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摘要：
表觀遺傳標(biāo)記的改變與正常發(fā)育和細(xì)胞分化以及常見慢性疾病的進(jìn)展有關(guān)。這些標(biāo)記的可塑性為疾病治療和預(yù)防策略提供了潛力。 已顯示大量和微量營養(yǎng)素通過對表觀基因組的影響部分地調(diào)節(jié)疾病風(fēng)險(xiǎn)。必需的微量營養(yǎng)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(chǎn)物影響人類健康結(jié)果，例如癌癥，心血管和自身免疫疾病。該綜述提供了關(guān)于膳食和合成硒化合物的表觀遺傳效應(yīng)的當(dāng)前文獻(xiàn)的評估，其包括表觀遺傳信息的標(biāo)記和編輯器的調(diào)節(jié)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(guān)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(yīng)。
 
引言
表觀遺傳學(xué)描述了在不改變基因組DNA序列的情況下調(diào)節(jié)基因表達(dá)的有絲分裂的穩(wěn)定的染色質(zhì)機(jī)制。這些機(jī)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(chǎn)物]和組蛋白（乙酰化，甲基化等），其干擾染色體的包裝和反式作用因子的結(jié)合。DNA / RNA測序技術(shù)的最新進(jìn)展使得有可能在全基因組水平上研究表觀遺傳標(biāo)記，從而深入了解所謂的表觀基因組。多中心聯(lián)盟，即DEEP（Deutsches Epigenom-Programm，德國表觀基因組計(jì)劃，www.deutsches-epigenom-programm.de）和IHEC（國際人類表觀基因組聯(lián)盟，www.ihec-epigenomes.org）目前正在破譯高分辨率的健康和患病組織/細(xì)胞類型的表觀基因組圖譜，以獲得標(biāo)準(zhǔn)的和疾病特異性表觀基因組圖譜。根據(jù)目前的知識，表觀基因組在整個(gè)生物體的整個(gè)生命過程中，在細(xì)胞分化過程中以及對多種外部刺激的反應(yīng)中都表現(xiàn)出可塑性。表觀基因組的變化也與癌癥和其他復(fù)雜疾病的發(fā)病和進(jìn)展有關(guān)，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(shù)這些關(guān)聯(lián)的因果關(guān)系尚不清楚，但考慮到表觀遺傳標(biāo)記的主要可變性——與細(xì)胞中基本穩(wěn)定的DNA結(jié)構(gòu)形成對比——以表觀基因組為靶點(diǎn)可能在疾病治療和預(yù)防方面提供一個(gè)有前途的策略。上述常見疾病的風(fēng)險(xiǎn)和進(jìn)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(huán)境因素。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，飲食模式、特定(微)營養(yǎng)素和次生植物化合物會改變表觀遺傳標(biāo)記，越來越多的證據(jù)表明，食物成分對健康結(jié)果的調(diào)節(jié)(至少部分)是由表觀遺傳效應(yīng)介導(dǎo)的。雖然常量營養(yǎng)素(如實(shí)驗(yàn)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(biāo)記，但由于常量營養(yǎng)素引起的多重混雜效應(yīng)和成分的變化，很難對這些觀察結(jié)果作出機(jī)理解釋。因此，大多數(shù)研究已經(jīng)評估了對特定微量營養(yǎng)素和次生植物化合物干預(yù)響應(yīng)的表觀遺傳效應(yīng)。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(yǎng)素。在使用細(xì)胞系統(tǒng)和動(dòng)物的研究中，以及在有限數(shù)量的人類研究中，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)它可以修改表觀遺傳標(biāo)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(xué)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(dāng)抗氧化酶，氧化還原敏感信號傳導(dǎo)途徑和甲狀腺激素代謝的調(diào)節(jié)劑。其他硒蛋白促進(jìn)硒轉(zhuǎn)運(yùn)（硒蛋白P），硒蛋白生物合成（硒磷酸合成酶2），并參與維持內(nèi)質(zhì)網(wǎng)穩(wěn)態(tài)（例如，硒蛋白S，K和15-kDa硒蛋白）。硒蛋白對小鼠發(fā)育和健康的重要性已經(jīng)在具有單一或完全硒蛋白消耗的轉(zhuǎn)基因小鼠中得到證實(shí)。