去甲基化酶JMJD3在肺部疾病發(fā)病中的作用研究進(jìn)展

全慧 陳莎

組蛋白的共價修飾包括乙?；⒓谆诨虮磉_(dá)調(diào)控上起著重要的作用。組蛋白H3的N端賴氨酸(Lysine,K)修飾最為多樣和重要,K4(代表4位賴氨酸)、K9和K27等為甲基化修飾位點(diǎn),而K9、K14和K27等為乙酰化修飾位點(diǎn)。組蛋白乙酰化修飾擁有基因激活效應(yīng),而甲基化修飾則存在位點(diǎn)差異[1]。甲基化的賴氨酸的殘基以及甲基化的狀態(tài)(單甲基化、二甲基化、三甲基化)能夠促進(jìn)或者抑制基因的轉(zhuǎn)錄[2]。甲基轉(zhuǎn)移酶和去甲基化酶動態(tài)調(diào)控組蛋白甲基化。H3K27甲基化是基因激活的重要表觀遺傳機(jī)制,目前已經(jīng)鑒定出兩種去甲基化酶:賴氨酸特異性去甲基化酶6A(Lysine-specific demethylase 6A,KDM6A)和含Jumonji結(jié)構(gòu)域-3(jumonji domain-containing protein 3,JMJD3),也稱為KDM6B(Lysine-specific demethylase 6B)[3]。JMJD3在胚胎發(fā)育、炎癥、衰老、腫瘤等多種生物學(xué)過程中發(fā)揮著關(guān)鍵作用[4]。因JMJD3廣泛調(diào)控參與分化、增殖、衰老、凋亡等基因,所以在對環(huán)境和細(xì)胞應(yīng)激反應(yīng)中作用顯得尤為重要[5],而目前關(guān)于JMJD3在肺部疾病中的研究甚少。本文就JMJD3在肺部疾病中作用的研究進(jìn)展作一綜述,旨在為今后的研究工作奠定一定的理論基礎(chǔ)。

一、JMJD3的結(jié)構(gòu)與功能

JMJD家族成員的C端和N端都包含有一個轉(zhuǎn)錄因子家族Jumonji小的特征結(jié)構(gòu)域,分別稱為JmjC和JmjN。JmjC是JMJD 家族酶活性中心的組成之一,JmjN 結(jié)構(gòu)域與轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)相關(guān),主要作用是核定位。在JMJD3的N端域有兩種經(jīng)典的核定位信號,能夠通過與異源體融合增強(qiáng)H3K27me3的去甲基活性[6]。JMJD3是包含有JmjC的蛋白質(zhì)家族成員,在進(jìn)化中高度保守,定位于染色體17p13.1,編碼一條包含有1682個氨基酸的多肽鏈,平均分子量176632 Da。Fe2+、O2和α-酮戊二酸的輔助下,JMJD3的JmjC結(jié)構(gòu)域催化H3K27me3中賴氨酸殘基的氨基發(fā)生羥基化修飾,而羥基化的賴氨酸殘基自動脫下甲醛而形成去甲基化的賴氨酸殘基[7-8]。

二、JMJD3在肺部疾病中的作用

1 JMJD3與肺發(fā)育

多種肺疾病的發(fā)生與肺早期發(fā)育分化不良有關(guān),但是關(guān)于肺正常發(fā)育的分子機(jī)制至今還不完全清楚。Bonafiglia等[9]報道肺發(fā)育異?？沙霈F(xiàn)繼發(fā)性肺動脈高壓,這也是嬰兒支氣管肺發(fā)育不良死亡的主要原因。JMJD3在內(nèi)胚層分化開始通過去甲基化H3K27me3激活WNT3,在內(nèi)胚層分化結(jié)束時激活Dickkopf相關(guān)蛋白1 (Dickkopf-related protein 1,DKK1),JMJD3的失活可以引起呼吸衰竭,導(dǎo)致圍產(chǎn)期死亡。Li等[10]報道JMJD3全敲可導(dǎo)致與肺發(fā)育缺陷相關(guān)的圍產(chǎn)期死亡,JMJD3缺乏時通過與轉(zhuǎn)錄因子Nkx2.1和表觀蛋白質(zhì)Brg1相互作用募集于SP-B的啟動子下調(diào)SP-B的表達(dá),從而影響肺的發(fā)育與功能。馮歡等[11]用HE 染色、PAS 染色和免疫組化方法檢測E19.5 JMJD3 基因敲除胎鼠肺生長發(fā)育情況,發(fā)現(xiàn)純合型敲除(JMJD3-/-)胚胎肺發(fā)育明顯不良,支氣管的纖毛上皮細(xì)胞和 Clara 細(xì)胞以及肺泡的Ⅰ型和Ⅱ型上皮細(xì)胞分化不良,并且肺上皮細(xì)胞的增殖指數(shù)要高于野生型和JMJD+/-組。以上研究結(jié)果表明JMJD3在胚胎發(fā)育過程中能促進(jìn)肺的形成[12]。

