染色質(zhì)重塑調(diào)控因子與心血管疾病研究進(jìn)展

孫嘉欣 王志華

心血管疾病包括一系列涉及循環(huán)系統(tǒng)的疾病，是全球發(fā)生率和病死率高的主要原因，其主要包括心肌肥厚、冠心病、高血壓、心力衰竭和許多其他疾病。盡管癥狀各不相同，但它們的發(fā)病機(jī)制有許多相似之處，包括炎癥和纖維化等[1]。越來(lái)越多的研究表明，染色質(zhì)重塑在心血管疾病過(guò)程中起到重要作用。染色質(zhì)重塑是重要的表觀遺傳學(xué)機(jī)制，是由染色質(zhì)重塑復(fù)合物介導(dǎo)的一系列以染色質(zhì)上核小體變化為特征的生物學(xué)過(guò)程。在染色質(zhì)重塑過(guò)程中，染色質(zhì)重塑調(diào)控因子發(fā)揮著舉足輕重的作用[2]。本文就染色質(zhì)調(diào)控因子在心血管疾病中的作用展開(kāi)論述。

一、染色質(zhì)重塑及其調(diào)控因子

染色質(zhì)的基本單位是核小體，后者由DNA和被其緊密包裹的組蛋白八聚體構(gòu)成。核小體的形成在基因組DNA壓縮成染色質(zhì)中起著重要作用。然而，組蛋白-DNA的相互作用限制了其他DNA結(jié)合蛋白對(duì)基因組DNA的可及性，并負(fù)性調(diào)節(jié)基因組DNA的功能，如復(fù)制、修復(fù)、重組和轉(zhuǎn)錄。為了確保基因組DNA在染色質(zhì)中發(fā)揮作用，染色質(zhì)的結(jié)構(gòu)必須是動(dòng)態(tài)、可塑的。染色質(zhì)重塑分為兩類：組蛋白翻譯后修飾(post-translational modifications，PTMs)和依賴ATP的染色質(zhì)重塑復(fù)合物(ATP-dependent chromatin remodeling complex)。組蛋白翻譯后修飾是對(duì)組蛋白N末端尾部的氨基酸進(jìn)行磷酸化、乙?；⒓谆?、泛素化等修飾，從而改變了組蛋白對(duì)DNA和與DNA相關(guān)蛋白質(zhì)的親和力，并進(jìn)一步調(diào)節(jié)了轉(zhuǎn)錄活性以及DNA的可及性[3]。而依賴ATP的染色質(zhì)重塑復(fù)合物有4個(gè)亞家族：SWI/SNF(switching defective/sucrose nonfermenting)、ISWI(imitation switch)、CHD(chromodomain，helicase，DNA binding)和INO80(inositol requiring 80)復(fù)合物。其都具有ATP水解-DNA轉(zhuǎn)位酶，利用ATP水解的能量，通過(guò)扭曲或破壞核小體中組蛋白-DNA的接觸來(lái)促使核小體DNA易位，進(jìn)而調(diào)控核小體組裝、染色質(zhì)進(jìn)入和核小體編輯[4]。由此可見(jiàn)，染色質(zhì)重塑是調(diào)控及維持基因組DNA功能的關(guān)鍵。

染色質(zhì)重塑過(guò)程需要多種調(diào)控因子的參與。主要包括：(1)將PTMs加到組蛋白上的酶，如組蛋白乙酰轉(zhuǎn)移酶(histone acetyltransferase，HAT)、組蛋白甲基轉(zhuǎn)移酶(histone methyltransferase，HMT)等。(2)從組蛋白底物上去除特定PTMs的酶，如組蛋白脫乙酰酶(histone deacetylase，HDAC)、組蛋白脫甲基酶(histone demethylase，HDMs)等。(3)識(shí)別組蛋白上的特定PTMs或修飾組蛋白變體的組合，以指導(dǎo)特定的轉(zhuǎn)錄結(jié)果，包括SWI/SNF復(fù)合物(switching defective/sucrose nonfermenting)、溴結(jié)構(gòu)域和額外末端結(jié)構(gòu)域蛋白(bromodomain and extraterminal domain，BET)等[5]。此外，一些染色質(zhì)結(jié)構(gòu)因子如CCCTC結(jié)合因子(CTCF)以及高遷移率族蛋白也參與此過(guò)程。

