端粒及端粒酶逆轉(zhuǎn)錄酶基因與慢性阻塞性肺疾病相關(guān)性的研究進(jìn)展

武穎穎,孔維香

(1.濟(jì)寧醫(yī)學(xué)院 臨床醫(yī)學(xué)院,山東 濟(jì)寧 272000;2.濟(jì)寧市第一人民醫(yī)院 臨床藥學(xué)科,山東 濟(jì)寧 272000)

慢性阻塞性肺疾病(chronic obstructive pulmonary disease,COPD)是由于氣道異常和(或)肺泡異常導(dǎo)致的持續(xù)性(常為進(jìn)展性)氣流阻塞,是一種異質(zhì)性的肺部狀態(tài),以慢性呼吸道癥狀為特征。通常由長期暴露于有害顆粒或氣體所引起[1]。除暴露因素外,個(gè)體宿主易感性也會(huì)導(dǎo)致COPD的發(fā)生,包括基因異常、肺發(fā)育異常和加速衰老等。全球≥40歲人群中COPD的患病率達(dá)9%～10%[2]。我國COPD監(jiān)測資料顯示,隨年齡增加COPD的患病率呈明顯遞增趨勢[3],預(yù)計(jì)到2030年COPD將成為全球人口發(fā)病和死亡的第三大原因[4]。COPD是全球性的公共衛(wèi)生問題,給人類帶來了沉重的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)負(fù)擔(dān)。大量研究表明,與衰老相關(guān)的端?？s短、端粒酶逆轉(zhuǎn)錄酶(telomerase reverse transcriptase,TERT)基因變異增加了COPD患者的易感性。本文通過對端粒及TERT基因與COPD相關(guān)性的研究進(jìn)展進(jìn)行綜述,旨在為臨床提供依據(jù)。

1 端粒

端粒位于真核細(xì)胞線性染色體的末端,含有一段1～5 kb(TTAGGG)高度保守的重復(fù)序列,在保護(hù)染色體的穩(wěn)定性和維持細(xì)胞活性中起重要作用[5]。在大部分體細(xì)胞中端粒隨著細(xì)胞周期的增加而逐漸縮短。為了彌補(bǔ)因端?？s短所導(dǎo)致的細(xì)胞衰老,端粒酶可將重復(fù)序列添加到染色體末端。但端粒酶并不能完全跟上端粒的丟失,當(dāng)端粒縮短達(dá)到臨界長度時(shí),會(huì)激活持續(xù)性DNA損傷反應(yīng),誘導(dǎo)細(xì)胞衰老或凋亡[6]。衰老細(xì)胞的積累被認(rèn)為在衰老和衰老相關(guān)疾病中發(fā)揮重要作用,通過衰老相關(guān)分泌表型損害組織再生和誘導(dǎo)慢性炎癥[7]。端粒縮短是正常衰老的一個(gè)特征,但在以加速衰老為特征的肺疾病中更為明顯。研究發(fā)現(xiàn),白細(xì)胞端粒長度過早縮短與特發(fā)性肺纖維化(idiopathic pulmonary fibrosis,IPF)和COPD有關(guān)[8]。Zhang等[9]通過研究進(jìn)一步證實(shí),端?？s短是發(fā)生IPF的原因。另有研究發(fā)現(xiàn),兒童哮喘患者平均端粒長度比非哮喘患者短[10]。在重度吸煙者中,診斷前測量的短端粒長度與小細(xì)胞肺癌死亡風(fēng)險(xiǎn)增加相關(guān)[11]。目前,端?？s短受常見及罕見遺傳變異、遺傳端粒長度的影響,可導(dǎo)致依賴于環(huán)境因素、共病條件和個(gè)體一般遺傳背景的肺部疾病。

