走向臨床醫學的治療以及營養醫學的食療。本文略微分析一二,供大家參考。

1、甲基化的功能

DNA甲基化能關閉某些基因的活性,去甲基化則誘導了基因的重新活化和表達。DNA甲基化能引起染色質結構、DNA構象、DNA穩定性及DNA與蛋白質相互作用方式的改變,從而控制基因表達。
 
2、甲基化與疾病

甲基化狀態的改變是引起腫瘤的一個重要因素,這種變化包括基因組整體甲基化水平降低和CpG島局部甲基化水平的異常升高,從而導致基因組的不穩定(如染色體的不穩定、可移動遺傳因子的激活、原癌基因的表達)和抑癌基因的不表達。如果抑癌基因中有活性的等位基因失活,則發生癌症的機率提高,例如:胰島素樣生長因子-2(IGF-2)基因印記丟失導致多種腫瘤。由此可見,甲基化是雙向的:正甲基化與去甲基化。

目前腫瘤甲基化的研究主要集中在抑癌基因。這是因為人們發現腫瘤的發生可能與抑癌基因啟動子區的CpG島甲基化造成抑癌基因關閉有關。由於CpG島的局部高度甲基化早於細胞的惡性增生,因此甲基化的診斷可以用於腫瘤發生的早期預測,而且全基因組的低甲基化也隨著腫瘤發生而出現,並且其隨著腫瘤惡性度的增加而顯著,因此甲基化的檢測可用於腫瘤的分級。
 
3、甲基化的類別

(1)DNA甲基化

DNA甲基化主要形成5-甲基胞嘧啶(5-mC)和少量的N6-甲基腺嘌呤(N6-mA)及7-甲基鳥嘌呤(7-mG)。在真核生物中,5-甲基胞嘧啶主要出現在CpG序列、CpXpG、CCA/TGG和GATC中。脊椎動物的DNA甲基化一般發生在CpG位點。經DNA甲基轉移酶催化胞嘧啶轉化為5-甲基胞嘧啶。人類基因中約80%-90%的CpG位點已被甲基化,但是在某些特定區域,如富含胞嘧啶和鳥嘌呤的CpG島則未被甲基化。這與包含所有廣泛表達基因在內的56%的哺乳動物基因中的啟動子有關。1%-2%的人類基因組是CpG群,並且CpG甲基化與轉錄活性成反比。

(2)蛋白質甲基化

蛋白質甲基化一般指精氨酸或賴氨酸在蛋白質序列中的甲基化。精氨酸可以被甲基化一次(稱為一甲基精氨酸)或兩次(精氨酸甲基轉移酶(PRMTs)將兩個甲基同時轉移到精氨酸多肽末端的同一個氮原子上成為非對稱性甲基精氨酸,或者在每個氮端各加一個甲基成為對稱性二甲基精氨酸)賴氨酸經賴氨酸轉移酶的催化可以甲基化一次、兩次或三次。在組蛋白中,蛋白質甲基化是被研究較多的一類。在組蛋白轉移酶的催化下,S-腺苷甲硫氨酸的甲基轉移到組蛋白。某些組蛋白殘基通過甲基化可以抑制或激活基因表達,從而形成為表觀遺傳。蛋白質甲基化是翻譯后修飾的一種形式。
  
4、甲基化在衰老過程的變化

對於多數脊椎動物的組織,其基因組中總甲基胞嘧啶的含量隨衰老而傾向於減少,從而引起基因組中低甲基化。主要由於:

(1)DNA甲基化外源性調節與衰老

外源性因素,如與衰老相關的營養因素參與了DNA 低甲基化。食物甲基化供體攝入的不足有可能導致某些基因啟動子發生去甲基化,而這些標記的改變可能會導致病理情況的發生和發展,如肥胖、2 型糖尿病、癌症、心血管系統疾病、神經退行性疾病和免疫性疾病等一系列老年性疾病。此外,食物中微量元素的不足也會影響DNA 的甲基化。在老年人中,微量元素鋅、硒等的缺乏會導致一碳代謝的改變,從而也會引起基因組DNA 的低甲基化。

