晝夜節律與肺部疾病關系的研究進展*

陳　騁 綜述，洪志鵬 審校

(昆明醫科大學第一附屬醫院胸外科，云南昆明 650032)

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晝夜節律與肺部疾病關系的研究進展*

陳騁 綜述，洪志鵬△審校

(昆明醫科大學第一附屬醫院胸外科，云南昆明 650032)

[關鍵詞]晝夜節律；肺纖維化；肺腫瘤；發病機制

晝夜節律普遍存在于各種生物體，參與許多生命活動。生活節奏的加快使人體晝夜節律的破壞日趨嚴重，隨之產生各種嚴重疾病。近年來的多項研究發現晝夜節律與哮喘、肺癌等多種肺部疾病發生、發展相關。本文重點就晝夜節律與肺纖維化、肺腫瘤的關系進行綜述。

1晝夜節律與機體功能

生物體的許多行為、生理、細胞及分子過程都呈現24 h的節律變化，直接或間接的受內部生物鐘調控，使機體通過有效地參與和應對以適應內外環境的變化。晝夜節律受環境因素誘發并與其同步，但即便缺乏外部刺激，這些節律也依然存在。晝夜節律的基本分子機制就是生物鐘基因及其蛋白產物構成的轉錄-翻譯反饋回路。生物鐘基因的這種負反饋循環構成人體內精確的內源性“分子鐘”，在無外界信號影響時，以近于24 h的周期自激進行。細胞內高達10%的基因組，在RNA水平以晝夜協調的方式表達，且具有組織特異性[1]。晝夜生物鐘調控細胞增殖、凋亡、DNA修復、代謝、解毒及DNA損傷反應等細胞過程[2]。生物鐘基因的改變將可能干擾這種節律調控，引發自主性生物鐘相位的改變[2]，導致以上細胞過程的異常，進而可能產生冠心病、抑郁癥等多種疾病及腫瘤發生[1,3]。因此，晝夜節律紊亂可能是疾病發病機制的重要因素。

2晝夜節律與肺功能的關系

研究發現，在肺組織中，共有646個基因顯示統計學意義的循環振蕩[4]。其中，約65%基因表達峰值出現在嚙齒類動物無活動及無進食的光照期，這點與其他外周組織明顯不同；約26%基因表達峰值出現在黑暗期，其中絕大多數出現在黑暗早期[4]。另外，在肺組織中，許多生物鐘相關基因及鐘控轉錄因子基因的表達也顯現晝夜節律樣振蕩[5]。在支氣管及肺等所有呼吸道組織中，周期基因1(period 1,per1)、Per2、腦-骨骼肌ARNT樣基因-1(brain and muscle ARNT-like-1,Bmal1)、鐘基因(Clock)等核心生物鐘基因及DNA結合蛋白基因等鐘控基因的表達均呈現明顯節律性[5]。此外，毒蕈堿乙酰膽堿受體基因2、4也以晝夜節律樣方式表達，并且膽堿能神經刺激可以通過毒蕈堿乙酰膽堿受體3促進雪貂氣管黏液分泌，該受體水平的晝夜提高可能會導致夜間黏液分泌的增多[6]。因此，有研究強烈認為氣道黏膜下腺體黏蛋白的分泌過程受晝夜節律系統的調控，迷走神經可能是呼吸道晝夜時間信號從下丘腦視交叉上核(suprachiasmatic nucleus，SCN)主時鐘到外周生物鐘的主要傳輸路徑；夜間黏液分泌增加可能是由于毒蕈堿受體表達增加及夜間迷走神經活性增強所致[5]。呼吸道外周晝夜節律振蕩的存在也解釋了有關大鼠腦部SCN損傷后氧氣消耗速率和呼吸商值節律將消失的現象。乙酰膽堿神經傳遞的晝夜變化等研究結果擴展了學者們對于哮喘及呼吸道疾病病理生理的認識。肺通氣功能、功能殘氣量、肺氣道阻力、用力呼氣量和呼氣流速峰值等肺功能均被發現呈現規律的振蕩性及明顯的晝夜變化[7-8]。小鼠慢性時差后其肺組織生物鐘基因的表達異常，肺功能也發生了明顯改變[7]。有關肺功能及呼吸過程的人類研究也顯示周期節律性[9-10]。在慢性阻塞性肺病(chronic obstructive pulmonary diseases，COPD)患者中，如第1秒用力呼氣量、用力肺活量及最大呼氣壓等反映肺功能及呼吸肌功能的各項指數下午數值均明顯低于早晨[10]。此外，肺上皮細胞可節律性控制肺組織內中性粒細胞的聚集，從而維持肺部抗感染的功能[9,11]。所以，肺組織生物鐘基因表達的晝夜調控，是維持正常肺功能所必需的[7]，這種調控受干擾可能是肺部疾病的病因或影響因素[4,8]。

