組蛋白甲基化修飾在衰老性心血管病變中的研究進(jìn)展

孟 迪, 張 靜, 曾 萍, 劉 麗,吳靜宜, 黃逸凡, 楊 簡(jiǎn)

(1. 三峽大學(xué)第一臨床醫(yī)學(xué)院/湖北省宜昌市中心人民醫(yī)院 心血管內(nèi)科,湖北 宜昌, 443000;2. 三峽大學(xué)心血管病研究所, 湖北 宜昌, 443000;3. 湖北省缺血性心血管疾病臨床醫(yī)學(xué)研究中心, 湖北 宜昌, 443000;4. 湖北省宜昌市中心人民醫(yī)院 中心實(shí)驗(yàn)室, 湖北 宜昌, 443000)

衰老是心血管疾病(CVD)的一個(gè)重要危險(xiǎn)因素[1]?！吨袊?guó)心血管健康與疾病報(bào)告2022》[2]顯示,中國(guó)CVD患病率處于持續(xù)上升階段,致死率仍居首位,高于腫瘤及其他疾病。隨著年齡的增長(zhǎng),心臟表現(xiàn)出多種病理生理改變,如心房及心室擴(kuò)大、室間隔增厚、心臟舒張及收縮功能不全、瓣膜鈣化及功能失調(diào)、心肌纖維化、多種心律失常產(chǎn)生及血管老化等[3]。因此,探討衰老性心血管病變相關(guān)研究具有重要意義。組蛋白甲基化修飾是CVD發(fā)生發(fā)展中的表觀遺傳修飾方式之一,組蛋白甲基轉(zhuǎn)移酶(HMTs)和組蛋白去甲基化酶(HDMs)參與調(diào)節(jié)基因轉(zhuǎn)錄表達(dá)的動(dòng)態(tài)平衡[4], 可逆調(diào)節(jié)組蛋白標(biāo)記的酶可能會(huì)影響與長(zhǎng)壽有特定基因的表達(dá)[5]。因此,組蛋白甲基化修飾與衰老密切相關(guān)。在衰老狀態(tài)下,組蛋白甲基轉(zhuǎn)移酶類端粒沉默干擾體1(DOT1L)可通過(guò)介導(dǎo)白細(xì)胞介素1A(IL1A)的組蛋白H3的第79個(gè)賴氨酸殘基的三甲基化(H3K79me3)來(lái)減輕衰老相關(guān)分泌表型的有害影響[6]。研究[7]發(fā)現(xiàn)衰老心臟中H4K20me3的水平降低,其機(jī)制為轉(zhuǎn)化生長(zhǎng)因子-β(TGF-β)/Smad信號(hào)通路降低了H4K20me3的水平,進(jìn)而加重心臟衰老。目前,組蛋白甲基化修飾在衰老性心血管疾病(冠心病[8]、高血壓[9]、心肌肥厚[10]及心肌梗死[11]等)中的相關(guān)研究甚多。本研究就組蛋白甲基化修飾在心臟結(jié)構(gòu)和功能改變中的作用進(jìn)行綜述,為衰老性心血管病變防治提供理論依據(jù)。

1 組蛋白甲基化修飾

組蛋白是真核細(xì)胞染色質(zhì)中的一種堿性蛋白,其包括H1、H2A、H2B、H3和H4。其中組蛋白H2A、H2B、H3和H4形成八聚體形式,雙鏈DNA纏繞于八聚體周圍形成核小體。核小體是真核細(xì)胞細(xì)胞核中染色質(zhì)的基本單位。組蛋白的N段尾部從核小體中延伸出,根據(jù)其尾部氨基酸殘基的不同可與不同的組蛋白修飾酶發(fā)生多種翻譯后修飾,影響染色質(zhì)的結(jié)構(gòu)和功能,并在基因調(diào)控中發(fā)揮作用。其中組蛋白甲基化修飾是最為重要的翻譯后修飾之一,其通常是在組蛋白H3和H4氨基端的賴氨酸(K)或精氨酸(R)殘基上添加1個(gè)或多個(gè)甲基而發(fā)生。賴氨酸殘基能夠發(fā)生一、二或三甲基化,而精氨酸殘基能夠發(fā)生一甲基化或?qū)ΨQ的/不對(duì)稱的二甲基化。由于甲基化的位點(diǎn)、程度和模式以及甲基化發(fā)生的基因組環(huán)境的影響,組蛋白甲基化可直接影響基因的轉(zhuǎn)錄激活或抑制[12]。

