深度综述：表观遗传机制在慢性疼痛中的作用(DNA甲基

疼痛对人的生活感觉影响非常大，通常由组织损伤引起。在损伤处理后疼痛持续长时间时，即变成病理性疼痛。导致急性疼痛向慢性疼痛转变的确切分子和细胞机制尚不清楚。慢性疼痛与疼痛有关的神经通路发生一些可塑性事件。这些持久的适应性变化通过改变相关基因表达来实现。在神经系统适应过程中基因转录的不同调节因子中，表观遗传机制起着重要作用。本综述首先概述了表观遗传过程及其调控的主要类别，然后重点介绍表观遗传研究在不同形式慢性疼痛中的关键发现和未解决的问题。

表观遗传机制

表观遗传机制在不直接影响遗传密码的情况下调控基因表达。几年前，神经表观遗传学这一术语被引入，适应神经系统中的表观遗传学机制与它们在印记、遗传性或细胞命运决定中的作用可能截然不同。研究多的是包括DNA甲基化和组蛋白翻译后修饰（PTM）在内调节染色质状态的表观遗传学机制。所有表观遗传标记的总和构成了表观基因组，并在DNA缩合中起着关键作用。

（1）DNA甲基化

甲基（CH3）基团与DNA的共价加成发生在甲基供体S-腺苷甲硫氨酸（SAM）的嘧啶环5′碳位胞嘧啶上。受影响的胞嘧啶主要位于CpG岛，至少200bp的DNA区域位于基因启动子周围。

DNA甲基化由DNA甲基转移酶（DNMT）引起。哺乳动物中存在几种DNMT，并根据其的DNA底物和甲基化模式分类。De novo DNMT、DNMT3a和DNMT3b在未甲基化的CpG位点上添加了新的甲基化标记，与DNMT1类似的维持性DNMT负责维持已经建立的甲基化标记（图1A）。如果一条DNA链上的胞嘧啶被甲基化，将触发DNMT1使用半甲基化DNA作为底物，使反链上的相应胞嘧啶甲基化。细胞可确保在DNA损伤或细胞分裂的情况下甲基化标记的自我维持。DNMT1有三种常见亚型（DNMT1s、DNMT1o、DNMT1 p），De novo DNMTs也有多种亚型（DNMT3a1、DNMT3a2、DNMT3b1），在DNMT3a条件下，变体源自位于DNMT3a基因座的内含子启动子。除三个常见的DNMT外，另有两个非典型家族成员DNMT2、DNMT3L不具有DNMT催化活性。DNMT2主要作为tRNA甲基转移酶，而DNMT3L增加了DNMT3A和DNMT3B的催化活性。在结构水平上，DNMT通常具有N-末端调节域，随后是位于C-末端的催化域。此外，它们具有与染色质、DNA和其他参与基因转录调控的蛋白互作结构域。

DNA甲基化和去甲基化受多种酶调控。

DNA甲基化酶的表达水平可以改变特定基因启动子的甲基化状态。DNMT表达增加促进高甲基化，DNMT表达降低与低甲基化相关。介导去甲基化的TET蛋白减少将促进高甲基化，TET蛋白增加导致低甲基化。

鉴于甲基化共价稳定性，DNA甲基化此前被认为不变。然而DNA去甲基化可以以被动或主动形式发生。在细胞分裂过程没有维持DNA甲基化的情况下， DNA被动去甲基化。神经元有丝分裂后，细胞DNA去甲基化活化。一些研究证据表明，DNA去甲基化在神经系统中是一个动态过程，在与神经元DNA去甲基化有关的表观遗传erasers中，生长停滞和DNA损伤诱导（GADD）了45蛋白（GADD45A和GADD45B）和Tet家族。DNA去甲基化酶在神经系统的适应和不适应过程中发挥重要作用。

