表觀遺傳修飾在過敏性鼻炎中的作用

李靜，周義兵，陳若希，邱昌余，程雷

表觀遺傳學(xué)(epigenetics)的概念于1939年首先由Waddington提出，從一定程度上解釋了基因型向表型轉(zhuǎn)變過程中的分子及生物學(xué)機制，即保持DNA測序不變而表型發(fā)生可遺傳的改變，包括DNA甲基化、組蛋白修飾及非編碼RNA等[1]。表觀遺傳修飾可調(diào)節(jié)細胞轉(zhuǎn)錄及基因組穩(wěn)定性，從而使基因表達和轉(zhuǎn)錄調(diào)控改變，擾亂生物通路并在人類疾病中發(fā)揮至關(guān)重要的作用。因此，表觀遺傳學(xué)在眾多領(lǐng)域被廣泛研究，例如惡性腫瘤、自身免疫性疾病、呼吸系統(tǒng)疾病、內(nèi)分泌疾病、心血管疾病、胃腸道疾病、神經(jīng)系統(tǒng)疾病等[2- 4]。

眾所周知，過敏性鼻炎(allergic rhinitis，AR)是由基因和環(huán)境共同作用所引起的鼻黏膜慢性炎癥性疾病。研究顯示，AR的遺傳度為33%～91%[5]。全基因組研究證實，AR發(fā)病機制中有多個易感位點及候選基因，但每個基因中風(fēng)險相關(guān)的等位基因卻只占總體遺傳風(fēng)險的一小部分[5- 6]。AR及哮喘均為氣道過敏性疾病，且部分患者常常是兩種疾病并存的狀態(tài)。在表觀遺傳學(xué)研究方面，針對哮喘或AR伴哮喘的研究較單純AR更早、更廣泛[7]。大量研究表明表觀遺傳修飾可影響免疫通路富集的Th1、Th2、調(diào)節(jié)性T細胞和其他免疫細胞轉(zhuǎn)錄因子的表達，可使多種細胞因子表達異常，并在上皮細胞中表現(xiàn)出來[8- 9]。鑒于“同一氣道同一疾病”的理念，有學(xué)者認為AR和哮喘可能有共同的免疫遺傳學(xué)機制，致敏基因位點可引起系統(tǒng)性的變態(tài)反應(yīng)[10]。本文對近年來AR的表觀遺傳學(xué)研究進展作一綜述。

