組蛋白修飾在酒精成癮中的作用及機(jī)制

唐曉歡，鄧媛，顧悅，吳天輝，孟怡然，孫榮基，彭澎

（云南省藥物依賴防治研究所，昆明 650228）

酒精作為一種中樞神經(jīng)抑制劑，是流行最廣的社會(huì)性成癮物質(zhì)。據(jù)世界衛(wèi)生組織（WHO）發(fā)布的《2018年全球酒精與健康狀況報(bào)告》指出，2016 年全世界有約300 萬(wàn)人因有害使用酒精而死亡，占全球死亡總數(shù)的5.3%。有害使用酒精與多種疾病和損傷相關(guān)，增加意外事故風(fēng)險(xiǎn)，對(duì)個(gè)人、家庭以及社會(huì)都造成了巨大的損失。酒精成癮是一種嚴(yán)重的精神疾病，對(duì)人體產(chǎn)生多方面的影響。本文從表觀遺傳學(xué)的角度對(duì)酒精使用及成癮進(jìn)行綜述，介紹酒精對(duì)組蛋白修飾的影響及其作用機(jī)制。

1 酒精代謝及成癮過(guò)程

酒精是影響大腦發(fā)育最重要的神經(jīng)毒性化合物之一[1]，通過(guò)肝臟中的氧化途徑和肝外組織中的非氧化途徑代謝。直接參與酒精代謝的酶是乙醇脫氫酶（ADH）和乙醛脫氫酶（ALDH）[2]，酒精在ADH 的催化下產(chǎn)生乙醛，乙醛是一種高活性毒性分子，對(duì)DNA 高度反應(yīng)，損害染色體和使干細(xì)胞發(fā)生突變[3]，乙醛隨后在線粒體中代謝為醋酸，并生成高還原性的細(xì)胞環(huán)境，促進(jìn)氧化還原反應(yīng)發(fā)生[4]。細(xì)胞凋亡是正常的細(xì)胞發(fā)育過(guò)程，可消除異?；钴S的神經(jīng)元，然而，酒精作為N-甲基- D-天冬氨酸（NMDA）受體拮抗劑和γ-氨基丁酸（GABA）激動(dòng)劑，會(huì)在大腦中不恰當(dāng)?shù)赜|發(fā)這一過(guò)程，在細(xì)胞中引發(fā)強(qiáng)烈的應(yīng)激反應(yīng)[5]，氧化應(yīng)激除了會(huì)引起染色體異常，還會(huì)導(dǎo)致酶的功能障礙[3]。神經(jīng)影像學(xué)研究已確認(rèn)產(chǎn)前酒精暴露會(huì)引起腦結(jié)構(gòu)異常，如大腦和小腦體積減少，胼胝體發(fā)育不全，海馬體積減少等[5]。

酒精使用障礙（AUDs）是一種慢性復(fù)發(fā)性腦病[6]，其特征是：①對(duì)酒精攝入失去控制；②強(qiáng)迫性使用酒精；③與吸毒有關(guān)的行為；④社會(huì)和職業(yè)問(wèn)題；⑤渴求感；⑥耐受性和戒斷癥狀[7]。與其他濫用物質(zhì)相比，酒精的效力較弱，但對(duì)谷氨酸、GABA、多巴胺和內(nèi)源性阿片受體等多種神經(jīng)系統(tǒng)具有普遍影響[8]，產(chǎn)生中樞系統(tǒng)抑制作用、抗焦慮作用、獎(jiǎng)賞作用等。長(zhǎng)期慢性使用酒精會(huì)使中樞神經(jīng)系統(tǒng)發(fā)生適應(yīng)性改變，出現(xiàn)依賴、戒斷反應(yīng)等[9]。Koob 等人提出的酒精成癮“非穩(wěn)態(tài)理論”，指的就是長(zhǎng)期和過(guò)度的酒精接觸能夠引起大腦功能適應(yīng)性變化，導(dǎo)致調(diào)節(jié)系統(tǒng)偏離穩(wěn)態(tài)[10]。