二、ATP依賴性染色質(zhì)重塑物在心血管疾病及病理中的作用

目前為止，人們對(duì)心臟病理過(guò)程中ATP依賴性染色質(zhì)重塑物作用的認(rèn)識(shí)還僅限于SWI/SNF復(fù)合物。SWI/SNF復(fù)合物在種屬間具有較高的保守性，通過(guò)結(jié)合相應(yīng)的DNA序列，改變?nèi)旧|(zhì)局部形態(tài)，從而調(diào)控基因的表達(dá)[6]。SWI/SNF人類亞家族主要有兩種復(fù)合物成員，一種由10亞基構(gòu)成的BRG1或BRM相關(guān)因子(BRG1/BRM-associated factors，BAF)復(fù)合物，另一種由12個(gè)亞基組成的polybromo相關(guān)BAF(polybromo-associated BAF，PBAF)復(fù)合物。BRM(brahma)和BRG1(brahma-related gene 1)作為SWI/SNF的核心催化亞基在心臟發(fā)育、心臟功能整合及心肌病理性重構(gòu)調(diào)控過(guò)程中均具有重要意義，此外DPF3a(BAF45c)、BAF250a、BAF250b等亞基表達(dá)異常也會(huì)對(duì)心臟發(fā)育造成損害。

1.心臟發(fā)育異常：在胎兒時(shí)期，心肌細(xì)胞中以BRG1的表達(dá)為主，出生后 BRG1迅速回落，并以BRM表達(dá)為主。當(dāng)心臟出現(xiàn)病理表型時(shí)BRG1則再度升高。BRG1通過(guò)控制相關(guān)基因表達(dá)以調(diào)控細(xì)胞增殖分化來(lái)輔助心臟發(fā)育。心內(nèi)膜中的BRG1控制心肌小梁發(fā)育，且胚胎早期敲除BRG1基因，會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重的心臟缺損(如間隔缺損、半月板受損、嚴(yán)重心肌發(fā)育遲滯、心內(nèi)膜發(fā)育受限等)甚至胚胎死亡，這些缺陷均與心肌細(xì)胞的增殖障礙相關(guān)。在成年期心臟組織中靶向敲除BRG1基因后，心肌對(duì)心肌肥厚產(chǎn)生抵抗，從而減輕病理重塑及心力衰竭進(jìn)展[7]。此外，BRG1在先天性心臟病心肌細(xì)胞中的低甲基化和表達(dá)降低同樣證明BRG1的異常表達(dá)與心臟發(fā)育異常密切相關(guān)[8]。

2.病理性心肌肥厚：心室增厚和擴(kuò)大可見(jiàn)于病理性心肌肥厚，其是對(duì)生物力學(xué)應(yīng)力增加的補(bǔ)償反應(yīng)。HATs和HDACs是心臟肥大的重要調(diào)節(jié)劑，在成熟心肌細(xì)胞中，BRG1能夠被異常激活并與HDAC和聚腺苷二磷酸核糖聚合酶1(poly adp-ribose polymerase1，PARP-1)形成復(fù)合物, 誘導(dǎo)心肌細(xì)胞α肌球蛋白重鏈(α-myosin heavy chain，α-MHC)表達(dá)向β肌球蛋白重鏈(β-myosin heavy chain，β-MHC)轉(zhuǎn)變，而α-MHC基因的下調(diào)和β-MHC基因的異常表達(dá)與成熟心肌細(xì)胞的病理性肥厚明確相關(guān)[9]。BRG1還可以在肌球蛋白重鏈6(myosin heavy chain6，Myh6)、肌球蛋白重鏈7(myosin heavy chain7，Myh7)、心鈉肽(atrial natriuretic peptide，ANP)、腦鈉肽(brain natriuretic peptide，BNP)的啟動(dòng)子區(qū)域募集增加，增強(qiáng)其轉(zhuǎn)錄活性，促進(jìn)心力衰竭的發(fā)生、發(fā)展。這提示BRG1和相關(guān)因子可能是治療心肌肥厚和心力衰竭的重要靶點(diǎn)。

