組蛋白修飾在砷中毒發病機制中的研究進展

侯 騰，馬 璐，張愛華*

(貴州醫科大學環境污染與疾病監控教育部重點實驗室/公共衛生學院衛生毒理學教研室，貴州 貴陽 550025)

地方性砷中毒是由于特定地區的居民從飲水、空氣或食物中長期攝入過量的砷化物所引起的涉及全身多器官損害的生物地球化學性疾病。長期慢性砷暴露將增加人群皮膚癌、肝癌、肺癌、膀胱癌等癌癥的發生風險[1]，目前已成為嚴重的世界性公共衛生問題[2-3]。在政府和醫療科研等工作者多年的參與下，通過改水、改灶、健康教育等一系列惠民措施有效地阻斷了高砷暴露，地方性砷中毒防治工作取得顯著成效。但地方性砷中毒因其作用機制仍不明確、缺乏特效藥物及早期生物學標志物等因素無法徹底控制，不僅危害著病區群眾的身體健康，而且阻遏著病區的社會進步與經濟發展。地方性砷中毒作為脫貧攻堅戰中重要的環節，仍成為全國重點地方病防治規劃項目之一，受到政府和科研工作者的高度重視[4-5]，其發病機制與防治策略還需深入探尋與研究。

目前地方性砷中毒所致的損傷及其機制研究多集中在遺傳損傷、氧化應激反應、免疫與炎癥誘導、信號通路轉導、表觀遺傳修飾等研究方向，其中表觀遺傳修飾不僅與砷暴露有關聯，還可通過調控靶分子的表達影響生物性結局的發生發展[6-7]。此外，基于表觀遺傳學的可逆性特征，能有效逆轉不利基因的異常表達，成為砷中毒機制中一大研究熱點[8]。表觀遺傳修飾包括DNA甲基化、組蛋白修飾、非編碼RNA、染色質重塑等模式。組蛋白修飾作為表觀遺傳修飾的重要模式之一，能穩定激活或抑制基因的表達[9]。組蛋白修飾的模式較為復雜，目前已知模式包括甲基化、乙酰化、磷酸化、腺苷酸化、泛素化、ADP核糖基化等修飾過程。Li等[10]研究表明砷暴露可能導致組蛋白修飾的改變。近年來，研究者通過大量人群研究及動物實驗證實，砷暴露可引起H3K4me3、H3K9ac、H3K9me2、H3K18ac、H3K27ac、H3K27me3、H4K16ac蛋白表達發生改變[11-15]。組蛋白修飾可能通過調控關鍵分子的表達參與砷中毒的發生發展，并在砷誘導的遺傳損傷、氧化應激、免疫功能紊亂、凋亡、DNA甲基化中發揮作用，故從組蛋白修飾角度深入開展砷中毒機制研究，有望為地方性砷中毒提供新的治療靶點及防控手段。因此，本文擬對組蛋白修飾在砷中毒發病機制的研究進展進行綜述。

1 組蛋白修飾與砷誘導的遺傳損傷

研究人員通過一系列的體內外研究，發現組蛋白修飾可能通過影響基因組的穩定性和抑制DNA損傷修復過程參與砷誘導的遺傳毒性的發生發展。牛林梅等[16]研究發現H3K4甲基化的修飾缺陷，可導致人永生化支氣管上皮細胞株HBE在砷染毒時的雙核微核率升高，闡明組蛋白H3K4修飾改變可能在亞砷酸鈉誘導的DNA損傷中起作用。張帆等[17]研究發現亞砷酸鈉處理人成骨肉瘤細胞株后可導致H2B賴氨酸第120位出現泛素化，進一步研究發現，H2BK120能與RNF20-RNF40異二聚體(一種可催化H2BK120的環指E3泛素連接酶)的結構域結合，繼而通過減少DNA雙鏈斷裂位點上的BRCA1和RAD51蛋白的招募，來抑制DNA雙鏈斷裂修復，該研究揭示了亞砷酸鈉可能通過靶向組蛋白E3泛素連接酶的RING指狀結構域中的半胱氨酸殘基來發揮其致癌作用，從而改變組蛋白表觀遺傳標記并損害DNA雙鏈斷裂修復。上述研究提示組蛋白修飾相關酶結構域的改變可能是砷誘導遺傳損傷發生的危險信號。

