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环境空气污染(ambient air pollution)在当今社会已然成为了危害人类健康的一个主要风险因素，尤其是在中国这样的发展中国家。流行病学证据表明环境空气污染的长期暴露与多种疾病有关，然而我们对该致病过程中的生物学机制所知甚少。DNA甲基化作为一种重要的表观遗传修饰，在调控基因表达等方面发挥着关键作用，并且由于其容易受到环境因素的影响，环境空气污染通过影响DNA甲基化的改变来介导疾病的发生这一机制存在着很大的探索空间。因此，基于上述背景，我们开展了以下的工作。
(1)长期环境空气污染暴露的表观遗传学效应的样本库建立
研究目的：通过对比我国环境空气污染程度具有巨大差异的两个地区，明确环境空气污染对当地居民造成的健康影响，为研究环境空气污染与DNA甲基化的关联提供“病例-对照”样本基础。
材料与方法：我们在我国山西省和浙江省分别确立了一个高污染地区和一个低污染地区，并通过收集当地2015年至2017年六种主要空气污染物(PM2.5、PM10、SO2、NO2、CO、O3)的数据来评估两个地区环境空气污染的水平。此外，我们在两个地区当地收集了总共9607个样本(6112个高污染地区样本和3495个低污染地区样本)，并通过流行病学研究分析了环境空气污染相关疾病在两个地区的发病率是否有差异。
研究结果：除了O3外，PM2.5、PM10、SO2、NO2和CO五种环境空气污染物的水平在高污染地区均显著高于低污染地区，其中SO2的差异倍数最大，高达6.6倍。两个地区之间各污染物之间的相关性、随时间变化的趋势和首要污染物的比例均比较一致。将污染物浓度转化为空气污染等级后发现，低污染地区一年中大部分时间的空气质量为优或良，受到污染的天数比例不超过10%，而高污染地区大部分时间则为良或轻度污染，受到污染的天数比例约为40%。流行病学的研究发现，高污染地区居民患呼吸系统疾病(OR=3.63，95%CI=3.01-4.36)、心血管疾病(OR=2.13，95%CI=1.75-2.62)、过敏(OR=3.40，95%CI=2.76-4.25)的风险显著高于低污染地区居民。
结论：根据环境空气污染水平的差异，我们在我国确立了一个高污染地区和一个低污染地区，并通过流行病学研究验证了环境空气污染给当地居民造成的不良健康后果，为研究环境空气污染导致疾病的生物学机制提供了基础。
(2)长期环境空气污染对DNA甲基化的影响
研究目的：该研究主要目的是分析环境空气污染的长期暴露与全基因组DNA甲基化的关联，并且鉴定出有关的差异甲基化区域(differentially methylated region， DMR)、基因、信号通路。
材料与方法：我们从第一部分研究中的两个地区挑选出了120个样本(72个高污染地区样本和48个低污染地区样本)，并对其全血DNA进行了全基因组亚硫酸氢盐测序(whole-genome bisulfite sequencing，WGBS)。我们通过DMR分析比较两个区域的样本以此来探索长期环境空气污染与DNA甲基化的关联。此外，我们还检测了与信号通路分析结果有关的线粒体DNA拷贝数和血浆细胞因子水平。
研究结果：全基因组DNA甲基化分析共鉴定出371个DMR，这些DMR区域主要位于基因调控元件区，例如启动子和增强子。DMR所在基因的富集分析表明：富集的疾病主要包括肺部疾病和癌症；富集的生物学过程主要与线粒体组装和细胞因子的产生有关。我们发现高污染地区样本的线粒体DNA拷贝数显著高于低污染地区样本，并且在所鉴定出的DMR中，有15个DMR的甲基化水平与线粒体DNA拷贝数显著相关。此外，我们还发现高污染地区样本的血浆白介素5(interleukin-5，IL-5)水平显著高于低污染地区样本。最后，通过整合各部分分析的结果，我们发现了5个基因(ATG3、ATG12、COL18A1、CTSD、GSTA4)与环境污染之间的关联关系得到了多方面的证据支持，并且其中4个基因之间存在蛋白互作。
