氣道平滑肌表觀遺傳修飾對支氣管哮喘的影響

朱瑩然 辛?xí)苑?/p>

東部戰(zhàn)區(qū)總醫(yī)院干部呼吸科,南京210000

1942年Waddington首先提出表觀遺傳學(xué)概念,其主要是指在不改變DNA 序列的情況下,所有細(xì)胞減數(shù)分裂或有絲分裂在表型或基因表達(dá)上的可遺傳性改變。表觀遺傳修飾決定了哪些基因組區(qū)域容易發(fā)生表達(dá)改變從而導(dǎo)致可能疾病傾向的生理狀態(tài)[1]。近年來隨著對表觀遺傳學(xué)研究的深入,人們發(fā)現(xiàn)其在許多疾病中發(fā)揮重要作用,其調(diào)控功能紊亂可導(dǎo)致基因表達(dá)譜發(fā)生改變。目前,大多數(shù)支氣管哮喘(哮喘)患者氣道平滑肌 (airway smooth muscle,ASM)細(xì)胞的表觀遺傳學(xué)研究集中在組蛋白修飾上,尤其是組蛋白乙酰化和組蛋白甲基化[2]。近幾年來,對于甲基化修飾對哮喘的調(diào)控作用以及非編碼RNA 在哮喘疾病發(fā)生過程中的作用的研究也日益增多。因此,很有必要深入了解表觀遺傳學(xué)與哮喘發(fā)病機(jī)制之間的聯(lián)系,為今后哮喘的治療提供新的思路與靶點(diǎn)。

