表觀遺傳學(xué)是目前生物醫(yī)學(xué)研究的熱點(diǎn)，將對(duì)解釋腫瘤和許多慢性疾病發(fā)生的原因提供重要知識(shí)基礎(chǔ)和可能的改善手段。環(huán)境和后天因素對(duì)遺傳的修飾作用不僅是生物適應(yīng)環(huán)境的表現(xiàn)，也是導(dǎo)致疾病(適應(yīng)不良)的重要基礎(chǔ)，炎癥和氧化是環(huán)境和機(jī)體內(nèi)環(huán)境相互作用的關(guān)鍵方式，也必然是導(dǎo)致表觀遺傳學(xué)改變的重要因素和途徑。氫氣對(duì)多種疾病令人吃驚的改善效果主要表現(xiàn)為抗炎癥和抗氧化效應(yīng)，從理論上考慮也一定會(huì)通過這些途徑影響到表觀遺傳學(xué)變化，但是，目前這一領(lǐng)域并沒有任何關(guān)于表觀遺傳學(xué)研究的直接證據(jù)。這里從Nrf2抗氧化炎癥系統(tǒng)分析一些抗氧化物質(zhì)對(duì)腫瘤表觀遺傳學(xué)的影響，建議相關(guān)研究參考這些思路開展深入研究。
 

一、癌癥的表觀遺傳學(xué)研究
 

癌癥的發(fā)生和一系列抑癌基因和促癌基因表達(dá)變化有密切關(guān)系。大量研究發(fā)現(xiàn)，DNA甲基化和組蛋白乙?；缺碛^遺傳學(xué)改變也是癌癥發(fā)生發(fā)展過程中非常關(guān)鍵的因素。表觀遺傳學(xué)最早是生物學(xué)家Conrad H.Waddington在1942年定義的概念，主要是指能影響基因表達(dá)的非基因調(diào)節(jié)因素導(dǎo)致的表型變化。按照Wolffe的定義，表觀遺傳學(xué)主要是在DNA序列不變的情況下基因表達(dá)改變的遺傳學(xué)研究。某些抑癌基因啟動(dòng)子區(qū)域甲基化水平提高，導(dǎo)致這些基因表達(dá)抑制是許多癌癥的表觀遺傳學(xué)特征。例如抑癌基因p16ink4a和BRCA1啟動(dòng)子區(qū)域甲基化就可以引起這些基因被沉默。組蛋白修飾也是表觀遺傳學(xué)調(diào)節(jié)的重要方式，組蛋白能調(diào)節(jié)基因表達(dá)和染色體結(jié)構(gòu)，這些修飾也和DNA甲基化存在關(guān)聯(lián)性。和經(jīng)典的變異的穩(wěn)定性和永久性不同，表觀遺傳學(xué)改變具有更大的可逆性，給開發(fā)糾正這些變化的改善提供了可能性和想象空間。已經(jīng)有研究證明可通過取消某些抑癌基因甲基化重新激活這些基因的表達(dá)。通過研究針對(duì)表觀遺傳學(xué)目標(biāo)修改方法和作用機(jī)制將為開發(fā)新型預(yù)防和改善腫瘤提供了新思路。而由于食物營養(yǎng)成分具有相對(duì)低毒性，使這些物質(zhì)成為通過避免或糾正表觀遺傳學(xué)變化預(yù)防腫瘤發(fā)生的候選研究對(duì)象。

1 DNA甲基化

DNA甲基化是目前表觀遺傳學(xué)研究最充分的領(lǐng)域。在哺乳動(dòng)物細(xì)胞，DNA甲基化主要是通過DNA甲基轉(zhuǎn)移酶(DNMT)，對(duì)CpG(C后G連續(xù)排列的核苷酸雙序列)中的胞嘧啶堿基甲基化修飾。CpG的分布并不是全部是隨機(jī)分布，往往形成被稱為CpG島的群，大約人類基因啟動(dòng)子的60%存在CpG，基因組中大部分隨機(jī)分布CpG都是被甲基化的，在正常未分化細(xì)胞中CpG島一般都沒有甲基化。未甲基化的CpG島一般都靠近轉(zhuǎn)錄啟動(dòng)子，能讓基因保持高轉(zhuǎn)錄活性。

