組蛋白修飾與癲癇的發(fā)生發(fā)展研究進(jìn)展*

孔德燕，韋建緣，盧秉妮，藍(lán) 元，羅杰峰

(廣西醫(yī)科大學(xué)第二附屬醫(yī)院，廣西南寧 530007)

癲癇是一組由腦部神經(jīng)元高度同步化異常放電導(dǎo)致的一種慢性腦部疾病。全球有7 000多萬的癲癇患者，每年約有240萬的新增癲癇患者[1]，癲癇的發(fā)病機(jī)制目前尚未完全明確。表觀遺傳是基于DNA序列在沒有改變的情況下出現(xiàn)的基因功能或表達(dá)水平發(fā)生的可遺傳性變化[2]。經(jīng)典的表觀遺傳修飾主要包括DNA甲基化、組蛋白修飾以及非編碼RNA。近年來，組蛋白修飾與癲癇的關(guān)系成為國內(nèi)外研究的熱點(diǎn)，組蛋白修飾不僅在中樞神經(jīng)系統(tǒng)的正常發(fā)育過程中發(fā)揮關(guān)鍵的作用，而且組蛋白修飾所介導(dǎo)的基因調(diào)控過程也參與了癲癇的發(fā)生和發(fā)展過程[3]。本文對組蛋白修飾與癲癇的關(guān)系進(jìn)行綜述，為癲癇的防治提供新靶點(diǎn)。

1 組蛋白修飾

組蛋白是參與組成真核生物染色體的結(jié)構(gòu)蛋白，具有高度的保守性[4]。組蛋白主要有H1、H2A、H2B、H3、H4 5種。組蛋白修飾是表觀遺傳調(diào)控的重要形式之一。每個核心組蛋白由一個球形結(jié)構(gòu)域和暴露在核小體表面的N端尾區(qū)組成，其中N端氨基末端會發(fā)生多種共價修飾，包括乙酰化、甲基化、磷酸化、腺苷酸化、泛素化和ADP核糖基化等。隨后，相關(guān)蛋白質(zhì)識別這些化學(xué)修飾并募集轉(zhuǎn)錄激活或抑制因子到特異的修飾位點(diǎn)調(diào)節(jié)基因表達(dá)[5]。組蛋白上能發(fā)生共價修飾的氨基酸殘基稱為修飾位點(diǎn)，修飾位點(diǎn)一般位于4種常見組蛋白(H2A、H2B、H3和H4，尤其是H3和H4)的游離氨基酸殘基上[6]。各種組蛋白修飾都有相應(yīng)的酶類，不同的組蛋白修飾通過不同的作用機(jī)制調(diào)控染色質(zhì)的結(jié)構(gòu)和功能。組蛋白修飾不僅與染色體的重塑和功能狀態(tài)緊密相關(guān)，而且在決定細(xì)胞命運(yùn)、細(xì)胞生長以及致癌作用的過程中發(fā)揮重要作用[7]。組蛋白修飾主要是調(diào)控基因的表達(dá)，在基因轉(zhuǎn)錄以及DNA復(fù)制等方面起著重要的作用。

目前關(guān)于組蛋白修飾中乙酰化、甲基化的相關(guān)研究較多，因此下面將主要從組蛋白乙?；c癲癇、組蛋白甲基化與癲癇兩方面進(jìn)行闡述。

2 組蛋白乙?；c癲癇

乙酰化是組蛋白修飾的重要形式之一。組蛋白乙酰化由組蛋白乙?；D(zhuǎn)移酶(Histone Acetyltransferase，HAT)催化，使染色質(zhì)結(jié)構(gòu)松解從而導(dǎo)致染色質(zhì)結(jié)構(gòu)松弛，并將轉(zhuǎn)錄因子結(jié)合到相應(yīng)的位點(diǎn)上，從而激活修飾基因的表達(dá)。組蛋白去乙?；瘎t由組蛋白去乙?；?Histone Deacetylase,HDAC)催化，HDAC從核心組蛋白上移除乙酰基團(tuán)從而抑制基因轉(zhuǎn)錄[8]。組蛋白乙酰化與維持突觸及記憶功能密切相關(guān)。組蛋白乙酰化異常與多種神經(jīng)系統(tǒng)疾病密切相關(guān)，如Rubinstein-Taybi綜合征與HAT功能障礙相關(guān)[9]。