(2)DNA甲基化內源性調節與衰老

DNA 甲基化的內源性調節因素主要指機體內DNA 甲基轉移酶和去甲基化酶的活性水平和體內其它因素對DNA 甲基化水平的調節。至少有3個方面。第一,DNA甲基化酶活性改變:隨著年齡的增加,對於保持異染色質DNA 超甲基化狀態起重要作用的Dnmt1 活性逐漸降低,引起被動去甲基化,進而引起在衰老過程中,基因組的DNA 甲基化被逐漸消耗。從出生到衰老的過程中,Dnmt1 的表達量顯著減少,並且Dnmt1 的活性降低可能導致在有絲分裂過程中甲基化模式複製減少。第二,葉酸代謝的障礙:隨著年齡的增加,作為甲基供體之一的葉酸的攝入及其可利用率降低,葉酸也逐漸減少。衰老時由葉酸調節一碳代謝通路中的高半胱氨酸含量增加。而一碳代謝中甲基轉移的紊亂是引起血液中高同型半胱氨酸增加的一個主要原因,這也同時增加細胞的S- 腺苷高半胱氨酸,進而抑制DNA 甲基轉移酶活性,導致基因組低DNA 甲基化狀態。第三,激素水平的改變:隨著年齡的增大,動物機體內的激素水平也相應地發生一系列的變化。這些激素對於基因組的DNA 甲基化狀態也產生了一定的影響。隨著年齡的增加,性激素的減少可能會引起低DNA 甲基化。
 
5、甲基化與X染色體失活

哺乳動物中GpC島胞嘧啶的甲基化與X染色體失活密切相關,若GpC島甲基化缺失,X染色體失活狀態將不穩定。哺乳動物中,雌性體細胞內存在兩條X染色體,而在雄性體細胞內只存在一條X染色體,這就要求必須對不同數量的X染色體進行劑量補償,使雌性個體中的一條X染色體失活。X染色體失活一旦建立則保持穩定,其所有的子細胞均失活同一條X染色體。

當一個卵子與精子形成一個雌性胚胎時,X特異性失活轉錄本可以通過甲基化使來自於父方的那條染色體失活。xist基因5′端在活性的X染色體中是完全甲基化的,而在失活的X染色體上則是非甲基化的,也就是說xist基因是在失活X染色體上轉錄而在活性X染色體上不轉錄的唯一基因,即xist基因的甲基化是相應染色體保持活性的保證。

6、有機功能性成分對DNA甲基化的影響

(1)多酚和黃酮類化合物對DNA甲基化的影響

多酚和黃酮類物質是一類從天然產物中提取的具有生物活性的有機類化合物。黃酮類物質的中心結構由兩個具有酚羥基結構的苯環通過一個三碳環連接組成的C6-C3-C6結構,由於 C環的結構不同,黃酮類化合物又可分為異黃酮類、二氫黃酮、黃酮類、花色素等;多酚類化合物是指分子結構中有若干個酚性羥基的植物成分的總稱,普遍存在於植物種子、水果蔬菜及中草藥中,其具有抗病毒、消炎、利膽、強心以及抗氧化、抗衰老、免疫調節和抗腫瘤等多種藥理作用。

研究發現:植物多酚(酚酸、白藜蘆醇)和黃酮類化合物(高良姜素、楊梅素、根皮素)可誘導喉癌細胞系的RARβ、RASSF1A、HIA-1等基因高甲基化並阻止其去甲基化。通過MSP和RT-PCR法檢測,發現二氫楊梅素可抑制甲基轉移酶從而誘導人的乳腺癌MCF-7細胞第10號染色體缺失的磷酸酶及張力蛋白同源基因(Phosphatase and tensin homologue deleted on chromosome 10,PTEN)的去甲基化。薑黃素也能上調PTEN的MiR-29b和下調DNMT3b介導其DNA甲基化。黃連素能降低高脂日糧大鼠MTTP基因啟動子的甲基化程度。另有研究報道,不同劑量的大豆異黃酮皆可顯著下調大鼠Aldh1l1基因啟動子區甲基化水平,而高劑量的大豆異黃酮則上調Extl1和WAP基因啟動子甲基化水平,新疆雪蓮總黃酮可使因高甲基化無法表達的基因正常表達並抑制DNA甲基化酶活性。此外,較早研究還發現以黃酮類物質為主要成分的蜂膠乙醇提取物(EEP)能提高小鼠心肌DNA甲基化水平,染料木黃酮(Genistein)可引起異常沉默的腫瘤抑制基因再次表達,茶多酚具有提高老年小鼠肝臟甲基化酶活性的作用。

