吸烟对人体多组织及细胞DNA甲基化的影响：分子机制与健康风险的深度剖析

吸烟对人体多组织及细胞DNA甲基化的影响：分子机制与健康风险的深度剖析一、引言1.1研究背景与意义吸烟是一个全球性的公共卫生问题，其对人体健康的危害已被广泛认知。世界卫生组织数据显示，全球每年因吸烟导致的死亡人数高达800万，且这一数字仍在持续上升。吸烟不仅是肺癌的主要诱因，约85%的肺癌患者都有吸烟史，还与多种严重疾病如心血管疾病、呼吸系统疾病密切相关。在心血管系统方面，吸烟会损伤血管内皮功能，导致动脉粥样硬化，使血管腔变窄，增加心肌梗死、脑卒中等疾病的发病风险；在呼吸系统，吸烟可引发慢性阻塞性肺疾病（COPD）、支气管炎等，长期吸烟还会破坏肺部结构和肺功能，降低呼吸道的免疫防御能力。DNA甲基化作为一种重要的表观遗传修饰，在生物过程中发挥着关键作用。它是在DNA甲基转移酶的催化下，将甲基基团添加到特定的DNA区域，主要是CpG岛。这种修饰能够在不改变DNA序列的前提下，调控基因的表达，进而影响细胞的分化、发育以及衰老等过程。在胚胎发育阶段，DNA甲基化模式的正确建立对于细胞的分化和组织器官的形成至关重要；在成年个体中，DNA甲基化参与维持细胞的正常功能和稳态，异常的DNA甲基化与多种疾病的发生发展相关，如肿瘤、神经系统疾病等。深入研究吸烟与DNA甲基化之间的关系，对于全面理解吸烟对人体健康的危害具有重要意义。一方面，吸烟产生的多种有害物质，如亚硝胺、多环芳香烃等，可能直接或间接干扰DNA甲基化的正常调控机制，导致基因表达异常，从而引发疾病。研究吸烟对DNA甲基化的影响，有助于揭示吸烟相关疾病的发病机制，为开发针对性的治疗策略提供理论依据。另一方面，DNA甲基化具有潜在的作为生物标志物的价值，可用于评估吸烟对个体健康的影响程度以及预测吸烟相关疾病的发生风险，这对于疾病的早期预防和干预具有重要的临床意义。1.2研究目的与创新点本研究旨在全面、系统地分析吸烟对人体多组织及细胞DNA甲基化的影响，深入探讨其在吸烟相关疾病发生发展中的作用机制。具体而言，通过收集不同吸烟状态个体的多种组织样本，包括肺组织、血液、口腔黏膜等，运用先进的DNA甲基化检测技术，如全基因组重亚硫酸盐测序（WGBS）、甲基化特异性PCR（MS-PCR）等，精确测定DNA甲基化水平，识别与吸烟相关的差异甲基化区域（DMRs）和差异甲基化位点（DMSs）。进一步结合生物信息学分析，探究这些DMRs和DMSs所关联的基因及其参与的生物学通路，揭示吸烟影响DNA甲基化进而导致疾病的潜在分子机制。本研究的创新点主要体现在以下几个方面。在研究内容上，综合考虑了吸烟对多种人体组织及细胞类型DNA甲基化的影响，突破了以往研究仅关注单一组织或细胞的局限性，更全面地反映吸烟对整体机体的影响。在研究方法上，采用多组学联合分析策略，将DNA甲基化数据与转录组、蛋白质组等数据相结合，从多个层面深入解析吸烟与DNA甲基化以及疾病发生之间的复杂关系，为揭示其分子机制提供更丰富的信息。此外，本研究还将探讨基于DNA甲基化的潜在干预策略，如通过药物或其他手段调节异常的DNA甲基化水平，为吸烟相关疾病的预防和治疗提供新的思路和方法，具有重要的临床应用价值。二、吸烟现状与危害概述2.1全球吸烟流行趋势在过去的几十年间，全球吸烟率整体呈现出下降的态势。世界卫生组织发布的报告显示，2000年，全球约有三分之一的成年人吸烟，而到了2022年，这一比例降至约五分之一，即12.45亿成年人吸烟。预计到2025年，全球吸烟者数量将进一步降至12亿。这一积极变化得益于全球范围内日益严格的控烟措施，如提高烟草税、限制烟草广告、实施公共场所禁烟等政策的推行。不同地区的吸烟情况存在显著差异。在高收入国家，吸烟率下降较为明显。以美国为例，其吸烟率已降至11%，这主要归功于严格的烟草管控措施，包括提高烟草税、禁止在公共场合抽烟、限制烟草广告投放等。美国部分地区甚至对吸烟行为实施严厉处罚，如公司开除吸烟员工、高额罚款乃至判刑等，使得香烟价格上涨，年轻人购买香烟的难度增加，从而有效抑制了吸烟率。欧洲一些国家，如荷兰，在控烟方面也取得了显著成效，与2010年相比，2022年的吸烟者减少了约30%。然而，在一些中低收入国家，吸烟率的下降趋势相对缓慢，甚至在部分国家仍呈现上升态势。埃及、印度尼西亚、约旦等国的吸烟者数量持续增加。在印度尼西亚，烟草在当地文化中根深蒂固，且烟草产业在经济中占据一定地位，这使得控烟政策的实施面临较大阻力，导致吸烟率居高不下。从年龄段来看，青少年吸烟问题不容忽视。尽管全球范围内青少年吸烟率总体呈下降趋势，但仍有相当数量的青少年过早接触烟草。在一些国家，青少年吸烟率下降缓慢甚至出现反弹，这与青少年对吸烟危害认识不足、易受同伴影响以及烟草营销手段的诱惑等因素有关。部分烟草公司针对青少年推出口味多样、包装新颖的烟草产品，吸引青少年尝试吸烟。在性别方面，男性吸烟率普遍高于女性，但女性吸烟率在一些地区呈现出上升趋势。在日本，2022年男性吸烟率为25.4%，女性为7.7%；韩国当前吸烟率为22.2%，其中女性吸烟率在不同年龄段有所上升，特别是电子烟的使用率在三年内翻了一番，增至15%。在中国，成年男性吸烟率接近50%，尤其是农村地区比例更高，而女性吸烟率相对较低，但不同省份存在差异，东北省份女性吸烟率相对较高。2.2吸烟导致的健康问题吸烟是多种严重疾病的重要诱因，对人体健康造成了广泛而深远的危害。在众多吸烟引发的疾病中，癌症首当其冲。吸烟与肺癌的关联极为密切，大量研究表明，约85%的肺癌病例与吸烟有关。烟草燃烧产生的烟雾中含有多种致癌物质，如多环芳烃、亚硝胺、芳香胺等，这些物质可直接损伤DNA，导致基因突变，进而引发细胞异常增殖和癌变。吸烟不仅增加患肺癌的风险，还会使肺癌的死亡率显著升高，与不吸烟者相比，吸烟者死于肺癌的风险高出数倍。除了肺癌，吸烟还与其他多种癌症的发生相关，如口腔癌、食管癌、膀胱癌、胰腺癌等。口腔癌患者中，吸烟人群的比例明显高于非吸烟人群，吸烟产生的有害物质会刺激口腔黏膜，长期积累可导致口腔黏膜细胞癌变；在食管癌方面，吸烟会破坏食管黏膜的正常屏障功能，增加致癌物对食管黏膜的损伤，从而提高食管癌的发病风险。心血管疾病也是吸烟的常见危害之一。吸烟会对心血管系统造成多方面的损害，导致血管内皮功能障碍，使血管壁的通透性增加，血液中的脂质更容易沉积在血管壁上，逐渐形成动脉粥样硬化斑块。这些斑块会使血管腔变窄，阻碍血液流动，增加心脏负担，进而引发冠心病、心肌梗死、脑卒中等严重心血管疾病。据统计，吸烟使患冠心病的风险增加2-4倍，患心肌梗死的风险增加2-6倍，患脑卒中的风险增加2-5倍。吸烟还会导致血液黏稠度增加，血小板聚集性增强，容易形成血栓，进一步加重心血管疾病的发生风险。长期吸烟的人，其血液中的一氧化碳含量升高，一氧化碳与血红蛋白结合形成碳氧血红蛋白，降低了血红蛋白的携氧能力，导致组织器官缺氧，也会对心血管系统产生不良影响。呼吸系统同样深受吸烟的危害。吸烟是慢性阻塞性肺疾病（COPD）的主要病因，约80%-90%的COPD患者有吸烟史。烟草烟雾中的有害物质会刺激呼吸道黏膜，引发炎症反应，导致气道狭窄、黏液分泌增加、纤毛运动功能受损，从而使气道阻力增加，肺通气功能下降，逐渐发展为COPD。患者会出现咳嗽、咳痰、呼吸困难等症状，严重影响生活质量，且COPD呈进行性发展，最终可能导致呼吸衰竭和肺心病。吸烟还会引发支气管炎、哮喘等呼吸系统疾病，长期吸烟会使支气管黏膜反复发炎，导致支气管炎反复发作；对于哮喘患者，吸烟会诱发哮喘发作，加重病情，增加哮喘的治疗难度。