組蛋白去乙酰化酶3
——預(yù)防器官缺血/再灌注損傷的關(guān)鍵靶點(diǎn)

高明朗，賴 凱，付庭呂，李 寧，耿 慶

(武漢大學(xué)人民醫(yī)院胸外科，湖北 武漢 430061)

缺血/再灌注損傷(ischemia-reperfusion injury, IRI)是全球范圍內(nèi)導(dǎo)致患者死亡的主要原因之一[1]，包括心、腦、腎、肝和肺的急性器官損傷。IRI是由器官缺血和再灌注導(dǎo)致的病理性損傷過(guò)程，其特點(diǎn)是強(qiáng)烈的促炎反應(yīng)，包括白細(xì)胞遷移、細(xì)胞因子釋放、微血管血栓形成和組織細(xì)胞死亡[2]。大多數(shù)急性器官IRI患者因?yàn)闆]有特定的治療方法，只能接受臨時(shí)器官支持或替代治療，因此，針對(duì)IRI的早期預(yù)防及尋找合適的治療靶點(diǎn)是至關(guān)重要的。

組蛋白乙?；腿ヒ阴；揎検墙陙?lái)研究的熱點(diǎn)，組蛋白作為真核細(xì)胞染色質(zhì)中的主要蛋白質(zhì)組分，可以通過(guò)穩(wěn)定染色質(zhì)結(jié)構(gòu)來(lái)調(diào)節(jié)基因表達(dá)，因此，染色質(zhì)組蛋白的乙?；皆诨虻谋碛^遺傳學(xué)調(diào)控和細(xì)胞的生理功能調(diào)節(jié)中具有關(guān)鍵作用[3]。組蛋白乙?；腿ヒ阴；揎椬钤缬葾llfrey于1964年最早提出[4]，組蛋白乙酰轉(zhuǎn)移酶(histone acetyltransferase, HATs)和組蛋白去乙?；?histone deacetylase, HDACs)通過(guò)調(diào)節(jié)組蛋白N端賴氨酸殘基的乙酰基，進(jìn)而調(diào)控染色質(zhì)結(jié)構(gòu)和基因表達(dá)，許多證據(jù)表明，HDAC3在急性器官損傷，尤其是IRI過(guò)程中發(fā)揮了關(guān)鍵的作用[5]。本文綜述了HDAC3在部分器官IRI發(fā)生發(fā)展中的作用，并討論了其潛在的分子生物學(xué)機(jī)制及治療價(jià)值。

1 HATs和HDACs

組蛋白作為核小體重要的組成部分，其翻譯后修飾會(huì)影響染色質(zhì)的結(jié)構(gòu)和基因表達(dá)。組蛋白乙?；腿ヒ阴；绞蹾ATs和HDACs之間的相互調(diào)節(jié)而保持動(dòng)態(tài)平衡[6]。HATs通過(guò)將乙酰輔酶A的乙?；D(zhuǎn)移到N末端內(nèi)部賴氨酸殘基的ε-氨基來(lái)催化組蛋白的賴氨酸乙?；?，乙?；募尤肫茐牧薉NA和組蛋白之間的靜電連接作用，通過(guò)中和賴氨酸正電荷，進(jìn)而改變了染色質(zhì)結(jié)構(gòu)和基因表達(dá)，HDACs介導(dǎo)組蛋白的去乙酰化修飾來(lái)調(diào)節(jié)染色質(zhì)的凝聚和轉(zhuǎn)錄抑制[6]。

HDACs在哺乳動(dòng)物體內(nèi)可分為4類，Ⅰ類HDACs包括HDAC1、HDAC2、HDAC3和HDAC8，大部分存在于胞核中，其中，HDAC3可以從胞核轉(zhuǎn)移到胞質(zhì)中。Ⅱ類HDACs包括Ⅱa 類HDACs(HDAC4、HDAC5、HDAC7和HDAC9)和IIb類HDACs(HDAC6和HDAC10)，其中Ⅱa類HDACs可在胞核和胞質(zhì)之間穿梭。Ⅲ類HDACs因?yàn)榕c酵母菌轉(zhuǎn)錄抑制因子Sirt2序列同源，也被稱為sirtuins，主要包括SIRT1、SIRT2、SIRT3、SIRT4、SIRT5、SIRT6和SIRT7。Ⅳ類HDACs僅包括1個(gè)成員(HDAC11)，其主要在胞核中表達(dá)。