此外，具有遺傳上受損的硒蛋白生物合成的人患有嚴(yán)重的多系統(tǒng)疾病。 已知小鼠和人硒補(bǔ)充研究的生物學(xué)結(jié)果（例如，疾病發(fā)生率，對轉(zhuǎn)錄組，表觀基因組和硒狀態(tài)的影響（及其中的參考文獻(xiàn)），不僅受Se劑量的影響，而且還受其化學(xué)形式和補(bǔ)充前Se狀態(tài)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(jié)了目前對天然存在的和合成的硒化合物對表觀遺傳標(biāo)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(guān)性。目的是研究Se -表觀基因組相互作用的生化基礎(chǔ)，為此，我們將重點(diǎn)研究Se化合物對表觀遺傳機(jī)制(如DNA甲基轉(zhuǎn)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(guān)的一種臨床癥狀是克山病，它發(fā)生在中國的一個(gè)省份，受影響的人每日總硒攝入量≤15μg。據(jù)世界衛(wèi)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(shù)衛(wèi)生機(jī)構(gòu)建議每日攝入的硒量在55至70μg之間。這些建議通常基于總硒攝入量來優(yōu)化血漿中GPx3和SeP的活性/表達(dá)，這是2種常用的硒狀態(tài)生物標(biāo)志物。實(shí)現(xiàn)血漿GPx3活性的優(yōu)化在40-47μg Se /天，而SeP需要~105μg Se /天。與SeP優(yōu)化(124μg Se/l)一致的血漿硒濃度處于與降低死亡率風(fēng)險(xiǎn)和預(yù)防幾種癌癥相關(guān)的范圍內(nèi)。超過這些硒水平的補(bǔ)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(fēng)險(xiǎn)。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(shù)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(jìn)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(zhuǎn)硫途徑發(fā)生 - 由相同的酶催化將甲硫氨酸轉(zhuǎn)化為半胱氨酸至Sec，其通過硒代半胱氨酸β-裂解酶（SBL）轉(zhuǎn)化為硒化物和丙氨酸。在類似的反應(yīng)中，SBL從Se-甲基硒代半胱氨酸產(chǎn)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(zhuǎn)氨酶K和L-氨基酸氧化酶轉(zhuǎn)氨基轉(zhuǎn)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(xiàn)見24）。

 

圖1. 膳食硒化合物的代謝。 主要的有機(jī)和無機(jī)硒化合物通過轉(zhuǎn)硫化，轉(zhuǎn)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(biāo)有綠色背景的是參與的酶。 詳情請見文字。 GTK =谷氨酰胺轉(zhuǎn)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(zhuǎn)移酶（DNMT1，DNMT2，DNMT3A，DNMT3B和DNMT3L）催化的反應(yīng)中轉(zhuǎn)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(dāng)它與鳥苷結(jié)合時(shí)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(fù)制偶聯(lián)稀釋產(chǎn)生的，其中5mC或5mC氧化產(chǎn)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(fù)制到新的DNA鏈，或者通過堿基切除修復(fù)（BER）或核苷酸切除修復(fù)（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(yǎng)物質(zhì)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(fā)生的。許多研究報(bào)道了Se狀態(tài)或補(bǔ)充對總DNA和基因特異性DNA甲基化以及DNMT的表達(dá)或活性的影響（列于表1）。Arai等人用母體血清中發(fā)現(xiàn)的生理，無毒Se劑量孵育小鼠胚胎干細(xì)胞。Se引起細(xì)胞異染色質(zhì)狀態(tài)的可逆改變，并且還改變了在胎兒發(fā)育中起作用的個(gè)體基因的DNA甲基化狀態(tài)，包括Hnf4a（肝細(xì)胞核因子4a），Aebp2（AE結(jié)合蛋白2），Prickle2（刺猬同源物2）， 和Rnd2（Rho家族GTP酶2），不損害細(xì)胞形成胚胎體的潛力。