組蛋白修飾在砷中毒發(fā)病機(jī)制中的研究進(jìn)展

侯 騰，馬 璐，張愛華*

(貴州醫(yī)科大學(xué)環(huán)境污染與疾病監(jiān)控教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/公共衛(wèi)生學(xué)院衛(wèi)生毒理學(xué)教研室，貴州 貴陽 550025)

地方性砷中毒是由于特定地區(qū)的居民從飲水、空氣或食物中長期攝入過量的砷化物所引起的涉及全身多器官損害的生物地球化學(xué)性疾病。長期慢性砷暴露將增加人群皮膚癌、肝癌、肺癌、膀胱癌等癌癥的發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)[1]，目前已成為嚴(yán)重的世界性公共衛(wèi)生問題[2-3]。在政府和醫(yī)療科研等工作者多年的參與下，通過改水、改灶、健康教育等一系列惠民措施有效地阻斷了高砷暴露，地方性砷中毒防治工作取得顯著成效。但地方性砷中毒因其作用機(jī)制仍不明確、缺乏特效藥物及早期生物學(xué)標(biāo)志物等因素?zé)o法徹底控制，不僅危害著病區(qū)群眾的身體健康，而且阻遏著病區(qū)的社會(huì)進(jìn)步與經(jīng)濟(jì)發(fā)展。地方性砷中毒作為脫貧攻堅(jiān)戰(zhàn)中重要的環(huán)節(jié)，仍成為全國重點(diǎn)地方病防治規(guī)劃項(xiàng)目之一，受到政府和科研工作者的高度重視[4-5]，其發(fā)病機(jī)制與防治策略還需深入探尋與研究。

目前地方性砷中毒所致的損傷及其機(jī)制研究多集中在遺傳損傷、氧化應(yīng)激反應(yīng)、免疫與炎癥誘導(dǎo)、信號通路轉(zhuǎn)導(dǎo)、表觀遺傳修飾等研究方向，其中表觀遺傳修飾不僅與砷暴露有關(guān)聯(lián)，還可通過調(diào)控靶分子的表達(dá)影響生物性結(jié)局的發(fā)生發(fā)展[6-7]。此外，基于表觀遺傳學(xué)的可逆性特征，能有效逆轉(zhuǎn)不利基因的異常表達(dá)，成為砷中毒機(jī)制中一大研究熱點(diǎn)[8]。表觀遺傳修飾包括DNA甲基化、組蛋白修飾、非編碼RNA、染色質(zhì)重塑等模式。組蛋白修飾作為表觀遺傳修飾的重要模式之一，能穩(wěn)定激活或抑制基因的表達(dá)[9]。組蛋白修飾的模式較為復(fù)雜，目前已知模式包括甲基化、乙酰化、磷酸化、腺苷酸化、泛素化、ADP核糖基化等修飾過程。Li等[10]研究表明砷暴露可能導(dǎo)致組蛋白修飾的改變。近年來，研究者通過大量人群研究及動(dòng)物實(shí)驗(yàn)證實(shí)，砷暴露可引起H3K4me3、H3K9ac、H3K9me2、H3K18ac、H3K27ac、H3K27me3、H4K16ac蛋白表達(dá)發(fā)生改變[11-15]。組蛋白修飾可能通過調(diào)控關(guān)鍵分子的表達(dá)參與砷中毒的發(fā)生發(fā)展，并在砷誘導(dǎo)的遺傳損傷、氧化應(yīng)激、免疫功能紊亂、凋亡、DNA甲基化中發(fā)揮作用，故從組蛋白修飾角度深入開展砷中毒機(jī)制研究，有望為地方性砷中毒提供新的治療靶點(diǎn)及防控手段。因此，本文擬對組蛋白修飾在砷中毒發(fā)病機(jī)制的研究進(jìn)展進(jìn)行綜述。

