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神经科学杂志。2008年1月2日;28(1): 3–9.
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NIHMSID公司:尼姆斯44558
PMID:18171917

婴儿暴露于环境金属铅(Pb)后老年猴的阿尔茨海默病(AD)样病理学:AD的发育起源和环境联系的证据

摘要

阿尔茨海默病(AD)的散发性特征表明,环境因素可能会导致AD发病;然而,其触发因素及其作用时间尚不清楚。最近对啮齿动物的研究表明,大脑发育过程中铅的暴露预先决定了淀粉样前体蛋白(APP)及其淀粉样β-淀粉样蛋白(Aβ)产物在老年时的表达和调节。在此,我们报告称,在婴儿时期接触铅的老年(23岁)猴中,AD相关基因[APP,BACE1(β-位点APP裂解酶1)]及其转录调节物(Sp1)的表达升高。此外,发育期铅暴露改变了额叶关联皮层中Aβ染色和淀粉样斑块的水平、特征和细胞内分布。这些潜在效应伴随着DNA甲基转移酶活性的降低和DNA氧化损伤水平的升高,表明早期的表观遗传印迹影响AD相关基因的表达,并促进DNA损伤和发病。这些数据表明,AD的发病机制受早期生活暴露的影响,并论证了AD的环境触发因素和发育起源。

关键词:淀粉样蛋白生成、发育、环境暴露、铅、表观遗传调控、转录因子

介绍

阿尔茨海默病(AD)是一种进行性和不可逆的神经退行性疾病,可导致痴呆和死亡。AD的病理特征是老年斑和神经纤维缠结(NFT),并伴有大量神经元丢失,主要位于海马体和新皮质的相关区域(Ball and Lo,1977年). 老年斑的主要成分是39–43 aa肽[β-淀粉样蛋白(Aβ)],从一种称为Aβ前体蛋白(APP)的较大蛋白质中截取(Glenner和Wong,1984年;Masters等人,1985年;Goldgaber等人,1987年). 最近的研究表明APP是由一组分泌酶处理的(Dominguez等人,2004年). α-分泌酶产生可溶性产物,而β-分泌酶和γ-分泌酶从APP生成aβ(Walsh等人,2007年).

大多数AD病例的偶发性强烈证明了可能驱动AD发病的环境因素;然而,尚不清楚何时会发生这种情况。新生儿病史和出生队列病史的重建导致了“巴克假说”的起源(Barker等人,1989年;奥斯蒙德和巴克,2000年),将早期生活经历与成人疾病联系起来。这些观察结果产生了一个关于某些成人疾病的新概念,强调了环境因素在生命的前概念、胎儿和婴儿阶段的作用(Gluckman和Hanson,2004年).

AD患者的病理表现被认为是由于老年缺陷所致;然而,疾病过程不太可能在晚年开始。因此,与AD相关的淀粉样变也可以被视为一种在衰老过程中明显的病理结果;然而,之前的起始事件可能发生在大脑发育的早期阶段(扎维亚和巴沙,2005年). 具体来说,这起事件可能是LEARn(潜在的早期生命相关调节)改变(Lahiri等人,2007年)影响与晚显性疾病相关的基因表达。

我们实验室以前的工作表明,大鼠从出生到出生后第20天的发育过程中暴露于金属铅,表明APP的延迟过度表达及其淀粉样蛋白aβ产物在老年时升高(Basha等人,2005年). 我们还观察到发育期接触铅的老年大鼠的氧化DNA标记物8-羟基-2′-脱氧鸟苷(8-oxo-dG)升高(Bolin等人,2006年). 这些发现表明,大脑发育过程中发生的环境影响预先决定了APP在生命后期的表达、调节和处理,可能影响淀粉样蛋白生成和氧化损伤的过程。

为了将在大鼠中观察到的这些分子和氧化扰动与AD相关的病理后果联系起来,我们检查了婴儿时期同样接触铅的老年食蟹猴的大脑。灵长类动物是少数几种表达淀粉样斑块和其他病理特征的动物模型之一,这些特征在野生型/非转基因啮齿动物中不存在。本研究旨在确定在老年期是否有类似AD样病理学表现的非人灵长类动物(普莱斯和西索迪亚,1994年)将受到发育扰动的影响,并探索可能调节这种潜在影响的潜在机制。