組蛋白H3乙?；ㄟ^多種機(jī)制調(diào)控依賴ATP的染色質(zhì)重塑[10]。研究發(fā)現(xiàn)，組蛋白乙?；惓Ｅc癲癇模型的海馬結(jié)構(gòu)病理改變密切相關(guān)[11,12]。組蛋白H3賴氨酸9乙?；?H3K9Ac)是存在于轉(zhuǎn)錄活性染色質(zhì)中的表觀遺傳標(biāo)記。研究表明，低氧大鼠海馬CA3區(qū)H3K9Ac和H3K14Ac的表達(dá)水平降低，引起神經(jīng)元神經(jīng)變性和神經(jīng)遞質(zhì)傳遞受損[11]。海馬內(nèi)單側(cè)注射紅藻酸(KA)的癲癇模型中，在急性癲癇持續(xù)狀態(tài)期間(注射KA后2-6 h)，海馬顆粒細(xì)胞和錐體細(xì)胞層中HDAC1、HDAC2和HDAC11的表達(dá)顯著降低；而在慢性期(注射KA后14-48 h) HDAC1僅在顆粒細(xì)胞中輕度增加[12]。另一項研究發(fā)現(xiàn)，HDAC2廣泛分布在產(chǎn)后大鼠海馬CA1和CA3區(qū)的錐體細(xì)胞中，HDAC2敲除大鼠的這些區(qū)域中的樹突棘密度顯著增加，表明HDAC2能調(diào)節(jié)海馬突觸的形成并影響學(xué)習(xí)和記憶的功能[13]。有研究發(fā)現(xiàn)，顳葉癲癇(TLE)患者顳葉HDAC2的表達(dá)水平明顯增高[3]，表明HDAC2在TLE的發(fā)病機(jī)制中發(fā)揮著重要的作用。另外，HDAC4可以通過上調(diào)γ-氨基丁酸A型受體α1 (Gamma-Aminobutyric Acid-A Receptor alpha 1,GABAARα1)和氨基丁酸A型受體α4 (Gamma-Aminobutyric Acid-A Receptor alpha 4,GAB-AARα4)水平和下調(diào)谷氨酸脫羧酶抗體65 (Glutamate Decarboxylase 65,GAD65)、γ-氨基丁酸運(yùn)載蛋白1 (GABA Transporter 1,GAT-1)和γ-氨基丁酸運(yùn)載蛋白3 (GABA Transporter 3,GAT-3)水平來緩解癲癇的發(fā)生[14]。在注射KA后的癲癇模型中，海馬顆粒細(xì)胞中HDAC5和HDAC9的表達(dá)增加[15]。以上研究表明，HDAC表達(dá)的異常在癲癇的發(fā)生過程中起著重要的作用。

