血管衰老中的表觀遺傳調(diào)控

丁楊楠,呂雙杰,陳厚早,劉德培

(中國(guó)醫(yī)學(xué)科學(xué)院北京協(xié)和醫(yī)學(xué)院基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)研究所醫(yī)學(xué)分子生物學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京100005)

衰老作為不可逆的生物學(xué)進(jìn)程,是多種慢性疾病的獨(dú)立危險(xiǎn)因素.隨著社會(huì)和醫(yī)療科技的發(fā)展以及人口平均壽命的延長(zhǎng),老齡化問(wèn)題日趨嚴(yán)重,與之伴隨的腫瘤、神經(jīng)退行性疾病、心血管疾病等衰老相關(guān)疾病的發(fā)病率也逐年增加,其中心血管疾病已成為世界范圍內(nèi)65歲以上老人的第一致死因素[1],預(yù)計(jì)到2030年,將有2 360萬(wàn)人死于心血管疾病[2].除直接導(dǎo)致死亡外,心血管疾病也有較高的致殘率,預(yù)計(jì)到2020年,因心血管疾病導(dǎo)致的傷殘調(diào)整生命年將從1990年的8 500萬(wàn)增至15 000萬(wàn)[3],因心血管疾病所花費(fèi)的醫(yī)療費(fèi)用及勞動(dòng)力損失巨大,給社會(huì)和家庭造成沉重的負(fù)擔(dān).

血管衰老是連接衰老和衰老相關(guān)疾病的重要樞紐.早在19世紀(jì),現(xiàn)代醫(yī)學(xué)奠基人威廉·奧斯勒(William Osler)就在大量解剖工作的基礎(chǔ)上提出了“血管衰老,人即衰老”(A man is only as old as his arteries)的論斷,從病理解剖學(xué)上說(shuō)明了血管衰老與個(gè)體衰老的重要關(guān)系.血管衰老是伴隨年齡增長(zhǎng)而出現(xiàn)的血管結(jié)構(gòu)和功能的改變,主要包括血管重塑、血管穩(wěn)態(tài)失衡以及血管細(xì)胞的衰老.在宏觀層面,血管衰老表現(xiàn)為管腔擴(kuò)張、管壁硬化以及管壁增厚；在微觀層面包括血管細(xì)胞的衰老和血管穩(wěn)態(tài)的失衡,后者具體表現(xiàn)為血管壁中廣泛存在的炎癥反應(yīng)、氧化應(yīng)激及鈣化[4].

機(jī)體內(nèi)基因的正常表達(dá)是遺傳和環(huán)境相互作用、相互平衡的結(jié)果,這兩種因素的任何一種發(fā)生錯(cuò)誤,都有可能導(dǎo)致疾病的發(fā)生.表觀遺傳學(xué)作為經(jīng)典遺傳學(xué)的補(bǔ)充和發(fā)展,很好地解釋了基因與環(huán)境之間的相互作用[5].目前,表觀遺傳學(xué)被定義為在DNA序列不變的情況下基因表達(dá)發(fā)生的可遺傳性改變,其主要機(jī)制包括DNA甲基化、組蛋白修飾、非編碼RNA的調(diào)控和染色質(zhì)重塑等.隨著年齡的增長(zhǎng),機(jī)體所受外界環(huán)境的影響逐步累積,相比于遺傳因素,表觀遺傳調(diào)控在衰老和衰老相關(guān)疾病的發(fā)生和發(fā)展中可能發(fā)揮更重要的作用,因此從表觀遺傳調(diào)控的角度探究血管衰老可有助于更好地理解血管衰老的過(guò)程,并找到更好的延緩血管衰老及治療相關(guān)疾病的策略[6].下面將簡(jiǎn)要地從表觀遺傳調(diào)控主要的三個(gè)方面來(lái)探討表觀遺傳調(diào)控在血管衰老中的作用.