2 表觀遺傳及調(diào)節(jié)機(jī)制

生物體的遺傳信息分為基因型和表型，基因型就是DNA 堿基序列的改變，直接反映在生物體的遺傳信息表達(dá)上。表觀遺傳是指不改變DNA 序列，而是對(duì)基因調(diào)控的影響因子進(jìn)行結(jié)構(gòu)和功能的修飾，從而改變基因表達(dá)[11]。與不靈活的基因組不同，表觀遺傳機(jī)制對(duì)環(huán)境的干擾很敏感，是轉(zhuǎn)錄的主要調(diào)節(jié)器[3]，也是單個(gè)基因組能產(chǎn)生細(xì)胞多樣性的基礎(chǔ)[2]。有研究提示表觀遺 傳修飾可通過(guò)種系和多代傳遞[6]，影響生物體的繁殖特性[11]。表觀遺傳修飾極其穩(wěn)定，這可能是成癮行為長(zhǎng)期存在的分子基礎(chǔ)之一。當(dāng)基因變異不能完全解釋復(fù)雜疾?。ㄈ鏏UDs）的所有遺傳現(xiàn)象時(shí)，表觀遺傳可能“填補(bǔ)空白”，更好地解釋復(fù)雜疾病的遺傳機(jī)制[6]。

表觀遺傳調(diào)節(jié)機(jī)制主要有DNA 甲基化、組蛋白修飾、染色質(zhì)重塑以及非編碼RNA 等[12]。核DNA 和蛋白質(zhì)之間的復(fù)合體叫做染色質(zhì)，染色質(zhì)的基本組成單位是核小體，核小體的核心由組蛋白H2A、H2B、H3、H4 各一對(duì)組成，周圍圍繞著146 bp 大小的DNA[13]，核小體是真核生物染色質(zhì)的基本結(jié)構(gòu)，染色質(zhì)即是由DNA、組蛋白和非組蛋白組成的纖維結(jié)構(gòu)。表觀遺傳機(jī)制以環(huán)境敏感的方式改變轉(zhuǎn)錄程序，這些機(jī)制不改變DNA 序列而是通過(guò)DNA 和組蛋白尾的化學(xué)修飾來(lái)影響基因表達(dá)[14]，并相互協(xié)同調(diào)控[5]。

3 組蛋白修飾

組蛋白（H）是一種小蛋白質(zhì)，含有高比例的堿性氨基酸（精氨酸和賴氨酸），有助于與負(fù)電荷DNA 分子結(jié)合，組蛋白主要有五種亞型：H1、H2A、H2B、H3和H4[1]。每個(gè)組蛋白的N-末端氨基酸都能發(fā)生大量共價(jià)修飾，即組蛋白修飾[15]。組蛋白修飾是控制DNA 修復(fù)、復(fù)制和轉(zhuǎn)錄的重要表觀遺傳機(jī)制，包括甲基化（精氨酸和賴氨酸殘基）、乙?；ㄙ嚢彼釟埢?、磷酸化（絲氨酸和蘇氨酸殘基）、泛素化、素?；?、adp-核糖化（賴氨酸殘基）和脯氨酸異構(gòu)化等[4]。不同修飾發(fā)生的位點(diǎn)略有不同，與不同的酶催化不同反應(yīng)相關(guān)[16]。組蛋白修飾并不是靜止不動(dòng)的，而是根據(jù)酶的不同調(diào)控處于高度動(dòng)態(tài)中[15]，并且不同的修飾方式會(huì)產(chǎn)生不同的效果[17]。

3.1 組蛋白乙?；?/h3>

乙?；墙M蛋白修飾的主要機(jī)制之一[18]，發(fā)生在核小體組蛋白核心突出的N 端賴氨酸殘基上。乙?；墓w是乙酰輔酶A，組蛋白亞基的尾部插入DNA 的小槽中，并通過(guò)雙螺旋延伸，參與轉(zhuǎn)錄激活（乙酰化）或抑制（去乙?；?。當(dāng)帶正電荷的氨基酸如賴氨酸，被定位在組蛋白的氨基末端時(shí)，添加帶負(fù)電荷的乙酰基中和了賴氨酸的電荷，減弱了核小體和組蛋白尾之間的相互作用，打開(kāi)核小體，使轉(zhuǎn)錄復(fù)合體接觸DNA 模板從而進(jìn)行基因轉(zhuǎn)錄。相反，乙?；娜コ购诵◇w裝配更緊密，阻止了轉(zhuǎn)錄機(jī)制的進(jìn)入，沉默基因表達(dá)[4]。催化這些反應(yīng)的是組蛋白乙?；福℉ATs）和去乙?；福℉DACs）[19]。HDACs 根據(jù)不同亞型的序列相似性和細(xì)胞定位又可分為四類：Ⅰ類HDAC（1、2、3、8），Ⅱ類HDAC（4、5、6、7、9、10），Ⅲ類HDAC 也稱為sirtuins，由SIRT 1-7 組成，HDAC11 屬于Ⅳ類[10]。