2 HDAC3的結(jié)構(gòu)和功能

2.1 HDAC3的結(jié)構(gòu)所有Ⅰ類HDACs成員都具有相似的結(jié)構(gòu)，不同于HDAC1、HDAC2的是，HDAC3能夠與核受體輔阻遏物(nuclear receptor corepressor, NCoR)以及類視黃醇和甲狀腺激素受體沉默介質(zhì)(silencing mediator for retinoid and thyroid hormone receptors, SMRT)相結(jié)合，維持染色質(zhì)結(jié)構(gòu)和基因組穩(wěn)定性，因而HDAC3基因?qū)Ω咝У腄NA復(fù)制和DNA損傷控制至關(guān)重要[7]。

2.2 HDAC3的功能核受體作為基因開關(guān)，通過(guò)激活信號(hào)依賴性轉(zhuǎn)錄因子來(lái)調(diào)控基因轉(zhuǎn)錄，反過(guò)來(lái)，轉(zhuǎn)錄因子整合激素、代謝和環(huán)境信號(hào)后，向特定的基因組序列招募各種輔抑制因子和輔激活因子[8]。HDAC3含有核受體輔阻遏物，包括NCoR和SMRT，與無(wú)配體的核受體結(jié)合后可以直接阻遏基因表達(dá)。NCoR和SMRT復(fù)合物含有WD40重復(fù)蛋白，如TBL1XR1和TBL1X，這些復(fù)合物將19S蛋白酶體和泛素化機(jī)制招募到組蛋白中[9]。G蛋白通路抑制物2(G protein pathway suppressor 2, GPS2)是NCoR和SMRT復(fù)合物的另一個(gè)核心元件[10]，然而，GPS2的作用機(jī)制尚不清楚。在某些情況下，HDAC3也可以間接激活基因表達(dá)，即核受體介導(dǎo)的配體結(jié)合使輔阻遏復(fù)合物失活并招募輔激活因子，從而通過(guò)組蛋白乙?；揎棿龠M(jìn)基因轉(zhuǎn)錄。

3 HDAC3在器官損傷中的作用

3.1 大腦缺血性卒中是一種潛在且致命的心腦血管疾病，通常由腦血管中的血栓引起，在世界范圍內(nèi)具有較高的發(fā)病率和死亡率。腦血管持續(xù)閉塞會(huì)阻礙局部腦組織氧氣和葡萄糖的供應(yīng)，腦低灌注和再灌注過(guò)程最終會(huì)導(dǎo)致神經(jīng)性炎癥、細(xì)胞壞死和繼發(fā)性組織損傷[11]。Ⅰ型干擾素(interferons, IFNs)調(diào)控促炎因子表達(dá)和先天免疫反應(yīng)，因此，IFNs或其上游調(diào)節(jié)因子等可能有助于預(yù)防血管閉塞引起的腦IRI。環(huán)狀GMP-AMP(cGAMP)合成酶(cyclic GMP-AMP synthase, cGAS)-干擾素基因刺激因子(stimulator of interferon genes, STING)通路是IFNs通路和先天性免疫應(yīng)答雙鏈DNA(dsDNA)的關(guān)鍵調(diào)控因子。小膠質(zhì)細(xì)胞是一種存在于中樞神經(jīng)系統(tǒng)的先天免疫細(xì)胞，是IRI所致神經(jīng)炎癥的主要效應(yīng)細(xì)胞，研究發(fā)現(xiàn)小膠質(zhì)細(xì)胞敲除cGAS后可顯著減輕腦IRI，而特異性缺失HDAC3的小鼠也表現(xiàn)出cGAS基因和蛋白水平低表達(dá)，以及STING和IFN-γ水平的降低。機(jī)制上，HDAC3通過(guò)將位于K122處的p65發(fā)生去乙?；瑥亩龠M(jìn)p65的核累積，來(lái)調(diào)控cGAS的轉(zhuǎn)錄[12]。此外，研究顯示，HDAC3的抑制劑RGFP966通過(guò)抑制小膠質(zhì)細(xì)胞中黑色素瘤缺乏因子2(absent in melanoma 2, AIM2)炎癥小體的激活，從而預(yù)防腦IRI[13]。暴露于脂多糖(lipopolysaccharide, LPS)的原代小膠質(zhì)細(xì)胞經(jīng)HADC3抑制劑處理后，與未處理組相比Toll樣受體(toll-like receptors, TLR)和STAT3/5信號(hào)通路相關(guān)基因表達(dá)存在明顯差異[14]。眾所周知，糖尿病能顯著增加腦血管閉塞的風(fēng)險(xiǎn)，是缺血性腦卒中的主要危險(xiǎn)因素之一，研究顯示，HDAC3通過(guò)上調(diào)大腦和肌肉的Arnt-like 1(brain and muscle ARNT-like-1, Bmal1)基因表達(dá)，從而降低由糖尿病誘導(dǎo)的小鼠腦IRI的風(fēng)險(xiǎn)[15]。然而，HDAC3調(diào)控Bmal1表達(dá)的能力是否依賴于組蛋白去乙酰化水平尚不完全清楚。