材料和方法

动物接触。

1980-1981年,一组雌性猴子(束状猕猴)出生时被随机分为两个暴露组之一:一组接受1.5 mg·kg−1·d日−1从出生到400天大时,通过婴儿配方奶粉和断奶后的载体摄入醋酸铅(Pb),而另一组作为对照组,只摄入配方奶粉或载体。由于铅暴露,动物中没有明显的毒性或健康相关问题的迹象(赖斯,1990年,1992). 然后,他们被转移到美国国立卫生研究院(NIH)设施,直至2003年终止,年龄约23岁。根据美国国立环境卫生研究院批准的动物协议,所有动物手术均在持照兽医的监督下进行。如前所述,与对照组的3-6μg/dl相比,暴露于Pb的猴子在400天龄时这些动物的血铅水平平均为19-26μg/dl(赖斯,1990年,1992). 猴子于2003年(23年后)被终止饲养,收集包括大脑在内的多个器官组织,切成1 cm的切片,立即用10%福尔马林进行组织病理学处理,或冷冻在干冰上并储存在−80°C下。此时,动物健康状况良好,没有因早期铅接触而对健康产生不良影响的迹象。

总RNA分离、cDNA合成和实时PCR。

根据TRIzol方法(Invitrogen,加利福尼亚州圣地亚哥)从各种对照和暴露猴皮层组织中分离出RNA。RNA被逆转录以获得cDNA,由SuperScript III逆转录酶(RT)催化。含有500 ng总RNA、1μl 10 m总RNA的RNA/引物混合物dNTP混合物和1μl低聚dT在65°C下孵育5分钟。含有2μl 10×RT缓冲液(200 m三氯化氢,pH 8.4,500 mKCl),4μl,25 m氯化镁2,2微升,共0.1微升DTT,并添加1μl RNaseOUT重组RNase抑制剂(40 U/μl)。然后加入1微升SuperScript III RT(200 U/μl),并在50°C下孵育50分钟。在85°C下终止反应5分钟。加入1微升RNase H,并在37°C下孵育反应20分钟。将得到的cDNA存储在−20°C下,并用于实时PCR步骤。用于APP、Sp1、β位点APP裂解酶1(BACE1)和GAPDH的引物对如下:Sp1,sense,5′-CAA GCC CAA ACA ATC ACC TT-3′,以及反义,5′-CAA TGG GTG TGA GAG TG-3′;BACE1,正,5′-TTT GTG GAG ATG GTG GAC AA-3′,反义,5′-CAG CAC CCA CTG CAA AGT TA-3′;APP,正,5′-GCT GGC TGA ACC CCA GAT-3′,反义,5′-CCC ACT TCC CAT TCT GGA CAT-3′;GAPDH,正,5′-TGA AGC AGG CGT CGG AGG G-3′,反义,5′-CGA AGG TGG AAG AGT GGG TG-3′。每个实时PCR混合物包含1μl cDNA,1μl引物混合物(最终浓度,200 n)10.5μl无核水和12.5μl SYBR GREEN PCR Master Mix(加利福尼亚州福斯特市应用生物系统公司)。每个样品有三份。按照标准方案,在7500 Real-time PCR系统中使用各自的引物对上述所有基因进行实时PCR,即50°C持续2分钟,然后95°C持续10分钟,然后40个95°C循环15秒,60°C持续1分钟。用琼脂糖凝胶检查实时PCR产物,以确认没有形成非特异性产物。结果用7500系统软件进行分析,采用相对定量法,以GAPDH为内生对照。还使用了其他管家基因,如β-肌动蛋白。

