炎癥小體在心力衰竭發(fā)生發(fā)展中的作用及表觀(guān)遺傳學(xué)調(diào)控機(jī)制研究進(jìn)展

潘璐, 黨時(shí)鵬, 張楨燁, 李庫(kù)林, 王如興

(南京醫(yī)科大學(xué)附屬無(wú)錫人民醫(yī)院心內(nèi)科, 江蘇 無(wú)錫 214023)

心力衰竭(心衰)是臨床上最為常見(jiàn)的心血管疾病之一,與患者高住院率和死亡率密切相關(guān)。心衰時(shí)心臟泵血功能受損,心排血量不能滿(mǎn)足周?chē)M織代謝的需要。從病理生理學(xué)角度來(lái)說(shuō),心臟處于絕對(duì)或相對(duì)低輸出量,和(或)心排血量病理性分布,從而導(dǎo)致一種以呼吸困難或疲勞等為主要癥狀和以頸靜脈壓升高、心動(dòng)過(guò)速或周?chē)[等為主要體征的臨床綜合征[1]。心衰已經(jīng)是一個(gè)日益嚴(yán)重的公共衛(wèi)生問(wèn)題,其所帶來(lái)的發(fā)病率和死亡率,給醫(yī)療保健系統(tǒng)帶來(lái)了前所未有的經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)。心室重構(gòu)是導(dǎo)致心衰的主要發(fā)病機(jī)制之一[2]。此外,各種原因?qū)е碌男募p傷(如壓力負(fù)荷、缺血和炎癥等)都會(huì)引起心衰的發(fā)生[3]。

炎癥小體已被證實(shí)與多種臨床疾病相關(guān)。炎癥小體的異常激活與心衰的發(fā)生發(fā)展密不可分。而DNA甲基化、組蛋白修飾、非編碼RNA等表觀(guān)遺傳學(xué)機(jī)制在炎癥小體參與心衰發(fā)生發(fā)展過(guò)程中起重要調(diào)控作用。本文主要綜述炎癥小體在心衰發(fā)生發(fā)展過(guò)程中的作用及其表觀(guān)調(diào)控機(jī)制。

1 炎癥小體的概念

炎癥小體是由多種蛋白質(zhì)組成的復(fù)合體,能夠調(diào)節(jié)半胱天冬氨酸蛋白酶-1(cysteinyl aspartate specific proteinase,caspase-1)的活化,促進(jìn)細(xì)胞因子前體白介素-1(pro-interleukin-1,pro-IL-1)的成熟。通過(guò)識(shí)別病原相關(guān)分子模式和損傷相關(guān)分子模式、活性氧、膽固醇結(jié)晶和環(huán)境刺激物引起組織炎癥反應(yīng)和炎癥性細(xì)胞死亡——細(xì)胞焦亡(pyroptosis)的過(guò)程[4]。雖然目前為止已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了多種炎癥小體,但最具特征性的仍然是核苷酸結(jié)合寡聚化結(jié)構(gòu)域樣受體蛋白3(NOD-like receptor protein 3,NLRP3)炎癥小體,其可以在疾病狀態(tài)下識(shí)別非微生物相關(guān)危險(xiǎn)信號(hào)引起無(wú)菌性炎癥的發(fā)生[5-6]。NLRP3炎癥小體由三個(gè)結(jié)構(gòu)域組成:一個(gè)氨基末端嘧啶結(jié)構(gòu)域、一個(gè)羧基末端富含亮氨酸重復(fù)序列結(jié)構(gòu)域和一個(gè)中心的核苷酸結(jié)合寡聚化結(jié)構(gòu)域。NLRP3被激活后,NLRP3蛋白招募接頭蛋白凋亡相關(guān)微粒蛋白(apoptosis-associated speck-like protein containing CARD,ASC),后者招募pro-caspase-1,誘導(dǎo)其自切割和活化,從而誘導(dǎo)炎癥相關(guān)細(xì)胞因子的成熟、分泌和細(xì)胞焦亡的發(fā)生[7]。NLRP3炎癥小體的異常激活與多種疾病的發(fā)生有關(guān),如糖尿病、動(dòng)脈粥樣硬化、代謝綜合征、心血管和神經(jīng)退行性疾病等[8]。