3.心肌重構(gòu)：心肌重構(gòu)是高血壓、心肌梗死、心力衰竭等共同的病理生理變化，且BRG1參與此過(guò)程。研究發(fā)現(xiàn)，活化過(guò)氧化物酶體增殖物激活受體γ(peroxisome proliferators-activated receptors，PPARs)會(huì)改善心臟重塑大鼠的心臟功能受損，且減少間質(zhì)纖維化。PPARγ的活化通過(guò)抑制NF-κB通路，下調(diào)了BRG1的活性和轉(zhuǎn)化生長(zhǎng)因子β1(transforming growth factor-β1，TGF-β1)在心臟重塑的表達(dá)。也抑制了細(xì)胞增殖和膠原產(chǎn)生心臟成纖維細(xì)胞[10]。由于TGF-β1在心臟的纖維化重塑、成纖維細(xì)胞活化和細(xì)胞外基質(zhì)沉積中起關(guān)鍵作用，且BRG1可以被心臟應(yīng)激激活并形成HDAC和PARP復(fù)合物導(dǎo)致心肌肥大。因此，通過(guò)激活PPARγ抑制BRG1表達(dá)將是臨床上有望緩解心臟重塑的新型治療靶標(biāo)，并為減緩高血壓、心力衰竭等心臟病的發(fā)展提供新的治療方向。

4．心肌缺血再灌注損傷：心肌缺血再灌注損傷(myocardial ischemic reperfusion injury，MIRI)的標(biāo)志性事件是中性粒細(xì)胞浸潤(rùn)的增加和隨之而來(lái)的炎性反應(yīng)。徐勇等進(jìn)行動(dòng)物實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，與野生型小鼠比較，內(nèi)皮BRG1特異性缺失的小鼠在MIRI 后，表現(xiàn)出心肌梗死面積減小、心臟纖維化減輕及心臟功能更好的恢復(fù)。此外，內(nèi)皮細(xì)胞中BRG1的缺失抑制了MIRI后心臟中性粒細(xì)胞的浸潤(rùn)并下調(diào)了促炎性介質(zhì)的水平[11]。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，BRG1通過(guò)與組蛋白H3K9脫甲基酶JMJD2B相互作用，促進(jìn)了其介導(dǎo)的內(nèi)皮對(duì)中性粒細(xì)胞的黏附作用，加強(qiáng)心肌炎性損傷[12]?？傊?，BRG1-JMJD2B復(fù)合物在內(nèi)皮細(xì)胞中促進(jìn)中性粒細(xì)胞浸潤(rùn)，從而導(dǎo)致心肌缺血再灌注損傷。該研究為挽救MIRI 的心肌細(xì)胞和心臟功能提供重要的干預(yù)靶點(diǎn)。

5．心肌梗死：急性心肌梗死(acute myocardial infarction，AMI)是由于供應(yīng)心臟的血流急劇減少或關(guān)閉導(dǎo)致的心肌細(xì)胞缺血和缺氧和壞死，是心血管疾病病死率高的主要原因之一。因此，更好地理解心肌對(duì)缺血性損傷反應(yīng)的復(fù)雜性可以為AMI的治療或預(yù)防提供新的方法[13]。研究發(fā)現(xiàn)，BRG1對(duì)AMI的缺血缺氧心肌細(xì)胞具有保護(hù)作用。盡管BRG1在成年心肌細(xì)胞中被下調(diào)，但在心臟應(yīng)激時(shí)會(huì)被重新激活。AMI期間BRG1水平上調(diào)，且BRG1的上調(diào)增加了血紅素加氧酶1(heme oxygenase1，HO1)和核因子E2相關(guān)因子2(nuclear factor erythroid2-related factor2，NRF2)的表達(dá)水平，以減輕心肌細(xì)胞的氧化應(yīng)激并上調(diào)心肌細(xì)胞的活力[14]。這使得BRG1-NRF2-HO1途徑可能是預(yù)防AMI患者心臟功能障礙的一種新型治療靶點(diǎn)。

6．心律失常：心律失常是導(dǎo)致心源性猝死的主要原因之一，也是人類心力衰竭中最常見(jiàn)和最重要的病理改變之一。BRG1/BRM可以通過(guò)直接結(jié)合間隙連接蛋白和離子通道基因的啟動(dòng)子，以及通過(guò)抑制c-Myc的表達(dá)來(lái)維持傳導(dǎo)系統(tǒng)幾種心源性轉(zhuǎn)錄因子的表達(dá)[15]。通過(guò)對(duì)BRG1/BRM雙敲除小鼠進(jìn)行超聲心動(dòng)圖和心電圖監(jiān)測(cè)后發(fā)現(xiàn)，BRG1/BRM雙敲除小鼠表現(xiàn)出快速進(jìn)行性心室功能障礙，包括傳導(dǎo)缺陷和惡性心律失常，最終在3周內(nèi)導(dǎo)致心力衰竭和死亡?？梢?jiàn)，BRG1和BRM是心肌內(nèi)心臟傳導(dǎo)所必需的。

