JMJD3在帕金森病中的研究進展

邵曉妮，吳美薇，何彭可

(西南民族大學藥學院，四川 成都 610041)

帕金森病(Parkinson′s disease，PD)是多發(fā)于中老年人的錐體外系疾病中的一種，又稱震顫麻痹，是目前僅次于阿爾茲海默癥的第二大神經系統(tǒng)疾病，病程為慢性進展性，尚無有效預防辦法，且會隨著年齡的增長，患病率成倍升高[1]。雖因病患者個體差異不同而出現(xiàn)首發(fā)癥狀的差異，其主要癥狀多表現(xiàn)為震顫、運動困難、肌強直、平衡或姿勢異常等，其中部分病患者后期還會出現(xiàn)認知障礙。PD發(fā)病的主要原因是腦內黑質紋狀體病變造成多巴胺能神經元中多巴胺含量降低[2]，因此，當前多會用左旋多巴、吡貝地爾或抗膽堿藥等藥物進行治療，或通過中腦移植進行干預，但這些藥物僅僅能夠延緩病癥，或者僅適用于早期輕癥患者的治療，醫(yī)療干預手段同樣也出現(xiàn)了一定的弊端，都無法達到根治效果，且多會出現(xiàn)各種各樣的毒副反應[3]。研究表明，小膠質細胞的激活能夠加重神經元的損傷[4]，而JMJD3則可以抑制其活化所致的炎癥反應，以減少多巴胺水平的降低，從而抑制多巴胺能神經元的死亡，來抑制或減緩神經退行性疾病的發(fā)生與發(fā)展。因此，JMJD3與PD之間的聯(lián)系可以作為治療帕金森病的一個新的思路展開更多后續(xù)的研究。

1 JMJD3的結構、功能

JMJD的家族成員由鋅指結構、Fe2+離子結合位點和一個含有JmjC的酮戊二酸依賴性的去甲基化酶活性結構域組成[5]。JmjC結構域與Fe2+、α-酮戊二酸以及O2共同參與催化組蛋白，進而生成羥基化中間體，隨后生成不穩(wěn)定的半氨醛，并進一步分解，產生去甲基化賴氨酸[6]。盡管JMJD家族成員都可以催化組蛋白的去甲基化修飾，但它們對于催化底物的選擇依然存在著一定的差異。

1.1 JMJD3的結構JMJD3 (jumonji domain-containing protein 3)，又稱之為KDM6B (lysine (K) -specific demethylase 6B)，屬于JMJD家族成員，是一種含JmjC結構域的組蛋白H3第27位賴氨酸二甲基和三甲基化的去甲基化酶，能夠特異性催化組蛋白H3K27去甲基化[7]。在人體內，JMJD3基因位于17p13.1上，JMJD3蛋白含有1 641個氨基酸，且只包含了1個可識別的保守結構域，即去甲基化酶活性JmjC結構域的C-末端結構片段。