這些結(jié)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(lián)系，因?yàn)楸娝苤猄e是體外肝細(xì)胞分化所必需的，轉(zhuǎn)錄因子HNF4a是該過程的關(guān)鍵調(diào)節(jié)因子。Arai等人觀察到的染色質(zhì)結(jié)構(gòu)的變化可能是由Se補(bǔ)充細(xì)胞和缺陷細(xì)胞的總DNA甲基化差異引起的。使用嚙齒動(dòng)物和細(xì)胞系的研究確實(shí)表明飲食中Se攝入水平影響總DNA甲基化。嚙齒動(dòng)物研究給出了關(guān)于補(bǔ)充硒對總DNA甲基化增加或減少的不一致結(jié)果，盡管使用了可比較的硒飲食（表1）：硒缺乏導(dǎo)致大鼠肝臟和結(jié)腸中DNA甲基化較少，與Zeng等人的研究相反，其中喂食超營養(yǎng)的大鼠與足夠和缺乏的Se飲食的相比，肝臟和結(jié)腸中的DNA甲基化水平較高。Zeng等人指出，所用動(dòng)物菌株和基礎(chǔ)飲食含量的差異可能是硒效應(yīng)的改良劑。此外，采用不同的技術(shù)對總DNA甲基化進(jìn)行評估：采用[3H -甲基]-SAM/SssI甲基化酶和分離的DNA 進(jìn)行體外甲基群接受試驗(yàn)，一個(gè)5 mC 酶聯(lián)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(guān)數(shù)據(jù)僅限于一篇論文，顯示LNCaP前列腺腫瘤細(xì)胞經(jīng)1.5 μM亞硒酸鹽處理7 d后，5 mC免疫反應(yīng)活性下降約50%?？梢缘贸龅慕Y(jié)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(yīng)所掩蓋，而且它們還受到營養(yǎng)環(huán)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(fā)現(xiàn)血漿Se與白細(xì)胞中的總DNA甲基化呈顯著負(fù)相關(guān)。除了對整體甲基化的影響外，硒還被證明能在個(gè)體基因的區(qū)域和特定的CpG位點(diǎn)誘導(dǎo)不同的甲基化。Xiang等人的研究發(fā)現(xiàn)，編碼II相解毒酶GSTP1（π-型谷胱甘肽S-轉(zhuǎn)移酶）和腫瘤抑制因子APC（腺瘤性息肉?。┖虲SR1（細(xì)胞應(yīng)激反應(yīng)1）的基因由于其啟動(dòng)子的高甲基化而在前列腺腫瘤中經(jīng)常被沉默，在亞硝酸鹽處理后在LNCaP細(xì)胞中去甲基化并重新表達(dá)。類似地，不同來源的Se（100μM SelMet）引起啟動(dòng)子去甲基化和GSTP1的重新表達(dá)。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(xué)形式和細(xì)胞類型。 雖然Se與蛋白質(zhì)（如血漿中）或氨基酸（例如SelMet）結(jié)合時(shí)具有低毒性，但許多細(xì)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(xué)的，不適用于補(bǔ)充試驗(yàn)。在前列腺癌的預(yù)防中使用硒是非常有前途的，這是基于對前列腺癌風(fēng)險(xiǎn)和硒狀態(tài)反向關(guān)聯(lián)的觀察，以及支持硒蛋白缺陷小鼠中加速前列腺癌發(fā)生的發(fā)現(xiàn)。在這種情況下，可能會出現(xiàn)一種概念，認(rèn)為Se是一種通過靶向腫瘤抑制基因來抵抗癌癥進(jìn)展的表觀遺傳藥物，如Xiang等人所暗示的那樣，但當(dāng)然需要進(jìn)行體內(nèi)研究以加強(qiáng)和擴(kuò)展其他相關(guān)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(fā)現(xiàn)von-Hippel-Lindau（VHL綜合征）基因啟動(dòng)子的甲基化對Caco-2細(xì)胞中的Se（250nM Se-甲基硒代半胱氨酸（SeMSC））起反應(yīng); 體外培養(yǎng)的VHL啟動(dòng)子甲基化被SeMSC降低，這與Caco-2和2 μg Se（SeMSC）喂養(yǎng)的大鼠VHL表達(dá)水平升高有關(guān)。VHL經(jīng)常在腎細(xì)胞癌中下調(diào)和突變，并且還發(fā)現(xiàn)在結(jié)腸直腸癌發(fā)生期間失調(diào)，其中Se基于流行病學(xué)和動(dòng)物研究被歸因于保護(hù)功能。一項(xiàng)針對人類的研究評估了與硒狀態(tài)相關(guān)的健康直腸粘膜標(biāo)本（84名男性，101名女性）中結(jié)腸直腸癌相關(guān)基因的甲基化狀態(tài)。發(fā)現(xiàn)WIF1（wnt抑制因子1）甲基化和血漿Se濃度的關(guān)聯(lián)。