基于DNA甲基化和组蛋白乙酰化的地方性氟中毒表观遗传调控作用

Endemic fluorosis is a major public health concern in China and is one of the major preventable diseases. Interaction of gene and environment plays an important role in the development of fluorosis. Building upon previous research experience on human susceptibility and pilot study of DNA methylation and fluorosis, the current study will explore the epigenetic regulations of fluorosis through examining genomic DNA methylation and histone acetylation. The analytical method will be used at first to study the influence of different fluoride concentrations in drinking water on the prevalence of skeletal and dental fluorosis, as well as the related biomarker levels. It will provide the basic data for the evaluation of the relationship between fluoride exposure and epigenetic modification. Then, a case-control study will be conducted to test the difference of genomic DNA methylation and histone acetylation among the fluorosis cases from endemic fluorosis areas and the controls by using illumina array-based methylation analysis and Chip-seq technologies. The dental/skeletal fluorosis-specific genes and proteins differentially expressed in cases compared with controls will be selected and the expression of them will be detected in all cases and controls by MSP-PCR and RayBiotech chips to explore the relationship between fluoride exposure, the regulation of epigenetics and fluorosis. The study will provide new ideas for the research of molecular mechanism of endemic fluorosis.

地方性氟中毒是我国重点防治疾病之一，环境-基因交互作用在其发病过程中作用备受关注。本课题在前期氟暴露人群遗传易感性研究及DNA甲基化与氟中毒关系探索性研究基础上，以DNA甲基化和组蛋白乙酰化为切入点，探讨表观遗传调控在氟中毒中的作用。首先用分析性研究方法探讨不同氟暴露水平对地氟病流行强度、流行特征及相关分子事件的影响，为评价氟中毒的表观遗传调控作用提供基本数据。在此基础上，应用病例-对照研究方法，采用 illumina 高通量甲基化分析平台，基因组范围内检测氟中毒病例及对照人群DNA甲基化水平，Chip-seq绘制组蛋白乙酰化图谱；筛选组间甲基化明显改变的特异基因和组蛋白差异乙酰化位点。最后，应用 MSP-PCR、RayBiotech芯片等方法，定量检测所筛选的基因在不同组别人群中的表达，探讨氟暴露-表观遗传改变-氟中毒之间的关系，为氟中毒分子发病机制提供新的研究思路。

随着氟中毒机制研究的深入，环境与基因交互作用在氟中毒发生发展中的作用受到广泛关注。本课题旨在探讨表观遗传调控在氟中毒发生中的作用。研究于2017年4月~5月在河南省通许县随机选择6个村庄(氟病区和对照区各半)及4所小学(氟病区1所、对照区3所)作为调查点。采用整群抽样选取本地生长或至少居住5年以上、1197名成人以及1169名本地生长的7-13岁儿童作为调查对象。完成了氟暴露和骨代谢相关生物标志测定分析及氟斑牙、氟骨症检查；应用Illumina850K甲基化芯片筛选差异甲基化位点(DMSs)及差异甲基化片段(DMRs)并进行人群验证。共筛选出237个DMSs和212个DMRs。二代测序验证发现高氟组(HFG)和对照组(CG)大脑发育相关基因NNAT、降钙素基因相关α肽(CALCA)和亚甲基四氢叶酸脱氢酶1(MTHFD1)甲基化水平差异显著(P<0.05)。人群验证结果发现氟暴露可影响儿童NNAT和CALCA甲基化水平。尿氟浓度每增加1.0mg/L, NNAT甲基化水平降低0.06%(95%CI:-0.11%,-0.01%)，CALCA第一外显子区甲基化水平增加1.88%(95%CI:0.04%,3.72%)。在成年人群中，氟暴露与RUNX2启动子甲基化水平成正相关、与GNAS甲基化水平呈负相关。尿氟浓度每增加1.0mg/L,RUNX2甲基化率增加1.0%(95%CI:0.18,1.83)，GNAS甲基化率下降3.64%(95%CI:−5.19%,−2.10%)。HFG组女性RUNX2甲基化水平与骨密度呈负相关(β=−0.13,95%CI:−0.22,−0.03），而GNAS甲基化率的增加可导致成人骨质流失发生的风险增加0.6%(OR=1.006,95%CI:0.995,1.017)；CALCA基因甲基化水平与骨密度呈负相关 (β=−0.003,95%CI:−0.006,0.000)。HFG组男性CALCA基因甲基化水平与骨质流失的发生风险降低相关(OR=0.962,95%CI:0.929,0.997)。研究结果提示，长期饮水氟暴露可影响儿童全基因组DNA甲基化模式，且可影响儿童牙齿和智力发育；此外，氟暴露也可通过影响成人DNA的甲基化状态进而对骨组织造成损害，这种影响存在性别和年龄差异性；研究为进一步探讨氟中毒的表观遗传调控机制奠定了基础。