1 DNA甲基化與血管衰老

DNA甲基化是在基因?qū)用嬲{(diào)控基因表達(dá)的最主要的表觀調(diào)節(jié)方式.DNA甲基化主要存在于CpG二核苷酸中胞嘧啶第5位碳原子上,在哺乳動(dòng)物的基因組中,約有1%的基因含有CpG島,而其中70%以上的CpG島可以被甲基化修飾[7].環(huán)境因素可在很大程度上影響DNA的甲基化水平,使機(jī)體的DNA甲基化水平處于動(dòng)態(tài)變化中[8],一般情況下基因啟動(dòng)子區(qū)的高甲基化水平會(huì)抑制基因的表達(dá),而基因編碼區(qū)的高甲基化水平則可促進(jìn)基因的表達(dá).在衰老過(guò)程中往往伴隨大量的DNA異常甲基化,而這些異常的DNA甲基化與衰老過(guò)程中多種疾病的發(fā)生相關(guān)[9].

人類全基因組內(nèi)的甲基化研究表明,DNA的高甲基化狀態(tài)與衰老相關(guān)疾病伴隨的慢性炎癥密切相關(guān)[10].例如,在動(dòng)脈粥樣硬化中,單核細(xì)胞趨化蛋白-1(monocyte chemoattractant protein-1,MCP-1)啟動(dòng)子區(qū)的低甲基化使MCP-1的表達(dá)升高,促進(jìn)炎癥細(xì)胞的募集,加速疾病進(jìn)程[11].在血管衰老的過(guò)程中,DNA的甲基化同樣也促使血管內(nèi)氧化應(yīng)激的發(fā)生.編碼內(nèi)源性一氧化氮合酶(nitric oxide synthase,NOS)的基因NOS3啟動(dòng)子區(qū)在生理狀態(tài)下甲基化水平較低,而在病理狀態(tài)下會(huì)出現(xiàn)高甲基化,抑制NOS3的表達(dá)及NO的產(chǎn)生[12].此外,線粒體過(guò)氧化氫產(chǎn)生的重要分子p66Shc的啟動(dòng)子區(qū)含有大量的甲基化修飾位點(diǎn),可通過(guò)調(diào)節(jié)甲基化的修飾來(lái)調(diào)控基因表達(dá)[13-14].細(xì)胞外基質(zhì)結(jié)構(gòu)的紊亂也是血管衰老的標(biāo)志性改變之一,其中基質(zhì)金屬蛋白酶2和9(matrix metalloproteinase-2 and 9,MMP-2,MMP-9)的活化是引起血管基質(zhì)降解紊亂的主要原因.而伴隨血管衰老過(guò)程,MMP-2和MMP-9基因啟動(dòng)子區(qū)的去甲基化可引起基因的高表達(dá),從而促進(jìn)血管細(xì)胞外基質(zhì)降解引起血管重塑[15].

然而,還需要更多的證據(jù)支持DNA的甲基化在血管衰老中發(fā)揮直接作用,以及DNA層面上的其他類型的修飾是否在血管衰老中發(fā)揮作用還有待更多的實(shí)驗(yàn)研究.

2 組蛋白修飾與血管衰老

由于組蛋白和DNA的緊密纏繞,組蛋白修飾的改變可局部改變DNA的復(fù)制、轉(zhuǎn)錄、修復(fù)等過(guò)程,從而影響基因的表達(dá),是另一種重要的表觀調(diào)控方式.常見(jiàn)的組蛋白修飾改變包括甲基化、乙酰化、磷酸化、泛素化等.調(diào)控組蛋白修飾的酶,如組蛋白去乙酰化酶(histone deacetylase,HDAC)、組蛋白甲基轉(zhuǎn)移酶以及組蛋白乙酰基轉(zhuǎn)移酶等在血管衰老過(guò)程中發(fā)揮重要作用[16].