組蛋白甲基化修飾在穩(wěn)定和動(dòng)態(tài)之間的適當(dāng)平衡對(duì)于維持正常的生物學(xué)功能是必要的,該平衡受HMTs及HDMs調(diào)控。HMTs分為2類: 賴氨酸甲基轉(zhuǎn)移酶(KMTs)和精氨酸甲基轉(zhuǎn)移酶(PRMTs)。HDMs則分為2個(gè)家族: 賴氨酸特異性去甲基化酶(LSD)和Jumonji C(JMJC)蛋白家族。

研究[13]發(fā)現(xiàn),組蛋白甲基化修飾參與轉(zhuǎn)錄調(diào)控、細(xì)胞增殖等過(guò)程,并對(duì)維持細(xì)胞穩(wěn)態(tài)起著重要的作用。更有研究發(fā)現(xiàn)組蛋白甲基化修飾與延長(zhǎng)壽命的信號(hào)通路及參與長(zhǎng)壽的特定基因的表達(dá)密切相關(guān)[5]。經(jīng)研究,組蛋白甲基轉(zhuǎn)移酶SET結(jié)構(gòu)域蛋白6(SET-6)的表達(dá)隨年齡增長(zhǎng)而增加[14]。研究者通過(guò)分析人類前額葉皮質(zhì)的基因表達(dá)譜后發(fā)現(xiàn)SET-6同源物常染色質(zhì)組蛋白賴氨酸甲基轉(zhuǎn)移酶1(EHMT1)的表達(dá)也隨著年齡的增長(zhǎng)而增加[15]。值得注意的是,SET-6/EHMT1還可通過(guò)調(diào)控靶基因H3K9me3水平抑制線粒體功能相關(guān)基因的表達(dá),進(jìn)而加重衰老[14]。據(jù)報(bào)道[16],左心室心房利鈉肽(ANP)和B型利鈉肽(BNP)水平隨著年齡的增長(zhǎng)而升高,上述基因的表達(dá)增加還與H3K4me2增強(qiáng)有關(guān)[17]。

2 組蛋白甲基化修飾與衰老性心血管病變

隨著年齡增長(zhǎng)、機(jī)體衰老,心臟的重要組成部分如心肌、瓣膜、心臟傳導(dǎo)系統(tǒng)及心臟血管的結(jié)構(gòu)及功能隨之改變。其衰老特征表現(xiàn)為心肌衰老、瓣膜改變、心臟傳導(dǎo)系統(tǒng)改變及血管老化。作為與長(zhǎng)壽信號(hào)通路有關(guān)的表觀遺傳學(xué)修飾,組蛋白甲基化修飾與心血管疾病的發(fā)生發(fā)展密切相關(guān),其動(dòng)態(tài)平衡在衰老性心血管病變中發(fā)揮重要作用。

2.1 組蛋白甲基化修飾與心肌衰老

心肌衰老通常伴隨著左心室肥厚(特別是室間隔的增厚和僵硬)、左房擴(kuò)張、心肌纖維化及心功能的惡化,如心臟收縮及舒張功能障礙[18]。組蛋白甲基化是基因表達(dá)的重要表觀遺傳調(diào)節(jié)因子,其失調(diào)會(huì)導(dǎo)致發(fā)育缺陷和疾病[19]。近幾年研究發(fā)現(xiàn)組蛋白甲基化修飾在心肌肥厚、心肌纖維化及心功能中的關(guān)鍵作用。