有趣的是，硒的狀態(tài)也與其他基因和反轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)座子的甲基化有關(guān)，包括LINE1（長散在的核苷酸元件1），PCA1（陽離子轉(zhuǎn)運(yùn)P型ATP酶），SFRP1 / 2（分泌的卷曲相關(guān)蛋白1/2）， 和APC，這是以性別特異性的方式發(fā)生的。沒有分析這些基因的差異甲基化是否與其表達(dá)水平的差異相關(guān)。EPIC(歐洲癌癥和營養(yǎng)隊(duì)列前瞻性調(diào)查)的研究揭示了Se狀態(tài)與結(jié)直腸癌風(fēng)險(xiǎn)呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，這種關(guān)系在女性中比男性強(qiáng)。硒蛋白表達(dá)水平和硒狀態(tài)生物標(biāo)志物對男性和女性補(bǔ)充硒的不同反應(yīng)也可以明顯看出硒的性別特異性效應(yīng)（總結(jié)見參考文獻(xiàn)38）; Tapp等人的研究表明，Se效應(yīng)的這種性別特異性延伸到癌癥相關(guān)基因的表觀遺傳標(biāo)記，但這些發(fā)現(xiàn)與疾病病因?qū)W的相關(guān)性值得進(jìn)一步研究。最近的一項(xiàng)研究將炎癥相關(guān)基因TLR2（toll樣受體2）和ICAM1（細(xì)胞間粘附分子1）鑒定為Se依賴性表觀遺傳調(diào)控的新靶點(diǎn)，并提出了一種機(jī)制，即Se改變GADD45的表達(dá)（生長停滯和DNA損傷誘導(dǎo)基因，α）和DNMT1，導(dǎo)致TLR2和ICAM1的表觀遺傳沉默，并將其與由長期嚴(yán)重缺乏的硒攝入引起的眾所周知的病癥聯(lián)系起來：克山病（KD）。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(fā)現(xiàn)，在中國缺硒地區(qū)流行。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，Se缺乏是KD的致病因素，Se作為補(bǔ)充劑后發(fā)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(dòng)子陣列分析了富集的DNA。甲基化組譜顯示在數(shù)千個(gè)差異甲基化區(qū)域（DMR）的差異，其通過甲基化特異性PCR證實(shí)了TLR2和ICAM1啟動(dòng)子。此外，兩種基因的表達(dá)水平與啟動(dòng)子甲基化程度和血清Se濃度呈負(fù)相關(guān)。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(jié)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(xì)胞中測量了Tlr2和Icam1基因的甲基化/表達(dá)。雖然與Se缺陷細(xì)胞相比，在用1.5μM亞硒酸鹽處理的心肌細(xì)胞中觀察到Dnmt1蛋白表達(dá)水平的顯著降低，但這不太可能并且預(yù)期是Tlr2和Icam1啟動(dòng)子甲基化增加的原因。相反，作者認(rèn)為這是由于Se處理的心肌細(xì)胞中Gadd45a mRNA和蛋白質(zhì)表達(dá)水平的降低。GADD45A通過與BER-和NER-執(zhí)行蛋白的相互作用與特定基因組位點(diǎn)，例如在RARβ2（視黃酸受體β）的基因中的去甲基化相關(guān)聯(lián)。但是，正如Yang等人暗示的那樣，GADD45A作為Se依賴性調(diào)節(jié)（位點(diǎn)特異性）DNA甲基化的介質(zhì)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(zhì)免疫沉淀的其他研究證實(shí)。此外，許多研究報(bào)道，Se通過增強(qiáng)的p53結(jié)合活性增強(qiáng)DNA損傷修復(fù)能力（總結(jié)于42），部分地與大鼠心肌細(xì)胞獲得的結(jié)果相反，通過GPx-1-與MCF7細(xì)胞中GADD45的表達(dá)增加相關(guān)或其與DNA修復(fù)酶如AP內(nèi)切核酸酶1的相互作用相關(guān)。然而，Se對DNA修復(fù)酶的這些作用是否確實(shí)促進(jìn)DNA去甲基化尚不確定。
 

 
另一種可能誘導(dǎo)差異DNA甲基化的se靶點(diǎn)是DNMT酶；在上述研究中發(fā)現(xiàn)，DNMT表達(dá)或活性的調(diào)節(jié)被認(rèn)為有助于甲基化標(biāo)記的調(diào)節(jié)。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(jié)腸癌核提取物中的DNMT活性。3種化合物的IC 50值計(jì)算為3.8μM（亞硒酸鹽），8.4μM（BSC）和5.2μM（p-XSC），實(shí)驗(yàn)的設(shè)置暗示化合物以其非代謝形式起作用。在體外試驗(yàn)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(dòng)物組相比，從Se補(bǔ)充分離時(shí)酶活性較低。在體內(nèi)，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(jié)腸中觀察到DNMT活性的非顯著降低。類似地，在大鼠心肌細(xì)胞和LNCaP細(xì)胞中通過1.5μM亞硒酸鈉和在MCF-7細(xì)胞中通過8μM亞硒酸鈉和2μM MSA，減少DNMT1蛋白表達(dá)。體外人和動(dòng)物研究共同表明Se與總DNA甲基化和DNMT活性呈負(fù)相關(guān)。
 