1 組蛋白修飾與砷誘導(dǎo)的遺傳損傷

研究人員通過一系列的體內(nèi)外研究，發(fā)現(xiàn)組蛋白修飾可能通過影響基因組的穩(wěn)定性和抑制DNA損傷修復(fù)過程參與砷誘導(dǎo)的遺傳毒性的發(fā)生發(fā)展。牛林梅等[16]研究發(fā)現(xiàn)H3K4甲基化的修飾缺陷，可導(dǎo)致人永生化支氣管上皮細(xì)胞株HBE在砷染毒時(shí)的雙核微核率升高，闡明組蛋白H3K4修飾改變可能在亞砷酸鈉誘導(dǎo)的DNA損傷中起作用。張帆等[17]研究發(fā)現(xiàn)亞砷酸鈉處理人成骨肉瘤細(xì)胞株后可導(dǎo)致H2B賴氨酸第120位出現(xiàn)泛素化，進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，H2BK120能與RNF20-RNF40異二聚體(一種可催化H2BK120的環(huán)指E3泛素連接酶)的結(jié)構(gòu)域結(jié)合，繼而通過減少DNA雙鏈斷裂位點(diǎn)上的BRCA1和RAD51蛋白的招募，來抑制DNA雙鏈斷裂修復(fù)，該研究揭示了亞砷酸鈉可能通過靶向組蛋白E3泛素連接酶的RING指狀結(jié)構(gòu)域中的半胱氨酸殘基來發(fā)揮其致癌作用，從而改變組蛋白表觀遺傳標(biāo)記并損害DNA雙鏈斷裂修復(fù)。上述研究提示組蛋白修飾相關(guān)酶結(jié)構(gòu)域的改變可能是砷誘導(dǎo)遺傳損傷發(fā)生的危險(xiǎn)信號。

人群流行病學(xué)研究也顯示組蛋白修飾與DNA損傷或染色體畸變顯著關(guān)聯(lián)。本課題組前期研究[18-19]發(fā)現(xiàn)砷暴露導(dǎo)致人外周血淋巴細(xì)胞H3K9me2、H3K36me3、H4K20me1、H4K20me2的修飾水平與DNA損傷呈相關(guān)關(guān)系，H3K14ac水平與染色體畸變率呈正相關(guān)關(guān)系[20]，提示人外周血淋巴細(xì)胞組蛋白H3K9me2、H3K36me3、H4K20me1、H4K20me2、H3K14ac修飾水平的增加可能為砷致遺傳毒性的表觀遺傳標(biāo)記。組蛋白修飾還可能通過抑制DNA損傷修復(fù)途徑來介導(dǎo)砷致DNA發(fā)生損傷。一項(xiàng)孟加拉國研究表明砷暴露后導(dǎo)致H3K79me1水平顯著上調(diào)，并引起DNA雙鏈斷裂的標(biāo)志物γH2AX上調(diào)，有趣的是，進(jìn)一步研究顯示H3K79me1可能募集腫瘤抑制蛋白53BP1在雙鏈斷裂位點(diǎn)不斷蓄積，從而抑制DNA損傷修復(fù)，該研究提示H3K79me1在砷誘導(dǎo)的DNA損傷中起作用[21]。堿基切除修復(fù)作為DNA損傷修復(fù)途徑之一，在維持生物細(xì)胞正常功能上發(fā)揮著關(guān)鍵作用。本課題組為探討砷中毒患者堿基切除修復(fù)基因與組蛋白修飾水平的相互關(guān)系，發(fā)現(xiàn)砷暴露人群外周血淋巴細(xì)胞及皮膚組織中的H4第20位賴氨酸甲基化(H4K20me1)修飾水平不僅與DNA損傷水平呈現(xiàn)正相關(guān)，還與外周血聚腺苷酸二磷酸核糖聚合酶-1(PARP1)、N-甲基化嘌呤-DNA-糖基化酶(MPG)、X射線修復(fù)交叉互補(bǔ)基因1(XRCC1)基因mRNA轉(zhuǎn)錄水平呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)，提示砷可能通過改變H4K20me1修飾水平參與調(diào)控砷中毒致DNA損傷修復(fù)過程，DNA修復(fù)能力不斷減弱則可能造成DNA損傷加重[22]。提示組蛋白修飾可能作為砷誘導(dǎo)遺傳毒性或啟動(dòng)DNA損傷修復(fù)的標(biāo)志，如何針對組蛋白修飾關(guān)鍵靶點(diǎn)進(jìn)行有效干預(yù)將成為逆轉(zhuǎn)砷誘導(dǎo)遺傳損傷的核心問題。