1 組蛋白修飾與哮喘

1·1 ASM 組蛋白修飾與哮喘氣道炎癥 哮喘是一種以氣道慢性炎癥為特征的異質(zhì)性疾病。氣道結(jié)構(gòu)細(xì)胞和炎癥細(xì)胞分泌的多種炎癥介質(zhì)和細(xì)胞因子的相互作用構(gòu)成了一個(gè)復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò),最終導(dǎo)致氣道慢性炎癥。ASM 細(xì)胞具有重要的合成功能,通過產(chǎn)生炎癥介質(zhì),包括組胺、前列腺素、白三烯、細(xì)胞因子、趨化因子和內(nèi)皮素,促進(jìn)炎癥的發(fā)生與發(fā)展。引起炎癥的幾種趨化因子可使炎癥細(xì)胞募集,而這些趨化因子受ASM 組蛋白修飾的調(diào)節(jié)。例如,嗜酸粒細(xì)胞趨化因子 (Eotaxin)屬于C 型化學(xué)趨化因子家族成員之一,可活化及募集嗜酸性細(xì)胞,從而激發(fā)哮喘的發(fā)生。Ahmadi等[3]研究發(fā)現(xiàn),哮喘患者支氣管黏膜中Eotaxin表達(dá)水平顯著升高,且與嗜酸性細(xì)胞計(jì)數(shù)呈正相關(guān),提示Eotaxin可通過募集嗜酸性細(xì)胞而參與炎性反應(yīng)并引起組織損害主要負(fù)責(zé)嗜酸粒細(xì)胞滲入到炎癥部位。研究發(fā)現(xiàn),與健康人相比,哮喘患者支氣管活檢ASM 中的組蛋白乙酰轉(zhuǎn)移酶 (histone acetyltransferase,HAT)活性增加,而組蛋白去乙酰轉(zhuǎn)移酶 (Histone deacetyltransferase,HDAC)活性降低,組蛋白h4 乙?；黾?誘導(dǎo)ASM 過度表達(dá)Eotaxin蛋白,從而促進(jìn)炎癥。CXCL8 是中性粒細(xì)胞趨化劑,其主要作用是募集中性粒細(xì)胞從血管趨向炎癥或損傷部位遷移,參與局部和全身的炎癥反應(yīng)。哮喘患者的ASM由于h3賴氨酸18 在cxcl8 啟動子處發(fā)生乙酰化,從而使HAT p300的募集作用增強(qiáng),導(dǎo)致CXCL8過度分泌,從而加劇炎癥。CXCL10是CXC趨化因子家族的一員,由干擾素γ (interferon-γ,IFN-γ)誘導(dǎo)刺激單核細(xì)胞、樹突狀細(xì)胞、自然殺傷細(xì)胞、成纖維細(xì)胞和內(nèi)皮細(xì)胞分泌產(chǎn)生。CXCL10通過與其在靶細(xì)胞Th1細(xì)胞上的特異性受體相結(jié)合,利用一系列信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑,趨化炎癥因子到炎癥部位,介導(dǎo)免疫細(xì)胞的遷移、聚集,表現(xiàn)出促炎癥反應(yīng)及調(diào)節(jié)血管生成的特性。此外,CXCL10 與異性受體相結(jié)合后可調(diào)節(jié)T 細(xì)胞的分化與成熟,介導(dǎo)Th0細(xì)胞向Th1細(xì)胞分化,發(fā)揮免疫破壞作用。在哮喘患者中,ASM 細(xì)胞組蛋白h4乙?；痆4],能夠通過募集腫瘤壞死因子α (tumor necrosis factorα,TNF-α)和IFN-γ誘導(dǎo)表達(dá)CXCL10,從多方面調(diào)節(jié)氣道炎癥。血管細(xì)胞黏附分子1 (vascular cell adhesion molecule 1,VCAM-1)負(fù)責(zé)招募和增加多形核白細(xì)胞的浸潤。黏附分子發(fā)生乙酰化也是引起氣道炎癥的啟動因素。ASM 細(xì)胞中HAT p300和組蛋白h4乙?；?募集TNF-α、內(nèi)皮素1和IL-1βHAT,誘導(dǎo)上調(diào)VCAM-1的表達(dá)從而促進(jìn)炎癥。此外,HDAC4通過p300獨(dú)立通路調(diào)節(jié)TNF-α和IL-1β 誘 導(dǎo) 的 VCAM-1 表 達(dá)[5]。 環(huán) 氧 化 酶(cyclooxygenase,COX)是一種雙功能酶,主要分為固有型COX (COX-1)和誘生型COX (COX-2)。炎癥損傷主要通過刺激單核細(xì)胞,巨噬細(xì)胞,成纖維細(xì)胞,血管平滑肌或內(nèi)皮細(xì)胞等,誘導(dǎo)COX-2生成,COX-2是觸發(fā)后續(xù)炎癥反應(yīng)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。COX-2 在正常組織細(xì)胞內(nèi)的活性極低,當(dāng)細(xì)胞受到炎癥等刺激時(shí),其在炎癥細(xì)胞中的表達(dá)水平可升高至正常水平的10～80倍,引起炎癥部位前列腺素含量增加,導(dǎo)致炎癥反應(yīng)和組織損傷。在人ASM 細(xì)胞中,組蛋白H4賴氨酸乙?；螽a(chǎn)生一種特定的刺激方式,在緩激肽和IL-1β介導(dǎo)下,對COX-2轉(zhuǎn)錄調(diào)控,從而參與哮喘氣道炎癥反應(yīng)?？偟膩碚f,HAT 激活、組蛋白H3 和H4乙?；cASM 細(xì)胞中一些趨化因子和炎癥蛋白的合成密切相關(guān),參與哮喘氣道炎癥反應(yīng)過程。

1·2 ASM 組蛋白修飾與哮喘氣道重塑 哮喘長期反復(fù)發(fā)作,可見支氣管平滑肌肥大/增生、氣道上皮細(xì)胞黏液化生、上皮下膠原沉積和纖維化、血管增生以及基底膜增厚等氣道重塑的表現(xiàn)?；|(zhì)金屬蛋白酶9 (matrix metalloproteinase 9,MMP-9)具有降解細(xì)胞外基質(zhì)和基底膜的作用,參與氣道重塑。MMP-9刺激與基質(zhì)相關(guān)的生長因子 (如TNF-α、轉(zhuǎn)化生長因子β)的釋放,誘導(dǎo)細(xì)胞分化、增殖,促使氣道重塑的形成;刺激纖維細(xì)胞增殖和膠原生成,促進(jìn)氣道纖維化,另外,還可參與血管生成及氣道血管重塑。研究發(fā)現(xiàn),在哮喘患者肺組織中,MMP-9表達(dá)明顯升高,體外實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步證實(shí),p300 21介導(dǎo)的組蛋白h3發(fā)生乙?；荕MP-9在ASM 中的表達(dá)上調(diào)的機(jī)制[6]。因此,組蛋白乙?；谙瓪獾乐厮馨l(fā)生過程中也發(fā)揮重要作用。

