表觀遺傳調控在阻塞性睡眠呼吸暫停綜合征中的作用研究進展

陳 鳳，冷玉芳，任以行，張健民，劉 馨，石亞靜

(蘭州大學 第一臨床醫(yī)學院，甘肅 蘭州 730000)

阻塞性睡眠呼吸暫停綜合征(obstructive sleep apnea，OSA)是以睡眠過程中反復的上呼吸道塌陷，導致睡眠中斷和慢性間歇性低氧(intermittent hypoxia，IH)為特征的一類呼吸系統(tǒng)疾病[1]。未經(jīng)治療的OSA可引起一系列相關并發(fā)癥，包括高血壓、缺血性心臟病、糖尿病、癡呆癥、抑郁癥以及惡性腫瘤的不良結局等[2]。近年來, 作為遺傳與環(huán)境之間紐帶的表觀遺傳修飾與OSA之間的關系越來越受到重視[3-4]，IH是 OSA標志性和關鍵性的病理生理途徑，表觀遺傳修飾可以通過影響長期IH而參與OSA及其并發(fā)癥的發(fā)生和發(fā)展[5-6]。

1 概述

1.1 表觀遺傳學

DNA甲基化、組蛋白修飾和非編碼RNA等表觀遺傳的修飾改變了轉錄因子結合基因的可及性和基因轉錄的速率[7]。部分表觀遺傳調控能夠促進缺氧性肺動脈高壓的發(fā)展及其表型變異，表觀基因組也能夠提供人類對高海拔低氧環(huán)境以及心、腎疾病適應性的分子機制的重要線索[8-9]，對生物醫(yī)學研究具有重要價值。

1.2 OSA的表觀遺傳學機制

OSA患者睡眠時上呼吸道反復塌陷引起低通氣、間歇低氧血癥。慢性間歇性低氧伴復氧(chronic intermittent hypoxia with re-oxygenation，IHR)促進活性氧(reactive oxygen species, ROS)的產(chǎn)生和多種轉錄因子如低氧誘導因子-1(hypoxia inducible factor-1,HIF-1)和核因子κB(nuclear factor kappa-B，NF-κB)的激活，導致比持續(xù)性低氧更嚴重的細胞毒性[10-11]。OSA患者外周血免疫細胞、內皮和其他終末器官通過調節(jié)自身基因表達來適應IHR誘導的氧化應激。當OSA患者受到低氧、毒素或感染等外界刺激后，IHR誘導的表觀遺傳學表現(xiàn)為DNA甲基化和組蛋白修飾使基因啟動子或增強子與轉錄因子相互作用，過度表達的非編碼RNA使轉錄過程沉默或降解靶向信使RNA(mRNA)，進而形成高度復雜的整合調控網(wǎng)絡來控制基因的表達。表觀遺傳修飾的可逆性和非編碼RNA的相對易操作性預示著治療OSA急需的新型藥物的出現(xiàn)。

2 DNA甲基化

2.1 CIH動物的DNA甲基化

慢性間歇性低氧(chronic intermittent hypoxia, CIH)動物模型是經(jīng)典的OSA動物模型，CIH可以通過DNA甲基化抑制抗氧化酶(AOE)，如超氧化物歧化酶1、2(SOD1、SOD2)、硫氧還蛋白還原酶(Txnrd2)和過氧化還蛋白4(Prdx4)等的基因，對血壓、呼吸和頸動脈體化學性反射產(chǎn)生不良影響[10, 12]。新生小鼠CIH能誘發(fā)SOD2基因中靠近轉錄起始點的單個CpG二核苷酸高甲基化，并與SOD2 基因的mRNA、蛋白質和酶活性降低有關，大鼠成年后出現(xiàn)呼吸不規(guī)律、自發(fā)性呼吸暫停和高血壓等心肺功能異常的表現(xiàn)，伴有頸動脈體化學反射亢進[13]。此外，從暴露于CIH的新生小鼠腸系膜動脈分離的CD31(+)內皮細胞檢測發(fā)現(xiàn)，血管緊張素轉換酶1(ACE1)和血管緊張素原(ATG)基因啟動子區(qū)域的DNA低甲基化，并且在成年時表現(xiàn)出收縮壓升高、壓力感受性反射受損和心率變異性降低[14]。因此，可以推測新生動物暴露于CIH時，可能通過AOE基因啟動子區(qū)域高甲基化引起的ROS產(chǎn)生增加，以及ACE/ATG基因低甲基化導致的血管舒張反應減弱，從而在成年時易患自主神經(jīng)功能障礙，而OSA的發(fā)生與自主神經(jīng)功能障礙密切相關[15]。

2.2 OSA患者的DNA甲基化

OSA患兒表現(xiàn)出全身炎性反應增強，T淋巴細胞數(shù)量紊亂，Th1/Th2細胞因子的失衡，這些結果可以歸因于轉錄因子叉頭盒蛋白P3(FOXP3)的DNA高甲基化，這表明表觀遺傳介導的特定T淋巴細胞的下調可能是OSA炎性反應和發(fā)病表型的重要決定因素[16]，并且，OSA患兒的內皮型一氧化氮合酶(eNOS)依賴性血管異常反應與eNOS基因啟動子區(qū)DNA高甲基化有關，提示兒童OSA患者的內皮功能障礙可能與表觀遺傳學有關[17-18]。OSA患者早期DNA甲基化表現(xiàn)為白細胞介素1受體2(IL-1R2)基因啟動子的低甲基化和雄激素受體(AR)基因啟動子的高甲基化，隨后出現(xiàn)成年睡眠時頻繁的低氧表現(xiàn)，表明IL-1R2低甲基化和 AR高甲基化可能是表觀OSA嚴重程度的重要指標。高氨血癥引起的腦內NPR2-cGMP通路的改變可以導致以睡眠-覺醒模式改變和嗜睡為特征的肝性腦病，因此，可以推測NPR2基因啟動子區(qū)域的低甲基化可能在OSA日間過度嗜睡的形成中起重要作用，也有可能是慢性IHR觸發(fā)了這些DNA甲基化改變，進而導致OSA的頻繁低氧和嗜睡表型[19]。