組蛋白甲基化修飾促進(jìn)衰老性心肌肥厚的產(chǎn)生。心肌肥厚的發(fā)生伴隨著基因表達(dá)重編程,這一過(guò)程很大程度上依賴于組蛋白甲基化的動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)。組蛋白甲基轉(zhuǎn)移酶G9a(EHMT2)可通過(guò)介導(dǎo)H3K9me2與EZH2的增強(qiáng)子相互作用抑制抗肥厚基因的表達(dá),從而促進(jìn)心肌肥厚[20]。組蛋白去甲基化酶家族也與心肌肥厚密切相關(guān)。賴氨酸三甲基特異性組蛋白去甲基化酶含Jumonji結(jié)構(gòu)域的蛋白2A(JMJD2A)是已發(fā)現(xiàn)的能夠誘心肌細(xì)胞肥大的組蛋白去甲基化酶。在內(nèi)皮素-1(ET-1)誘導(dǎo)的肥大心肌細(xì)胞中腦鈉肽(BNP)表達(dá)升高2～10倍。而在心肌細(xì)胞過(guò)表達(dá)JMJD2A時(shí), BNP表達(dá)增加150%,這種增加在ET-1處理后更明顯[21]。JMJD2A還可通過(guò)與4個(gè)半LIM結(jié)構(gòu)域1(FHL1)啟動(dòng)子結(jié)合,下調(diào)H3K9me3, 上調(diào)FHL1表達(dá),促進(jìn)心肌肥厚的產(chǎn)生[21]。組蛋白去甲基化酶JMJD1C在人類和小鼠肥厚心臟中過(guò)表達(dá),而組蛋白甲基化減少。在血管緊張素Ⅱ(Ang Ⅱ)誘導(dǎo)的心肌細(xì)胞肥大過(guò)程中,JMJD1C促進(jìn)了心肌細(xì)胞大小的增加和肥大相關(guān)的胎兒基因的表達(dá),包括心房鈉尿肽(ANP)、BNP和肌球蛋白重鏈7(Myh7)。這一過(guò)程與鈣/鈣調(diào)蛋白依賴的蛋白激酶(CAMKK2)基因沉默有關(guān)[22]。CAMKK2的失活可能促進(jìn)心肌肥厚的發(fā)展[23]。研究[22]發(fā)現(xiàn)JMJD1C可通過(guò)結(jié)合CAMKK2啟動(dòng)子,降低了H3K9me水平,從而抑制心肌細(xì)胞內(nèi)CAMKK2的表達(dá),促進(jìn)心肌肥厚產(chǎn)生。

在衰老性心肌纖維化方面,組蛋白甲基化修飾作用較為復(fù)雜。心臟纖維化的主要表現(xiàn)是成纖維細(xì)胞過(guò)度轉(zhuǎn)化為肌成纖維細(xì)胞,并伴有細(xì)胞外基質(zhì)過(guò)度合成和降解不足,導(dǎo)致心肌順應(yīng)性降低、舒縮功能障礙及心力衰竭的發(fā)生。在多種心臟疾病中,心肌纖維化是影響心肌重塑及心功能障礙的核心[24]。在心肌衰老中,心肌纖維化是重要的病理改變。研究[25]發(fā)現(xiàn)在心肌肥厚中發(fā)揮作用的組蛋白甲基化酶G9a還可與心肌細(xì)胞增強(qiáng)因子2C(MEF2C)形成復(fù)合體,結(jié)合異染色質(zhì)抑制心臟纖維化。沉默內(nèi)皮細(xì)胞特異性組蛋白甲基轉(zhuǎn)移酶SET1可以抑制慢性血管緊張素轉(zhuǎn)換酶治療反應(yīng)中的ET-1轉(zhuǎn)錄,從而抑制心肌纖維化及心肌肥厚[26]。有趣的是,組蛋白甲基化修飾在心肌纖維化不僅僅發(fā)揮保護(hù)的作用。賴氨酸去甲基酶5B(KDM5B),一種組蛋白H3K4me2/me3去甲基化酶,是病理性心肌纖維化的關(guān)鍵表觀遺傳學(xué)介質(zhì)。研究[27]發(fā)現(xiàn), KDM5B介導(dǎo)激活轉(zhuǎn)錄因子3(ATF3)啟動(dòng)子上的H3K4m2/3去甲基化,抑制ATF3的表達(dá),促進(jìn)促纖維化基因的過(guò)度表達(dá),抑制血管生成,進(jìn)而加重心肌纖維化。因而,組蛋白甲基化修飾通過(guò)動(dòng)態(tài)平衡調(diào)節(jié)衰老性心肌纖維化。

