表觀遺傳調(diào)控在阻塞性睡眠呼吸暫停綜合征中的作用研究進(jìn)展

陳 鳳，冷玉芳，任以行，張健民，劉 馨，石亞靜

(蘭州大學(xué) 第一臨床醫(yī)學(xué)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(fù)的上呼吸道塌陷，導(dǎo)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(guān)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(jié)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(guān)系越來越受到重視[3-4]，IH是 OSA標(biāo)志性和關(guān)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(xué)

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(zhuǎn)錄因子結(jié)合基因的可及性和基因轉(zhuǎn)錄的速率[7]。部分表觀遺傳調(diào)控能夠促進(jìn)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(yīng)性的分子機(jī)制的重要線索[8-9]，對生物醫(yī)學(xué)研究具有重要價值。

1.2 OSA的表觀遺傳學(xué)機(jī)制

OSA患者睡眠時上呼吸道反復(fù)塌陷引起低通氣、間歇低氧血癥。慢性間歇性低氧伴復(fù)氧(chronic intermittent hypoxia with re-oxygenation，IHR)促進(jìn)活性氧(reactive oxygen species, ROS)的產(chǎn)生和多種轉(zhuǎn)錄因子如低氧誘導(dǎo)因子-1(hypoxia inducible factor-1,HIF-1)和核因子κB(nuclear factor kappa-B，NF-κB)的激活，導(dǎo)致比持續(xù)性低氧更嚴(yán)重的細(xì)胞毒性[10-11]。OSA患者外周血免疫細(xì)胞、內(nèi)皮和其他終末器官通過調(diào)節(jié)自身基因表達(dá)來適應(yīng)IHR誘導(dǎo)的氧化應(yīng)激。當(dāng)OSA患者受到低氧、毒素或感染等外界刺激后，IHR誘導(dǎo)的表觀遺傳學(xué)表現(xiàn)為DNA甲基化和組蛋白修飾使基因啟動子或增強(qiáng)子與轉(zhuǎn)錄因子相互作用，過度表達(dá)的非編碼RNA使轉(zhuǎn)錄過程沉默或降解靶向信使RNA(mRNA)，進(jìn)而形成高度復(fù)雜的整合調(diào)控網(wǎng)絡(luò)來控制基因的表達(dá)。表觀遺傳修飾的可逆性和非編碼RNA的相對易操作性預(yù)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(xué)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(zhuǎn)錄起始點(diǎn)的單個CpG二核苷酸高甲基化，并與SOD2 基因的mRNA、蛋白質(zhì)和酶活性降低有關(guān)，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(xué)反射亢進(jìn)[13]。此外，從暴露于CIH的新生小鼠腸系膜動脈分離的CD31(+)內(nèi)皮細(xì)胞檢測發(fā)現(xiàn)，血管緊張素轉(zhuǎn)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(dǎo)致的血管舒張反應(yīng)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(guān)[15]。

2.2 OSA患者的DNA甲基化

OSA患兒表現(xiàn)出全身炎性反應(yīng)增強(qiáng)，T淋巴細(xì)胞數(shù)量紊亂，Th1/Th2細(xì)胞因子的失衡，這些結(jié)果可以歸因于轉(zhuǎn)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(dǎo)的特定T淋巴細(xì)胞的下調(diào)可能是OSA炎性反應(yīng)和發(fā)病表型的重要決定因素[16]，并且，OSA患兒的內(nèi)皮型一氧化氮合酶(eNOS)依賴性血管異常反應(yīng)與eNOS基因啟動子區(qū)DNA高甲基化有關(guān)，提示兒童OSA患者的內(nèi)皮功能障礙可能與表觀遺傳學(xué)有關(guān)[17-18]。OSA患者早期DNA甲基化表現(xiàn)為白細(xì)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(yán)重程度的重要指標(biāo)。高氨血癥引起的腦內(nèi)NPR2-cGMP通路的改變可以導(dǎo)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(jìn)而導(dǎo)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(xì)胞檢測出標(biāo)志促炎和氧化應(yīng)激信號通路的活化組蛋白 (H3k9ac)的過度表達(dá)，與抗炎和谷胱甘肽氧化還原信號途徑有關(guān)的抑制性組蛋白 (H3k27me3)相關(guān)的基因也過度表達(dá)，導(dǎo)致動脈粥樣硬化的形成，這些表觀遺傳學(xué)改變與CD36(+)M1巨噬細(xì)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(jié)果表明，組蛋白修飾介導(dǎo)的氧化應(yīng)激和炎性通路的激活可能參與了IH誘導(dǎo)的 OSA內(nèi)皮功能障礙、動脈粥樣硬化和主動脈重構(gòu)[20]。