1·3 ASM 組蛋白修飾與氣道收縮 哮喘的ASM 收縮性增加與氣道高反應(yīng)性相關(guān)[7]。組蛋白修飾具有調(diào)節(jié)ASM收縮性的作用。Trichostatin A (TSA)是一種HDAC抑制劑。在小鼠體內(nèi)廢除乙酰膽堿可誘導(dǎo)氣道高反應(yīng)性,體外實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步證實(shí),TSA 能抑制激動劑誘導(dǎo)的收縮,其機(jī)制可能是通過干擾Ca2+釋放。在一例哮喘小鼠模型中發(fā)現(xiàn),TSA 減弱氣道高反應(yīng)性[8]。HDAC8調(diào)節(jié)ASM 收縮力[9]。HDAC抑制劑苯甲酰苯胺羥肟酸二胺和MGCD0103,抑制抗原以及組胺、5-羥色胺和卡巴膽堿誘導(dǎo)的致敏豚鼠氣管環(huán)收縮作用[10]。然而,應(yīng)該注意的是,這些HDAC 抑制劑是鈍性的藥理學(xué)工具,具有潛在的靶向效應(yīng)和結(jié)果,可以靶向作用組蛋白以外的蛋白質(zhì),這也是HAT/HDAC 抑制劑在以后治療方面面臨的挑戰(zhàn)。

2 甲基化修飾與哮喘

目前,關(guān)于甲基化修飾如何調(diào)節(jié)ASM 中炎癥趨化因子分泌的研究數(shù)據(jù)較少。但實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),組蛋白精氨酸甲基轉(zhuǎn)移酶在嚴(yán)重哮喘患者的肺部組織切片和分離的ASM 細(xì)胞中的表達(dá)增加[11]。在動物實(shí)驗(yàn)中,大鼠在抗原刺激產(chǎn)生肺部炎癥后,蛋白質(zhì)精氨酸甲基轉(zhuǎn)移酶表達(dá)上調(diào)[12]。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn),蛋白質(zhì)精氨酸甲基轉(zhuǎn)移酶抑制劑能夠減少ASM 細(xì)胞活性、增殖、細(xì)胞外基質(zhì)沉積、細(xì)胞遷移以及還原α-SMA、膠原蛋白Ⅰ型、纖維連蛋白表達(dá),從而抑制氣道重塑。因此認(rèn)為組蛋白精氨酸甲基化修飾與嚴(yán)重哮喘患者的氣道重塑相關(guān)。

血管內(nèi)皮生長因子 (vascular endothelial growth factor,VEGF)是一種重要的促血管生成因子,調(diào)節(jié)血管滲透性。Clifford等[11]認(rèn)為,VEGF 還能調(diào)節(jié)肺泡上皮細(xì)胞及血管內(nèi)皮細(xì)胞的凋亡,在慢性炎癥性氣道疾病的氣道重塑中起作用。組蛋白賴氨酸甲基轉(zhuǎn)移酶G9a能夠通過阻止賴氨酸9在組蛋白H3上三甲基化,調(diào)節(jié)Sp1和RNA 聚合酶Ⅱ結(jié)合,從而抑制血管內(nèi)皮生長因子的轉(zhuǎn)錄表達(dá)。哮喘患者中,由于組蛋白賴氨酸甲基化的異常導(dǎo)致賴氨酸9招募失敗,使ASM 過度分泌VEGF[11],促進(jìn)氣道重塑。

研究發(fā)現(xiàn),健康人和哮喘受試者ASM 的DNA 甲基化程度不同,且隨疾病嚴(yán)重程度而改變。此外,健康人與非嚴(yán)重哮喘患者相比,甲基化位置不同,表現(xiàn)為細(xì)胞增殖和細(xì)胞凋亡基線水平不同,與ASM 收縮、增殖密切相關(guān)[13]。哮喘患者ASM 中磷酸二酯酶啟動子發(fā)生甲基化,導(dǎo)致其過度表達(dá),降低Ca2+信號的下游效應(yīng)器,包括肌球蛋白輕鏈激酶和p38蛋白激酶 (p38 MAPK)的磷酸化水平,從而減少細(xì)胞增殖和遷移[14]。在大鼠ASM 中,DNA 甲基轉(zhuǎn)移酶抑制劑5-aza-2′-脫氧胞苷通過對DNA 甲基轉(zhuǎn)移酶1的影響,抑制血小板洐生生長因子誘導(dǎo)的收縮力增加、遷移和增殖[15]。因此,DNA 甲基化通過對ASM 收縮、遷移和增殖的影響,參與調(diào)控哮喘氣道重塑。

