環(huán)境表觀遺傳學(xué)與支氣管哮喘的研究進(jìn)展①

楊寶霞 鄭百紅 黎 萍 張?jiān)品?

(吉林大學(xué)第二醫(yī)院兒科，長春 130041)

全球約有3億人患有支氣管哮喘(簡稱哮喘)，在許多國家和地區(qū)，近10年哮喘患病率增加了1倍多[1]。遺傳、環(huán)境、免疫等因素及其相互作用在哮喘的發(fā)病中發(fā)揮重要作用。表觀遺傳學(xué)是指除基因序列改變之外，基因功能可逆的、可遺傳的改變，主要有DNA甲基化、組蛋白乙酰化、微小RNA(microRNA，miRNA)的改變等[2,3]；近年來，越來越多的證據(jù)表明，環(huán)境因素可通過表觀遺傳學(xué)機(jī)制影響哮喘的發(fā)病[4]。

環(huán)境暴露可改變胚胎時(shí)期全基因組DNA去甲基化和再甲基化狀態(tài)，其中部分改變不可逆[5]。鼻上皮是氣道與環(huán)境直接接觸的部位，與支氣管上皮細(xì)胞比較，鼻上皮細(xì)胞中的哮喘相關(guān)基因ALOX15、CAPN14和POSTN，以及60%的炎癥和免疫基因、細(xì)胞黏附因子和表觀遺傳調(diào)控因子等關(guān)鍵基因甲基化狀態(tài)改變更為顯著[3,6]。氣道上皮中微生物、過敏原、空氣污染物及其相互作用的生物反應(yīng)，可調(diào)控T細(xì)胞(Th1、Th2和Treg細(xì)胞)分化相關(guān)的轉(zhuǎn)錄因子和細(xì)胞因子，使機(jī)體產(chǎn)生Th2細(xì)胞的免疫偏倚，增加哮喘的發(fā)病風(fēng)險(xiǎn)[7,8]。隨著研究的深入，闡明環(huán)境表觀遺傳調(diào)控哮喘的機(jī)制可為哮喘的早期診斷、治療及預(yù)防，尤其是哮喘的表觀遺傳學(xué)相關(guān)藥物的研發(fā)提供科學(xué)證據(jù)[3]。本文將重點(diǎn)介紹環(huán)境暴露與哮喘相關(guān)的DNA甲基化、組蛋白修飾、miRNA 調(diào)控等的表觀遺傳學(xué)的關(guān)系研究進(jìn)展。

1 空氣污染物表觀遺傳學(xué)與哮喘

空氣污染物的主要成分是顆粒物(particulate matter，PM)，既含有多環(huán)芳烴(polycyclic aromatic hydrocarbons，PAHs)、黑炭(black carbon，BC)、柴油機(jī)尾氣顆粒(diesel exhaust particles，DEP)和交通相關(guān)空氣污染(traffic-related air pollution，TRAP)等環(huán)境污染物，又含有內(nèi)毒素等免疫刺激復(fù)合物[9]。DNA甲基化是環(huán)境表觀遺傳調(diào)控哮喘發(fā)生發(fā)展的主要機(jī)制之一，參與DNA甲基化的三大家族包括DNA甲基轉(zhuǎn)移酶(DNA methyltransferases,DNMT)、甲基化CpG結(jié)合蛋白(methylCpG binding domain protein,MBD)和1011易位甲基胞嘧啶雙加氧酶(ten-eleven translocation methylcytosine dioxygenase 1,TET1)[10]。研究發(fā)現(xiàn)PM2.5暴露可導(dǎo)致TET1啟動(dòng)子DNA甲基化增強(qiáng)，TET1啟動(dòng)子區(qū)域的DNA甲基化水平與兒童哮喘及TRAP有關(guān)。人支氣管上皮細(xì)胞暴露于DEP可導(dǎo)致TET1和DNMT1表達(dá)升高，MBD2基因甲基化后可通過影響樹突狀細(xì)胞誘導(dǎo)Th2分化，促進(jìn)哮喘發(fā)展[11-13]。

研究表明，長期和短期PM暴露都會(huì)影響固有免疫基因TLR4、TLR2和哮喘相關(guān)基因(HLA-DOB、HLA-DPA1、CCL11、CD40LG、ECP、FCER1A、FCER1G、IL-9、IL-10、IL-13和MBP)的甲基化水平[3]。研究發(fā)現(xiàn)，高濃度的苯并芘與免疫應(yīng)答基因CTLA4和STAT4相互作用，增加兒童哮喘的發(fā)病風(fēng)險(xiǎn)[12]。PM、BC和O3暴露導(dǎo)致IL-6、F3、iFNG和ICAM-1等免疫相關(guān)基因DNA甲基化水平降低[14]。類似的是，兒童暴露于香煙煙霧環(huán)境也會(huì)導(dǎo)致固有免疫基因CD14甲基化水平提高，孕期香煙煙霧暴露可造成新生兒全基因組DNA甲基化水平改變[15]，導(dǎo)致子代Runt轉(zhuǎn)錄相關(guān)因子3(Runtx3)甲基化水平提高，繼而導(dǎo)致Treg細(xì)胞功能受損，提高子代哮喘發(fā)病風(fēng)險(xiǎn)[16]。另外，孕期NO2暴露與甲狀腺過氧化物酶(TPO)基因甲基化水平相關(guān)，TPO可通過參與氧化應(yīng)激影響哮喘發(fā)生、發(fā)展[14]。研究發(fā)現(xiàn)，母親患哮喘的新生兒臍帶血SMAD3基因甲基化水平升高，其甲基化水平與天然炎癥介質(zhì)IL-1呈顯著正相關(guān)[4]。

