大氣污染對慢性阻塞性肺疾病表觀遺傳學影響的研究進展

段瑞瑞 牛宏濤 于濤 楊汀 王辰

1北京大學醫(yī)學部中日友好臨床醫(yī)學院100029；2中日友好醫(yī)院呼吸與危重癥醫(yī)學科，北京100029；3中日友好臨床醫(yī)學研究所，北京100029；4中國醫(yī)學科學院 北京協和醫(yī)學院100010

COPD 是一種以持續(xù)性、進行性的氣流受限為特征的慢性氣道炎癥疾病[1]。中國成人肺部健康研究調查顯示，我國40歲及以上人群COPD 患病率達13.7%，總患病人數近1億[2]，已成為嚴重影響我國居民健康的主要慢性疾病。COPD 是由外界環(huán)境因素和自身遺傳因素共同作用的多因素異質性疾病，外界環(huán)境因素如香煙煙霧、大氣污染物等與COPD 的發(fā)生、發(fā)展密切相關[3]。隨著我國城市化進程的加快，空氣質量控制形勢嚴峻，大氣污染對人群健康的影響備受社會關注[4]。國內外多個環(huán)境流行病學研究發(fā)現，大氣污染參與了COPD 的發(fā)生、發(fā)展，其不僅是COPD 的重要危險因素，還是引起COPD 急性發(fā)作、住院率及病死率增加的主要非感染因素。大氣污染物對COPD 影響的具體分子機制目前尚不明確，作為連接環(huán)境因素與遺傳因素的 “橋梁”，表觀遺傳學相關的研究越來越多，從表觀遺傳學的角度出發(fā)可以更好地闡釋大氣污染物對COPD 影響的可能機制。

表觀遺傳學是在不改變DNA 序列的情況下通過DNA修飾作用改變基因表達的一種可遺傳性變化，主要包括DNA 甲基化、組蛋白修飾、非編碼RNA 修飾等[5]。表觀遺傳學將環(huán)境與遺傳因素緊密結合在一起，隨著研究深入，已發(fā)現表觀遺傳學的改變從根本上是由環(huán)境因素作用的結果。環(huán)境中的化學、物理、生物及精神心理和營養(yǎng)飲食等因素均可導致表觀遺傳學改變，其中的某些變化或可成為環(huán)境暴露的潛在生物學標志物[6-8]。現已發(fā)現，大氣污染物作為重要的環(huán)境暴露因子，可引起機體內出現多種表觀遺傳學改變[9-11]。本文對近年來大氣污染對COPD 表觀遺傳學改變的研究進展進行綜述。

1 DNA甲基化

DNA 甲基化是目前研究最為深入的表觀遺傳學修飾，在DNA 甲基轉移酶 (DNA methyltransferase，DNMT)催化下完成。甲基化可引起DNA 構像、染色質結構、DNA與蛋白質作用方式等發(fā)生改變，DNA 高甲基化通常抑制基因表達，而去甲基化則促進基因的轉錄和表達[8]。大氣污染物可通過改變DNA 甲基化水平從而參與COPD 的發(fā)生、發(fā)展，DNA 不同位點的甲基化或可作為大氣污染暴露對機體健康影響的潛在生物標志物[12]。

氣道炎癥是COPD 重要的病理生理改變，呼出氣一氧化氮 (fraction of exhaled nitric oxide，FeNO)被認為是一種敏感的氣道炎癥標志物，可較好的反映患者氣道內炎癥狀態(tài)，經常被用于評估與大氣污染暴露相關的不良呼吸影響。FeNO 由一氧化氮合酶亞型2 (nitric oxide synthase 2A gene，NOS2A)參與調控生成。既往研究發(fā)現細顆粒物(fine particulate matter，PM2.5)暴露與FeNO 水平相關[13-14]，但不明確PM2.5是如何引發(fā)急性氣道炎癥的。Chen等[15]對上海市某城區(qū)30例COPD 患者進行了6次短期重復性健康調查，發(fā)現PM2.5暴露與口腔黏膜組織內NOS2A 啟動子區(qū)甲基化的減少和FeNO 的增加顯著相關，表明PM2.5可能通過改變NOS2A 啟動子區(qū)的甲基化狀態(tài)而調控一氧化氮 (nitric oxide，NO)的產生，進一步導致氣道組織損傷、加重氣道內炎癥反應。誘導型一氧化氮合酶(inducible nitric oxide synthase，iNOS)是由NOS2A 編碼表達的調控氣道中FeNO 生成的一種關鍵限速酶，鄭鑫等[16]通過動物實驗進一步證實了PM2.5可降低iNOS基因DNA 啟動子區(qū)甲基化水平，促進iNOS基因表達和轉錄，促進NO 生成增加。這些研究可更好地將大氣污染物與COPD 的不良健康結局的機制聯系起來。

