大腦衰老過(guò)程中組蛋白修飾改變

丁妍文 劉程曦 張益1,

(遵義醫(yī)科大學(xué) 1第二附屬醫(yī)院麻醉科,貴州 遵義 563000;2貴州省麻醉與器官保護(hù)基礎(chǔ)研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室;3四川大學(xué)華西第四醫(yī)院麻醉科)

衰老是人類(lèi)許多疾病,如癌癥、心血管疾病或神經(jīng)疾病的主要危險(xiǎn)因素之一〔1〕。大腦是受到衰老影響較大的器官,隨著年齡的增長(zhǎng),患者可表現(xiàn)出認(rèn)知功能的進(jìn)行性減退。在老年大腦中,由于各種表觀遺傳的改變,如DNA甲基化、組蛋白修飾等改變可調(diào)控各種與學(xué)習(xí)記憶、突觸結(jié)構(gòu)發(fā)育、突觸可塑性相關(guān)的基因轉(zhuǎn)錄與蛋白表達(dá),從而成為大腦衰老后發(fā)生認(rèn)知障礙的分子基礎(chǔ)。

組蛋白修飾是一種以共價(jià)方式進(jìn)行的蛋白質(zhì)翻譯后修飾,是由染色質(zhì)修飾酶在特定組蛋白殘基上進(jìn)行動(dòng)態(tài)添加或擦除。組蛋白修飾可以通過(guò)改變包括組蛋白和DNA在內(nèi)的核小體成分之間的相互作用及組蛋白與其他組蛋白相互作用的方式來(lái)影響染色質(zhì)結(jié)構(gòu)〔2〕。組蛋白乙酰化和甲基化在大腦衰老過(guò)程中扮演著重要的角色,本文就組蛋白修飾在大腦衰老中的作用及機(jī)制進(jìn)行綜述。

1 組蛋白乙酰化及甲基化修飾

基因表達(dá)的表觀遺傳調(diào)控可以通過(guò)組蛋白的多個(gè)翻譯后修飾來(lái)介導(dǎo),包括甲基化、乙?；头核鼗?這些機(jī)制可以改變?nèi)旧|(zhì)結(jié)構(gòu)密度及表達(dá)水平。

組蛋白乙?；腿ヒ阴；歉叨瓤赡婧蛧?yán)格調(diào)控的過(guò)程,通過(guò)組蛋白乙?；D(zhuǎn)移酶(HATs)和組蛋白去乙?；?HDACs)進(jìn)行〔3〕。HATs根據(jù)其催化中心的結(jié)構(gòu)和功能特性主要分為GNAT、MYST及p300/CBP三個(gè)家族〔4〕。HATs以乙酰輔酶A為供體,催化組蛋白賴(lài)氨酸殘基的ε-氨基加成乙?；?中和賴(lài)氨酸上的正電荷,削弱了組蛋白與DNA的相互作用,并使基因的可及性提高〔4〕。HDACs可去除ε-N-乙酰賴(lài)氨酸殘基中的乙?；Ｒ谚b定出高等哺乳動(dòng)物中的18個(gè)HDACs,并根據(jù)其酵母同源基因和其他系統(tǒng)發(fā)育分析分為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ類(lèi)〔4〕。組蛋白乙?；c增加的轉(zhuǎn)錄活性相關(guān),而組蛋白去乙?；瘎t與轉(zhuǎn)錄抑制相關(guān)。

組蛋白甲基化是指在組蛋白賴(lài)氨酸、精氨酸及組氨酸殘基上添加甲基(-CH3)〔5〕。通常,以上3種氨基酸殘基都可以單甲基化(Me),精氨酸和賴(lài)氨酸可以二甲基化(Me2),但只有賴(lài)氨酸能三甲基化(Me3)〔5,6〕。組蛋白甲基化是由組蛋白甲基轉(zhuǎn)移酶催化發(fā)生的。根據(jù)催化氨基酸的不同,組蛋白甲基轉(zhuǎn)移酶可分為組蛋白賴(lài)氨酸甲基轉(zhuǎn)移酶和組蛋白精氨酸甲基轉(zhuǎn)移酶兩個(gè)家族〔7〕。組蛋白去甲基酶是從賴(lài)氨酸或精氨酸上去除各種甲基酶。目前主要有兩個(gè)進(jìn)化上保守的組蛋白去甲基化酶家族,賴(lài)氨酸特異性(LSD)去甲基化酶和包含JmjC結(jié)構(gòu)域(JMJC)去甲基化酶,它們利用不同的反應(yīng)機(jī)制來(lái)建立去甲基化作用〔8〕。