2 炎癥小體在心衰中的作用

在心血管代謝疾病患者中,心肌炎癥由模式識(shí)別受體(如Toll樣受體4)介導(dǎo)的固有免疫細(xì)胞激活,而下游激活的NLRP3炎癥小體和核因子κB(nuclear factor kappa-B,NF-κB)依賴(lài)性通路進(jìn)一步刺激炎癥的發(fā)生。慢性低度炎癥逐漸改變心臟的代謝過(guò)程,形成代謝性心肌病表型,最終導(dǎo)致射血分?jǐn)?shù)保留型心衰的發(fā)生[9]。而心肌梗死會(huì)引起心肌缺血和缺氧,導(dǎo)致劇烈的全身氧化應(yīng)激反應(yīng),并產(chǎn)生大量活性氧,激活NLRP3炎癥小體。無(wú)論是心臟的缺血性或非缺血性損傷都會(huì)誘導(dǎo)NLRP3炎癥小體的激活。在多種心臟疾病(如心肌梗死、高血壓、代謝疾病相關(guān)心臟病及藥物導(dǎo)致的心臟毒性反應(yīng)等)的急性或亞急性期,心肌細(xì)胞的直接損傷和(或)神經(jīng)激素的激活都會(huì)促進(jìn)NLRP3依賴(lài)性炎癥和心室重構(gòu)的發(fā)生,最終導(dǎo)致心衰[10]。心肌炎癥和心室重構(gòu)作為心衰的標(biāo)志,與患者的預(yù)后息息相關(guān)[11]。

2.1 炎癥小體在心肌炎癥反應(yīng)中的作用

炎癥與心衰的發(fā)展互為因果,相輔相成。由心肌缺血或感染等因素引起的心肌細(xì)胞損傷是炎癥引發(fā)心臟功能障礙的基礎(chǔ)[12]。在急性心肌梗死時(shí)受傷的組織通過(guò)釋放損傷相關(guān)分子模式信號(hào)來(lái)促進(jìn)NLRP3炎癥小體的激活。在炎癥小體激活后,活化的caspase-1在急性心肌梗死中發(fā)揮雙重效應(yīng)。一方面促進(jìn)細(xì)胞焦亡,引起梗死面積增大;另一方面促進(jìn)細(xì)胞因子的釋放,如IL-1β和IL-18,導(dǎo)致心臟收縮功能障礙[13]。另一項(xiàng)研究報(bào)道,在急性心肌梗死時(shí)的急性炎癥反應(yīng)中,IL-17A可誘導(dǎo)巨噬細(xì)胞浸潤(rùn)加劇和NLRP3炎癥小體高度活化,同時(shí)巨噬細(xì)胞釋放促炎癥因子IL-1β,最終導(dǎo)致梗死面積增大和心臟功能下降[14]。

由多種微生物感染后引發(fā)的敗血癥會(huì)導(dǎo)致NLRP3炎癥小體的激活,NLRP3介導(dǎo)無(wú)活性的pro-IL-1β轉(zhuǎn)化為有活性的IL-1β,IL-1β與IL-1受體結(jié)合作用于心肌細(xì)胞,激活NF-κB,從而影響心肌細(xì)胞的收縮和舒張功能,導(dǎo)致膿毒性心肌病的發(fā)生,以及促炎癥細(xì)胞因子在心臟中表達(dá)的進(jìn)一步增加[15]。有研究發(fā)現(xiàn),在脂多糖誘導(dǎo)的小鼠膿毒性心肌病模型中,干擾素基因刺激蛋白-干擾素調(diào)節(jié)因子3可以通過(guò)激活小鼠NLRP3炎癥小體引起心肌炎癥、心肌細(xì)胞凋亡和細(xì)胞焦亡的發(fā)生,從而促進(jìn)脂多糖引起的心臟功能障礙[16]。在脂多糖刺激的H9c2細(xì)胞中,硫還原蛋白結(jié)合蛋白參與NLRP3炎癥小體的激活[17]。

