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    硒的表觀遺傳效應及其對健康的影響

    發表于:2019-02-19   作者:admin   來源:本站   點擊量:2224

    摘要:
    表觀遺傳標記的改變與正常發育和細胞分化以及常見慢性疾病的進展有關。這些標記的可塑性為疾病治療和預防策略提供了潛力。 已顯示大量和微量營養素通過對表觀基因組的影響部分地調節疾病風險。必需的微量營養素硒通過硒蛋白和一系列生物活性膳食硒化合物及其代謝產物影響人類健康結果,例如癌癥,心血管和自身免疫疾病。該綜述提供了關于膳食和合成硒化合物的表觀遺傳效應的當前文獻的評估,其包括表觀遺傳信息的標記和編輯器的調節以及對單碳代謝的干擾,其提供用于DNA甲基化的甲基供體。討論了硒 - 表觀基因組相互作用對人類健康的相關性,并且我們還指出了未來的研究將有助于更深入地了解硒引起的表觀遺傳效應。
     
    引言
    表觀遺傳學描述了在不改變基因組DNA序列的情況下調節基因表達的有絲分裂的穩定的染色質機制。這些機制包括DNA的修飾[胞嘧啶甲基化為5-甲基胞嘧啶(5mC)和5mC氧化產物]和組蛋白(乙?;?,甲基化等),其干擾染色體的包裝和反式作用因子的結合。DNA / RNA測序技術的最新進展使得有可能在全基因組水平上研究表觀遺傳標記,從而深入了解所謂的表觀基因組。多中心聯盟,即DEEP(Deutsches Epigenom-Programm,德國表觀基因組計劃,www.deutsches-epigenom-programm.de)和IHEC(國際人類表觀基因組聯盟,www.ihec-epigenomes.org)目前正在破譯高分辨率的健康和患病組織/細胞類型的表觀基因組圖譜,以獲得標準的和疾病特異性表觀基因組圖譜。根據目前的知識,表觀基因組在整個生物體的整個生命過程中,在細胞分化過程中以及對多種外部刺激的反應中都表現出可塑性。表觀基因組的變化也與癌癥和其他復雜疾病的發病和進展有關,如自身免疫性疾病、炎癥性腸病、2型糖尿病和心血管疾病。大多數這些關聯的因果關系尚不清楚,但考慮到表觀遺傳標記的主要可變性——與細胞中基本穩定的DNA結構形成對比——以表觀基因組為靶點可能在疾病治療和預防方面提供一個有前途的策略。上述常見疾病的風險和進展的主要決定因素除了遺傳易感性外,還有生活方式和飲食等環境因素。已經發現,飲食模式、特定(微)營養素和次生植物化合物會改變表觀遺傳標記,越來越多的證據表明,食物成分對健康結果的調節(至少部分)是由表觀遺傳效應介導的。雖然常量營養素(如實驗用的高脂肪、高蛋白或卡路里限制飲食)也被證明可以改變表觀遺傳標記,但由于常量營養素引起的多重混雜效應和成分的變化,很難對這些觀察結果作出機理解釋。因此,大多數研究已經評估了對特定微量營養素和次生植物化合物干預響應的表觀遺傳效應。在這方面,硒(Se)是存在于一系列生物活性化合物中的必需微量元素,是特別令人感興趣的微量營養素。在使用細胞系統和動物的研究中,以及在有限數量的人類研究中,已經發現它可以修改表觀遺傳標記。Se對維持最佳健康的重要性是基于2種主要硒種群的生物學功能:硒蛋白家族成員,由人類25種基因編碼,含有共翻譯插入的硒代半胱氨酸,其次,包含在飲食中的非硒蛋白池中的低分子量硒化合物或來自硒代謝。充分表征的硒蛋白,例如谷胱甘肽過氧化物酶(GPx),硫氧還蛋白還原酶(TrxR)和碘甲狀腺原氨酸脫碘酶(DIO)是氧化還原酶,并且充當抗氧化酶,氧化還原敏感信號傳導途徑和甲狀腺激素代謝的調節劑。其他硒蛋白促進硒轉運(硒蛋白P),硒蛋白生物合成(硒磷酸合成酶2),并參與維持內質網穩態(例如,硒蛋白S,K和15-kDa硒蛋白)。硒蛋白對小鼠發育和健康的重要性已經在具有單一或完全硒蛋白消耗的轉基因小鼠中得到證實。此外,具有遺傳上受損的硒蛋白生物合成的人患有嚴重的多系統疾病。 已知小鼠和人硒補充研究的生物學結果(例如,疾病發生率,對轉錄組,表觀基因組和硒狀態的影響(及其中的參考文獻),不僅受Se劑量的影響,而且還受其化學形式和補充前Se狀態的影響。因此,我們將簡要介紹硒的需求和膳食硒化合物的代謝。此后,我們總結了目前對天然存在的和合成的硒化合物對表觀遺傳標記和編輯的影響的知識,并討論了它們對健康和疾病的可能相關性。目的是研究Se -表觀基因組相互作用的生化基礎,為此,我們將重點研究Se化合物對表觀遺傳機制(如DNA甲基轉移酶、組蛋白修飾酶、單碳代謝)的直接和間接影響。目前的知識還不能完全回答這些問題,因此我們指出哪些研究可能有助于拓寬我們對未來se -表觀基因組相互作用的理解。
     