癲癇持續(xù)狀態(tài)后，谷氨酸受體2 (Glutamate Receptor,GluR2)的mRNA和蛋白質(zhì)水平均下調(diào)，而HDAC抑制劑可逆轉(zhuǎn)GluR2相關(guān)組蛋白的脫乙酰基作用，減弱癲癇發(fā)作引起的GluR2下調(diào)[16]。Glu過度激活離子型Glu受體會誘發(fā)異常放電導(dǎo)致癲癇的發(fā)生。α-氨基-3-羥基-5-羥基-5-甲基-4-異惡唑丙酸(Alpha-Amino-3-Hydroxy-5-Methyl-4-Isoxazolepropionic Acid,AMPA)受體屬于離子型谷氨酸受體家族，是由4種亞單位(GluA1-GluA4)組成的四聚體。GluA2亞單位是鈣通透性的決定因素，含有GluA2受體的Ca2+離子通道滲透性差。鈣通透性(含GluA2亞基)AMPA受體主要表達(dá)興奮性投射神經(jīng)元[17]，因而缺乏GluA2的AMPA受體可通過鈣離子進(jìn)入神經(jīng)元而促進(jìn)神經(jīng)的興奮性。有研究表明，突觸的可塑性可通過神經(jīng)元突觸中鈣通透性的AMPA受體表達(dá)進(jìn)行調(diào)控[18]。AMPA受體在海馬區(qū)分布密集，當(dāng)過度激活A(yù)MPA受體時，常常會誘發(fā)顳葉癲癇[19]，表明AMPA受體的過度表達(dá)會導(dǎo)致神經(jīng)元的過度興奮從而引起癲癇的發(fā)生。吡侖帕奈作為AMPA受體拮抗劑，是一種抗癲癇藥物，是部分發(fā)作性以及全面強(qiáng)直-陣攣性發(fā)作的輔助治療藥物[20,21]。AMPA受體會在其C末端進(jìn)行賴氨酸乙酰化，從而減少AMPA受體的內(nèi)化和降解，增加細(xì)胞表面穩(wěn)定性，延長受體的半衰期，使AMPA受體水平增加[22]。因此，AMPA受體可能會通過乙?；故荏w水平升高、Ca2+通透性及Ca2+內(nèi)流增加，從而增加神經(jīng)元的膜電位，導(dǎo)致神經(jīng)細(xì)胞持續(xù)去極化，降低其興奮閾值，從而影響神經(jīng)的興奮性，誘發(fā)異常放電參與癲癇的發(fā)生發(fā)展過程。

也有研究發(fā)現(xiàn)，癲癇與大鼠海馬組蛋白H4基因啟動子區(qū)域的高乙?；嘘P(guān)，通過特異性地抑制CREB結(jié)合蛋白(Cap Binding Proteins，CBPS) CBP/p300的乙酰基轉(zhuǎn)移酶活性，從而抑制組蛋白修飾的誘導(dǎo)過程并減輕癲癇的嚴(yán)重程度[23]。腦源性神經(jīng)營養(yǎng)因子(Brain-derived Neurotrophic Factor，BDNF)在學(xué)習(xí)記憶過程、突觸可塑性以及神經(jīng)細(xì)胞存活中起關(guān)鍵作用[24]。BDNF在星形膠質(zhì)細(xì)胞中過度表達(dá)，會導(dǎo)致神經(jīng)興奮性的增加或神經(jīng)元細(xì)胞死亡[25]。BDNF啟動子P1-P3位點(diǎn)持續(xù)高水平乙?；约癙4位點(diǎn)乙酰化減少，與癲癇的轉(zhuǎn)錄誘導(dǎo)結(jié)果一致[26]。且在急性電刺激驚厥模型中發(fā)現(xiàn)，BDNF表達(dá)的上調(diào)與BDNFP2啟動子的H4乙?；较嚓P(guān)[27]。由此可見，BDNF的乙酰化會導(dǎo)致神經(jīng)興奮性增加而參與癲癇的發(fā)生，因而BDNF有可能成為治療癲癇的新靶點(diǎn)。組蛋白的乙?；c癲癇的發(fā)生及發(fā)展密切相關(guān)，并且組蛋白乙?；腿ヒ阴；潭瓤赡苡绊懘竽X的認(rèn)知功能，導(dǎo)致癲癇患者出現(xiàn)學(xué)習(xí)障礙或記憶力減退。