吸烟对免疫系统也有负面影响。烟草中的有害物质会直接损害呼吸道黏膜，破坏呼吸道中纤毛的清除功能，使病毒、细菌更容易侵入身体。吸烟还会导致肺部组织发生炎症和纤维化，影响免疫细胞的正常活动，抑制免疫细胞活性，减少其数量，使身体对抗病原体的能力明显下降。长期吸烟的人更容易患上呼吸道感染、肺炎等疾病，且感染后恢复时间较长。吸烟还是慢性呼吸疾病、恶性肿瘤、心脑血管疾病、糖尿病等的共同危险因素，一旦患上述疾病，会进一步削弱人体免疫力，形成恶性循环。神经系统也会受到吸烟的损害。吸烟会导致大脑中多巴胺、乙酰胆碱、谷氨酸等神经递质的释放和更新受到影响，从而影响神经系统的功能和稳态。烟草中的有毒物质及吸烟时产生的某些物质，如一氧化碳、烟碱等，会导致神经细胞的氧气供应不足，进而影响神经细胞的生长、分化和功能，甚至导致神经细胞死亡。长期吸烟还会增加脑血管病，如脑梗死、脑出血等的发病风险，导致大脑皮质、海马等认知功能区的萎缩，影响记忆、注意力、判断力等认知功能，增加患帕金森病、阿尔茨海默病等神经系统疾病的风险。三、DNA甲基化的生物学基础3.1DNA甲基化的概念与机制DNA甲基化是一种重要的表观遗传修饰，在生物过程中发挥着不可或缺的作用。它是指在DNA甲基转移酶（DNAmethyltransferase，DNMT）的催化下，以S-腺苷甲硫氨酸（S-adenosylmethionine，SAM）作为甲基供体，将甲基基团共价结合到DNA分子特定碱基上的化学修饰过程。在真核生物中，DNA甲基化主要发生在CpG二核苷酸中胞嘧啶的5'碳位，形成5-甲基胞嘧啶（5-mC），这是植物、动物等真核生物DNA甲基化的主要形式，也是目前发现的哺乳动物DNA甲基化的唯一形式。DNA甲基化的机制较为复杂，涉及多种酶和因子的参与。基因组中DNA的甲基化模式主要通过DNA甲基转移酶来实现，DNA甲基化酶可分为维持DNA甲基化转移酶（Dnmt1或维持甲基化酶）和从头甲基化酶。根据序列的同源性和功能，真核生物DNA甲基化转移酶又分为4类：Dnmt1/MET1、Dnmt2、CMTs和Dn-mt3。其中，Dnmt1类酶主要参与CG序列甲基化的维持，它能够识别半甲基化的DNA双链，并以母链为模板，将甲基基团添加到新合成的子链上，使甲基化状态在细胞分裂过程中得以稳定传递。Dnmt3a和Dnmt3b则主要负责从头甲基化，即在未甲基化的DNA区域上建立新的甲基化位点，它们在未分化的胚胎干细胞中高度表达，但在体细胞中表达水平较低。此外，CMTs类酶仅存在于植物中，主要特异性地维持CG序列的甲基化。DNA甲基化反应可分为两种类型。一种是从头甲基化（denovomethylation），即两条链均未甲基化的DNA被甲基化，这一过程需要从头甲基化酶的参与，它能够识别特定的DNA序列，并在这些位点上添加甲基基团。从头甲基化在胚胎发育早期以及细胞分化过程中起着关键作用，它有助于建立细胞特异性的DNA甲基化模式，调控基因的表达，从而决定细胞的命运和功能。另一种是保留甲基化（maintenancemethylation），是指双链DNA的其中一条链已存在甲基化，另一条未甲基化的链被甲基化。在DNA复制过程中，Dnmt1能够识别半甲基化的DNA双链，并将甲基基团添加到新合成的子链上，实现甲基化模式的稳定遗传，确保细胞在分裂过程中保持其特定的基因表达谱和功能。DNA甲基化转移酶识别靶位点的机制也十分关键。由于Dnmt1和Dnmt3基因家族本身没有针对CpG二核苷酸序列的特异性，因此存在其他因素协助它们发现靶位点。一方面，具有染色体重构和DNA螺旋酶活性的蛋白质，如SNF2家族的ATRX和Lsh，能够调节哺乳动物细胞内DNA甲基化，它们可以改变染色质的结构，使DNA甲基转移酶更容易接近某些染色体区域。另一方面，附件因子（如蛋白质、RNA等）能够召集DNA甲基化转移酶到特定的基因组序列或染色体结构中。例如，pRB蛋白等能够与Dnmt1相互作用，在S期晚期将它召集到高度甲基化的异染色质区，从而实现对特定区域DNA甲基化的调控。DNA甲基化后，会引起DNA构象、DNA稳定性及DNA与蛋白质相互作用方式的改变，进而影响基因表达。当基因启动子区域的CpG岛发生甲基化时，会导致DNA的构象发生变化，使转录因子无法与启动子区域正常结合，或者结合效率下降，从而抑制基因的转录过程，使基因表达沉默或下调。此外，识别甲基化的蛋白会与甲基化的DNA结合，进一步阻止转录因子与DNA的结合，增强对基因表达的抑制作用。在某些情况下，DNA甲基化还可以通过影响染色质的高级结构，如使染色质凝缩，从而阻碍基因转录相关复合物的形成和作用，间接调控基因表达。3.2DNA甲基化对基因表达的调控DNA甲基化作为一种重要的表观遗传修饰，对基因表达的调控起着关键作用，其调控机制复杂且多样，主要通过改变染色质结构以及影响转录因子与DNA的结合等方式来实现。DNA甲基化能够改变染色质的结构，进而影响基因表达。在真核生物中，DNA与组蛋白紧密结合形成染色质。当DNA发生甲基化时，会引起染色质结构的重塑。具体而言，甲基化的DNA可以招募一些与染色质结构调节相关的蛋白质，如甲基化CpG结合蛋白（MBDs）。这些蛋白质能够与甲基化的DNA结合，并进一步招募组蛋白修饰酶，如组蛋白去乙酰化酶（HDACs）。HDACs可以去除组蛋白上的乙酰基，使组蛋白与DNA的结合更加紧密，染色质结构变得更加致密。这种致密的染色质结构阻碍了转录相关因子与DNA的接触，使得基因转录难以进行，从而抑制了基因表达。例如，在胚胎发育过程中，某些基因在特定阶段需要保持沉默状态，DNA甲基化通过改变染色质结构，使这些基因所在区域的染色质凝缩，有效地抑制了基因的表达，确保胚胎发育按照正常程序进行。DNA甲基化对转录因子与DNA的结合也有显著影响。基因的表达需要转录因子与基因启动子区域的特定DNA序列结合，启动转录过程。当基因启动子区域的CpG岛发生甲基化时，会改变DNA的局部构象和电荷分布。这种变化可能导致转录因子无法识别或结合到启动子区域，或者降低转录因子与启动子的结合亲和力。研究表明，许多转录因子，如AP-1、SP1等，其结合位点附近的CpG岛甲基化会显著抑制它们与DNA的结合能力，从而阻断基因的转录起始。一些肿瘤抑制基因的启动子区域在正常情况下处于低甲基化状态，转录因子能够顺利结合，启动基因转录，发挥抑制肿瘤的作用。然而，在肿瘤发生过程中，这些基因启动子区域的CpG岛发生高甲基化，转录因子无法结合，导致肿瘤抑制基因沉默，肿瘤细胞得以不受控制地增殖。DNA甲基化还可以通过与其他表观遗传修饰相互作用来调控基因表达。例如，DNA甲基化与组蛋白甲基化、乙酰化等修饰之间存在着密切的关联。组蛋白的不同修饰状态可以影响染色质的结构和功能，进而影响DNA甲基化的水平和分布。在某些情况下，组蛋白的甲基化修饰可以促进DNA甲基化的发生，共同抑制基因表达；而在另一些情况下，组蛋白的乙酰化修饰则可以拮抗DNA甲基化的作用，促进基因表达。这种表观遗传修饰之间的相互作用形成了一个复杂的调控网络，精确地调控着基因在不同细胞类型和生理状态下的表达。3.3DNA甲基化在正常生理和疾病中的作用DNA甲基化在正常生理过程中扮演着至关重要的角色，对胚胎发育、细胞分化等过程有着深远的影响。在胚胎发育的起始阶段，DNA甲基化模式经历着剧烈的动态变化。在受精后，受精卵基因组会发生大规模的去甲基化，这一过程使得胚胎基因组摆脱亲代的甲基化印记，重新建立起胚胎特异性的甲基化模式。随后，在胚胎植入子宫前后，从头甲基化过程启动，使基因组重新甲基化，构建出与胚胎发育阶段和细胞类型相适应的甲基化图谱。