3晝夜節律與肺部疾病的關系

3.1肺部疾病的晝夜節律性表現許多呼吸道疾病癥狀的發作也和呼吸功能一樣，與一天中某個特殊時段相關。哮喘患者中，嘶啞多于清晨發作，而氣促、喘息、胸悶及黏膜分泌物增多等重要癥狀常于無活動的深夜時發生或加重；雖然其機制復雜，但推測支配呼吸的自主神經通過迷走神經在呼吸癥狀發作的晝夜管理方面發揮了重要作用[12]，夜間迷走神經的活性增加可能觸發了這些病理生理活動。此外，急性肺損傷(acute lung injury,ALI)、COPD、肺動脈高壓和肺癌等常見肺部疾病，其癥狀也顯示晝夜節律樣改變[12]，其機制可能是大量信號分子間平衡被異物、免疫、細胞周期調控受損及其他因素擾亂所致。

3.2晝夜節律與肺纖維化的關系研究發現，包括特發性肺纖維化、肺泡纖維化及COPD等多種慢性肺疾病都存在不同程度的肺組織纖維化。香煙煙霧可能是導致肺纖維化等多種肺部疾病的重要病因，其主要通過干擾肺功能或影響生物節律環路相關基因表達的調控而改變肺的正常生物節律，促進病變發展[13]。該結論可作為香煙煙霧導致的肺纖維化及肺腫瘤形成機制的重要補充。在各種肺纖維化病變的肺組織中，轉錄因子NF-E2相關因子2(nuclear factor erythroid 2-related factor，Nrf2)蛋白NRF2的表達變化及谷胱甘肽代謝提高了肺組織中蛋白質羰基水平，可能是包括特發性肺纖維化、肺泡纖維化及COPD等肺纖維化疾病的中心特征[14]。遺傳變異或老化等所致的晝夜節律失調可能與NRF2介導的抗氧化防御節律活性相關，增加氧化損傷；并且，一旦肺纖維化發生，則無法恢復其表型。當前以降低肺纖維化疾病進展為主要目的的治療方法常常無效[14]。機體對于氧化損傷及肺纖維化易感性的正性反應呈現每日節律性變異[15]。晝夜節律轉錄因子CLOCK及BMAL1是通過時間性調控Nrf2基因啟動子的E盒子元件而正性調控Nrf2的轉錄；NRF2 蛋白以晝夜節律的方式累積并促進一系列涉及谷胱甘肽代謝的關鍵性抗氧化基因的晝夜節律性轉錄[14-15]。因此，有必要考慮生物鐘對于肺纖維化治療的作用機制，包括時控的給藥管理。另外，肺泡纖維化、COPD、哮喘、ALI及肺炎等多種肺疾病，也都存在過度的、不可控的炎癥及固有免疫反應。編碼炎性分子的基因，包括趨化因子配體、腫瘤壞死因子配體超家族成員10及其他因子，在肺部的表達均呈現晝夜節律樣震蕩，這點表明分子生物鐘能直接或間接的調控器官免疫反應[4,11]。并且，涉及異生物質代謝的基因，在肺組織中的表達也顯示了類似振蕩。異生物質主要通過呼吸過程進入機體，在黑暗及活動期更為明顯；或者通過消化系統途徑，該途徑也主要發生在夜間嚙齒類動物黑暗或活動期[4,11,16]。比如，在肺組織中，細胞色素P-450酶2a3的表達峰值位于黑暗早期，其參與多種空氣源性致癌物及異生物質的代謝，包括香煙煙霧產生的化合物[4,16]。