Aβ1-40和Aβ1-42测定。

使用人类Aβ(1-40和1-42)检测试剂盒(日本群马免疫生物实验室)测量Aβ水平。这些试剂盒设计为含有两种高度特异性抗体的固相夹心ELISA试剂盒。根据以下描述的方法遵循分析条件Morishima-Kawashima等人(2000年),稍作修改。在Tris生理盐水(TS)中均匀化脑组织[50 mTris-HCl缓冲液,pH 7.4,150 m氯化钠,1μg/ml TLCK(N个-α-第页-对甲苯基--赖氨酸氯甲基酮),1μg/ml抗蛋白酶,0.5 mDIFP(氟磷酸二异丙酯),0.5 mPMSF,0.1%蛋白酶抑制剂混合物],10万×离心在4°C下保持20分钟。将颗粒重新悬浮在4 vol TS中,并在70000×在4°C下保持20分钟。将所得颗粒溶解在500μl的6盐酸胍(50 mTris缓冲液,pH 7.6),室温培养30分钟,70000×离心在4°C下保持20分钟。收集所得上清液,并用酶免疫分析(EIA)缓冲液(随试剂盒提供)稀释至12倍,以降低样品盐酸胍浓度,并将等分样品(100μl EIA缓冲液中含有200μg蛋白质)和分析标准物添加到96 well板中[预先涂有抗人aβ(35–40)(1A10)小鼠IgG单抗]并在4°C下培养过夜。使用EIA缓冲液对油井进行了七次清洗。然后,将100μl标记抗体添加到每个含有样品或标准品的微孔中,并在4°C下孵育1 h。用EIA缓冲液清洗微孔9次,然后添加100μl TMB缓冲液,并在室温下在黑暗中孵育30 min。加入100μl 1N H停止反应2SO公司4在450nm处进行比色吸收。根据每个平板上生成的标准曲线,计算测试样品中的Aβ水平。

免疫组织化学。

研究了APP、SP1和Aβ在对照组(Con)和发育期暴露于Pb(Pb-E)的23岁食蟹猴的石蜡包埋脑组织中的细胞分布。切片在1×PBS和3%过氧化氢中进行短暂清洗。清洗后,将切片在含有2%BSA和1%Triton X-100封闭溶液的PBS中培养30分钟,然后在存在APP(22C11;1:200;西格玛,密苏里州圣路易斯)、Aβ(6E10;1:50;西格马)或SP1(SC-59;1:100;圣克鲁斯生物技术,加利福尼亚州圣克鲁斯)的一级抗体的情况下在4°C下培养过夜。用PBS清洗切片,并与物种特异性生物素化二级抗体小鼠/兔子(1:200;Vector Laboratories,Burlingame,CA)一起培养30分钟。用链霉亲和素(Vector Laboratories)培养切片30分钟,用PBS短暂冲洗,用底物DAB(3–3′-二氨基苯扎定-四氯化氢)(Vector Laboratories)检测免疫反应性。盖玻片采用永久性安装介质(Vector Laboratories)进行安装。

在所有情况下,通过省略初级抗体培养,在每只动物的玻片上进行阴性对照。仅在二级抗体中培养组织后,无明显信号。

核蛋白提取。

根据以下描述的方法,从对照组和Pb暴露动物的额叶联合皮质组织中提取核蛋白Dignam等人(1983年),稍作修改。用1 ml PBS(pH 7.4)均质组织样品,并在2500×在室温下保持10分钟。将获得的颗粒悬浮在5 vol缓冲液A(10 m)中pH值为7.9,1.5 m时的HEPES氯化镁2,0.5米DTT,0.5米EDTA和0.2米PMSF)并在6000×在4°C下保持2分钟。将颗粒重新悬浮在3 vol缓冲液A中,并在6000×在4°C下保持2分钟。然后将所得颗粒重新悬浮在5 vol缓冲液C(20 m)中pH值为7.9,1.5 m时的HEPES氯化镁2,0.5米DTT,0.5米EDTA,420米氯化钠,20%甘油,0.2米PMSF、0.002 mg/ml抑肽酶和0.0005 mg/ml亮蛋白胨)并匀浆。最终悬浮液在12000×将上清液转移到1.5 ml试管中,在乙醇干冰浴中快速冷冻,并在−80°C下储存(Basha等人,2005年).