多酚和黃酮類化合物在影響甲基化過程中通常是和飲食中的多種活性成分相互協同起作用,而單一成分對甲基化影響並不明顯,其對DNA甲基化的可能作用機制有以下幾點:(1)通過與甲基轉移酶(DNMT1)催化位點作用抑制其活性從而影響DNA甲基化狀態;(2)通過改變能量代謝間接改變相關基因的甲基化水平;(3)將S-腺苷甲硫氨酸(SAM)轉變為S-腺苷高半胱氨酸(SAH)從而達到抑制DNMT的作用。

(2)維生素對DNA甲基化的影響

維生素是人和動物生長發育過程中所必需的營養素,生物體不能自身合成,必須從食物中獲得。維生素分為脂溶性(維生素A、D、E和K)和水溶性(B族維生素,維生素C)兩類,若長期缺乏某種維生素將引起嚴重的生理功能障礙。維生素作為人和動物維持正常生理功能的一種有機成分,對DNA甲基化有非常重要的影響。其中葉酸、維生素B12、維生素B6、維生素B2是最主要的影響物質,它們通過一碳單位代謝參與調節DNA甲基化。葉酸是一種水溶性B族維生素,由小腸吸收轉化為四氫葉酸(THF)再經一系列輔助因子參與調節后不可逆的變為5-甲基四氫葉酸,此過程中的甲基最終傳遞給SAM為DNA甲基化提供了甲基供體;其次維生素B12作為一種重要輔助因子參與了同型半胱氨酸(Hcy)轉化為甲硫氨酸和5-甲基四氫葉酸轉化為四氫葉酸的過程;而維生素B6則參與Hcy轉化為半胱氨酸,THF轉化為亞甲基四氫葉酸的過程;維生素B2作為多種輔酶的前體物質影響葉酸和維生素B12的代謝。作為甲基的重要來源物質,它們中的任何一種缺乏或過剩都會影響DNA甲基化水平。此外,維生素C也可阻止甲醛介導的支氣管上皮細胞系DNA氧化和甲基化,並支持了DNA氧化可誘導其甲基化假說,同時膽鹼也是一種可改變DNA甲基化水平引起人的神經系統發育的物質。

大量實驗證明了以上物質在DNA甲基化中的重要作用,Duthie等[17]通過小鼠試驗發現葉酸缺乏可致小鼠肝臟和結腸中的SAM/SAH下降進而引起DNA低甲基化,Kotsopoulos等[18]的研究指出斷奶后飼料中葉酸缺乏將導致大鼠肝臟中甲基化水平上升而這種狀態將維持到成年直至飼料中的葉酸增加;長時間缺乏維生素B12可能誘導食管鱗狀細胞癌和賁門腺癌和DNA低甲基化,還有報道表明圍孕期飲食中的B族維生素含量可能改變其後代的胰島素樣生長因子(IGF-2)基因 DNA 甲基化模式。

因此,適當的補充這幾種維生素將維持體內DNA甲基化的穩定,減少患癌幾率,促進嬰幼兒神經發育。

(3)OMEGA-3多不飽和脂肪酸對甲基化的影響

OMEGA-3多不飽和脂肪酸(OMEGA-3 PUFAs)又名ω-3多不飽和脂肪酸,是一類含有兩個以上雙鍵的不飽和脂肪酸。常見的多不飽和脂肪酸有:α-亞麻酸、二十碳五烯酸(EPA)、二十二碳六烯酸(DHA)和二十二碳五烯酸(DPA),主要存在於堅果、海豹和深海魚類中,能夠促進嬰幼兒腦部和神經系統的發育,降低心血管疾病發病率,抑制血栓形成,降血壓,保護視力。國內外近期研究表明,OMEGA-3多不飽和脂肪酸也參與調控DNA甲基化,對阿拉斯加Yup』ik地區的185位OMEGA-3 PUFAs攝入最多和最少的當地土著人的470 000個DNA甲基化位點做出評估顯示,與生物學有關的27個不同甲基化CpG位點有表觀遺傳學上的極顯著差異(P<1×10-7);對3組分別餵養OMEGA-6 PUFAs、OMEGA-3 PUFAs和正常脂飼料的小鼠脂肪組織基因組DNA總甲基化和甲基轉移酶活性進行了測定,結果表明OMEGA-3 PUFAs組的總甲基化程度明顯低於OMEGA-6 PUFAs組,但OMEGA-3 PUFAs組甲基轉移酶的表達無變化,可見OMEGA-3 PUFAs並不作用於甲基轉移酶改變DNA甲基化狀態。目前關於OMEGA-3多不飽和脂肪酸影響DNA甲基化的作用機制還未明確,仍需做進一步研究。