甲基化DNA主要通过两种机制调控基因表达：甲基胞嘧啶由于空间位阻而抑制转录因子的结合，或被具有甲基结合域（MBD）的蛋白识别，进而招募具有染色质重塑能力的蛋白、转录因子或转录抑制因子。DNA甲基化表观遗传标记的佳研究和表征readers——甲基CpG结合蛋白-2（MeCP2），在发育和成长期均参与多种神经元功能调节。此前研究表明DNA甲基化与紧密染色质和转录抑制有关，胞嘧啶甲基化可导致转录因子与其结合位点分离，并促进甲基CpG结合蛋白（MBPs）结合，MBPs可招募共抑制复合体。但研究表明根据基因组位置，DNA甲基化也可导致基因表达诱导，DNA甲基化不一定等于转录抑制，越来越多证据支持DNA甲基化可能使基因组允许对外部刺激诱发反应。

（2）组蛋白修饰

组蛋白在其突出的N-尾上经历过多的PTM可逆修饰，其状态由具有拮抗功能的酶调控，这些酶将添加（writers）或敲除（erasers）修饰。PTM影响组蛋白与DNA和其他蛋白互作，从而促进或抑制转录。甲基化和乙酰化是组蛋白常见的PTM。

组蛋白可以经历多种 PTM，如甲基化、乙酰化、泛素化和磷酸化。

组蛋白乙酰化和去乙酰化之间的平衡影响染色质的结构，并受HAT和HDAC调控。

组蛋白上的赖氨酸和精氨酸残基可以在多价状态下甲基化。精氨酸可以是一个或两个甲基，而赖氨酸残基可以是单甲基化，二甲基化或三甲基化。不同的甲基化水平和模式通过增加或降低DNA-组蛋白互作改变染色质结构，从而导致基因转录的激活或抑制。具特征的组蛋白甲基化标记是赖氨酸4上的组蛋白3（H3K4），主要在活性转录基因的转录起始位点富集。当三甲基化时，该位点促进染色质松动并促进转录因子招募，而H3K27是基因表达抑制的标志。根据底物残基分类，甲基转移酶家族包括精氨酸和赖氨酸甲基转移酶，组蛋白甲基化长期以来和DNA甲基化一样被认为是一种表观遗传标记。但新证据表明，组蛋白去甲基化是一个非常动态和精细调节的过程。从底物和反应机制来看，去甲基化酶分为两大家族：赖氨酸特异性组蛋白去甲基化酶（LSD）和Jumonji-C（JMJC）去甲基化酶，其中LSD1是第一个被鉴定的去甲基化酶。

除甲基化之外，组蛋白上的赖氨酸残基也可乙酰化。将乙酰基添加到带正电的赖氨酸残基上，会导致组蛋白与带负电的DNA静电亲和性降低，使染色质结构向松弛方向移动，从而促进转录。乙酰基的敲除通常与染色质的紧密状态和转录抑制相关。乙酰基通过组蛋白乙酰转移酶（HAT）转移，如p300/CBP（CREB（cAMP反应元件结合）结合蛋白），其中，乙酰CoA作为辅因子。HAT不仅作用于组蛋白，还作用于一系列蛋白，包括非核蛋白，被称为K-乙酰转移酶（KAT）。KAT数量众多，根据其亚细胞定位和结构分为亚组，乙酰化标记的erasers是组蛋白去乙酰化酶。

HDAC是一个由18种蛋白组成的家族，根据其结构域和辅因子的作用分为两大类：锌依赖性HDAC（包括HDAC I、II、IV类）和III类NAD依赖性sirtuins（SIRT 1-7）。HDAC I类包含HDAC1、2、3、8，HDAC II类分为IIa（HDAC4、5、7、9）和IIb（HDAC6、10）；HDAC IV类的成员是HDAC11。II a类家族成员表现出影响其活性的特定行为，可以以信号依赖的方式在细胞核和细胞质之间穿梭。在锥体神经元中，II a类HDAC的亚细胞穿梭受突触活性和核钙调控。在中枢神经系统中，HAT和HDAC活性之间的平衡诱导或抑制基因转录，调控发育过程，并在衰老和神经退行性疾病以及适应过程中发挥作用。组蛋白上乙酰化赖氨酸readers包含特定结构域，如溴结构域（bromodomain,BRD）、双植物同源结构域（double plant homeodomain ,PHD）fingers和Yeats结构域。