2 組蛋白修飾與砷誘導(dǎo)的氧化應(yīng)激

近年來，眾多學(xué)者通過探討組蛋白對氧化應(yīng)激反應(yīng)通路及抗氧化酶表達(dá)的調(diào)控機(jī)制，深入研究組蛋白在砷誘導(dǎo)氧化應(yīng)激中的作用，為砷中毒的發(fā)生發(fā)展研究開辟新的方向。Ray等[23]用亞砷酸鈉處理人永生化角質(zhì)形成細(xì)胞，發(fā)現(xiàn)血紅素加氧酶-1(heme oxygenase-1，HO-1)和c-JunN-末端激酶所激活的組蛋白H3絲氨酸10磷酸化(H3S10)的表達(dá)增加，且在HO-1啟動(dòng)子區(qū)檢測到H3S10的富集，而且亞砷酸鈉誘導(dǎo)的核因子NF-E2相關(guān)因子(nuclear factor erythroid 2-related factor 2，Nrf2)與抗氧化反應(yīng)元件(antioxidant responsive element，ARE)結(jié)合先于HO-1 ARE的H3S10磷酸化，研究提示Nrf2可能通過影響HO-1 ARE啟動(dòng)子區(qū)的H3S10磷酸化促進(jìn)砷誘導(dǎo)HO-1的表達(dá)。馬璐等[24]研究發(fā)現(xiàn)燃煤污染型砷中毒人群的外周血淋巴細(xì)胞中H3K18ac與H3K36me3不僅響應(yīng)于砷暴露水平，還與尿8-羥基脫氧鳥苷(8-hydroxy-2-deoxyguanosine，8-OHdG)含量相關(guān)，提示H3K18ac、H3K36me3可能參與砷誘導(dǎo)氧化損傷。馬璐等進(jìn)一步在人胚胎腎HEK和人永生化角質(zhì)形成細(xì)胞模型中發(fā)現(xiàn)，亞砷酸鈉可通過調(diào)控谷氨酸-半胱氨酸連接酶催化亞基、谷氨酸-半胱氨酸連接酶調(diào)節(jié)亞基、HO-1、熱休克蛋白90α家族A類成員1、超氧化物歧化酶1等氧化應(yīng)激反應(yīng)相關(guān)基因啟動(dòng)子區(qū)H3K18ac的富集水平，誘導(dǎo)基因表達(dá)異常，從而導(dǎo)致氧化應(yīng)激甚至氧化損傷的發(fā)生。綜上，組蛋白修飾不僅與砷暴露相關(guān)，還影響氧化應(yīng)激反應(yīng)基因的表達(dá)改變，提示組蛋白修飾可能參與調(diào)控砷誘導(dǎo)氧化應(yīng)激過程。所以深入探討組蛋白修飾在砷誘導(dǎo)氧化應(yīng)激中的作用，可為砷中毒發(fā)病機(jī)制開辟新的研究思路。