1 DNA甲基化與AR

DNA甲基化是最早發(fā)現(xiàn)且研究最為廣泛的表觀遺傳修飾，其通常發(fā)生在CG二核苷酸中的胞嘧啶(CpGs)5位碳原子上[3]。研究發(fā)現(xiàn)，有些基因的甲基化水平與哮喘或AR發(fā)病呈正相關(guān)(如AXL基因的CpGs)[11]，而有些則呈負相關(guān)(如GATA- 3基因的CpGs、IL-13基因的CpG38)[12-13]。一項對455名新生兒長達16年的前瞻性隊列研究發(fā)現(xiàn)，在單一CpG水平上雖然未發(fā)現(xiàn)與哮喘顯著相關(guān)的DNA甲基化，但確定了16個與哮喘顯著相關(guān)的差異甲基化區(qū)域(differentially methylated regions，DMRs)，并且DMRs與AR伴或不伴哮喘均顯著相關(guān)[14]。Jahreis 等[15]在哮喘模型中發(fā)現(xiàn)了13個與啟動子或增強子高甲基化相關(guān)的轉(zhuǎn)錄下調(diào)基因，認為GATA- 3阻滯劑鋅指蛋白1可能是Th2驅(qū)動的哮喘易感性增加的潛在介質(zhì)。Zhang 等[16]發(fā)現(xiàn)了35個與過敏相關(guān)的CpGs，其中cg10159529的DNA甲基化與外周血IL- 5受體的表達強度相關(guān)。Legaki等[17]認為ACOT7、EPX、KCNH2、SIGLEC8、TNIK、FOXP1、ATPAF2、ZNF862、ADORA3、ARID3A、IL5RA、METRNL及 ZFPM1這13個基因是外周血及鼻黏膜上皮細胞中較為常見的DMRs，其在AR中的作用還有待進一步探索。動物實驗發(fā)現(xiàn)，屋塵螨變應(yīng)原組分Derp1致敏的AR母鼠發(fā)生 FOXP3的DNA甲基化改變，可使其子代小鼠發(fā)生免疫異常[18]。不僅如此，小鼠跨代哮喘模型研究還發(fā)現(xiàn)，這種DNA甲基化改變可以遺傳超過2代[15]。人群研究同樣如此，相比于母親沒有哮喘病史，那些母親有哮喘病史的兒童外周血和臍帶血均有明顯的DNA甲基化改變[19]。妊娠期間母體尿液中一種鄰苯二甲酸丁芐酯(butyl benzyl phthalate，BBP)的代謝產(chǎn)物——鄰苯二甲酸單丁酯(mono-n-butyl phthalate，MBP)濃度較高與6歲以下子代兒童哮喘風(fēng)險增加有相關(guān)性[15]。甚至，妊娠期暴露于BBP的母親母乳喂養(yǎng)也可使子代嗜酸粒細胞性氣道炎癥的風(fēng)險增加[15]。眾多研究表明，表觀遺傳改變是可遺傳的，甚至可能代代相傳，使后代患過敏性疾病的風(fēng)險增高[9]。

環(huán)境與表觀遺傳學(xué)密切相關(guān)，基因和環(huán)境的交互作用導(dǎo)致的表觀遺傳改變可促進AR和哮喘的發(fā)生[4，20]。當(dāng)環(huán)境發(fā)生變化時，表觀遺傳基因組可發(fā)生快速的DNA甲基化改變。研究發(fā)現(xiàn)，在草花粉暴露3h后外周血單核細胞便可發(fā)生表觀遺傳改變[21]。與健康對照組相比，AR患者組有42個基因位點發(fā)生了顯著的甲基化水平增高。通過焦磷酸測序發(fā)現(xiàn)，草花粉暴露后TPSG1(tryptase gamma 1)、SLFN12(schlafen 12)及MUC4(mucin 4)基因的DNA可發(fā)生不同的甲基化變化；進一步分析發(fā)現(xiàn)，SLFN12的DNA甲基化基線水平可預(yù)測患者花粉暴露后過敏癥狀的嚴重程度，而MUC4的DNA甲基化變化值與鼻呼氣氣流的降低程度有相關(guān)性[21]。接觸高濃度的CO、NO2及PM2.5可使哮喘患者FOXP3基因的DMRs水平增高[22]。類似的變化也出現(xiàn)在AR患者中，研究發(fā)現(xiàn)生命早期的環(huán)境因素可顯著影響免疫系統(tǒng)及組織細胞的表觀遺傳改變，尤其是PM2.5可促進CD4+細胞IFN-λ基因啟動子的DNA甲基化，從而促進兒童AR的發(fā)生[23- 26]。Morin 等[26]研究顯示，嬰兒時期的上呼吸道微生物組成參與了兒童時期AR的發(fā)展，且在一定程度上是通過改變上呼吸道黏膜上皮細胞的DNA甲基化來介導(dǎo)的。研究認為吸煙、空氣污染物、霉菌及潮濕環(huán)境可以增加過敏性疾病的患病風(fēng)險[9，14，27]。Qi等[14]從表觀遺傳學(xué)角度分析了4個環(huán)境因素(主動吸煙、被動吸煙、寵物接觸、房屋中潮濕和霉菌環(huán)境)與過敏性疾病之間的關(guān)系，結(jié)果顯示在60個CpGs中cg03565274與寵物接觸的相關(guān)性最密切，且其甲基化水平與AR及哮喘發(fā)病呈負相關(guān)，無論是出生后就接觸寵物還是幼兒期或中學(xué)時期開始接觸寵物的兒童，cg03565274的DNA甲基化水平均較高。這一結(jié)果也從表觀遺傳學(xué)角度提示長期接觸寵物的兒童不易罹患過敏性疾病，但其他3個環(huán)境因素與所觀察的60個CpGs甲基化水平并無明顯相關(guān)性。