原代小鼠皮层神经元细胞培养。

由于我们研究的动物年龄为23岁,并且我们没有早期的时间点来测量分子或表观遗传学变化的进展,我们使用细胞培养模型来解决一些机制问题。我们使用C57BL/6小鼠作为初级胎儿皮层神经元的来源,因为这种遗传背景菌株广泛用于各种转基因小鼠AD模型。使用C57BL/6小鼠(马萨诸塞州威明顿市查尔斯·里弗实验室)胎鼠进行初级皮层神经元培养。动物使用得到了罗德岛大学动物护理和使用委员会的批准(批准号AN00-01-007)和监督。切除同一母鼠第15天的幼鼠的大脑,并解剖其皮层。移除脑膜,并将皮层组织在37°C的5 ml含木瓜蛋白酶的HBSS(2 mg/ml)中培养15分钟。组织以125×持续5分钟,将所得颗粒重新悬浮在HBSS中,并通过燃烧抛光的巴斯德吸管研磨细胞,使其分离,然后重复三次。离心后,细胞以6.5×10的恒定密度进行培养4/嗯,在24孔聚合物中-d日-赖氨酸预涂层板。电镀介质含有2%B27,0.5 m[scap(风景)]-谷氨酰胺和25μ神经基础培养基(Invitrogen)中的谷氨酸,并在5%CO的湿化环境中保持在37°C2培养4d后,用不含谷氨酸的新鲜培养基替换一半培养基,并保持培养。为了测定甲基转移酶活性,用0.1μ更换培养基24小时后,去除铅,并将细胞老化7天,然后采集核提取物并进行甲基转移酶活性测定。

8-oxo-dG测定。

如前所述,通过HPLC测定8-oxo-dG水平(Bolin等人,2006年). 简单地说,样品组织在无核均质缓冲液中均质,然后用蛋白酶K消化以去除蛋白质。通过三次连续的有机提取、2体积的乙醇沉淀(相对于水溶液体积)沉淀DNA,并在−20°C下孵育过夜。通过核酸酶消化脱氧核苷成分,制备纯化的DNA用于HPLC分析。通过将DNA样品酶解产物中获得的8-oxo-dG和2′-dG的峰面积与这两种化合物的校准曲线进行比较,计算8-oxo-d G和2’-脱氧鸟苷(2′-dG)的量。样品中8-oxo-dG的水平是相对于2′-dG的含量来表示的[例如,8-oxo-d g/2′-dG(8-oxo-dG的femtomoles per nanomole of 2′-dG]。用于样品分析的HPLC方法如下:流动相由100 m组成乙酸钠,pH 5.2,5%甲醇。使用582型溶剂输送模块(ESA,Chelmsford,MA)将流速保持在1 ml/min。使用粒径为3μm的YMC反相碱性HPLC柱(4.6×150 mm)分析DNA(YMC,北卡罗来纳州威明顿)。用5600A型库仑阵列检测器(ESA)和三个6210型四通道电化学池检测8-oxo-dG和2′-dG;8-oxo-dG的电位设置为175、200和250V,2′-dG的电位为785、850和890V。使用CoulArray for Windows32 Software(ESA)记录、存储和分析数据。数据以8-氧代-dG的毫摩尔/纳摩尔2′-dG表示。

DNA甲基转移酶分析。

在来自对照组和暴露于Pb的额叶相关皮质组织的核提取物中测定DNA甲基转移酶活性。按照上述方法提取核提取物,并按照以下方法测定DNA甲基转移酶活性Takiguchi等人(2003)将含有60μg蛋白质(甲基转移酶来源)的核提取物与50ng脱氧肌苷脱氧胞苷(poly[dI.dC].poly[dI.dC])双链DNA模板(Sigma)作为底物孵育,1μ H标记S公司-腺苷蛋氨酸(SAM)(79 Ci/mmol),100 mTris-HCl,pH 8.2,最终体积为30μl。反应通过在37°C下添加SAM启动1小时,并通过在冰上冷却终止。在DE81滤纸上发现15μl等分试样,并用pH值为7.0的磷酸钠缓冲液清洗两次,一次用70%乙醇清洗,另一次用100%乙醇清洗。干燥过滤器并在闪烁计数器中计数。

统计处理。

使用双尾Student’s分析数据t吨测试中,标有星号的数值与对照组有显著差异(第页< 0.05).