这些精确的甲基化变化对于胚胎细胞的全能性维持、多能性建立以及后续的组织器官分化至关重要。例如，在胚胎干细胞向不同组织细胞分化的过程中，特定基因区域的DNA甲基化状态会发生改变，通过调控基因的表达，引导细胞向特定的谱系分化，如神经干细胞的分化过程中，与神经发育相关基因的甲基化状态会发生动态变化，从而确保神经细胞的正常发育和功能。在细胞分化过程中，DNA甲基化同样起着关键的调控作用。随着细胞分化的进行，细胞逐渐获得特定的形态和功能，这一过程伴随着DNA甲基化模式的高度特异性变化。不同类型的细胞具有独特的DNA甲基化图谱，这些图谱决定了细胞的基因表达谱，进而决定了细胞的特性和功能。例如，在造血干细胞分化为红细胞、白细胞等不同血细胞的过程中，相关基因的甲基化状态会发生显著改变。与红细胞生成相关的基因，如珠蛋白基因，在红细胞分化过程中其启动子区域处于低甲基化状态，使得这些基因能够高效表达，促进血红蛋白的合成和红细胞的正常发育；而与免疫功能相关的基因，在白细胞分化过程中会呈现出特定的甲基化模式，以调控免疫相关基因的表达，确保白细胞具备正常的免疫功能。DNA甲基化异常与多种疾病的发生发展密切相关。在肿瘤领域，DNA甲基化异常是肿瘤发生的重要特征之一。肿瘤细胞常常表现出基因组整体的低甲基化以及某些特定基因启动子区域的高甲基化。基因组整体低甲基化会导致基因组的不稳定性增加，使得一些原本沉默的转座子等重复序列被激活，增加了基因突变的风险，促进肿瘤的发生发展。而特定基因启动子区域的高甲基化则会导致这些基因的表达沉默，尤其是一些肿瘤抑制基因，如p16、BRCA1等。当这些肿瘤抑制基因因高甲基化而无法正常表达时，细胞的增殖、凋亡、DNA修复等正常生理过程受到干扰，肿瘤细胞得以逃脱正常的生长调控机制，进而不受控制地增殖和扩散。研究表明，在乳腺癌患者中，BRCA1基因启动子区域的高甲基化发生率较高，与乳腺癌的发生风险增加密切相关；在结直肠癌中，p16基因的高甲基化也较为常见，且与肿瘤的恶性程度和预后不良相关。除了肿瘤，DNA甲基化异常还与神经系统疾病密切相关。例如，在阿尔茨海默病中，DNA甲基化的异常变化影响了多个与神经功能相关基因的表达。一些参与神经递质代谢、突触可塑性和神经炎症调节的基因，其启动子区域的甲基化水平发生改变，导致这些基因表达失调，进而影响神经细胞的正常功能，引发神经元的损伤和死亡，最终导致认知功能障碍和痴呆症状的出现。在帕金森病中，DNA甲基化异常也被发现与疾病的发生发展有关，某些与多巴胺能神经元功能相关的基因，如Parkin、DJ-1等，其甲基化状态的改变可能影响这些基因的表达，导致多巴胺能神经元的功能受损和凋亡，从而引发帕金森病的症状。DNA甲基化在心血管疾病的发生发展中也起着重要作用。动脉粥样硬化是心血管疾病的重要病理基础，研究发现，在动脉粥样硬化病变过程中，与血管内皮细胞功能、炎症反应、脂质代谢等相关的基因存在DNA甲基化异常。例如，血管内皮细胞中一些参与一氧化氮合成和释放的基因，如内皮型一氧化氮合酶（eNOS）基因，其启动子区域的高甲基化会导致eNOS表达降低，使得血管内皮细胞产生一氧化氮的能力下降，血管舒张功能受损，促进动脉粥样硬化的发生。炎症相关基因的甲基化异常也会导致炎症因子的过度表达，加剧血管壁的炎症反应，进一步促进动脉粥样硬化斑块的形成和发展。四、吸烟对不同组织DNA甲基化的影响4.1肺部组织4.1.1肺部DNA甲基化与吸烟的关联研究众多研究表明，吸烟与肺部组织的DNA甲基化之间存在紧密的关联。芝加哥大学领导的研究团队分析了916份来自人体九种组织（包括肌肉、肺部、血液、肾脏、乳腺、前列腺、卵巢、睾丸和结肠）的样本，通过对这些样本中CpG位点上的胞嘧啶甲基化进行鉴定，并结合供者的吸烟数据（分为从不吸烟者、曾经吸烟者和现在吸烟者）进行分析，发现了数千个与吸烟相关的甲基化标记，其中肺部组织表现得尤为显著。在212个肺部组织样本中，研究团队共发现了6350个与吸烟相关的胞嘧啶甲基化转变，这些转变涉及到众多基因区域，且许多甲基化水平低于正常状态。另有研究运用全基因组甲基化测序技术，对吸烟人群和非吸烟人群的肺部组织进行深入分析，发现了大量与吸烟相关的差异甲基化区域（DMRs）和差异甲基化位点（DMSs）。在某些基因的启动子区域，如AHRR（芳香烃受体阻遏因子）基因，吸烟人群的甲基化水平明显低于非吸烟人群。AHRR基因在调控细胞对环境污染物的反应中起着关键作用，其甲基化水平的改变可能会影响基因的正常表达，进而干扰细胞的生理功能。F2RL3（F2R样凝血酶或胰蛋白酶受体3）基因的位点cg03636183在重度吸烟者中甲基化水平更低，该基因编码的转化生长因子受体（PAR4）蛋白参与血小板活化等生理过程，其甲基化水平的异常与吸烟导致的心血管功能异常密切相关。对长期吸烟且患有慢性阻塞性肺疾病（COPD）患者的肺部组织研究发现，一些与炎症反应、细胞凋亡相关基因的甲基化模式也发生了显著改变。IL-6（白细胞介素-6）基因启动子区域的甲基化水平在吸烟的COPD患者中明显降低，导致IL-6基因表达上调，进而促进炎症反应的加剧，这与COPD的发病机制密切相关。这些研究结果表明，吸烟会引起肺部组织DNA甲基化模式的广泛改变，涉及多个基因和生物学通路，为进一步揭示吸烟对肺部健康的危害机制提供了重要线索。4.1.2吸烟引起肺部DNA甲基化变化的特征与机制吸烟引起的肺部DNA甲基化变化具有一定的特征。从甲基化水平来看，呈现出整体低甲基化和局部高甲基化并存的现象。在全基因组范围内，吸烟会导致部分区域的DNA甲基化水平降低，使基因组的稳定性下降，增加了基因突变的风险。某些重复序列如LINE-1（长散在核元件-1）的甲基化水平在吸烟人群的肺部组织中显著降低，LINE-1的低甲基化会增强其转座活性，可能导致基因组的重排和不稳定，进而影响基因的正常表达。在一些关键基因的启动子区域，又存在高甲基化现象。如肿瘤抑制基因p16的启动子区域，在吸烟人群的肺部组织中甲基化水平升高，使得p16基因无法正常表达，无法发挥其抑制肿瘤细胞增殖的作用，这可能是吸烟增加肺癌发病风险的重要原因之一。从变化的持续性来看，吸烟引起的DNA甲基化变化具有一定的持久性。即使在戒烟后，部分DNA甲基化改变仍然存在。对戒烟者的肺部组织进行长期跟踪研究发现，一些与吸烟相关的甲基化位点在戒烟后的几年甚至几十年内仍保持异常状态。AHRR基因位点的甲基化水平在戒烟者中虽然有所恢复，但与从未吸烟者相比，仍然存在显著差异，这种持续性的甲基化改变可能是导致戒烟者仍然面临较高健康风险的潜在因素之一。吸烟导致肺部DNA甲基化变化的机制较为复杂，主要与烟草中的化学物质有关。烟草烟雾中含有数千种化学物质，其中包括60多种已知的致癌物质，如亚硝胺、多环芳香烃和芳香胺等。这些化学物质进入人体后，可通过多种途径影响DNA甲基化。多环芳香烃类物质，如苯并芘，可与细胞内的芳香烃受体（AhR）结合，形成复合物后进入细胞核，与DNA甲基转移酶（DNMTs）相互作用，改变其活性和表达水平。DNMTs活性的改变会影响DNA甲基化的正常过程，导致DNA甲基化模式的异常改变。亚硝胺类物质具有较强的致癌性，它可以直接损伤DNA，使DNA发生烷基化等修饰，这些修饰会干扰DNA甲基化的正常调控，导致甲基化水平的改变。吸烟还会引发肺部组织的氧化应激反应，产生大量的活性氧（ROS）。ROS可攻击DNA分子，导致DNA损伤，进而影响DNA甲基化的正常维持和调控。DNA损伤修复过程中，一些参与修复的酶和蛋白可能会与DNA甲基化相关的因子相互作用，间接影响DNA甲基化水平。