表觀遺傳學在自身免疫性甲狀腺疾病中的研究進展

梁鐘智，于紅松

(遵義醫(yī)科大學 免疫學教研室/貴州省基因檢測與治療特色重點實驗室，貴州 遵義 563099)

自身免疫性甲狀腺疾病(Autoimmune thyroid diseases,AITD)是一組器官特異性自身免疫性疾病，其患病率約為5%，占所有甲狀腺疾病的90%，主要包括格雷夫斯病(Graves’ disease,GD)和橋本氏甲狀腺炎(Hashimoto’s thyroiditis,HT)[1-2]。AITD主要的免疫學特征表現(xiàn)為淋巴細胞浸潤并破壞甲狀腺組織，以及血清中存在促甲狀腺激素受體抗體(thyrotrophin receptor antibody,TRAb)、甲狀腺過氧化物酶抗體(thyroid peroxidase antibody ,TPOAb)、抗甲狀腺球蛋白抗體(thyroglobulin antibody,TgAb)等多種自身抗體[3]。GD和HT兩種疾病的病理特征和發(fā)病機制有相似和不同之處。兩種疾病的相似之處：①兩者除了有甲狀腺腫大外，同時甲狀腺中存在淋巴細胞浸潤，且在血清中能檢測到甲狀腺自身抗體；②GD和HT可同時發(fā)生在同一甲狀腺組織中，而且GD和HT可以相互轉(zhuǎn)化；③GD和HT都具有遺傳性[1]；④Th17/Treg、Th1/Th2的不平衡參與了兩種疾病的發(fā)生[4]。不同之處：①GD表現(xiàn)為甲狀腺激素分泌異常增多，HT表現(xiàn)為甲狀腺炎性反應；②自身抗體方面，TRAb是GD的特異性血清學標志物，而TPOAb和TGAb是HT的血清學標志物[5]。迄今為止，AITD的發(fā)病機制尚未完全闡明，目前普遍認為遺傳因素、表觀遺傳學因素、環(huán)境因素(感染、食碘量、藥物、吸煙、輻射、精神壓力等)均可誘導甲狀腺自身抗體的產(chǎn)生，最終導致AITD的發(fā)生[6]。最新的研究表明，表觀遺傳因素在AITD的發(fā)生發(fā)展、病變程度以及免疫平衡中起到重要作用。

表觀遺傳學是指在不改變DNA序列的情況下使基因表達發(fā)生改變的研究，具有遺傳性和可逆性[7]。表觀遺傳的失調(diào)直接影響自身免疫性疾病的發(fā)生發(fā)展及免疫細胞功能[8]。DNA甲基化或組蛋白尾部的共價修飾，能在不改變DNA序列的情況下影響染色質(zhì)重塑并激活或沉默基因[9]。部分非編碼RNA在基因表達的表觀遺傳調(diào)控中發(fā)揮重要作用[10]，如微小RNA(microRNAs,miRNAs)通過與特定靶基因mRNA的3'非翻譯區(qū)(3'-UTR)結(jié)合，抑制mRNA翻譯或降解從而使基因的表達降低[11]；長鏈非編碼RNA(long noncoding RNAs,lncRNAs)可以調(diào)節(jié)靶基因的表達[12]。本文主要對DNA甲基化、組蛋白修飾、miRNAs和lncRNAs等表觀遺傳學因素在AITD中的最新研究進展進行綜述。

