組蛋白乳酸化參與調(diào)控炎癥疾病的組織損傷修復(fù)的研究進(jìn)展

唐玉嬌, 劉如新, 白 雪, 陳夢(mèng)飛(綜述), 張 玲(審校)

炎癥是具有血管系統(tǒng)的活體組織對(duì)各種損傷因子刺激所發(fā)生的以防御反應(yīng)為主的基本病理過程。炎癥的發(fā)展是損傷、抗損傷和修復(fù)的動(dòng)態(tài)過程。但炎癥反應(yīng)過度或者炎癥持續(xù)存在,會(huì)對(duì)機(jī)體造成局部或全身的損害[1]。免疫細(xì)胞及其相關(guān)免疫分子的改變?cè)谘装Y疾病病程進(jìn)展中發(fā)揮重要作用。以往研究證實(shí),血乳酸可以調(diào)控免疫細(xì)胞而發(fā)揮抗炎作用[2-5]。2019年Zhang等[6]研究證實(shí),乳酸可能通過組蛋白乳酸化參與調(diào)控免疫細(xì)胞,進(jìn)而介導(dǎo)炎癥過程中的組織損傷修復(fù)。Chu等[7]研究發(fā)現(xiàn),在膿毒癥休克患者外周血單個(gè)核細(xì)胞中組蛋白H3第18位賴氨酸殘基乳酸化(histone H3 lysine 18 lactylation,H3K18la)修飾水平與抗炎/修復(fù)基因精氨酸酶1(arginase 1,Arg1)轉(zhuǎn)錄水平及抗炎細(xì)胞因子白細(xì)胞介素-10(interleukin-10,IL-10)表達(dá)水平呈正相關(guān),這使組蛋白乳酸化的研究成果將來應(yīng)用于臨床抗炎治療及組織損傷修復(fù)成為可能。本文對(duì)組蛋白乳酸化參與調(diào)控炎癥疾病的組織損傷修復(fù)的研究進(jìn)展綜述如下。

1 組蛋白乳酸化修飾的發(fā)現(xiàn)

組蛋白是染色質(zhì)重要組成部分之一,和DNA共同組成核小體結(jié)構(gòu)。核心組蛋白H2A、H2B、H3、H4分別以二聚體(共八聚體)相結(jié)合,形成核小體核心,而DNA便纏繞在核小體核心上[8]。連接體組蛋白H1結(jié)合在核小體核心附近,穩(wěn)定和定向連接體DNA進(jìn)入和退出核小體核心[9-10]。組蛋白的翻譯后修飾是表觀遺傳的熱點(diǎn)研究方向之一,包括乙酰化、甲基化、磷酸化、泛素化等[11]。乳酸是細(xì)胞糖酵解途徑重要的含碳代謝產(chǎn)物,它的生物學(xué)功能因腫瘤細(xì)胞中瓦博格效應(yīng)的存在受到關(guān)注[12]。Zhang等[6]發(fā)現(xiàn)組蛋白賴氨酸殘基乳酸化修飾的存在,并在人和小鼠細(xì)胞的核心組蛋白上鑒定出多個(gè)乳酸化位點(diǎn)。該發(fā)現(xiàn)拓寬了乳酸發(fā)揮非代謝功能的生物學(xué)意義,為探討感染、腫瘤等病理過程提供了新視角。隨后的研究發(fā)現(xiàn)不僅證實(shí)了組蛋白乳酸化的廣泛存在,還發(fā)現(xiàn)了組蛋白乳酸化的諸多調(diào)控功能,比如介導(dǎo)巨噬細(xì)胞焦亡、干細(xì)胞命運(yùn)調(diào)控、胚胎發(fā)育、神經(jīng)元活動(dòng)、炎癥與纖維化、腫瘤的發(fā)生等[13-18]。

2 組蛋白乳酸化與免疫細(xì)胞

免疫細(xì)胞功能改變與炎癥疾病的發(fā)生發(fā)展密切相關(guān)。近年研究發(fā)現(xiàn),組蛋白乳酸化可參與調(diào)控巨噬細(xì)胞及其他免疫細(xì)胞基因表達(dá),提示組蛋白乳酸化與炎癥疾病之間存在著密切聯(lián)系。