2 組蛋白乙?；淖?cè)诖竽X衰老過(guò)程中的作用及機(jī)制

2.1突觸功能相關(guān)組蛋白乙?；淖?在來(lái)自不同年齡的人類(lèi)大腦前額葉皮層中,鋅指轉(zhuǎn)錄因子(gata)3等與神經(jīng)元和突觸功能相關(guān)基因在老年樣本中表達(dá)下調(diào),他們的啟動(dòng)子區(qū)域顯示出組蛋白H3第27位賴(lài)氨酸乙酰化(H3K27ac)的水平降低。在老年小鼠的腦中也發(fā)現(xiàn)了相似的結(jié)果,并且使用組蛋白去乙酰化酶抑制劑SAHA可改善與年齡相關(guān)的神經(jīng)元和突觸功能失調(diào)〔9〕。在小鼠海馬區(qū)域,衰老引起突觸功能相關(guān)基因內(nèi)含子-外顯子交界處H4K12ac的顯著減少,從而影響其選擇性剪接,導(dǎo)致基因的異常表達(dá)和記憶障礙。這些改變?cè)谑褂肧AHA后幾乎完全恢復(fù)〔10〕。

與成年小鼠相比,老年小鼠海馬中腦源性神經(jīng)營(yíng)養(yǎng)因子(BDNF)外顯子Ⅱ或Ⅵ的mRNAs水平顯著降低。同時(shí)老年小鼠海馬中這些外顯子的啟動(dòng)子上激活標(biāo)記H3K27ac顯著減少〔11〕。H3K27乙?；怯蒫AMP反應(yīng)結(jié)合蛋白(CREB)介導(dǎo)的,它將HATs CREB結(jié)合蛋白(CBP)招募到這些啟動(dòng)子上〔12〕。在老年海馬中,這兩個(gè)啟動(dòng)子上的CBP水平也顯著降低〔11〕。此外,研究表明,HDAC2調(diào)節(jié)記憶的形成,海馬老化伴隨著HDAC2在BDNF外顯子Ⅱ和Ⅵ處的增加〔11〕。老年海馬H3K27ac和BDNF外顯子Ⅱ和Ⅵ的表達(dá)減少既反映了組蛋白乙?；臏p少,又反映了組蛋白去乙酰化的增強(qiáng)。

老年小鼠海馬中的HDAC2總水平增加〔13〕,與神經(jīng)元即刻早期基因(IEGs)啟動(dòng)子區(qū)域結(jié)合的HDAC2也隨年齡增加〔14〕。IEGs是指細(xì)胞經(jīng)外部刺激后最先表達(dá)的一組基因,其誘導(dǎo)不需要從頭合成蛋白質(zhì),通常在刺激事件后1 h內(nèi)發(fā)生〔15〕。其表達(dá)被廣泛用作突觸可塑性和長(zhǎng)期記憶的分子標(biāo)記〔16,17〕。HDAC2活性增加,導(dǎo)致神經(jīng)元IEGs啟動(dòng)子中H3K9和H3K14乙?；瘻p少,最終使其表達(dá)降低〔14〕。抑制HDACs導(dǎo)致幼年動(dòng)物突觸可塑性增強(qiáng)、樹(shù)突棘數(shù)量增加和記憶力改善〔18〕。HDAC2的特異性抑制增強(qiáng)了神經(jīng)元IEGs啟動(dòng)子上的H3K9和H3K14乙酰化,恢復(fù)了它們?cè)诶夏晷∈蠛ｑR中的表達(dá),記憶衰退也有所減輕〔14〕。

HDAC3在導(dǎo)致學(xué)習(xí)和記憶下降的過(guò)程中起著關(guān)鍵作用。研究表明,小鼠背側(cè)海馬中HDAC3缺失的神經(jīng)元處H4K8ac增加,使得Nr4a2和c-fos表達(dá)增加〔19〕,改善與年齡相關(guān)的長(zhǎng)期記憶和突觸可塑性的損害〔20〕。此外,HDAC3基因的敲除改善了小鼠海馬區(qū)域長(zhǎng)時(shí)程增強(qiáng)作用隨年齡的減弱〔21〕。

