硒的表观遗传效应及其对健康的影响

硒对DNA甲基化的影响

基因组DNA中胞嘧啶的甲基化是高等生物中最常见、可能也是研究最多的表观遗传修饰。甲基在DNA甲基转移酶（DNMT1、DNMT2、DNMT3A、DNMT3B和DNMT3L）催化下从供体底物S-腺苷蛋氨酸（SAM）转移到胞嘧啶的5-碳位置，当其与3′-鸟苷结合时，生成5-甲基胞嘧啶（5 mC）。另一方面，DNA去甲基化不是直接催化的，而是由DNA复制耦合稀释导致的，其中5 mC或5 mC氧化产物[5-羟甲基胞嘧啶（5 hmC）、5-甲酰胞嘧啶（5fC）和5-羧基胞嘧啶（5-caC）]没有复制到新的DNA链上，或者在替换5 mC（或衍生物）之后通过碱基切除修复（BER）或核苷酸切除修复（NER）与周围核苷酸的短片段结合。²⁵因此，营养素对DNA甲基化的干扰主要通过调节（i）DNMT活性/与辅助因子的相互作用，（ii）SAM可用性，以及（iii）去甲基化过程发生。许多研究报告了硒状态或补充硒对全局和基因特异性DNA甲基化以及DNMT的表达或活性的影响（见表1). Arai等人。用母体血清中发现的生理无毒硒剂量孵育小鼠胚胎干细胞。硒导致细胞异染色质状态的可逆改变，也改变了单个基因的DNA甲基化状态，在胎儿发育中起作用，包括Hnf4型α（肝细胞核因子4α），Aebp2公司（AE结合蛋白2），刺2（刺同源物2），和第2轮（Rho家族GTPase 2），不影响细胞形成胚胎体的潜能。²⁶这些结果表明，硒通过对基因特异性甲基化的影响，与组织特异性分化之间存在着有趣的联系，因为众所周知，硒是肝细胞分化所必需的在体外转录因子HNF4α是该过程的关键调节因子。Arai等人观察到的染色质结构变化。可能是由补充硒细胞与缺乏硒细胞中的整体DNA甲基化差异引起的。啮齿动物研究^27-30和细胞系³¹事实证明，饮食中硒的摄入水平会影响全球DNA甲基化。尽管使用了可比的硒饮食，但啮齿动物研究在补充硒后全球DNA甲基化的增加或减少方面给出了不一致的结果(表1)：硒缺乏导致大鼠肝脏DNA甲基化减少^28,29和冒号，²⁹与Zeng等人的研究相反。，其中，与充足和不足硒饮食相比，营养过剩的大鼠肝脏和结肠中的DNA甲基化水平更高。Zeng等人。指出所用动物品系的差异和基础日粮的含量可能是硒效应的调节剂。²⁷此外，不同的技术被应用于全球DNA甲基化的评估：在体外甲基接受度测定[^三H-甲基]-SAM/SssI甲基化酶和分离的DNA，^28,295 mC ELISA，²⁷以及通过HPLC检测酶消化DNA中的5 mC单磷酸。³⁰来自的相应数据在体外研究仅限于一篇论文，表明用1.5μM亚硒酸盐处理7天的LNCaP前列腺癌细胞的5 mC免疫反应性降低了约50%。³¹可以得出的结论是，亚硒酸盐和SelMet对全球DNA甲基化的影响可能被菌株特异性效应所掩盖，并且它们也受到营养环境（例如高脂肪饮食）的影响。这一主题已在一项人类研究（N=287）中阐明，该研究发现血浆硒与白细胞整体DNA甲基化显著负相关。³²除了对整体甲基化的影响外，硒还被证明在单个基因的区域和特定CpG位点诱导差异甲基化。Xiang等人的研究。发现编码第二阶段解毒酶GSTP1（π-类谷胱甘肽S-transferase）和肿瘤抑制因子APC（大肠腺瘤性息肉病）和CSR1（细胞应激反应1）的基因，这些基因由于其启动子的高甲基化而在前列腺肿瘤中经常沉默，在亚硒酸盐处理后在LNCaP细胞中脱甲基并重新表达。类似地，不同来源的Se（100μM SelMet）引起启动子去甲基化和GSTP1标准.³¹硒化合物通常用于在里面浓度从10 nM到100μM的体外研究。硒的生长抑制和毒性作用取决于其化学形式和细胞类型。虽然硒与蛋白质（如血浆中的）或氨基酸（如SelMet）结合时毒性较低，但许多细胞系在剂量≥1μM时不能耐受亚硒酸或甲基亚硒酸。³³考虑到人体血浆中硒的生理浓度范围（～0.4–2.5μM），硒剂量>5μM是超生理的，不适用于补充试验。根据前列腺癌风险与硒状态的负相关观察，硒用于癌症预防对前列腺癌尤其有希望，³⁴以及支持硒蛋白缺乏小鼠前列腺癌加速发生的研究结果。³⁵在这种情况下，一个概念认为硒是一种通过靶向肿瘤抑制基因来对抗癌症进展的表观遗传药物，正如Xiang等人所暗示的那样。，可能会出现，但肯定会出现体内需要进行研究，以加强和扩大对其他相关基因的研究，这些基因也可能在不同形式和不同致癌阶段被硒靶向。甲基化冯·希佩尔·林道在Caco-2细胞中发现（VHL）基因启动子对硒（250 nM Se-甲基硒代半胱氨酸（SeMSC））有反应；VHL（甚高频）SeMSC降低启动子甲基化在体外这与Caco-2和喂食2μg Se作为SeMSC的大鼠的VHL表达水平增加有关。³⁶ VHL（甚高频）在肾细胞癌中经常下调和突变，也发现在结直肠癌发生过程中被解除调控，³⁷其中，根据流行病学和动物研究，硒具有保护作用。^18,38一项针对人类的研究评估了健康直肠粘膜标本（84名男性，101名女性）中结直肠癌相关基因的甲基化状态与硒状态的关系。³⁹找到的关联WIF1系列（wnt抑制因子1）甲基化和血浆硒浓度。有趣的是，硒状态也与其他基因和反转录转座子的甲基化有关，包括第1行（长散布核苷酸元素1），PCA1公司（阳离子转运P型ATP酶），SFRP1/2型（分泌的卷曲相关蛋白1/2），以及空气污染指数这是以一种特定性别的方式发生的。没有分析这些基因的差异甲基化是否与它们表达水平的差异有关。EPIC（欧洲癌症和营养队列前瞻性调查）研究显示，硒状态与结直肠癌风险呈负相关，女性的相关性强于男性。³⁸从男性和女性对硒补充的硒蛋白表达水平和硒状态生物标志物的不同反应来看，硒的性别特异性效应也很明显（总结于³⁸); Tapp等人的研究。这表明Se效应的这种性别特异性延伸到癌症相关基因的表观遗传标记，但这些发现与疾病病因的相关性值得进一步研究。最近的一项研究确定了炎症相关基因TLR2级（toll样受体2）和ICAM1公司（细胞间黏附分子1）作为Se依赖的表观遗传调控的新靶点，并提出了一种机制，即Se改变GADD45（生长停滞和DNA-损伤诱导，α）和DNMT1的表达，导致表观遗传沉默TLR2级和ICAM1公司并将其与长期严重缺乏硒引起的一种众所周知的疾病联系起来：克山病（K_D类).⁴⁰K（K）_D类是一种心肌坏死性病毒性心肌炎，1935年首次在中国东北克山县发现，在中国缺硒地区流行。研究发现，硒缺乏是钾素营养不良的一个原因_D类补充硒后发病率显著降低。⁴¹硒在钾病因学中的作用方式_D类尚不完全清楚，但它被认为是由于缺乏Se-deficiency导致对病毒（柯萨奇B型病毒）感染的免疫反应受损。Yang等人。比较了K_D类患者和健康对照组使用甲基化DNA-IP，随后通过Roche-Nimblegen HG18-CpG启动子阵列分析富集的DNA。甲基体图谱显示数千个差异甲基化区域（DMR）存在差异，这些差异已被证实适用于TLR2级和ICAM1公司甲基化特异性PCR启动子。此外，这两个基因的表达水平与启动子甲基化程度和血清硒浓度呈负相关。喂食含0、0.1和2.0 mg/kg亚硒酸钠的饮食的大鼠也获得了类似的结果，而与人类受试者甲基化/表达Tlr2号机组和伊卡1在心肌组织和分离的新生儿心肌细胞中检测基因。虽然与硒缺乏细胞相比，在用1.5μM亚硒酸盐处理的心肌细胞中观察到Dnmt1蛋白表达水平显著降低，但这是不太可能的，与预期相反，这是导致Dnmt1蛋白表达增加的原因Tlr2号机组和伊卡1启动子甲基化。相反，作者认为这是由于硒处理的心肌细胞中Gadd45a mRNA和蛋白质表达水平降低所致。GADD45A与特定基因组位点的去甲基化有关，例如在风险调整比率β2（维甲酸受体β），通过与BER-和NER-执行蛋白的相互作用。²⁵但正如Yang等人所暗示的那样，GADD45A作为Se依赖性调节DNA甲基化（位点特异性）的介体的作用。，⁴⁰在通过其他研究证实之前，仍然是推测，例如，GADD45A公司基因沉默和染色质免疫沉淀。此外，许多研究报告称，硒可增强DNA损伤修复能力（总结如下⁴²)通过增强p53结合活性²⁹与大鼠心肌细胞的结果相比，⁴⁰通过GPx-1增加MCF7细胞中GADD45的表达⁴³-或其与DNA修复酶的相互作用，例如AP内切酶1。⁴⁴然而，硒对DNA修复酶的这些影响是否确实促进DNA去甲基化尚不确定。