1 DNA甲基化在AITD中的作用

DNA甲基化是一種發(fā)現(xiàn)最早、最典型的表觀遺傳學修飾，可以調(diào)控基因的表達并決定染色質(zhì)結(jié)構(gòu)。DNA甲基化通常發(fā)生在CpG二核苷酸中胞嘧啶的5位碳原子上，其產(chǎn)物為5-甲基胞嘧啶(5-methylcytosine,5-mC)[13-15]，低甲基化能激活基因的轉(zhuǎn)錄，而高甲基化會抑制基因的轉(zhuǎn)錄[16]。研究發(fā)現(xiàn)，DNA甲基轉(zhuǎn)移酶(DNA methyltransferase,DNMTs)與DNA甲基化有重要關系[15]。DNMTs家族包括DNMT1、DNMT2、DNMT3A、DNM3B、DNMT3L，其中DNMT1不僅可維持DNA甲基化，還對維持部分T淋巴細胞功能基因的表達至關重要，尤其是在T淋巴細胞分化階段[17-19]。在GD患者中，DNMT1 mRNA的轉(zhuǎn)錄水平相對于正常對照組是明顯降低的[20]。Limbach等[21]在GD患者CD4+T細胞和CD8+T細胞的全基因組DNA甲基化分析中發(fā)現(xiàn)，CD4+T細胞和CD8+T細胞分別存在365和3322個有差異的甲基化位點，其中多種基因負責T細胞信號傳導；他們還發(fā)現(xiàn)促甲狀腺激素受體(thyroid stimulating hormone receptor,TSHR)基因第一個內(nèi)含子區(qū)域的高甲基化與GD有關，這表明甲狀腺特異性基因的甲基化可能參與AITD的發(fā)病。Guo等[22]研究發(fā)現(xiàn)AITD患者經(jīng)治療后T、B淋巴細胞呈低甲基化，且DNMT1的表達下調(diào)，其中B細胞的甲基化水平與AITD患者血清中TPOAb的含量呈負相關。DNA甲基化中的修飾堿基5-羥甲基胞嘧啶(5-hydroxymethylcytosine，5-hmC)是表觀遺傳的重要標志物，是DNA去甲基化的中間產(chǎn)物，由10-11易位家族蛋白(ten-eleven translocation,TET)催化5-mC產(chǎn)生，此催化過程稱為羥甲基化，其對基因表達有多重調(diào)控作用[23]。Liu等[24]發(fā)現(xiàn)AITD患者甲狀腺細胞間黏附分子-1(Intercellular Adhesion Molecule 1,ICAM1)基因啟動子的異常DNA甲基化和羥甲基化與其表達升高有關，該研究結(jié)果顯示，AITD患者ICAM1 mRNA表達水平較健康對照組顯著增高；在ICAM1轉(zhuǎn)錄起始位點(Transcription Start Site,TSS)-226 bp、-937bp處5-hmC表達增加，而在-226 bp、-701bp、-937bp處5-mC表達減少；-226bp、-692bp和-708bp處DNA甲基化狀態(tài)與ICAM1的mRNA表達水平呈負相關。Zhang等[25]檢測了148個與GD相關聯(lián)的甲基化位點，包括CD14、IL17RE和DRD4等，發(fā)現(xiàn)有12個位點的甲基化模式與伴有眼征的GD發(fā)病率相關，例如，ZCCHC6和GLI3的甲基化程度降低使伴有眼征的GD相對發(fā)病風險降低；IL17R的甲基化水平與GD的臨床活動性呈正相關。Emi等[26]研究了GD和HT患者中腫瘤壞死因子-α(Tumor Necrosis Factor,TNF-α)基因啟動子區(qū)6個CpG位點(-304bp、-245bp、-239bp、-72bp、-49bp、-38bp)，結(jié)果表明TNF-α基因啟動子-72bp處的高甲基化與GD的發(fā)生顯著關聯(lián)，而其它5個位點的甲基化水平在GD患者和正常對照間無顯著差異；研究還發(fā)現(xiàn)，與健康對照組相比，6個CpG位點的甲基化水平在HT患者中均無顯著變化。綜上所述，異常DNA甲基化參與了GD和HT的發(fā)病。