腫瘤細(xì)胞CpG島高度甲基化，造成某些基因無法表達(dá)，CpG島甲基化也能使這些位點(diǎn)和CpG區(qū)結(jié)合蛋白(MBDs) 如MBD1–MBD4和MeCP2結(jié)合。這些結(jié)合蛋白可以形成抑制復(fù)合物，其中含有組蛋白脫乙?；?，引起基因表達(dá)沉默。

研究DNA甲基化的重要目的是尋找DNMT等表觀遺傳相關(guān)酶的抑制劑，DNMT抑制劑5氮雜胞苷和5-氮雜-2-脫氧胞苷是比較常用的表觀遺傳學(xué)工具藥。

DNMT基因缺陷動(dòng)物，純合子小鼠胚胎發(fā)育延遲，無法存活到妊娠中期。DNMT 3a和3b是DNA新甲基化和小鼠發(fā)育必需的酶，這兩個(gè)基因被阻斷會(huì)阻斷胚胎干細(xì)胞DNA甲基化，影響胚胎發(fā)育。這說明，DNMT活性平衡是維持細(xì)胞穩(wěn)態(tài)的必需條件。而腫瘤的發(fā)生主要是抑癌基因DNA甲基化導(dǎo)致的基因表達(dá)沉默。

2 組蛋白修飾

組蛋白修飾對(duì)基因表達(dá)和腫瘤發(fā)生也有重要作用。真核細(xì)胞染色體是大分子復(fù)合物形成的致密結(jié)構(gòu)，這種復(fù)合物主要是DNA、組蛋白和非組蛋白組成。染色體的主要功能是將DNA體積壓縮，并調(diào)節(jié)基因表達(dá)和DNA復(fù)制。核小體是染色體的基本單位，是由一個(gè)H3/H4四聚體兩個(gè)H2A/H2B的組蛋白八聚體。146 bp的DNA纏繞在核小體周圍。高度有序的核小體結(jié)合排列成30-nm的緊湊纖維結(jié)構(gòu)，并進(jìn)一步壓縮稱染色體。這種高度折疊的結(jié)構(gòu)被組蛋白加強(qiáng)，染色體結(jié)構(gòu)和基因表達(dá)受組蛋白轉(zhuǎn)錄后修飾調(diào)節(jié)。有兩種不同形式的染色體結(jié)構(gòu)，致密型異染色質(zhì)和疏松型常染色質(zhì)，轉(zhuǎn)錄因子一般難以進(jìn)入致密型異染色質(zhì)，基因表達(dá)受限，而疏松型常染色質(zhì)正好相反。

組蛋白C末端包含一個(gè)球狀區(qū)和一個(gè)不飽和N末端尾，許多組蛋白N末端的賴氨酸、精氨酸和絲氨酸殘基，可被甲基化、乙酰化、磷酸化和泛素化修飾，而影響相應(yīng)部位的染色體結(jié)構(gòu)，并影響轉(zhuǎn)錄因子的擴(kuò)散效率。這些組蛋白修飾都具有被反轉(zhuǎn)的可能，有意思的是，H3組蛋白的不同位點(diǎn)賴氨酸甲基化能誘導(dǎo)完全相反的功能，Lys4甲基化能促進(jìn)基因轉(zhuǎn)錄，Lys9甲基化則能抑制基因轉(zhuǎn)錄。Lys9甲基化也是DNA甲基化的前提。DNMT抑制劑5氮雜胞苷、5-氮雜-2-脫氧胞苷、曲古菌素A和異羥肟酸也具有乙?；敢种苿┗钚?。
 

