叶酸代谢与基因组稳定性

叶酸代谢与基因组稳定性

王晓会124120035 12生A

摘要：叶酸是人体DNA合成、氨基酸之间相互转化、血红白肾上腺索、胆碱、肌酸合成所必需的物质。叶酸为体内DNA合成、修复及甲基化所必需的微营养素，其缺乏可诱发DNA其代谢涉及DNA 合成及甲基化等重要生化过程，对维持人类遗传稳定性意义重大。

关键词：叶酸；人类基因组；稳定性

许多国内外实验室营养基因组学的研究发现，若干微量营养素能影响人类基因组的稳定性，这些微量营养素表现了对基因组的保护或损伤作用对基因组的健康有维护效应。

叶酸简介：叶酸(folic acid，FA)又称蝶酰谷氨酸，由喋啶核、对氨苯甲酸及谷氨酸三部分组成，是一种水溶性B族维生素。FA作为一类重要的微营养物质，对保持染色体正常染色体构像和DNA正常甲基化起到重要作用。FA具有众多的衍生化合物，包括蝶酰单谷氨酸、蝶酰多聚谷氨酸以及携带或不携带甲基的各种形式，所有这些FA的衍生分子统称folate(FL)植物或食品中的FL都以多聚蝶酰谷氨酸形式存在，被摄人体内后，大部分被还原为5．甲基四氢叶酸(5-methyltetrahydrofolate，5-methylTHF)，5-methylTHF是进入血液的主要FL。5-methylTHF进入细胞后通过一碳单位的若干传递过程，最后转变为四氢叶酸(tetrahydrofolate，，IHF)。

叶酸的代谢过程：叶酸主要涉及DNA合成和DNA甲基化两个重要的生物化学过程，一方面涉及尿嘧啶脱氧核苷酸(dUTP)到胸腺嘧啶脱氧核苷酸（dTTP）的合成。另一方面，通过同型半胱氨酸（HC）

合成甲硫氨酸（Met）、S-腺苷甲硫氨酸（SMA）的生化过程进而影响DNA甲基化。当叶酸缺乏时会导致dTTP合成受阻，dUTP积累并掺入DNA，可在继后的DNA修复和修复过程中诱发基因突变、DNA单双链断裂、染色体的断裂及等位基因稳定性下降事件；叶酸缺乏也可导致SAM合成受阻，降低整体DNA甲基化程度，甚至改变细胞中的特异性甲基化模式，从而改变基因表达方式，DNA甲基化水平的降低还可能导致着丝粒异染色质凝聚水平下降，从而在有丝分裂过程中引起某些染色体分离异常，形成非整倍体[1]。

FL进入叶酸循环后，所参与的一碳单位传递转移包括几个关键步骤：首先，一碳单位在2种不同氧化态(甲酸氧化态和甲醛氧化态)的4个位点进入叶酸循环(见图1)：携带甲酸氧化态一碳单位的FL通过5．formylTHF(5．甲酰四氢叶酸)、10．formyl，IHF(10一甲酰四氢叶酸)、5-formiminoTHF(5．亚胺甲基四氢叶酸)3个部位进入叶酸循环；携带甲醛氧化态一碳单位的FL通过5，10．methylene，IHF(亚甲基四氢叶酸，5，10一MnTHF)进入叶酸循环。携带一碳单位的FL进入叶酸循环以后，随即参与分子内一碳单位的传递与转换。5-formylTHF 及10一fomylTHF被转化为5，10．methenyl THF，后者随即被还原为5，10．MnTHF。亚甲基四氢叶酸还原酶将5，10。MnTHF还原为5一methylTHF，后者经甲硫氨酸合成酶催化转变为THF，以接受下一个碳单位[2]。

FL缺乏可引起的一系列人类疾病和肿瘤，其风险提高的主要病因与机制在于FL对于维持DNA完整性具有至关重要的作用。

叶酸与肿瘤：FL缺乏可在骨髓和外周血引起巨幼红细胞的异常变化并导致巨幼红细胞性贫血，大量的研究提示，血清或红细胞FL缺乏与高半胱氨酸(HC)血症及相关的心血管疾病、神经管发育缺陷、Alzheimer病、唐氏综合征的发生相关联。由于FL缺乏导致DNA甲基化的模式改变，DNA链乃至染色体断裂，所以普遍认为FL缺乏具有诱变效应并提高了肿瘤发生的风险。FL对结肠癌、肺癌、胰腺癌、口腔和咽道癌、食道癌、胃癌、子宫颈癌、成神经细胞瘤、白血病具有明显的防范作用。FL缺乏可以导致抗乳腺癌蛋白(BCRP／ABCG2)表达