2.1組蛋白乳酸化與巨噬細(xì)胞 巨噬細(xì)胞作為先天性免疫細(xì)胞的重要成員,在炎癥的各個(gè)階段都可能發(fā)揮重要作用。當(dāng)細(xì)菌中存在的病原體相關(guān)分子模式(pathogen-associated molecular pattern,PAMP)被巨噬細(xì)胞表面的病原體識(shí)別受體(如Toll樣受體)識(shí)別時(shí),M1型巨噬細(xì)胞被激活并產(chǎn)生大量的促炎介質(zhì),包括腫瘤壞死因子-α(tumor necrosis factor-alpha,TNF-α)、IL-1和一氧化氮,殺死入侵的生物并激活適應(yīng)性免疫[19]。但M1型巨噬細(xì)胞不受控制的激活可能觸發(fā)全身炎癥反應(yīng)綜合征(systemic inflammatory response syndrome,SIRS)甚至膿毒癥[20]。為了抵消過度的炎癥反應(yīng),巨噬細(xì)胞極化為抗炎表型(M2型)以分泌大量抗炎因子保護(hù)宿主免受過度損傷并促進(jìn)傷口愈合[21],或者巨噬細(xì)胞發(fā)生過度凋亡參與免疫抑制形成[22]。另外,有研究發(fā)現(xiàn)膿毒癥時(shí),在PAMP或損傷相關(guān)分子模式刺激下巨噬細(xì)胞內(nèi)形成典型的核苷酸結(jié)合寡聚化結(jié)構(gòu)域樣受體蛋白3(nucleotide-binding oligomerization domain-like receptor protein 3,NLRP3)/凋亡相關(guān)斑點(diǎn)樣蛋白/半胱氨酸天冬氨酸蛋白酶-1焦亡小體,促使巨噬細(xì)胞發(fā)生焦亡并釋放IL-1β、IL-18,加劇炎癥反應(yīng)[23]。巨噬細(xì)胞的狀態(tài)改變與炎癥病情發(fā)展關(guān)系密切,組蛋白乳酸化參與了巨噬細(xì)胞的狀態(tài)改變。

2.1.1 組蛋白乳酸化調(diào)控巨噬細(xì)胞極化表型 細(xì)菌攻擊的M1巨噬細(xì)胞中內(nèi)源性“乳酸時(shí)鐘”開啟基因表達(dá)以促進(jìn)穩(wěn)態(tài),即在M1巨噬細(xì)胞極化的晚期,乳酸水平增高,組蛋白乳酸化水平增加,水平增高的H3K18la誘導(dǎo)參與損傷修復(fù)過程的M2-like基因表達(dá),如Arg1[6]。外源乳酸增加導(dǎo)致的M1巨噬細(xì)胞內(nèi)組蛋白乳酸化水平提高,不僅誘導(dǎo)了Arg1表達(dá),還增強(qiáng)了血管內(nèi)皮生長(zhǎng)因子A(vascular endothelial growth factor A,VEGFA)表達(dá)[6]。這些研究表明,乳酸和組蛋白乳酸化在M1巨噬細(xì)胞極化過程中驅(qū)動(dòng)M2-like基因表達(dá)的積極作用。在非細(xì)菌感染相關(guān)的炎癥模型中,也發(fā)現(xiàn)了組蛋白乳酸化調(diào)控巨噬細(xì)胞基因表型的證據(jù)。Cui等[17]發(fā)現(xiàn)在小鼠肺纖維化模型中,肺內(nèi)肌成纖維細(xì)胞糖酵解增強(qiáng)產(chǎn)生并分泌大量乳酸,增加巨噬細(xì)胞中致纖維化基因的啟動(dòng)子處組蛋白乳酸化水平,并上調(diào)Arg1、血小板衍生生長(zhǎng)因子(platelet-derived growth factor,PDGF)和Vegf-a等促纖維化基因的轉(zhuǎn)錄。Wang等[24]在一項(xiàng)研究中發(fā)現(xiàn)組蛋白乳酸化修飾可以抑制心肌梗死后過度的炎癥反應(yīng),促進(jìn)血管新生。心肌梗死后早期梗死區(qū)巨噬細(xì)胞H3K18la水平增高,進(jìn)而促進(jìn)修復(fù)基因富亮氨酸α2糖蛋白1(leucine-rich alpha-2-glycoprotein 1,Lrg1)、VEGFA和IL-10的轉(zhuǎn)錄,有利于心肌梗死后的心臟修復(fù)。Irizarry-Caro等[25]發(fā)現(xiàn)巨噬細(xì)胞以B細(xì)胞磷酸肌醇3-激酶銜接蛋白依賴性方式激活PI3K/Akt信號(hào)通路,Akt的活化不僅可以介導(dǎo)核因子kappa B(nuclear factor kappa B,NF-κB)的下調(diào)以抑制促炎因子的轉(zhuǎn)錄、限制炎癥,還可以增強(qiáng)糖酵解,導(dǎo)致乳酸積累、組蛋白乳酸化水平增加,進(jìn)而促進(jìn)M2-like基因Arg1和Krüppel樣因子4(Krüppel-like factor 4,Klf4)表達(dá),協(xié)調(diào)巨噬細(xì)胞從炎癥狀態(tài)向修復(fù)狀態(tài)轉(zhuǎn)變。該研究豐富了M1巨噬細(xì)胞中的組蛋白乳酸化促進(jìn)M2-like基因表達(dá)的相關(guān)分子機(jī)制的研究。以上研究表明,組蛋白乳酸化對(duì)巨噬細(xì)胞的M2-like基因表達(dá)的促進(jìn)作用對(duì)炎癥免疫亢進(jìn)階段是有利的,可促進(jìn)組織修復(fù),防止炎癥進(jìn)一步擴(kuò)散。而在部分炎癥疾病(如膿毒癥)中存在免疫抑制階段時(shí),組蛋白乳酸化的抗炎作用則會(huì)加重病情。在不同炎癥階段通過調(diào)節(jié)組蛋白乳酸化水平來改變巨噬細(xì)胞的極化狀態(tài),更有利于炎癥疾病的預(yù)后。Dichtl等[26]提出了不同的觀點(diǎn),即賴氨酸乳酸化修飾和乳酸通常與巨噬細(xì)胞激活狀態(tài)和組織修復(fù)相關(guān)基因表達(dá)無關(guān),特別是Arg1。關(guān)于組蛋白乳酸化對(duì)巨噬細(xì)胞穩(wěn)態(tài)基因的表達(dá)促進(jìn)作用尚存爭(zhēng)議,需要進(jìn)一步研究證實(shí)。