2 TERT基因

人類端粒酶包括人類端粒酶RNA、人類TERT和端粒相關(guān)蛋白。端粒酶RNA是端粒合成DNA的模板。TERT是端粒酶的催化亞基,是決定端粒長度的關(guān)鍵因素,能夠有效維持端粒結(jié)構(gòu)的完整性。人類TERT和端粒相關(guān)蛋白的相互作用對端粒酶的活性起著至關(guān)重要的作用[12]。TERT基因啟動(dòng)子區(qū)是影響TERT表達(dá)、端粒酶活性和端粒酶長度的調(diào)控元件[13]。通過獲得TERT基因啟動(dòng)子中的非編碼突變上調(diào)TERT轉(zhuǎn)錄使端粒酶上調(diào)的機(jī)制存在于多種肺腫瘤類型中。有研究表明,TERT mRNA和蛋白質(zhì)表達(dá)能夠維持呼吸道相關(guān)上皮組織的完整性、促進(jìn)肺泡巨噬細(xì)胞發(fā)揮其肺內(nèi)“衛(wèi)士”功能和維持機(jī)體的免疫功能。TERT基因的多樣性與肺癌和包括COPD在內(nèi)的肺衰老相關(guān)疾病密切相關(guān)。

3 端粒及TERT基因?qū)OPD的影響

3.1端粒與COPD COPD相關(guān)的病理機(jī)制包括端粒磨損、表觀遺傳改變、營養(yǎng)感知改變、線粒體功能障礙、細(xì)胞衰老、干細(xì)胞衰竭和慢性炎癥等。細(xì)胞衰老是COPD發(fā)生的重要驅(qū)動(dòng)。哺乳動(dòng)物雷帕霉素靶蛋白(mammalian target of rapamycin,mTOR)信號(hào)通路參與細(xì)胞代謝、存活和生長。細(xì)胞衰老與mTOR信號(hào)通路激活有關(guān),能促進(jìn)肺氣腫、肺動(dòng)脈高壓和炎癥的發(fā)展[14]。早期抑制衰老相關(guān)通路和消除衰老細(xì)胞可較好地預(yù)防肺纖維化[15]。端粒長度被認(rèn)為是衰老的重要生物標(biāo)志物之一,與COPD的發(fā)生、發(fā)展密切相關(guān)[16]。

3.1.1端粒與COPD發(fā)病機(jī)制 端粒長度縮短與暴露于氧化應(yīng)激和炎癥損傷的COPD患者的不良健康狀況、急性加重及病死率增加有關(guān)。而端粒長度的增加與COPD患者較高的運(yùn)動(dòng)能力相關(guān),與體力活動(dòng)無關(guān)[17]。越來越多的證據(jù)表明,肺泡上皮細(xì)胞、肺血管內(nèi)皮細(xì)胞、成纖維細(xì)胞、平滑肌細(xì)胞、支氣管上皮細(xì)胞及白細(xì)胞的端?？s短與COPD相關(guān)[8,18]。外周循環(huán)中端粒過度縮短可作為COPD患者加速衰老的標(biāo)志[19]。遺傳、環(huán)境及行為因素(吸煙、飲食、壓力及空氣污染等)都可影響白細(xì)胞端粒[20],且COPD已被證明與多種因素有關(guān)。參與COPD發(fā)病的氧化應(yīng)激被證明可使端粒長度縮短[5],故抗氧化劑可能改善COPD患者癥狀,延緩衰老[21]。研究發(fā)現(xiàn),COPD患者的動(dòng)脈血氧分壓(PaO2)與端粒長度密切相關(guān)[22],其可能原因?yàn)镃OPD加重期、睡眠時(shí)和活動(dòng)期間的缺氧均會(huì)誘發(fā)細(xì)胞的氧化應(yīng)激。慢性炎癥在COPD的進(jìn)展中發(fā)揮重要作用,而短端粒、端粒酶活性相關(guān)的細(xì)胞衰老在促進(jìn)和維持COPD中的炎癥起主要作用。此外,全身性炎癥也能影響COPD患者的端粒長度。COPD患者呼吸道及血液中有高水平的炎癥標(biāo)記物,如白細(xì)胞介素(interleukin,IL)-6、IL-1β、IL-8、轉(zhuǎn)化生長因子-β(transforming growth factor-β,TGF-β)。COPD患者端粒長度縮短與參與衰老和慢性炎癥的IL-6水平呈負(fù)相關(guān)[23]。另外,60歲以上的男性吸煙和(或)戒煙COPD患者的端粒明顯短于同一亞組中的女性[5],合并α-1抗胰蛋白酶缺乏癥的COPD患者外周血白細(xì)胞的端粒中位長度比COPD患者長[24]。COPD與端粒長度相關(guān)研究結(jié)果的差異可能會(huì)受到端粒長度測量方法、個(gè)體差異及治療干預(yù)的影響。

