急性肺損傷的表觀遺傳學(xué)研究進(jìn)展

詹蘭，黃強(qiáng)

(四川大學(xué)華西醫(yī)院科研基地科，成都 610041)

急性肺損傷(acute lung injury，ALI)/急性呼吸窘迫綜合征(acute respiratory distress syndrome，ARDS)第一次被發(fā)現(xiàn)并定義是在1967年[1]。ARDS的特征主要是過(guò)度的肺內(nèi)炎癥反應(yīng)、肺泡毛細(xì)血管屏障破裂和肺水腫，進(jìn)而導(dǎo)致氣體交換的嚴(yán)重受損[2-3]。ARDS被認(rèn)定為呼吸領(lǐng)域的一個(gè)重要的臨床問(wèn)題，既往眾多防治手段(如重癥監(jiān)護(hù)醫(yī)學(xué)的進(jìn)步和肺保護(hù)性機(jī)械通氣)降低了ALI/ARDS的發(fā)病率和病死率，但更多的治療方法和研究方向亟待發(fā)現(xiàn)和發(fā)展[4]。不同于經(jīng)典遺傳學(xué)，在不同的機(jī)體中也存在一些不能用孟德?tīng)栠z傳定律解釋的遺傳表型變異的例子。除DNA序列外，一些不涉及基因結(jié)構(gòu)變化的遺傳決定因素也可以傳遞給下一代，如DNA的共價(jià)化合修飾、組蛋白的翻譯后修飾和各種非編碼RNA[5]。這些遺傳因素包括其他一些疊加在DNA序列上并賦予細(xì)胞特異性功能的調(diào)節(jié)因子，通常被稱(chēng)為表觀遺傳因素[6]。目前，一些常見(jiàn)的呼吸疾病(如哮喘[7]、慢性阻塞性肺疾病[8]和肺動(dòng)脈高壓[9])已有相關(guān)綜述，但關(guān)于ALI/ARDS的表觀遺傳學(xué)研究少有報(bào)道。現(xiàn)就ALI的表觀遺傳學(xué)研究進(jìn)展予以綜述。

1 DNA甲基化與ALI

在哺乳動(dòng)物基因組中，DNA甲基化是一種主要的表觀遺傳機(jī)制，即在DNA甲基轉(zhuǎn)移酶的作用下將甲基轉(zhuǎn)移到胞嘧啶的C5位置，形成5-甲基胞嘧啶，進(jìn)而募集參與基因抑制的蛋白質(zhì)或通過(guò)抑制轉(zhuǎn)錄因子與DNA的結(jié)合來(lái)調(diào)節(jié)基因表達(dá)[10]。正常的DNA甲基化對(duì)于機(jī)體的很多正常功能(如X染色體失活、細(xì)胞分化、胚胎發(fā)育等)都是必需的。異常的DNA甲基化在過(guò)度炎癥反應(yīng)的病理生理學(xué)中起著至關(guān)重要的作用[11]，它不僅與腫瘤相關(guān)[12]，在常見(jiàn)的呼吸系統(tǒng)疾病中也可能起著重要的作用[13-14]。

McGrath-Morrow等[15]研究發(fā)現(xiàn)，由肺炎導(dǎo)致的小兒ALI病死率高達(dá)20%，發(fā)病率甚至與癌癥相當(dāng)；另外，新生小鼠(3～4 d)和幼年小鼠(11～14 d)同時(shí)用大腸埃希菌經(jīng)吸入感染，新生小鼠病死率更高；且相對(duì)于新生小鼠，幼年小鼠的一系列T細(xì)胞免疫應(yīng)答基因被上調(diào)，而用地西他濱抑制DNA甲基化可以誘導(dǎo)肺CD4+T細(xì)胞標(biāo)志物產(chǎn)生，說(shuō)明CD4+T細(xì)胞通路關(guān)鍵基因啟動(dòng)子內(nèi)的DNA甲基化在新生兒肺炎免疫反應(yīng)低下時(shí)有重要作用，DNA甲基化可能作為小兒肺部感染和損傷修復(fù)治療的靶標(biāo)。