3 組蛋白修飾與砷誘導(dǎo)的機(jī)體免疫功能紊亂

組蛋白修飾作為影響基因表達(dá)的關(guān)鍵因素，在砷致機(jī)體免疫功能紊亂中扮演著重要的角色，砷可激活機(jī)體免疫防御系統(tǒng)并增加組蛋白分子的異常表達(dá)。研究人員用亞砷酸鈉處理人類胚胎腎HEK-293細(xì)胞，發(fā)現(xiàn)促炎性細(xì)胞因子IL-8啟動(dòng)子區(qū)組蛋白H3乙?；患?，從而促進(jìn)IL-8 mRNA和蛋白表達(dá)水平異常，進(jìn)而通過炎癥細(xì)胞的募集和激活參與砷中毒過程[25]。人群流行病學(xué)調(diào)查也顯示組蛋白修飾可能在砷的免疫調(diào)控機(jī)制中具有重要意義。在阿根廷安第斯山區(qū)，Pournara等[26]通過檢測飲水型砷中毒人群外周血細(xì)胞中CD4+和CD8+細(xì)胞的組蛋白修飾水平，結(jié)果顯示隨著砷暴露的增加，CD4+細(xì)胞中總體H3K9me3水平顯著降低。研究提示組蛋白修飾可能為砷致機(jī)體免疫功能紊亂的新靶點(diǎn)，但組蛋白修飾是如何與免疫相關(guān)因子發(fā)生作用參與砷致機(jī)體免疫功能紊亂，以及是否可以將其作為砷致機(jī)體免疫功能紊亂的監(jiān)測指標(biāo)，需要科研工作者進(jìn)一步深入探索。

4 組蛋白修飾與砷誘導(dǎo)的細(xì)胞凋亡

目前，組蛋白修飾與砷誘導(dǎo)的細(xì)胞凋亡研究大多集中于砷化合物在白血病和其他腫瘤的治療方面。李乃農(nóng)等[27]用組蛋白去乙酰化酶抑制劑(SAHA)、As2O3聯(lián)合處理人急性早幼粒細(xì)胞白血病(acute promyelocytic leukemia，APL)衍生的NB4細(xì)胞株(NB4 cell line，NB4)，發(fā)現(xiàn)組蛋白H3和組蛋白H4顯著上調(diào)時(shí)，NB4細(xì)胞增殖受到抑制并出現(xiàn)大量凋亡，提示組蛋白可能參與As2O3誘導(dǎo)NB4細(xì)胞凋亡過程。李江等[28]用As2O3處理急性早幼粒細(xì)胞白血病APL衍生的NB4細(xì)胞株，發(fā)現(xiàn)組蛋白H3賴氨酸14(H3K14)的乙?；癏3絲氨酸10(H3S10)的磷酸化水平增加，并且染色質(zhì)免疫沉淀檢測發(fā)現(xiàn)As2O3有效地增強(qiáng)了半胱氨酸蛋白酶CASPASE-10啟動(dòng)子區(qū)的H3K14的乙?；癏3S10的磷酸化，該研究表明As2O3可能通過組蛋白修飾作用促使細(xì)胞凋亡。徐敏等[29]用中藥雄黃的提取物二硫化砷(As2S2)處理骨髓單個(gè)核細(xì)胞，發(fā)現(xiàn)As2S2通過增加組蛋白乙酰化修飾的調(diào)控作用來抑制單個(gè)核細(xì)胞增殖，同時(shí)誘導(dǎo)骨髓單個(gè)核細(xì)胞的凋亡。該研究提示As2S2可能通過組蛋白乙?；龠M(jìn)單個(gè)核細(xì)胞發(fā)生凋亡，進(jìn)而影響骨髓異常增多綜合癥。雖然該類研究探討的是砷化合物在治療腫瘤過程中組蛋白修飾的調(diào)控機(jī)制，但也提示砷化合物可通過誘導(dǎo)組蛋白修飾改變調(diào)控凋亡，因此深入探討組蛋白修飾在砷致正常細(xì)胞凋亡的分子機(jī)制，可能對揭示砷中毒發(fā)病機(jī)制具有重要參考價(jià)值。