與AR及哮喘相關(guān)的DNA甲基化信號主要由特異性IgE驅(qū)動，因此鼻黏膜上皮細胞DNA甲基化可作為IgE致敏的標志物[14]。在下鼻甲鼻刷樣本中發(fā)現(xiàn)了可復(fù)制的AR和哮喘的DNA甲基化譜，其可作為氣道過敏性疾病潛在的生物標志物，并可用于預(yù)測兒童AR或哮喘的發(fā)生[14，28]。

世界上首批DNA甲基化拮抗劑是2004年由美國FDA批準的氮雜胞苷及地西他濱，用于治療白血病[29]。動物實驗顯示，患有哮喘的雌性大鼠在交配前使用DNA甲基化拮抗劑，可避免其將哮喘的遺傳表型傳遞給下一代，而吸入糖皮質(zhì)激素及β受體激動劑則無法避免[30- 31]。研究還發(fā)現(xiàn)，使用DNA甲基化拮抗劑對母親暴露于BBP所導(dǎo)致的過敏性哮喘表型高風(fēng)險的子代小鼠進行治療，其肺泡灌洗液中卵清蛋白、卵清蛋白特異性氣道阻力、嗜酸粒細胞、IgE以及IL- 4、IL- 5和IL-13等細胞因子水平均降低，表明DNA甲基化拮抗劑可逆轉(zhuǎn)母體BBP相關(guān)的氣道炎癥[15]。隨著研究的深入，DNA甲基化拮抗劑未來有可能成為治療AR及哮喘等過敏性疾病的新方式。

2 組蛋白修飾與AR

相比于DNA甲基化，目前對組蛋白修飾的研究相對較少。組蛋白修飾包括組蛋白乙?；⒓谆?、磷酸化、泛素化等，其在DNA損傷修復(fù)、核染色質(zhì)結(jié)構(gòu)及活性的調(diào)節(jié)等方面發(fā)揮一定作用[3，32- 33]。

組蛋白乙?；山M蛋白乙?；?histone acetyltransferases，HATs)及組蛋白去乙?；?histone deacetylases，HDACs)調(diào)節(jié)。Alaskhar等[33]對組蛋白修飾在過敏性疾病中的作用進行綜述，認為組蛋白修飾在促進T細胞和巨噬細胞參與氣道重塑過程中具有一定的調(diào)節(jié)作用，還與過敏癥狀有直接聯(lián)系。研究發(fā)現(xiàn)，AR患者及AR小鼠的免疫細胞中HDACs水平均明顯增高，HDACs水平升高可抑制鉀離子通道1的功能，使鼻黏膜上皮細胞功能紊亂從而產(chǎn)生鼻部癥狀[34]。Steelant等[35]的研究與之基本吻合，認為HDACs活性與鼻黏膜上皮細胞完整性呈負相關(guān)，可將其作為上皮屏障功能的評價指標。AR小鼠使用HDACs抑制劑治療后，鼻部癥狀緩解[34]。動物研究還發(fā)現(xiàn)，HDACs抑制劑可使FOXP3、IL-10及IFN-λ的表達量增高，IL- 4及IgE水平降低，這些結(jié)果從Ⅰ型變態(tài)反應(yīng)的炎癥通路角度解釋了其治療機制[36- 37]。目前對HDACs抑制劑的臨床試驗正在腫瘤領(lǐng)域開展，其安全性和有效性有待進一步評價[38]。