    硒的需求量和膳食硒化合物的代謝
    在西方國家,顯性硒缺乏癥相對較少。與硒缺乏相關的一種臨床癥狀是克山病,它發生在中國的一個省份,受影響的人每日總硒攝入量≤15μg。據世界衛生組織(World Health Organization)的定義,可容忍的硒攝入量上限為每日400μg,大多數衛生機構建議每日攝入的硒量在55至70μg之間。這些建議通?;诳偽鴶z入量來優化血漿中GPx3和SeP的活性/表達,這是2種常用的硒狀態生物標志物。實現血漿GPx3活性的優化在40-47μg Se /天,而SeP需要~105μg Se /天。與SeP優化(124μg Se/l)一致的血漿硒濃度處于與降低死亡率風險和預防幾種癌癥相關的范圍內。超過這些硒水平的補充似乎不會帶來額外的益處,但可能會增加2型糖尿病的風險。主要的膳食硒化合物是氨基酸硒代蛋氨酸(SelMet),硒代半胱氨酸,Se-甲基硒代半胱氨酸,以及陰離子亞硒酸鹽和硒酸鹽(用于列出硒化合物和食品中的數量)。Se化合物通過不同的途徑(如圖1所示)代謝成硒化氫。硒化氫被甲基化為排泄形式(二甲基硒,三甲基硒,Se-甲基-N-乙?;禾前罚┗蛄姿峄癁槲姿猁},用作氨基酸硒代半胱氨酸(Sec)的前體,其從Sec特異性tRNA(Sec- tRNA [Ser] Sec)共翻譯插入進入硒蛋白。亞硒酸鹽通過谷胱甘肽化還原為硒(/二)谷胱甘肽或通過谷氧還蛋白直接還原為硒化物。SelMet的代謝通過轉硫途徑發生 - 由相同的酶催化將甲硫氨酸轉化為半胱氨酸至Sec,其通過硒代半胱氨酸β-裂解酶(SBL)轉化為硒化物和丙氨酸。在類似的反應中,SBL從Se-甲基硒代半胱氨酸產生甲基硒醇。甲基硒基氨基酸Se-甲基硒代半胱氨酸和SelMet可以分別通過谷氨酰胺轉氨酶K和L-氨基酸氧化酶轉氨基轉化為β-甲基硒基丙酮酸和α-酮基-γ-甲基硒基丁酸酯(參見Se代謝參考文獻見24)。
     
    圖1. 膳食硒化合物的代謝。 主要的有機和無機硒化合物通過轉硫化,轉氨作用和硫氧還蛋白還原酶,谷胱甘肽還原酶和谷氧還蛋白的還原代謝。 標有綠色背景的是參與的酶。 詳情請見文字。 GTK =谷氨酰胺轉氨酶K; AAO= L-氨基酸氧化酶; GR=谷胱甘肽還原酶; CGL=胱硫醚γ-裂解酶; CBS =胱硫醚β-合成酶; SBL =硒代半胱氨酸β-裂解酶。
     