3 組蛋白修飾

3.1 CIH動物的組蛋白修飾

從CIH小鼠主動脈分離出的巨噬細胞檢測出標志促炎和氧化應激信號通路的活化組蛋白 (H3k9ac)的過度表達，與抗炎和谷胱甘肽氧化還原信號途徑有關的抑制性組蛋白 (H3k27me3)相關的基因也過度表達，導致動脈粥樣硬化的形成，這些表觀遺傳學改變與CD36(+)M1巨噬細胞持續(xù)募集到主動脈壁并觸發(fā)動脈粥樣硬化同步發(fā)生。這些結果表明，組蛋白修飾介導的氧化應激和炎性通路的激活可能參與了IH誘導的 OSA內皮功能障礙、動脈粥樣硬化和主動脈重構[20]。

3.2 OSA患者及體外IHR實驗中的組蛋白修飾

Sirtuin 1(SIRT1)是一種Ⅲ類組蛋白脫乙?；?HDAC)，通過調節(jié)eNOS干擾炎性反應和氧化應激的過度發(fā)生，進而對心血管疾病發(fā)揮保護作用。OSA患者血液中SIRT1水平較低，經(jīng)過CPAP或下頜前移裝置治療3個月后，隨著血清硝酸鹽水平和白細胞端粒長度的改變，SIRT1水平升高。相反，HDAC2的上調卻在OSA誘導的內臟脂肪組織儲存紊亂的機制中起關鍵作用，而HDAC2是刺激干擾素基因表達和單核細胞趨化蛋白2分泌所必需的。這些結果表明，IHR誘導的SIRT1低表達和HDAC2過度表達可能與OSA的心血管功能障礙有關。

4 非編碼RNA

4.1 CIH動物和體外IHR實驗中非編碼RNA的表達

miRNAs可以影響CIH過程，并影響缺氧誘導的細胞凋亡和自噬[21]。在CHI大鼠海馬區(qū)發(fā)現(xiàn)，上調的miR-26b和下調的miR-207通過誘導促凋亡蛋白Bax的激活和Bcl-2抗凋亡相關線粒體信號通路的失活導致認知功能障礙[22]。在大鼠CHI模型中發(fā)現(xiàn)，miR-223具有抗血管生成和減輕肺動脈高壓的作用。CIH可誘導大鼠心房重構和纖維化，經(jīng)治療后，心房重構和纖維化程度減輕，其機制可能與miR-21/Spry1/ERK/MMP-9、miR-21/PTEN/PI3K/AKT和NF-κB信號通路有關[23-25]。在小鼠CHI實驗中，發(fā)現(xiàn)miR-155可通過抑制叉頭盒蛋白O3a(FOXO3a)基因正調控NLRP3炎性小體途徑而促進氧化[26]。IH通過下調miR-452使小鼠和人脂肪細胞的抵抗素(RETN)、TNF-α和C-C基序趨化因子配體2 (CCL2)的miRNA表達上升，最終導致胰島素抵抗加重[27]。這些結果表明miR-26b和miR-21的上調，miR-207、miR-223和miR-452的下調可能在CIH或IHR誘導的心血管重構、認知功能障礙和胰島素抵抗的發(fā)生發(fā)展中發(fā)揮作用。

通過對暴露于CHI 8周的大鼠心臟標本進行小型基因芯片研究分析，首次鑒定出289個差異表達的LncRNA，經(jīng)RT-qPCR驗證，其中有3個上調的LncRNA(XR_596701、XR_344474和ENSRNOT00000065561)和3個下調的LncRNA (XR_600374、XR_590196和XR_597099)，這為lncRNAs在 OSA誘導的心血管疾病發(fā)病機制中的潛在作用提供了新的見解[28]。

4.2 OSA患者miRNAs的差異表達

在OSA患者中，miR-485-5p、107和199-3p表達下調，miR-574-5p表達上調，提示差異表達的miRNAs與OSA關系密切。血漿中miR-378a-3p和miR-100-5p下調，miR-486-5p上調可以預測難治性高血壓和OSA患者對CPAP治療的血壓反應。miR-664a-3p在OSA患者中表達下調，并與呼吸暫停低通氣指數(shù)(apnea hypopnea index，AHI)和最大頸動脈中膜厚度呈負相關，提示miR-664a-3p有可能作為OSA動脈粥樣硬化的無創(chuàng)性標志物[29]。以上結果表明OSA患者內皮功能障礙、動脈粥樣硬化和高血壓的發(fā)生可能與miR-574和miR-486-5p上調，miR-485、miR-107、miR-199 和miR-664a下調有關。

5 問題與展望

目前，還沒有關于miRNA基因的異常DNA甲基化在IH中的作用研究,關于特定miRNAs的異常DNA甲基化和組蛋白修飾在OSA中的作用有待進一步研究。未來，通過不斷解析影響miRNAs活性的因素，揭示miRNA介導的基因調控的復雜性，有望在已有miRNA/siRNA的療法基礎上，通過有效的體內遞送系統(tǒng)來靶向治療OSA患者慢性IHR下的特定組織和細胞。還需要進行更多的生物信息學分析，包括基于微陣列或下一代測序的全基因組關聯(lián)方法，以澄清與兒童和成人睡眠障礙表型相關的表觀基因組圖譜，進而開發(fā)針對OSA遺傳易感個體的新的診斷生物標志物和靶向治療。