最近研究表明，抑制HDAC3表達(dá)可以激活JAK1/STAT3信號(hào)通路改善腦IRI，這一過(guò)程是通過(guò)miR-19a抑制SDC1改善內(nèi)皮細(xì)胞功能實(shí)現(xiàn)的。同時(shí)，腦IRI的修復(fù)過(guò)程往往伴隨著神經(jīng)元干細(xì)胞(neural stem cells, NSCs)的自我更新，研究證實(shí)在小鼠腦IRI模型中，miR-421靶向PINK1并限制其在NSCs中的表達(dá)，進(jìn)一步抑制HDAC3磷酸化并增強(qiáng)FOXO3乙?；?，從而促進(jìn)NSCs的自我更新[16]。這些結(jié)果表明，HDAC3在腦IRI病理生理過(guò)程中扮演著重要的角色，選擇性抑制HDAC3可能對(duì)腦IRI具有保護(hù)作用，但確切機(jī)制需要進(jìn)一步的臨床數(shù)據(jù)研究驗(yàn)證。

3.2 心臟心肌梗死(myocardial infarction, MI)是冠狀動(dòng)脈粥樣硬化，造成一支或者多支冠狀動(dòng)脈管腔狹窄和心肌供血不足，阻礙了氧氣和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的供應(yīng)，從而導(dǎo)致心肌組織損傷和細(xì)胞死亡的過(guò)程[17]。非編碼RNA在心肌IRI中有重要的調(diào)節(jié)作用，體外活性氧刺激心肌細(xì)胞和體內(nèi)缺血/再灌注模型共同表明，長(zhǎng)鏈非編碼RNA?；撬嵘险{(diào)基因1(taurine up-regulated gene 1, TUG1)通過(guò)結(jié)合miR-132-3p，上調(diào)HDAC3從而抑制抗氧化基因Bcl-XL、Prdx2和Hsp70的表達(dá)，介導(dǎo)心肌細(xì)胞氧化損傷[18]。此外，在模擬心肌IRI模型中，HDAC3通過(guò)對(duì)核因子κB(nuclear factor kappa-B, NF-κB)亞基p65去乙?；{(diào)控抑制NRF2-ARE活性，促進(jìn)氧化應(yīng)激誘導(dǎo)的心肌壞死[18]。研究表明周期蛋白依賴激酶2(cyclin-dependent kinases 2, CDK2)是一種絲氨酸/蘇氨酸激酶，其異常激活與心肌梗死和心力衰竭有關(guān)。HDAC3抑制劑RGFP966也可以通過(guò)促進(jìn)miR-19a-3p的表達(dá)來(lái)降低心肌中CDK2的表達(dá)，然而HDAC3調(diào)控miR-19a-3p的作用機(jī)制尚不清楚[19]。因此，抑制HDAC3對(duì)心臟IRI具有保護(hù)作用，其具體機(jī)制需要進(jìn)一步闡明，但心肌細(xì)胞中的HDAC3高表達(dá)可導(dǎo)致心功能不全和心力衰竭，通過(guò)RGFP966治療可降低HDAC3的表達(dá)，減輕心肌梗死小鼠的氧化應(yīng)激和心臟損傷。