    硒對DNA和組蛋白表觀遺傳修飾的影響
    硒對DNA甲基化的影響
    基因組DNA中胞嘧啶的甲基化是高等生物中最常見且可能研究最多的表觀遺傳修飾。甲基在DNA甲基轉移酶(DNMT1,DNMT2,DNMT3A,DNMT3B和DNMT3L)催化的反應中轉移,從供體底物S-腺苷甲硫氨酸(SAM)到胞嘧啶的5-碳位置 - 通常當它與鳥苷結合時在3’-,得到5-甲基胞嘧啶(5mC)。另一方面,DNA去甲基化不是直接催化的,而是由DNA復制偶聯稀釋產生的,其中5mC或5mC氧化產物[5-羥甲基胞嘧啶(5hmC),5-甲?;奏ぃ?fC)和5-羧基胞嘧啶 (5 caC)]不會被復制到新的DNA鏈,或者通過堿基切除修復(BER)或核苷酸切除修復(NER)將5 mC(或衍生物)與短的周圍核苷酸段一起替換。因此,營養物質對DNA甲基化的干擾主要是通過(i) DNMT活性/與附屬因子的相互作用、(ii) SAM可用性和(iii)去甲基化過程發生的。許多研究報道了Se狀態或補充對總DNA和基因特異性DNA甲基化以及DNMT的表達或活性的影響(列于表1)。Arai等人用母體血清中發現的生理,無毒Se劑量孵育小鼠胚胎干細胞。Se引起細胞異染色質狀態的可逆改變,并且還改變了在胎兒發育中起作用的個體基因的DNA甲基化狀態,包括Hnf4a(肝細胞核因子4a),Aebp2(AE結合蛋白2),Prickle2(刺猬同源物2), 和Rnd2(Rho家族GTP酶2),不損害細胞形成胚胎體的潛力。這些結果意味著通過對基因特異性甲基化的影響,Se與組織特異性分化之間存在有趣的聯系,因為眾所周知Se是體外肝細胞分化所必需的,轉錄因子HNF4a是該過程的關鍵調節因子。Arai等人觀察到的染色質結構的變化可能是由Se補充細胞和缺陷細胞的總DNA甲基化差異引起的。使用嚙齒動物和細胞系的研究確實表明飲食中Se攝入水平影響總DNA甲基化。嚙齒動物研究給出了關于補充硒對總DNA甲基化增加或減少的不一致結果,盡管使用了可比較的硒飲食(表1):硒缺乏導致大鼠肝臟和結腸中DNA甲基化較少,與Zeng等人的研究相反,其中喂食超營養的大鼠與足夠和缺乏的Se飲食的相比,肝臟和結腸中的DNA甲基化水平較高。Zeng等人指出,所用動物菌株和基礎飲食含量的差異可能是硒效應的改良劑。此外,采用不同的技術對總DNA甲基化進行評估:采用[3H -甲基]-SAM/SssI甲基化酶和分離的DNA 進行體外甲基群接受試驗,一個5 mC 酶聯免疫吸附劑測定(ELISA),用高效液相色譜(HPLC)檢測酶解DNA中的5mC單磷酸腺苷。體外研究的相關數據僅限于一篇論文,顯示LNCaP前列腺腫瘤細胞經1.5 μM亞硒酸鹽處理7 d后,5 mC免疫反應活性下降約50%??梢缘贸龅慕Y論是,亞硒酸鹽和硒代蛋氨酸(SelMet)對總DNA甲基化的影響可能被菌株特異性效應所掩蓋,而且它們還受到營養環境(如高脂肪飲食)的影響。該主題已在人類研究(N =287)中闡明,該研究發現血漿Se與白細胞中的總DNA甲基化呈顯著負相關。除了對整體甲基化的影響外,硒還被證明能在個體基因的區域和特定的CpG位點誘導不同的甲基化。Xiang等人的研究發現,編碼II相解毒酶GSTP1(π-型谷胱甘肽S-轉移酶)和腫瘤抑制因子APC(腺瘤性息肉?。┖虲SR1(細胞應激反應1)的基因由于其啟動子的高甲基化而在前列腺腫瘤中經常被沉默,在亞硝酸鹽處理后在LNCaP細胞中去甲基化并重新表達。類似地,不同來源的Se(100μM SelMet)引起啟動子去甲基化和GSTP1的重新表達。硒化合物通常以10nM至100μM的濃度用于體外研究。Se的生長抑制和毒性作用取決于其化學形式和細胞類型。 雖然Se與蛋白質(如血漿中)或氨基酸(例如SelMet)結合時具有低毒性,但許多細胞系不能耐受1μM劑量的亞硒酸鹽或甲基硒酸??紤]到人血漿中Se的生理濃度范圍(~0.4-2.5μM),> 5μM的Se劑量是超生理學的,不適用于補充試驗。在前列腺癌的預防中使用硒是非常有前途的,這是基于對前列腺癌風險和硒狀態反向關聯的觀察,以及支持硒蛋白缺陷小鼠中加速前列腺癌發生的發現。在這種情況下,可能會出現一種概念,認為Se是一種通過靶向腫瘤抑制基因來抵抗癌癥進展的表觀遺傳藥物,如Xiang等人所暗示的那樣,但當然需要進行體內研究以加強和擴展其他相關基因,這些基因也可能以不同形式和不同的癌變階段被Se靶向。發現von-Hippel-Lindau(VHL綜合征)基因啟動子的甲基化對Caco-2細胞中的Se(250nM Se-甲基硒代半胱氨酸(SeMSC))起反應; 體外培養的VHL啟動子甲基化被SeMSC降低,這與Caco-2和2 μg Se(SeMSC)喂養的大鼠VHL表達水平升高有關。VHL經常在腎細胞癌中下調和突變,并且還發現在結腸直腸癌發生期間失調,其中Se基于流行病學和動物研究被歸因于保護功能。一項針對人類的研究評估了與硒狀態相關的健康直腸粘膜標本(84名男性,101名女性)中結腸直腸癌相關基因的甲基化狀態。發現WIF1(wnt抑制因子1)甲基化和血漿Se濃度的關聯。有趣的是,硒的狀態也與其他基因和反轉錄轉座子的甲基化有關,包括LINE1(長散在的核苷酸元件1),PCA1(陽離子轉運P型ATP酶),SFRP1 / 2(分泌的卷曲相關蛋白1/2), 和APC,這是以性別特異性的方式發生的。沒有分析這些基因的差異甲基化是否與其表達水平的差異相關。EPIC(歐洲癌癥和營養隊列前瞻性調查)的研究揭示了Se狀態與結直腸癌風險呈負相關關系,這種關系在女性中比男性強。硒蛋白表達水平和硒狀態生物標志物對男性和女性補充硒的不同反應也可以明顯看出硒的性別特異性效應(總結見參考文獻38); Tapp等人的研究表明,Se效應的這種性別特異性延伸到癌癥相關基因的表觀遺傳標記,但這些發現與疾病病因學的相關性值得進一步研究。最近的一項研究將炎癥相關基因TLR2(toll樣受體2)和ICAM1(細胞間粘附分子1)鑒定為Se依賴性表觀遺傳調控的新靶點,并提出了一種機制,即Se改變GADD45的表達(生長停滯和DNA損傷誘導基因,α)和DNMT1,導致TLR2和ICAM1的表觀遺傳沉默,并將其與由長期嚴重缺乏的硒攝入引起的眾所周知的病癥聯系起來:克山?。↘D)。KD是一種病毒性心肌炎,心肌壞死病灶于1935年首次在中國東北的克山縣發現,在中國缺硒地區流行。結果發現,Se缺乏是KD的致病因素,Se作為補充劑后發病率顯著降低。Yang等人使用甲基化DNA-IP比較了來自KD患者和健康對照組的外周血中的DNA甲基化,并隨后通過Roche-Nimblegen HG18 CpG啟動子陣列分析了富集的DNA。甲基化組譜顯示在數千個差異甲基化區域(DMR)的差異,其通過甲基化特異性PCR證實了TLR2和ICAM1啟動子。此外,兩種基因的表達水平與啟動子甲基化程度和血清Se濃度呈負相關。用喂食含有0,0.1和2.0mg / kg亞硒酸鹽的飲食的大鼠獲得了類似的結果,而與人類受試者相比,在心肌組織和分離的新生兒心肌細胞中測量了Tlr2和Icam1基因的甲基化/表達。雖然與Se缺陷細胞相比,在用1.5μM亞硒酸鹽處理的心肌細胞中觀察到Dnmt1蛋白表達水平的顯著降低,但這不太可能并且預期是Tlr2和Icam1啟動子甲基化增加的原因。相反,作者認為這是由于Se處理的心肌細胞中Gadd45a mRNA和蛋白質表達水平的降低。GADD45A通過與BER-和NER-執行蛋白的相互作用與特定基因組位點,例如在RARβ2(視黃酸受體β)的基因中的去甲基化相關聯。但是,正如Yang等人暗示的那樣,GADD45A作為Se依賴性調節(位點特異性)DNA甲基化的介質的作用仍然是推測,直到通過使用例如GADD45A基因沉默和染色質免疫沉淀的其他研究證實。此外,許多研究報道,Se通過增強的p53結合活性增強
    DNA損傷修復能力(總結于42),部分地與大鼠心肌細胞獲得的結果相反,通過GPx-1-與MCF7細胞中GADD45的表達增加相關或其與DNA修復酶如AP內切核酸酶1的相互作用相關。然而,Se對DNA修復酶的這些作用是否確實促進DNA去甲基化尚不確定。
     