2.1.2 組蛋白乳酸化抑制巨噬細(xì)胞焦亡 焦亡是一種炎癥性程序性細(xì)胞死亡,通過連接先天免疫和適應(yīng)性免疫,在宿主防御中起著重要作用[27]。細(xì)胞焦亡依賴于gasdermin蛋白家族成員形成質(zhì)膜孔,導(dǎo)致細(xì)胞釋放大量促炎因子[28]。適度的細(xì)胞焦亡有助于病原體的清除[29],而急劇增加或過度的細(xì)胞焦亡導(dǎo)致促炎介質(zhì)大量釋放,加劇全身炎癥和組織損傷[30]。Sun等[13]研究發(fā)現(xiàn)產(chǎn)乳酸益生菌釀酒酵母通過抑制巨噬細(xì)胞焦亡和調(diào)節(jié)腸道菌群來減輕潰瘍性結(jié)腸炎。該研究發(fā)現(xiàn)乳酸促進(jìn)巨噬細(xì)胞向M2表型極化發(fā)揮抗炎作用,還可通過抑制巨噬細(xì)胞內(nèi)NLRP3炎性小體的形成而抑制巨噬細(xì)胞焦亡。研究認(rèn)為這種抑制作用與乳酸增高導(dǎo)致的巨噬細(xì)胞中組蛋白乳酸化修飾增強(qiáng)有關(guān),但對(duì)于組蛋白乳酸化修飾如何抑制巨噬細(xì)胞焦亡并未進(jìn)行探討。組蛋白乳酸化抑制巨噬細(xì)胞焦亡若得到進(jìn)一步驗(yàn)證與解釋,組蛋白乳酸化對(duì)巨噬細(xì)胞焦亡的抑制作用可將為炎癥疾病組織損傷修復(fù)治療提供新的思路。