另一个诱导差异DNA甲基化的可能靶点是DNMT酶类；在上述研究中，DNMT表达或活性的调节被认为有助于硒对甲基化标记的调节。亚硒酸盐和2种合成硒化合物，苄基硒氰酸盐（BSC）和1,4-亚苯基双（亚甲基）硒氰酸酯（p-XSC），已被证明在人类结肠癌细胞核提取物中抑制DNMT活性。⁴⁵这3种化合物的IC50值计算为3.8μM（亚硒酸盐）、8.4μM（BSC）和5.2μM（p-XSC），实验设置表明这些化合物以非代谢形式发挥作用。从大鼠肝脏制备的DNMT也被亚硒酸盐抑制在体外在K下进行分析_我与对照动物相比，从补充硒的动物中分离出的酶活性较低。⁴⁶ 体内在喂食低硒与低硒饮食（0.2和0 mg Se/kg饮食作为亚硒酸钠）的大鼠的肝脏和结肠中，DNMT活性无显著降低。²⁸同样，1.5μM亚硒酸钠可降低大鼠心肌细胞中DNMT1蛋白的表达⁴⁰在LNCaP细胞中³¹M亚硒酸钠和2μ。⁴⁷这个在体外人类和动物的研究共同表明，硒与整体DNA甲基化和DNMT活性呈负相关。