硒對組蛋白乙酰化的影響
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(zhuǎn)移酶、組蛋白乙酰轉(zhuǎn)移酶(HATs)等在確定的氨基酸位置添加。由IHEC聯(lián)盟研究的常見組蛋白標(biāo)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(biāo)記的高度多樣化編碼控制組蛋白與DNA的結(jié)合、DNA與反轉(zhuǎn)錄因子的相互作用以及最終的基因表達(dá)。在疾病的發(fā)病和進(jìn)展中發(fā)現(xiàn)異常的組蛋白密碼，因此成為治療目標(biāo)。硒和其他微量營養(yǎng)素已被證明可誘導(dǎo)或與組蛋白標(biāo)記的變化相關(guān)，從而可能影響健康結(jié)果。營養(yǎng)物質(zhì)對組蛋白標(biāo)記的干擾主要是通過調(diào)節(jié)組蛋白修飾酶活性/表達(dá)和對底物有效性的干擾發(fā)生的。鑒于標(biāo)記和參與酶的種類繁多，情況甚至比DNA甲基化更復(fù)雜; 此外，DNA甲基化和組蛋白標(biāo)記之間存在交叉鏈，它們一起構(gòu)成了一個(gè)復(fù)雜的表觀遺傳調(diào)控網(wǎng)絡(luò)。從臨床角度來看，對組蛋白脫乙酰酶（HDACs）特別感興趣，因?yàn)樗鼈兊漠惓９δ芎?或表達(dá)與癌癥和一些神經(jīng)和免疫疾病有關(guān)。已經(jīng)開發(fā)了許多合成的HDAC抑制劑，并且目前正在臨床試驗(yàn)中進(jìn)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(bào)告通過膳食和合成Se化合物調(diào)節(jié)組蛋白標(biāo)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(diào)節(jié)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琒elSA-2）的結(jié)構(gòu)式具有HDAC抑制活性。

 
用1.5μM亞硒酸鹽處理LNCaP細(xì)胞7天顯著降低HDAC活性，同時(shí)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(fā)現(xiàn)，在Se處理后，總的和GSTP1啟動(dòng)子結(jié)合的H3K9ac水平（一個(gè) 抑制標(biāo)記） 增加，H3K9me3（一個(gè)活化標(biāo)記）降低。其他研究證實(shí)，膳食和合成硒化合物可抑制HDAC活性。Kassam等人應(yīng)用甲基硒酸（MSA; 5-30μM）擴(kuò)散大B細(xì)胞淋巴瘤（DLBCL）細(xì)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(yīng)需要MSA的細(xì)胞代謝，但HDAC失活的代謝物尚未被確認(rèn)。Lee等人發(fā)現(xiàn)來自膳食硒化合物的硒代α-酮酸代謝物充當(dāng)HDACs的抑制劑。在他們的研究中，SeMSC和SelMet在谷氨酰胺轉(zhuǎn)氨酶K（GTK）和L-氨基酸氧化酶催化的轉(zhuǎn)氨作用中反應(yīng)為β-甲基硒丙酮酸和α-酮-γ - 甲基硒基丁酸，其結(jié)構(gòu)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(xì)胞試驗(yàn)中的HDAC活性，并導(dǎo)致前列腺癌細(xì)胞中乙?；M蛋白H3水平的快速升高。在實(shí)驗(yàn)性癌發(fā)生的研究中觀察到的高劑量Se補(bǔ)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(yè)上可用作伏立諾他）的結(jié)構(gòu)，用于治療晚期T細(xì)胞淋巴瘤的HDACi，2個(gè)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(xì)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(xì)胞生長和黑素細(xì)胞病變發(fā)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(jīng)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(xì)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(shí)，促炎性基因腫瘤壞死因子-α（TNF-α）)和環(huán)氧合酶-2 (COX2)的啟動(dòng)子中H4K12ac和H4K16ac的豐度下降，此前已在se處理的RAW264.7巨噬細(xì)胞中表達(dá)減少。