     
    另一種可能誘導差異DNA甲基化的se靶點是DNMT酶;在上述研究中發現,DNMT表達或活性的調節被認為有助于甲基化標記的調節。亞硒酸鹽和2種合成硒化合物,芐基硒氰酸鹽(BSC)和1,4-亞苯基雙(亞甲基)硒氰酸鹽(p-XSC)已被證明可抑制人結腸癌核提取物中的DNMT活性。3種化合物的IC 50值計算為3.8μM(亞硒酸鹽),8.4μM(BSC)和5.2μM(p-XSC),實驗的設置暗示化合物以其非代謝形式起作用。在體外試驗中,由大鼠肝臟制備的DNMT也在6.7μM的Ki下被亞硒酸鹽抑制,并且與對照動物組相比,從Se補充分離時酶活性較低。在體內,在喂食Se-足夠與缺乏的飲食(0.2和0mg Se / kg飲食作為亞硒酸鈉)的大鼠的肝臟和結腸中觀察到DNMT活性的非顯著降低。類似地,在大鼠心肌細胞和LNCaP細胞中通過1.5μM亞硒酸鈉和在MCF-7細胞中通過8μM亞硒酸鈉和2μM MSA,減少DNMT1蛋白表達。體外人和動物研究共同表明Se與總DNA甲基化和DNMT活性呈負相關。
     