在哮喘方面的研究發(fā)現(xiàn)，組蛋白甲基化與CD4+的T細胞分化相關(guān)，組蛋白H3賴氨酸4三甲基化與IFN-γ和IL- 4的轉(zhuǎn)錄增加有關(guān)[4]。而組蛋白甲基化、磷酸化和泛素化等修飾在AR中的作用仍有待進一步研究。

3 非編碼RNA與AR

非編碼RNA包括微小RNA(microRNA，miRNA)、環(huán)狀RNA(circRNA)和長鏈非編碼RNA(lncRNA)等，其雖不能編碼蛋白質(zhì)，但可在生物進程中發(fā)揮重要調(diào)節(jié)作用。

miRNA是一類由內(nèi)源基因編碼的長度約為22個核苷酸的非編碼單鏈RNA，在轉(zhuǎn)錄后通過阻斷mRNA翻譯或改變mRNA穩(wěn)定性來調(diào)控基因表達，與AR密切相關(guān)[39- 40]。研究發(fā)現(xiàn)，miRNAlet- 7f、miRNA- 9、miRNA-17-18-19- 20- 92、miRNA- 26a/b、miRNA- 27a/b、miRNA-125b、miRNA-155可使巨噬細胞向促炎M1表型極化，而miRNAlet- 7a/b/c/d/e、miRNA- 21、miRNA- 34、miRNA-124、miRNA-146a/b、miRNA- 223- 3p、miRNA- 511- 3p則促進向抗炎M2表型極化[41]。miRNA在AR和哮喘中的作用，有上調(diào)和下調(diào)之分。已知上調(diào)的包括miR- 498、miR-187、miR- 874、miR-143、miR- 886- 3p、miR-133b、miR- 375、miR- 487b、miR-16等，下調(diào)的包括miR-18a、miR-126、let- 7e、miR-155、miR- 224、miR-149等[42- 43]。隨后有研究發(fā)現(xiàn)hsa-miR- 93- 5p、hsa-miR- 92a- 3p、hsa-miR- 21- 5p可調(diào)控SLC14A1、SNCA、TNS1、KAT2B基因，并可能在AR合并哮喘綜合征中發(fā)揮著重要作用[44]。文獻報道，AR患者鼻黏膜組織及外周血中均發(fā)現(xiàn)有miRNA的改變，其通過影響鼻黏膜2型固有淋巴樣細胞、外周血調(diào)節(jié)性T細胞和B細胞而進一步調(diào)控炎性細胞因子的表達[39]。此外，近年陸續(xù)的研究表明miR-135a、miR-146a、miR-149、miR-181a、miR- 323- 3p、miR- 92b、miR- 210、miR- 34a及miR-199- 3p等均可能在AR等過敏性氣道炎癥中發(fā)揮著一定的調(diào)節(jié)作用[45- 49]。主要表現(xiàn)在miRNA可干擾炎癥通路，使Th1/Th2細胞比例失調(diào)，IL- 4、IL-13等炎癥因子及IgE異常表達，干擾肥大細胞激活及脫顆粒[43，45，49]。

circRNA是一種閉環(huán)結(jié)構(gòu)的RNA。高通量基因測序研究發(fā)現(xiàn)，circRNA的miRNA分子海綿效應(yīng)在AR發(fā)病中也具有重要作用，表現(xiàn)在AR患者鼻黏膜上皮細胞中hsa-circ- 0008668、circTRIQK表達上調(diào)，hsa-circ- 0029853、circRNA- 01002表達下調(diào)[50]。circDdx17使miR-17表達量降低，從而可緩解卵清蛋白誘導(dǎo)的AR小鼠癥狀和病理損害，提示circDdx17對AR的發(fā)生發(fā)展具有保護作用，未來有望成為新的治療方向[51]?；颊弑丘つど掀ぜ毎w外實驗發(fā)現(xiàn)，敲除circARRDC3基因可使IL-13誘導(dǎo)的鼻黏膜上皮細胞中粒細胞巨噬細胞集落刺激因子(granulocyte-macrophage colony-stimulating factor，GM-CSF)和嗜酸性粒細胞趨化因子(eotaxin)和黏蛋白5AC的水平降低，使細胞穩(wěn)定性增加并抑制凋亡。miR- 375的表達水平與circARRDC3及KLF4(krueppellike factor 4)負相關(guān)，而circARRDC3和KLF4的表達呈正相關(guān)，即circARRDC3可通過調(diào)節(jié)miR375/KLF4 軸促進AR的發(fā)生發(fā)展[52]。