3.3 腎臟腎臟IRI在機(jī)體休克、腎臟移植、心肺復(fù)蘇等疾病疾病及血管內(nèi)手術(shù)等過(guò)程中很常見[20]。腎IRI后早期給予非特異性HDAC抑制劑Trichostatin A(TSA)預(yù)處理可保護(hù)腎功能，并通過(guò)上調(diào)miR-21基因表達(dá)來(lái)預(yù)防腎纖維化。此外，抑制HDAC6對(duì)腎臟IRI耐受性沒有顯著影響，表明Ⅱ類HDAC抑制劑對(duì)預(yù)防腎臟IRI沒有效果[21]。然而，將HDAC3敲除鼠的腎臟移植到野生型鼠后進(jìn)行腎IRI模型構(gòu)建，移植腎臟功能并未明顯改變，敲除HDAC3反而加重了腎IRI纖維化進(jìn)展，但是抑制同為I類HDACs的HDAC2可明顯改善了腎臟IRI的進(jìn)程[22]。因此，結(jié)合上述TSA保護(hù)腎IRI研究，HDAC3對(duì)腎缺血/再灌注過(guò)程的影響及作用機(jī)制仍需進(jìn)一步研究。

3.4 肺臟肺IRI在肺部手術(shù)尤其是肺移植后很常見，大量研究表明內(nèi)皮細(xì)胞炎癥、氧化應(yīng)激、免疫反應(yīng)是導(dǎo)致移植后肺IRI的主要原因[23]。Joshi等[24]發(fā)現(xiàn)使用HDAC3選擇性抑制劑RGFP966可以抑制內(nèi)皮細(xì)胞炎癥和改善內(nèi)皮屏障功能。此外，在肺IRI模型中，HDAC非選擇性抑制劑丙戊酸(valproic acid, VPA)通過(guò)上調(diào)HO-1活性顯著降低肺組織炎癥、氧化應(yīng)激、凋亡等肺損傷指標(biāo)[25]。肺IRI?？蓪?dǎo)致機(jī)體和局部劇烈的炎癥反應(yīng)，而炎癥因子的釋放反過(guò)來(lái)又可加重肺功能障礙。研究表明巨噬細(xì)胞調(diào)節(jié)的免疫炎癥反應(yīng)加重了肺IRI，使用HDAC3抑制劑通過(guò)抑制NF-κB，從而抑制巨噬細(xì)胞中各種致炎細(xì)胞因子(如IL-1β、IL-6和TNF-α)的表達(dá)，來(lái)減緩肺IRI進(jìn)程[26]。最新研究顯示[27]，LPS刺激并沒有改變HDAC3與去乙酰化依賴基因結(jié)合的能力，但增加了HDAC3與轉(zhuǎn)錄起始位點(diǎn)的結(jié)合。在骨髓來(lái)源的巨噬細(xì)胞中，HDAC3通過(guò)與獨(dú)立于NCoR1/2復(fù)合體的ATF2位點(diǎn)結(jié)合，來(lái)促進(jìn)促炎因子的表達(dá)，HDAC3的激活會(huì)抑制TLR信號(hào)通路和巨噬細(xì)胞的炎癥反應(yīng)。這些結(jié)果表明，抑制HDAC3可以通過(guò)改善內(nèi)皮細(xì)胞功能，抑制氧化應(yīng)激及巨噬細(xì)胞活化來(lái)減輕肺IRI。

Fig 1 Mechanism of HDAC3 in preventing organ ischemia-reperfusion injury

雖然HDAC3抑制劑可以通過(guò)抑制炎癥來(lái)預(yù)防肺IRI，但由于HDAC3的酶活性可以反過(guò)來(lái)調(diào)控炎癥，因此，在開發(fā)HDAC3靶向藥物時(shí)還需要進(jìn)一步研究。

