基于表觀遺傳修飾的慢性阻塞性肺疾病藥物治療進展

劉菲 張子麗 丁明靜 王健 盧文菊

廣州醫科大學附屬第一醫院 廣州呼吸健康研究院 國家呼吸系統疾病臨床醫學研究中心 呼吸疾病國家重點實驗室510030

COPD是一種常見的呼吸系統疾病。COPD患者呈進行性、不完全可逆性氣流受限，可出現慢性咳嗽、咳痰、呼吸困難等癥狀，嚴重者影響勞動能力和生活質量(2017 GOLD指南)。我國40歲以上人群COPD患病率高達13.7%[1]，預測到2020年，COPD將成為第三大致死性疾病[2]，將導致嚴重的社會經濟負擔。表觀遺傳機制是目前公認的COPD發病機制之一。例如，單卵雙生子研究發現，隨年齡增長，其表觀遺傳標記發生了明顯改變[3]。表觀遺傳調控可在后天發生重新修飾，與導致疾病的發生、發展密切相關。本文將討論表觀遺傳機制在COPD發生、發展中的重要作用，并重點探討其在COPD治療方面的潛力。

1 COPD的發病機制

COPD的發生、發展是一個復雜、多元素、多環緊扣的過程。慢性氣道炎癥、蛋白酶/抗蛋白酶失衡、氧化應激是目前研究較多且較明確的主要發病機制。在香煙煙霧或空氣污染物等作用下，上皮細胞產生多種細胞因子和趨化因子，誘導更多的炎癥細胞入肺，進一步釋放大量促炎因子、蛋白酶和穿孔素等，放大炎癥反應并增強防御功能。但過多的炎癥因子及蛋白酶會引起黏液分泌增加、氣道重構，造成氣道黏膜和肺泡損傷，進而促進COPD的發生、發展[4]。香煙煙霧還可誘導活性氧的大量產生[5]，引起氧化/抗氧化失衡，使活性氧與脂質、蛋白質、DNA、RNA和線粒體DNA等發生反應，導致上皮細胞損傷和死亡。

此外，近年來衰老、凋亡、自噬、遺傳易感性等在COPD發病中的作用也引起普遍關注。端粒縮短、細胞衰老、磷脂酰肌醇-3-激酶/雷帕霉素(phosphatidylinositol-3-kinase/mammalian target of rapamycin，PI3K/m TOR)信號激活、自噬功能受損、線粒體功能紊亂、干細胞衰竭，以及抗衰老分子(如sirtuins和Klotho基因)減少等可加速肺部衰老過程[6]。受體介導的外在途徑、線粒體內在途徑、內質網途徑等凋亡途徑異常激活可引起炎癥細胞、肺實質及間質異常凋亡[7]。PI3K、m TOR自噬抑制物與自噬相關基因平衡失調引起氣道、血管、肺實質細胞形成自噬小體，進一步加重氣道管壁增厚、血管重建、肺氣腫等[8]。通過全基因組關聯分析研究發現，CHRNA3、CHRNA5、IREB2、HHIP、FAM13A、RIN3、MMP12、TGF-β1等基因多態性與COPD的發生、發展相關[9]。

2 COPD發病中的表觀遺傳學機制

近年來，表觀遺傳學已成為生命科學中普遍關注的前沿。表觀遺傳學是指核苷酸序列不發生變化的情況下，基因的表達活性發生了可遺傳的變化，其具有可遺傳、無DNA序列變化及能引起基因活性或功能改變的特征[10]。表觀遺傳學調控機制主要包括DNA甲基化修飾、組蛋白修飾、非編碼RNAs(noncoding RNAs，ncRNAs)等幾個主要方面。下面將重點闡述表觀遺傳調控機制在COPD發生、發展中的作用，及相應的藥物治療方法。

2.1 DNA甲基化修飾 DNA甲基化主要發生在胞嘧啶-磷酸鳥嘌呤二核苷酸(CpG)的的胞嘧啶殘基上，由DNA甲基轉移酶(DNA methylation transferases，DNMTs)家族 催 化。DNMTs主 要 包 括DNMT1、DNMT3a及DNMT3b。DNMT1主要使新復制形成的DNA鏈中半甲基化的Cp G發生甲基化。DNMT3a和DNMT3b主要使未甲基化的Cp G發生甲基化。DNA甲基化狀態被認為是調控基因轉錄的 “開關”。高甲基化與轉錄抑制有關，低甲基化則會激活基因轉錄。