成人2型肺泡上皮細(xì)胞端粒功能障礙導(dǎo)致肺泡干細(xì)胞衰竭,引起肺功能異常、繼發(fā)性炎癥和對肺部毒性藥物的災(zāi)難性反應(yīng)。肺血管內(nèi)皮細(xì)胞端粒功能障礙和衰老在COPD患者肺部炎癥中發(fā)揮主要作用。端粒功能障礙也可獨(dú)立于端粒縮短而誘導(dǎo)衰老。保護(hù)端粒不受DNA修復(fù)機(jī)制影響的屏蔽復(fù)合物的功能障礙可導(dǎo)致端粒功能障礙,導(dǎo)致細(xì)胞衰老,也在COPD的發(fā)病機(jī)制中發(fā)揮作用[25]。環(huán)境損傷和端粒功能障礙的相加效應(yīng)被認(rèn)為是易患肺氣腫的原因之一。

3.1.2端粒與COPD預(yù)后 外周血端粒長度的表觀遺傳調(diào)節(jié)與COPD患者的病情加重和住院率增加相關(guān),端粒長度是COPD患者不良預(yù)后的一個(gè)重要生物標(biāo)志物[26],與嚴(yán)重氣流受限、老年COPD患者肺功能惡化相關(guān)[27]。然而,有研究發(fā)現(xiàn),端粒長度較短與肺功能下降和COPD風(fēng)險(xiǎn)增加有關(guān),但上述關(guān)聯(lián)在調(diào)整年齡和多變量后顯著減弱[28]。端粒長度與肺功能間的關(guān)系仍有爭議。一項(xiàng)前瞻性研究表明,隨著時(shí)間的推移,端粒加速縮短與COPD患者更糟糕的肺泡氣體交換功能、更嚴(yán)重的肺過度膨脹和肺外病變相關(guān)[22]。此外,端粒持續(xù)變短會(huì)增加患者全因死亡的風(fēng)險(xiǎn)。端粒磨損可能會(huì)導(dǎo)致由吸煙引起肺功能下降的風(fēng)險(xiǎn)增加[29]。有研究發(fā)現(xiàn),塵埃區(qū)COPD患者端粒長度與疾病相關(guān)表型沒有顯著關(guān)聯(lián)[30]。因此,仍需要更多的大規(guī)模研究,并長期隨訪,以論證端粒長度與COPD的關(guān)系。

3.2TERT基因與COPD 肺部疾病表型很大程度上取決于環(huán)境因素和個(gè)體遺傳背景。因此,除了煙霧暴露外,遺傳因素(主要為遺傳性α-1抗胰蛋白酶缺乏癥)對COPD患者的易感性也起著關(guān)鍵作用。與端粒相關(guān)的基因組突變所致的肺部疾病表型主要是不同形式的肺纖維化(最常見的是IPF[31]),也可表現(xiàn)為肺氣腫,但肺血管疾病很少見。有研究表明,端粒酶的種系突變導(dǎo)致端粒縮短,并與COPD密切相關(guān),與對照組小鼠相比,長期暴露于香煙煙霧中端粒較短的端粒酶缺陷(Tert-/-)小鼠肺氣腫患病率更高[32]。另外,TERT基因的缺失及其單核苷酸多態(tài)性(single nucleotide polymorphisms,SNPs)也與COPD的臨床結(jié)局有一定的相關(guān)性。端粒區(qū)域的組蛋白甲基化和人類TERT基因的去甲基化在維持異染色質(zhì)結(jié)構(gòu)、端粒轉(zhuǎn)錄沉默和端粒酶失活方面發(fā)揮著重要作用。因此,TERT基因的遺傳變異在COPD的發(fā)生中起著復(fù)雜的作用,且TERT基因位點(diǎn)的交互作用可能比單個(gè)位點(diǎn)更重要。