3.5 肝臟肝IRI會(huì)直接損害肝臟活力，在肝移植、切除和外傷等手術(shù)中很常見。缺血/再灌注通過(guò)復(fù)雜的信號(hào)通路導(dǎo)致嚴(yán)重的肝損傷和炎癥反應(yīng)。研究表明在SD大鼠肝IRI模型中，組蛋白H3乙?；斤@著下降，丁酸干預(yù)通過(guò)抑制HDAC功能和誘導(dǎo)熱休克蛋白(heat shock proteins 70, Hsp70)的表達(dá)保護(hù)肝損傷[28]。然而，另有研究顯示，HDAC非選擇性抑制劑VPA和SAHA通過(guò)調(diào)節(jié)p38和JNK通路激活延遲肝臟IRI進(jìn)程，但最終無(wú)法實(shí)現(xiàn)肝器官保護(hù)效應(yīng)[29]。這些差異結(jié)果可能是由于HDAC抑制劑的選擇和肝IRI模型建立的方式不同導(dǎo)致的。盡管上述的HDAC抑制劑均具有HDAC3抑制功能，但HDAC3在肝IRI過(guò)程中扮演的角色仍需在使用HDAC3選擇性抑制劑和HDAC3敲除模型環(huán)境下才能更好的驗(yàn)證。因此，在研究HDAC3肝細(xì)胞IRI過(guò)程中的作用時(shí)，需要合理構(gòu)建模型。此外，HDAC3對(duì)于炎癥的調(diào)控作用是否對(duì)肝IRI有影響仍需進(jìn)一步研究。

4 HDAC3的臨床價(jià)值

迄今為止，有相關(guān)臨床研究也證明了HDAC3在器官IRI中的重要作用。例如，糖尿病合并HDAC3和HDAC9基因表達(dá)可加重動(dòng)脈粥樣硬化并導(dǎo)致中風(fēng)[30]。這些臨床研究表明HDAC3的基因改變與糖尿病和腦血管病的發(fā)生密切相關(guān)。然而，很少有臨床研究報(bào)道HDAC3在其他類型的器官損傷中的作用。在我們進(jìn)行臨床實(shí)踐之前，有必要獲取更多關(guān)于HDAC3的臨床數(shù)據(jù)，確保IRI患者得到更好的治療。

5 展望和結(jié)論

HDAC3是HDAC家族中一個(gè)獨(dú)特而重要的成員，其催化活性主要取決于核受體輔阻遏復(fù)合物的完整性。我們還簡(jiǎn)要討論了HDAC3在整合來(lái)自環(huán)境的各種信號(hào)以調(diào)節(jié)細(xì)胞周期、發(fā)育、代謝和能量平衡中的作用，以及HDAC3在大腦、心臟、腎臟、肝臟、肺等器官IRI中的作用(Fig 1)，雖然HDAC3在生理?xiàng)l件下是有益的，但病理性HDAC3上調(diào)與IRI的發(fā)病機(jī)制密切相關(guān)。

迄今為止，尚未在HDAC3基因中發(fā)現(xiàn)導(dǎo)致人類疾病的基因突變，可能是因?yàn)镠DAC3的基因突變導(dǎo)致胚胎無(wú)法存活。然而，HDAC3基因中的許多單核苷酸多態(tài)性位點(diǎn)(single nucleotide polymorphism, SNPs)突變已被廣泛報(bào)道[30]。我們推測(cè)，一些SNPs可能位于增強(qiáng)子內(nèi)，這些SNPs可能由于核受體或轉(zhuǎn)錄因子的結(jié)合受損而阻礙HDAC3的聚集，從而影響HDAC3的表達(dá)。另一個(gè)突出的問(wèn)題是，如何克服鋅依賴性HDAC同工酶的高度結(jié)構(gòu)相似性，來(lái)開發(fā)出特異性HDAC3抑制劑而非廣譜HDAC抑制劑。因此，未來(lái)尚需要開展HDAC3相關(guān)的大樣本高質(zhì)量臨床研究，通過(guò)臨床的樣本進(jìn)行驗(yàn)證，以推動(dòng)HDAC3的研究發(fā)展。