這些細(xì)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(fā)的H4乙酰化水平降低是由于通過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(dǎo)抗炎Δ-PGJ和15d-PGJ的產(chǎn)生，其可以共價(jià)結(jié)合p300從而抑制其活性。重要的是，亞硒酸鹽沒有改變?nèi)狈ec-tRNA[Ser] Sec 的巨噬細(xì)胞中的H4乙酰化水平，表明硒蛋白生物合成是亞硒酸鹽誘導(dǎo)的H4乙酰化調(diào)節(jié)的先決條件。由亞硒酸鹽（涉及H-PGDS，COX-2，p300 HAT和p65和H4乙?；┮l(fā)的所提出的級聯(lián)反應(yīng)，可能觸發(fā)從M1轉(zhuǎn)變?yōu)榫奘杉?xì)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(guān)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(zhuǎn)移到細(xì)胞因子和靶蛋白。因此，單碳代謝與DNA甲基化緊密相關(guān)，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(dǎo)致差異DNA甲基化。我們簡要描述了一碳代謝和相關(guān)途徑的反應(yīng)，然后評估了當(dāng)前的文獻(xiàn)關(guān)于其硒依賴性調(diào)節(jié)的發(fā)現(xiàn)。如圖3所示，甲硫氨酸與SAM反應(yīng)，在DNMT催化的胞嘧啶或蛋白質(zhì)甲基化后，SAM轉(zhuǎn)化為S-腺苷高半胱氨酸（SAH）。去除腺苷基團(tuán)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?yàn)樗c多種復(fù)雜疾病如心血管和神經(jīng)退行性疾?。捌渲械膮⒖嘉墨I(xiàn)）有關(guān)。HCys的清除作用是通過其對甲硫氨酸的再甲基化進(jìn)行的，進(jìn)而作為SAM形成的底物，或者通過轉(zhuǎn)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(yīng)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(fā)現(xiàn)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(dòng)脈疾病的風(fēng)險(xiǎn)顯著降低有關(guān)，但基線HCys水平似乎不受健康個(gè)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(zhuǎn)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(dǎo)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(yīng)中，甲硫氨酸合酶（MS）促進(jìn)了HCys的再甲基化。THF通過2個(gè)酶促步驟循環(huán)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(zhuǎn)移酶（BHMT）對HCys進(jìn)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(biāo)有綠色背景是酶; 已經(jīng)證明受Se影響的酶標(biāo)有紅色背景。 SAM = S-腺苷甲硫氨酸; MAT = 蛋氨酸腺苷轉(zhuǎn)移酶; SAH D S-腺苷高半胱氨酸; DNMT = DNA甲基轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)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(tài)與血漿同型半胱氨酸水平之間的相關(guān)性
一些人體研究顯示血漿或血清Se和HCys水平之間呈負(fù)相關(guān)（表3）。在具有非常高的平均Se狀態(tài)（635.5mg Se / l血液）的因紐特人群中，硒對血漿HCys呈負(fù)性預(yù)測。Klapcinska等人在具有低平均Se狀態(tài)（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(fù)相關(guān)。雖然兩項(xiàng)研究均報(bào)告了類似的研究結(jié)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(xiàng)研究中，超過65歲的英國國民飲食和營養(yǎng)調(diào)查的參與者的Se和HCys之間的反比關(guān)系，在調(diào)整葉酸，PLP和維生素B12后，這種相關(guān)性變得微不足道。然而，在Bekaert等人的研究中，在調(diào)整相同的混雜因素之后，Se和HCys的關(guān)聯(lián)仍然很顯著，但僅限于男性。