乙?；喟l(fā)生在組蛋白H3 和H4 的特定賴氨酸殘 基 上， 如H3K9、H3K14、H3K18、H4K5、H4K8、H4K12[18，20]。H4K5 和H4K12 乙?；怯洃浵嚓P(guān)基因表達(dá)的關(guān)鍵標(biāo)記，表觀遺傳機(jī)制已被證明在記憶和學(xué)習(xí)過(guò)程中發(fā)揮作用。產(chǎn)前和哺乳酒精暴露可引起前額葉皮質(zhì)（PFC）H4K5 和H4K12 乙?；皆黾?，而在海馬體（HPC）中只有H4K5 乙酰化水平增加，這表明發(fā)育性酒精暴露會(huì)導(dǎo)致大腦中特定區(qū)域的表觀遺傳改變，酒精對(duì)組蛋白乙酰化的作用也具有組織、細(xì)胞和腦區(qū)特異性[4]。此外，PFC 中的H4K5 乙?；脚c母親飲酒水平相關(guān)，表明酒精對(duì)H4K5 的乙酰化存在劑量依賴效應(yīng)。在嚙齒動(dòng)物模型中，急性乙醇暴露與杏仁核HDAC 活性下降和H3 和H4 乙酰化增加有關(guān)，在酒精戒斷期可出現(xiàn)杏仁核HDAC 活性增加和組蛋白去乙?；?，而該腦區(qū)HDAC 活性增加、戒斷引起的焦慮行為和神經(jīng)肽Y（NPY）表達(dá)缺陷可通過(guò)使用HDAC 抑制劑Trichoatin-a 來(lái)糾正[21]，NPY 是一種在杏仁核區(qū)域高度表達(dá)的神經(jīng)肽，有證據(jù)表明，較高的NPY 水平能減少酒精使用，較低則會(huì)促進(jìn)酒精使用。其他動(dòng)物研究也表明，使用HDAC 抑制劑和通過(guò)siRNA 敲除HDAC 可以改善酒精引起的焦慮和酒精中毒，提示HDAC 抑制劑對(duì)AUDs 有治療潛力[6]。MMP-9 是一種明膠酶，已被證實(shí)在學(xué)習(xí)、記憶以及毒品濫用等各種神經(jīng)可塑性現(xiàn)象中起重要作用，殷麗天等研究發(fā)現(xiàn)，HDAC6 可調(diào)控 MMP-9 的表達(dá)，影響海馬突觸可塑性，最終使小鼠酒精依賴效應(yīng)增強(qiáng)[22]，Tubastatin A 及其衍生物是已報(bào)道活性、選擇性和類藥性最高的HDAC6 抑制劑[23]，具有重要的潛在治療價(jià)值。非特異性HDAC 抑制劑丁酸鈉（NaB）能夠預(yù)防和逆轉(zhuǎn)乙醇誘導(dǎo)的行為敏化和基因表達(dá)，NaB 的治療顯著減輕了依賴大鼠的過(guò)量酒精攝 入[10]?？偟膩?lái)說(shuō)，HDAC 抑制劑的治療作用是對(duì)HDAC 有抑制作用的小分子通過(guò)血腦屏障進(jìn)入中樞神經(jīng)系統(tǒng)，發(fā)揮抗炎和神經(jīng)保護(hù)功能，幫助恢復(fù)染色質(zhì)重塑，改善異常突觸的可塑性，防止焦慮樣行為，增強(qiáng)記憶形成，并且在認(rèn)知功能減退的神經(jīng)疾病中也顯示出了很好的治療效果[1]。因此酒精能改變組蛋白的乙?；?，而組蛋白的乙酰化水平改變又反過(guò)來(lái)影響酒精的攝取[22]。