二氧化氮 (nitrogen dioxide，NO2)是影響COPD 發(fā)生、發(fā)展的主要氣態(tài)污染物。荷蘭LifeLines大型隊列研究[17]發(fā)現NO2暴露與人群FVC 和第1 秒用力呼氣容積(forced expiratory volume in one second，FEV1)/FVC 下降相關，并與多種DNA 位點異常甲基化相關，為探究NO2是否通過改變DNA 甲基化水平引起肺功能受損，進一步進行中介分析效應分析發(fā)現與NO2暴露相關的CPG位點中，cg14938677 介導了NO2暴露與FVC 的關系，cg14938677和cg18379295介導了NO2暴露與FEV1/FVC的關系，這些位點的甲基化被認為是NO2暴露與肺功能相關的潛在生物標志物。另一項韓國的COPD 人群隊列研究也得到了類似結果[18]，提示NO2通過改變DNA 甲基化水平影響肺功能。為探究NO2對COPD 表型的影響，Zhang等[19]將小鼠暴露于NO2環(huán)境下構建COPD 的肺氣腫表型模型，并設置DNMT 抑制劑+NO2為對照組。研究發(fā)現與對照組相比，單純暴露于NO2組的小鼠FEV1/FVC 及缺氧程度更重，即DNMT 抑制劑可有效改善肺氣腫的形成，或具有潛在治療作用。其他幾個已發(fā)現大氣污染物與COPD 相關的甲基化位點見表1。

表1 大氣污染物與COPD 相關的甲基化位點

2 組蛋白修飾

組蛋白修飾是另一種重要的表觀遺傳修飾。組蛋白是真核生物細胞中與DNA 堿基對共同組成核小體單元的堿性蛋白質，其末端氨基酸殘基可發(fā)生多種共價修飾，包括乙?；?去乙?；?、甲基化、磷酸化等[23-24]。其中，乙?；?去乙酰化是最常見、研究最多的組蛋白修飾。組蛋白在乙酰轉移酶 (histone acetyltransferase，HAT)催化作用下發(fā)生乙?；?，其表面的負電荷被乙酰基中和，與DNA 堿基的結合能力減弱，核小體結構松弛，使DNA 與相關調控元件如轉錄因子、促轉錄因子結合并啟動轉錄，最終上調基因表達[25]。與之相反，組蛋白去乙?；瘎t是在脫乙酰轉移酶 (histone deacetylase，HDAC)催化下組蛋白末端乙?；蝗コ?，通常組蛋白去乙?；蠡虻霓D錄和表達處于抑制狀態(tài)[26-27]。因此，HAT 和HDAC對基因的轉錄和/或沉默起關鍵性調節(jié)作用。

慢性炎癥反應是COPD 重要的發(fā)病機制，如細胞因子、趨化因子、炎性蛋白酶等，這些因子的產生增加受促炎轉錄因子如核因子κB (nuclear factor kappa-B，NF-κB)的調節(jié)，而HDAC 活性下降和/或HAT 增高均可激活NF-κB，導致促炎基因表達增加，其中HDAC2 活性下降是誘導炎性基因表達的關鍵因素[28-29]。既往研究發(fā)現COPD 患者的肺組織、肺泡巨噬細胞、外周血和肌肉組織中HDAC2表達下降[29-33]，導致組蛋白去乙酰化作用減弱，NF-κB 激活，進而啟動一系列炎癥反應。環(huán)氧化酶2(cyclooxygenase-2，COX-2)亦是炎癥反應過程中的關鍵促炎誘導因子，與多種炎性介質共同參與COPD 的氣道炎癥反應，柴油機尾氣顆粒物可通過降低HDAC1 的活性、促進COX-2基因啟動子H4組蛋白乙?；瑢е翪OX-2轉錄增多，促進炎癥反應[34]。顆粒物是我國各城市大氣環(huán)境的主要污染物，PM10可引起HAT 活性升高、IL-8基因啟動子區(qū)域的組蛋白H4乙?；缴?，IL-8產生增多，引起肺部持續(xù)的炎癥反應[35]。綜上，大氣污染物可通過降低HDAC1的活性和/或提高HAT 的活性引起COPD 人群組蛋白乙?；缴?，促進促炎基因的轉錄，引發(fā)肺內持續(xù)的炎癥反應，未來可對HAT 和/或DHAC 酶活性角度開展深入研究，為COPD 治療提供科學參考。

3 miRNA

miRNA 是一類長度為20～24個核苷酸的非編碼單鏈小分子RNA，通過至少6～8 nt長的互補序列與靶標基因的3′端非編碼序列相結合，抑制靶向基因mRNA 的翻譯或介導其降解，從基因轉錄后水平調控靶基因的表達[36]。近年研究發(fā)現miRNA 在環(huán)境化學物質引起的毒理學過程中起著十分重要的作用，發(fā)現污染物可通過改變某些miRNA表達，對機體產生致病效應[37]，并陸續(xù)開展了相關機制研究 (表2)。