3 非編碼RNA與哮喘

非編碼RNA 由DNA 轉(zhuǎn)錄而來,調(diào)節(jié)蛋白質(zhì)編碼基因的轉(zhuǎn)錄,影響其穩(wěn)定性和翻譯。目前研究最廣泛的非編碼RNA 是micrornas (miRNA)。這些miRNA 是由19～24個(gè)核苷酸長的單鏈RNA 組成,通過整合到下游基因靶m RNA 的3′-未翻譯區(qū),介導(dǎo)翻譯抑制、信使RNA(m RNA)退化。不同的miRNA 能夠?qū)SM 不同的功能進(jìn)行調(diào)控,從而參與哮喘發(fā)生的各個(gè)病理過程,例如:(1)miRNA-217抑制轉(zhuǎn)化生長因子β1 誘導(dǎo)的ASM 細(xì)胞增殖和遷移;miRNA-10a通過靶向PI3激酶,降低有絲分裂原誘導(dǎo)的ASM 增殖;miRNA-203通過控制c-abl表達(dá),調(diào)節(jié)細(xì)胞外調(diào)節(jié)蛋白激酶激活,從而抑制ASM 細(xì)胞增殖;miRNA-138通過改變丙酮酸脫氫酶激酶1表達(dá)和對PI3K信號通路的調(diào)節(jié),來減少ASM 的增殖;miRNA-21激活磷酸酰肌醇-3-激酶 (PI3K),增加ASM 的增殖和遷移;miRNA-135a通過Tr PC1負(fù)調(diào)控ASM 增殖;miRNA-143-3p抑制ASM 細(xì)胞增殖和細(xì)胞外基質(zhì)蛋白沉積;miRNA-139-5P抑制ASM 增殖并促進(jìn)其凋亡;miRNA-23b通過負(fù)性調(diào)節(jié)NFATC1信號通路,控制ASM 增殖;miRNA-150通過下調(diào)BCYRN1,減弱ASM 細(xì)胞的活力,抑制其增殖和遷移;miRNA-638 通過靶向作用細(xì)胞周期蛋白D1 和NOR1,抑制ASM 細(xì)胞增殖和遷移;上述這些不同的miRNA 通過對ASM 增殖、遷移動的影響而對哮喘氣道重塑產(chǎn)生正性和負(fù)性的調(diào)控作用[16-18]。(2)miRNA-708通過結(jié)合CD38 的3′UTR,調(diào)節(jié)JNK MAPK 和PI3K 信號通路,抑制TNF-α 介導(dǎo)的ASM 中CD38 的表達(dá);miRNA-146a負(fù)性調(diào)節(jié)COX-2和IL-1的表達(dá);miRNA-145上調(diào)Ⅰ型膠原和收縮蛋白MHC 的表達(dá),負(fù)性調(diào)節(jié)促炎因子的釋放;miRNA-221能夠增強(qiáng)重度哮喘患者ASM 的增殖和IL-6釋放;miRNA-155 增強(qiáng)COX-2 表達(dá)和PGE2 分泌;miRNA-708,miRNA140～3P下調(diào)TNF-α誘導(dǎo)的促炎基因表達(dá);上述這些不同的miRNA 通過以上各種機(jī)制參與哮喘氣道炎癥[19]。此外,miRNA-133a能夠通過負(fù)性調(diào)節(jié)支氣管平滑肌收縮關(guān)鍵蛋白——rhoa的表達(dá),調(diào)控氣道的高反應(yīng)性[20]。