    硒對組蛋白乙?;挠绊?/strong>
    組蛋白蛋白攜帶多種翻譯后修飾(如甲基化和乙?;?,由組蛋白甲基轉移酶、組蛋白乙酰轉移酶(HATs)等在確定的氨基酸位置添加。由IHEC聯盟研究的常見組蛋白標記是組蛋白3的賴氨酸殘基4,9,27和36處的甲基化和乙?;?。組蛋白標記的高度多樣化編碼控制組蛋白與DNA的結合、DNA與反轉錄因子的相互作用以及最終的基因表達。在疾病的發病和進展中發現異常的組蛋白密碼,因此成為治療目標。硒和其他微量營養素已被證明可誘導或與組蛋白標記的變化相關,從而可能影響健康結果。營養物質對組蛋白標記的干擾主要是通過調節組蛋白修飾酶活性/表達和對底物有效性的干擾發生的。鑒于標記和參與酶的種類繁多,情況甚至比DNA甲基化更復雜; 此外,DNA甲基化和組蛋白標記之間存在交叉鏈,它們一起構成了一個復雜的表觀遺傳調控網絡。從臨床角度來看,對組蛋白脫乙酰酶(HDACs)特別感興趣,因為它們的異常功能和/或表達與癌癥和一些神經和免疫疾病有關。已經開發了許多合成的HDAC抑制劑,并且目前正在臨床試驗中進行測試。一些天然存在的飲食因素或代謝物如丁酸鹽,多酚和硒也已被證明可作為HDAC抑制劑。報告通過膳食和合成Se化合物調節組蛋白標記和編輯酶(HDACs和HATs)的研究列于表2中并在下面討論。
     
    表2.通過膳食和合成硒化合物調節組蛋白修飾
     
     
    圖2. 含有Se的HDAC活性抑制劑。 硒代謝物(β-甲基硒丙酮酸和α-酮-γ甲基硒基丁酸酯)和合成硒化合物(B(PCP)-2Se [雙(5-苯基氨基甲?;旎┒裖,SelSA-1和PCP-SeCN(5-苯基氨基甲?;旎杌铮?,SelSA-2)的結構式具有HDAC抑制活性。
     
    用1.5μM亞硒酸鹽處理LNCaP細胞7天顯著降低HDAC活性,同時伴隨輕度降低的HDAC3和未改變的HDAC4和HDAC5蛋白水平。與降低的HDAC活性一致,作者發現,在Se處理后,總的和GSTP1啟動子結合的H3K9ac水平(一個 抑制標記) 增加,H3K9me3(一個活化標記)降低。其他研究證實,膳食和合成硒化合物可抑制HDAC活性。Kassam等人應用甲基硒酸(MSA; 5-30μM)擴散大B細胞淋巴瘤(DLBCL)細胞系并觀察到HDAC活性降低和HDAC靶向乙?;M蛋白H3和乙?;?alpha;-微管蛋白的總水平增加。這些效應需要MSA的細胞代謝,但HDAC失活的代謝物尚未被確認。Lee等人發現來自膳食硒化合物的硒代α-酮酸代謝物充當HDACs的抑制劑。在他們的研究中,SeMSC和SelMet在谷氨酰胺轉氨酶K(GTK)和L-氨基酸氧化酶催化的轉氨作用中反應為β-甲基硒丙酮酸和α-酮-γ - 甲基硒基丁酸,其結構與眾所周知的HDAC抑制劑丁酸鹽相似(圖2)。與SeMSC和SelMet相比,硒代-α-酮酸均抑制無細胞試驗中的HDAC活性,并導致前列腺癌細胞中乙?;M蛋白H3水平的快速升高。在實驗性癌發生的研究中觀察到的高劑量Se補充的抗癌作用部分歸因于HDAC的抑制并且刺激了更有效的含Se的HDAC抑制劑(HDACi)的合成?;谛炼1桨樊惲u肟酸(SAHA,商業上可用作伏立諾他)的結構,用于治療晚期T細胞淋巴瘤的HDACi,2個基于Se的衍生物被合成,命名為SelSA-1和SelSA-2(圖2)。SelSA-2對HeLa核細胞提取物(主要是同種型HDAC1和HDAC2)的HDAC抑制活性高于SAHA和曲古抑菌素A。兩種硒化合物在抑制皮膚重建中的黑素瘤細胞生長和黑素細胞病變發展方面也更有效,但它們作為針對黑素瘤或其他癌癥的藥物的用途尚未經過測試。最近的一篇論文表明,在用亞硒酸鹽(100-500nM)處理的巨噬細胞中,其賴氨酸殘基5,8,12和16處的組蛋白H4乙?;档?。與此同時,促炎性基因腫瘤壞死因子-α(TNF-α))和環氧合酶-2 (COX2)的啟動子中H4K12ac和H4K16ac的豐度下降,此前已在se處理的RAW264.7巨噬細胞中表達減少。這些細胞中的HDAC活性不受亞硒酸鹽的影響,作者提出亞硒酸鹽引發的H4乙?;浇档褪怯捎谕ㄟ^硒依賴性和造血前列腺素D合成酶(H-PGDS)抑制p300 HAT活性 - 和 COX介導抗炎Δ-PGJ和15d-PGJ的產生,其可以共價結合p300從而抑制其活性。重要的是,亞硒酸鹽沒有改變缺乏Sec-tRNA[Ser] Sec 的巨噬細胞中的H4乙?;?,表明硒蛋白生物合成是亞硒酸鹽誘導的H4乙?;{節的先決條件。由亞硒酸鹽(涉及H-PGDS,COX-2,p300 HAT和p65和H4乙?;┮l的所提出的級聯反應,可能觸發從M1轉變為巨噬細胞的M2表型。因此,這也有助于理解硒和硒蛋白在炎癥性腸病和其他慢性炎癥疾病中的抗炎作用。
     