2 JMJD3與肺癌

肺癌是最常見的惡性腫瘤之一,也是全球癌癥致死的首位原因,占癌癥致死總數(shù)的18%,嚴(yán)重威脅著人民的健康和生命[13]。田翠杰等[14]的研究結(jié)果表明JMJD3促進(jìn)A549細(xì)胞增殖,降低G1期細(xì)胞數(shù)量和細(xì)胞衰老標(biāo)記物p21mRNA表達(dá),但對細(xì)胞遷移無明顯作用。JMJD3過表達(dá)可誘導(dǎo)FOXO1在NSCLC細(xì)胞核內(nèi)聚集,從而促進(jìn)細(xì)胞凋亡。Zhang等[15]發(fā)現(xiàn)JMJD3通過激活上皮間充質(zhì)轉(zhuǎn)化(epithelial-mesenchymal transition,EMT)信號通路促進(jìn)非小細(xì)胞肺癌(non-small cell lung cancer,NSCLC)細(xì)胞的侵襲性和遷移能力,同時,細(xì)胞因子TGF-β能夠增強(qiáng)JMJD3對NSCLC細(xì)胞功能的影響。JMJD3過表達(dá)可誘導(dǎo)FOXO1在NSCLC細(xì)胞核內(nèi)聚集,從而促進(jìn)細(xì)胞凋亡[16]。同時,Lee等[17]報道JMJD3通過syntenin-TβR1復(fù)合體、Smad2/3的激活、腫瘤細(xì)胞的遷移和侵襲調(diào)控TGF-β誘導(dǎo)的EMT。肺原發(fā)性肉瘤樣癌(primary sarcomatoid carcinoma,PSC)是一種罕見的非小細(xì)胞肺癌亞型,預(yù)后較差,缺乏診斷和預(yù)后的生物標(biāo)志物。Li等[18]用免疫組化檢測96例PSC病人JMJD3的表達(dá)情況,發(fā)現(xiàn)JMJD3的過表達(dá)與腫瘤的大小、pN分期和臨床分期顯著相關(guān),并且通過單因素生存分析顯示JMJD3陽性表達(dá)與患者生存期縮短顯著相關(guān)。更為重要的是,多因素分析發(fā)現(xiàn)JMJD3是肺癌肉瘤樣癌的獨(dú)立預(yù)后因素,這提示JMJD3有望成為肺癌診斷及治療的新型標(biāo)志物,但是具體的分子調(diào)控機(jī)制仍需進(jìn)一步探索。

3 JMJD3與急性肺損傷

急性肺損傷(ALI)/急性呼吸窘迫綜合征(ARDS)以急性低氧性呼吸衰竭伴雙側(cè)胸部影像學(xué)浸潤為特征,不能完全用心力衰竭或液體超負(fù)荷來解釋[19]。其誘發(fā)因素包括肺炎、非肺源性敗血癥、外傷、胰腺炎、燒傷等引發(fā)了一系列失調(diào)的炎癥反應(yīng)和細(xì)胞因子激活[20]。JMJD3可以增強(qiáng)感染和傷口愈合中的促炎和抗炎反應(yīng)。細(xì)菌毒素脂多糖(lipopolysaccharide,LPS)通過NF-κB信號通路降低JMJD3的表達(dá),這表明內(nèi)源性JMJD3可能進(jìn)一步限制促炎細(xì)胞因子基因的表達(dá)[21]。Peng等[22]報道在LPS刺激后,小鼠肺組織和A549細(xì)胞中JMJD3的表達(dá)量顯著提高。JMJD3缺失時以Nrf2依賴的方式通過抑制肺泡上皮細(xì)胞鐵死亡改善LPS誘導(dǎo)的肺損傷。在急性肺損傷模型中,由于肺泡血管上皮屏障的破壞,巨噬細(xì)胞的數(shù)目顯著增加,促進(jìn)激活的巨噬細(xì)胞凋亡以此來減少激活的巨噬細(xì)胞,從而加速炎癥的消退和緩解肺損傷。Gao等[23]發(fā)現(xiàn)JMJD3誘導(dǎo)的H3K27me3去甲基化上調(diào)ADORA2A的轉(zhuǎn)錄,通過抑制巨噬細(xì)胞凋亡加劇ALI的進(jìn)展。腫瘤壞死因素(tumour necrosis factor-α,TNF-α)是一種由激活的巨噬細(xì)胞釋放的炎癥因子,ADORA2A通過抑制TNF-α,抑制巨噬細(xì)胞凋亡。C/EBP-β能夠通過JMJD3誘導(dǎo)的H3K27me3去甲基化調(diào)控炎癥反應(yīng),與巨噬細(xì)胞凋亡存在一定的關(guān)聯(lián)性。此外,JMJD3上調(diào)ADORA2A 的表達(dá)主要是通過JMJD3-H3K27me3-C/EBPβ-ADORA2A信號通路來調(diào)節(jié),JMJD3降低時可以緩解LPS對肺組織的損傷作用。JMJD3的抑制劑GSK-J1降低Toll-like receptor 4的表達(dá),阻斷下游NF-κB促炎信號通路,隨后降低了LPS刺激的TNF-α、IL-1β、IL-6的上調(diào)[24]。因此JMJD3可能作為一種預(yù)防膿毒癥引起肺損傷的新型候選藥物。