組蛋白的乙?；c去乙酰化也可用于治療癲癇。丙戊酸(Valproic Acid,VPA)是最常用的抗癲癇藥物之一，有研究認(rèn)為其機(jī)制可能是丙戊酸使H3K9/14乙?；缴撸ヒ阴；瘻p少[28]。伏立諾他(Vorinostat,SAHA)是一種組蛋白去乙?；种泼?，可使Toll樣受體4 (Toll-like Receptor 4,TLR4)基因的組蛋白H3第九位賴氨酸(H3K9)低乙?；?，從而減輕KA誘導(dǎo)的癲癇發(fā)作[29]。生酮飲食(Ketogenic Diet,KD)是治療癲癇的一種方式。有研究發(fā)現(xiàn)，生酮飲食通過提高組蛋白乙?；瘉碓黾由窠?jīng)調(diào)節(jié)蛋白1 (Neuregulin-1,NRG1)的表達(dá)，從而抑制癲癇發(fā)作[30]。2-苯甲酰胺基-1,4-萘醌(2-Benzamido-1,4-Naphthoquinone，NQN1)是一種HDAC抑制劑，會減少癲癇發(fā)作等相關(guān)行為，維生素K (VK)家族與NQN1擁有相同的萘醌結(jié)構(gòu)，新型維生素K類似物可減少癲癇小鼠模型的癲癇發(fā)作[31]。由此可見，目前已有一些去乙?；敢种苿┍粦?yīng)用于治療癲癇，組蛋白的乙?；c去乙酰化可能會成為治療癲癇的新靶點(diǎn)。

3 組蛋白甲基化與癲癇

組蛋白甲基化常發(fā)生在H3和H4組蛋白的N端賴氨酸(K)或精氨酸(R)殘基上，由組蛋白甲基化轉(zhuǎn)移酶(Histonemethyl Transferase,HMT)完成[32]，研究表明組蛋白甲基化酶在大腦發(fā)育和突觸可塑性形成過程中發(fā)揮重要的作用[33]。HMTs催化甲基從S-腺苷甲硫氨酸(S-Adenosylmethionine，SAM)轉(zhuǎn)移到組蛋白上[34]。組蛋白賴氨酸甲基轉(zhuǎn)移基因2A(The histone Lysine-methyltransferase2AGene,KMT2A)通過H3K4的單甲基化和三甲基化來促進(jìn)神經(jīng)元基因的表達(dá)從而參與記憶的形成過程[35]。

目前，HMT分為3個家族，包括含有SET結(jié)構(gòu)域的甲基轉(zhuǎn)移酶(Methyltransferases SET Domain-containing,SET)、作用于賴氨酸的類端粒沉默干擾體-1樣蛋白(Disruptor of Telomeric Silencing-1,Dot1)[36]和蛋白質(zhì)精氨酸甲基轉(zhuǎn)移酶(Protein Arginine Methyltransferases，PRMTs)[37,38]。研究發(fā)現(xiàn)，Dot1的活性及調(diào)控在轉(zhuǎn)錄、細(xì)胞調(diào)控和DNA損傷反應(yīng)等不同的生物過程中發(fā)揮重要的作用[39]。Dot1也被稱為KMT4，是一種可以使組蛋白H3賴氨酸79 (Histone H3 Lysine 79，H3K79)甲基化的催化酶[40]，H3K79甲基化普遍與基因轉(zhuǎn)錄相關(guān)[41]。組蛋白去甲基酶(Histone Demethylases,HDMS)在賴氨酸或精氨酸中可以脫去各種甲基化的酶[42,43]。賴氨酸去甲基酶(Histone lysine Demethylase,KDM)分為兩個家族，分別為胺氧化酶和含鐵依賴雙加氧酶的JMJC結(jié)構(gòu)域[44,45]。JMJC結(jié)構(gòu)域蛋白6 (Jumonji C-Domain Containing Protein 6,JMJD6)則是一種精氨酸去甲基酶[46]。組蛋白甲基化修飾是一種常見的基因表達(dá)調(diào)控方式，組蛋白的甲基化水平會影響神經(jīng)系統(tǒng)的突觸可塑性改變，并參與癲癇的發(fā)生發(fā)展過程[47,48]。