lncRNA是一種競爭性內(nèi)源性RNA，也可通過miRNA海綿效應(yīng)調(diào)節(jié)目標mRNA的3’端未翻譯區(qū)，但其在過敏性疾病方面的研究尚少見。有報道認為lncRNA在IL-13分泌的正向調(diào)控、FcεRI和NF-κB信號通路中發(fā)揮一定的作用，還可促進樹突狀細胞、T淋巴細胞和B淋巴細胞的分化與激活[39]。新近的研究顯示，circHIPK3和lncGAS5通過調(diào)節(jié)共同靶標miR- 495而促進Th2分化，從而加重AR小鼠的癥狀。鼻內(nèi)給予circHIPK3/lncGAS5敲除的慢病毒可通過下調(diào)GATA- 3而減輕AR癥狀[53]。綜上可知，通過分子海綿效應(yīng)circRNA及l(fā)ncRNA 可改變miRNA結(jié)合mRNA 的能力，即通過circRNA/lncRNA-miRNA-mRNA調(diào)控網(wǎng)絡(luò)影響疾病的走向[51- 53]。

綜上，本文從DNA甲基化、組蛋白修飾及非編碼RNA三個方面總結(jié)了表觀遺傳修飾在AR中的作用。然而，AR為多基因遺傳病，且炎癥通路中涉及的細胞因子/趨化因子眾多，因此表觀遺傳修飾作用靶點也較多，作用通路及調(diào)控機制仍不明確。目前的研究在取材、研究技術(shù)、研究設(shè)計、統(tǒng)計方法及年齡分層等方面還有待完善[17]。表現(xiàn)在：(1)既往表觀遺傳學(xué)研究多取材于外周血和鼻黏膜上皮細胞，且血液中單核細胞和嗜酸性粒細胞是目前研究中常用的免疫細胞，然而表觀遺傳的改變有細胞和組織特異性，因此血液中其它類型免疫細胞(如淋巴細胞、中性粒細胞)和其他呼吸道細胞(如杯狀細胞)的表觀遺傳修飾尚需研究補充[4，17]。表觀遺傳可影響多種疾病、多個器官，因此傳統(tǒng)的高通量測序技術(shù)所得的表觀遺傳標志物的敏感性和特異性較低，目前單細胞測序技術(shù)的發(fā)展則提供了更佳的技術(shù)條件。(2)有學(xué)者認為DNA甲基化水平存在種族、社會經(jīng)濟狀態(tài)、環(huán)境、年齡及性別等方面的差異[9，54- 55]。如何排除混雜因素仍需更嚴密的研究設(shè)計。此外，目前的研究多為橫斷面研究，受時間限制縱向研究尚不多。(3)研究發(fā)現(xiàn)利用牧草花粉和塵螨制劑進行舌下免疫治療可以使患者FOXP3基因的CpG位點DNA甲基化水平降低[3]，但免疫治療能否避免將AR和/或哮喘的遺傳表型傳遞給下一代仍需深入研究。細胞因子拮抗劑(如奧馬珠單抗)在哮喘及AR領(lǐng)域初顯成效，其能否降低患者表觀遺傳水平、能否避免將遺傳表型傳遞給子女也有待進一步驗證。

綜上所述，目前的研究成果顯示，表觀遺傳改變有望用于AR的早期檢測、治療和預(yù)防，在預(yù)測和評估治療的療效方面也有潛在價值[39- 40，56]。