2.2 炎癥小體在心室重構(gòu)中的作用

研究表明,NLRP3炎癥小體在心室重構(gòu)期間被大量激活,并促進(jìn)其進(jìn)展[18]。心肌細(xì)胞中的炎癥小體激活由β1-腎上腺素受體介導(dǎo),而心肌成纖維細(xì)胞主要表達(dá)β2-腎上腺素受體;激活的炎癥小體誘導(dǎo)心肌細(xì)胞中pro-IL-18的裂解和激活。IL-18刺激心肌成纖維細(xì)胞產(chǎn)生單核細(xì)胞趨化蛋白-1,這進(jìn)一步導(dǎo)致巨噬細(xì)胞浸潤(rùn),引起更多的趨化因子產(chǎn)生和炎癥級(jí)聯(lián)反應(yīng)的激活[19]。而炎癥小體激活在心肌成纖維細(xì)胞中的作用也得到了廣泛研究,有研究發(fā)現(xiàn)心肌成纖維細(xì)胞中的炎癥小體被活性氧和鉀外流激活,從而產(chǎn)生IL-1β和心臟炎癥[20]。因此,心臟細(xì)胞中的炎癥小體激活后可能會(huì)在病理?xiàng)l件下引發(fā)心臟炎癥,然后心臟中不同類(lèi)型的細(xì)胞共同作用促進(jìn)心室重構(gòu)和心衰的發(fā)生發(fā)展[21]。

當(dāng)心臟負(fù)荷過(guò)重時(shí),心肌細(xì)胞中鈣/鈣調(diào)素蛋白依賴(lài)的蛋白激酶ⅡD(calcium-calmodulin dependent protein kinase Ⅱ delta,CaMKⅡδ)信號(hào)在炎癥小體參與心室重構(gòu)中發(fā)揮著重要作用[22]。有研究發(fā)現(xiàn),心肌細(xì)胞內(nèi)CaMKⅡ內(nèi)源性抑制劑缺失可以增強(qiáng)心肌梗死后NLRP3炎癥小體的激活,從而促進(jìn)炎癥放大,加劇心室重構(gòu)[23]。除此之外,最近研究顯示NLRP3炎癥小體的激活參與糖尿病糖脂質(zhì)代謝紊亂引起的氧化應(yīng)激/炎癥相關(guān)心室重構(gòu)以及心室功能障礙[24]。

3 炎癥小體致心衰的表觀(guān)遺傳學(xué)機(jī)制

生物學(xué)過(guò)程可以通過(guò)基因遺傳和表觀(guān)遺傳機(jī)制來(lái)實(shí)現(xiàn)調(diào)控。表觀(guān)遺傳調(diào)節(jié)通常定義為一種可以產(chǎn)生基因表達(dá)潛在可遺傳變化,而不涉及DNA序列改變的機(jī)制。這些基因表達(dá)潛在可遺傳變化可以通過(guò)至少三種主要機(jī)制來(lái)實(shí)現(xiàn),包括DNA甲基化、組蛋白翻譯后修飾和非編碼RNA表達(dá)[25]。DNA甲基化、組蛋白翻譯后修飾和基于非編碼RNA的調(diào)節(jié)對(duì)炎癥小體的活性發(fā)揮了重要的表觀(guān)調(diào)控作用,而表觀(guān)調(diào)控的失調(diào)可能導(dǎo)致炎癥小體相關(guān)疾病的發(fā)生發(fā)展[26]。

3.1 DNA甲基化調(diào)控的機(jī)制

接頭蛋白ASC是炎癥小體的重要組成部分,其基因表達(dá)由表觀(guān)遺傳修飾調(diào)控,這可能是炎癥小體參與心衰發(fā)展的潛在機(jī)制[27]。ASC的基因表達(dá)由外顯子1啟動(dòng)子區(qū)域CpG島的DNA甲基化進(jìn)行表觀(guān)遺傳調(diào)控[28]。ASC基因CpG島的高甲基化會(huì)導(dǎo)致基因沉默和凋亡抑制[29]。已證明抑制ASC表達(dá)可以減少I(mǎi)L-1β的激活,并可能抑制炎癥小體介導(dǎo)的炎癥[30]。有研究表明,ASC基因CpG島DNA甲基化程度與心衰患者射血分?jǐn)?shù)呈正相關(guān)[27],也可能與心衰患者的有氧能力有關(guān)[31]。