3.1 賴氨酸甲基化與癲癇

賴氨酸殘基可以被單(me)、雙(me2)或三(me3)甲基化。H3K4去甲基酶包括KDM1(KDM1A，KDM1B)和KDM5 (KDM5A，KDM5B，KDM5C)[49]，而KDM5C與癲癇及X連鎖精神發(fā)育遲滯綜合征密切相關(guān)[48]。H3K4的組蛋白甲基化已被證明在神經(jīng)系統(tǒng)發(fā)生及發(fā)育過程中發(fā)揮重要作用[50]。H3K4me3、H3K9me2能夠調(diào)控記憶的形成[51]，H3K4me3寬峰NeuN+調(diào)節(jié)參與學(xué)習(xí)與記憶過程中神經(jīng)元連接的基因和信號傳導(dǎo)，包括許多離子通道和突觸的可塑性[52]。含1B基因的SET結(jié)構(gòu)域(SET Domain Containing1B,SETD1B)是SET1組蛋白甲基轉(zhuǎn)移酶復(fù)合物的組成部分，介導(dǎo)組蛋白H3K4的甲基化。研究表明，SETD1B基因的變異與智力缺陷及癲癇相關(guān)[53]。賴氨酸特異性去甲基酶1 (Lysine-Specific Demethylase 1，LSD1)是鑒定出的第一個賴氨酸去甲基化酶，能使H3K4去甲基化[44]。LSD1特異性缺失的小鼠癲癇敏感性降低，神經(jīng)性LSD1缺失的小鼠對毛果蕓香堿誘導(dǎo)的癲癇持續(xù)狀態(tài)(Status Epilepticus,SE)的敏感性降低[54]。

H3K9甲基化修飾可引起基因沉默[55]。成纖維細(xì)胞生長因子2 (Fibroblast Growth Factor 2,FGF2)已被證明可以誘導(dǎo)H3K4甲基化并減少GFAP啟動子上的H3K9甲基化。H3K9二甲基化(H3 lysine 9 Dimethylation,H3K9me2)可促進(jìn)DNA甲基化，從而有效減少與突觸可塑性相關(guān)的基因表達(dá)[56]。癲癇持續(xù)狀態(tài)使組蛋白H3K9二甲基化水平及組蛋白H3K9甲基轉(zhuǎn)移酶G9a的表達(dá)水平下調(diào)，說明H3K9甲基化可能在調(diào)節(jié)癲癇持續(xù)狀態(tài)早期的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)興奮性方面發(fā)揮重要作用[57]?；|(zhì)金屬蛋白酶9 (Matrix Metalloproteinase-9,MMP-9)水平與人類和嚙齒動物癲癇的發(fā)病機(jī)制有關(guān)，而組蛋白H3上賴氨酸27三甲基化(Trimethylation of Lysine 27 on histone H3,H3K27me3)影響MMP-9在癲癇發(fā)生中的作用[58]。由此可見，賴氨酸甲基化可能參與癲癇及持續(xù)狀態(tài)的發(fā)病過程并影響記憶力。

3.2 精氨酸甲基化與癲癇

組蛋白精氨酸甲基化修飾是組蛋白翻譯后修飾的重要方式之一，由PRMTs催化精氨酸殘基形成，參與許多重要的細(xì)胞過程，對基因的轉(zhuǎn)錄調(diào)控有非常重要的作用。精氨酸甲基化可以是單甲基化(Me)、對稱雙甲基化(Me2s)或不對稱雙甲基化(Me2a)[59]。PRMT1可催化組蛋白H4第3位精氨酸殘基(H4R3)的甲基化，而PRMT5可催化組蛋白H3第8位及H4第3位精氨酸(H3R8、H4R3)的甲基化[60]。蛋白質(zhì)精氨酸甲基轉(zhuǎn)移酶7 (Protein Arginine Methyltransferase 7,PRMT7)可催化H2AR3和H4R3上的二甲基化，并負(fù)調(diào)控相關(guān)基因的轉(zhuǎn)錄。缺乏PRMT7的細(xì)胞表現(xiàn)出DNA修復(fù)基因的表達(dá)增加，并增強(qiáng)了對DNA損傷劑的抵抗力[61]。PRMT7基因的復(fù)合或純合變異可導(dǎo)致一種新的智力障礙綜合征，稱為SBIDDS綜合征(Short Stature,Brachydactyly,Intellectual Developmental Disability,and Seizures)，主要臨床表現(xiàn)為身材矮小、短指、智力發(fā)育障礙和癲癇發(fā)作[62]。PRMT8主要表達(dá)在大腦的神經(jīng)元上[63]。