结果

Pb水平

这些灵长类动物从出生到400天暴露于低水平的无机铅,导致断奶后服用铅时血液中的铅水平为19–26μg/dl。该水平略高于疾病控制和预防中心(1991年)认为对人类安全的10微克/分升,与我们之前在大鼠终身研究中使用的暴露情景类似(Basha等人,2005年). 年轻成年期的取样表明,铅从血液中清除,对照猴和铅暴露猴的铅水平相似(赖斯,1992年). 因此,任何重大接触都局限于发育期和青春期。在老龄动物中,使用元素分析仪ICP-MS分析脑组织中的铅水平,我们发现暴露动物和对照动物的铅水平均低于检测水平(<0.1 ng/g组织湿重)。

APP、Aβ、BACE1和Sp1的潜在表达

食蟹猴APP的氨基酸序列与人类同源(96%),是研究aβ在灵长类大脑中的病理作用的良好模型(Podlisny等人,1991年). BACE1酶在APP的切割中起主要作用(Singer等人,2005年)和转录因子Sp1(拉希里和罗巴基斯,1991年;Christensen等人,2004年)是这两种基因的已知调节器。因此,我们比较了对照组和发育期接触Pb的老年灵长类的APP、BACE1和Sp1 mRNA水平。所有三个基因的mRNA水平(图1)在婴儿期接触铅的灵长类动物中升高;然而,BACE1的升高没有统计学意义(第页= 0.063). 结果的量化表明APP mRNA水平增加了50%(第页= 0.045); Aβ1-40水平增加50%(第页= 0.011); Aβ1-42水平增加100%(第页=0.029),其方式与之前在啮齿类动物中看到的相似(图2 A类,B类). 虽然啮齿类动物具有与灵长类动物不同的非色素形成Aβ和3 aa,但食蟹猴APP与人类的序列同源性为96%,且两种动物具有相同的斑块形成Aβ肽,这与临床更具相关性。此外,由于发育性铅暴露,Aβ1-42与Aβ1-40的比率增加(图2 B类). 将培养的小鼠初级神经元暴露于这些肽中,证实了这两种肽即使以可溶性形式也对细胞有毒,并且Aβ1-42的细胞毒性比Aβ1-40强(补充图1,可在网址:www.jneurosci.org作为补充材料)。

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发育性铅暴露后老年猴额叶结合皮层APP、BACE1和Sp1 mRNA表达的变化。对23岁对照(Con)和Pb-暴露(Pb-E)猴的额叶相关皮质组织进行APP、BACE1和Sp1 mRNA表达分析。通过实时PCR验证APP、BACE1和Sp1的mRNA表达。所示数据代表平均值±SEM(每组4只动物)。标有星号的值与相应的控件有显著差异(第页<0.05)由学生确定t吨测试。

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发育性铅暴露后23岁食蟹猴额叶联系皮层中Aβ水平的升高。使用对照组(Con)和暴露于Pb(Pb-E)的23岁食蟹猴的脑组织分析Aβ水平(A类,B类). 如材料和方法中所述,使用ELISA测定额叶联合皮质组织中的Aβ水平。所示数据代表每组四只动物的平均值±SEM。标有星号的值与相应的控件有显著差异(第页<0.05)由学生确定t吨测试。

AD病理改变

对额叶联合皮质进行免疫组织化学分析,以确定观察到的APP表达和Aβ水平的分子变化是否伴随着这些动物大脑病理特征的变化。与年龄匹配的对照组相比,发育期暴露于铅的老年猴的大脑中总Aβ和致密核斑块的细胞内染色增加(图3). 更高倍的细胞内Aβ染色显示神经元细胞内免疫反应性Aβ聚集体的积聚,其中一些Aβ物种从细胞膜上萌芽并沉积在细胞外空间(图3). 我们还观察到弥散斑块和核心斑块以及与人脑中观察到的NFT形态相似的NFT。Aβ斑块富含Aβ1–42,Aβ淀粉样变物种较多,使用刚果红染色可检测到。

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显微照片显示23岁食蟹猴发育性铅暴露后额叶关联皮层中的AD样病理。使用对照组(Con)和暴露于Pb(Pb-E)的23岁食蟹猴的脑组织,对AD样病理进行免疫组织化学分析。制备切片并用Aβ特异性抗体染色,该抗体可识别Aβ1-40和Aβ1-42,如材料和方法中所述。箭头指向含有Aβ的斑块以及颗粒和细胞内染色。染色特征与文献报道的相似。