3.2 組蛋白翻譯后修飾調(diào)控的機(jī)制

組蛋白是和DNA共同組成核小體(染色質(zhì)的基本單位)結(jié)構(gòu)的蛋白質(zhì),是發(fā)生在多種氨基酸殘基N端尾部的蛋白翻譯后修飾的底物,其可發(fā)生磷酸化、乙?；?、甲基化、類(lèi)泛素化、泛素化、生物素化和最近發(fā)現(xiàn)的血清素化等[32]。組蛋白去乙?；?(histone deacetylase 6,HDAC6)是一種Ⅱb類(lèi)去乙?；?它具有兩個(gè)去乙酰化結(jié)構(gòu)功能域和一個(gè)泛素結(jié)合鋅指結(jié)構(gòu)域[33]。由于其獨(dú)特的結(jié)構(gòu),HDAC6可以調(diào)節(jié)各種生理過(guò)程,這其中包括NLRP3炎癥小體。在NLRP3炎癥小體的啟動(dòng)中,HDAC6促進(jìn)NF-κB的激活以加快NLRP3、pro-IL-1β和pro-IL-18的轉(zhuǎn)錄。此外,HDAC6在NLRP3炎癥小體的蛋白翻譯后修飾中同時(shí)發(fā)揮著負(fù)性和正性的作用。一方面,HDAC6可以直接與泛素化后的NLRP3蛋白相互作用,以阻止NLRP3炎癥小體的激活。另一方面,HDAC6作為動(dòng)力蛋白接頭蛋白,以一種聚集小體樣的方式,促進(jìn)NLRP3炎癥小體的逆向轉(zhuǎn)運(yùn)激活。最后,NLRP3炎癥小體釋放有活性的caspase-1,促進(jìn)pro-IL-1β/IL-18向IL-1β/IL-18轉(zhuǎn)變,并裂解Gasdermin D(GSDMD)來(lái)誘導(dǎo)細(xì)胞焦亡[34]。最新研究發(fā)現(xiàn)蛋白質(zhì)精氨酸甲基轉(zhuǎn)移酶5(PRMT5)通過(guò)NF-κB/NLRP3促進(jìn)腦缺血/再灌注的炎癥和細(xì)胞焦亡過(guò)程[35],但組蛋白甲基化對(duì)炎癥小體在心衰過(guò)程的表觀(guān)調(diào)控仍有待進(jìn)一步的探討。

3.3 非編碼RNA調(diào)控的機(jī)制

約99%的人類(lèi)基因組不參與編碼蛋白質(zhì),但具有轉(zhuǎn)錄活性,其為廣泛的非編碼RNA,具有重要的調(diào)控和結(jié)構(gòu)功能。非編碼RNA已被確定為心血管危險(xiǎn)因素和細(xì)胞功能的關(guān)鍵調(diào)節(jié)因子,為心血管疾病的診斷和治療提供了一個(gè)新思路[36]。非編碼RNA可以分為轉(zhuǎn)運(yùn)RNA、核糖體RNA、微小RNA(microRNA,miRNA)、小干擾RNA、長(zhǎng)鏈非編碼RNA(long non-coding RNA,lncRNA)和環(huán)狀RNA(circular RNA,circRNA)等。其中,miRNA、lncRNA和circRNA對(duì)炎癥小體表觀(guān)調(diào)控的研究最為廣泛。