二、Nrf2系統(tǒng)和表觀遺傳學(xué)的關(guān)系
 

表觀遺傳學(xué)在各種細(xì)胞和的發(fā)育和分化過程中發(fā)揮關(guān)鍵作用，許多疾病存在表觀遺傳學(xué)缺陷，這些缺陷主要來自環(huán)境因素的影響。影響人類腫瘤發(fā)生的表觀遺傳學(xué)因素包括飲食和生活方式。因此健康的生活方式和飲食習(xí)慣將是預(yù)防腫瘤發(fā)生的合理方法。和經(jīng)典的基因缺陷不同，表觀遺傳學(xué)變化在腫瘤發(fā)生過程中有可能被糾正和反轉(zhuǎn)。通過食物補(bǔ)充各種營養(yǎng)物質(zhì)可通過表觀遺傳學(xué)途徑預(yù)防腫瘤。2008年NIH提出的重點(diǎn)資助領(lǐng)域就包括疾病的表觀遺傳學(xué)研究，并將表觀遺傳學(xué)研究作為尋找腫瘤改善和預(yù)防藥物的重要手段。許多組蛋白乙?；虳NMT阻斷劑被批準(zhǔn)開展血液病改善的臨床研究，DNA脫甲基化藥物如5氮雜胞苷和5-氮雜-2-脫氧胞苷用于骨髓增生異常、慢性髓性白血病和慢性髓性白血病改善研究獲得初步有效證據(jù)，組蛋白乙?；钄鄤┤缪蹼克猁}、belinostat、romidepsin和panobinostat已被用于血液病和實(shí)體瘤改善。組蛋白乙?；虳NMT阻斷劑作為抗腫瘤藥物的開發(fā)面臨的主要困境是這些藥物的副作用。而大量證據(jù)表明，一些食物化學(xué)成分可能具有通過表觀遺傳學(xué)途徑對(duì)抗腫瘤的效應(yīng)。

1 姜黃素

姜黃素從生姜提取的多酚化合物，盡管生物利用度比較小，但在多種類型的腫瘤細(xì)胞和動(dòng)物模型中表現(xiàn)出理想的抗腫瘤活性。至少有33種蛋白被確定為姜黃素的目標(biāo)作用分子。最近也開始研究其表觀遺傳學(xué)效應(yīng)。

DNA甲基化是表觀遺傳學(xué)最重要的化學(xué)基礎(chǔ)，特別是抑癌基因CpG島的啟動(dòng)子甲基化過度，是腫瘤發(fā)生的關(guān)鍵因素。最近研究提示，表觀遺傳學(xué)變化是基因突變的前奏，DNA甲基化是DNMT1、3a和3b將甲基供體S-腺苷-L-蛋氨酸的甲基轉(zhuǎn)移給胞嘧啶C-5。

關(guān)于姜黃素的DNMT抑制劑作用仍存在爭議。用分子對(duì)接技術(shù)發(fā)現(xiàn)姜黃素能和DNMT1活性中心C1226巰基結(jié)合，產(chǎn)生抑制效應(yīng)。但Medina-Franco等發(fā)現(xiàn)姜黃素也具有輕微反轉(zhuǎn)DNMT抑制劑的作用(似乎也不矛盾)。最近有學(xué)者發(fā)現(xiàn)姜黃素能通過脫DNA甲基化途徑刺激Nrf2和Neurog1基因表達(dá)，Jha等也發(fā)現(xiàn)姜黃素能反轉(zhuǎn)CpG高甲基化，激活宮頸癌細(xì)胞RARβ2的基因表達(dá)。不過也有研究認(rèn)為，產(chǎn)生脫甲基化的有效成分是去甲氧基姜黃素雙去氧基姜黃素。

組蛋白乙?；亲钪饕慕M蛋白功能修飾方式，HAT和HDAC是調(diào)節(jié)組蛋白乙酰化的重要催化酶。研究表明，腫瘤細(xì)胞組蛋白乙酰化和HDAC都發(fā)生改變，姜黃素是HAT和HDAC的強(qiáng)烈抑制劑。姜黃素能特異性抑制p300/CREB結(jié)合蛋白HAT活性，Morimoto等發(fā)現(xiàn)姜黃素能通過抑制p300 HAT活性預(yù)防大鼠心衰。Li等報(bào)道，姜黃素能通過抑制p300 HAT活性預(yù)防心室肥厚、炎癥反應(yīng)和纖維化。

p300和CBP蛋白是影響HAT活性的共激活因子， p300和CBP蛋白也能乙酰化許多非組蛋白，如P53，姜黃素能抑制p300介導(dǎo)的p53乙?；ang等報(bào)道，姜黃素誘導(dǎo)的腦瘤細(xì)胞組蛋白低乙?；?，能誘導(dǎo)PARP和caspase 3相關(guān)的細(xì)胞凋亡。Marcuet等證明姜黃素是一種HAT選擇性抑制劑，p300和姜黃素結(jié)合能引起構(gòu)象改變，使之不容易結(jié)合乙酰CoA和組蛋白。姜黃素也是一種強(qiáng)烈的HDAC抑制劑，Chen等發(fā)現(xiàn)姜黃素明顯抑制Raji細(xì)胞p300和HDAC3的表達(dá)，Bora-Tatar等用羧酸衍生物監(jiān)測(cè)證明姜黃素的HDAC抑制作用。