過(guò)氧化物酶體增殖物激活受體γ(peroxisome proliferator activated receptors γ，PPARγ)是核激素受體家族中的配體激活受體，可以誘導(dǎo)下游合成抗氧化產(chǎn)物而產(chǎn)生抗炎、抗氧化作用。PPARγ的激活可以對(duì)百草枯中毒導(dǎo)致的大鼠ALI發(fā)揮保護(hù)作用[16]。DNA甲基化通常與基因表達(dá)的抑制相關(guān)，細(xì)菌脂多糖可以通過(guò)誘導(dǎo)PPARγ的異常甲基化導(dǎo)致PPARγ表達(dá)降低，Lei等[17]在動(dòng)物和細(xì)胞實(shí)驗(yàn)中證明，抑制脂多糖誘導(dǎo)的PPARγ啟動(dòng)子甲基化可緩解ALI的病情。另外，一項(xiàng)關(guān)于脂多糖誘導(dǎo)的大鼠ALI肺組織DNA甲基化的全基因組分析比較了甲基化水平和CpG島密度，發(fā)現(xiàn)與高CpG島密度啟動(dòng)子相關(guān)的基因甲基化率較高，進(jìn)一步說(shuō)明異常的DNA甲基化可能與ALI/ARDS的病理進(jìn)程密切相關(guān)[18]。

煙酰胺磷酸核糖轉(zhuǎn)移酶(nicotinamide phosphoribosyltransferase，NAMPT)是煙酰胺腺嘌呤二核苷酸生物合成的限速酶，與細(xì)胞的代謝密切相關(guān)[19]。已有研究表明，NAMPT是一種新型ARDS治療靶標(biāo)和候選基因，可能通過(guò)表觀遺傳轉(zhuǎn)錄調(diào)控以應(yīng)對(duì)過(guò)度的機(jī)械應(yīng)激[20]。研究證明，過(guò)度的機(jī)械應(yīng)力或脂多糖處理均可導(dǎo)致肺動(dòng)脈內(nèi)皮NAMPT啟動(dòng)子DNA甲基化水平降低和基因轉(zhuǎn)錄增加[21]。關(guān)于治療方面值得注意的是，DNA甲基轉(zhuǎn)移酶抑制劑可以通過(guò)增加肺部調(diào)節(jié)性T細(xì)胞的量減輕實(shí)驗(yàn)性肺損傷[22]，這對(duì)于將表觀遺傳學(xué)的治療途徑應(yīng)用于ARDS有新的啟發(fā)。

2 組蛋白修飾與ALI

蛋白質(zhì)的翻譯后修飾對(duì)蛋白功能調(diào)節(jié)十分重要，是蛋白質(zhì)組復(fù)雜性的原因之一。而組蛋白作為染色質(zhì)的重要組成成分，對(duì)于其修飾研究也至關(guān)重要。DNA和組蛋白構(gòu)成了染色質(zhì)的主要成分，而緊密的染色質(zhì)結(jié)構(gòu)很大程度上是由帶有相反電荷的兩者相互吸引所維持的。與其他蛋白相同，機(jī)體可能會(huì)對(duì)組蛋白進(jìn)行乙酰化、甲基化、泛素化以及磷酸化等翻譯后修飾，其中組蛋白乙酰化會(huì)使蛋白電荷發(fā)生變化，導(dǎo)致組蛋白與DNA的結(jié)合變?nèi)酰瑥亩谵D(zhuǎn)錄因子和DNA結(jié)合激活轉(zhuǎn)錄。組蛋白乙酰化一般由組蛋白乙酰化酶和組蛋白去乙酰化酶兩種酶調(diào)控，乙酰化和去乙酰化的失衡可能會(huì)引起多種疾病。有研究發(fā)現(xiàn)，脂多糖可導(dǎo)致NAMPT啟動(dòng)子DNA甲基化水平降低和基因轉(zhuǎn)錄增加，同時(shí)也發(fā)現(xiàn)通過(guò)曲古抑菌素抑制組蛋白去乙酰化可以減輕脂多糖導(dǎo)致的NAMPT表達(dá)增加，說(shuō)明表觀遺傳的各種修飾方式不是完全相互獨(dú)立的，也有可能相互影響[21]。此外，表面活性蛋白B是一種肺泡中降低表面張力的蛋白質(zhì)，其減少與肺損傷密切相關(guān)，Bi等[23]研究發(fā)現(xiàn)，NAMPT的下調(diào)可提高表面活性蛋白B的表達(dá)，并恢復(fù)腫瘤壞死因子-α誘導(dǎo)的表面活性蛋白B的抑制；另外，NAMPT的過(guò)表達(dá)還會(huì)抑制人腺癌細(xì)胞中的表面活性蛋白B表達(dá)，而抑制NAMPT是通過(guò)增強(qiáng)組蛋白乙酰化來(lái)增加表面活性蛋白B轉(zhuǎn)錄而上調(diào)表面活性蛋白B表達(dá)的，表明特異性地敲低肺泡上皮的NAMPT可能是ALI/ARDS潛在的、可行的表觀遺傳治療手段。