4.1.3对肺部功能和疾病发生的影响吸烟引起的肺部DNA甲基化变化对肺部功能和疾病发生有着深远的影响。在肺部细胞功能方面，DNA甲基化的改变会影响基因的表达，进而干扰肺部细胞的正常生理功能。如表面活性物质蛋白基因（SP-A、SP-B、SP-C和SP-D）启动子区域的甲基化水平在吸烟人群中发生改变，导致这些基因的表达异常。表面活性物质蛋白对于维持肺泡的稳定性、降低肺泡表面张力以及调节肺部免疫功能至关重要，其基因表达的异常会影响肺泡的正常功能，导致肺通气和换气功能障碍。吸烟还会导致肺部细胞的增殖和凋亡失衡。一些与细胞增殖相关基因的低甲基化以及与细胞凋亡相关基因的高甲基化，会使得肺部细胞过度增殖，而凋亡减少，这可能导致肺部组织的结构和功能紊乱。在吸烟引起的慢性阻塞性肺疾病（COPD）中，肺部细胞的异常增殖和凋亡失衡是其重要的病理特征之一。在肺部疾病的发生发展方面，吸烟相关的DNA甲基化变化与肺癌和COPD的关系尤为密切。在肺癌方面，DNA甲基化异常是肺癌发生的重要特征之一，而吸烟是导致这种异常的关键因素。如前文所述，肿瘤抑制基因的高甲基化和癌基因的低甲基化在吸烟人群的肺部组织中较为常见，这些甲基化改变会导致肿瘤抑制基因失活，癌基因激活，从而促进肺癌的发生发展。p53基因启动子区域的高甲基化在吸烟相关肺癌患者中频繁出现，p53基因是一种重要的肿瘤抑制基因，其失活会使得细胞失去对异常增殖的监控和调控能力，肿瘤细胞得以不受控制地生长和扩散。在COPD方面，吸烟引起的DNA甲基化变化会加剧肺部的炎症反应和组织损伤。与炎症相关基因的低甲基化会导致炎症因子的过度表达，如IL-8、TNF-α等，这些炎症因子会吸引大量炎症细胞浸润肺部组织，导致气道炎症、黏液分泌增加和气道重塑，最终导致COPD的发生和发展。吸烟还会导致与肺组织修复和重塑相关基因的甲基化异常，影响肺组织的修复能力，使得COPD患者的病情不断恶化。4.2血液组织4.2.1血液细胞DNA甲基化与吸烟的关系血液作为人体重要的循环组织，其细胞DNA甲基化与吸烟之间存在着紧密的联系。众多研究表明，吸烟会导致血液细胞DNA甲基化模式发生显著改变。杨蓉西教授团队的研究通过MALDI-TOF质谱平台，对不同吸烟状况人群的血液样本进行分析，按照受试者的吸烟状况将其分为重度吸烟者（在30、40岁以及入选时每天吸烟超过20支）、曾经吸烟者（戒烟10年以上，但戒烟前每天吸烟超过20支）以及从不吸烟者（终生吸烟少于100支，或从不吸烟）。利用IlluminaHumanMethylation27KBeadChip对外周血DNA的14000多个基因启动子区域的27578个位点的甲基化程度进行评估，发现位于基因F2R样凝血酶或胰蛋白酶受体3（F2RL3）的位点cg03636183在重度吸烟者中甲基化水平更低。F2RL3编码转化生长因子受体（PAR4）蛋白，该蛋白参与血小板活化等生理过程，而吸烟导致该位点甲基化水平降低，可能会影响其正常功能，进而干扰心血管系统的正常生理活动。对吸烟人群血液中白细胞的DNA甲基化研究发现，多个基因位点的甲基化水平与吸烟密切相关。AHRR基因在吸烟人群白细胞中的甲基化水平显著低于非吸烟人群，且这种甲基化水平的差异与吸烟的强度和持续时间呈正相关。AHRR基因参与调控细胞对环境污染物的反应，其甲基化水平的改变可能会影响细胞对烟草中有害物质的代谢和解毒能力，从而增加患病风险。在吸烟人群的血液中，GPR15基因位点的甲基化水平也发生明显变化，与吸烟状态紧密相关。GPR15基因主要在T细胞和髓系细胞中表达，其甲基化水平的改变可能会影响免疫细胞的功能，进而影响免疫系统对病原体的防御能力。一些与炎症相关基因的甲基化水平在吸烟人群血液中也出现异常。IL-8基因启动子区域的甲基化水平在吸烟者血液中降低，导致IL-8基因表达上调。IL-8是一种重要的炎症趋化因子，其表达增加会吸引大量炎症细胞聚集，引发炎症反应，这可能是吸烟导致机体慢性炎症状态的重要机制之一。4.2.2吸烟诱导血液DNA甲基化改变的细胞特异性吸烟诱导的血液DNA甲基化改变具有明显的细胞特异性，不同类型的血细胞对吸烟的反应存在差异。中国科学院上海营养与健康研究所研究员AndrewTeschendorff课题组与研究员汪思佳课题组合作的研究，通过收集并分析来自7个独立表观基因组关联研究（EWAS）队列的DNA甲基化数据，发现与吸烟有关的DNA甲基化变化在很大程度上与种族无关，且血液中大多数吸烟相关的DNA甲基化变化主要发生在骨髓细胞系内。具体来说，炎性单核细胞和巨噬细胞的DNase超敏位点上存在大量与吸烟相关的DNA甲基化改变。这些细胞在免疫反应和炎症调节中发挥着关键作用，吸烟导致它们的DNA甲基化变化，可能会影响其对病原体的识别、吞噬和清除能力，以及炎症因子的分泌和释放，从而影响机体的免疫功能和炎症状态。在淋巴细胞系内，与吸烟相关的DNA甲基化改变相对较少。这表明淋巴细胞对吸烟的敏感性相对较低，或者吸烟对淋巴细胞的影响可能通过其他间接途径实现。不过，这并不意味着吸烟对淋巴细胞没有影响，一些研究发现，吸烟会改变淋巴细胞的活性和功能，虽然其DNA甲基化水平变化不明显，但可能存在其他表观遗传修饰或基因表达调控的改变。不同血细胞中与吸烟相关的DNA甲基化改变所涉及的基因也具有特异性。在单核细胞中，一些与炎症信号通路、细胞黏附相关的基因，如NF-κB信号通路相关基因、ICAM-1等，其甲基化水平在吸烟后发生显著变化。这些基因的甲基化改变会影响单核细胞的炎症反应和对血管内皮细胞的黏附能力，进而影响炎症的发生和发展。在红细胞中，虽然其主要功能是运输氧气，但也有研究发现与血红蛋白合成、红细胞膜稳定性相关的基因在吸烟后出现DNA甲基化改变。这些改变可能会影响红细胞的正常生理功能，如影响血红蛋白与氧气的结合和解离能力，或者改变红细胞膜的结构和稳定性，导致红细胞寿命缩短或功能异常。4.2.3对免疫系统和全身性健康的影响吸烟导致的血液DNA甲基化变化对免疫系统和全身性健康产生了深远的影响。在免疫系统方面，血液中免疫细胞DNA甲基化的改变会直接影响免疫细胞的功能和活性。如前文所述，炎性单核细胞和巨噬细胞的DNA甲基化变化会影响它们对病原体的免疫应答能力，使其对病原体的识别、吞噬和清除能力下降，从而增加感染的风险。吸烟还会导致T细胞和B细胞功能异常。T细胞的活化和分化受到影响，使其对病原体的特异性免疫反应减弱；B细胞产生抗体的能力也可能下降，影响体液免疫功能。这使得机体整体的免疫防御能力降低，更容易受到各种病原体的侵袭，导致呼吸道感染、肺炎等疾病的发生率增加。从全身性健康角度来看，血液DNA甲基化变化与多种全身性疾病的发生风险密切相关。心血管疾病方面，吸烟引起的血液DNA甲基化改变与动脉粥样硬化、冠心病等疾病的发生发展密切相关。F2RL3基因位点的低甲基化会影响血小板的活化和功能，增加血小板的聚集性，容易形成血栓，进而导致动脉粥样硬化斑块的形成和发展，增加冠心病、心肌梗死等心血管疾病的发病风险。在代谢性疾病方面，研究发现吸烟相关的血液DNA甲基化变化与糖尿病的发生有关。一些与胰岛素信号通路、血糖代谢相关基因的甲基化水平改变，可能会干扰胰岛素的正常作用，影响血糖的调节，从而增加患糖尿病的风险。血液DNA甲基化变化还可能通过影响炎症反应、氧化应激等过程，对全身各个器官和系统产生不良影响，加速衰老进程，降低整体健康水平。4.3其他组织4.3.1结肠组织的研究在结肠组织中，吸烟同样会导致显著的DNA甲基化变化。芝加哥大学领导的研究团队在分析916份人体组织样本时，发现了与吸烟相关的表观遗传变化，其中在210个结肠组织样本中，共发现了2735个与吸烟相关的甲基化变化。