2.1.1 DNA甲基化修飾在COPD中的作用 研究表明，COPD與DNA甲基化具有相關性[11]。香煙煙霧可以通過改變基因的甲基化水平影響COPD病理生理過程[12]。對韓國成年人進行全表觀基因組關聯分析研究發現，吸煙的COPD患者和非吸煙的COPD患者相比，具有108個不同的甲基化探針和87個不同的甲基化區域[13]。此外，α1-抗胰蛋白酶位點低甲基化與COPD患者肺功能下降具有顯著相關性[14]。且香煙煙霧導致的CpG甲基化可能影響多梳基因家族蛋白介導的基因沉默，進而調控參與COPD發生發展的重要因子的表達[15]。

2.1.2 DNA甲基化修飾藥物對COPD治療作用的研究進展(表1) DNA甲基化修飾在COPD發病中具有重要作用，因此針對DNA甲基化修飾的治療手段對COPD治療可能具有重大的臨床價值。DNA甲基化修飾的治療藥物主要是DNA甲基化轉移酶抑制劑，分為核苷類和非核苷類抑制劑兩大類。核苷類DNA甲基化轉移酶抑制劑(如5-氮雜胞苷、5-氮-2-脫氧胞苷)可與DNA鏈上的胞嘧啶殘基競爭結合DNMTs，阻止酶的活性和使DNA低甲基化。非核苷類抑制劑兒茶素能抑制香煙煙霧誘導的人支氣管上皮細胞核因子κB(nuclear factor kappa B，NF-κB)的激活，發揮抗炎作用。此外，研究證實，兒茶素也能減少香煙煙霧暴露后大鼠支氣管肺泡灌洗液中的炎性細胞數目，降低乳酸脫氫酶活性等[20]。目前，DNA甲基化轉移酶抑制劑研究資料還不充足，且DNA甲基化轉移酶抑制劑缺乏特異性，其致癌性和致突變性不能忽略，能否廣泛用于COPD治療，仍需進一步驗證。

2.2 組蛋白修飾 組蛋白修飾是指在特定的蛋白氨基酸末端(如賴氨酸、精氨酸和絲氨酸)發生轉錄后修飾，如乙酰化、甲基化或磷酸化等。組蛋白修飾酶(如組蛋白乙酰轉移酶、組蛋白甲基轉移酶、激酶和泛素酶等)催化了組蛋白翻譯后修飾，而組蛋白去乙酰化酶(histone deacetylase，HDAC，包括HDAC1-18)、組蛋白脫酰酶和磷酸酶等能夠去除轉錄后修飾[23]。

2.2.1 組蛋白修飾在COPD中的作用 組蛋白乙酰化和脫乙酰化是基因轉錄的關鍵調控機制。炎性因子基因的組蛋白乙酰化和脫乙酰化的不平衡，可能導致COPD發生。NF-κB激活后可以與DNA中特定的識別序列結合，并與協同激活分子(如c-AMP反應元件結合蛋白、p300或p300/CBP相關因子)相互作用，從而發揮內在的組蛋白乙酰化作用。而HDAC1和HDAC2與NF-κB的Rel A/p65亞基相結合，通過組蛋白脫乙酰化作用阻斷炎癥基因轉錄；HDAC3可通過Rel A本身的脫乙酰作用對轉錄進行負調控；而核NF-κB的磷酸化狀態決定它與CBP/p300還是HDAC1作用。

表1 DNA甲基化轉移酶抑制劑對慢性阻塞性肺疾病治療作用的研究進展

煙酰胺腺嘌呤二核苷酸依賴的組蛋白/蛋白去乙酰化酶(SIRT1-SIRT7)參與維持基因組穩定性。細胞應激通過氧化/醛化和磷酸化使SIRT1發生共價改變從而降低酶的活性并誘導其蛋白質降解。研究表明，除SIRT1外其他SIRT(如SIRT2[24]、SIRT6[25])也參與了COPD發生。

組蛋白甲基化也可能參與了COPD的疾病進程。多梳家族抑制復合體2使H3K27甲基化從而阻止其乙酰化，這與染色質活躍狀態有關。且在香煙煙霧暴露誘導的COPD模型鼠肺組織中，組蛋白H3和H4的特定賴氨酸和精氨酸殘基發生了乙酰化、甲基化等修飾作用[26]。

2.2.2 組蛋白修飾藥物對COPD治療作用的研究進展(表2) 持續慢性氣道炎癥是COPD的主要特征，因此糖皮質激素作為強有效的抗炎藥物成為COPD重要的治療方法。但氧化應激可以激活PI3Kδ通路，導致HDAC2失活并使之活性降低，使HAT/HDACs平衡失調，引起糖皮質激素抵抗[27]。因此，HDAC激活劑(尤其是HDAC2)是目前治療COPD患者糖皮質激素抵抗的有效方法。