基于目前的研究,組蛋白去乙?；?尤其是Ⅲ型組蛋白去乙?；?Sirtuin1-7,SIRT1-7)參與血管衰老的多個(gè)層面.核定位的Sirtuins成員(SIRT1,SIRT6和SIRT7)可通過(guò)直接的組蛋白位點(diǎn)修飾調(diào)節(jié)基因轉(zhuǎn)錄和基因組的穩(wěn)定.SIRT1作為Sirtuins家族研究最透徹的分子,在血管衰老的過(guò)程中發(fā)揮著重要的作用.本實(shí)驗(yàn)室的研究工作證明SIRT1通過(guò)去乙?；M蛋白H4K16,抑制內(nèi)皮細(xì)胞的復(fù)制性衰老,改善內(nèi)皮細(xì)胞的功能,對(duì)抗血管衰老[17].SIRT1還可以使內(nèi)皮細(xì)胞Kr¨uppel樣轉(zhuǎn)錄因子2(Kr¨uppel-like factor 2,KLF2)的表達(dá)升高,使血管內(nèi)皮細(xì)胞處于“vaso-protective”的狀態(tài)[18].在老齡小鼠的血管平滑肌細(xì)胞中SIRT1的表達(dá)量下降,平滑肌特異性敲除SIRT1會(huì)促進(jìn)血管緊張素Ⅱ(AngiotensinⅡ,AngⅡ)誘導(dǎo)產(chǎn)生的血管衰老[19],能量限制可以使血管平滑肌中SIRT1的表達(dá)升高,對(duì)抗衰老相關(guān)疾病,如腹主動(dòng)脈瘤[20].此外,平滑肌細(xì)胞中SIRT1的激活可以通過(guò)抗炎抗氧化而降低血管的僵硬度[21].近期研究發(fā)現(xiàn),內(nèi)皮細(xì)胞的SIRT1可以調(diào)節(jié)肌細(xì)胞血管生成信號(hào)的分泌從而提高骨骼肌的健康,補(bǔ)充SIRT1所依賴的煙酰胺腺嘌呤二核苷酸(nicotinamide adenine dinucleotide,NAD)前體煙酰胺單核苷酸可以改善衰老小鼠血管功能并提升肌肉耐力[22].而核定位的SIRT6則可以保護(hù)血管內(nèi)皮細(xì)胞的端粒及基因組DNA,避免由DNA損傷引起的復(fù)制能力降低和細(xì)胞早衰[23].胞漿或者線粒體定位的Sirtuins(SIRT2,SIRT3,SIRT4,SIRT5)更多地是通過(guò)影響代謝和氧化應(yīng)激相關(guān)的酶,間接地參與血管衰老.例如,主要定位于線粒體的SIRT3,其缺失會(huì)導(dǎo)致過(guò)氧化物歧化酶(superoxide dismutase 2,SOD2)的高度乙?；褪Щ?引起線粒體中過(guò)氧化物的大量累積,致使血管出現(xiàn)氧化還原穩(wěn)態(tài)的失衡[24].除Sirtuins家族外,其他組蛋白去乙酰化酶也參與血管衰老,如HDAC3可抑制巨噬細(xì)胞的激活,缺乏HDAC3的巨噬細(xì)胞會(huì)更易被白介素4(interleukin 4,IL-4)激活,加速血管衰老的炎癥反應(yīng)[25].抑制HDAC會(huì)增加基本的和腫瘤壞死因子α(tumor necrosis factor α,TNF-α)誘導(dǎo)的核因子κB(nuclear factor kappa-B,NF-κB)通路的激活,從而使IL-8的表達(dá)升高[26].

越來(lái)越多不同類型的組蛋白修飾被發(fā)現(xiàn),如在NOS3的啟動(dòng)子區(qū)除了H3K9的乙?；?、H4K12的乙酰化外,還存在多個(gè)H3K4的二甲基化和三甲基化修飾[27],這些修飾同樣也參與了下游基因的表達(dá)調(diào)控.未來(lái)需要更深入地研究不同類型的組蛋白修飾對(duì)于血管衰老的直接作用以及潛在的相互調(diào)節(jié)作用.