在1646个位点（肺部）和22个位点（结肠），吸烟与DNA甲基化和局部基因表达均有关联。尽管少数位点同时出现在肺部和结肠组织中，但所涉及到的特定CpG甲基化位点在每种组织类型中似乎是不同的。浙江大学研究团队在《BJC》上发表的研究指出，吸烟与结直肠癌（CRC）发病率相关，且T细胞和肿瘤相关巨噬细胞浸润较少，提示吸烟通过抑制抗肿瘤免疫改变CRC风险的可能机制。大量的全表观基因组关联研究表明，吸烟可导致整个表观基因组DNA甲基化的改变，尤其是芳香烃受体阻遏因子（AHRR）基因位点。研究人员通过双样本MR分析确定了68个与吸烟相关的CpG位点的甲基化与结直肠癌的风险相关（p<0.05），并且其中两个位点在多重检验校正后仍然存在（FDR<0.05）。基因预测的CpG位点cg02149899甲基化水平每增加1个标准差，结直肠癌发病风险增加1.14倍（95%CI:1.07,1.22）；相反，基因预测的CpG位点cg17823346[ZMIZ1]甲基化与结直肠癌风险降低相关，MR估计为0.88（95%CI:0.84,0.93）。吸烟对结肠组织DNA甲基化的影响还体现在炎症性肠病（IBD）方面。2024年1月18日，浙江大学李雪、同济大学刘占举、牛津大学JackSatsangi及爱丁堡大学EvropiTheodoratou共同通讯在NatureCommunications发表的研究论文表明，吸烟行为与克罗恩病（CD）和溃疡性结肠炎（UC）风险增加有关。研究通过前瞻性队列研究和孟德尔随机化研究，评估了吸烟行为、吸烟相关DNA甲基化与CD和UC风险之间的关联，并进行全基因组甲基化分析和共定位分析来验证观察到的关联。cg17742416[DNMT3A]的DNA甲基化改变与CD（P=7.30×10−8）和UC（P=1.04×10−4）风险相关，而cg03599224[LTA/TNF]与CD风险相关（P=1.91×10−6），cg14647125[AHRR]和cg23916896[AHRR]与UC风险相关（P=0.001和0.002）。这些研究结果表明，吸烟引起的结肠组织DNA甲基化变化与肠道疾病的发生发展密切相关，可能通过影响基因表达和免疫功能，改变肠道的微环境，进而增加疾病的发病风险。4.3.2口腔组织的研究口腔组织作为直接接触烟草烟雾的部位，其DNA甲基化与吸烟也存在紧密的联系。多项研究表明，吸烟会导致口腔组织DNA甲基化模式发生改变。对吸烟人群的口腔黏膜细胞进行研究发现，多个基因位点的甲基化水平与吸烟状态相关。AHRR基因在吸烟人群的口腔黏膜细胞中甲基化水平显著低于非吸烟人群，且这种甲基化水平的差异与吸烟的持续时间和强度呈正相关。AHRR基因参与调控细胞对环境污染物的反应，其甲基化水平的改变可能会影响口腔黏膜细胞对烟草中有害物质的代谢和解毒能力，从而增加口腔疾病的发生风险。在口腔癌方面，吸烟相关的DNA甲基化变化起到了重要作用。研究发现，一些与肿瘤发生、发展相关基因的启动子区域在吸烟人群的口腔组织中呈现高甲基化状态。p16基因启动子区域的高甲基化在吸烟相关口腔癌患者中较为常见，p16基因是一种重要的肿瘤抑制基因，其启动子区域的高甲基化会导致基因表达沉默，无法发挥抑制肿瘤细胞增殖的作用，从而促进口腔癌的发生发展。一些与细胞周期调控、凋亡相关的基因，如CDK4、BCL-2等，其甲基化水平在吸烟人群的口腔组织中也发生改变，这些基因的异常甲基化会干扰细胞的正常生理功能，导致细胞增殖和凋亡失衡，增加口腔癌的发病风险。吸烟还会影响口腔微生物群落的组成和功能，而这一过程也与DNA甲基化相关。烟草中的有害物质会改变口腔微环境，影响口腔微生物的生存和繁殖，进而导致口腔微生物群落的失衡。一些有益微生物的数量减少，而有害微生物的数量增加，这些有害微生物可能会产生毒素，进一步损伤口腔组织。研究发现，口腔微生物群落的改变会影响宿主细胞的DNA甲基化模式，反过来，宿主细胞DNA甲基化的变化也会影响微生物群落的组成和功能。这种相互作用可能会进一步加重口腔组织的损伤，增加口腔疾病的发生风险。4.3.3其他可能受影响组织的探讨除了肺部、血液、结肠和口腔组织外，心脏、肝脏等组织也可能受到吸烟的影响，发生DNA甲基化变化。在心脏组织中，吸烟可能通过多种途径影响DNA甲基化。烟草中的有害物质进入血液循环后，可直接作用于心脏细胞，干扰DNA甲基化的正常调控机制。亚硝胺类物质可损伤心脏细胞的DNA，导致DNA甲基化水平改变。吸烟还会引发炎症反应和氧化应激，产生的炎症因子和活性氧（ROS）可影响DNA甲基转移酶（DNMTs）的活性和表达，进而影响DNA甲基化模式。研究发现，在吸烟相关的心血管疾病患者中，一些与心脏功能、血管收缩舒张相关基因的甲基化水平发生异常。eNOS基因启动子区域的甲基化水平升高，导致eNOS表达降低，使得心脏血管内皮细胞产生一氧化氮的能力下降，血管舒张功能受损，增加心血管疾病的发生风险。肝脏作为人体重要的代谢器官，也可能受到吸烟的影响。吸烟产生的有害物质在肝脏中代谢时，可能会干扰肝脏细胞的正常代谢过程，影响DNA甲基化。多环芳烃类物质在肝脏中经过代谢活化后，可与DNA结合，形成加合物，导致DNA损伤，进而影响DNA甲基化。研究表明，吸烟与肝脏疾病如非酒精性脂肪性肝病（NAFLD）、肝癌等的发生发展有关。在NAFLD患者中，吸烟人群的一些与脂质代谢、炎症反应相关基因的甲基化水平发生改变。PPARγ基因启动子区域的甲基化水平升高，会抑制PPARγ基因的表达，影响脂质代谢和胰岛素敏感性，促进NAFLD的发展。在肝癌患者中，吸烟也可能通过改变DNA甲基化模式，影响肿瘤相关基因的表达，促进肝癌的发生发展。虽然目前对于心脏、肝脏等组织受吸烟影响的DNA甲基化研究相对较少，但这些潜在的影响不容忽视，未来需要进一步深入研究，以揭示吸烟对这些组织健康的危害机制。五、吸烟对细胞水平DNA甲基化的作用5.1对免疫细胞的影响5.1.1T细胞、B细胞等免疫细胞的DNA甲基化改变吸烟会对T细胞、B细胞等免疫细胞的DNA甲基化产生显著影响，进而改变它们的功能和活性。法国巴斯德研究所的研究人员通过对1000名健康志愿者进行研究，发现吸烟会对机体免疫反应产生长期重大影响，且这种影响与DNA甲基化密切相关。研究表明，吸烟会降低特定基因位点的DNA甲基化水平，这些位点与体内信号传导过程和代谢相关的基因调节有关，会导致细胞因子水平的改变。在T细胞中，吸烟导致某些与T细胞活化、分化相关基因的甲基化水平发生变化。例如，在对T细胞激活剂金黄色葡萄球菌肠毒素B超抗原（SEB）、抗CD3+CD28刺激的反应中，吸烟会增强IL-2和IL-13的诱导作用。这可能是因为吸烟改变了T细胞中相关基因的甲基化模式，影响了基因的表达，使得T细胞在受到刺激时分泌更多的IL-2和IL-13。IL-2是一种重要的T细胞生长因子，它能够促进T细胞的增殖和分化，增强T细胞的免疫活性；IL-13则参与调节免疫反应和炎症过程，它可以抑制炎症细胞的活化，调节免疫细胞的功能。吸烟导致T细胞中IL-2和IL-13分泌异常，可能会打破T细胞免疫功能的平衡，影响机体对病原体的免疫防御能力。在B细胞中，吸烟也会引起DNA甲基化的改变，进而影响B细胞的抗体产生和免疫调节功能。一些与B细胞分化、抗体类别转换相关基因的甲基化水平在吸烟后发生变化。研究发现，吸烟会导致B细胞中某些转录因子结合位点的甲基化改变，影响转录因子与DNA的结合，从而干扰B细胞相关基因的表达。这可能会导致B细胞的分化受阻，抗体产生异常，影响体液免疫功能。