    硒與單碳代謝的相互關系
    一碳代謝途徑(如圖3所示)提供甲基供體S-腺苷甲硫氨酸(SAM), DNMTs和其他甲基化酶作為底物將甲基轉移到細胞因子和靶蛋白。因此,單碳代謝與DNA甲基化緊密相關,并且影響一碳代謝的條件,特別是參與酶的輔助因子葉酸,膽堿/甜菜堿和維生素B2,B6和B12的可用性,顯示導致差異DNA甲基化。我們簡要描述了一碳代謝和相關途徑的反應,然后評估了當前的文獻關于其硒依賴性調節的發現。如圖3所示,甲硫氨酸與SAM反應,在DNMT催化的胞嘧啶或蛋白質甲基化后,SAM轉化為S-腺苷高半胱氨酸(SAH)。去除腺苷基團得到同型半胱氨酸(HCys)。血液或血漿中的HCys濃度具有臨床重要性,因為它與多種復雜疾病如心血管和神經退行性疾?。捌渲械膮⒖嘉墨I)有關。HCys的清除作用是通過其對甲硫氨酸的再甲基化進行的,進而作為SAM形成的底物,或者通過轉硫途徑代謝。該途徑的第一步是HCys與絲氨酸與胱硫醚的縮合反應生成胱硫醚,由胱硫醚β-合酶(CBS)與磷酸吡哆醛(PLP,維生素B6的活性形式)作為輔助因子催化。發現CBS基因的變體(c.844ins68)在甲硫氨酸加載后影響HCys清除率和SAM / SAH比率。c.844ins68也與冠狀動脈疾病的風險顯著降低有關,但基線HCys水平似乎不受健康個體中CBS基因型的影響。胱硫醚通過PLP依賴性酶胱硫醚 γ-裂解酶(CGL)轉化為半胱氨酸,半胱氨酸又與谷氨酸在谷氨酸 - 半胱氨酸連接酶(GCL)的催化下縮合成γ-谷氨酰半胱氨酸。最后,通過谷胱甘肽合成酶(GS)與甘氨酸融合導致谷胱甘肽的形成。 在涉及維生素B12和5-甲基-THF的酶促反應中,甲硫氨酸合酶(MS)促進了HCys的再甲基化。THF通過2個酶促步驟循環回到5-甲基THF,使用維生素B6和黃素腺嘌呤二核苷酸(FAD)作為輔助因子; 甲基最終來源于必需氨基酸絲氨酸。甲硫氨酸的第二種途徑是通過甜菜堿同型半胱氨酸甲基轉移酶(BHMT)對HCys進行甲基化,其使用甜菜堿作為甲基供體。
      
    圖3.  Se干擾一碳代謝。 標有綠色背景是酶; 已經證明受Se影響的酶標有紅色背景。 SAM = S-腺苷甲硫氨酸; MAT = 蛋氨酸腺苷轉移酶; SAH D S-腺苷高半胱氨酸; DNMT = DNA甲基轉移酶; ACHY = S-腺苷-L-高半胱氨酸水解酶; BHMT =甜菜堿同型半胱氨酸甲基轉移酶; GCL=D谷氨酸 - 半胱氨酸連接酶; MS = 蛋氨酸合成酶; SHM = 絲氨酸羥甲基轉移酶; MTHFR = 亞甲基四氫葉酸還原酶; 5,10-MeTHF = 5,10-亞甲基四氫葉酸; GTK = 谷氨酰胺轉氨酶K; AAO =  L-氨基酸氧化酶; GR = 谷胱甘肽還原酶; CGL D= 胱硫醚γ-裂解酶; CBS =胱硫醚β-合成酶; SBL =硒代半胱氨酸β-裂解酶。
     