5 組蛋白修飾與其他表觀遺傳修飾模式相互調(diào)控在砷中毒中的作用

組蛋白修飾與DNA甲基化作為表觀遺傳修飾網(wǎng)絡(luò)中重要的組成部分，二者通過相互作用共同參與砷致腫瘤惡性轉(zhuǎn)化過程，已成為砷發(fā)揮毒性作用的關(guān)鍵誘因。Jensen等[30]用亞砷酸鹽 [arsenite， As(III)]及 一 甲 基 砷 酸 (monomethylarsonic acid，MMA)分別處理正常膀胱上皮UROtsa細(xì)胞，發(fā)現(xiàn)在組蛋白H3低乙酰化的膀胱癌缺失基因1(deleted in bladder cancer 1，DBC1)、補(bǔ)體C1q腫瘤壞死因子相關(guān)蛋白6啟動(dòng)子中檢測到DNA高甲基化，值得注意的是，DNA甲基化的表達(dá)隨著相同啟動(dòng)子中組蛋白乙酰化水平的降低而增加。Severson等[31]用亞砷酸鹽處理的人正常前列腺上皮RWPE-1細(xì)胞株，發(fā)現(xiàn)H3K27me3、H3K9me3和DNA甲基化均參與C2H2鋅指基因轉(zhuǎn)錄抑制，并進(jìn)一步通過染色質(zhì)免疫沉淀發(fā)現(xiàn)C2H2鋅指基因啟動(dòng)子中同時(shí)發(fā)生H3K27me3和DNA甲基化表達(dá)事件，提示砷暴露后，C2H2鋅指基因的廣泛沉默可能由于DNA甲基化以及H3K9me3共同介導(dǎo)，進(jìn)一步提示表觀遺傳性功能障礙是與毒物相關(guān)的驅(qū)動(dòng)因素。為了探討燃煤污染型地方性砷中毒的表觀遺傳機(jī)制，潘雪莉等[32]用亞砷酸鈉處理人皮膚角質(zhì)形成細(xì)胞HaCaT后發(fā)現(xiàn)，O6-甲基鳥嘌呤-DNA甲基轉(zhuǎn)移酶基因(MGMT)DNA高甲基化和組蛋白去乙?；餐閷?dǎo)了MGMT mRNA轉(zhuǎn)錄及蛋白表達(dá)抑制。同時(shí)DNA甲基化轉(zhuǎn)移酶1(DNA methyltransferase 1，DNMT1)、組蛋白去乙?；?(histone deacetylase 1，HDAC1)蛋白表達(dá)上調(diào)，參與了此表觀遺傳學(xué)調(diào)控過程。并且DNA甲基轉(zhuǎn)移酶抑制劑能有效逆轉(zhuǎn)砷所致的MGMT基因啟動(dòng)子區(qū)DNA高甲基化，組蛋白去乙酰化酶抑制劑能有效回升砷所致的MGMT基因轉(zhuǎn)錄調(diào)控區(qū)組蛋白低乙?；?，進(jìn)而促進(jìn)MGMT mRNA轉(zhuǎn)錄及蛋白表達(dá)。該研究揭示了砷所致MGMT基因表觀遺傳學(xué)特征性改變是砷中毒發(fā)生發(fā)展乃至砷致癌的重要分子機(jī)制。綜上，砷誘導(dǎo)的關(guān)鍵基因啟動(dòng)子區(qū)可同時(shí)發(fā)生組蛋白修飾與DNA甲基化水平改變，提示組蛋白修飾與DNA甲基化相互作用共同參與砷致腫瘤惡性轉(zhuǎn)化過程，但二者之間是如何介導(dǎo)砷致癌的發(fā)生發(fā)展，還需系統(tǒng)研究與深入挖掘。

6 結(jié)語

砷暴露可通過組蛋白修飾模式異常改變，影響遺傳損傷、氧化應(yīng)激調(diào)控通路、機(jī)體免疫功能調(diào)控、細(xì)胞凋亡、DNA甲基化等生物學(xué)事件關(guān)鍵基因的表達(dá)，參與砷中毒的發(fā)生發(fā)展，因而從組蛋白修飾角度深入開展砷中毒機(jī)制研究，有望為砷中毒的防治提供新的潛在干預(yù)靶點(diǎn)?？傊鳛楸碛^遺傳調(diào)控網(wǎng)絡(luò)重要組成模式之一，組蛋白修飾不僅可為砷中毒早期監(jiān)測提供新的預(yù)警信號，還以其可逆性的重要特點(diǎn)，有望通過科學(xué)的干預(yù)措施逆轉(zhuǎn)砷誘導(dǎo)的關(guān)鍵基因表達(dá)，從而為砷中毒的機(jī)制研究及治療、預(yù)防提供新的思路。