2 組蛋白修飾在AITD中的作用

組蛋白是染色質(zhì)中重要組成部分，在相關酶作用下，游離在外的氨基端可以被共價修飾發(fā)生乙酰化、甲基化、磷酸化、泛素化、羰基化和糖基化等，這些修飾共同調(diào)節(jié)基因表達，并在固有免疫應答中發(fā)揮重要調(diào)節(jié)作用[27-28]。組蛋白修飾在調(diào)控染色質(zhì)壓縮及核小體動力學中起重要作用，同時，它還可以直接調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)錄，影響有絲分裂、細胞凋亡、DNA 損傷與修復、DNA 復制和重組等過程[29]。

有文獻表明，異常的組蛋白修飾可導致免疫失調(diào)，進而導致多種自身免疫性疾病[30]。據(jù)研究報道，組蛋白修飾在GD發(fā)病機制中起重要作用，GD患者外周血單個核細胞(peripheral blood mononuclear cell,PBMC)中的組蛋白H4乙?；斤@著降低，而組蛋白去乙?；?1(histone deacetylase 1,HDAC1)和組蛋白去乙酰化酶-2(histone deacetylase 2,HDAC2)水平明顯升高，該研究表明GD患者的組蛋白修飾存在異常[31]。Limbach等[21]對GD患者CD4+T細胞和CD8+T細胞進行了全基因組DNA甲基化分析，發(fā)現(xiàn)組蛋白H3第4位賴氨酸三甲基化(histone-H3 lysine-4 trimethylation,H3K4me3)和組蛋白H3第27位賴氨酸乙?；?histone-H3 lysine-27 acetylation,H3K27ac)區(qū)域的低表達與DNA高甲基化相關，且組蛋白區(qū)域的高表達與DNA低甲基化相關；通過基因組學通路分析顯示，參與T細胞活化基因中H3K4me3和H3K27ac信號降低，這與它們的DNA甲基化狀態(tài)一致；GD患者的CD4+T細胞和CD8+T細胞中，T細胞信號傳導相關基因(CD247、CD3E、CD3G、LCK、ZAP70和CTLA4)啟動子區(qū)H3K4me3表達水平均下降。此外，組蛋白乙?；竿ㄓ每刂品且种频鞍?(general control non-repressed protein5，GCN5)在調(diào)節(jié)T(regulatory T,Treg)細胞的活化中有重要作用，Gcn5可正向調(diào)節(jié)Th1和Th17細胞的分化，但不影響Treg和Th2細胞分化，可能參與了自身免疫性疾病的發(fā)生[32]。有研究發(fā)現(xiàn)，在AITD模型小鼠的T細胞和甲狀腺細胞中檢測出磷酸化的組蛋白H2A.X[33]，H2A.X的表觀遺傳學修飾在維持細胞的自我更新、提高干細胞增殖能力、維持染色質(zhì)結(jié)構(gòu)等方面有著重要意義[34]。FoxP3是Treg細胞的關鍵轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)因子，具有T細胞受體自身反應性，它表達的降低導致CD4+CD25+Tregs細胞功能的缺陷，從而促進HT及其它自身免疫性疾病的發(fā)生[35]。Yang等[36]研究表明，HT患者中FoxP3表達水平降低和Treg功能缺陷，與沉默信息調(diào)節(jié)因子2相關酶 I(silent information regulator 1,SIRT1)介導的異常FOXP3乙?；{(diào)節(jié)有關。Stefan等[37]發(fā)現(xiàn)，干擾素-α(interferon alpha,IFNα)可以通過干擾素調(diào)節(jié)因子-1(interferon regulatory factor 1,IRF1)誘導甲狀腺球蛋白基因表達改變，并通過影響甲狀腺球蛋白基因啟動子區(qū)中H3K4殘基的甲基化導致AITD的發(fā)生。

