環(huán)境因素導(dǎo)致腎臟損害的表觀遺傳學(xué)機(jī)制

曹香華　綜述　秦衛(wèi)松　審校

在多種腎臟疾病的發(fā)生發(fā)展過程中，患者的遺傳背景和環(huán)境因素暴露均發(fā)揮重要作用。近年研究發(fā)現(xiàn)環(huán)境因素導(dǎo)致的表觀遺傳修飾改變與腫瘤、免疫系統(tǒng)疾病和中樞神經(jīng)系統(tǒng)疾病的易感性有關(guān)[1]。環(huán)境因素中化學(xué)物質(zhì)、物理射線、生物因素和飲食等因素導(dǎo)致的表觀遺傳學(xué)改變已被證實(shí)與腎臟疾病的發(fā)生密切相關(guān)。

環(huán)境表觀遺傳學(xué)

表觀遺傳學(xué)為一門遺傳學(xué)分支學(xué)科，是在研究基因的核苷酸序列不發(fā)生改變的情況下，基因表達(dá)發(fā)生可遺傳的變化。表觀遺傳學(xué)機(jī)制很多，主要包括DNA甲基化、組蛋白修飾、染色質(zhì)重塑、非編碼RNA調(diào)控和基因組印記等[2]。顧名思義，環(huán)境表觀遺傳學(xué)旨在研究環(huán)境因素通過表觀遺傳學(xué)機(jī)制對(duì)于人類健康的影響。近年來，環(huán)境表觀遺傳學(xué)的研究逐漸成為熱點(diǎn)，2011年于美國召開了首屆國際環(huán)境表觀遺傳學(xué)大會(huì)[3]，就“環(huán)境表觀遺傳學(xué)和疾病的易感性”展開討論,在此次會(huì)議上，眾研究報(bào)道證實(shí)在孕婦產(chǎn)前和嬰幼兒出生后早期階段，環(huán)境暴露能夠造成表觀遺傳學(xué)修飾改變，導(dǎo)致成年后患某種疾病的風(fēng)險(xiǎn)明顯增加，如哮喘、自閉癥、癌癥、心血管疾病、糖尿病、肥胖和精神分裂癥等。

人類疾病和動(dòng)物模型研究均已表明環(huán)境表觀遺傳學(xué)改變與疾病的風(fēng)險(xiǎn)存在相關(guān)性。美國哥倫比亞大學(xué)的Perera等[4]通過分子流行病學(xué)研究，對(duì)紐約市接觸多環(huán)芳烴化合物和雙酚A的母親及其新生兒進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，發(fā)現(xiàn)新生兒發(fā)生哮喘、呼吸系統(tǒng)疾病、神經(jīng)系統(tǒng)發(fā)育損傷及IQ指數(shù)變化都與接觸這些化合物有關(guān)。2011年，F(xiàn)aulk和Dolinoy[5]研究證實(shí)，母親的精神壓力和情緒緊張、化學(xué)物質(zhì)(毒物和藥物)的接觸、飲食(總能量的攝入和營養(yǎng)素的水平)等環(huán)境因素可單獨(dú)或是共同作用于早期發(fā)育的胚胎和原始的祖細(xì)胞，這些因素能夠引起多種表觀遺傳修飾的改變。Pavanello等[6]發(fā)現(xiàn)，49例非吸煙的暴露于高濃度多環(huán)芳烴的焦?fàn)t工人，外周血全基因組高甲基化，腫瘤抑制基因p53、癌高甲基化1(HIC1)基因啟動(dòng)子甲基化，說明這與多環(huán)芳烴暴露有關(guān)。最近Ji等[7]的一項(xiàng)研究表明，對(duì)暴露于苯的工人外周血DNA 中800 多個(gè)基因[如p53、P16、白細(xì)胞介素6(IL-6)等]，進(jìn)行DNA 甲基化圖譜分析發(fā)現(xiàn)，存在很多CpG 位點(diǎn)的甲基化改變，如骨髓增生性疾病與其表達(dá)的改變相關(guān)的RUNX3 基因甲基化水平降低，維持基因組穩(wěn)定性的關(guān)鍵基因之一的MSH3甲基化水平升高。苯的活性代謝產(chǎn)物對(duì)苯二酚能引起人類淋巴母細(xì)胞株TK6 細(xì)胞全基因組低甲基化。另外，Edwards等[8]發(fā)現(xiàn)孕婦產(chǎn)前接觸多環(huán)芳烴化合物，會(huì)導(dǎo)致胎兒臍帶血中DNA甲基化發(fā)生明顯改變，其他一些重要基因也發(fā)生了DNA甲基化的改變。多環(huán)芳烴普遍存在于空氣污染物中，而胎兒和嬰幼兒階段接觸環(huán)境中的有毒污染物要比成年人接觸后患病率高，因?yàn)樘汉蛬胗變后w內(nèi)的甲基化作用和DNA修復(fù)系統(tǒng)尚不成熟，而細(xì)胞的增生速率較高。