3 非編碼RNA介導(dǎo)的表觀調(diào)節(jié)和血管衰老

非編碼RNA即不編碼蛋白質(zhì)的RNA,其含量超過(guò)全基因組轉(zhuǎn)錄的80%以上,包括長(zhǎng)鏈非編碼RNA(long noncoding RNA,lncRNA),microRNA(miRNA)和小干擾RNA(small interfering RNA,siRNA)等[28].全基因組的RNA測(cè)序表明在衰老細(xì)胞和正常細(xì)胞中存在大量差異表達(dá)的非編碼RNA[29].下面以miRNAs為例介紹RNA介導(dǎo)的表觀調(diào)節(jié)在血管衰老中所發(fā)揮的作用.(1)影響血管細(xì)胞的衰老：如內(nèi)皮細(xì)胞中miR-217的表達(dá)會(huì)隨機(jī)體的衰老而升高,并可結(jié)合 SIRT1 的 3’-非翻譯區(qū)(3’-untranslated region,3’-UTR)抑制 SIRT1 的表達(dá),引起內(nèi)皮細(xì)胞衰老和功能障礙,而抑制內(nèi)皮細(xì)胞中miR-217的表達(dá)則可減緩細(xì)胞的衰老[30]；miR-145和miR-143可調(diào)節(jié)血管衰老過(guò)程中平滑肌細(xì)胞的表型轉(zhuǎn)換,在分化的平滑肌細(xì)胞中miR-143和miR-145活化,一方面形成正反饋機(jī)制維持平滑肌細(xì)胞的活化狀態(tài),另一方面抑制平滑肌細(xì)胞的增殖[31].(2)調(diào)節(jié)血管炎癥反應(yīng)：如miR-155是血管炎癥的正性調(diào)節(jié)因子,活化的巨噬細(xì)胞和單核細(xì)胞會(huì)大量表達(dá)miR-155,使血管處于慢性炎癥狀態(tài),同時(shí)高水平的miR-155會(huì)促進(jìn)MCP-1的表達(dá),募集更多的單核細(xì)胞,進(jìn)一步加劇炎癥反應(yīng)[32].相反,miR-194可以抑制炎癥,過(guò)表達(dá)miR-194可以通過(guò)抑制腫瘤壞死因子受體相關(guān)因子6(tumor necrosis factor receptor-associated factor 6,TRAF6)減少單核細(xì)胞炎癥因子的產(chǎn)生[33].(3)調(diào)節(jié)血管鈣化：miR-135a,miR-762,miR-714和miR-712可通過(guò)抑制鈣離子的外流促進(jìn)血管鈣化,而miR-125b可通過(guò)抑制血管平滑肌細(xì)胞的骨化而抑制血管鈣化[34].(4)調(diào)節(jié)血管氧化應(yīng)激：如miR-210可以抑制細(xì)胞色素C氧化酶同源組裝物10(cytochrome c oxidase assembly homolog 10,COX10)的表達(dá),而COX10的表達(dá)量下降抑制了線粒體復(fù)合物Ⅰ和Ⅳ的活性,從而調(diào)節(jié)線粒體活性氧簇(reactive oxygen species,ROS)的產(chǎn)生[13,35].(5)影響血管重塑：如miR-106a可通過(guò)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)錄因子Ets-1來(lái)抑制MMP-2的表達(dá),而隨著年齡的增長(zhǎng),miR-29b表達(dá)的升高會(huì)使MMP-2/MMP-9的表達(dá)升高,活性增強(qiáng)[36-37].此外,miR-181b可以負(fù)性調(diào)節(jié)金屬蛋白酶組織抑制因子3(metalloproteinase tissue inhibitor 3,TIMP3)的表達(dá)以及彈性纖維的產(chǎn)生[38].

RNA分子通過(guò)多種機(jī)制在衰老相關(guān)的心血管疾病中起著重要的調(diào)節(jié)作用,這在文獻(xiàn)[39]中已有闡述,未來(lái)需要闡明更多的不同類型RNA分子在血管衰老中的調(diào)節(jié)作用.

4 表觀遺傳調(diào)控與血管衰老的治療

如前所述,血管衰老包括血管重塑、血管穩(wěn)態(tài)失衡以及血管細(xì)胞的衰老,各層改變之間相互交錯(cuò),大大增加了血管衰老過(guò)程的復(fù)雜性.因此,單獨(dú)針對(duì)一種血管細(xì)胞或血管衰老的單一生物學(xué)過(guò)程很難有效延緩血管衰老.而表觀遺傳調(diào)控參與了血管衰老的多個(gè)層面,如果以此為血管衰老和相關(guān)疾病的治療靶標(biāo)可能會(huì)更有效.而且已知絕大多數(shù)的表觀遺傳修飾都是可逆的,對(duì)表觀遺傳調(diào)控的這種適應(yīng)性特征加以利用,將有可能從表觀遺傳角度開(kāi)發(fā)新的治療策略.

