甲基化在运动干预骨质疏松中的作用机制(2)

骨组织长期缺乏应力刺激会导致其代谢功能下降，骨质疏松症患病风险增加[5]，这一点在长期缺乏运动的老年人中较为常见。研究证实，运动产生的机械负荷刺激能作用于骨组织，下调硬化蛋白基因表达并促进β-catenin蛋白表达，激活经典的Wnt/β-catenin信号通路，同时上调Jagged1、Notch1表达来激活Notch信号通路，促进骨形成；不仅如此，运动还能下调RANKL表达，使骨保护素(osteoprotegerin,OPG)/RANKL上升，抑制骨吸收过程，此外，Runx2、骨桥蛋白、骨钙素、碱性磷酸酶、Osx等骨形成标志基因mRNA在运动干预后表达均上升。一些研究表明，体外培养的间充质干细胞施加机械振动刺激后，骨桥蛋白、GNAS1等基因启动子甲基化水平降低且表达上升，促进了间充质干细胞向成骨分化。目前运动通过DNA甲基化影响骨质疏松症的机制还不明确，结合相关研究，运动可能是通过降低Notch1、β-catenin、Runx2、骨桥蛋白等基因甲基化水平来促进其表达，激活Wnt、Notch信号通路进而增加骨形成；增加硬化蛋白、RANKL等基因甲基化水平来抑制其表达，进而减弱骨吸收，最终达到改善骨质疏松症的作用。文章综述DNA甲基化在骨质疏松中的作用；探讨运动影响DNA甲基化的机制及DNA甲基化调控骨代谢的机制，以期为运动防治骨质疏松症提供新的方法。

1 资料和方法 Data and methods

1.1 资料来源由第一作者检索2002年1月至2020年4月CNKI和PubMed等外文生物医学、生物学、体育学期刊系统相关文献。中文关键词：DNA甲基化；骨质疏松；运动干预；机械应力；成骨分化；英文关键词：DNA methylation; Osteoporosis; Exercise intervention; Mechanical stress; Osteogenic differentiation。

1.2 纳入和排除标准

纳入标准：①所述内容需与DNA甲基化、骨质疏松、运动、骨代谢等方面密切相关；②同一领域选择近期或在权威杂志上发表的文章。

排除标准：①重复性研究；②与文章内容无关的研究。

经过中英文关键词分别组合检索，排除不符合纳入标准的文献，最终入选52条文献进行综述。文献检索流程图见图1。

2 结果 Results

2.1 DNA甲基化DNA甲基化是表观遗传学的研究热点，分为维持甲基化和从头甲基化，呈现甲基在供体分子间的级联反应的一碳代谢过程。S-腺苷甲硫氨酸在由DNA甲基转移酶(DNA methyltransferase, DNMTs)催化的反应中将其甲基基团供给胞嘧啶，此位点位于CpG岛二核苷酸胞嘧啶的5号碳原子(C5)[6]。CpG岛是基因中胞嘧啶(C)和鸟嘌呤(G)大量存在的二核苷酸重复序列，C和G通过磷酸二酯(p)相连，CpG岛与基因启动子的功能高度相关。研究证实，基因启动子中CpG岛密度越高，DNA甲基化程度对其转录水平的制约就越强。

图1｜文献检索流程图

DNA甲基化可以通过多种方式调控基因表达：①发生甲基化的DNA与转录因子结合发生障碍。由于在DNA双螺旋结构的大沟内存在含有CpG位点的启动子序列，且该处是许多转录因子与DNA集合的位置，当此处发生甲基化后，一些对甲基化敏感的转录因子如核转录因子、转录因子2等与识别位点的结合发生障碍，这会抑制转录过程，干扰基因表达。②甲基CpG结合蛋白对基因表达的抑制或沉默。甲基CpG结合蛋白是特异性转录抑制物，并以蛋白复合体的形式发挥作用，包括甲基CpG结合蛋白1和甲基CpG结合蛋白2两种甲基CpG结合蛋白复合体，而后者对单一的甲基化CpG位点高度亲和，当转录因子的启动子识别序列中的 CpG位点发生甲基化时，其会与转录因子竞争甲基化结合位点，从而导致基因表达受影响。③DNA甲基化引起染色质结构改变，抑制基因表达。发生DNA甲基化后，组蛋白H3，H4氨基端赖氨酸残基出现去乙酰化，核小体结构受到影响，并改变组蛋白H1的连接活性来调节基因活性。另外，DNA甲基化会阻止转录因子进入而诱导染色质失活，防止染色质活化[7]。一般认为，高甲基化的DNA序列表达水平低；反之，表达水平高。DNA甲基化水平在甲基化和去甲基化的共同作用下保持动态平衡，而衰老、饮食、运动、内分泌干扰物、细菌感染等外界环境因素会引起DNA甲基化发生变化，从而引起各种疾病的发生。

2.2 DNA甲基化与骨质疏松症

2.2.1 单基因水平中的DNA甲基化 成骨细胞来源于间充质干细胞分化，在间充质干细胞成骨分化过程中往往伴随着关键因子的DNA甲基化变化，目前研究较多的包括Runx2、Osx、碱性磷酸酶、骨形态发生蛋白2等。Runx2在间充质干细胞成骨分化中起初始调节器的作用，随后通过Osx调节，碱性磷酸酶与骨钙素分别代表早期与晚期成骨标志物。Xu等[8]通过分离人骨髓来源的间充质干细胞和脂肪组织来源的间充质干细胞并诱导其向成骨分化，结束后检测到骨髓间充质干细胞中Runx2表达上升，且Runx2基因启动子CPG位点甲基化水平降低，而成脂相关基因PPARγ表达降低，并出现高甲基化。王剑等[9]使用鹿茸中药复方来处理骨质疏松症大鼠，发现鹿茸中药复方能有效降低骨组织Runx2、Osx启动子甲基化水平，从而增加骨形成，提高骨密度。WAKITANI等[10]对小鼠原代间充质干细胞 培养过程中，观察到Runx2表达与其甲基化率呈负相关，该甲基化区域位于Runx2启动子-2.7至-2.2 kb，是新发现的差异甲基化区域，在诱导间充质干细胞向成骨分化后，Runx2此区域甲基化修饰程度降低且表达上升，这与其他研究相似[11]，提示Runx2甲基化变化对成骨分化有重要作用。但HAGH等[12]在人骨髓间充质干细胞成骨分化中并未发现Runx2启动子出现甲基化，反观其下游靶点Osx启动子出现动态甲基化变化，这与上述研究相矛盾，但这是否说明Osx的DNA甲基化修饰在间充质干细胞成骨分化中起主要作用仍有待研究，造成此差异原因可能与实验对象、环境等有关。

文章来源：《运动精品》 网址: http://www.ydjpzz.cn/qikandaodu/2021/0312/1231.html