    硒狀態與血漿同型半胱氨酸水平之間的相關性
    一些人體研究顯示血漿或血清Se和HCys水平之間呈負相關(表3)。在具有非常高的平均Se狀態(635.5mg Se / l血液)的因紐特人群中,硒對血漿HCys呈負性預測。Klapcinska等人在具有低平均Se狀態(62.5mg Se / l血液)的群體中類似地檢測到全血Se和血漿HCys之間的負相關。雖然兩項研究均報告了類似的研究結果,但已知可能影響HCys水平的混雜因素,特別是葉酸和B族維生素,需要加以考慮。在一項研究中,超過65歲的英國國民飲食和營養調查的參與者的Se和HCys之間的反比關系,在調整葉酸,PLP和維生素B12后,這種相關性變得微不足道。然而,在Bekaert等人的研究中,在調整相同的混雜因素之后,Se和HCys的關聯仍然很顯著,但僅限于男性。通過線性回歸分析計算血漿Se占HCys方差的1.8%。與此相符,血清Se預測西班牙人群中HCys的5.8%變異(方差),與葉酸和維生素B12無關,而最高與最低Se三分位組的個體在最高的HCys三分位組中的風險降低63%。年齡小于55歲的缺血性卒中患者在卒中發生不久后(第三天)進行評估,發現其Se水平低于健康對照組,與HCys呈負相關,占HCys方差的15.4%,與維生素B6水平無關。鑒于這些基線關聯,已經進行了試驗以確定Se補充是否影響血漿HCys。 以每日劑量100或300μg Se作為高Se酵母的形式補充硒6個月增加血漿Se,但對HCys水平沒有影響。這種效果的缺乏支持了早期的干預研究,其中每天給予200 μg Se(作為SelMet)20周未能改變血漿HCys水平; 然而,在該研究中未評估Se和Hys在基線處的可能關聯。
     
     
    動物實驗允許更大的靈活性設計補充研究,更好地控制混雜因素,以及更多的終點檢測選項。表4列出了對嚙齒動物的研究,飼喂具有不同Se形式和含量的飲食,隨后評估了一碳代謝的代謝物和酶。一些與Se的形式和種類無關的一般趨勢可以從這些研究中得出:(I)肝臟中似乎存在HCys和Se攝入/狀態之間的反相關。這源于對喂食SelMet的小鼠的研究和對喂食硒酸鹽的大鼠的研究。兩項研究均使用具有可比較Se含量的飲食,這些飲食與人群中存在的膳食攝入量水平相似。這兩項研究都使用了與人類飲食攝入水平相當的硒含量的飲食。引人注目的是,與充足的攝入水平(0.15 ppm Se)相比,這兩項研究都顯示,略微次優的Se攝入水平(0.05 / 0.06 ppm Se)顯著增加肝臟HCys濃度,大鼠為30%,小鼠為314%。后一項研究表明,肝臟高同型半胱氨酸血癥是由于對CBS的硒依賴性調節所致。其他研究也報道了屬于轉硫化(GCL)和再甲基化途徑(BHMT和甘氨酸N-甲基轉移酶)的酶的差異表達,但這些效應似乎是物種特異性的,僅在嚴重硒缺乏時才能見到。(II)在飼喂被認為缺乏Se(≤0.025ppm)的飲食的那些動物(小鼠和大鼠)中血漿HCys濃度顯著降低。(III)在飼喂具有超營養(> 0.2ppm)和足夠(0.1-0.2ppm)Se含量的飲食的動物中觀察到,血漿HCys水平降低的趨勢。
     