基于表觀遺傳的靶向藥物受到了廣泛的重視,目前已經(jīng)有多個(gè)重要的表觀修飾蛋白的靶向抑制劑在臨床上有較好的應(yīng)用,例如已經(jīng)進(jìn)入臨床應(yīng)用的有DNA甲基轉(zhuǎn)移酶1的抑制劑和HDAC抑制劑等,多個(gè)正在進(jìn)行臨床實(shí)驗(yàn)的有EZH2抑制劑、DOT1L抑制劑和BRD4抑制劑[40].由于SIRT1表達(dá)及活性的升高可減緩衰老相關(guān)的疾病,因此SIRT1激活劑也成為一種潛在干預(yù)疾病的藥物,多項(xiàng)研究表明SIRT1的激活劑白藜蘆醇和小分子化合物SRT2104,SRT1720等可有效延緩小鼠和大鼠的血管衰老[41-44].SRT2104和SRT2379是2型糖尿病、肥胖和代謝綜合征以及銀屑病等疾病的潛在治療藥物[45-46],但是是否有延緩人的血管衰老的作用還有待研究.其他類型的表觀遺傳靶向藥物在血管衰老中的作用也有待進(jìn)一步開(kāi)發(fā)驗(yàn)證.除此之外,能量限制作為唯一的可延長(zhǎng)健康壽命的非藥物干預(yù)手段,已被證實(shí)可改善多種動(dòng)物模型的血管衰老[20,47],因此如何更好地開(kāi)發(fā)能量限制的模擬物也受到越來(lái)越多的關(guān)注[48].

衰老研究的最終目的是延長(zhǎng)人類壽命,延緩相關(guān)疾病的發(fā)生.本實(shí)驗(yàn)室將整體衰老分為4個(gè)密不可分的層次,即生物的生理機(jī)能衰退,疾病易感性增加；系統(tǒng)性的免疫、代謝和內(nèi)分泌失調(diào)；細(xì)胞功能發(fā)生故障；生物分子的維護(hù)出現(xiàn)問(wèn)題[49].系統(tǒng)層面的紊亂與細(xì)胞層面和分子層面的失真互為因果,是生理機(jī)能衰退的病理基礎(chǔ),使得衰老的機(jī)制具有明顯的復(fù)雜性.細(xì)胞衰老與整體衰老之間的關(guān)系錯(cuò)綜復(fù)雜,充分闡明細(xì)胞水平和機(jī)體整體衰老對(duì)于開(kāi)發(fā)有效的干預(yù)血管衰老以及相關(guān)疾病的方法意義重大.本研究團(tuán)隊(duì)將細(xì)胞水平衰老對(duì)于整體衰老的貢獻(xiàn)定義為“senescaging”[4],主要包括傳統(tǒng)的增殖活躍細(xì)胞和增殖不活躍細(xì)胞,如心肌細(xì)胞和神經(jīng)細(xì)胞等在衰老過(guò)程中對(duì)于整體衰老的生理和病理作用.但在正常的衰老個(gè)體血管組織中,衰老細(xì)胞的實(shí)際數(shù)量很少,這些衰老細(xì)胞的存在會(huì)在某些危險(xiǎn)因素刺激下改變血管局部微環(huán)境,增加了衰老相關(guān)疾病的易感性,加速了血管衰老的發(fā)生進(jìn)程[50],但其具體機(jī)制還有待于進(jìn)一步闡明.因此,研究細(xì)胞水平的衰老對(duì)于血管組織衰老的貢獻(xiàn)及其表觀調(diào)控相關(guān)的具體機(jī)制,將有可能為延緩血管衰老提供更多思路.

5 總結(jié)和展望

雖然近二十年來(lái)對(duì)表觀遺傳調(diào)控分子機(jī)制的解析得到了突飛猛進(jìn)的發(fā)展,但表觀遺傳調(diào)控的復(fù)雜性與精細(xì)性可能遠(yuǎn)超目前所發(fā)現(xiàn)的內(nèi)容.為了能夠更好地從表觀遺傳層面延緩血管衰老,還需在新的表觀調(diào)節(jié)方式和新的實(shí)驗(yàn)研究技術(shù)手段上有更大的突破,提高表觀遺傳調(diào)控的分辨率.例如,近年來(lái)發(fā)現(xiàn)的RNA的甲基化修飾和逐步發(fā)展起來(lái)的單細(xì)胞測(cè)序和單細(xì)胞表觀基因組學(xué),scBS-seq,scATAC-seq,scDNase-seq,scNOME-seq,scMNase-seq和scChIC-seq等技術(shù)的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用,展示出單細(xì)胞層面的表觀調(diào)控模式[51-54].揭示更精細(xì)的表觀遺傳調(diào)控模式,有望更精準(zhǔn)地開(kāi)發(fā)出表觀調(diào)控相關(guān)藥物,以應(yīng)用于血管衰老及相關(guān)疾病.