B细胞在受到抗原刺激后，需要经历一系列的分化和成熟过程，才能产生特异性抗体。如果吸烟导致B细胞相关基因的甲基化异常，可能会影响B细胞的分化进程，使其无法正常产生抗体，降低机体对病原体的抵抗力。吸烟还会影响免疫细胞的代谢相关基因的DNA甲基化。免疫细胞的正常功能依赖于其代谢活动的正常进行，而DNA甲基化的改变可能会影响免疫细胞代谢相关基因的表达，进而影响免疫细胞的代谢功能。在巨噬细胞中，吸烟会导致与糖酵解、氧化磷酸化等代谢途径相关基因的甲基化水平发生变化。这些基因的甲基化改变会影响巨噬细胞的能量代谢，使其对病原体的吞噬和清除能力下降。巨噬细胞在吞噬病原体时，需要消耗大量的能量来维持其活性和功能。如果吸烟导致巨噬细胞代谢相关基因的甲基化异常，影响了能量代谢，巨噬细胞就无法有效地发挥其免疫防御作用。5.1.2对免疫反应和疾病易感性的影响机制吸烟引起的免疫细胞DNA甲基化改变对免疫反应和疾病易感性有着深远的影响机制。从免疫反应角度来看，DNA甲基化的改变会影响免疫细胞的活化和功能，从而干扰正常的免疫应答过程。如前文所述，吸烟导致T细胞中与活化、分化相关基因的甲基化改变，使得T细胞在受到刺激时分泌细胞因子异常，打破了T细胞免疫功能的平衡。这会导致免疫反应的失调，一方面可能使机体对病原体的免疫防御能力下降，增加感染的风险；另一方面，异常的免疫反应可能会引发过度的炎症反应，对机体自身组织造成损伤。在呼吸道感染中，吸烟会削弱T细胞对病原体的识别和杀伤能力，使得病原体更容易在体内存活和繁殖，同时过度的炎症反应会导致呼吸道黏膜受损，加重感染症状。吸烟引起的免疫细胞DNA甲基化改变还会影响免疫记忆的形成和维持。免疫记忆是免疫系统对曾经接触过的病原体产生的记忆，使得机体在再次遇到相同病原体时能够迅速做出免疫反应。T细胞和B细胞在免疫记忆的形成中起着关键作用，而吸烟导致它们的DNA甲基化改变，可能会影响免疫记忆细胞的分化和功能。吸烟可能会导致T细胞记忆亚群的数量和功能异常，使得机体在再次接触病原体时，无法迅速激活免疫反应，降低了对病原体的抵抗力。从疾病易感性角度来看，吸烟相关的免疫细胞DNA甲基化改变与多种疾病的发生发展密切相关。在自身免疫性疾病方面，吸烟会增加患类风湿性关节炎、系统性红斑狼疮等疾病的风险。吸烟导致免疫细胞DNA甲基化异常，会打破免疫系统的自我耐受机制，使得免疫系统错误地攻击自身组织，引发自身免疫反应。在类风湿性关节炎中，吸烟会导致T细胞和B细胞的功能异常，分泌大量的自身抗体和炎症因子，攻击关节组织，导致关节炎症、疼痛和损伤。在感染性疾病方面，吸烟会增加机体对病毒、细菌等病原体的易感性。吸烟引起的免疫细胞DNA甲基化改变会削弱免疫细胞的功能，降低机体的免疫防御能力，使得病原体更容易侵入机体并引发感染。研究表明，吸烟会增加患流感、肺炎等呼吸道感染疾病的风险，且感染后的病情往往更严重，恢复时间更长。在流感病毒感染中，吸烟会导致呼吸道黏膜免疫细胞的功能受损，无法有效地识别和清除病毒，使得病毒在呼吸道内大量复制，引发严重的呼吸道症状。5.2对干细胞的影响5.2.1干细胞DNA甲基化的变化吸烟会对干细胞的DNA甲基化产生显著影响，导致其甲基化模式发生改变。在胚胎干细胞中，吸烟相关的有害物质可干扰DNA甲基化的正常调控过程。研究表明，烟草烟雾中的多环芳烃类物质，如苯并芘，能够进入胚胎干细胞内，与细胞内的受体结合，进而影响DNA甲基转移酶（DNMTs）的活性和表达。DNMTs活性和表达的改变会导致胚胎干细胞中某些基因区域的甲基化水平异常，影响胚胎干细胞的自我更新和分化能力。一些与胚胎发育关键信号通路相关的基因，如Wnt、Notch等信号通路中的基因，其启动子区域的甲基化水平在吸烟影响下发生变化，可能会干扰胚胎干细胞向不同胚层细胞的分化过程，影响胚胎的正常发育。在成体干细胞方面，以造血干细胞为例，吸烟会改变其DNA甲基化谱。长期吸烟会导致造血干细胞中多个基因位点的甲基化水平发生改变，这些基因涉及造血干细胞的自我更新、分化以及造血微环境的维持等多个方面。一些与造血干细胞干性维持相关的基因，如HOXB4、BMI1等，其甲基化水平在吸烟后升高，可能会抑制这些基因的表达，导致造血干细胞的自我更新能力下降。与血细胞分化相关的基因，如GATA1、PU.1等，其甲基化水平的改变可能会影响造血干细胞向不同血细胞谱系的分化，导致血细胞生成异常。研究还发现，吸烟会使造血干细胞中与炎症反应相关基因的甲基化水平降低，导致这些基因表达上调，使造血干细胞处于慢性炎症状态，进一步影响其正常功能。间充质干细胞也会受到吸烟的影响，发生DNA甲基化变化。间充质干细胞具有多向分化潜能，在组织修复和再生中发挥着重要作用。吸烟会导致间充质干细胞中一些与分化调控相关基因的甲基化水平改变。在向成骨细胞分化的过程中，与成骨相关的关键基因，如RUNX2、OCN等，其启动子区域的甲基化水平在吸烟后升高，可能会抑制这些基因的表达，阻碍间充质干细胞向成骨细胞的分化，影响骨组织的修复和再生。在向脂肪细胞分化时，与脂肪生成相关基因的甲基化水平也会发生变化，可能会干扰脂肪细胞的正常生成，影响脂肪组织的代谢和功能。5.2.2对组织修复和再生能力的潜在影响干细胞DNA甲基化的变化对组织修复和再生能力具有潜在的重大影响。在皮肤组织修复方面，表皮干细胞是维持皮肤正常结构和功能的重要细胞，其DNA甲基化状态的改变会影响皮肤的修复能力。吸烟导致表皮干细胞中与细胞增殖、迁移和分化相关基因的甲基化异常，使得表皮干细胞在受到损伤时，无法正常增殖和分化为表皮细胞，影响皮肤伤口的愈合。一些与细胞外基质合成和降解相关的基因，其甲基化改变会导致细胞外基质的组成和结构发生变化，影响表皮干细胞的微环境，进一步阻碍皮肤组织的修复。研究表明，吸烟人群的皮肤伤口愈合时间明显长于非吸烟人群，且愈合质量较差，容易留下疤痕，这与表皮干细胞DNA甲基化变化导致的修复能力下降密切相关。在骨骼组织修复中，骨髓间充质干细胞向成骨细胞分化的过程受到DNA甲基化的调控，而吸烟会干扰这一调控过程。如前文所述，吸烟会使骨髓间充质干细胞中与成骨相关基因的甲基化水平升高，抑制基因表达，导致骨髓间充质干细胞向成骨细胞分化受阻。在骨折修复过程中，骨髓间充质干细胞需要分化为成骨细胞，参与新骨的形成。如果吸烟导致骨髓间充质干细胞的分化异常，就会影响骨折部位的骨痂形成和骨组织重建，延缓骨折的愈合进程。长期吸烟还会导致骨密度下降，增加骨质疏松的风险，这也与骨髓间充质干细胞DNA甲基化变化引起的成骨能力降低有关。在肝脏组织再生方面，肝干细胞的功能对肝脏的修复和再生至关重要。吸烟会影响肝干细胞的DNA甲基化，导致其增殖和分化能力改变。一些与肝脏再生相关的信号通路，如Wnt/β-catenin信号通路相关基因的甲基化水平在吸烟后发生变化，可能会干扰肝干细胞的活化和分化，影响肝脏组织的再生。在肝脏受到损伤时，肝干细胞需要迅速增殖并分化为肝细胞，以修复受损的肝脏组织。吸烟导致肝干细胞DNA甲基化异常，会使肝脏的再生能力下降，增加肝脏疾病的发生风险。六、吸烟影响DNA甲基化的因素与个体差异6.1吸烟量、吸烟时间和戒烟的影响6.1.1剂量-反应关系吸烟量和吸烟时间与DNA甲基化变化程度之间存在明显的剂量-反应关系。众多研究表明，随着吸烟量的增加和吸烟时间的延长，DNA甲基化受到的影响更为显著。美国夏威夷大学癌症研究中心、凯克医学院的科研人员在对跨6个不同种族/民族的2,728名参与者进行的血液白细胞全表观基因组关联研究（EWAS）中发现，总尼古丁当量（TNEs）作为衡量吸烟摄入量的指标，与超250个基因组区域中408个CpG位点的差异DNA甲基化相关。