通過線性回歸分析計(jì)算血漿Se占HCys方差的1.8％。與此相符，血清Se預(yù)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(guān)，而最高與最低Se三分位組的個(gè)體在最高的HCys三分位組中的風(fēng)險(xiǎn)降低63％。年齡小于55歲的缺血性卒中患者在卒中發(fā)生不久后(第三天)進(jìn)行評估，發(fā)現(xiàn)其Se水平低于健康對照組，與HCys呈負(fù)相關(guān)，占HCys方差的15.4%，與維生素B6水平無關(guān)。鑒于這些基線關(guān)聯(lián)，已經(jīng)進(jìn)行了試驗(yàn)以確定Se補(bǔ)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(bǔ)充硒6個(gè)月增加血漿Se，但對HCys水平?jīng)]有影響。這種效果的缺乏支持了早期的干預(yù)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(guān)聯(lián)。
 

 
動(dòng)物實(shí)驗(yàn)允許更大的靈活性設(shè)計(jì)補(bǔ)充研究，更好地控制混雜因素，以及更多的終點(diǎn)檢測選項(xiàng)。表4列出了對嚙齒動(dòng)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(guān)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(tài)之間的反相關(guān)。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(xiàng)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(xiàng)研究都使用了與人類飲食攝入水平相當(dāng)?shù)奈康娘嬍?。引人注目的是，與充足的攝入水平(0.15 ppm Se)相比，這兩項(xiàng)研究都顯示，略微次優(yōu)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(xiàng)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(diào)節(jié)所致。其他研究也報(bào)道了屬于轉(zhuǎn)硫化（GCL）和再甲基化途徑（BHMT和甘氨酸N-甲基轉(zhuǎn)移酶）的酶的差異表達(dá)，但這些效應(yīng)似乎是物種特異性的，僅在嚴(yán)重硒缺乏時(shí)才能見到。（II）在飼喂被認(rèn)為缺乏Se（≤0.025ppm）的飲食的那些動(dòng)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(yǎng)（> 0.2ppm）和足夠（0.1-0.2ppm）Se含量的飲食的動(dòng)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(fù)相關(guān)關(guān)系，這兩個(gè)飲食組的比較特別令人感興趣。由于ACHY催化的反應(yīng)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(dǎo)致SAH的積累。SAH反過來又是甲基轉(zhuǎn)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(guān)。這一概念得到了一項(xiàng)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(xì)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(xì)胞DNA甲基化相關(guān)，但SAM不相關(guān)，這意味著SAM的測量不足以預(yù)測甲基化潛力。還發(fā)現(xiàn)組織SAH濃度與小鼠的睪丸，腦和肝中的DNA低甲基化相關(guān)。關(guān)于鼠Se補(bǔ)充研究中SAH和/或SAM水平的數(shù)據(jù)是有限且不一致的。三項(xiàng)研究測量了SAM / SAH比率，與缺乏或超營養(yǎng)（2或4 ppm）硒飲食相比，喂養(yǎng)足夠（0.1或0.2 ppm）的組中肝臟和結(jié)腸SAM / SAH比率較低，然而當(dāng)使用SelMet代替亞硒酸鹽時(shí)未見到這一點(diǎn)。另一項(xiàng)研究發(fā)現(xiàn)，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(jìn)行的兩項(xiàng)全基因組關(guān)聯(lián)研究發(fā)現(xiàn)，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(guān)。Combs小組發(fā)表的令人興奮的數(shù)據(jù)顯示干擾一碳代謝會影響硒代謝：ACHY的抑制導(dǎo)致SAM / SAH比率降低，硒轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白SeP從HepG2細(xì)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(zhuǎn)錄誘導(dǎo)起關(guān)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(dǎo)致肝臟和腎臟中的硒滯留，同時(shí)減少這些器官和尿液中的排泄性硒形式。這些數(shù)據(jù)以及動(dòng)物硒補(bǔ)充研究的結(jié)果進(jìn)一步表明全身硒和一碳代謝是相互聯(lián)系的。
 