人群流行病學研究也顯示組蛋白修飾與DNA損傷或染色體畸變顯著關聯。本課題組前期研究[18-19]發現砷暴露導致人外周血淋巴細胞H3K9me2、H3K36me3、H4K20me1、H4K20me2的修飾水平與DNA損傷呈相關關系，H3K14ac水平與染色體畸變率呈正相關關系[20]，提示人外周血淋巴細胞組蛋白H3K9me2、H3K36me3、H4K20me1、H4K20me2、H3K14ac修飾水平的增加可能為砷致遺傳毒性的表觀遺傳標記。組蛋白修飾還可能通過抑制DNA損傷修復途徑來介導砷致DNA發生損傷。一項孟加拉國研究表明砷暴露后導致H3K79me1水平顯著上調，并引起DNA雙鏈斷裂的標志物γH2AX上調，有趣的是，進一步研究顯示H3K79me1可能募集腫瘤抑制蛋白53BP1在雙鏈斷裂位點不斷蓄積，從而抑制DNA損傷修復，該研究提示H3K79me1在砷誘導的DNA損傷中起作用[21]。堿基切除修復作為DNA損傷修復途徑之一，在維持生物細胞正常功能上發揮著關鍵作用。本課題組為探討砷中毒患者堿基切除修復基因與組蛋白修飾水平的相互關系，發現砷暴露人群外周血淋巴細胞及皮膚組織中的H4第20位賴氨酸甲基化(H4K20me1)修飾水平不僅與DNA損傷水平呈現正相關，還與外周血聚腺苷酸二磷酸核糖聚合酶-1(PARP1)、N-甲基化嘌呤-DNA-糖基化酶(MPG)、X射線修復交叉互補基因1(XRCC1)基因mRNA轉錄水平呈現負相關，提示砷可能通過改變H4K20me1修飾水平參與調控砷中毒致DNA損傷修復過程，DNA修復能力不斷減弱則可能造成DNA損傷加重[22]。提示組蛋白修飾可能作為砷誘導遺傳毒性或啟動DNA損傷修復的標志，如何針對組蛋白修飾關鍵靶點進行有效干預將成為逆轉砷誘導遺傳損傷的核心問題。

2 組蛋白修飾與砷誘導的氧化應激

近年來，眾多學者通過探討組蛋白對氧化應激反應通路及抗氧化酶表達的調控機制，深入研究組蛋白在砷誘導氧化應激中的作用，為砷中毒的發生發展研究開辟新的方向。Ray等[23]用亞砷酸鈉處理人永生化角質形成細胞，發現血紅素加氧酶-1(heme oxygenase-1，HO-1)和c-JunN-末端激酶所激活的組蛋白H3絲氨酸10磷酸化(H3S10)的表達增加，且在HO-1啟動子區檢測到H3S10的富集，而且亞砷酸鈉誘導的核因子NF-E2相關因子(nuclear factor erythroid 2-related factor 2，Nrf2)與抗氧化反應元件(antioxidant responsive element，ARE)結合先于HO-1 ARE的H3S10磷酸化，研究提示Nrf2可能通過影響HO-1 ARE啟動子區的H3S10磷酸化促進砷誘導HO-1的表達。馬璐等[24]研究發現燃煤污染型砷中毒人群的外周血淋巴細胞中H3K18ac與H3K36me3不僅響應于砷暴露水平，還與尿8-羥基脫氧鳥苷(8-hydroxy-2-deoxyguanosine，8-OHdG)含量相關，提示H3K18ac、H3K36me3可能參與砷誘導氧化損傷。馬璐等進一步在人胚胎腎HEK和人永生化角質形成細胞模型中發現，亞砷酸鈉可通過調控谷氨酸-半胱氨酸連接酶催化亞基、谷氨酸-半胱氨酸連接酶調節亞基、HO-1、熱休克蛋白90α家族A類成員1、超氧化物歧化酶1等氧化應激反應相關基因啟動子區H3K18ac的富集水平，誘導基因表達異常，從而導致氧化應激甚至氧化損傷的發生。綜上，組蛋白修飾不僅與砷暴露相關，還影響氧化應激反應基因的表達改變，提示組蛋白修飾可能參與調控砷誘導氧化應激過程。所以深入探討組蛋白修飾在砷誘導氧化應激中的作用，可為砷中毒發病機制開辟新的研究思路。

3 組蛋白修飾與砷誘導的機體免疫功能紊亂

組蛋白修飾作為影響基因表達的關鍵因素，在砷致機體免疫功能紊亂中扮演著重要的角色，砷可激活機體免疫防御系統并增加組蛋白分子的異常表達。研究人員用亞砷酸鈉處理人類胚胎腎HEK-293細胞，發現促炎性細胞因子IL-8啟動子區組蛋白H3乙酰化富集，從而促進IL-8 mRNA和蛋白表達水平異常，進而通過炎癥細胞的募集和激活參與砷中毒過程[25]。人群流行病學調查也顯示組蛋白修飾可能在砷的免疫調控機制中具有重要意義。在阿根廷安第斯山區，Pournara等[26]通過檢測飲水型砷中毒人群外周血細胞中CD4+和CD8+細胞的組蛋白修飾水平，結果顯示隨著砷暴露的增加，CD4+細胞中總體H3K9me3水平顯著降低。研究提示組蛋白修飾可能為砷致機體免疫功能紊亂的新靶點，但組蛋白修飾是如何與免疫相關因子發生作用參與砷致機體免疫功能紊亂，以及是否可以將其作為砷致機體免疫功能紊亂的監測指標，需要科研工作者進一步深入探索。