酒精不僅影響腦組織遺傳因子，還對(duì)生物體重要器官的生長(zhǎng)發(fā)育產(chǎn)生關(guān)鍵作用，妊娠和哺乳期接觸酒精會(huì)明顯改變基因遺傳印跡、神經(jīng)膠質(zhì)發(fā)育、細(xì)胞周期調(diào)控和神經(jīng)系統(tǒng)生長(zhǎng)[1]。母親在懷孕期間飲酒可能導(dǎo)致胎兒酒精綜合征[12]，該綜合征中最嚴(yán)重的影響之一就是心臟發(fā)育畸形。與胎兒心臟發(fā)育密切相關(guān)的是組蛋白H3[24]，組蛋白乙?；Ш鈺?huì)導(dǎo)致干細(xì)胞心肌樣分化障礙[25]。H3K9 乙酰化對(duì)染色質(zhì)結(jié)構(gòu)、基因表達(dá)和細(xì)胞凋亡起重要作用，也是基因活化的重要標(biāo)志之一。心臟的發(fā)育過(guò)程中有很多轉(zhuǎn)錄因子參與其中，最關(guān)鍵的核心轉(zhuǎn)錄因子是GATA4 及Mef2c[26]，酒精可能通過(guò)干擾 CBP/p300 介導(dǎo)的GATA4 和NKX2.5 啟動(dòng)子區(qū)域H3 乙?；揎?，引起表突變，CBP/p300 是HATs 家族的重要成員，可以調(diào)節(jié)染色質(zhì)結(jié)構(gòu)[4]，核心因子不管是質(zhì)還是量的輕微改變都會(huì)對(duì)心臟發(fā)育造成嚴(yán)重影響。同時(shí)H3K9乙?；恼r(shí)序性也被擾亂，發(fā)生轉(zhuǎn)錄錯(cuò)誤。彭昌等的研究結(jié)果顯示姜黃素可通過(guò)抑制CBP/p300 在啟動(dòng)子區(qū)域的結(jié)合來(lái)降低H3 的高乙?；?，進(jìn)而下調(diào)GATA4、NKX2.5 基因表達(dá)水平[27]。酒精不僅通過(guò)孕母對(duì)胎兒造成影響，孕前父親如果持續(xù)大量攝入酒精也會(huì)導(dǎo)致胎兒生長(zhǎng)發(fā)育異常。路倩等就針對(duì)父代小鼠飲酒是否會(huì)對(duì)子代心肌組織生長(zhǎng)發(fā)育產(chǎn)生影響進(jìn)行了研究，結(jié)果顯示子代小鼠心肌組織中促凋亡蛋白caspase-3 啟動(dòng)子區(qū)域H3K9 乙酰化水平升高，同時(shí)抑凋亡因子Bcl-2 相同區(qū)域H3K27 乙?；斤@著降低[28-29]，提示組蛋白修飾如果發(fā)生在不同氨基酸位點(diǎn)，即可動(dòng)態(tài)調(diào)控一對(duì)相互拮抗基因的轉(zhuǎn)錄，對(duì)基因表達(dá)起到不同作用。

3.2 組蛋白甲基化

同乙?；粯?，組蛋白甲基化也是最具特征、最多的修飾之一[16]。組蛋白甲基化是控制基因表達(dá)、干細(xì)胞成熟、遺傳印跡和細(xì)胞有絲分裂的主要染色質(zhì)修飾[4]。甲基化多發(fā)生在賴氨酸和精氨酸殘基上，包括H3K4、H3K9、H3K27、H3K36、H4K2 等位點(diǎn)[30]。組蛋白甲基化受甲基轉(zhuǎn)移酶（HMT）和去甲基化酶調(diào)控 （KDM）[16]。有超過(guò)50 種人類HMT 和約30 種KDM[14]。組蛋白甲基化可以促進(jìn)或抑制轉(zhuǎn)錄，這取決于被修飾的特定氨基酸殘基[24]。H3K4 的甲基化通常與基因誘導(dǎo)相關(guān)，而H3K27 的甲基化使染色質(zhì)濃縮，抑制基因表達(dá)[14]，如H3K4 二甲基化（H3K4me2）、三甲基化（H3K4me3）和H3K36me3 參與了基因的轉(zhuǎn)錄和激活，而且這種激活作用在H3K9 和H3K14 乙酰化作用存在時(shí)還會(huì)得到一定程度的加強(qiáng)[16]。有趣的是，H3K9me2和H3K9me3 與基因激活有關(guān)，H3K9 和H3K27 的單甲基化與其二甲基化和三甲基化相比，則以相反的方式調(diào)節(jié)基因轉(zhuǎn)錄，這表明修飾的效價(jià)在調(diào)控染色質(zhì)結(jié)構(gòu)時(shí)也很重要[10]。已有研究表明，急性酒精暴露后，大鼠的HDAC 活性下降，引起H3K4me3 增加，而H3K9me2減少，不止動(dòng)物實(shí)驗(yàn)，在酒精成癮者NAc 中也觀察到了H3K9me2 減少，而海馬組織中H3K4me3 的水平升高，說(shuō)明H3K9me2 和H3K4me3 與酒精依賴有關(guān)[11]。同樣的改變也出現(xiàn)在可卡因依賴者的腦部結(jié)構(gòu)中，提示酒精和可卡因的表觀遺傳調(diào)節(jié)機(jī)制有共性，其他易成癮物質(zhì)是否也具有相同的調(diào)節(jié)機(jī)制尚待研究[31]。