在由缺血再灌注誘導(dǎo)的肺損傷體內(nèi)模型中，曲古抑菌素A可以濃度依賴(lài)性地緩解缺血再灌注導(dǎo)致的血管通透性、肺水腫、肺動(dòng)脈壓和肺組織學(xué)變化，這一過(guò)程可能是通過(guò)增加組蛋白乙酰化和促分裂原活化的蛋白激酶磷酸酶1的表達(dá)，抑制核因子κB(nuclear factor κB，NF-κB)、促分裂原活化的蛋白激酶和凋亡信號(hào)通路實(shí)現(xiàn)[24]。臨床上，膿毒癥常導(dǎo)致ALI，體內(nèi)實(shí)驗(yàn)表明，組蛋白去乙酰化酶對(duì)于膿毒癥相關(guān)ALI也具有治療作用，與實(shí)驗(yàn)組相比，曲古抑菌素A和丁酸鈉可減少盲腸結(jié)扎和穿刺導(dǎo)致的肺損傷小鼠的中性粒細(xì)胞浸潤(rùn)、細(xì)胞間黏附分子1和E-選擇素的表達(dá)以及血漿中白細(xì)胞介素-6的水平，表明組蛋白去乙酰化酶抑制劑基于調(diào)節(jié)與乙酰化修飾相關(guān)的關(guān)鍵酶，有效地減弱了肺內(nèi)炎癥反應(yīng)[25]。

肺纖維化是一種以成纖維細(xì)胞大量異常增殖及細(xì)胞外基質(zhì)聚集并伴炎癥損傷、組織結(jié)構(gòu)破壞為特征的一大類(lèi)肺疾病的終末期改變，是ALI/ARDS發(fā)展的重要病理階段。研究發(fā)現(xiàn)，胸腺細(xì)分化抗原1(thymocyte differentiation antigen 1，Thy-1)在正常的肺成纖維細(xì)胞表面大量表達(dá)，但在特發(fā)性肺纖維化患者的肺組織中可能會(huì)呈陰性表達(dá)；脂多糖可以通過(guò)其特異性受體Toll樣受體4(Toll-like receptor 4，TLR4)降低Thy-1基因啟動(dòng)區(qū)的組蛋白乙酰化水平來(lái)抑制Thy-1的表達(dá)，從而引起相關(guān)病理變化和進(jìn)程[26]。內(nèi)皮素1是一種由21個(gè)氨基酸組成的可以影響血管張力的多肽，ALI/ARDS患者內(nèi)皮素1明顯升高[27]。而Lin等[28]研究發(fā)現(xiàn)，內(nèi)皮素1可能通過(guò)組蛋白乙酰轉(zhuǎn)移酶p300引起組蛋白H4的乙酰化，并可能由此導(dǎo)致病理性炎癥的發(fā)生和放大，表明內(nèi)皮素1可能是ALI/ARDS的一個(gè)新型表觀遺傳標(biāo)志物和治療靶標(biāo)。另外，p300的活性與癌癥和炎癥性疾病密切相關(guān)，可與組蛋白去乙酰化酶1共同調(diào)節(jié)視黃酸相關(guān)孤兒受體γt，Chen等[29]從臨床和脂多糖誘導(dǎo)的ALI小鼠模型兩方面研究證明了組蛋白乙酰轉(zhuǎn)移酶p300可調(diào)節(jié)視黃酸相關(guān)孤兒受體γt的轉(zhuǎn)錄，在ARDS中起著重要作用，可能是ARDS的潛在新的免疫治療靶標(biāo)。