其中，最显著位点被注释为AHRR、F2RL3、RARA、GPR15、PRSS23和2q37.1等，这些位点的甲基化程度都随着TNE的增加而降低。这表明吸烟量越大，对这些基因位点甲基化水平的影响越明显，呈现出剂量依赖性。对吸烟时间与DNA甲基化关系的研究也有类似发现。一项针对长期吸烟人群的追踪研究表明，吸烟时间越长，AHRR基因位点的甲基化水平下降越明显。AHRR基因在调控细胞对环境污染物的反应中起着关键作用，其甲基化水平的持续降低可能会导致细胞对烟草中有害物质的代谢和解毒能力逐渐下降，增加患病风险。长期吸烟还会导致更多基因的甲基化模式发生改变，涉及到的生物学通路也更加广泛，从而对人体健康产生更为严重的影响。吸烟量和吸烟时间还可能相互作用，共同影响DNA甲基化变化程度。长时间高剂量的吸烟可能会导致DNA甲基化模式发生更复杂、更持久的改变。在肺部组织中，长期大量吸烟会使一些与肿瘤抑制、炎症调节相关基因的甲基化水平发生显著变化，这些变化不仅会增加肺癌的发病风险，还会加剧肺部的炎症反应，导致慢性阻塞性肺疾病（COPD）等疾病的发生和发展。与吸烟相关的DNA甲基化改变还可能在不同组织中具有不同的剂量-反应关系。在血液组织中，吸烟量和时间对某些免疫细胞相关基因的甲基化影响可能更为敏感，而在结肠组织中，可能对与肠道微生态平衡、细胞增殖相关基因的甲基化产生更显著的影响。6.1.2戒烟后的DNA甲基化恢复情况戒烟后，DNA甲基化具有一定的可逆性，但恢复过程较为复杂且存在个体差异。美国国家环境健康科学研究所的研究人员对1.6万份血液样本进行综合分析后发现，戒烟后，多数受影响基因在5年内自动恢复。然而，研究团队进一步对DNA甲基化程序进行研究分析，分别将吸烟者与戒烟者的DNA甲基化位点和从未吸烟者进行比较后发现，吸烟相关的DNA甲基化位点与超过7000个基因相关，约占已知人类基因的1/3，这些DNA位点甲基化在戒烟30年后依然存在。这表明虽然戒烟后部分DNA甲基化水平能够恢复，但仍有相当一部分甲基化改变会长期持续，对健康产生潜在影响。不同基因位点的DNA甲基化恢复情况存在差异。一些与吸烟密切相关的基因，如AHRR、F2RL3等，在戒烟后其甲基化水平会逐渐回升，但恢复速度较慢。对戒烟者的追踪研究显示，AHRR基因位点的甲基化水平在戒烟后的前几年内恢复较为缓慢，即使在戒烟10年后，仍未恢复到从未吸烟者的水平。而另一些基因的甲基化恢复则相对较快。某些与短期代谢调节相关的基因，在戒烟后1-2年内，其甲基化水平可能就会恢复到接近从未吸烟者的状态。戒烟时间的长短对DNA甲基化恢复程度有着重要影响。一般来说，戒烟时间越长，DNA甲基化恢复得越接近正常水平。但恢复过程并非线性的，在戒烟初期，DNA甲基化的恢复速度相对较快，随着时间的推移，恢复速度逐渐减缓。戒烟5年内，多数受影响基因的甲基化水平有明显改善，但之后的恢复进程变得缓慢。戒烟者的年龄、吸烟史（包括吸烟量、吸烟时间等）以及个体的遗传背景等因素也会影响DNA甲基化的恢复情况。年轻的戒烟者相比年老的戒烟者，其DNA甲基化恢复能力可能更强。具有某些特定遗传变异的个体，可能对吸烟相关DNA甲基化改变更为敏感，戒烟后的恢复也可能更困难。6.2遗传因素的作用6.2.1遗传多态性对吸烟相关DNA甲基化的影响遗传多态性在个体对吸烟导致的DNA甲基化变化的敏感性方面发挥着关键作用。研究表明，某些基因的遗传多态性会影响DNA甲基转移酶（DNMTs）的活性和表达，进而改变个体对吸烟相关DNA甲基化改变的易感性。在众多与DNA甲基化相关的基因中，DNMT1基因的遗传多态性备受关注。DNMT1是维持DNA甲基化状态的关键酶，其基因的单核苷酸多态性（SNP）可能会影响酶的结构和功能。有研究发现，在某些人群中，DNMT1基因的特定SNP位点与吸烟导致的DNA甲基化变化密切相关。携带特定等位基因的个体，在吸烟后，某些基因位点的甲基化水平改变更为显著。在AHRR基因位点，携带DNMT1基因特定SNP等位基因的吸烟者，其甲基化水平下降幅度明显大于不携带该等位基因的吸烟者。这可能是因为该SNP改变了DNMT1的活性或其与DNA的结合能力，使得在吸烟环境下，AHRR基因的甲基化调控更容易受到干扰，从而导致甲基化水平的显著变化。除了DNMT1基因，其他参与DNA甲基化调控的基因多态性也会产生影响。如TET1基因，它参与DNA的去甲基化过程。TET1基因的多态性会影响其编码蛋白的活性，进而影响DNA去甲基化的速率和程度。在吸烟人群中，携带TET1基因特定多态性的个体，其某些基因的去甲基化过程可能会发生异常，导致DNA甲基化模式的改变。一些与炎症反应相关的基因，在携带TET1基因特定多态性的吸烟者中，其甲基化水平与不携带该多态性的吸烟者存在差异。这可能是由于TET1基因多态性影响了基因的去甲基化，进而影响了基因的表达，导致炎症反应的改变。遗传多态性还可能通过影响其他生物学过程，间接影响吸烟相关的DNA甲基化。某些基因的多态性会影响细胞对烟草中有害物质的代谢能力。细胞色素P450家族基因的多态性会导致其编码的酶对烟草中多环芳烃、亚硝胺等有害物质的代谢速率不同。携带特定细胞色素P450基因多态性的个体，在吸烟后，体内有害物质的代谢产物水平可能不同，这些代谢产物可能会进一步影响DNA甲基化。代谢产物可能会与DNA结合，形成加合物，导致DNA损伤，进而影响DNA甲基化的正常调控。某些代谢产物还可能影响DNMTs或其他与DNA甲基化相关因子的活性，间接改变DNA甲基化模式。6.2.2基因-环境交互作用基因与吸烟环境因素在影响DNA甲基化中存在复杂的交互作用，这种交互作用对个体健康产生重要影响。研究表明，基因与吸烟环境的相互作用会导致DNA甲基化模式的改变，进而影响基因表达和疾病的发生发展。在吸烟相关肺癌的研究中，基因-环境交互作用的影响尤为显著。以TP53基因为例，它是一种重要的肿瘤抑制基因。在吸烟环境下，TP53基因的甲基化状态会受到基因-环境交互作用的影响。某些个体携带TP53基因的特定多态性，在吸烟环境中，其TP53基因启动子区域更容易发生高甲基化。这种高甲基化会导致TP53基因表达沉默，无法发挥其抑制肿瘤细胞增殖的作用，从而增加肺癌的发病风险。而在不吸烟的情况下，携带相同多态性的个体，TP53基因的甲基化水平相对较低，肺癌发病风险也相对较低。这表明基因与吸烟环境因素相互作用，共同影响了TP53基因的甲基化状态，进而影响了肺癌的发生。基因-环境交互作用还会影响吸烟相关心血管疾病的发生。如前文所述，吸烟会导致心血管系统相关基因的DNA甲基化改变，增加心血管疾病的风险。而某些基因的多态性会增强这种影响。在血管紧张素转化酶（ACE）基因中，存在I/D多态性。携带D等位基因的个体，在吸烟环境下，ACE基因的甲基化水平改变更为明显，导致ACE表达增加，血管紧张素II生成增多，引起血管收缩、血压升高，进一步促进动脉粥样硬化的发展，增加心血管疾病的发病风险。而携带I等位基因的个体，在吸烟环境下，ACE基因甲基化改变相对较小，心血管疾病的发病风险也相对较低。这说明基因与吸烟环境因素的交互作用，通过影响DNA甲基化，对心血管系统产生不同程度的影响。在免疫系统方面，基因-环境交互作用也会影响吸烟对免疫细胞DNA甲基化的作用。某些免疫相关基因的多态性，如IL-6基因的多态性，会影响吸烟对IL-6基因甲基化水平的改变。携带IL-6基因特定多态性的个体，在吸烟后，IL-6基因启动子区域的甲基化水平降低更为显著，导致IL-6基因表达上调，炎症反应增强。而在不吸烟的情况下，携带相同多态性的个体，IL-6基因甲基化水平和表达水平相对稳定。