(4)其它物質對DNA甲基化的影響

除以上幾類功能成分影響DNA甲基化外,仍有許多物質可改變DNA甲基化水平,報道指出很多精神活性作用的生物鹼的濫用也可干擾DNA甲基化狀態。例如,可卡因的過量攝入可以使母體內的小鼠PKCε基因啟動子鄰近區域激活蛋白-1(AP-1)結合位點甲基化程度上升從而抑制了PKCε的轉錄和表達。酒精也能間接引起DNA甲基化異常,其作用機制主要是通過影響營養物質和維生素的代謝導致甲基供體和SAM合成被抑制。甲基苯丙胺也能通過改變DNA甲基化水平抑制其轉錄。嗎啡可通過抑制興奮性氨基酸3型轉運體介導的半胱氨酸攝入量減少因氧化還原引起的人的神經元SH-SY5Y細胞全基因甲基化,這些精神活性物質大多通過增加或降低甲基化程度進而抑制DNA轉錄過程。

黃芪多糖可使人胚肺二倍體成纖維細胞(HDF)的P16基因外顯子Ⅰ限制性內切酶SmaⅠ位點的甲基化水平隨著年齡增加而減少,通過改變SA-β-gal活性延緩細胞衰老;樹舌多糖(GF)有防止小鼠HepA瘤基因組低甲基化的作用。植物性的異硫氰酸酯多存在於十字花科蔬菜中,如花椰菜,辣根等。目前的研究已經證實異硫氰酸酯類化合物具有抗癌,抗腫瘤等功效。研究表明異硫氰酸苯己酯能將P15基因高甲基化的Molt-4細胞去甲基化,使該基因重新表達;研究發現富含多種脂肪酸和維生素E的可可提取物能夠降低人的外周血白細胞DNA甲基化程度,並抑制甲級轉移酶的表達。

7、無機功能成分對DNA甲基化的影響

無機功能成分在影響DNA甲基化方面的作用也不容忽視。目前的研究現狀顯示對DNA甲基化有影響的無機功能成分主要有硒、鋅等微量元素。研究發現低硒日糧組雞的肌肉、肝臟、腦、免疫組織中的DNA總甲基化水平低於對照組,甲基轉移酶DNMT1,DNMT3a,DNMT3b的mRNA表達水平也有降低趨勢,硒的缺乏也可導致結腸癌細胞DNA的低甲基化;用不同劑量的鋅物質對不同時期的果蠅進行干預發現:鋅對提高果蠅DNA甲基化多態性有一定幫助。此外,鋅還能導致鼠肝臟基因組DNA的低甲基化。

硒和鋅主要通過一碳循環中酶的輔助因子或作為必要物質發揮作用進而影響DNA甲基化,硒還可改變DNMT1的活性使甲基基團失效影響已甲基化的DNA分子的複製過程,鋅參與合成甲硫氨酸,而甲硫氨酸是SAM的重要原料,因此鋅的缺乏也將引起DNA正常甲基化受阻。

8、可以影響DNA甲基化的食物

簡單回顧一下:當DNA雙螺旋某些纏繞的部分鬆開時,甲基基團就可以和這部分的DNA或組蛋白結合,這叫做甲基化。甲基化可以調控基因表達,也就是關閉或開啟基因。甲基化並不是唯一的基因調控方法,但是是最普遍的。已經有足夠的證據說明,環境確實會通過表觀遺傳作用開啟或關閉基因。「表觀遺傳學」(epigenetics)是近年來生命科學的研究重點——在基因沒有突變的前提下,還有其它因素可以影響基因的表現,而這些影響可以經由細胞分裂不斷複製。

「甲基化」(methylation)是現在研究最透徹的「表觀遺傳標記」,活化基因的啟動區如果被甲基化,基因就會傾向「不活化」,不合成蛋白質,原有的身體功能就會發生變化。那我們就盡量找出有「去甲基化」作用的食物,提煉成精,每天吞下好幾顆,不就可以常保健康?現在有許多健康食品,就在初步的動物實驗后,開始倡導具有健康、糾錯甚至防癌功能。當然,有機的普通食材,可能比提純的功效營養素更加讓人放心。