2 蘿卜硫素

異硫氰酸酯是西蘭花牙、卷心菜、白菜、花椰菜和豆瓣中的重要生物活性成分，蘿卜硫素和PEITC是異硫氰酸酯最強(qiáng)的抗腫瘤成分。

Meeran最早發(fā)現(xiàn)，蘿卜硫素對(duì)DNA甲基化具有影響，對(duì)DNMT1和DNMT3a的抑制效應(yīng)存在劑量和時(shí)間依賴性。蘿卜硫素能特異性作用于hTERT第一個(gè)外顯子CpG，引起脫甲基化。ChIP分析結(jié)果表明，蘿卜硫素提高染色體組蛋白H3 、H3K9和 H4乙?；瑴p少H3K9 和H3K27三甲基化水平。

蘿卜硫素可在不影響基因表達(dá)的情況下直接抑制人胚胎腎臟293細(xì)胞和大腸癌HCT116細(xì)胞的HDAC活性，谷胱甘肽蘿卜硫素不如半胱氨酸蘿卜硫素和乙酰蘿卜硫素的HDAC抑制作用強(qiáng)。蘿卜硫素的類似效應(yīng)在BPH-1、LnCaP和PC-3前列腺癌細(xì)胞也存在。人體和動(dòng)物體內(nèi)也具有同樣的效應(yīng)，一次口服10μmol蘿卜硫素6小時(shí)后結(jié)腸黏膜細(xì)胞組蛋白H3和H4乙?；矫黠@提高。更重要的是，蘿卜硫素能通過組蛋白修飾抑制Apc導(dǎo)致的小鼠腸癌發(fā)生，提高結(jié)腸息細(xì)胞的肉組蛋白乙?；?。一次富含蘿卜硫素的西蘭花牙提取物3-6小時(shí)就明顯抑制人類外周血單核細(xì)胞HDAC活性。

3. 氫氣或通過表觀遺傳學(xué)修飾預(yù)防癌癥

1975年，美國學(xué)者證明呼吸高壓氫氣能改善皮膚鱗狀細(xì)胞癌，但此后多年并沒有類似研究。2007年，日本學(xué)者發(fā)現(xiàn)氫氣具有選擇性抗氧化作用后，人們隨后證明氫氣不僅是一種理想的抗氧化物質(zhì)，而且具有很強(qiáng)的抗炎癥效應(yīng)?？紤]到氧化損傷和炎癥是腫瘤啟動(dòng)和發(fā)展的關(guān)鍵因素，因此氫氣有可能具有預(yù)防癌癥的作用。2011年，日本學(xué)者用高脂飲食結(jié)合胰島素缺乏聯(lián)合致癌劑誘導(dǎo)原發(fā)性肝癌模型，讓動(dòng)物連續(xù)飲用氫水，結(jié)果發(fā)現(xiàn)氫氣能減少肝癌發(fā)生的數(shù)量和體積。說明氫氣具有預(yù)防腫瘤發(fā)生的作用。另外中國學(xué)者也采用類似方法，證明氫氣生理鹽水能有效預(yù)防腎臟腫瘤的發(fā)生。關(guān)于氫氣預(yù)防腫瘤的機(jī)制，目前研究比較缺乏，但抗炎癥和抗氧化是其重要原因，另外許多學(xué)者證明氫氣具有激活Nrf2系統(tǒng)，提高內(nèi)源性抗氧化和解毒系統(tǒng)，這也許是氫氣預(yù)防腫瘤的分子機(jī)制。另外，如上說述，表觀遺傳學(xué)是環(huán)境因素導(dǎo)致基因表達(dá)異常的重要因素，也是環(huán)境等引起腫瘤發(fā)生的重要基礎(chǔ)，氫氣作為一種可能的預(yù)防癌癥發(fā)生的物質(zhì)，是否對(duì)表觀遺傳學(xué)產(chǎn)生影響。這顯然非常值得深入探討。