HMT 和KDM 協(xié)同調(diào)控組蛋白甲基化過(guò)程，研究證明了HMT 在可卡因和嗎啡成癮的神經(jīng)適應(yīng)中起因果作用，組蛋白甲基轉(zhuǎn)移酶PRDM2 參與了背外側(cè)前額葉皮質(zhì)（dmPFC）的轉(zhuǎn)錄，導(dǎo)致了酒精成癮的發(fā)展。而有研究發(fā)現(xiàn)組蛋白去甲基化酶KDM6B（也稱為JMJD3）在酒精依賴的嚙齒動(dòng)物和人類大腦中存在特定區(qū)域的持續(xù)失調(diào)。KDM6B 在小膠質(zhì)細(xì)胞（大腦中的常駐免疫細(xì)胞）中富集，調(diào)節(jié)免疫應(yīng)答基因?qū)ρ装Y刺激的誘導(dǎo)，酒精會(huì)增加促炎細(xì)胞因子的轉(zhuǎn)錄，炎癥細(xì)胞因子的持續(xù)升高已被證明會(huì)增加對(duì)酒精的渴望和依賴程度，炎癥越來(lái)越被認(rèn)為是酒精成癮發(fā)展的基礎(chǔ)。體內(nèi)KDM6B 蛋白在急性酒精暴露、耐受和依賴、急性戒斷和延長(zhǎng)使用的過(guò)程中受到動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)，KDM6B 可去除H3 上的三甲基標(biāo)記，調(diào)節(jié)炎癥基因的轉(zhuǎn)錄。抑制炎癥的化合物在治療酒精成癮的臨床試驗(yàn)中已取得了成功，KDM6B 靶向化合物可同時(shí)糾正表觀遺傳和神經(jīng)炎癥信號(hào)過(guò)程，有望在AUDs 治療中發(fā)揮關(guān)鍵效用[14]。

組蛋白甲基化可開(kāi)啟或沉默心臟相關(guān)核心轉(zhuǎn)錄因子的轉(zhuǎn)錄，因此同樣在心臟發(fā)育中起到了舉足輕重的作用。前文提到H3K9 乙?；c心臟發(fā)育有關(guān)，H3K9 三甲基化同樣重要，而且還與心肌肥厚及心力衰竭等病理生理過(guò)程息息相關(guān)。羅孝美等研究結(jié)果表明，母親孕期飲酒可使H3K9me3 水平顯著降低，引起GATA4 的過(guò)表達(dá)，與此同時(shí)Cx43、β-MHC 等心臟發(fā)育下游因子也會(huì)受到影響[24]。提示酒精暴露所致的心臟發(fā)育異常不僅與乙?；嘘P(guān)，甲基化修飾也起到了至關(guān)重要的作用。

3.3 組蛋白磷酸化

組蛋白磷酸化由蛋白激酶介導(dǎo)，多發(fā)生在蘇氨酸和絲氨酸殘基上，與轉(zhuǎn)錄激活、DNA 修復(fù)有關(guān)，有時(shí)還參與到細(xì)胞周期動(dòng)力學(xué)中。H3 磷酸化可調(diào)節(jié)某些重要的神經(jīng)通路，如在H3 的絲氨酸10 位上（H3S10）阻斷磷酸化可減弱對(duì)可卡因和嗎啡的行為反應(yīng)。精神興奮劑如苯丙胺、可卡因以及嗎啡均可增加組蛋白H3S10 的磷酸化水平[32]。產(chǎn)前酒精暴露則會(huì)導(dǎo)致組蛋白激活標(biāo)記H3S10 減少[5]。說(shuō)明組蛋白磷酸化也在一定程度上參與了酒精等物質(zhì)成癮過(guò)程。

綜上所述，酒精流行面廣，又與社會(huì)文化緊密相連，傳統(tǒng)觀念里的低害化促成了酒精濫用。長(zhǎng)期接觸酒精可能通過(guò)組蛋白的乙?；⒓谆土姿峄裙矁r(jià)修飾途徑改變蛋白表達(dá)，逐步發(fā)展成精神依賴，影響突觸可塑性，最終形成長(zhǎng)期的神經(jīng)功能改變[22]。了解酒精在表觀遺傳方面的作用不僅有助于深入認(rèn)識(shí)酒精成癮的發(fā)生機(jī)制，也可為探索新的治療方式及藥物開(kāi)發(fā)提供一定的指導(dǎo)意義。