1.2 JMJD3的功能研究發(fā)現(xiàn)，JMJD3在巨噬細胞、內皮細胞和神經系統(tǒng)的分化、細胞的異常癌變等方面都起到了一定的調控作用。JMJD3的功能主要可以分為3類：一是作為組蛋白去甲基化酶影響基因的表達。由于組蛋白的甲基化通常發(fā)生在精氨酸或賴氨酸殘基上，而這些殘基能夠影響其他組蛋白的修飾，并且可以影響染色質結構改變和基因的表達，而JMJD3能夠通過組蛋白去甲基化消除對于某些基因的抑制，以上調基因的表達。如H3K27的三甲基化(trimethylation of Lys27 of histone H3，H3K27me3)是基因轉錄抑制的標志[8]，而H3K27me3是維持多能干細胞的標志之一，通常與不活躍的基因啟動子相關，H3K27去甲基化后可以激活基因的表達，如JMJD3能夠通過對p16INK4a啟動子上進行H3K27me3去甲基化，改變其轉錄的修飾狀態(tài)，促進p16基因的表達，從而促使細胞衰老。大量體外研究表明，在細胞進行生命活動，如分化的過程中，JMJD3的表達呈現(xiàn)出上升的趨勢，同時，H3K27me3的水平在與發(fā)育基因相關的區(qū)域呈現(xiàn)明顯減少，從而能夠促進細胞分化；相反，若JMJD3的表達被抑制，則H3K27me3的含量增加，便會造成器官發(fā)育缺陷。因而得出JMJD3可能具有H3K27me2/3去甲基化酶活性[9]。二是能夠催化非組蛋白的甲基化，影響細胞分化，促進細胞衰老。三是JMJD3具有非依賴甲基化酶活性，例如不需要JmjC結構域催化活性的參與，可以通過調控下游蛋白來發(fā)揮生物活性[10]。此外，JMJD3還可以作為轉錄因子直接調控靶細胞基因的轉錄[5]，同時還在調控基因表觀遺傳、細胞記憶以及細胞生長和凋亡的調控等方面也都發(fā)揮著重要作用。具體來說，JMJD3能夠影響多種細胞過程，如細胞的增殖、分化、衰老和凋亡[11-13]。并且，JMJD3的調控具有高度特異性，對基因和環(huán)境反應十分敏感，也涉及到多種組織反應，如脊椎動物的生長發(fā)育、炎癥性疾病、癌癥病變和神經退行性疾病等[9]。

2 JMJD3在小膠質細胞介導神經炎癥中的作用

2.1 小膠質細胞的結構和功能小膠質細胞是巨噬細胞的一種，通常存在于大腦和脊髓中，在中樞神經系統(tǒng)中起著免疫防御、炎癥調理以及識別吞噬等作用。小膠質細胞能夠通過各種感染性物質的相互作用被激活，產生活化并迅速發(fā)生反應[14]。小膠質細胞的活化可分為經典活化(M1表型或過活化表型)和替代活化(M2表型)兩大類[15]。小膠質細胞的M1為神經毒性型，主要承擔抗原呈遞、吞噬和促炎的作用，其激活與許多促炎介質的產生和釋放相關，這些促炎介質包括活性氧(reactive oxygen species，ROS)、一氧化氮(nitric oxide，NO)、細胞因子等[16]。但長期或過度的小膠質細胞M1表型的激活可能會促成病理性炎癥，這些炎癥便可導致PD的發(fā)病和發(fā)展。

與M1表型相反的是，M2型小膠質細胞為神經營養(yǎng)和神經保護型，具有一定的抗炎作用，能夠促進傷口愈合和組織的修復，其中白介素(IL-4、IL-13、IL-10)以及轉化生長因子(transforming growth factor，TGF)-β等為主要的抗炎細胞因子[17]，都對機體具有一定的保護作用。

2.2 JMJD3和小膠質細胞與PD的聯(lián)系Zhao等[13]的研究發(fā)現(xiàn)，小膠質細胞介導的神經炎癥在PD發(fā)病過程中發(fā)揮了重要的作用。前期有學者在PD患者的中腦黑質區(qū)致密帶中發(fā)現(xiàn)了活化的小膠質細胞，并提出小膠質細胞活化可能會導致多巴胺能神經元的變性，進而造成神經元死亡，引起相關神經退行性疾病發(fā)生[18-19]。

有研究在PD患者的腦脊液中發(fā)現(xiàn)了腫瘤壞死因子α (tumor necrosis factor，TNF)-α、白細胞介素6(interleukin- 6，IL-6)等和M1型細胞相關的炎癥因子的表達呈現(xiàn)升高，且伴隨著一過性的M2炎癥反應以及少量以精氨酸酶1(arginase 1)和CD206為標志的M2型小膠質細胞的出現(xiàn)。且M2型小膠質細胞數(shù)量下降，損傷范圍呈現(xiàn)擴大趨勢。此外，有研究發(fā)現(xiàn)小膠質細胞不同功能的M1型和M2型兩種極化表型受組蛋白H3K27me3去甲基化酶JMJD3的調控。其中，arginase1是JMJD3介導的M2極化的作用靶點，抑制JMJD3能夠抑制arginase1的表達增加。因此，當小膠質細胞中JMJD3水平降低時，M2型小膠質細胞的表達受到抑制，導致小膠質細胞中促炎因子的表達水平大大提高，M1型的表達水平相應上升，即M1小膠質細胞的炎癥反應增強，將會導致神經元出現(xiàn)大量死亡。若下調腦內黑質區(qū)中的JMJD3水平，則會造成多巴胺能神經元死亡明顯加劇[9]，并且，M2型小膠質細胞無法阻止M1型誘導所致的神經元死亡，說明通過治療M2型活化表達不能拮抗M1型小膠質細胞所造成的炎癥反應。同時，越來越多的證據(jù)表明，表觀遺傳機制能夠參與調節(jié)衰老相關的細胞行為[20]，而細胞衰老會導致中腦內H3K27me3水平升高，JMJD3水平下調，這也將可能會促使小膠質細胞表型從M2向M1轉變[21]，從而加速神經元的死亡，促進PD的發(fā)展。