環(huán)境因素引起的腎臟損害

隨技術(shù)進(jìn)步和經(jīng)濟(jì)發(fā)展，室內(nèi)裝飾日益豪華。目前，繼“煤煙型污染”和“光化學(xué)煙霧型污染”之后，“室內(nèi)空氣污染”正成為備受關(guān)注的第三大污染類型[9]。建筑、裝修材料多樣化使得室內(nèi)空氣污染物的種類繁多，污染程度加重。辦公室裝修的密閉化和空調(diào)的廣泛使用使得空氣交換率低下，污染物不易散出，造成室內(nèi)空氣污染更加嚴(yán)重，其中常見的污染物主要有苯、甲苯、二甲苯等。近來發(fā)現(xiàn)苯可引起腎臟細(xì)胞的壞死和退行性變[10]，吸入高濃度的苯可導(dǎo)致食欲喪失、惡心、嘔吐和腹痛，伴記憶喪失和腎功能改變，長期接觸苯可導(dǎo)致尿中β2微球蛋白(β2-MG)和尿視黃醇蛋白(RBP)顯著升高[11]。1983年，F(xiàn)ranchini等[12]研究證實(shí)，對(duì)長期工作在制鞋廠的工人進(jìn)行尿液檢測發(fā)現(xiàn)，總白蛋白尿、白蛋白尿和尿液中溶菌酶分泌及β糖苷酶增多，表明長期職業(yè)性接觸有害環(huán)境將導(dǎo)致腎臟損害，尤其是對(duì)腎小管的損害。Chou等[13]動(dòng)物實(shí)驗(yàn)證實(shí)，接觸這些化學(xué)物質(zhì)可引起嚴(yán)重的腎小管損傷,由于腎小管能夠?qū)⒔?jīng)過腎小球?yàn)V過后的化學(xué)物質(zhì)進(jìn)行濃縮，從而增加腎小管對(duì)化學(xué)物質(zhì)毒性的敏感性，通過直接影響或產(chǎn)生活性代謝物，阻礙腎小管上皮細(xì)胞的代謝過程，導(dǎo)致腎臟損害。

長期接觸有機(jī)溶劑可引起和加劇腎臟疾病，包括糖尿病腎病、慢性腎衰竭(CRF)和腎小球腎炎，其中以腎小球腎炎較為常見[14]。近年來，因接觸有機(jī)溶劑引起的腎臟損害的病例逐漸增多[15]。臨床表現(xiàn)急性腎小管損傷和大量蛋白尿，尿蛋白定量常>5 g/24h,有的患者高達(dá)每日十幾克。這些患者均以水腫、大量蛋白尿起病，除了發(fā)病前有明確的有機(jī)溶劑接觸史外，均未找到其他原因。對(duì)于有機(jī)溶劑與腎臟損害的直接因果關(guān)系，南京軍區(qū)南京總醫(yī)院全軍腎臟病研究所開展了相關(guān)的動(dòng)物實(shí)驗(yàn)研究，動(dòng)物模型也證實(shí)有機(jī)溶劑的確能引起大鼠腎臟損傷，以蛋白尿、顯著的腎小管上皮細(xì)胞損傷和腎小球足細(xì)胞節(jié)段損傷為主要表現(xiàn)，但其發(fā)病機(jī)制尚不清楚[16]。

環(huán)境因素中，除了有機(jī)溶劑接觸可引起腎臟損害，其他的環(huán)境暴露，如藥物[17,18]、化學(xué)試劑[19,20]、生物因素[21]、物理因素[22]等也可引起腎臟的損傷。

環(huán)境因素、腎臟損害和表觀遺傳學(xué)