三、其他染色質(zhì)調(diào)控因子在心血管疾病中的作用

1．BRD4：BRD4(bromodomain containing4)是BET家族成員，在超增強(qiáng)子(super enhancer，SEs)形成和癌基因表達(dá)調(diào)節(jié)中發(fā)揮重要作用。目前，很多證據(jù)表明BRD4在多種心血管疾病中也起著關(guān)鍵作用。

研究發(fā)現(xiàn)，抑制BRD4會(huì)促進(jìn)載脂蛋白和高密度脂蛋白的增加，促進(jìn)膽固醇動(dòng)員，延緩動(dòng)脈粥樣硬化的發(fā)展[16]。其次，炎癥信號(hào)可以通過(guò)HATp300促進(jìn)NF-κB乙酰化，而B(niǎo)RD4可以被乙?；腘F-κB招募成為促炎基因的增強(qiáng)子和啟動(dòng)子進(jìn)而形成SE位點(diǎn)[17]。BRD4還會(huì)上調(diào)活性氧(reactive oxygen species，ROS)的產(chǎn)生，持續(xù)炎癥和ROS的過(guò)度產(chǎn)生會(huì)導(dǎo)致內(nèi)皮功能障礙，增加冠脈斑塊的脆性和血栓栓塞的風(fēng)險(xiǎn)[18]。

BRD4是一種乙酰賴氨酸讀碼蛋白，能夠輔助病理基因表達(dá)。BRD4識(shí)別組蛋白的變化，將染色質(zhì)介導(dǎo)的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)到RNA聚合酶Ⅱ，從而激活參與心臟肥大、心力衰竭等發(fā)病機(jī)制中的多種轉(zhuǎn)錄因子表達(dá)。在PE誘導(dǎo)的心臟肥大模型中，BRD4被包括NPPA和NPPB在內(nèi)的病理基因的啟動(dòng)子招募，參與心肌細(xì)胞中SE的形成以誘導(dǎo)這些基因的轉(zhuǎn)錄，從而加劇心力衰竭的發(fā)生和進(jìn)展[19]。

研究發(fā)現(xiàn),BRD4的表達(dá)增加且BRD4的表達(dá)水平與血壓呈正相關(guān)，而使用BRD4抑制劑可顯著降低高血壓大鼠模型中AngⅡ、TNF-α、內(nèi)皮素1的水平，并顯著提高一氧化氮水平和錳超氧化物歧化酶(Mn-superoxide dismutase，MnSOD)的活性[17]?？傊种艬RD4對(duì)高血壓、心臟肥大等心血管疾病的進(jìn)展具有阻遏作用，其有可能成為心血管疾病的治療標(biāo)靶。

2．CCCTC結(jié)合因子：近年來(lái)，染色體構(gòu)象捕獲(3C)技術(shù)推動(dòng)了人們對(duì)染色質(zhì)三維結(jié)構(gòu)的認(rèn)識(shí)。染色質(zhì)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)域(topological associated domain，TADs)是染色質(zhì)高階結(jié)構(gòu)中重要的結(jié)構(gòu)單元，在物種間高度保守，十分穩(wěn)定。TADs在調(diào)控基因表達(dá)、細(xì)胞分化、系統(tǒng)發(fā)育等生物學(xué)過(guò)程中起重要作用。TADs的形成依賴于兩個(gè)高度保守因素的相互作用：凝聚素和CCCTC結(jié)合因子(CTCF)。凝聚素是一種環(huán)狀復(fù)合物，最初被認(rèn)為是姐妹染色單體凝聚的介質(zhì)，CTCF利用其11個(gè)鋅指結(jié)構(gòu)域的獨(dú)特組合與其他蛋白質(zhì)相互作用，并以序列特異性方式結(jié)合整個(gè)基因組[20]。CTCF可阻止增強(qiáng)子和啟動(dòng)子之間的相互作用，CTCF結(jié)合位點(diǎn)在TAD邊界富集，且CTCF或其結(jié)合位點(diǎn)在這些邊界的缺失影響結(jié)構(gòu)域間和結(jié)構(gòu)域內(nèi)的相互作用，隨后影響基因表達(dá)的調(diào)節(jié)[21]。