組蛋白甲基化修飾的動(dòng)態(tài)平衡也影響著衰老性心功能的改變。隨著年齡的增長(zhǎng),老年人身體機(jī)能逐漸下降隨之伴隨而來(lái)的是心力衰竭的產(chǎn)生,其中往往伴隨著心功能的下降,如收縮功能和(或)舒張功能。DOT1L是唯一已知的H3K79甲基轉(zhuǎn)移酶,在心臟中高度表達(dá)。研究[28]發(fā)現(xiàn)心臟特異的DOT1L基因敲除可導(dǎo)致心臟收縮功能障礙。在體內(nèi)抑制JMJC活性導(dǎo)致心臟中組蛋白去甲基化酶功能降低和組蛋白甲基化水平升高,并導(dǎo)致心臟大小部分減小,改善心臟功能并延長(zhǎng)生存期[29]。KDM5B是干預(yù)心功能不全和心力衰竭的候選靶點(diǎn),其缺乏可顯著改善血管緊張素轉(zhuǎn)換酶誘導(dǎo)的壓力超負(fù)荷后的心功能障礙,如左心室射血分?jǐn)?shù)及左心室短軸縮短率降低[28]。因此,組蛋白甲基化修飾的動(dòng)態(tài)平衡在調(diào)節(jié)衰老性心肌肥厚、心肌纖維化及心功能減退的過(guò)程中發(fā)揮重要作用。

2.2 組蛋白甲基化修飾與瓣膜改變

隨著年齡的增長(zhǎng),心臟瓣膜往往表現(xiàn)為瓣膜鈣化,并引起瓣膜增厚、變形及僵硬度增加,導(dǎo)致瓣膜狹窄或關(guān)閉不全[30]。同時(shí)衰老細(xì)胞可分泌細(xì)胞因子、趨化因子和定義為衰老相關(guān)分泌表型(SASP)的基質(zhì)金屬蛋白酶,導(dǎo)致與衰老相關(guān)的膠原含量增加,進(jìn)而瓣膜硬度增加引起瓣膜正常功能的改變[31]。瓣膜鈣化作為成人心臟病的第3大原因,其發(fā)病率隨年齡增長(zhǎng)而增加[32]。

瓣膜鈣化不僅是年齡因素引起,還與表觀遺傳學(xué)相關(guān)。在鈣化主動(dòng)脈瓣中EZH2表達(dá)上調(diào),信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)抑制因子3(SOCS3)表達(dá)下調(diào),其機(jī)制為EZH2通過(guò)介導(dǎo)的H3K27me3抑制SOCS3的表達(dá),進(jìn)而促進(jìn)主動(dòng)脈間質(zhì)細(xì)胞的成骨和鈣化[33]。研究[34-35]發(fā)現(xiàn),Notch信號(hào)在瓣膜鈣化過(guò)程中起著重要的作用,同時(shí)組蛋白甲基化修飾通過(guò)調(diào)控Notch信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)過(guò)程影響多種疾病的發(fā)生發(fā)展。組蛋白去甲基化酶JMJD3[36]及KDM5A[37]可抑制Notch信號(hào)通路及其相關(guān)下游靶基因的表達(dá)。組蛋白甲基轉(zhuǎn)移酶核受體結(jié)合SET結(jié)構(gòu)域蛋白3(NSD3)與H3K36me2/3依賴的Notch信號(hào)激活密切相關(guān)[38]。DOT1L則可通過(guò)調(diào)節(jié)Jagged1(Jag1)啟動(dòng)子處的H3K79三甲基化激活Notch信號(hào)傳導(dǎo)[39]。心臟瓣膜作為心臟基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)之一,在心臟泵血過(guò)程中發(fā)揮重要作用。隨著心臟衰老,心臟瓣膜逐漸鈣化。然而,現(xiàn)僅有少量研究探索組蛋白甲基化修飾在衰老性瓣膜鈣化中的作用,在未來(lái)研究中值得進(jìn)一步探索。