DNA甲基化

在这些动物中观察到的基因的潜在表达可能是通过表观遗传途径介导的,这些途径通过DNA甲基化进行调节。为了确定发育期铅暴露是否会干扰DNA甲基化模式,我们检测了23岁灵长类脑组织中DNA甲基转移酶1(DNMT1)的活性。这种甲基化酶的活性对CpG二核苷酸中的胞嘧啶具有选择性,该二核苷酸与DNA互补链上的甲基化CpG序列碱基配对,并与DNA中CpG双核苷酸上甲基基团的丰度成正比(Poirier和Vlasova,2002年;Takiguchi等人,2003年). 我们发现,在发育中接触铅的灵长类动物的脑组织中,DNMT1的活性降低了约20%(图4 B类). 小鼠皮层初级细胞暴露于低水平Pb(0.1μ)在短暂的24小时内,细胞老化1周后,DNMT1活性也出现了类似的趋势(图4 A类).

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小鼠和猴脑皮层神经元细胞中的DNA甲基转移酶活性。A类,B类、对照组和Pb暴露的小鼠皮层神经元细胞(A类)23岁对照猴(Con)和暴露于Pb-E猴(Pb-E)的额叶联合皮质组织(B类)用于评估材料和方法中所述的DNA甲基转移酶活性。所示数据代表四次独立测定的平均值±SEM(每组四只动物的猴子数据)。标有星号的值与相应的控件有显著差异(第页<0.05)由学生确定t吨测试。

DNA氧化

除了APP和Aβ沉积的改变外,与年龄相关的氧化损伤积累被怀疑在AD的发病机制中起作用。众所周知,Aβ水平会导致功能紊乱体内通过其抗氧化和神经毒性特性(Castellani等人,2006年). 随着发育期铅暴露动物皮层中Aβ水平的增加,DNA氧化损伤的生物标志物8-oxo-dG水平也升高(图5).

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对照组和婴儿暴露的老年猴脑中的氧化DNA损伤。从23岁对照猴(Con)和暴露于Pb-E猴(Pb-E)的额叶联合皮质组织中获取,并用于测量材料和方法中所述的氧化DNA损伤标记。所示数据代表每组四只动物的平均值±SEM。标有星号的值与相应的控件有显著差异(第页<0.05)由学生确定t吨测试。

讨论

本文提供的数据表明,出生至400天暴露于铅的猴子在老年时上调APP、BACE1和Sp1的表达。APP和BACE1基因表达的上调是由Sp1介导的,Sp1作为这些延迟转录上调的中介物的重要性已经被我们先前所证明(Basha等人,2005年). 此外,APP和BACE1基因启动子都富含CpG二核苷酸和GC盒元件(Pollwein等人,1992年)通过DNA甲基化途径使其受到表观遗传重编程和转录调控(Lahiri等人,2007年). 初步微阵列筛查进一步证实了这一点,该筛查表明,对照组与暴露于Pb的猴子中筛选出的差异表达基因中,>95%也富含CpG(补充表1,可在网址:www.jneurosci.org作为补充材料)。这种基因水平上的转录重编程也被转化为生物学后果。在婴儿时期接触铅的老年动物中,APP的淀粉样产物水平也有所增加(图2 A类). 这与之前在啮齿动物中的发现一致(Basha等人,2005年)并主张一种促进老年神经退化的转录过程(Lahiri等人,2007年).

值得注意的是,在23岁的动物身上观察到的这些分子和生化变化伴随着暴露在外的猴子AD样病理学特征的改变。我们的细胞内染色与人类和其他动物模型中的染色非常相似(Mochizuki等人,1996年;Schmitz等人,2004年). 它揭示了皮质第二层至第四层锥体细胞和球状神经元中颗粒状、椭圆形和新月形的Aβ定位。灵长类动物发生这些分子、生物化学和病理变化,在老年时形成斑块和缠结,以应对发育性铅暴露,这表明发育性暴露可能影响潜在的发病机制,因此与人类直接相关。一名2岁时因严重铅中毒幸存下来,但42岁时因精神严重恶化而死亡的患者的研究结果进一步支持了发育性铅暴露可能导致人类AD病理学形成的可能性(尼科维茨和曼迪布尔,1975年). 这个病人的大脑显示出许多老年斑和NFT(尼科维茨和曼迪布尔,1975年). 虽然这是一个单一的病例,但早期接触铅可能是AD的风险因素,这一可能性值得进一步研究。