Rosa-Garrido團(tuán)隊(duì)用3C技術(shù)首次繪制了成人心肌細(xì)胞的3D染色質(zhì)的結(jié)構(gòu)圖。他們發(fā)現(xiàn)CTCF的特異性敲除可誘導(dǎo)心肌病且加速死亡，這通過(guò)射血分?jǐn)?shù)降低、左心室內(nèi)徑和纖維化增加以及心臟肥大來(lái)測(cè)量[22]。此外，施行主動(dòng)脈弓縮窄術(shù)(TAC)的小鼠心肌細(xì)胞染色質(zhì)結(jié)構(gòu)大致保持穩(wěn)定，而CTCF敲除小鼠表現(xiàn)出約99% TADs破壞，CTCF環(huán)消失。對(duì)假手術(shù)和TAC術(shù)小鼠心肌細(xì)胞行HE染色顯示CTCF缺失小鼠的心臟擴(kuò)張更加明顯[23]。另外，長(zhǎng)非編碼RNA SNHG16在心臟肥大模型中的表達(dá)較高，且SNHG16的沉默可能會(huì)通過(guò)靶向miR-182-5p/IGF1軸抑制AngⅡ引起的心臟肥大。CTCF作為SNHG16的轉(zhuǎn)錄因子，可增強(qiáng)其表達(dá)并上調(diào)其靶向miR-182-5p/IGF1軸加速AngⅡ誘導(dǎo)的心臟肥大[24]?？傊?，CTCF的結(jié)構(gòu)完整和正常表達(dá)對(duì)染色質(zhì)空間結(jié)構(gòu)、心臟發(fā)育及功能至關(guān)重要。

3.高遷移率族蛋白：高遷移率族蛋白B2(high mobility group protein b2，HMGB2)和高遷移率族蛋白B1(high mobility group protein b1，HMGB1)是高遷移率族家族的成員，其通過(guò)結(jié)合DNA以穩(wěn)定核小體和參與轉(zhuǎn)錄、復(fù)制和DNA修復(fù)。研究發(fā)現(xiàn)，在肥大心臟中，HMGB1的表達(dá)減少，且HMGB1的缺失會(huì)增加胎兒心臟基因表達(dá)，而HMGB1的過(guò)度表達(dá)則會(huì)抑制胎兒心臟基因的表達(dá)[25]。這些證據(jù)表明HMGB1可防止肥大，這與HMGB1對(duì)DNA損傷的抑制作用有關(guān)。

另外，Yuichi等研究發(fā)現(xiàn)，心肌細(xì)胞中HMGB2的缺失會(huì)通過(guò)使蛋白激酶B失活和肌質(zhì)網(wǎng)鈣離子ATP酶2a(Ca2+ATPase2a)活性降低來(lái)導(dǎo)致心臟肥大并增加心力衰竭相關(guān)基因的表達(dá)，引起心臟功能障礙[26]。在TAC誘導(dǎo)的心臟肥大模型中HMGB2的表達(dá)明顯升高，且TAC后，HMGB2缺失小鼠表現(xiàn)出比野生小鼠加重的心功能障礙和加速的心力衰竭發(fā)展，心力衰竭標(biāo)志物也更高。由此可知，心臟HMGB2的上調(diào)是對(duì)心臟應(yīng)激的適應(yīng)性反應(yīng)，HMGB2可能起著心臟保護(hù)作用。

四、展 望

基于對(duì)表觀遺傳學(xué)的深入研究，染色質(zhì)調(diào)控因子在心臟發(fā)育、心肌病、心力衰竭等心血管疾病中發(fā)揮的重要作用越來(lái)越受到重視。而上述調(diào)控染色質(zhì)重塑的因子分別從細(xì)胞炎癥、轉(zhuǎn)錄、染色質(zhì)構(gòu)象改變等方面參與心血管疾病過(guò)程。盡管當(dāng)前研究表明BRG1在治療心律失常、心肌肥厚、心力衰竭等心臟疾病有很大臨床轉(zhuǎn)化潛能，但除SWI/SNF復(fù)合物以外的其他ATP依賴的染色質(zhì)重塑復(fù)合物對(duì)心血管疾病的作用仍有待研究。同時(shí)，Hi-C、3C、5C等技術(shù)手段的發(fā)展使我們認(rèn)識(shí)到受這些因子調(diào)控的染色質(zhì)的三維空間結(jié)構(gòu)改變、拓?fù)鋭?dòng)力學(xué)變化、染色質(zhì)可及性改變以及疾病亞型特異的染色質(zhì)構(gòu)象改變[27]。這為研究新型的干預(yù)靶點(diǎn)、干預(yù)策略，包括相關(guān)抑制劑、激動(dòng)劑、調(diào)節(jié)劑等干預(yù)類型以及預(yù)后提供新的理論基礎(chǔ)和研究方向。