研究結果共同表明JMJD3對小膠質細胞的活化是重要的、不可缺少的。因此，調節(jié)JMJD3的arginase1靶點可能會成為治療PD的一種有效途徑[23]。通過JMJD3的調控來維持小膠質細胞中M1和M2型組蛋白的活化平衡狀態(tài)對于阻止PD的發(fā)生和發(fā)展有一定作用。

3 JMJD3和多巴胺能神經元對PD的影響

多巴胺能神經元是一種能夠合成和釋放多巴胺能作為神經遞質的神經元，通過合成和分泌多巴胺來調控運動機制，并參與情緒的調節(jié)。Jayaraj、Isingrini等[22-23]的研究表明，PD的特征是中腦黑質區(qū)多巴胺能神經元變性丟失，紋狀體內多巴胺水平降低。因此可見多巴胺能神經元的生理狀態(tài)可以直接影響著PD的發(fā)生和發(fā)展。

越來越多的證據(jù)表明，通過去除相關基因啟動子區(qū)域的DNA甲基化和抑制組蛋白編碼，上調一系列多巴胺能神經元特異性發(fā)育和表型基因可以治療PD。表觀遺傳修飾參與調控DA神經元的發(fā)育，而H3K27me3是具有轉錄抑制作用的表觀遺傳修飾，在DA神經元的生長分化、成熟等一系列重要的細胞生命活動過程中都發(fā)揮著重要調控作用。有研究發(fā)現(xiàn)，與中腦早期發(fā)育過程中H3K27me3水平變化對于DA神經元的影響不同的是，若敲減成年大鼠組蛋白去甲基化酶JMJD3使H3K27me3的水平上調，則會出現(xiàn)M1型小膠質細胞數(shù)量的增加，并且炎癥反應增強，能夠加速神經元的死亡，增加PD的發(fā)病率。Tang等[21]通過抗酪氨酸羥化酶的免疫染色以及免疫印跡試驗也證實了敲除JMJD3基因能夠導致更多的DA神經元的死亡。此外，有研究表明去甲基化酶JMJD3能夠抑制體外培養(yǎng)的中腦源神經干細胞(ventral midbrain derived neural stem cells，VM-NSCs)在分化過程中的H3K27me3表達水平的上升，使得VM-NSCs向DA神經元分化，從而抑制PD的發(fā)生與發(fā)展。

與此同時，有研究提到胎兒中腦移植已被臨床應用于PD患者，并取得了一定的治療效果[24]。然而，由于供體組織有限，治療結果不完全一致，并且出現(xiàn)了運動障礙等副作用，使得這種方法無法廣泛應用于PD的治療。因此，研究通過體外培養(yǎng)從中腦腹側區(qū)組織中獲得的神經干細胞/前體細胞(neural stem cells，NSCs)，以達到能夠系統(tǒng)地控制移植DA神經元的質量和數(shù)量的水平。然而，因DA神經元潛能在體外NSCs的擴增中呈現(xiàn)嚴重下降，也使其失去了治療價值[25]。