茶堿長期用于COPD治療，也是一種HDAC激活劑。茶堿能恢復COPD患者肺泡巨噬細胞的HDAC活性和類固醇反應，可能是通過直接抑制氧化應激激活的PI3Kδ通路[30]。抗抑郁藥物去甲替林是一種PI3Kδ抑制劑，可恢復HDAC活性[31]。索利霉素在氧化應激條件下抑制PI3K活化，進而恢復皮質類固醇敏感性及HDAC活性[32]。

姜黃素具有抗癌、抗炎和抗氧化的特性，能逆轉香煙煙霧誘導的絲氨酸磷酸化和HDAC2泛素化，從而阻止了HDAC2蛋白降解。同時姜黃素能減弱彈性蛋白酶活性和香煙煙霧暴露誘發的大鼠肺氣腫[24]。

蘿卜硫素可使HDAC2去亞硝基化、Nrf2激活、谷胱甘肽增加及恢復糖皮質激素敏感性[37]。穿心蓮內酯、查爾酮屬抗氧化劑，可通過增加Nrf2活性，使HDAC2表達及活性增加，恢復肺損傷。

白藜蘆醇能激活SIRT1，具有抗氧化、抗炎和抗癌特性。在A549細胞中，白藜蘆醇通過逆轉香煙煙霧誘導的Nrf2羰基化，引起谷胱甘肽分泌減少[38]。

此外，最新研究還表明，通過使用合成的化合物來模擬乙酰化的組蛋白，可以抑制結構域和額外終端域蛋白質家族乙酰化組蛋白的識別，從而抑制組蛋白乙酰化驅動的巨噬細胞中炎癥基因的表達。

COPD組蛋白修飾方面的治療藥物通過增加HDAC活性，從而增加糖皮質激素治療效果，但其作用機理及在COPD中的作用仍需進一步臨床研究。

2.3 ncRNAs ncRNAs指DNA轉錄完成后未翻譯成蛋白質的RNA，可分為長ncRNAs和短ncRNAs。長ncRNAs調控染色體動態變化，也參與招募染色質重建復合體到特定的基因組位點，在染色質水平調節基因表達。短ncRNAs不僅可以調節轉錄和轉錄后基因表達水平，也可以干擾染色質改變。microRNA是目前研究較為成熟和廣泛的一類ncRNAs。

2.3.1 ncRNAs在COPD中的作用 microRNA在肺發育階段，對維持體內平衡起重要作用，參與先天和獲得性免疫反應的不同過程。與正常對照組相比，熏煙暴露的小鼠及COPD患者肺泡灌洗液和肺組織中miR-31、miR-155、miR-218和let-7c均 存 在 明 顯 表 達 差 異[42]。 這 些microRNA通過調控參與炎癥反應、蛋白酶/抗蛋白酶失衡、氧化應激和細胞凋亡相關的轉化生長因子β及Wnt通路，從而導致COPD的發生、發展[43]。此外，在不同程度肺氣腫患者中發現microRNA基因圖譜也會發生改變，并且變化的microRNA可以調節疾病相關基因表達網絡[44]。

2.3.2 基于ncRNAs的COPD治療方案 Raver-Shapira等[45]提出 “microRNA替換治療”理論，即通過合成microRNA或者類似物用于疾病治療。microRNA也可能會由于異常的DNA甲基化、組蛋白修飾，或位于不穩定的染色體區域而沉默[46]。因此，microRNA可通過HDAC抑制劑或去甲基化藥物的治療而重新表達。研究表明，通過對COPD肺纖維母細胞進行重組，并誘導為多能干細胞，可改變microRNA的表達譜[47]。雖然干預microRNA表達能對疾病進行靶向治療，但microRNA可引起下游多條信號通路激活，導致不同基因表達改變，出現脫靶效應。此外，microRNA轉運至體內的技術仍存在挑戰。因此microRNA替換治療仍需不斷發展和完善。

表2 基于組蛋白修飾的COPD治療藥物

3 展望

COPD是由多種因素相互作用而引起的一種異質性疾病，其發病機制仍未完全明確，缺乏有效的治療方法，目前大部分仍是對癥治療。表觀遺傳機制能進一步解釋基因組學無法解釋的遺傳特性，并可能提供早期可逆轉性的治療方法。但表觀遺傳修飾在COPD發病機制中的作用仍未完全清楚，基于表觀遺傳修飾的治療方法的臨床價值也尚未明確，需進一步研究。

利益沖突所有作者均聲明不存在利益沖突