3.2.1TERT基因突變、缺失與COPD 多項(xiàng)證據(jù)支持衰老生物標(biāo)志物短端粒(可由TERT基因突變引起)參與COPD的發(fā)病。有研究納入了292例重度COPD患者,發(fā)現(xiàn)其中3例攜帶有害的TERT基因突變(1%),這一患病率與該人群中記錄的α-1抗胰蛋白酶缺乏癥的患病率相當(dāng)[33]。與其他COPD患者相比,患有肺氣腫的TERT基因突變攜帶者的氣道破壞傾向于肺尖,并與氣胸風(fēng)險(xiǎn)增加相關(guān)。TERT基因突變患者的COPD似乎更為嚴(yán)重,且多為吸煙的女性。TERT基因突變會(huì)降低端粒酶的催化活性,導(dǎo)致突變載體端粒較短。因此,端粒酶的生殖系突變是COPD易感的孟德爾危險(xiǎn)因子。但端粒相關(guān)基因突變的COPD患者的治療效果尚未得到研究。TERT基因缺失在COPD發(fā)病過程中起重要作用。Chen等[34]通過敲除小鼠的端粒酶RNA或TERT基因證實(shí),端粒酶成分缺乏會(huì)導(dǎo)致肺泡干細(xì)胞的復(fù)制性衰老、上皮損傷、肺泡囊形成和特征性炎癥表型,使小鼠在香煙暴露后表現(xiàn)為肺氣腫的風(fēng)險(xiǎn)增加。

3.2.2TERT基因SNPs與COPD 除端粒相關(guān)基因突變外,在沒有突變情況下的短端粒和端粒相關(guān)基因的SNPs也可能與肺部疾病的發(fā)生有關(guān)。全基因組關(guān)聯(lián)研究已經(jīng)確定了COPD易感性的遺傳標(biāo)記主要是SNPs[35]。有研究報(bào)道,在居住在中國海南省的黎族患者和日本人群中TERT基因的SNPs與COPD風(fēng)險(xiǎn)增加有關(guān)[36-37]。短端粒風(fēng)險(xiǎn)相關(guān)的SNP rs61748181編碼的一個(gè)TERT變體可導(dǎo)致端粒長度維持缺陷及端粒酶催化活性缺陷[38]。TERT基因是與肺功能下降和COPD發(fā)病機(jī)制相關(guān)的生物學(xué)上可能的候選基因。具有輕微催化缺陷的功能性TERT基因的SNPs仍然與COPD的臨床表現(xiàn)有關(guān)。TERTrs2736100 SNPs與環(huán)境和生活方式因素(COPD病史、吸煙過多等)共同出現(xiàn)時(shí),肺癌風(fēng)險(xiǎn)增加。TERT基因的多態(tài)性也與較高的肺纖維化合并肺氣腫風(fēng)險(xiǎn)相關(guān)。另外,基質(zhì)金屬蛋白酶和晚期糖基化終產(chǎn)物特異性受體的基因多態(tài)性也與COPD相關(guān)[39]。

4 小結(jié)與展望

端粒和端粒酶相關(guān)的復(fù)雜遺傳調(diào)控在COPD的發(fā)生發(fā)展中起著關(guān)鍵作用,并可能影響個(gè)體對COPD的易感性。在參與COPD發(fā)病的氧化應(yīng)激及慢性炎癥過程中均能發(fā)現(xiàn)端粒的縮短。COPD的發(fā)病機(jī)理及主要表現(xiàn)表明TERT基因的遺傳調(diào)控與COPD的臨床結(jié)局有一定的相關(guān)性。目前國內(nèi)尚缺乏大量的相關(guān)研究,仍需大量大規(guī)模的基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)以深入探索、論證研究。目前,COPD的治療僅能夠延緩疾病發(fā)展、降低并發(fā)癥發(fā)生率,而不能完全治愈。如能證實(shí)端粒、端粒酶相關(guān)基因與COPD的因果關(guān)系,端粒系統(tǒng)則有望成為COPD早期診斷和基因干預(yù)治療的新靶點(diǎn),將COPD的治療帶入全新領(lǐng)域。