3 非編碼RNA與ALI

非編碼RNA是近年來(lái)的研究熱點(diǎn)，僅有少量非編碼RNA包含較小的開(kāi)放閱讀框，可以編碼功能性的多肽[30]，多數(shù)非編碼RNA不編碼蛋白，但可以調(diào)控基因的表達(dá)，參與各種重要的生理過(guò)程。非編碼RNA根據(jù)大小的不同可以分為兩類(lèi)：小非編碼RNA(<200個(gè)核苷酸)，包括微RNA(microRNA，miRNA)和Piwi交互RNA；長(zhǎng)鏈非編碼RNA(long non-coding RNAs，lncRNAs)(>200個(gè)核苷酸)，包括長(zhǎng)基因間非編碼RNA、環(huán)狀RNA (circular RNA，circRNA)、天然反義轉(zhuǎn)錄物和增強(qiáng)子RNA[31]。

miRNA廣泛分布于各種生物中，目前已經(jīng)在人類(lèi)基因組中發(fā)現(xiàn)多個(gè)miRNA和其對(duì)應(yīng)的靶基因，說(shuō)明miRNA在全基因組的表達(dá)中起重要作用。miRNA是非編碼RNA中研究較早和較多的一個(gè)，通過(guò)對(duì)靶基因的轉(zhuǎn)錄后沉默，調(diào)節(jié)基因的表達(dá)，miRNA涉及多種疾病過(guò)程的生理和病理功能[32]。miRNA在炎癥或細(xì)胞凋亡中發(fā)揮重要作用，而炎癥和細(xì)胞凋亡是ALI/ARDS的常見(jiàn)特征，所以miRNA可能是ALI/ARDS的診斷指標(biāo)和治療靶點(diǎn)[33]。目前，許多特異性miRNA(包括miR-1246、miR-494、miR-339-3p)已被證明可以通過(guò)各種方式影響ALI/ARDS[34-36]。

TLR4可以激活下游相關(guān)炎癥通路，是NF-κB信號(hào)通路的重要調(diào)節(jié)因子。近年一系列研究證明miRNA可以通過(guò)TLR4影響ALI/ARDS的病理進(jìn)程，如Yang等[37]研究發(fā)現(xiàn)，提升miR-140-5p的表達(dá)可以通過(guò)TLR4調(diào)節(jié)髓樣分子88影響NF-κB信號(hào)通路而抑制炎癥因子釋放；Ju等[38]研究發(fā)現(xiàn)，miR-27a也可以調(diào)節(jié)TLR4/髓樣分化因子88/NF-κB通路；此外，miR-140、miR-146a、miR-181a同樣通過(guò)TLR4通路影響ALI/ARDS在炎癥中的應(yīng)答[39-42]。Li等[40]研究發(fā)現(xiàn)，與對(duì)照受試者相比，miR-140在ALI患者的外周血中減少；進(jìn)一步動(dòng)物實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，miR-140在ALI大鼠的血漿和肺中均減少，且通過(guò)雙熒光素酶報(bào)告基因測(cè)定表明TLR4是miR-140的靶基因，提示TLR4可能是眾多ALI相關(guān)miRNA的重要靶分子。而在不同的個(gè)體研究中證實(shí)，對(duì)應(yīng)治療后患者體液中的miRNA水平可以回到基線(xiàn)，進(jìn)一步提示miRNA作為生物標(biāo)志物的潛力[43]。

目前為止關(guān)于lncRNAs的研究相較于miRNA較少，與miRNA相同，lncRNAs功能豐富，包括參與信使RNA剪接、降解和染色質(zhì)修飾等。肺纖維化是ALI/ARDS發(fā)展的重要病理階段，近年來(lái)有研究著重于lncRNAs和肺纖維化的研究，幾個(gè)可能涉及特發(fā)性肺纖維化的miRNA被發(fā)現(xiàn)與lncRNAs的表達(dá)呈負(fù)相關(guān)性，而通過(guò)調(diào)節(jié)miRNA的表達(dá)，lncRNAs可能影響上皮間充質(zhì)轉(zhuǎn)化、成纖維細(xì)胞增殖和膠原表達(dá)，進(jìn)而影響肺纖維化[44-46]。過(guò)表達(dá)lncRNA-p21可以顯著抑制組蛋白Thy-1啟動(dòng)子區(qū)域的組蛋白H3和H4的乙酰化以及Thy-1的表達(dá)，說(shuō)明在ALI/ARDS的病理進(jìn)程中，lncRNA-p21可能通過(guò)抑制Thy-1的表達(dá)而導(dǎo)致肺纖維化[47]。