對基因的調控不當,比如低甲基化,會導致各種慢性疾病的發生。甲基化失衡也是腫瘤發生的表觀遺傳標記之一。造成低甲基化的原因之一就是甲基化的原材料不足。這些原材料,也叫「甲基供體」,包括:葉酸,維生素B12,膽鹼(一種B族維生素複合物),omega-3脂肪酸,以及多種礦物質和必需氨基酸。哪些食物富含「甲基供體」呢?——動物內臟、貝類、蛋類、蔬菜。注意,高糖飲食(精加工米面糖和酒精)與人工食品添加劑(包括轉基因食品)會上調炎症反應蛋白,反過來造成甲基化失衡。除了可見營養的食物因素,還包括長期慢性壓力、炎症、噪音、睡眠等環境因素。

但是,問題在於:生物細胞太複雜,某種成分對某些人可能會帶來某些好處,但也可能會有潛在風險,需要一段時間才會發現。比如說,有些人天生代謝咖啡因的速度慢,這些人常喝咖啡有預防乳癌效果,但也會增加得到心臟病的機率。這種防癌效果,並不會出現在代謝速度正常的人。而「去甲基化」也不是完全正面。也許有某種食物會對抑制A癌症的基因「去甲基化」,但同時也對B癌症的促進因子去甲基化。福禍相倚是世間常態,要不然喝綠茶的民族應該會最長壽了。也就是說,正甲基化與去甲基化,到底如何影響健康,或者說是有助於健康還是有損於健康,要因人而異,因具體的基因改變而不同。


最後的話

食物功能性成分不僅為機體提供能量和多種營養物質,同時通過改變和修飾染色質的結構調節基因的表達,使得機體表型發生變化。研究結果表明:從食物中獲得的各種功能活性成分,通過相互影響或協同作用對動物基因組DNA 甲基化產生影響,它們作用於甲基轉移酶、一碳單位代謝和某些尚未明確的分子機制。利用甲基化的食物對生命過程的調節,使得我們的健康與生存向好的一面轉化,這是本文最後的結論。

一個顯著的例子就是生酮飲食(包括嚴格生酮、半生酮、改良生酮等等),這種飲食結構,不是單一的吃什麼(比如脂肪)不吃什麼(比如碳水),而是注重甲基化食物和抗炎食物的選擇、抗營養素食物和致炎食物的避免等等。許多人都擔心長期低碳水飲食,可能會造成身體疾病。然而,越來越多的表觀遺傳學證據表明,長期低碳水飲食是最有益於基因正常表達、並能把人的基因潛力發揮到最大程度的飲食方式。經過多年研究,有學者總結了「人類飲食」的 四大支柱:帶骨頭的肉類、動物器官和內臟、發酵發芽類食物和新鮮無人工添加劑的食物。這些低碳水食物,就是人體與基因對話的正確語言,也是百萬年前人類早期社會的飲食結構基礎。正是農業革命與工業革命,提高了碳水化合物和人工食品添加劑在我們飲食結構中的比例,導致一系列亞健康與慢性病。

現代科技,有各種儀器可以幫助我們,記錄我們的睡眠質量,跑步時的最大心率,消耗的卡路里數,可以查詢食物的營養成分,測量血壓血糖血脂……我們理應更健康,但我們沒有。更精確的秤、更全的卡路里資料庫,不會讓我們變得更健康。讓我們變得更健康的,是尊重食物、了解食物,等候食物給你豐厚的回饋。8000年前編著的《神農本草經》,就是講的尊重食物、了解食物。在醫學所謂的「如此發達」的當今社會,亞健康與慢性病卻無法避免,說明這樣一個道理:選擇正確的、自然的食物,根本不用去想該吃多少克蛋白質,多少克脂肪才合適。那些天然食物里的營養配比,天然就是最合理的。所以,這個答案不關乎計算,而是關乎食材的選擇、搭配與烹飪,以及對自己的健康管理。請繼續關注《加拿大博士龍立體排毒免疫修復》推廣的來自最原始飲食結構的生酮、低碳、分食、太極食療方法,以及生命全周期全息營養健康管理。




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