3.3.1 miRNA miRNA在心衰的發(fā)生發(fā)展過(guò)程中發(fā)揮著重要的調(diào)控作用。由于miR-129-5p表達(dá)水平與臨床心衰程度成反比,所以認(rèn)為是診斷心衰的生物標(biāo)志物[37]。作為心衰的生物標(biāo)志物,miR-129-5p在心肌缺血/再灌注期間異常表達(dá)。有研究發(fā)現(xiàn),轉(zhuǎn)化受體電位陽(yáng)離子通道亞家族M成員7(transient receptor potential cation channel subfamily M,member 7,TRPM7)是miR-129-5p的作用靶點(diǎn),并且受miR-129-5p的負(fù)性調(diào)控。通過(guò)體外缺氧/復(fù)氧模型,誘導(dǎo)H9c2細(xì)胞中NLRP3炎癥小體的激活,miR-129-5p模擬物可部分抵消缺氧/復(fù)氧誘導(dǎo)的NLRP3、ASC和caspase-1的上調(diào),并且抑制暴露于缺氧/復(fù)氧條件下的H9c2細(xì)胞caspase-1活性的升高。而當(dāng)TRPM7過(guò)度表達(dá)時(shí),這一效應(yīng)又被抵消。這些結(jié)果表明,miR-129-5p可以通過(guò)靶向作用于TRPM7和抑制NLRP3炎癥小體的激活,對(duì)缺氧/復(fù)氧誘導(dǎo)損傷的H9c2細(xì)胞產(chǎn)生保護(hù)作用[38]。在正常大鼠、心衰和心衰相關(guān)室性心律失常大鼠中,lncRNA SOX2重疊轉(zhuǎn)錄本(SOX2-overlapping transcripts,SOX2-OT)的表達(dá)和NLRP3炎癥小體的水平逐漸增加。miR-2355-3p可以結(jié)合SOX2-OT以及NLRP3炎癥小體的3′未翻譯區(qū)域。而沉默SOX2-OT的表達(dá)則抑制了NLRP3、ASC、caspase-1、IL-1β和轉(zhuǎn)化生長(zhǎng)因子β1(transforming growth factor beta 1,TGF-β1)的表達(dá)和活性氧的產(chǎn)生,降低了心衰相關(guān)室性心律失常大鼠心肌細(xì)胞壞死和纖維化程度,從而緩解心臟功能障礙[39]。

Zuo等[40]發(fā)現(xiàn),miR-330-5p/T淋巴細(xì)胞免疫球蛋白黏蛋白3(T cell immunoglobulin and mucin domain-containing protein 3,TIM3)軸參與NLRP3炎癥小體介導(dǎo)的心肌炎癥。miR-330-5p通過(guò)直接結(jié)合TIM3 3′未翻譯區(qū)域中的目標(biāo)位點(diǎn)抑制TIM3的表達(dá),從而抑制NLRP3炎癥小體信號(hào)通路的激活,改善心肌缺血/再灌注損傷和炎癥過(guò)程。自身免疫性心肌炎是擴(kuò)張性心肌病和心衰的病因之一。一項(xiàng)動(dòng)物實(shí)驗(yàn)觀(guān)察到miR-223-3p在實(shí)驗(yàn)性自身免疫性心肌炎小鼠血清中的表達(dá)明顯低于正常小鼠,使用miR-223-3p高表達(dá)的樹(shù)突狀細(xì)胞輸注治療后,小鼠心肌組織中的炎癥浸潤(rùn)得到顯著緩解,心臟功能也得到改善。此外,研究進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)miR-223-3p可以與NLRP3的3′未翻譯區(qū)域結(jié)合,靶向作用于NLRP3。miR-223-3p類(lèi)似物除抑制IL-1β的分泌外,還抑制NLRP3、caspase-1在細(xì)胞中的表達(dá)。但在使用miR-223-3p抑制劑轉(zhuǎn)染后,NLRP3、caspase-1和IL-1β的表達(dá)水平顯著提高[41]。IL-1家族與多種纖維化疾病發(fā)生發(fā)展相關(guān),IL-1β軸與心臟纖維化相關(guān),其是病理重塑和心衰進(jìn)展的標(biāo)志[42]。而miRNA對(duì)NLRP3炎癥小體的表觀(guān)調(diào)控,影響IL-1β的表達(dá),導(dǎo)致心衰的進(jìn)展。