4 JMJD3與肺動脈高壓

肺動脈高壓(pulmonary hypertension,PH)是指由多種異源性疾病(病因)和不同發(fā)病機(jī)制所致肺血管結(jié)構(gòu)或功能改變,引起肺血管阻力和肺動脈壓力升高的臨床和病理生理綜合征,繼而發(fā)展成右心衰竭甚至死亡[25]。在PH中,肺血管重塑不僅是肺動脈壁中不同血管細(xì)胞的積累,而且也是毛細(xì)血管前動脈減少和血管周圍炎性細(xì)胞浸潤過度。已有研究證明,炎癥是PH血管重塑的易感性和進(jìn)展的關(guān)鍵作用因素。炎癥介導(dǎo)的肺動脈血管的重塑削弱了血管的三個組成部分:內(nèi)膜、中膜、外膜。炎癥通路可能是目前除了批準(zhǔn)的靶向治療endothelin、nitric oxide/cyclic GMP和prostacyclin生物通路之外的一種新型PH特異性藥物[26]。最近,有研究強(qiáng)調(diào)表觀遺傳修飾導(dǎo)致促炎反應(yīng)通路、內(nèi)皮功能障礙和PH的進(jìn)展。越來越多的證據(jù)表明,表觀機(jī)制比如DNA甲基化、組蛋白修飾、non-coding RNA調(diào)控內(nèi)皮細(xì)胞的激活。甲基化和乙?；钦{(diào)控炎癥和內(nèi)皮細(xì)胞的最顯著的組蛋白修飾[27]。Shao等[28]研究發(fā)現(xiàn)在野百合堿誘導(dǎo)的PH大鼠模型中,JMJD3蛋白的表達(dá)在重塑的肺動脈的三層細(xì)胞(內(nèi)皮細(xì)胞、平滑肌細(xì)胞、成纖維細(xì)胞)是增加的。其中,內(nèi)皮細(xì)胞中JMJD3的表達(dá)量增加是最明顯的,尤其是部分或者完全閉塞的肺動脈。重塑的肺動脈中H3K27me3表達(dá)量相應(yīng)的減少,有些細(xì)胞甚至完全不表達(dá)H3K27me3。JMJD3也能夠在iPAH肺組織重塑的肺動脈中表達(dá),尤其是內(nèi)皮細(xì)胞和叢狀病變部位。因此,JMJD3表達(dá)和H3K27組蛋白甲基化可能在iPAH發(fā)病中起重要作用。據(jù)此,我們推測,JMJD3在PH的發(fā)病中也起著關(guān)鍵的作用。

三、總結(jié)與展望

目前,JMJD3的研究工作已經(jīng)進(jìn)行十多年了,隨著醫(yī)學(xué)科研水平的發(fā)展與提高,JMJD3的表達(dá)與肺部疾病之間的關(guān)系正逐步得到驗(yàn)證。大量的研究已經(jīng)表明,JMJD3在胚胎發(fā)育、腫瘤發(fā)生、炎癥等過程中發(fā)揮著極其重要的作用,但是具體的調(diào)控機(jī)制及其下游的信號分子尚有待進(jìn)一步闡明。JMJD3作為新的治療靶向,能否為肺部疾病的早期診斷、治療及預(yù)后監(jiān)測提供新思路,需要更加深入的研究,期望JMJD3在臨床方面的研究成為新的突破點(diǎn),為疾病的診斷、靶向治療以及預(yù)后提供更多的潛在靶點(diǎn)。