2.1.3 組蛋白乳酸化調(diào)控小膠質(zhì)細(xì)胞糖酵解相關(guān)基因 小膠質(zhì)細(xì)胞是中樞神經(jīng)系統(tǒng)的駐留巨噬細(xì)胞,與許多神經(jīng)退行性疾病和腦炎癥性疾病的發(fā)病機(jī)制有關(guān)[31]。研究發(fā)現(xiàn),小膠質(zhì)細(xì)胞向糖酵解的轉(zhuǎn)換導(dǎo)致小膠質(zhì)細(xì)胞吞噬能力降低[32],而有氧糖酵解衍生的產(chǎn)物乳酸可直接增強(qiáng)小膠質(zhì)細(xì)胞釋放促炎細(xì)胞因子[33]。Pan等[34]發(fā)現(xiàn)在阿爾茨海默病(Alzheimer′s disease,AD)小鼠模型中,H4K12la在小膠質(zhì)細(xì)胞糖酵解相關(guān)基因(如低氧誘導(dǎo)因子-1a、丙酮酸激酶M型、乳酸脫氫酶A)的啟動(dòng)子區(qū)顯著富集,并激活這些基因的轉(zhuǎn)錄,促進(jìn)小膠質(zhì)細(xì)胞的糖酵解活性,形成“糖酵解-組蛋白乳酸化-丙酮酸激酶M2”正反饋調(diào)控環(huán)路,加強(qiáng)小膠質(zhì)細(xì)胞的促炎特性,最終促進(jìn)AD進(jìn)展。在顱內(nèi)感染或其他炎癥疾病模型中,可能也存在小膠質(zhì)細(xì)胞代謝重編程向有氧糖酵解轉(zhuǎn)換,繼而引起小膠質(zhì)細(xì)胞內(nèi)組蛋白乳酸化水平增高,促進(jìn)其糖酵解基因轉(zhuǎn)錄,加強(qiáng)其促炎效應(yīng),加劇神經(jīng)系統(tǒng)功能障礙。反之,阻斷小膠質(zhì)細(xì)胞的組蛋白乳酸化可能減輕神經(jīng)系統(tǒng)炎癥反應(yīng)。

2.2組蛋白乳酸化與外周血單個(gè)核細(xì)胞 外周血單個(gè)核細(xì)胞是外周血中具有單個(gè)核的細(xì)胞,包括淋巴細(xì)胞和單核細(xì)胞。Chu等[7]發(fā)現(xiàn)H3K18la不僅在所有受試者中表達(dá),而且在膿毒癥休克患者中表達(dá)最高。研究者還發(fā)現(xiàn)H3K18la蛋白表達(dá)與血清乳酸、炎癥分子水平、抗炎基因Arg1轉(zhuǎn)錄水平呈正相關(guān)。但關(guān)于組蛋白乳酸化與炎癥分子及Arg1轉(zhuǎn)錄水平是否存在直接的調(diào)控關(guān)系,研究者并未進(jìn)一步探索?？傊?這些研究結(jié)果證明,乳酸化組蛋白H3K18la可作為診斷和預(yù)測(cè)膿毒性休克嚴(yán)重程度的潛在生物標(biāo)志物,為將來組蛋白乳酸化在膿毒癥臨床診療應(yīng)用方面的進(jìn)一步研究提供了線索。Wang等[24]研究發(fā)現(xiàn)心肌梗死后外周血單核細(xì)胞組蛋白乳酸化水平升高上調(diào)修復(fù)基因(VEGFA、IL-10和Lrg1)表達(dá),并通過動(dòng)物實(shí)驗(yàn)證明了H3K18la水平增高的單核細(xì)胞輸注有助于心肌梗死后的心臟損傷修復(fù)。在其他炎癥損傷中,H3K18la水平增高的單核細(xì)胞或巨噬細(xì)胞輸注是否有利于組織損傷修復(fù),值得進(jìn)一步研究。

2.3組蛋白乳酸化與其他免疫細(xì)胞 研究表明,乳酸對(duì)樹突狀細(xì)胞、T細(xì)胞、自然殺傷細(xì)胞等免疫細(xì)胞的功能具有抑制作用[2,35],但組蛋白乳酸化是否參與這種抑制作用尚未證實(shí)。目前,大部分組蛋白乳酸化與免疫細(xì)胞的相關(guān)研究來源于腫瘤領(lǐng)域,研究人員在腫瘤內(nèi)浸潤的免疫細(xì)胞中也檢測(cè)到了乳酸化修飾。腫瘤浸潤髓系細(xì)胞是參與腫瘤免疫逃逸的重要細(xì)胞群,主要包括腫瘤相關(guān)巨噬細(xì)胞、髓源抑制性細(xì)胞、腫瘤相關(guān)中性粒細(xì)胞等。Xiong等[36]研究發(fā)現(xiàn)組蛋白H3K18la乳酸化修飾形式促進(jìn)腫瘤浸潤髓系細(xì)胞中甲基轉(zhuǎn)移酶樣蛋白3(methyltransferase-like 3,METTL3)的表達(dá),增強(qiáng)JAK1-STAT3信號(hào)通路的激活,啟動(dòng)下游免疫抑制分子的表達(dá),從而產(chǎn)生免疫抑制,這為組蛋白乳酸化在炎癥環(huán)境中免疫抑制作用的分子機(jī)制研究提供了新的思路。