硒對microRNA表達(dá)的調(diào)控
通過非編碼RNA分子如microRNA（miRNA）靶向mRNA來調(diào)節(jié)基因表達(dá)有時(shí)被認(rèn)為是另外的表觀遺傳機(jī)制。迄今為止，只有一項(xiàng)研究檢查了Se是否對microRNA（miRNA）表達(dá)有影響。在Se缺陷或Se補(bǔ)充培養(yǎng)基中生長的Caco-2細(xì)胞的miRNA譜的微陣列分析（總共737個(gè)miRNA），顯示12個(gè)miRNAs的表達(dá)受Se供應(yīng)的影響。在同一研究中，50種mRNAs的表達(dá)水平也是Se反應(yīng)性的，并且預(yù)測許多這些mRNA被Se反應(yīng)性miRNA靶向。其中之一，miRNA185，其表達(dá)在Se缺乏下降低，被證實(shí)調(diào)節(jié)谷胱甘肽過氧化物酶2（GPx2）和硒磷酸合成酶2（SPS-2）的表達(dá)。由于SPS-2的酶產(chǎn)物是硒蛋白生物合成機(jī)制的一部分，這些發(fā)現(xiàn)表明硒可用性部分地影響硒蛋白質(zhì)組，通過涉及miRNA-185和可能的其他miRNA的表觀遺傳機(jī)制來影響。miRNA-185是Se的一個(gè)特別感興趣的靶標(biāo)，因?yàn)樗罱霈F(xiàn)了一種腫瘤抑制因子，經(jīng)常在卵巢癌，乳腺癌，腎癌，前列腺癌和胃癌中被下調(diào)，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(xì)胞凋亡抑制因子。硒已被證明在實(shí)驗(yàn)環(huán)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(hù)免受惡性轉(zhuǎn)化的介質(zhì)的可能作用將是未來工作的一個(gè)有趣領(lǐng)域。
 

結(jié)論和未來方向
對硒物種引起的表觀遺傳效應(yīng)的研究仍然是一個(gè)相對較新的領(lǐng)域，尚未得到全面研究。目前主要來自小鼠和基于細(xì)胞的數(shù)據(jù)，以及一些人體研究表明，Se補(bǔ)充和狀態(tài)修飾全部的和特定基因區(qū)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(fā)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(jīng)顯示通過Se代謝產(chǎn)物硒-α-酮酸抑制HDAC活性來發(fā)生（至少在體外）。在小鼠和人類干預(yù)研究中在小鼠和人類干預(yù)研究中，需要系統(tǒng)地評估在全基因組水平上Se相關(guān)的對表觀遺傳標(biāo)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(tài)的受試者，從而可以觀察到劑量 - 反應(yīng)關(guān)系，并且包括轉(zhuǎn)錄組評估。聯(lián)合讀數(shù)將提供關(guān)于Se在表觀遺傳和轉(zhuǎn)錄調(diào)控中的作用的重要信息，并利用Se對與疾病風(fēng)險(xiǎn)相關(guān)或預(yù)測疾病風(fēng)險(xiǎn)相關(guān)的表觀遺傳標(biāo)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(yù)防和進(jìn)展中的作用特別相關(guān)，這些疾病在大規(guī)模Se干預(yù)試驗(yàn)的不同結(jié)果發(fā)表后變得不清楚。另一個(gè)研究重點(diǎn)是通過Se對DNMT和HDAC酶的抑制進(jìn)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(jī)制以及體外和體內(nèi)抑制所需劑量。影響與表觀遺傳機(jī)制相關(guān)的核蛋白的Se-反應(yīng)性信號傳導(dǎo)途徑，例如通過核小體重塑，轉(zhuǎn)錄或DNA修復(fù)，如GADD45A所示，也需要進(jìn)一步檢查。我們提出需要對Se引起的表觀遺傳過程進(jìn)行詳細(xì)的全基因組和機(jī)制的理解，以完成硒系統(tǒng)生物學(xué)的圖像，并闡明和預(yù)測其對健康結(jié)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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