DNA Methylation Dynamics in Osteoarthritic Cartilage

骨关节炎软骨内DNA甲基化的动力学

演讲者: Stanford University  Nidhi Bhutani

尽管开展了多项GWAS研究和对不同易感基因位点的鉴定，OA早期事件的发病机制仍未得到明确，仍未找到与OA相关的统一的遗传位点。基于此，研究的重点已移至表观遗传学，尤其是DNA甲基化作用，一种在早期进展期与长期基因沉默及家族性相关的遗传外标记。首项OA中DNA甲基化的研究已于10年前开展，目前DNA甲基化模式的改变已在OA软骨细胞中得到发现，尤其是启动子区域内OA相关基因（包括基质金属蛋白酶（MMPs）、IL1b和一氧化氮合酶等在OA软骨内进行DNA甲基化）出现DNA甲基化失效。

近几年来已开展了多项OA软骨DNA甲基化组的全基因组DNA甲基化研究。但要对此类研究给出的潜在结果的共同原则进行鉴定仍具有一定挑战性，原因是对照组人群的不一致性。然而，此类全基因组DNA甲基化研究存在几个共同的关键干预。通过遗传学研究或转录组分析，大量既往显示与OA相牵连的基因被发现包含或封闭于CpG位点，其在OA患者和非OA患者软骨的甲基化存在差异。提示OA软骨内DNA甲基化改变与差异基因表达间存在功能连接。此外，纳入亚组患者的甲基化组分析显示基因中DMLs的富集同炎症及免疫相关。

目前发现，经由10-11易位酶（TET）家族到5-羟甲基胞嘧啶（5hmC，现称为第六碱基）的甲基化的胞嘧啶（5mC）的氧化作用在多数组织中稳定存在，尤其在胚胎干细胞和神经元中。作为DNA脱甲基化通路的中间物，5hmC的丰度和定位吸引了研究者大量的注意，原因是它与基因反沉默相关。已对5hmc和其调节器分布和后果的信息进行应用，从而进一步改善对OA软骨内DNA甲基化动态学的认知。首项调查研究发现与正常软骨细胞相比，OA软骨细胞中，伴随TET1（非TET2和TET3）的丢失，5hmC发生显著增加。正常软骨细胞随着年龄的增加，未发现5hmC 任何显著的改变，从而表明5hmC的显著增加并不仅是正常老化的后果。

基于这些发现，GWAS被应用于对OA中5hmc所改变的整体模式的精确分布进行测绘。对基因体、启动子以及增强子羟甲基化区域的差异进行鉴定。研究还鉴定了OA相关性关键基因以及在OA软骨中羟甲基化存在差异的通路，提示DNA羟甲基化作用的潜在调控力，其中还包括Wnt信号通路。重要的是，该项研究中确定的许多关键基因和通路中5hmc的富集提示了此类通路的激活得到加强，至少部分是5hmc相关性转录激活的结果。

由于目前认为DNA羟甲基化作用与OA基因激活显著相关，对此进行深入研究具有重要意义，可使用小鼠模型和人类早期OA样本鉴定此类表观遗传变异是否为早期以及在OA病理学的原因和调控作用。研究的方法为使用TET1和TET2基因剔除小鼠，检测其对OA的易感性，确认对5hmC进行调整是否可提供新的对于OA的治疗策略。对OA表观基因组和受影响的靶向基因进行测绘，将使对OA病理学的认知得到增加，并提供OA新的潜在的治疗策略。