    考慮到人類研究顯示血漿HCys和Se呈負相關關系,這兩個飲食組的比較特別令人感興趣。由于ACHY催化的反應的可逆性(S-腺苷-L-高半胱氨酸水解酶,參見圖3),增加的HCys濃度導致SAH的積累。SAH反過來又是甲基轉移酶的競爭性抑制劑,因此,增加的HCys濃度與總DNA低甲基化有關。這一概念得到了一項研究的支持,該研究表明,正常(平均7.2 μM;范圍5.8-8.7 μM)HCys血漿水平的女性血漿SAM / SAH比率和淋巴細胞DNA甲基化水平顯著高HCys濃度升高(平均12.3 μM; 范圍9.3 -16.5 μM)的女性。重要的是,血漿SAH與HCys和淋巴細胞DNA甲基化相關,但SAM不相關,這意味著SAM的測量不足以預測甲基化潛力。還發現組織SAH濃度與小鼠的睪丸,腦和肝中的DNA低甲基化相關。關于鼠Se補充研究中SAH和/或SAM水平的數據是有限且不一致的。三項研究測量了SAM / SAH比率,與缺乏或超營養(2或4 ppm)硒飲食相比,喂養足夠(0.1或0.2 ppm)的組中肝臟和結腸SAM / SAH比率較低,然而當使用SelMet代替亞硒酸鹽時未見到這一點。另一項研究發現,與0.15和0.025 ppm Se相比,喂食0.5 ppm Se(亞硒酸鹽)的小鼠的SAM / SAH較低。最近進行的兩項全基因組關聯研究發現,位于編碼CBS和BHMT的基因附近的SNPs與血液和趾甲Se濃度有關。Combs小組發表的令人興奮的數據顯示干擾一碳代謝會影響硒代謝:ACHY的抑制導致SAM / SAH比率降低,硒轉運蛋白SeP從HepG2細胞分泌減少,是由于精氨酸甲基化減少(=更少活性),其對SeP的轉錄誘導起關鍵作用。消除硒也需要SAM依賴性甲基化(圖1),因此,大鼠中ACHY的抑制導致肝臟和腎臟中的硒滯留,同時減少這些器官和尿液中的排泄性硒形式。這些數據以及動物硒補充研究的結果進一步表明全身硒和一碳代謝是相互聯系的。
     
    硒對microRNA表達的調控
    通過非編碼RNA分子如microRNA(miRNA)靶向mRNA來調節基因表達有時被認為是另外的表觀遺傳機制。迄今為止,只有一項研究檢查了Se是否對microRNA(miRNA)表達有影響。在Se缺陷或Se補充培養基中生長的Caco-2細胞的miRNA譜的微陣列分析(總共737個miRNA),顯示12個miRNAs的表達受Se供應的影響。在同一研究中,50種mRNAs的表達水平也是Se反應性的,并且預測許多這些mRNA被Se反應性miRNA靶向。其中之一,miRNA185,其表達在Se缺乏下降低,被證實調節谷胱甘肽過氧化物酶2(GPx2)和硒磷酸合成酶2(SPS-2)的表達。由于SPS-2的酶產物是硒蛋白生物合成機制的一部分,這些發現表明硒可用性部分地影響硒蛋白質組,通過涉及miRNA-185和可能的其他miRNA的表觀遺傳機制來影響。miRNA-185是Se的一個特別感興趣的靶標,因為它最近出現了一種腫瘤抑制因子,經常在卵巢癌,乳腺癌,腎癌,前列腺癌和胃癌中被下調,并靶向致癌基因,如Six1,雄激素受體和在半胱天冬酶募集域(ARC)的細胞凋亡抑制因子。硒已被證明在實驗環境中以及在某些人體研究中具有抗癌作用(概述); 因此,揭示miRNAs作為硒依賴性腫瘤保護免受惡性轉化的介質的可能作用將是未來工作的一個有趣領域。

     

    結論和未來方向
    對硒物種引起的表觀遺傳效應的研究仍然是一個相對較新的領域,尚未得到全面研究。目前主要來自小鼠和基于細胞的數據,以及一些人體研究表明,Se補充和狀態修飾全部的和特定基因區域或基因座的DNA甲基化。Se的DNMT抑制及其與一碳代謝的相互作用是發生這種情況的可能途徑。另外,Se改變了組蛋白修飾,并且已經顯示通過Se代謝產物硒-α-酮酸抑制HDAC活性來發生(至少在體外)。在小鼠和人類干預研究中在小鼠和人類干預研究中,需要系統地評估在全基因組水平上Se相關的對表觀遺傳標記-DNA甲基化和組蛋白修飾的影響。這些研究將理想地使用不同形式的Se的飲食,具有低初始Se狀態的受試者,從而可以觀察到劑量 - 反應關系,并且包括轉錄組評估。聯合讀數將提供關于Se在表觀遺傳和轉錄調控中的作用的重要信息,并利用Se對與疾病風險相關或預測疾病風險相關的表觀遺傳標記的干擾。這與更好地了解Se在某些疾病(如前列腺癌和2型糖尿病)的預防和進展中的作用特別相關,這些疾病在大規模Se干預試驗的不同結果發表后變得不清楚。另一個研究重點是通過Se對DNMT和HDAC酶的抑制進行更深入的了解,以識別活性Se種類、可能的DNMT/HDAC亞型特異性、抑制機制以及體外和體內抑制所需劑量。影響與表觀遺傳機制相關的核蛋白的Se-反應性信號傳導途徑,例如通過核小體重塑,轉錄或DNA修復,如GADD45A所示,也需要進一步檢查。我們提出需要對Se引起的表觀遺傳過程進行詳細的全基因組和機制的理解,以完成硒系統生物學的圖像,并闡明和預測其對健康結果的影響。
     
    潛在利益沖突的披露
    沒有披露潛在的利益沖突。
     
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