实现基因表达永久改变或长期改变的一种方法是改变决定转录因子序列特异性DNA结合的DNA碱基的结构组成。我们对DNA甲基转移酶活性变化的研究表明,生命早期接触铅会干扰基因印迹,从而可能对DNA造成永久性分子损伤。也就是说,通过强加致病性体细胞外显型,表达被重新编程(拉希里和马洛尼,2007年). 与这种潜在机制相一致的是,婴儿时期接触铅的老年动物的DNA甲基化酶活性降低,以及之前接触过铅的细胞中该酶活性延迟下降(图4).

研究进一步证实了这一点,研究表明,人类APP启动子上游−500 bp的区域显示了组织和大脑区域特定的甲基化特征,这大致反映了APP的表达模式(Rogaev等人,1994年)人APP启动子上发生的甲基胞嘧啶的年龄相关减少(-224至-101)(Tohgi等人,1999年). 为了将当前模型中的表观遗传现象联系起来,我们假设,受甲基化调控的基因可以在成年后由于婴儿接触无机铅而重新编程。我们对588个神经生物学相关基因的微阵列筛选支持了这一假设。我们发现,由于婴儿接触铅而改变的大多数基因(22个中的20个)富含CpG二核苷酸(>60%)(补充表1,可在网址:www.jneurosci.org作为补充材料)。然而,我们在这里和以前的工作(Basha等人,2005年)研究表明,尽管食蟹猴和大鼠在早期接触铅后,SP1和APP以潜在方式上调,但SP1调节的其他基因,如BACE1(Christensen等人,2004年),对啮齿动物无反应(Bolin等人,2006年)灵长类动物表现出温和的趋势。

此外,SP1调节了许多其他基因,这些基因尚未显示出对早期铅暴露的这种潜在反应。这并不排除SP1在潜在的Pb诱导的发病机制中发挥积极作用。尽管人类和灵长类的APP和BACE1启动子包含SP1结合位点(Song和Lahiri,1998年;Sambamurti等人,2004年),这些位点的特定位置因其各自的转录起始位点而异。例如,APP基因中的活性SP1位点出现在其5′-非翻译区(UTR)(Villa等人,2004年)而BACE1启动子中的活性SP1位点位于转录起始的上游约1 kb(Christensen等人,2004年). 或者,CpG二核苷酸的总密度与转录因子位点(如SP1)的存在相结合可以解释APP和BACE1之间的差异效应。转录起始位点上游2 kb的累积潜在甲基CpG二核苷酸的比较表明Bolin等人(2006)表明甲基化位点密度的差异集中在−100左右。

大量证据表明,DNA、蛋白质和脂质等大分子受到氧化损伤(Cecchi等人,2002年;Esposito等人,2006年)以及抗氧化酶的下调与AD相关(史密斯和佩里,1995年). 我们之前在发育期接触铅的老年大鼠中发现氧化DNA标记物8-oxo-dG升高(Bolin等人,2006年). 在这里,我们还发现8-oxo-dG的类似积累(图5). 这种氧化DNA的潜在积累可能来自两个来源。Aβ的潜在增加可以促进活性氧物种的形成,从而破坏DNA;胞嘧啶甲基化模式中的表观遗传调控可能干扰氧化鸟嘌呤的修复或使其更容易受到氧化损伤(埃文斯和库克,2004年).