2.3 組蛋白甲基化修飾與心臟傳導(dǎo)系統(tǒng)改變

心臟傳導(dǎo)系統(tǒng)是由位于心肌內(nèi)能夠產(chǎn)生和傳導(dǎo)沖動(dòng)的特殊心肌細(xì)胞構(gòu)成,包括竇房結(jié)、房室結(jié)、房室束和浦肯野纖維等。竇房結(jié)是心臟電活動(dòng)的起源。在衰老過(guò)程中,通過(guò)凋亡、壞死和潛在的自噬,竇房結(jié)起搏細(xì)胞減少和竇房結(jié)功能障礙[40], 其中竇房結(jié)功能障礙可致多種心律失常。在動(dòng)物試驗(yàn)中,與正常小鼠相比,早衰小鼠心電表現(xiàn)為心率、PR、QT間期和T波面積發(fā)生顯著改變,提示早衰小鼠動(dòng)作電位的啟動(dòng)、傳導(dǎo)和持續(xù)時(shí)間存在缺陷。不僅如此,早衰小鼠還表現(xiàn)出嚴(yán)重的心動(dòng)過(guò)緩、房室傳導(dǎo)阻滯和復(fù)極顯著改變[41]。

組蛋白甲基化修飾的動(dòng)態(tài)平衡在竇房結(jié)功能障礙中發(fā)揮作用,并與心房顫動(dòng)的產(chǎn)生密切相關(guān)。通過(guò)基因鑒定發(fā)現(xiàn),NK2轉(zhuǎn)錄因子相關(guān)位點(diǎn)5(NKX2-5)與心律失常密切相關(guān)[42]; DOT1L可通過(guò)H3K79me2在心臟分化過(guò)程中發(fā)揮激活NKX2.5的關(guān)鍵作用[43]。EHMT2則可通過(guò)募集H3K9me2結(jié)合蛋白來(lái)誘導(dǎo)轉(zhuǎn)錄抑制。在胰島素樣生長(zhǎng)因子結(jié)合蛋白3(IGPBP3)啟動(dòng)子區(qū)域EHMT2可提高H3K9me2的富集度,進(jìn)而抑制IGFBP3轉(zhuǎn)錄表達(dá),影響IGFBP3的抗心房顫動(dòng)作用[44]。然而目前現(xiàn)有研究發(fā)現(xiàn),組蛋白修飾在衰老性心臟傳導(dǎo)系統(tǒng)功能障礙尚有大量研究,但組蛋白甲基化修飾相關(guān)研究尚不完全。因而,進(jìn)一步探索組蛋白甲基化修飾在竇房結(jié)功能障礙的機(jī)制研究,為年齡相關(guān)心律失常提供防治靶點(diǎn)具有重要意義。

2.4 組蛋白甲基化修飾與血管老化

血管老化是由內(nèi)皮功能障礙、血管重塑以及動(dòng)脈硬化增加造成的,同時(shí)伴隨著動(dòng)脈收縮壓和脈壓的增加。這些變化進(jìn)而導(dǎo)致了與年齡相關(guān)的疾病,如高血壓、動(dòng)脈粥樣硬化、中風(fēng)和急性心肌梗死[3]。內(nèi)皮功能障礙是導(dǎo)致老年人心血管疾病發(fā)展的主要原因之一,其基本特征為內(nèi)皮細(xì)胞功能受損。血管內(nèi)皮細(xì)胞構(gòu)成人體循環(huán)血液與血管壁之間的重要交界處。在衰老的過(guò)程中,血管內(nèi)皮細(xì)胞內(nèi)煙酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸酯(NADPH)氧化酶和解偶聯(lián)內(nèi)皮型一氧化氮合酶(eNOS)的產(chǎn)生增加,這些氧化物的增加加重了內(nèi)皮細(xì)胞氧化應(yīng)激,從而進(jìn)一步抑制內(nèi)皮細(xì)胞功能,形成惡性循環(huán),加重血管老化[45]。AngⅡ是腎素-血管緊張素-醛固酮系統(tǒng)(RAAS)的關(guān)鍵物質(zhì),不僅可通過(guò)促進(jìn)活性氧(ROS)的產(chǎn)生而導(dǎo)致細(xì)胞功能障礙[46]; 還可通過(guò)血管緊張素1型受體(AT1R)/NAPDH氧化酶途徑誘導(dǎo)內(nèi)皮細(xì)胞鈉-葡萄糖共轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白1(SGLT1)和SGLT2表達(dá),減少一氧化氮(NO)產(chǎn)生,進(jìn)而促進(jìn)氧化應(yīng)激反應(yīng)導(dǎo)致內(nèi)皮細(xì)胞功能障礙,引起內(nèi)皮細(xì)胞衰老[47]。