2.2線粒體功能相關(guān)組蛋白乙?；淖?老化神經(jīng)元中不平衡的煙酰胺腺嘌呤二核苷酸(NAD)+/還原型煙酰腺嘌呤二核苷酸(NADH)比率影響依賴(lài)NAD+的HDAC的活性〔22〕。老化細(xì)胞內(nèi)NAD+的減少造成NAD+依賴(lài)的去乙?；竤irtuins(SIRTs)的活性下降〔22,23〕。SIRT1可以調(diào)節(jié)軸突生長(zhǎng)和突觸過(guò)程在認(rèn)知功能和突觸可塑性中發(fā)揮作用〔24,25〕。老年神經(jīng)元中SIRT1活性降低可能會(huì)影響老年人的認(rèn)知能力。SIRT1缺失的海馬CA1區(qū)域神經(jīng)元中突觸素水平減少、樹(shù)突密度降低及長(zhǎng)時(shí)程增強(qiáng)作用減弱〔24〕。SIRT1缺失小鼠大腦中BDNF的水平降低,可能是由于CREB與BDNF啟動(dòng)子結(jié)合受損,因?yàn)镾IRT1缺陷小鼠的CREB蛋白水平降低〔26〕。SIRT1調(diào)控突觸的形成和突觸可塑性來(lái)調(diào)節(jié)記憶的形成。

2.3壓力應(yīng)答和免疫炎癥相關(guān)組蛋白乙?；淖?衰老還伴隨著壓力敏感性的增加〔27〕。衰老引發(fā)的環(huán)境應(yīng)激增加可通過(guò)下丘腦-垂體-腎上腺軸的過(guò)度激活和糖皮質(zhì)激素水平的升高而導(dǎo)致認(rèn)知損害和神經(jīng)退行性變。研究表明,慢性輕度應(yīng)激引起的皮質(zhì)酮持續(xù)升高能夠特異性地下調(diào)齒狀回CREB活性和BDNF的表達(dá)〔28〕,下調(diào)的CREB招募HATs和組蛋白去甲基化酶(HDMTs)調(diào)節(jié)基因表達(dá)的能力下降。從而損害了海馬的突觸可塑性,并增加了神經(jīng)元退化的易感性〔29,30〕。

對(duì)人與小鼠腦中H3K27ac和相關(guān)基因表達(dá)變化的數(shù)據(jù)整合分析,可發(fā)現(xiàn)隨著衰老上調(diào)及下調(diào)的基因上具有不同的H3K27ac修飾模式〔9〕。這類(lèi)乙酰化在兩類(lèi)基因的啟動(dòng)子上均有分布,但炎性免疫相關(guān)功能的基因,如核因子(NF)κB和B細(xì)胞淋巴因子(BCL)3的基因體上卻有著更為廣泛的H3K27ac修飾,并且會(huì)隨著衰老逐漸降低。與啟動(dòng)子區(qū)域H3K27ac的轉(zhuǎn)錄激活功能不同,基因體的超乙酰化抑制了相關(guān)基因的過(guò)度激活,隨著年齡增大逐漸丟失從而炎性衰老相關(guān)基因被激活〔9〕。海馬神經(jīng)炎癥常見(jiàn)于老年患者,并伴有HDAC表達(dá)增加及術(shù)后認(rèn)知功能障礙。SAHA或UF010是一種Ⅰ類(lèi)HDAC的特異性抑制劑,通過(guò)抑制NF-κB、Janus激酶(JAK)/信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)與轉(zhuǎn)錄激活因子(SATA)和Toll樣受體(TLR)/髓樣分化因子(MyD)88信號(hào)通路的激活,顯著降低海馬神經(jīng)炎癥,使得術(shù)后認(rèn)知功能障礙得到改善〔31〕。

3 組蛋白甲基化改變?cè)诖竽X衰老過(guò)程中的作用及機(jī)制

3.1突觸功能相關(guān)組蛋白甲基化改變 BDNF是調(diào)控海馬突觸可塑性的重要分子。研究顯示,抑制性組蛋白H3第9位賴(lài)氨酸三甲基化(H3K9me3)在老年小鼠的海馬區(qū)BDNF啟動(dòng)子處增加,而抑制SUV39H1(H3K9組蛋白甲基轉(zhuǎn)移酶)可降低老年小鼠海馬中H3K9me3的水平,改善樹(shù)突的生成及穩(wěn)定性,并增加海馬突觸體表面谷氨酸受體1水平,進(jìn)而導(dǎo)致海馬記憶功能的恢復(fù)〔32〕。

IEGs既可以充當(dāng)突觸可塑性和長(zhǎng)期記憶的分子標(biāo)記,又參與記憶鞏固過(guò)程中的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)〔16,17〕。像細(xì)胞骨架活性調(diào)節(jié)蛋白(Arc),早期生長(zhǎng)反應(yīng)因子(Egr)1,支架蛋白(Hmer1)和正五聚蛋白(Narp)這樣的IEGs在衰老過(guò)程中顯著下調(diào)〔14〕,引起學(xué)習(xí)記憶能力的減退。其機(jī)制可能與H3K9me3在神經(jīng)元IEG的啟動(dòng)子區(qū)域表達(dá)增加,導(dǎo)致異染色質(zhì)化,相應(yīng)蛋白表達(dá)下調(diào)有關(guān)。SUV39H1在老年小鼠海馬中顯著增加,它是致使H3K9me3在衰老過(guò)程中增多的主要(HMTs)〔33〕。特異性抑制SUV39H1下調(diào)H3K9me3,并扭轉(zhuǎn)了與年齡相關(guān)的海馬記憶功能的降低〔34〕。