Dwivedi等[23]研究發(fā)現(xiàn)，化學(xué)物質(zhì)、藥物、毒物及飲食等外界環(huán)境可影響機(jī)體的表觀遺傳調(diào)控機(jī)制(圖1),包括染色質(zhì)構(gòu)象重塑、DNA甲基化改變、組蛋白修飾等,且這種改變是可逆的。異常的DNA甲基化與免疫功能紊亂、炎癥的發(fā)生和胰島素抵抗有關(guān)，表觀遺傳變異可能參與“代謝記憶”，與糖尿病血管病變有關(guān)，環(huán)境因素和表觀遺傳修飾可直接或間接影響疾病的發(fā)生發(fā)展，如促進(jìn)腫瘤、自身免疫病等疾病的發(fā)生和加重各種靶器官的損傷，促進(jìn)糖尿病腎病及其他慢性腎臟病(CKD)的進(jìn)展。

圖1　環(huán)境、疾病易感性和表觀遺傳學(xué)

糖尿病腎病糖尿病和其他代謝疾病已經(jīng)引起世界的廣泛關(guān)注，>40%的糖尿病患者最終進(jìn)展至糖尿病腎病，是終末期腎病(ESRD)最主要原因。Keating等[24]研究證實(shí)，血糖水平的增高是激活代謝和血流動(dòng)力學(xué)的關(guān)鍵通路，如ROS信號(hào)通路、糖化終產(chǎn)物及己糖和多元醇信號(hào)通路，導(dǎo)致糖尿病腎病患者中腎小管上皮細(xì)胞、系膜細(xì)胞和足細(xì)胞基因表達(dá)的改變。在2型糖尿病疾病進(jìn)展過程中，環(huán)境因素起著重要的作用，Patel等[25]應(yīng)用類似全基因組關(guān)聯(lián)分析(GWAS)的分析方法，開展了環(huán)境因素的關(guān)聯(lián)分析(EWAS)研究，分析了266個(gè)獨(dú)立的環(huán)境因素與2型糖尿病的臨床癥狀的相關(guān)性，發(fā)現(xiàn)環(huán)境中的殺蟲劑氧化產(chǎn)物環(huán)氧庚氯烷、γ生育酚、高濃度的多氯聯(lián)苯(PCBs)與2型糖尿病的發(fā)生明顯相關(guān)，而β胡蘿卜素具有明顯的保護(hù)作用。飲食、生活方式和環(huán)境暴露能夠通過表觀遺傳學(xué)改變，影響疾病的發(fā)生和發(fā)展，而這些因素進(jìn)一步增加了糖尿病腎病的發(fā)生率。有研究表明，多種環(huán)境因素可引起DNA甲基化、組蛋白修飾和非編碼RNA調(diào)控基因的表達(dá)，影響糖尿病并發(fā)癥的易感性。近來研究發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)化生長因子β(TGF-β)和高血糖均能誘導(dǎo)小鼠腎間質(zhì)纖維化基因(結(jié)締組織生長因子、膠原α1 和纖溶酶原激活劑抑制物1)表達(dá)，該基因啟動(dòng)子區(qū)域H3K4 甲基化升高，H3K9 甲基化水平降低，此外TGF-β同時(shí)能上調(diào)H3K4 甲基轉(zhuǎn)移酶SET7/9 基因的表達(dá)，而SET7/9 基因沉默能抑制TGF-β誘導(dǎo)的纖維化基因表達(dá)[26]。