4 表觀遺傳修飾與哮喘藥物治療

許多用于哮喘治療的藥物,包括皮質(zhì)類固醇、β2受體激動劑,茶堿和孟魯司特雖然不是針對表觀遺傳變化設(shè)計(jì)的,但有一些藥物能對組蛋白和組蛋白修飾酶產(chǎn)生影響。糖皮質(zhì)激素和長效β2受體激動劑聯(lián)合治療能夠有效地改善哮喘癥狀和減少哮喘惡化,是目前治療哮喘的主要藥物[16]。然而,糖皮質(zhì)激素和β2受體激動劑均可以改變ASM 中的組蛋白乙?；?。β2受體激動劑和糖皮質(zhì)激素通過選擇性抑制組蛋白H4乙酰化和核因子κB p65與人嗜酸細(xì)胞趨化因子啟動子的結(jié)合,抑制TNF-α誘導(dǎo)的嗜酸細(xì)胞趨化因子的基因轉(zhuǎn)錄[21]。茶堿已用于治療哮喘超過70 年,茶堿通過磷酸二酯酶抑制劑舒張ASM,但其有助于抗炎的特性也可能誘導(dǎo)出組蛋白去乙酰化酶[22]。孟魯司特、半胱氨酸白三烯受體拮抗劑,通過組蛋白H3乙酰化,增強(qiáng)脂多糖誘導(dǎo)的抗炎因子IL-10 在人骨髓樹突狀細(xì)胞中的表達(dá)[23]。過氧化物酶體增殖物激活受體γ激動劑 (用于糖尿病)通過抑制ASM 組蛋白H4 乙酰化,抑制TNF-α誘導(dǎo)的嗜酸細(xì)胞趨化因子的基因轉(zhuǎn)錄,但一項(xiàng)關(guān)于哮喘的臨床研究由于發(fā)現(xiàn)藥物的致癌作用而被終止。

表觀遺傳修飾的可逆性使其成為理想的治療哮喘的靶點(diǎn)。如果能夠?qū)⒔M蛋白修飾酶定位于特定的促炎性啟動子或一些具有相似細(xì)胞功能的基因的啟動子,那么對于治療哮喘顯然是有益的。姜黃素是一個(gè)HAT 抑制劑,能夠降低IL-1β誘導(dǎo)人氣道平滑肌細(xì)胞釋放嗜酸粒細(xì)胞趨化蛋白和MCP-1[24-25],在小鼠哮喘模型實(shí)驗(yàn)中,姜黃素能夠誘導(dǎo)大鼠ASM 增殖和減少ASM 質(zhì)量。并且在臨床實(shí)踐中,姜黃素減少哮喘患者氣道阻塞[26]。但姜黃素對HAT 的抑制作用缺乏選擇性,難以達(dá)到靶向治療的目的,需要更多選擇性的HAT 抑制劑。目前,針對表觀遺傳修飾過程中的選擇性抑制劑在一些慢性炎癥性疾病和腫瘤的研究正在開展。溴域和端外 (bromodomain and extraterminal,BET)蛋白是一個(gè)識別組氨酸賴氨酸殘基乙?；牡鞍踪|(zhì)家族,BET 抑制劑在腫瘤和炎癥等臨床前疾病模型中表現(xiàn)出良好的療效,且已有部分抑制劑進(jìn)入臨床階段,這表明以BET為治療靶點(diǎn)的藥物研發(fā)具有可觀前景[27]。BET 抑制劑通過擾亂BRD4和RNA 聚合酶Ⅱ與啟動子的關(guān)聯(lián),能夠減少ASM 的CXCL8分泌。但這些在哮喘中的研究數(shù)據(jù)目前還未有報(bào)道。

盡管哮喘的表觀遺傳學(xué)研究還處于起步階段,有證據(jù)表明組蛋白修飾和其他表觀遺傳機(jī)制對調(diào)節(jié)ASM 的功能具有關(guān)鍵作用。研究表明,ASM 表觀遺傳修飾不僅僅是對外界刺激等作出的適應(yīng)性反應(yīng),更是哮喘的氣道炎癥和重塑的驅(qū)動因素。與這一觀點(diǎn)相一致的是,ASM 熱成形消融術(shù)對哮喘有獲益。哮喘患者的ASM 細(xì)胞在CXCL8 和VEGF的組蛋白乙?；图谆д{(diào),可能分別是導(dǎo)致炎癥細(xì)胞流入和哮喘氣道重塑的啟動因素。針對這些與哮喘密切相關(guān)的失調(diào)的表觀遺傳機(jī)制的研究,為今后的哮喘治療提供了新的途徑。

利益沖突所有作者均聲明不存在利益沖突