3.2 OSA患者及體外IHR實(shí)驗(yàn)中的組蛋白修飾

Sirtuin 1(SIRT1)是一種Ⅲ類組蛋白脫乙酰化酶(HDAC)，通過調(diào)節(jié)eNOS干擾炎性反應(yīng)和氧化應(yīng)激的過度發(fā)生，進(jìn)而對心血管疾病發(fā)揮保護(hù)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(xì)胞端粒長度的改變，SIRT1水平升高。相反，HDAC2的上調(diào)卻在OSA誘導(dǎo)的內(nèi)臟脂肪組織儲存紊亂的機(jī)制中起關(guān)鍵作用，而HDAC2是刺激干擾素基因表達(dá)和單核細(xì)胞趨化蛋白2分泌所必需的。這些結(jié)果表明，IHR誘導(dǎo)的SIRT1低表達(dá)和HDAC2過度表達(dá)可能與OSA的心血管功能障礙有關(guān)。

4 非編碼RNA

4.1 CIH動物和體外IHR實(shí)驗(yàn)中非編碼RNA的表達(dá)

miRNAs可以影響CIH過程，并影響缺氧誘導(dǎo)的細(xì)胞凋亡和自噬[21]。在CHI大鼠海馬區(qū)發(fā)現(xiàn)，上調(diào)的miR-26b和下調(diào)的miR-207通過誘導(dǎo)促凋亡蛋白Bax的激活和Bcl-2抗凋亡相關(guān)線粒體信號通路的失活導(dǎo)致認(rèn)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(dǎo)大鼠心房重構(gòu)和纖維化，經(jīng)治療后，心房重構(gòu)和纖維化程度減輕，其機(jī)制可能與miR-21/Spry1/ERK/MMP-9、miR-21/PTEN/PI3K/AKT和NF-κB信號通路有關(guān)[23-25]。在小鼠CHI實(shí)驗(yàn)中，發(fā)現(xiàn)miR-155可通過抑制叉頭盒蛋白O3a(FOXO3a)基因正調(diào)控NLRP3炎性小體途徑而促進(jìn)氧化[26]。IH通過下調(diào)miR-452使小鼠和人脂肪細(xì)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(dá)上升，最終導(dǎo)致胰島素抵抗加重[27]。這些結(jié)果表明miR-26b和miR-21的上調(diào)，miR-207、miR-223和miR-452的下調(diào)可能在CIH或IHR誘導(dǎo)的心血管重構(gòu)、認(rèn)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(biāo)本進(jìn)行小型基因芯片研究分析，首次鑒定出289個差異表達(dá)的LncRNA，經(jīng)RT-qPCR驗(yàn)證，其中有3個上調(diào)的LncRNA(XR_596701、XR_344474和ENSRNOT00000065561)和3個下調(diào)的LncRNA (XR_600374、XR_590196和XR_597099)，這為lncRNAs在 OSA誘導(dǎo)的心血管疾病發(fā)病機(jī)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(dá)

在OSA患者中，miR-485-5p、107和199-3p表達(dá)下調(diào)，miR-574-5p表達(dá)上調(diào)，提示差異表達(dá)的miRNAs與OSA關(guān)系密切。血漿中miR-378a-3p和miR-100-5p下調(diào)，miR-486-5p上調(diào)可以預(yù)測難治性高血壓和OSA患者對CPAP治療的血壓反應(yīng)。miR-664a-3p在OSA患者中表達(dá)下調(diào)，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(fù)相關(guān)，提示miR-664a-3p有可能作為OSA動脈粥樣硬化的無創(chuàng)性標(biāo)志物[29]。以上結(jié)果表明OSA患者內(nèi)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(diào)，miR-485、miR-107、miR-199 和miR-664a下調(diào)有關(guān)。

5 問題與展望

目前，還沒有關(guān)于miRNA基因的異常DNA甲基化在IH中的作用研究,關(guān)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(jìn)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(dǎo)的基因調(diào)控的復(fù)雜性，有望在已有miRNA/siRNA的療法基礎(chǔ)上，通過有效的體內(nèi)遞送系統(tǒng)來靶向治療OSA患者慢性IHR下的特定組織和細(xì)胞。還需要進(jìn)行更多的生物信息學(xué)分析，包括基于微陣列或下一代測序的全基因組關(guān)聯(lián)方法，以澄清與兒童和成人睡眠障礙表型相關(guān)的表觀基因組圖譜，進(jìn)而開發(fā)針對OSA遺傳易感個體的新的診斷生物標(biāo)志物和靶向治療。