很少有研究将DNA甲基化和DNA氧化损伤作为一种表观遗传现象。研究人员使用在单个CpG位点上具有甲基化和氧化损伤的合成DNA寡核苷酸或互补链上的氧化dG,发现CpG二核苷酸中鸟嘌呤的氧化降低了甲基结合域(MBD)与该位点的结合(Valinluck等人,2004年). 即使对侧链中鸟嘌呤的氧化也会降低MBD结合,但与同一链的G-氧化作用相比,作用不大。当5-甲基胞嘧啶被氧化为5-羟甲基胞嘧啶时,其对MBD的亲和力大大降低到与非甲基化胞嘧啶相同的水平。因此,我们假设,DNA甲基化等表观遗传机制可以影响氧化损伤,使生物体更容易受到AD发病机制的影响,并且该过程可以通过环境暴露进行调节。

因此,我们提出了一个模型(图6)基因重编程中甲基化和氧化损伤之间的相互作用。以APP基因近端启动子/5′-UTR序列为例,在未受损的基因中,甲基CpG结合蛋白2(MECP2)将与转录因子SP1竞争调控。由此产生的竞争将下调某一特定基因。如果靶DNA通过氧化为8-oxo-dG或5-羟甲基胞嘧啶而改变,MECP2结合可能部分或完全被阻断,但不足以允许与序列充分竞争的SP1相互作用来改变表达(图6 B类). 发育、成熟和衰老的正常变化会触发潜在的SP1调节性改变,从而显著增加转录因子的水平(图6 C类). 较高的SP1水平,当结合MECP2结合的部分阻断时,允许SP1与序列充分相互作用,从而导致更大的靶基因表达。除了SP1之外,其他转录因子可能起到MECP2竞争靶点的作用。

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氧化损伤通过干扰甲基化CpG二核苷酸的MECP2结合对SP1介导的APP表达的影响模型。显示了APP启动子和从−1000 bp到+148的“ATG”起始密码子的5′-UTR。CpG二核苷酸显示在序列上,就像+1转录起始位点一样。A类,未损伤的DNA,显示一个或多个MECP2与甲基化CpG结合,与SP1竞争。APP表达处于正常水平。B类G残基转化为8-oxo-dG或mC转化为5-hydroxymethylcytosine阻断一些MECP2与甲基化CpG的结合,可能允许SP1的额外结合,但不足以显著改变靶基因表达水平。C类,发育、成熟和衰老的正常变化导致潜在的SP1调控改变的触发,从而显著增加转录因子水平,使SP1竞争剩余的MECP2结合,增加靶基因的表达。

成人疾病如精神分裂症也与感染、胎儿营养不良或早期缺氧有关(Dalman等人,1999年;Van Erp等人,2002年;博克萨和埃尔-科多尔,2003年). 研究人员Bilbo等人(2005)研究表明,围产期接触传染源会影响神经系统对免疫挑战的反应以及成年后的记忆巩固。作者还发现,暴露于新生儿病原菌后,成人海马星形胶质细胞数量减少,反应性增强,大脑IL-1β水平降低。孤独症谱系障碍的研究至少证明了差异甲基化的一些贡献(Jiang等人,2004年). 在这种情况下,最近的研究结果表明,根据环境介导的LEARn调节,“攻击性孤独症”患者血浆可溶性APPα水平的增加可能为APP在孤独症谱系障碍中的表观遗传作用提供了证据(Sokol等人,2006年). DRD2和HTR2A基因的低甲基化与精神分裂症和双相情感障碍有关(Abdolmaleky等人,2004年). 然而,RELN基因的超甲基化已被证明与精神分裂症有关(Abdolmaleky等人,2005年)表明表观遗传扰动的潜在致病作用可能作用于多种机制。虽然我们的工作专门针对铅的潜在影响,但其他金属可能也有类似的影响(Poirier和Vlasova,2002年;Takiguchi等人,2003年).

总之,本研究在灵长类动物中提出了新的发现,表明环境因素(Pb)参与了AD的发病机制,并证明发育是一个重要的脆弱期,这可能会增加未来对神经变性和AD病理的敏感性。

脚注

这项工作得到了美国国立卫生研究院(NIH)拨款ES013022和AG027246(N.H.Z)以及罗德岛大学核心设施拨款P20RR016457的支持,该拨款由国家研究资源中心(NIH的一个组成部分)资助。F.C.-P.实验室的工作得到了国家环境健康科学研究所(NIH)、国家老龄研究所(National Institute on Aging Grant)1R15AG023604-01的校内研究部门的支持;D.K.L.实验室的工作得到了阿尔茨海默病协会Zenith奖以及NIH拨款R0AG18379和R0AG18884的支持。

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