在糖尿病腎病患者中，環(huán)境因素(如高糖飲食)通過表觀遺傳學(xué)機(jī)制改變基因的表達(dá)，導(dǎo)致與糖尿病相關(guān)的各種并發(fā)癥。高血糖可通過表觀遺傳機(jī)制的作用調(diào)節(jié)基因表達(dá)，例如暴露于短暫的高血糖可引起絲裂原活化蛋白激酶(MAPKs)通路的活化，導(dǎo)致Set7的核轉(zhuǎn)位，與核內(nèi)的DNA甲基化轉(zhuǎn)移酶1(DNMT1)相互作用，調(diào)節(jié)相關(guān)基因的表達(dá)，導(dǎo)致糖尿病的發(fā)生[27]。另有研究發(fā)現(xiàn)某些DNA甲基化的改變參與糖尿病的發(fā)生，對(duì)2型糖尿病患者和非糖尿病志愿者的胰島細(xì)胞進(jìn)行DNA甲基化序列的分析，發(fā)現(xiàn)位于糖尿病患者胰島細(xì)胞254個(gè)基因的啟動(dòng)子區(qū)的276個(gè)CpG位點(diǎn)呈現(xiàn)明顯的差異性甲基化，而這些甲基化改變并沒有出現(xiàn)在非糖尿病患者的胰島細(xì)胞中[28]。高血糖能激活MAPKs途徑、多元醇通路、己糖胺通路、蛋白激酶C途徑、晚期糖基化終末產(chǎn)物(AGE)途徑活化，使氧化應(yīng)激增強(qiáng)。這些事件都能夠?qū)е露喾N生長因子產(chǎn)生，如Ang Ⅱ、TGF-β和核因子κB(NF-κB)的激活,這些因素能夠改變腎臟系膜細(xì)胞和內(nèi)皮細(xì)胞等靶細(xì)胞的多種基因的組蛋白和DNA甲基化模式，導(dǎo)致炎癥基因的持續(xù)表達(dá)，引起糖尿病并發(fā)癥。這種表觀遺傳學(xué)機(jī)制的改變持久表達(dá)可解釋糖尿病并發(fā)癥在高血糖被控制后發(fā)生的“代謝記憶”現(xiàn)象[29](圖2)。

圖2　高糖環(huán)境、糖尿病并發(fā)癥和表觀遺傳學(xué)機(jī)制[29]

CKD飲食不均衡、毒性物質(zhì)的蓄積、炎癥及氧化應(yīng)激等因素均能引起機(jī)體的表觀遺傳修飾的改變[30]。人體內(nèi)的甲基基團(tuán)主要來自于飲食，通過葉酸和甲硫氨酸途徑添加至DNA，因此飲食結(jié)構(gòu)不合理可能會(huì)導(dǎo)致低甲基化狀態(tài)和遺傳的不穩(wěn)定性。事實(shí)上，全基因組甲基化胞嘧啶含量受葉酸營養(yǎng)利用度的影響。最近有關(guān)利用葉酸的干預(yù)性研究顯示，葉酸可影響同型半胱氨酸的濃度,葉酸的水平與同型半胱氨酸水平呈負(fù)相關(guān)[31]。同型半胱氨酸是甲基轉(zhuǎn)移酶的競爭抑制劑,它的積累會(huì)導(dǎo)致血液中S-腺苷同型半胱氨酸增加。同型半胱氨酸高同型半胱氨酸血癥與整體DNA低甲基化及甲基化異常等位基因的調(diào)控表達(dá)相關(guān)。Perna等[32]和Ingrosso等[33]發(fā)現(xiàn)CRF患者的腎小球?yàn)V過率減少50%時(shí)，血漿中的同型半胱氨酸水平開始增高，而尿毒癥患者大多數(shù)都有高同型半胱氨酸血癥。對(duì)高同型半胱氨酸血癥尿毒癥患者進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，高同型半胱氨酸血癥患者整體的低甲基化水平多于正常對(duì)照組。事實(shí)上，已有報(bào)道表明，在伴血管疾病的CKD患者血清中S-腺苷同型半胱氨酸水平升高[34]。表觀遺傳學(xué)機(jī)制的調(diào)控在尿毒癥毒素誘導(dǎo)的CKD的發(fā)病過程中起著重要的作用，Klotho蛋白是的一種跨膜蛋白，主要分布于腎臟和甲狀旁腺，它是腎功能自身穩(wěn)態(tài)中的關(guān)鍵調(diào)節(jié)分子，尿毒癥毒素的蓄積可抑制Klotho表達(dá)，增加DNA甲基轉(zhuǎn)移酶的表達(dá)，促進(jìn)DNA甲基化，在尿毒癥發(fā)展的病理生理機(jī)制中發(fā)揮重要作用[35]。