谷胱甘肽S轉(zhuǎn)移酶GSTM1、GSTP1和GSTT1是基因和環(huán)境相互作用增加哮喘發(fā)病風(fēng)險(xiǎn)的候選基因，研究發(fā)現(xiàn)GSTP1與一個(gè)或多個(gè)TRAP組分相互作用可增加過敏性氣道疾病的發(fā)病風(fēng)險(xiǎn)[12]。長散在核重復(fù)序列(LINE-1)是全面基因甲基化的代表，其甲基化水平降低會(huì)導(dǎo)致氣道慢性炎癥，與哮喘的發(fā)生、發(fā)展密切相關(guān)。TRAP可導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)兔外周血和肺組織中LINE-1甲基化水平下降[17]。PAHs暴露可導(dǎo)致兒童Treg細(xì)胞轉(zhuǎn)錄因子Foxp3甲基化增加，繼而影響Treg細(xì)胞功能[18]；另一方面，PM暴露增加Th1相關(guān)基因IFN-γ基因甲基化，IFN-γ水平下降，促使哮喘的發(fā)生[18]。PM2.5、BC等暴露導(dǎo)致血中糖皮質(zhì)激素受體(the glucocorticoid receptor，NR3CI)和IL-6的DNA甲基化水平降低，而兩者與肺功能減退相關(guān)[14]。哮喘早期會(huì)出現(xiàn)組蛋白乙酰化改變。動(dòng)物實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，TRAP會(huì)導(dǎo)致兔血及肺組織組蛋白H3K9乙酰化水平升高，且具有時(shí)間-劑量依賴性，組蛋白H4乙酰化上調(diào)炎癥介質(zhì)水平，PM10暴露導(dǎo)致組蛋白H4乙酰化增加[17]。miRNA是過敏免疫反應(yīng)的重要調(diào)控因子，DEP暴露可改變?nèi)酥夤苌掀ぜ?xì)胞miRNA表達(dá)譜,導(dǎo)致外周血和肺上皮細(xì)胞DNA甲基化水平改變[19,20]。

2 過敏原表觀遺傳學(xué)與哮喘

屋螨、寵物、花粉等過敏原是誘發(fā)哮喘的重要環(huán)境因素。過敏性鼻炎患者受花粉提取物刺激后，其外周血CD4+T細(xì)胞DNA甲基化和基因表達(dá)水平明顯改變[21]。內(nèi)毒素受體CD14位于血清及巨噬細(xì)胞表面，介導(dǎo)內(nèi)毒素和Toll樣受體4(toll-like receptor 4，TLR4)的相互作用，LPS通過CD14與TLR4結(jié)合，促進(jìn)細(xì)胞分泌IL-6、IL-8、IL-12及TNF-α等促炎細(xì)胞因子，是哮喘發(fā)病的重要因子[22,23]。和非農(nóng)場生活孕婦相比，農(nóng)場生活的孕婦胎盤中CD14啟動(dòng)子甲基化水平降低，CD14表達(dá)增加[3]。隊(duì)列研究發(fā)現(xiàn)，樺樹花粉暴露導(dǎo)致人鼻黏膜細(xì)胞黏蛋白4(mucin four，MUC4)基因甲基化水平發(fā)生改變，并與鼻吸氣流量峰值下降有關(guān)[24]。

過敏原與其他環(huán)境因素多重暴露也通過表觀遺傳學(xué)機(jī)制影響哮喘的發(fā)生、發(fā)展。DEP與過敏原的混合暴露可導(dǎo)致小鼠Th1細(xì)胞因子IFN-γ超甲基化及Th2細(xì)胞因子IL-4低甲基化[3]。研究表明，哮喘患者和非哮喘患者IL-4基因啟動(dòng)子區(qū)域存在DNA差異甲基化，過敏原致敏導(dǎo)致IL-4基因啟動(dòng)子區(qū)域去甲基化，增加過敏性疾病的發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)，而屋螨特異性免疫治療哮喘患兒后，其外周血單核細(xì)胞(PBMCs)表達(dá)IL-4、 IL-5、IL-2水平較低，與未治療組相比，經(jīng)變應(yīng)原致敏后PBMCs中IL-4啟動(dòng)子區(qū)域的DNA甲基化水平較高[10]。人氣道上皮細(xì)胞同時(shí)暴露于過敏原和DEP 4周后，全基因組500多個(gè)CpG位點(diǎn)甲基化水平改變，其中炎癥相關(guān)基因甲基化水平均下調(diào)，這表明，過敏原和其他污染物共同暴露可導(dǎo)致肺組織細(xì)胞DNA甲基化水平的改變[20]。