內(nèi)皮功能障礙是血管老化常見(jiàn)的病理生理表現(xiàn)之一,其發(fā)生發(fā)展與組蛋白甲基化修飾的動(dòng)態(tài)平衡密切相關(guān)。NADPH氧化酶(Noxs)和eNOS是血管系統(tǒng)中ROS的重要酶促來(lái)源,而Nox4和eNOS表達(dá)增加可顯著加重氧化應(yīng)激。Nox4和eNOS啟動(dòng)子處異常組蛋白甲基化(H3K4me3、H3K9me2和H3K9me3)是這2個(gè)基因持續(xù)上調(diào)的主要原因,其組蛋白甲基化水平的改變進(jìn)而導(dǎo)致了血管內(nèi)皮內(nèi)ROS被持續(xù)激活,內(nèi)皮功能障礙[48]。沉默JMJD3可誘導(dǎo)血管生成前細(xì)胞凋亡和衰老,抑制缺氧介導(dǎo)的eNOS在血管細(xì)胞中的表達(dá)上調(diào)[49]。在血管系統(tǒng)中,AngⅡ是一種強(qiáng)有力的心血管介質(zhì),可引起內(nèi)皮功能障礙,可減少NO的供應(yīng)。其作用機(jī)制有多種,包括增加超氧化物的形成、抑制eNOS和誘導(dǎo)可溶性環(huán)氧化物水解酶(SHE)[50]。組蛋白去甲基酶JARID1B通過(guò)去除基因啟動(dòng)子區(qū)域的H3K4的活性甲基標(biāo)記來(lái)限制基因表達(dá)。敲除或抑制JARID1B可通過(guò)穩(wěn)定SEH基因可溶性環(huán)氧化物水解酶2(EPHX2)的表達(dá),進(jìn)而阻止Ang Ⅱ誘導(dǎo)的血管內(nèi)皮功能障礙[50]。研究[51]發(fā)現(xiàn),二甲雙胍依賴的AMPK激活通過(guò)SIRT1-DOT1L軸促進(jìn)H3K79me3, 這導(dǎo)致SIRT3水平增加,從而改善線粒體的生物發(fā)生/功能,并通過(guò)增強(qiáng)端粒逆轉(zhuǎn)錄酶(hTERT)的表達(dá)來(lái)延緩內(nèi)皮細(xì)胞衰老。綜上所述,組蛋白甲基化修飾在調(diào)控衰老性內(nèi)皮功能障礙中發(fā)揮重要作用。目前尚有大量研究探索組蛋白甲基化修飾在血管衰老的研究,尋找血管老化防治靶點(diǎn)及相關(guān)機(jī)制為防治衰老性心血管疾病提供重要依據(jù)。

3 小 結(jié)

作為組蛋白修飾的常見(jiàn)類型,組蛋白甲基化修飾在衰老性心血管病變的發(fā)生發(fā)展中具有重要意義。本文基于不同心臟結(jié)構(gòu)(心肌、瓣膜、心臟傳導(dǎo)系統(tǒng)、血管系統(tǒng))的衰老病變,系統(tǒng)闡述了組蛋白甲基化修飾在衰老性心血管病變過(guò)程中發(fā)揮的作用及相關(guān)調(diào)控機(jī)制。然而目前現(xiàn)有組蛋白甲基化修飾在衰老性心血管病變中的研究尚未闡明,尤其是在瓣膜及心臟傳導(dǎo)系統(tǒng)方面的研究尚存在大量空缺。因而,進(jìn)一步深入研究組蛋白甲基化在衰老心血管病變中的調(diào)控機(jī)制,為延緩或預(yù)防衰老相關(guān)的心血管疾病提供新靶點(diǎn)及新思路。