3.3晝夜節律與肺腫瘤的關系在晝夜節律紊亂人群中，包括肺癌等多種腫瘤的發病率明顯升高，比如長期晝夜班轉換的女護士，其小細胞肺癌發生率明顯高于晝夜節律正常者[17]。研究發現，在肺組織中共有271個基因不同程度的調控或參與不同類型腫瘤的發病機制，其表達顯現節律振蕩性，其中部分基因是肺癌的潛在治療靶點及腫瘤生物標志[4]。因表觀遺傳改變導致的腫瘤抑制基因表達沉默是人類許多惡性腫瘤形成的一個早期事件，包括非小細胞肺癌(non-small cell lung cancer，NSCLC)[18-19]。Per1是調控晝夜節律的核心基因之一，其在正常肺組織中高表達，但在大量NSCLC患者標本及肺癌細胞系中卻是低表達；NSCLC細胞系Per1強化表達可明顯降低細胞生長，細胞單克隆生長性消失，細胞中Per1啟動子的表觀遺傳沉默[20]。結果表明，Per1是肺組織中一種表觀遺傳沉默的腫瘤抑制因子，Per1啟動子的超甲基化和乙酰化可能是NSCLC中Per1表達下調的潛在機制[20]。因此，晝夜節律的干擾在肺腫瘤的形成中具有重要作用。腫瘤患者體內的激素分泌常常呈現異常的晝夜節律性。研究發現，與健康對照組相比，肺癌患者的皮質醇分泌活性及晝夜節律性明顯降低，其降低程度隨病情進展而更明顯，并與患者體質評分及腫瘤臨床分期均密切相關[21]。因此，檢測肺癌患者血液皮質醇分泌水平及晝夜節律性將可能有助于預測肺癌的預后。晝夜節律基因的表達還影響抗癌藥物的代謝和療效[22]。研究發現氨肽酶P，在肺血管組織中高表達，是組織特異性分布顯影劑與治療肺癌、肺纖維化及肺動脈高壓等疾病藥物的靶向生物標志[23]。另外，血小板源性生長因子受體β能介導抗癌藥物的靶向分布，特別是提高對腫瘤間質細胞的有效性，同時降低藥物系統性毒性[24]。這些蛋白的mRNA表達都顯示了24 h的周期性振蕩，給藥時間可影響抗癌藥物靶向的有效性，這已經被部分臨床研究所證實[25]。因此，晝夜節律也用于指導肺腫瘤的治療及相關新藥的開發。

4結語

晝夜節律調控紊亂可能是肺纖維化、肺腫瘤等肺部疾病的病因或影響因素，節律基因在其發生、發展過程中具有明確作用。揭露晝夜節律與肺部疾病的相互關系將提高對其發生、發展過程中基因水平基礎機制的理解，促進其治療、藥物時間藥理學及腫瘤進展標志物等研究的進展。

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doi:·綜述·10.3969/j.issn.1671-8348.2016.06.037

基金項目：云南省科技計劃項目(2010CD160)。

作者簡介：陳騁(1980-)，在讀博士研究生，主要從事肺癌基礎研究。△通訊作者，Tel：13808757261；E-mail:hzp_doc@sina.cn。

[中圖分類號]R602

[文獻標識碼]A

[文章編號]1671-8348(2016)06-0828-04

(收稿日期：2015-06-02修回日期：2015-09-30)