鈉通道是神經(jīng)元興奮性的基礎(chǔ)，癲癇的發(fā)病與調(diào)控離子通道的基因表達(dá)異常有關(guān)。電壓門控鈉(Nav)通道是抗癲癇藥物(Antiepileptic Drugs,AEDs)控制癲癇神經(jīng)元高興奮性的主要治療靶點(diǎn)。Nav1.2是人類大腦中最豐富的Nav通道，主要存在于軸突和神經(jīng)末梢[64]。Nav1.2是與癲癇發(fā)病相關(guān)的主要通道，也是AEDs的靶點(diǎn)[65]。顱腦中精氨酸甲基轉(zhuǎn)移酶PRMT8表達(dá)異常導(dǎo)致Nav1.2電流顯著增加[66]。因此，PRMT8可能通過調(diào)節(jié)Nav1.2通道參與癲癇的發(fā)生發(fā)展。JMJC結(jié)構(gòu)域蛋白6 (Jumonji C-Domain Containing Protein 6,JMJD6)是第一個被描述的精氨酸去甲基化酶，能使精氨酸2上的組蛋白H3 (Histone H3 Arginine 2,H3R2)和精氨酸3上的組蛋白H4 (Histone H4 Arginine 3,H4R3)脫甲基[67]。JMJD6可以調(diào)節(jié)細(xì)胞的分化和增殖，異常調(diào)節(jié)會影響細(xì)胞的成熟[68]。JMJD6介導(dǎo)的組蛋白精氨酸殘基的甲基化修飾會影響染色質(zhì)的重組和基因表達(dá)，其在細(xì)胞分化和增殖過程中發(fā)揮重要作用[67]。有研究表明，宮內(nèi)缺氧可能會導(dǎo)致JMJD6功能減弱，從而導(dǎo)致海馬CA3區(qū)功能異常的神經(jīng)元數(shù)量增多，大鼠的學(xué)習(xí)和記憶能力下降[69]。海馬的病理改變與癲癇的發(fā)病密切相關(guān)，因此，JMJD6可能通過影響海馬區(qū)神經(jīng)元的功能從而參與癲癇的發(fā)生發(fā)展。

4 展望

癲癇是一種復(fù)雜的腦部疾病，受多方面因素(如環(huán)境、遺傳、睡眠等)的影響，且發(fā)病機(jī)制尚未闡明。組蛋白修飾與癲癇有密切的關(guān)系，雖然目前對于組蛋白修飾與癲癇的關(guān)系相關(guān)的研究較少，但是從現(xiàn)有研究可了解到組蛋白修飾與學(xué)習(xí)、記憶以及認(rèn)識密切相關(guān)，并通過影響神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的興奮性從而影響癲癇的發(fā)生發(fā)展。因此，組蛋白修飾也成為癲癇的重要治療靶點(diǎn)之一。目前，有多種HDAC抑制劑已被應(yīng)用于治療癲癇，如丙戊酸鈉作為一種HDAC抑制劑，是一種常用的抗癲癇藥，不僅能減少癲癇的發(fā)作，而且在癲癇模型中具有神經(jīng)保護(hù)的作用，可以減少異常的神經(jīng)發(fā)生和改善認(rèn)知功能[70]，表明組蛋白去乙?；敢种苿┛赡艹蔀榘d癇防治的新藥物。

目前，組蛋白去甲基化與癲癇相關(guān)的研究雖然仍處于起步階段，但是已有研究表明組蛋白去甲基化會影響神經(jīng)的興奮性及突觸的可塑性，導(dǎo)致腦網(wǎng)絡(luò)功能和結(jié)構(gòu)改變，從而促進(jìn)癲癇的發(fā)生發(fā)展。目前臨床上用于治療癲癇的方法，不僅療效有限而且存在不同的副作用。組蛋白修飾已逐漸成為癲癇發(fā)病機(jī)制研究的熱點(diǎn)，對表觀遺傳修飾異常特別是組蛋白修飾與癲癇的相關(guān)性仍需進(jìn)一步深入研究，為癲癇的發(fā)病機(jī)制提供新思路以及為癲癇的治療提供新靶點(diǎn)。