结论：环境空气污染的长期暴露会在全基因组水平上影响DNA甲基化，并且这些差异的DNA甲基化与线粒体和免疫应答相关生物学功能存在联系。
(1)长期环境空气污染暴露的表观遗传学效应的样本库建立
研究目的：通过对比我国环境空气污染程度具有巨大差异的两个地区，明确环境空气污染对当地居民造成的健康影响，为研究环境空气污染与DNA甲基化的关联提供“病例-对照”样本基础。
材料与方法：我们在我国山西省和浙江省分别确立了一个高污染地区和一个低污染地区，并通过收集当地2015年至2017年六种主要空气污染物(PM2.5、PM10、SO2、NO2、CO、O3)的数据来评估两个地区环境空气污染的水平。此外，我们在两个地区当地收集了总共9607个样本(6112个高污染地区样本和3495个低污染地区样本)，并通过流行病学研究分析了环境空气污染相关疾病在两个地区的发病率是否有差异。
研究结果：除了O3外，PM2.5、PM10、SO2、NO2和CO五种环境空气污染物的水平在高污染地区均显著高于低污染地区，其中SO2的差异倍数最大，高达6.6倍。两个地区之间各污染物之间的相关性、随时间变化的趋势和首要污染物的比例均比较一致。将污染物浓度转化为空气污染等级后发现，低污染地区一年中大部分时间的空气质量为优或良，受到污染的天数比例不超过10%，而高污染地区大部分时间则为良或轻度污染，受到污染的天数比例约为40%。流行病学的研究发现，高污染地区居民患呼吸系统疾病(OR=3.63，95%CI=3.01-4.36)、心血管疾病(OR=2.13，95%CI=1.75-2.62)、过敏(OR=3.40，95%CI=2.76-4.25)的风险显著高于低污染地区居民。
结论：根据环境空气污染水平的差异，我们在我国确立了一个高污染地区和一个低污染地区，并通过流行病学研究验证了环境空气污染给当地居民造成的不良健康后果，为研究环境空气污染导致疾病的生物学机制提供了基础。
(2)长期环境空气污染对DNA甲基化的影响
研究目的：该研究主要目的是分析环境空气污染的长期暴露与全基因组DNA甲基化的关联，并且鉴定出有关的差异甲基化区域(differentially methylated region， DMR)、基因、信号通路。
材料与方法：我们从第一部分研究中的两个地区挑选出了120个样本(72个高污染地区样本和48个低污染地区样本)，并对其全血DNA进行了全基因组亚硫酸氢盐测序(whole-genome bisulfite sequencing，WGBS)。我们通过DMR分析比较两个区域的样本以此来探索长期环境空气污染与DNA甲基化的关联。此外，我们还检测了与信号通路分析结果有关的线粒体DNA拷贝数和血浆细胞因子水平。
研究结果：全基因组DNA甲基化分析共鉴定出371个DMR，这些DMR区域主要位于基因调控元件区，例如启动子和增强子。DMR所在基因的富集分析表明：富集的疾病主要包括肺部疾病和癌症；富集的生物学过程主要与线粒体组装和细胞因子的产生有关。我们发现高污染地区样本的线粒体DNA拷贝数显著高于低污染地区样本，并且在所鉴定出的DMR中，有15个DMR的甲基化水平与线粒体DNA拷贝数显著相关。此外，我们还发现高污染地区样本的血浆白介素5(interleukin-5，IL-5)水平显著高于低污染地区样本。最后，通过整合各部分分析的结果，我们发现了5个基因(ATG3、ATG12、COL18A1、CTSD、GSTA4)与环境污染之间的关联关系得到了多方面的证据支持，并且其中4个基因之间存在蛋白互作。
结论：环境空气污染的长期暴露会在全基因组水平上影响DNA甲基化，并且这些差异的DNA甲基化与线粒体和免疫应答相关生物学功能存在联系。