3.2線粒體功能相關(guān)組蛋白甲基化改變 有研究發(fā)現(xiàn)人大腦前額葉皮層H3K9甲基轉(zhuǎn)移酶(EHMT)1和表觀遺傳相關(guān)識(shí)別因子BAZ2B的表達(dá)水平隨著衰老逐漸增加,在阿爾茨海默病(AD)患者的大腦中更加明顯,并且與病情進(jìn)展呈正相關(guān)〔35〕。它們?cè)诰€蟲(chóng)上的同源蛋白為SET-6和BAZ-2,可以調(diào)控線粒體相關(guān)基因啟動(dòng)子區(qū)域的H3K9me3甲基化修飾,從而抑制這些基因的表達(dá)。而敲除set-6和baz-2可顯著提高老年線蟲(chóng)的神經(jīng)遞質(zhì)水平,延緩衰老過(guò)程中線蟲(chóng)的行為功能退化。同樣,敲除小鼠中的同源基因baz2b也可以延緩小鼠認(rèn)知行為隨衰老而退化〔35〕。此外在AD病人和AD模型小鼠的大腦中,EHMT1的表達(dá)水平明顯增加,通過(guò)藥物抑制EHMT1可以改善AD模型小鼠的線粒體功能以維持較高的學(xué)習(xí)記憶行為〔36〕。

3.3壓力應(yīng)答和免疫炎癥相關(guān)組蛋白甲基化改變 在猴大腦前額皮層中,衰老可觸發(fā)多種應(yīng)激反應(yīng)相關(guān)基因啟動(dòng)子區(qū)域H3K4me2的累積,導(dǎo)致轉(zhuǎn)錄激活,應(yīng)激反應(yīng)相關(guān)蛋白泛素樣結(jié)構(gòu)蛋白(UBXN)4、釉叢蛋白(TUFT)1、鈉/鉀/鈣交換因子(SLC24A)4等表達(dá)增加,最終誘發(fā)認(rèn)知障礙〔37〕。衰老可增加大腦中兩類(lèi)H3K4甲基轉(zhuǎn)移酶SETD7和DPY30的表達(dá),這說(shuō)明H3K4me2導(dǎo)致的應(yīng)激反應(yīng)增加可能是由甲基化水平增加,而不是去甲基化減少引起的〔37〕。

在免疫炎癥方面,衰老的小膠質(zhì)細(xì)胞不再能夠建立有效的免疫反應(yīng)和維持正常的突觸活動(dòng),直接導(dǎo)致與年齡相關(guān)的認(rèn)知能力下降和神經(jīng)退化〔38〕。研究發(fā)現(xiàn),與小膠質(zhì)細(xì)胞激活至關(guān)重要的組蛋白去甲基化酶Jumonji結(jié)構(gòu)域(Jmjd)3在老年小鼠的中腦中減少,導(dǎo)致H3K27me3水平升高,可促進(jìn)小膠質(zhì)細(xì)胞表型從M2轉(zhuǎn)變?yōu)镸1,加劇了小膠質(zhì)細(xì)胞介導(dǎo)的炎癥反應(yīng)〔39〕。Jmjd3敲除的小膠質(zhì)細(xì)胞H3K27me3水平增加,精氨酸酶1及CD206等M2標(biāo)記物的表達(dá)也顯著降低,表明Jmjd3是M2小膠質(zhì)細(xì)胞極化所必需的酶〔39〕。

綜上,在衰老大腦中,與神經(jīng)元功能、突觸傳遞及學(xué)習(xí)記憶相關(guān)基因的啟動(dòng)子區(qū)域,促進(jìn)基因表達(dá)的表觀遺傳修飾水平降低,而抑制基因表達(dá)的表觀遺傳修飾水平增加,從而導(dǎo)致這些目標(biāo)基因表達(dá)隨衰老下降,最終導(dǎo)致認(rèn)知功能損害。目前關(guān)于大腦衰老的組蛋白修飾圖譜還不完整,衰老中組蛋白修飾的變化是如何調(diào)控認(rèn)知及行為衰退的仍不清楚,需要更多進(jìn)一步的研究。由于這些修飾的可逆性,通過(guò)藥物干預(yù)組蛋白修飾狀態(tài)有望成為改善老年相關(guān)認(rèn)知功能損害的新思路。