3 miRNAs在AITD中的作用

miRNAs是內(nèi)源性非編碼RNA，大小為 18至25 個堿基，miRNAs作為高度保守的調(diào)控RNA，通過降解靶基因mRNA或轉(zhuǎn)錄抑制靶基因的表達而發(fā)揮作用，約有60%的mRNA受miRNAs調(diào)控，miRNAs還參與一系列重要生理過程，如細胞增殖分化、免疫防御等[38]。最新研究發(fā)現(xiàn)，miRNAs在Toll樣受體(Toll-like receptors,TLR)信號傳導中起著重要的調(diào)節(jié)作用，TLR能誘導NF-κB、IRF和AP-1等轉(zhuǎn)錄因子的激活，進而控制TNF-α、IL-1和IFNs等促炎因子的表達[39]。Chen等[40]研究發(fā)現(xiàn)，GD患者miR-346顯著下調(diào)和miR-181d上調(diào)，且發(fā)現(xiàn)GD患者的CD4+T細胞中miR-346和miR-181d共同的靶基因B細胞淋巴瘤-6(B-cell lymphoma 6,BCL6) mRNA水平顯著增加。Zhu等[41]研究發(fā)現(xiàn)，miR-142-5p在HT患者中的表達顯著升高，且與TgAb的含量呈正相關；同時，miR-142-5p參與負調(diào)控緊密連接蛋白-1(tight junction protein 1,CLDN1)mRNA和蛋白質(zhì)表達，miR-142-5p可直接靶向結(jié)合HEK293T細胞中CLDN1的3'-UTR，HT患者甲狀腺細胞miR-142-5p的過表達導致CLDN1表達降低，使甲狀腺細胞膜通透性增加，導致正常情況下隱蔽的Tg、TPO等自體抗原暴露于免疫系統(tǒng)，從而啟動自身免疫反應。Otsu等[42]對比了AITD、HT、GD緩解期和輕度HT患者miR-146a在PBMC中的表達差異，結(jié)果顯示，miR-146a的表達水平分別比健康對照組高296%、328%、348%和464%；在重度HT患者中，miR-155的表達水平高于健康對照組的347%。Yao等[43]研究發(fā)現(xiàn)，miR-155可通過靶向SOCS1正向調(diào)控Treg、Th17細胞的分化和功能。Banerjee等[44]研究發(fā)現(xiàn)，上調(diào)的miR-155使CD4+T 細胞向更易分化為Th1細胞，而低表達miR-155的CD4+T 細胞更易分化為Th2細胞，從而調(diào)控Th1/Th2的平衡。Qin等[45]檢測了GD患者甲狀腺組織中miRNAs和mRNA的表達譜，發(fā)現(xiàn)在GD患者的甲狀腺組織中miR-22-3p和miR-183-5p高表達，而它們的靶基因EDA、GATM 、MLLT4、AKAP12 和ZFPM2低表達；miR-101-3p、miR-660-5p和miR-197-3p低表達，而它們的靶基因PBX3、CILP和 SDC1呈現(xiàn)高表達。Hiratsuka等[46]發(fā)現(xiàn)miR-23b-5p和miR-92a-3p在緩解期的GD患者中的表達顯著增加，而let-7g-3p和miR-339-5p在緩解期的GD患者中的表達明顯低于難治性GD患者。miR-154、miR-376b和miR-431 在初診的GD患者PBMC中表達增加，但在緩解期恢復正常[47]。另一項研究表明：miR-22，miR-375和miR-451在HT患者血清中的表達增加；miR-16、miR-22、miR-375和miR-451在GD患者血清中表達增加[48]。因此，一些miRNAs可作為難治性GD診斷的生物學標志物。Rebeca等[49]評估了miRNAs水平與甲狀腺自身抗體之間的關聯(lián)，結(jié)果顯示miR-Let7d-5p與TPOAb水平呈負相關，而miR-21-5p和miR-96-5p與TPOAb、TgAb及TSHRAb呈正相關，miR-142-3p和miR-301a-3p與TSHRAb呈正相關。以上研究表明，miRNAs可參與免疫調(diào)節(jié)，調(diào)控基因或蛋白質(zhì)的表達，是參與AITD發(fā)生及發(fā)展的重要因素，有望成為AITD診斷、治療及預后的生物標記。