组蛋白去乙酰化酶和sirtuins分类。不同蛋白的主要结构域。

突触活性调节神经元II a类HDAC出核。调节HDAC活性，对基因转录有重要影响。

（3）非编码RNA（Noncoding RNA,ncRNA）

非编码（nc）元件占人类基因组的大部分，nc元件可以对包括生理功能在内的功能发挥调控作用。根据长度ncRNA分为两类：短ncRNA（小于200bp）和长ncRNA（大于200bp,lncRNA）。短ncRNA包括miRNA（microRNA）、siRNA（small interfering RNA）、shRNA（short hairpin RNA）、snRNA/snoRNA（small nuclear and nucleolar RNA）、tiRNA（transc[x]ription initiation RNA），rRNA（ribosomal RNA）和piRNA（piwi-interacting RNA）。LncRNA包括ncRNA扩增重复序列（expansion repeats）、天然反义转录本（natural antisense transc[x]ripts）和增强子RNA基因间ncRNA（enhancer RNA intergenic ncRNA）。

短ncRNA类研究较多的是单链、长19-22bp的miRNA，可以通过触发特定mRNA的降解来抑制基因表达。miRNA可靶向一个或多个mRNA，且可调节高达60%的编码基因。在神经系统中，miRNA表达方式取决于大脑区域以及发育阶段。miRNA是结构和功能可塑性等不同适应过程中的关键调节因子。

lncRNAs与mRNA一样，由RNA聚合酶II产生后进行加工，其二级结构定义了与基因组DNA或蛋白互作。lncRNA是基因表达的重要调节因子，包括染色质修饰、印迹、RNA剪接、与转录因子互作、翻译调控和核转运。

慢性疼痛的表观遗传机制

基因表达诱导或抑制维持慢性疼痛的不适应性变化，在疼痛处理的所有主要解剖区域中发现的变化通常受表观遗传调控，其中负责检测伤害性刺激（如热、冷、压力或酸）的第一个部位是外周感觉神经元，双极神经元在背根神经节（DRG）的体细胞，轴突末端位于外周，可将伤害性输入传递到中枢神经系统（CNS）的脊髓。感觉神经元的过度兴奋是多种慢性疼痛的特征之一。疼痛处理通路的第二站是脊髓背角，其接收来自外周的输入并将信息传递，参与不同疼痛模式和慢性疼痛的特定脑区和脑回路仍有待确定。在慢性疼痛转录的表观遗传调节背景下，大多数研究集中于外周感觉神经元或脊髓神经元，而有一小部分报告了慢性疼痛大脑区域的表观遗传介导转录。从机制上讲，转录的表观遗传调控支持具有不同作用模式的慢性疼痛可塑性：① 通过调节关键通路表达来改变相关回路的兴奋性；② 诱导或抑制突触后受体和信号分子的表达；③ 促进不适应性的结构可塑性，如在突触接触或传递水平；④ 通过影响其反应性来改变将在疼痛介导中招募的细胞数量。

DNA甲基化水平、染色质结构和ncRNA变化可能影响不同基因表达，从而促进中枢和外周疼痛回路具有持久的可塑性，并导致慢性疼痛。

（1）慢性疼痛与DNA甲基化

在损伤后数周慢性神经性疼痛的动物模型中发现脊髓和DRG的全基因组DNA甲基化水平变化，表明DNA甲基化可能在持续性疼痛中起重要作用。除整体DNA甲基化水平变化外，许多研究还检测到与慢性疼痛相关的特定基因启动子区域甲基化水平增加。如神经性疼痛的啮齿动物模型与Oprm1（encoding mu 76 opioid receptor, MOR）和Kcna2（Potassium Voltage-Gated Channel Subfamily A Member 2）基因启动子高甲基化相关，且与DNA甲基化在抑制基因表达中的作用一致，其蛋白水平降低。神经性疼痛用阿片类镇痛作用降低，可能是MOR表观遗传下调；Kcna2表达水平是驱动DRG神经元兴奋的重要原因。慢性疼痛中DNA甲基化水平变化并非严格单向升高，在特定启动子区域也出现低甲基化，如神经性疼痛小鼠模型的脊神经结扎（SNL）编码趋化因子受体3