lncRNAs和miRNA在生物體內(nèi)的功能并不是完全獨(dú)立的，對(duì)ALI的影響也是如此。 內(nèi)源競(jìng)爭(zhēng)性RNA假說(shuō)揭示了RNA之間新的作用機(jī)制，該機(jī)制最早是由Salmena等[48]于2011年提出的，miRNA可以靶向特定的編碼基因?qū)е禄虺聊瑥亩鴮?dǎo)致蛋白表達(dá)降低，而內(nèi)源競(jìng)爭(zhēng)性RNA可能含有多個(gè)miRNA的結(jié)合位點(diǎn)，可以充當(dāng)miRNA海綿，對(duì)大量的miRNA進(jìn)行吸附，導(dǎo)致miRNA對(duì)原本的靶基因的抑制得以緩解。Li等[49]研究發(fā)現(xiàn)在脂多糖誘導(dǎo)的細(xì)胞和動(dòng)物模型中，lncRNA-CASC2(cancer susceptibility candidate 2)的表達(dá)均顯著低于正常組，而miR-144-3p表達(dá)與lncRNA-CASC2相反；同時(shí)，水通道蛋白1的表達(dá)與miR-144-3p呈負(fù)相關(guān)，熒光素酶報(bào)告基因測(cè)定顯示，水通道蛋白1是A549細(xì)胞中miR-144-3p的靶標(biāo)，lncRNA-CASC2通過(guò)調(diào)節(jié)miR-144-3p控制水通道蛋白1的表達(dá)。而在脂多糖誘導(dǎo)的人肺纖維化細(xì)胞模型中，lncRNA-HAGLROS(HAGLR Opposite Strand LncRNA)通過(guò)調(diào)節(jié)miR-100參與細(xì)胞的凋亡和自噬，進(jìn)一步引起機(jī)體的炎癥損傷[50]。另外，與miRNA相同，lncRNAs也有作為生物標(biāo)志物的潛力，Wan等[51]研究顯示，患者血漿中的lncRNA-白細(xì)胞介素-7受體顯著低于正常對(duì)照者，說(shuō)明lncRNA也可能作為診斷ARDS的新型生物標(biāo)志物。作為一類(lèi)特殊的長(zhǎng)鏈非編碼RNA，circRNA是近年的研究熱點(diǎn)，與lncRNA相同，circRNA也可以充當(dāng)miRNA海綿。隨著測(cè)序技術(shù)的進(jìn)步，針對(duì)circRNA的測(cè)序分析促進(jìn)了circRNA通過(guò)circRNA-miRNA-信使RNA網(wǎng)絡(luò)調(diào)節(jié)基因表達(dá)作用的研究。Wan等[52]對(duì)脂多糖誘導(dǎo)的ALI大鼠進(jìn)行測(cè)序分析，構(gòu)建了circRNA表達(dá)譜，發(fā)現(xiàn)了大量異常表達(dá)的circRNA，并預(yù)測(cè)了可能結(jié)合miRNA，提示circRNA作為ALI/ARDS的新型生物標(biāo)志物和充當(dāng)miRNA海綿作用的潛力。

4 小 結(jié)

雖然ALI/ARDS的治療目前已取得了明顯的進(jìn)步，但預(yù)后并不樂(lè)觀，即使在2010年后，ARDS患者的住院、重癥監(jiān)護(hù)室、28/30 d、60 d的總病死率分別為45%、38%、30%和32%[53]。ALI/ARDS的發(fā)病機(jī)制仍有待明確。隨著對(duì)ALI/ARDS表觀遺傳學(xué)研究的深入，越來(lái)越多的研究證明了表觀遺傳變化與ALI/ARDS的密切聯(lián)系，表觀遺傳學(xué)在ALI的發(fā)病機(jī)制中扮演著重要角色。研究進(jìn)一步加深了人們對(duì)ALI發(fā)病機(jī)制的認(rèn)識(shí)和理解，但仍需要更深入的研究(包括表觀遺傳研究)來(lái)為ALI的診治提供更加多樣和可靠的表觀遺傳策略。