4 lncRNAs在AITD中的作用

lncRNAs是一類長度超過200nt的非編碼RNA，由RNA聚合酶Ⅱ作用，在轉(zhuǎn)錄后剪接 5' 帽和3' 多聚A尾結(jié)構(gòu)，而形成更為成熟的分子結(jié)構(gòu)，但lncRNAs不具備編碼蛋白質(zhì)的功能。lncRNAs通?？梢苑譃槲孱悾赫x、反義、雙向、內(nèi)含子和長鏈基因間非編碼RNA[50]。lncRNAs的作用較為廣泛：①lncRNAs與miRNAs：LncRNAs可以作為競爭性內(nèi)源RNA，通過堿基互補配對競爭結(jié)合miRNAs，形成機體內(nèi)源性 miRNAs的“海綿”，從而減少miRNAs與其靶基因的結(jié)合，間接改變miRNAs靶基因的表達[51]；②lncRNAs與組蛋白修飾：lncRNAs能反式調(diào)控HOX 基因而影響組蛋白修飾，基因轉(zhuǎn)錄本反義基因間RNA(HOX transcript antisense intergenic RNA，HOTAIR)能招募多梳抑制復合體-2(polycomb repressive complex 2,PRC2)抑制HOX 基因，從而催化H3K27me3的產(chǎn)生和導致H3K4me3的丟失[52]；③lncRNAs可以調(diào)節(jié)基因的表達，例如轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)、轉(zhuǎn)錄后調(diào)節(jié)，參與染色質(zhì)重塑和蛋白質(zhì)運輸[53]。Brajic等[54]研究表明，在Treg細胞分化過程中，lncRNAs參與了Treg細胞中FoxP3的表達。LncRNAs對miRNAs的競爭作用參與了自身免疫性疾病的發(fā)生，研究發(fā)現(xiàn)LncRNA MEG3(Maternally expressed gene 3,MEG3)可以調(diào)節(jié)miRNA-17、miRNA-125a-5p，從而調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)錄因子RORγt并最終影響Treg / Th17平衡，因此，lncRNAs對miRNAs的調(diào)節(jié)作用可能在疾病的診斷和治療中具有潛在作用[55]。lncRNA HOTAIR由12號染色體上的HOXC基因座所編碼，參與了多種疾病的發(fā)生[56]。Zhang等[57]研究表明，LncRNA HOTAIR通過靶向miR-138和滅活NF-κB途徑來參與自身免疫性疾病的調(diào)節(jié)，HOTAIR的過度表達能增強細胞增殖能力，并抑制炎性因子的產(chǎn)生。Christensen等[58]研究發(fā)現(xiàn)，lncRNA Heg與GD患者單核細胞中CD14表達和TRAb水平呈負相關；研究還發(fā)現(xiàn)lncRNA Heg能顯著降低單核細胞中CD14基因的mRNA表達。但是，Christensen等[59]進一步研究發(fā)現(xiàn)，抗甲狀腺治療不能改變GD患者lncRNA Heg的表達水平。Peng等[60]研究發(fā)現(xiàn)，lncRNA-IFNG-AS1在HT患者中表達上調(diào)，且與Th1細胞的比例和IFN-γ表達水平相關；lncRNA-IFNG-AS1可調(diào)節(jié)CD4+T細胞中IFN-γ的表達，并可能促進Th1型免疫反應，參與HT的發(fā)生及發(fā)展。迄今為止，lncRNAs在AITD中的研究相對較少，值得進一步深入研究。lncRNAs的研究將為AITD提供潛在的治療靶點，并有助于探索新的AITD新的治療策略。

5 展望

探討DNA甲基化、組蛋白修飾和非編碼RNA等表觀遺傳學因素在AITD的發(fā)生發(fā)展中的作用，加深了我們對AITD發(fā)病機制的理解。在未來，我們需要深入研究表觀遺傳學因素與AITD的關系，探索表觀遺傳學改變的原因及作用機制，為將來AITD的診斷、治療、預后等方面提供有效的分子靶標。