持續(xù)的炎性反應(yīng)亦可能引起DNA甲基化異常[36]。研究發(fā)現(xiàn)，感染(尤其是病毒感染)也會(huì)觸發(fā)DNA甲基化[37]。通過高甲基化作用可導(dǎo)致抑制細(xì)胞因子信號(hào)抑制物3(SOCS)的表達(dá)，引起異常的炎癥反應(yīng)[38]。經(jīng)由DNA甲基化轉(zhuǎn)移酶基因的作用,炎性細(xì)胞因子IL-6可能在細(xì)胞表觀遺傳改變中發(fā)揮了作用。因此炎癥反應(yīng)可能是CKD發(fā)生DNA甲基化的機(jī)制之一[39]。也有研究顯示IL-6可促進(jìn)腫瘤抑制因子基因p53啟動(dòng)子區(qū)的甲基化，從而抑制p53的表達(dá)[40]。Bergman和Cedar[41]研究顯示,CKD患者存在免疫應(yīng)答異常，免疫應(yīng)答激活是高度協(xié)調(diào)的多級(jí)聯(lián)過程，其中也包括表觀遺傳機(jī)制的調(diào)控。甲基化和乙?；膭?dòng)態(tài)變化在特異性抗原免疫應(yīng)答中起重要的作用[42]。此外,由于甲基化狀態(tài)與啟動(dòng)子的轉(zhuǎn)錄活性有關(guān),位于基因啟動(dòng)子和第一外顯子區(qū)域的CpG島甲基化也與基因沉默相關(guān)。以上的數(shù)據(jù)證實(shí),葉酸的攝入、高同型半胱氨酸血癥、感染后的炎癥反應(yīng)引起的表觀遺傳學(xué)改變與CKD的發(fā)生、發(fā)展密切相關(guān)，尤其是對(duì)CKD后期尿毒癥的發(fā)生具有極大的影響。

有機(jī)溶劑等環(huán)境因素也可通過改變表觀遺傳修飾導(dǎo)致細(xì)胞的損傷和疾病的發(fā)生。已有研究發(fā)現(xiàn)，長期接觸飲水氯化物消毒副產(chǎn)物二氧氯酸和三氯乙酸，可導(dǎo)致嚙齒動(dòng)物肝、腎、結(jié)腸的DNA 和原癌基因c-myc 低甲基化[43,44]。一些非遺傳毒性致癌物，如三鹵甲烷類、二溴乙酸、過氧化物酶體增殖劑等，也可通過降低DNA 甲基化而致癌[45]。孕婦接觸多環(huán)芳香類有機(jī)溶劑可導(dǎo)致臍血細(xì)胞基因組的DNA整體甲基化水平的增加[46]，三氯乙烯可誘導(dǎo)大鼠心肌細(xì)胞(H9c2)內(nèi)Serca2基因啟動(dòng)子區(qū)的甲基化[47]，氯乙烯可使O6-甲基鳥嘌呤-DNA甲基轉(zhuǎn)移酶基因啟動(dòng)子甲基化異常增加[48]。

腎臟固有細(xì)胞的損傷與表觀遺傳修飾密切相關(guān)[23，49，50]。Butta等[51]發(fā)現(xiàn)DNA甲基化修飾調(diào)節(jié)多個(gè)足細(xì)胞相關(guān)基因的表達(dá)，如Podocalyxin基因啟動(dòng)子區(qū)DNA的甲基化明顯影響該基因的表達(dá)。一些細(xì)胞因子(如TGF-β1)，可調(diào)節(jié)H3K4甲基轉(zhuǎn)移酶的表達(dá)，而足細(xì)胞組蛋白H3K4甲基化異?？筛淖冏慵?xì)胞的去分化狀態(tài)，導(dǎo)致足細(xì)胞病變[52]。此外，在小鼠缺血再灌注損傷模型中，腎小管上皮細(xì)胞組蛋白乙?；皆趽p傷時(shí)降低，而在恢復(fù)期升高[53]。

小結(jié)：環(huán)境表觀遺傳學(xué)對(duì)于疾病的發(fā)生和發(fā)展起著重要作用，環(huán)境因素可增加腫瘤、免疫系統(tǒng)和中樞神經(jīng)系統(tǒng)等疾病的易感性。近年來，有機(jī)溶劑導(dǎo)致的表觀遺傳修飾改變在腎臟損傷中的作用已逐漸引起人們的關(guān)注，在臨床就診患者中，因接觸有機(jī)溶劑等化學(xué)物質(zhì)引起腎臟損害的病例逐漸增多，有機(jī)溶劑環(huán)境暴露通過表觀遺傳修飾的改變而導(dǎo)致腎臟疾病發(fā)生的機(jī)制尚有待進(jìn)一步的研究闡明。

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