He等[26]的研究表明，中腦特異性標志物Foxa2、Lmx1A/B和Nurr1的表達對多巴胺能神經元功能、存活和表型維持至關重要。研究通過含有維生素C(vitamin C，VC)的試液處理NSCs后，觀察到Foxa2和Lmx1a啟動子區(qū)域的H3K27m3水平下降。而參與JMJD3介導H3K27m3去甲基化的是VC誘導的DA神經元分化組蛋白去甲基化酶Fe(II)-2-oxoglutarate依賴的雙氧合酶，其活性被認為受VC調控。這表明H3K27m3的JMJD3依賴性去甲基化是VC誘導多巴胺能神經元分化的另一種表觀遺傳機制[26-27]。因此，通過VC去除相關基因啟動子區(qū)域的DNA甲基化和抑制組蛋白編碼，上調一系列多巴胺能神經元特異性發(fā)育和表型基因，有治療PD的可能性；同時，若VC誘導JMJD3抑制H3K27me3來調節(jié)神經干細胞DA神經元的水平，能夠解決DA神經元潛能在體外NSCs擴增中下降的問題，為NSCs移植療法在未來治療PD中提供可能性。

4 JMJD3在PD中的作用

小膠質細胞和多巴胺能神經元在正常狀態(tài)下能夠構成一個穩(wěn)定的生理生存環(huán)境，小膠質細胞通過激活活化，極化形成不同功能的組蛋白表型，來調控神經元的生存和死亡，使其達到并能夠維持著正常的穩(wěn)態(tài)。但環(huán)境毒素、年齡老化、細胞凋亡等都可能打破這種平衡，從而加劇神經元的損傷、丟失、死亡，進而引發(fā)PD[21]。因此，維持這種平衡，減少神經元的損失與死亡對于降低PD的發(fā)病率是十分重要的。

通過調控JMJD3的arginase1靶點維持小膠質細胞組蛋白的活化平衡，即調控M1型和M2型小膠質細胞的水平，以控制神經元的死亡，即當JMJD3表達下調時，H3K27me3的表達會相應呈現(xiàn)上升，同時M2型小膠質細胞的表達會受到抑制，使得M1型小膠質細胞的表達相應升高，炎癥反應則大大增強，打破生理穩(wěn)態(tài)，進而使得神經元的死亡加劇，加大了神經退行性疾病的發(fā)生率；若使JMJD3抑制H3K27me3的表達上調，則DA神經元的數(shù)量會相應增加，從而在一定程度上出現(xiàn)了抑制或減緩PD發(fā)生和發(fā)展的可能性。可見，調控JMJD3的表達也能夠控制DA神經元數(shù)量的增減，抑制JMJD3會將小膠質細胞M2表型向有害的M1表型轉變，最終加速DA神經元的死亡。因此，JMJD3對于調控H3K27me3的表達以及調控小膠質細胞的活化平衡狀態(tài)是十分重要的，而這類調控能夠直接影響DA神經元的發(fā)育，控制神經元數(shù)量的增減，進而影響PD的發(fā)生發(fā)展。

5 總結

綜上所述，JMJD3對于細胞增殖、分化、衰老和胚胎發(fā)育等都有著一定的作用。其作為一種組蛋白去甲基酶，同時也是H3K27me3抑制劑，能夠調控小膠質細胞的活化，進而影響多巴胺能神經元的生存環(huán)境，影響小膠質細胞和多巴胺能神經元的穩(wěn)態(tài)，從而對PD的發(fā)生和發(fā)展造成一定的影響。若抑制JMJD3表達水平或敲除JMJD3，會造成小膠質細胞的炎癥反應以及DA神經元的大量損失、死亡，進而加劇PD的發(fā)生率。因此，通過調節(jié)小膠質細胞JMJD3的水平來維持小膠質細胞的正?；罨胶猓约癑MJD3能夠調控H3K27me3表達水平來調控多巴胺能神經元數(shù)量的作用，為疾病的治療提供靶點，應該視為治療PD的關鍵有效著手點。此外，JMJD3通過VC誘導的表觀遺傳學修飾也為PD的治療提供了極大的可能性，有著十分重要的作用。盡管當前的研究對于JMJD3的一些作用機制仍存在著疑問，但可以確定，JMJD3的確對小膠質細胞和多巴胺能神經元都有著一定的影響，并且對于PD的有效治療有著十分可觀的作用。