这表明基因与吸烟环境因素相互作用，通过改变免疫细胞DNA甲基化，影响免疫系统的功能和炎症反应，进而影响个体对疾病的易感性。6.3其他个体因素的影响6.3.1年龄、性别等因素的差异年龄和性别是影响吸烟相关DNA甲基化的重要个体因素，它们在吸烟对DNA甲基化的作用中展现出显著的差异。从年龄角度来看，不同年龄段的个体对吸烟导致的DNA甲基化改变存在明显的敏感性差异。在青少年时期，由于身体正处于快速生长发育阶段，细胞代谢活跃，DNA甲基化模式也处于动态变化过程中，此时吸烟对DNA甲基化的影响可能更为深远。研究表明，青少年吸烟会导致某些与生长发育、细胞分化相关基因的甲基化水平发生异常改变。AHRR基因在青少年吸烟者中的甲基化水平变化更为显著，且与吸烟的持续时间和强度密切相关。AHRR基因的异常甲基化可能会干扰青少年正常的生长发育进程，影响身体各器官系统的正常功能。随着年龄的增长，成年个体的DNA甲基化模式相对稳定，但吸烟仍然会对其产生影响。然而，与青少年相比，成年个体对吸烟相关DNA甲基化改变的敏感性可能会降低。一些研究发现，在成年吸烟者中，虽然某些基因的甲基化水平会因吸烟而改变，但改变的程度可能相对较小。这可能是因为成年个体的细胞具有更强的自我修复和调节能力，能够在一定程度上抵御吸烟对DNA甲基化的干扰。但长期大量吸烟仍然会对成年个体的DNA甲基化产生累积效应，增加患病风险。在老年人群中，由于身体机能逐渐衰退，细胞的修复和再生能力下降，吸烟对DNA甲基化的影响可能会进一步加剧。老年吸烟者更容易出现与衰老相关基因的甲基化异常，加速衰老进程，增加患多种慢性疾病的风险。一些与心血管功能、认知功能相关的基因，在老年吸烟者中甲基化水平的改变更为明显，导致心血管疾病、神经系统疾病等的发病风险显著增加。性别差异在吸烟相关DNA甲基化中也十分显著。多项研究表明，男性和女性在吸烟对DNA甲基化的影响方面存在不同的模式和程度。在肺部组织中，男性吸烟者的某些基因甲基化水平改变可能更为突出。研究发现，男性吸烟者肺部组织中AHRR、F2RL3等基因的甲基化水平与吸烟的关联更为紧密，且甲基化水平的改变幅度更大。这可能与男性和女性在肺部生理结构、代谢功能以及激素水平等方面的差异有关。男性的肺部相对较大，气道相对较粗，对烟草中有害物质的代谢和清除能力可能与女性不同，从而导致吸烟对DNA甲基化的影响存在差异。在血液组织中，女性吸烟者可能对某些基因的甲基化改变更为敏感。一些研究显示，女性吸烟者血液中与免疫调节、炎症反应相关基因的甲基化水平变化更为明显。IL-6基因启动子区域的甲基化水平在女性吸烟者中降低更为显著，导致IL-6基因表达上调，炎症反应增强。这可能与女性的免疫系统特点以及激素对免疫系统的调节作用有关。雌激素等女性激素在免疫调节中发挥着重要作用，吸烟可能会干扰激素的正常调节功能，进而影响免疫相关基因的甲基化水平。性别差异还可能体现在对吸烟相关DNA甲基化改变的疾病易感性上。男性吸烟者可能更容易患肺癌、心血管疾病等，而女性吸烟者可能在某些自身免疫性疾病、骨质疏松等方面的发病风险增加。这与男性和女性在基因表达、生理功能以及对环境因素的反应等方面的差异密切相关。男性和女性在吸烟相关DNA甲基化方面的差异，为个性化的吸烟干预和疾病预防提供了重要依据。6.3.2生活方式和其他环境因素的综合作用生活方式和其他环境因素与吸烟相互作用，共同对DNA甲基化产生影响，这种综合作用使得个体的健康风险更加复杂。不良的生活方式，如不健康饮食、缺乏运动、长期熬夜等，会加剧吸烟对DNA甲基化的不良影响。不健康饮食会导致体内营养失衡，影响DNA甲基化相关的代谢过程。长期高糖、高脂肪饮食会导致体内胰岛素抵抗增加，血糖和血脂水平升高，这可能会干扰DNA甲基转移酶（DNMTs）的活性和表达，进而影响DNA甲基化。在吸烟人群中，若同时存在不健康饮食，会使某些与代谢相关基因的甲基化水平进一步异常。PPARγ基因启动子区域的甲基化水平在吸烟且饮食不健康的人群中升高更为明显，PPARγ基因在调节脂质代谢和胰岛素敏感性中起着关键作用，其甲基化水平的异常会进一步加重代谢紊乱，增加患糖尿病、心血管疾病等的风险。缺乏运动也是一个重要的生活方式因素。运动能够促进身体的新陈代谢，增强细胞的活性和修复能力。而缺乏运动则会导致身体代谢减缓，细胞功能下降，使得吸烟对DNA甲基化的负面影响更容易显现。研究表明，缺乏运动的吸烟者，其血液中与氧化应激、炎症反应相关基因的甲基化水平改变更为显著。Nrf2基因是一种重要的抗氧化应激基因，在缺乏运动的吸烟者中，Nrf2基因启动子区域的甲基化水平升高，导致Nrf2基因表达降低，机体抗氧化应激能力下降，增加了氧化损伤和炎症反应的风险。长期熬夜会打乱人体的生物钟，影响内分泌系统和免疫系统的正常功能。在吸烟人群中，长期熬夜会使DNA甲基化的稳定性受到更大的挑战。一些与生物钟调节相关基因的甲基化水平在吸烟且长期熬夜的人群中发生改变，进而影响整个生物钟系统的正常运作。PER1基因是生物钟调节的关键基因之一，其甲基化水平的改变会导致生物钟紊乱，进一步影响身体的代谢、免疫等功能，加重吸烟对健康的危害。其他环境因素，如空气污染、化学物质暴露等，也会与吸烟共同影响DNA甲基化。在空气污染严重的环境中，空气中的颗粒物、有害气体等污染物会与烟草中的有害物质协同作用，对DNA甲基化产生叠加效应。空气中的多环芳烃、重金属等污染物会损伤DNA，干扰DNA甲基化的正常调控。在吸烟人群中，暴露于污染空气中会使某些与呼吸系统疾病、心血管疾病相关基因的甲基化水平改变更为明显。AQP1基因在维持肺部正常水分平衡和气体交换中起着重要作用，在吸烟且暴露于污染空气的人群中，AQP1基因启动子区域的甲基化水平升高，导致AQP1基因表达降低，影响肺部的正常功能，增加患呼吸系统疾病的风险。化学物质暴露也是一个不容忽视的因素。一些职业环境中，人们会接触到各种化学物质，如有机溶剂、农药、重金属等。这些化学物质可能会与吸烟相互作用，影响DNA甲基化。在接触有机溶剂的吸烟人群中，某些与肝脏解毒功能、细胞凋亡相关基因的甲基化水平会发生改变。CYP2E1基因是参与有机溶剂代谢的关键基因，在吸烟且接触有机溶剂的人群中，CYP2E1基因启动子区域的甲基化水平降低，导致CYP2E1基因表达上调，可能会增加肝脏的代谢负担，同时也会影响细胞凋亡过程，增加患肝脏疾病和肿瘤的风险。七、DNA甲基化变化与吸烟相关疾病的关联7.1癌症7.1.1肺癌中的DNA甲基化特征与吸烟关系肺癌是一种严重威胁人类健康的恶性肿瘤，吸烟是其主要的致病因素之一。大量研究表明，吸烟会导致肺癌组织中出现显著的DNA甲基化特征改变，这些改变与肺癌的发生发展密切相关。在肺癌组织中，与吸烟相关的DNA甲基化特征表现为广泛的异常甲基化模式。许多关键基因的启动子区域呈现出高甲基化状态，从而导致基因表达沉默或下调。AHRR基因在肺癌组织中的甲基化水平明显高于正常肺组织，且与吸烟量和吸烟时间呈正相关。AHRR基因参与调控细胞对环境污染物的反应，其高甲基化会抑制基因表达，使细胞对烟草中有害物质的代谢和解毒能力下降，增加肺癌的发病风险。研究还发现，在肺癌患者中，一些与细胞周期调控、凋亡相关的基因，如CDKN2A（编码p16蛋白）、BCL-2等，其启动子区域也常常发生高甲基化。p16蛋白是一种重要的细胞周期抑制因子，其基因启动子区域的高甲基化会导致p16蛋白表达减少，使得细胞周期调控异常，细胞增殖失去控制，进而促进肺癌的发生发展。BCL-2基因是一种抗凋亡基因，其高甲基化会导致BCL-2蛋白表达降低，削弱细胞的抗凋亡能力，使细