表2 大氣污染物與慢阻肺相關的部分miRNA 及作用機制

為找出PM2.5暴露與miRNA 表達之間的相關性，Zhou等[46]等設計了 “低-高-低”PM2.5暴露水平的時間序列研究，研究發(fā)現與低水平暴露 (PM2.5＜50μg/m3)時相比，miR-223-5p在高水平PM2.5暴露后 (PM2.5＞200μg/m3)顯著升高，miR-194-3p顯著降低，且miR-194-3p與肺功能指標FEV1和FVC呈正相關。細胞實驗進一步發(fā)現，miR-194-3p可靶向調節(jié)死亡相關蛋白激酶1 (death-associated protein kinase 1，DAPK1)，而PM2.5抑 制miR-194-3p 表達，使DAPK1增多，促使支氣管上皮細胞凋亡[40]。結果提示，miR-194-3p是PM2.5作用下參與支氣管上皮細胞凋亡的保護性因子，可作為治療PM2.5誘導的支氣管上皮損傷加重的潛在治療靶點。miRNA 除參與大氣污染物引起的細胞凋亡外，亦與污染物導致的炎癥反應有關，Song等[41]發(fā)現PM2.5暴露可降低人氣道上皮細胞中miR-331 表達，導致IκB激酶β(inhibitor of NF-κB kinaseβ，IKK-β)表達的增加和持續(xù)的NF-κB 活化，細胞處于持續(xù)的炎癥環(huán)境中。

缺氧性肺動脈高壓是COPD 晚期并發(fā)癥之一，有研究發(fā)現大氣污染物引起的miRNA 異常表達與COPD 相關的肺動脈高壓有關。缺氧誘導因子1α (hypoxia-inducible factor 1α，HIF-1α)是一種氧依賴性轉錄激活因子，在血管重塑、細胞增殖過程中發(fā)揮重要作用。將小鼠暴露于燃煤污染環(huán)境 (主要成分為SO2、NO2和PM2.5)28 d 后，取肺組織行基因芯片分析發(fā)現有18種miRNA 的表達發(fā)生顯著變化 (6 種上調，12 種下調)，其中與人類同源的miR-338-5p明顯降低。miR-338-5p可靶向下調HIF-1α表達，進而影響COPD 相關的肺動脈高壓[47]，miR-338-5p或可成為治療COPD 及其并發(fā)癥的潛在靶點。

4 LncRNA

LncRNA 亦屬于非編碼RNA，其轉錄本長度大于200 nt，一般不編碼蛋白質，可在表觀遺傳水平、轉錄水平、轉錄后水平調節(jié)基因的表達[48]。生物體內許多信號轉導通路都受LncRNA 的調控，在細胞分化、增殖和凋亡等過程中具有重要作用。

目前LncRNA 主要功能和參與COPD 的病理生理機制仍不清楚，關于大氣污染相關的LncRNA 與COPD 的研究亦較少，且多為細胞實驗。PM2.5可引起人支氣管上皮細胞多種LncRNA 異常表達改變，部分LncRNA 與PM2.5誘導的細胞毒性和基因毒性有關。LncRNAMEG3 可靶向調節(jié)細胞凋亡以及自噬相關蛋白，Li等[49]分析了暴露于交通相關PM2.5下的人支氣管上皮細胞內LncRNA 表達譜，共有1 292條LncRNA 上 調，1 362條LncRNA 上 調，通 過siRNA 干擾表達明顯異常的LncRNAMEG3 后，p53 及凋亡蛋白caspase-3 表達下調，細胞凋亡率減低，提示LncRNAMEG3可能參與PM2.5介導的細胞凋亡和自噬。Xu等[50]發(fā)現，PM2.5可引起人支氣管上皮細胞細胞周期停滯，經PM2.5處理后，LncRNA LINC00341 在人支氣管上皮細胞中顯著上調，通過抑制LncRNA LINC00341的表達可逆轉PM2.5誘導的p21 表達和G2/M 期細胞周期阻滯。上述結果表明，LncRNALINC00341 可能通過調節(jié)p21 的表達來調節(jié)PM2.5誘導的細胞周期阻滯，從而介導PM2.5對支氣管上皮細胞的毒性作用。尚需明確調控大氣污染物對支氣管上皮細胞毒性作用的關鍵LncRNA 分子。

5 展望

表觀遺傳學受環(huán)境因素的影響并可反映環(huán)境的變化，在環(huán)境、基因表型與疾病易感性之間起關鍵作用，提供了可靠的生物學機制解釋環(huán)境暴露與疾病之間的關系的生物學機制。COPD 是由環(huán)境和基因共同作用的多因素復雜疾病，深入研究表觀遺傳學有助于深入了解大氣污染對COPD 發(fā)生、發(fā)展的影響。目前關于表觀遺傳模式及各調控機制間的相互關系仍不明確，仍需在流行病學、細胞生物學、表觀遺傳學等方面開展研究，識別關鍵的表觀遺傳調控機制。

利益沖突 所有作者均聲明不存在利益沖突