4 組蛋白修飾與砷誘導的細胞凋亡

目前，組蛋白修飾與砷誘導的細胞凋亡研究大多集中于砷化合物在白血病和其他腫瘤的治療方面。李乃農等[27]用組蛋白去乙酰化酶抑制劑(SAHA)、As2O3聯合處理人急性早幼粒細胞白血病(acute promyelocytic leukemia，APL)衍生的NB4細胞株(NB4 cell line，NB4)，發現組蛋白H3和組蛋白H4顯著上調時，NB4細胞增殖受到抑制并出現大量凋亡，提示組蛋白可能參與As2O3誘導NB4細胞凋亡過程。李江等[28]用As2O3處理急性早幼粒細胞白血病APL衍生的NB4細胞株，發現組蛋白H3賴氨酸14(H3K14)的乙酰化及H3絲氨酸10(H3S10)的磷酸化水平增加，并且染色質免疫沉淀檢測發現As2O3有效地增強了半胱氨酸蛋白酶CASPASE-10啟動子區的H3K14的乙酰化及H3S10的磷酸化，該研究表明As2O3可能通過組蛋白修飾作用促使細胞凋亡。徐敏等[29]用中藥雄黃的提取物二硫化砷(As2S2)處理骨髓單個核細胞，發現As2S2通過增加組蛋白乙酰化修飾的調控作用來抑制單個核細胞增殖，同時誘導骨髓單個核細胞的凋亡。該研究提示As2S2可能通過組蛋白乙酰化促進單個核細胞發生凋亡，進而影響骨髓異常增多綜合癥。雖然該類研究探討的是砷化合物在治療腫瘤過程中組蛋白修飾的調控機制，但也提示砷化合物可通過誘導組蛋白修飾改變調控凋亡，因此深入探討組蛋白修飾在砷致正常細胞凋亡的分子機制，可能對揭示砷中毒發病機制具有重要參考價值。

5 組蛋白修飾與其他表觀遺傳修飾模式相互調控在砷中毒中的作用

組蛋白修飾與DNA甲基化作為表觀遺傳修飾網絡中重要的組成部分，二者通過相互作用共同參與砷致腫瘤惡性轉化過程，已成為砷發揮毒性作用的關鍵誘因。Jensen等[30]用亞砷酸鹽 [arsenite， As(III)]及 一 甲 基 砷 酸 (monomethylarsonic acid，MMA)分別處理正常膀胱上皮UROtsa細胞，發現在組蛋白H3低乙酰化的膀胱癌缺失基因1(deleted in bladder cancer 1，DBC1)、補體C1q腫瘤壞死因子相關蛋白6啟動子中檢測到DNA高甲基化，值得注意的是，DNA甲基化的表達隨著相同啟動子中組蛋白乙酰化水平的降低而增加。Severson等[31]用亞砷酸鹽處理的人正常前列腺上皮RWPE-1細胞株，發現H3K27me3、H3K9me3和DNA甲基化均參與C2H2鋅指基因轉錄抑制，并進一步通過染色質免疫沉淀發現C2H2鋅指基因啟動子中同時發生H3K27me3和DNA甲基化表達事件，提示砷暴露后，C2H2鋅指基因的廣泛沉默可能由于DNA甲基化以及H3K9me3共同介導，進一步提示表觀遺傳性功能障礙是與毒物相關的驅動因素。為了探討燃煤污染型地方性砷中毒的表觀遺傳機制，潘雪莉等[32]用亞砷酸鈉處理人皮膚角質形成細胞HaCaT后發現，O6-甲基鳥嘌呤-DNA甲基轉移酶基因(MGMT)DNA高甲基化和組蛋白去乙酰化共同介導了MGMT mRNA轉錄及蛋白表達抑制。同時DNA甲基化轉移酶1(DNA methyltransferase 1，DNMT1)、組蛋白去乙酰化酶1(histone deacetylase 1，HDAC1)蛋白表達上調，參與了此表觀遺傳學調控過程。并且DNA甲基轉移酶抑制劑能有效逆轉砷所致的MGMT基因啟動子區DNA高甲基化，組蛋白去乙酰化酶抑制劑能有效回升砷所致的MGMT基因轉錄調控區組蛋白低乙酰化水平，進而促進MGMT mRNA轉錄及蛋白表達。該研究揭示了砷所致MGMT基因表觀遺傳學特征性改變是砷中毒發生發展乃至砷致癌的重要分子機制。綜上，砷誘導的關鍵基因啟動子區可同時發生組蛋白修飾與DNA甲基化水平改變，提示組蛋白修飾與DNA甲基化相互作用共同參與砷致腫瘤惡性轉化過程，但二者之間是如何介導砷致癌的發生發展，還需系統研究與深入挖掘。

6 結語

砷暴露可通過組蛋白修飾模式異常改變，影響遺傳損傷、氧化應激調控通路、機體免疫功能調控、細胞凋亡、DNA甲基化等生物學事件關鍵基因的表達，參與砷中毒的發生發展，因而從組蛋白修飾角度深入開展砷中毒機制研究，有望為砷中毒的防治提供新的潛在干預靶點。總之，作為表觀遺傳調控網絡重要組成模式之一，組蛋白修飾不僅可為砷中毒早期監測提供新的預警信號，還以其可逆性的重要特點，有望通過科學的干預措施逆轉砷誘導的關鍵基因表達，從而為砷中毒的機制研究及治療、預防提供新的思路。