特性丧失[3]。对切除了结肠腺瘤或结肠癌的个体补充FL可以使该个体正常组织的低甲基化状态得以纠正、黏膜细胞增生得到抑制；在离体情况下，HC加速人类直肠癌细胞的繁殖而5-methyITHF、DHF等各种FL则抑制这些细胞的繁殖。动物学试验不仅证实了FL耗竭是结肠肿瘤形成的诱因，同时还发现FL水平的提高对结肠黏膜已经形成的微小肿瘤病灶则具有促进作用，提示FL对于结肠癌的发生具有双向作用[4]。

叶酸缺乏引起的分子与生理学效应

高半胱氨酸(HC)浓度改变。低FL饮食使得血液和细胞内的FL大量消耗，FL代澍物分布状态发生变化。由于5-methylrIHF与HC共同合成甲硫氨酸，FL摄人减少使5-meth)rITHF处于缺乏状态，HC浓度升高；在FL充足的情况下，血浆Hc浓度一般在6～9tmaol／L，但在FL严重缺乏情况下(血浆FL<2ng／m1)，血浆Hc浓度可达18umol／L[5]。维生素B12也是与血浆HC浓度相关的重要决定因素，其是以5一meth) ITHF为底物合成甲硫氨酸的辅酶，血清低维生素B12浓度(10—100pmol／L)可使血浆Hc高达23／maol／L。因此，血浆Hc浓度在某种程度上是FL和维生素B12缺乏的生物标记。

遗传稳定性改变。由于FL循环和嘧啶、嘌呤合成、DNA甲基化相关，所以与DNA、染色体的结构功能存在着千丝万缕的联系。dUMP 掺人DNA 5，10一MnTHF是由dUMP合成dTMP的甲基供体，FL缺乏使得这一反应受阻，导致细胞内的dUMP／dUTP比值提高。Blount 等人曾发现，FL缺乏的个体，其血细胞和骨髓细胞DNA中dUMP含

量是正常人的89倍，这种状况在补充FL后得到改善。细胞中dUMP 含量的增加使得其掺人DNA的量也随之增加，掺入DNA的dUMP被损伤修复系统识别并由特异性糖苷酶切除，如果在距离小于l2bp的互补DNA双链上同时切除dUMP，将导致双链断裂，随即产生染色体断裂；如果dUMP不被切除。则将在以后的DNA复制过程中产生G —C颠换。引起基因突变。Crott等在人类淋巴细胞的培养中发现，FA 浓度与DNA中的dUMP含量呈明显的负相关，而dUMP在DNA中的含量又与微核、核质芽、核质桥等遗传损伤呈正相关；Blount等也发现，随着FA的补充和dUMP在DNA中含量的下降，人体网状细胞的微核频率随之降低[6]。

DNA甲基化与DNA甲基转移酶：由于FL与DNA甲基化最常见的甲基供体s-腺苷甲硫氨酸(SAM)的合成相关，FL缺乏导致SAM库存减少，从而降低整体DNA的甲基化程度。FL的缺乏在人类淋巴细胞和大鼠肝脏均引起DNA甲基化程度的普遍下降。研究已经发现结肠直肠癌DNA的甲基化状态明显低于腺瘤DNA，在同一个体中，表面正常的结肠黏膜DNA的甲基化状态比结肠直肠癌DNA的甲基化程度高。此外，消化道的癌变组织DNA甲基化程度低于离肿瘤3—5cm远的癌旁组织，而后者的甲基化状态又低。

多哺乳动物离体细胞中，FL缺乏引起的DNA甲基化改变相当复杂，其根据细胞类型、靶器官、细胞转化所处的不同阶段而发生变异，同时也表现基因和DNA位点的特异性，这可能与DNA损伤——DNA 甲基转移酶(dnrnt1)作用特性有一定联系。通常情况下，FL缺乏在引