3 微生物表觀遺傳學(xué)與哮喘

微生物群通常指環(huán)境及人體中的細(xì)菌、真菌、病毒等微生物。流行病學(xué)研究發(fā)現(xiàn)，寢具或家庭粉塵中微生物暴露、經(jīng)陰道分娩且生命早期限制抗生素使用都可降低兒童哮喘發(fā)病率[3,25]；幽門螺旋桿菌(H.P)缺乏與兒童哮喘發(fā)作風(fēng)險(xiǎn)相關(guān)，H.P可誘導(dǎo)Th1和Treg細(xì)胞表面大量表達(dá)趨化因子受體CXCR3[26]。丹麥一項(xiàng)前瞻性隊(duì)列研究發(fā)現(xiàn)，哮喘母親所生子代1歲時(shí)糞便微生物組成不同于健康對照組，且5歲時(shí)子代發(fā)生哮喘的概率是后者的13倍[26]。這與微生物表觀遺傳修飾調(diào)節(jié)免疫發(fā)育，影響哮喘等過敏性疾病的易感性有關(guān)。人類腸道微生物組成與血液中多種細(xì)胞DNA甲基化相關(guān)，動(dòng)物實(shí)驗(yàn)也證明了這種關(guān)聯(lián)，例如，與常規(guī)小鼠相比，無菌小鼠大腸上皮細(xì)胞中TLR4基因甲基化水平顯著降低，結(jié)核桿菌、大腸桿菌等細(xì)菌感染會(huì)改變宿主miRNA的表達(dá)譜，進(jìn)而調(diào)控宿主基因表達(dá)，影響炎癥相關(guān)通路，改變宿主生理和疾病狀態(tài)[27，28]。

微生物定植及其代謝物影響宿主多個(gè)組織DNA甲基化和乙酰化水平，其機(jī)制與DNA、組蛋白修飾相關(guān)酶的活性或修飾的化學(xué)供體的可用水平改變有關(guān)[29]。丁酸鹽等短鏈脂肪酸是腸道膳食纖維經(jīng)微生物發(fā)酵的重要產(chǎn)物，可透過腸上皮細(xì)胞直接與淋巴細(xì)胞相互作用，可能是過敏性疾病的誘發(fā)因素[30]。有研究發(fā)現(xiàn)丁酸鹽通過增強(qiáng)啟動(dòng)子組蛋白H3乙酰化及改變Foxp3基因的非編碼序列甲基化水平發(fā)揮作用，影響結(jié)腸Treg細(xì)胞分化，繼而可能導(dǎo)致哮喘等過敏性疾病的發(fā)生[31]。葉酸是DNA甲基供體，多種益生菌都有產(chǎn)生或消耗葉酸的能力，口服益生菌影響血液及糞便中的葉酸水平[3]。有研究發(fā)現(xiàn)孕期過度補(bǔ)充葉酸，可能導(dǎo)致Runx3基因過度甲基化增加子代小鼠發(fā)生氣道過敏性炎癥的概率[32]。

表觀遺傳和微生物群之間的作用是雙向的，表觀遺傳標(biāo)記可決定宿主定植微生物的類型。例如，地塞米松治療孕鼠早產(chǎn)誘發(fā)的表觀遺傳改變可導(dǎo)致后代腸道微生物組成發(fā)生改變[33]。表觀基因組修飾是無菌小鼠保護(hù)早期微生物定植的驅(qū)動(dòng)因素，在介導(dǎo)生命早期微生物暴露和哮喘發(fā)展方面具有特殊意義[34]。CXCL16是恒定自然殺傷T細(xì)胞(invariant nature killer T,iNKT)趨化因子受體CXCR6的配體，無菌小鼠結(jié)腸及肺組織中CXCL16基因5′區(qū)CpG位點(diǎn)高度甲基化，導(dǎo)致CXCL16基因表達(dá)下降，繼而影響iNKT細(xì)胞的聚集[3,34]。

4 總結(jié)和展望

綜上所述，環(huán)境表觀遺傳學(xué)參與哮喘的發(fā)生、發(fā)展。環(huán)境暴露產(chǎn)生的表觀遺傳標(biāo)志可作為不同表型哮喘，尤其是難治性哮喘的生物學(xué)標(biāo)志物，為其個(gè)性化防治提供依據(jù)。另一方面，表觀遺傳學(xué)標(biāo)志具有可塑性，例如DNMT抑制劑可整合入基因組DNA，降低DNA甲基化水平，但是不能特異性作用于目標(biāo)基因。未來可開發(fā)針對特定基因座的表觀遺傳學(xué)特異性療法，明確環(huán)境暴露對關(guān)鍵的免疫、哮喘相關(guān)基因的表觀基因組的作用原理有助于開發(fā)新型表觀遺傳抗哮喘藥物[35,36]。