3.3.2 LncRNA 除miRNA外,lncRNA在心衰發(fā)生中也起重要作用。LncRNA是基因表達(dá)的新調(diào)節(jié)劑,它們可以作為內(nèi)源性競(jìng)爭(zhēng)RNA或海綿,以減少靶向miRNA的功能可用性[43]。LncRNA肺腺癌轉(zhuǎn)移相關(guān)轉(zhuǎn)錄本1(metastasis-associated lung adenocarcinoma transcript 1,MALAT1)是參與糖尿病心肌病發(fā)病機(jī)制最知名的lncRNA之一,研究發(fā)現(xiàn)石榴皮提取物可以減少糖尿病心肌病大鼠心臟組織中MALAT1的表達(dá)而抑制NLRP3/caspase-1/IL-1β信號(hào)通路,發(fā)揮抗炎、抗纖維化的作用,從而保護(hù)心臟[44]。Che等[45]發(fā)現(xiàn)MALAT1起到內(nèi)源性競(jìng)爭(zhēng)RNA的作用,可以降低miR-141水平。MALAT1過(guò)度表達(dá)時(shí),通過(guò)調(diào)節(jié)miR-141的表達(dá),進(jìn)一步加強(qiáng)經(jīng)高糖處理的心肌成纖維細(xì)胞中NLRP3炎癥小體的活性和TGF-β1/Smads信號(hào),促進(jìn)心臟纖維化的發(fā)展。而褪黑素可以通過(guò)抑制MALAT1/miR-141介導(dǎo)的NLRP3炎癥小體激活和下調(diào)TGF-β1/Smads信號(hào)產(chǎn)生抗纖維化作用。在糖尿病心肌病小鼠的心肌組織中,lncRNA生長(zhǎng)阻滯特異性轉(zhuǎn)錄本5(growth arrest specific transcript 5,GAS5)的表達(dá)顯著下降,同時(shí)NLRP3、caspase-1、pro-caspase-1、IL-1β和IL-18的表達(dá)增多。LncRNA GAS5過(guò)度表達(dá)可以抑制NLRP3、caspase-1、pro-caspase-1、IL-1β和IL-18的表達(dá),從而抑制糖尿病心肌病中NLRP3炎癥小體激活介導(dǎo)的細(xì)胞焦亡過(guò)程,改善糖尿病心肌病小鼠的心臟功能障礙和心肌肥厚[46]。

3.3.3 circRNA Bian等[47]在小鼠缺血和缺氧心肌細(xì)胞中,觀(guān)察到NLRP3炎癥小體的激活,主要表現(xiàn)為NLRP3、caspase-1等表達(dá)和IL-1β釋放的增加,同時(shí)還伴有circHelz表達(dá)的上調(diào)。circHelz高表達(dá)時(shí),miR-133a-3p表達(dá)明顯減少。而沉默circHelz可以減少小鼠心肌梗死面積,減輕心臟收縮功能的損傷。因此circHelz通過(guò)降低miR-133a-3p的活性和表達(dá)水平,激活NLRP3炎癥小體,誘導(dǎo)心肌促炎癥反應(yīng)和心肌細(xì)胞焦亡,加劇小鼠心梗后心臟功能障礙。與circHelz作用相反的是,circ003593可以滅活NLRP3復(fù)合物,并且與心肌細(xì)胞增殖和凋亡有關(guān)[48]。雖然其機(jī)制有待進(jìn)一步研究,但可能為缺血性心肌病帶來(lái)的心臟功能障礙提供一個(gè)新的研究方向。

4 小結(jié)

近年來(lái),心衰的發(fā)病率和死亡率逐漸上升,其不良預(yù)后給患者及醫(yī)療衛(wèi)生行業(yè)帶來(lái)了嚴(yán)重的負(fù)擔(dān)。目前已有多項(xiàng)研究發(fā)現(xiàn)炎癥小體對(duì)心衰的發(fā)生有重要影響,而表觀(guān)遺傳學(xué)在炎癥小體參與心衰發(fā)生過(guò)程中起著重要調(diào)控作用。針對(duì)表觀(guān)遺傳調(diào)節(jié)因子的生物療法已被認(rèn)為是治療炎癥相關(guān)疾病重要且有效的臨床方法,雖然腫瘤治療是當(dāng)前臨床表觀(guān)遺傳學(xué)應(yīng)用的重點(diǎn),但在癌癥以外的其他醫(yī)學(xué)領(lǐng)域(如自身免疫性疾病、心血管疾病等)也正在進(jìn)行大量臨床試驗(yàn)和臨床前研究。因此,對(duì)炎癥小體和表觀(guān)遺傳調(diào)控的研究不僅可開(kāi)拓心衰發(fā)病機(jī)制研究的新方向,而且可能為心衰的治療提供新的潛在靶點(diǎn)。