3 組蛋白乳酸化修飾的關(guān)鍵酶

Zhang等[6]通過體外實(shí)驗(yàn)及細(xì)胞實(shí)驗(yàn)表明組蛋白乙?；D(zhuǎn)移酶p300是潛在的乳酰轉(zhuǎn)移酶,乳酸轉(zhuǎn)化成乳酰輔酶A后通過乙?；D(zhuǎn)移酶p300將乳酸基團(tuán)從乳酰輔酶A轉(zhuǎn)移至組蛋白上。而Gaffney等[37]發(fā)現(xiàn)乳酸部分從乳酰谷胱甘肽轉(zhuǎn)移到組蛋白賴氨酸殘基上發(fā)生賴氨酸D-乳酸化,且這一過程不依賴任何酶。人體和大多數(shù)哺乳動(dòng)物糖酵解代謝主要產(chǎn)生的物質(zhì)是L-乳酸,L-乳酸在缺氧和Warburg效應(yīng)期間被大量誘導(dǎo);D-乳酸是L-乳酸的光學(xué)異構(gòu)體,正常情況下在細(xì)胞中的含量遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于L-乳酸[38-39]。而Moreno-Yruela等[40]的研究證明,細(xì)胞內(nèi)組蛋白乳酸化衍生自L-乳酸,且細(xì)胞內(nèi)組蛋白乳酸化是賴氨酸L-乳酸化而非賴氨酸D-乳酸化。因此,細(xì)胞內(nèi)組蛋白乳酸化修飾是一種酶促反應(yīng)。體外實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了組蛋白去乙?；?3和沉默調(diào)節(jié)蛋白1-3也具有去乳酸化修飾作用,并通過過表達(dá)和敲低實(shí)驗(yàn)表明兩者在細(xì)胞中發(fā)揮去乳酸化作用。Cui等[17]通過敲低及敲除實(shí)驗(yàn)證明,乙酰轉(zhuǎn)移酶p300介導(dǎo)了小鼠肺巨噬細(xì)胞促纖維化基因啟動(dòng)子處的組蛋白乳酸化。Wang等[24]通過敲低實(shí)驗(yàn)證實(shí),組蛋白乙?；赴焙铣赏ㄓ每刂频鞍?參與骨髓源性巨噬細(xì)胞組蛋白乳酸化和其靶向的修復(fù)基因轉(zhuǎn)錄?？傊?這些數(shù)據(jù)表明組蛋白乳酸化是由調(diào)節(jié)酶安裝和去除的,這些調(diào)節(jié)酶能否作為組蛋白乳酸化在炎癥疾病中發(fā)揮作用的調(diào)控者,值得進(jìn)一步研究。

4 結(jié)語

組蛋白乳酸化作為一種新型翻譯后修飾,對(duì)組蛋白乳酸化的研究可加深人們對(duì)乳酸功能及其在各種病理生理?xiàng)l件(包括感染和癌癥)中的作用的了解。目前,有關(guān)組蛋白乳酸化的研究尚處于初級(jí)階段,組蛋白乳酸化參與炎癥疾病相關(guān)免疫細(xì)胞調(diào)控相關(guān)的研究還有較大空間。腫瘤領(lǐng)域組蛋白乳酸化在免疫細(xì)胞中的研究也啟發(fā)學(xué)者們繼續(xù)探討在炎癥環(huán)境中組蛋白乳酸化的相關(guān)分子機(jī)制。未來還需要更多的基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)及臨床研究提供更加充分的數(shù)據(jù)資料,為炎癥疾病組織損傷修復(fù)的免疫治療帶來新的希望。組蛋白乳酸化在除免疫細(xì)胞外的其他組織細(xì)胞中的炎癥調(diào)控作用能被研究證實(shí),將為臨床提供更多基于組蛋白乳酸化的抗炎治療途徑。