PARP-1在支氣管哮喘中的作用研究進(jìn)展

劉 樂 霍如婕 田新瑞

支氣管哮喘是常見的慢性呼吸道疾病，以反復(fù)發(fā)作的喘息、氣促、胸悶、咳嗽為臨床表現(xiàn)，其特征是氣道炎癥、氣道高反應(yīng)性和氣道重塑。哮喘影響著全球約3億人，對社會(huì)造成巨大影響[1]。近年來，隨著分子生物學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，人們發(fā)現(xiàn)聚腺苷二磷酸核糖聚合酶-1[poly(ADP-ribose)polymerase-1，PARP-1]在哮喘的發(fā)生、發(fā)展過程中起著重要的調(diào)控作用，通過藥物抑制或基因敲除的方法抑制PARP-1活性，有助于緩解炎性反應(yīng)和氣道重塑過程，并且在激素治療效果不佳的哮喘患者中，抑制PARP-1對哮喘起到良好的控制作用，這預(yù)示著PARP-1及其信號(hào)通路有望成為哮喘治療的潛在新靶點(diǎn)[2]。本文就PARP-1在支氣管哮喘中的作用研究進(jìn)展進(jìn)行綜述，以期為哮喘的控制與治療提供新思路。

一、PARP-1的結(jié)構(gòu)和功能

PARP是存在于真核細(xì)胞細(xì)胞核的DNA損傷修復(fù)酶，迄今已發(fā)現(xiàn)PARP家族成員多達(dá)18個(gè)亞型，其中PARP-1在真核細(xì)胞內(nèi)含量最高，對其結(jié)構(gòu)和功能的研究也最為深入。PARP-1位于人類1q41～42染色體，是一種高度保守的多功能酶，由1014個(gè)氨基酸組成，相對分子質(zhì)量為116kD。PARP-1由氨基末端DNA結(jié)合域(DNA binding domain，DBD)、中央自動(dòng)修飾域(automodification domain，AMD)和羧基末端催化結(jié)構(gòu)域(catalytic domain，CAT)3個(gè)結(jié)構(gòu)域組成[3]。

PARP-1活性較低，可被DNA損傷激活。PARP-1被激活后可催化ADP-核糖單位從煙酰胺腺嘌呤二核苷酸(nicotinamide adenine dinucleotide，NAD+)轉(zhuǎn)移到靶基因調(diào)控蛋白，如組蛋白和轉(zhuǎn)錄因子，這種翻譯后蛋白質(zhì)修飾稱為多聚ADP-核糖基化修飾[poly(ADP-ribosyl)ation，PARylation]。這種修飾在細(xì)胞生理學(xué)和應(yīng)激反應(yīng)中發(fā)揮重要作用[4]。然而，當(dāng)DNA損傷嚴(yán)重時(shí)，PARP-1被過度激活，使NAD+過度消耗，進(jìn)而導(dǎo)致ATP消耗，最終使細(xì)胞發(fā)生裂解而引起炎癥等反應(yīng)。此外，PARP-1還參與甲基化、磷酸化和乙酰化等其它蛋白質(zhì)翻譯后修飾及廣泛的生物學(xué)進(jìn)程，包括染色質(zhì)重塑、免疫、調(diào)節(jié)腫瘤生成、細(xì)胞分化、增殖和死亡[5]。

二、PARP-1與哮喘的相關(guān)性

PARP-1被發(fā)現(xiàn)與人類哮喘之間存在相關(guān)性。Tezcan等[6]研究發(fā)現(xiàn)，有野生型PARP-1 762V等位基因的受試者患哮喘的風(fēng)險(xiǎn)比缺乏等位基因的受試者高5倍，而PARP-1 762AA等位基因使哮喘發(fā)病風(fēng)險(xiǎn)降低3.4倍，這一發(fā)現(xiàn)確定了PARP-1的多態(tài)性。Ghonim等[7]研究發(fā)現(xiàn)，PARP-1在哮喘患者的肺和外周血單個(gè)核細(xì)胞被激活。這些數(shù)據(jù)表明PARP-1與人類哮喘之間存在密切聯(lián)系，也表明PARP-1基因多態(tài)性代表了哮喘保護(hù)或易感性因素之一，并且進(jìn)一步推測利用PARP-1的多態(tài)性來降低易感基因的活性進(jìn)而降低對哮喘的易感性是合理的。

三、PARP-1在哮喘炎癥中的作用及機(jī)制

支氣管哮喘是由多種炎性細(xì)胞和炎性介質(zhì)參與的氣道慢性炎癥性疾病。PARP-1活化與哮喘相關(guān)的炎癥過程密切相關(guān)。PARP-1激活后可通過調(diào)節(jié)CD4+T細(xì)胞、誘導(dǎo)嗜酸性粒細(xì)胞募集、促進(jìn)單核細(xì)胞向樹突狀細(xì)胞(dendritic cells，DCs)分化而參與哮喘的炎癥過程[8]。

1.調(diào)節(jié)CD4+T細(xì)胞：CD4+T細(xì)胞在哮喘的發(fā)病機(jī)制中起重要作用。哮喘是一種免疫失衡性炎癥性疾病，與Th2表達(dá)的增加和Th1表達(dá)的降低有關(guān)[9]。研究發(fā)現(xiàn)，PARP-1維持Th2型炎癥，可促進(jìn)IL-4、IL-5和IL-13的產(chǎn)生，加重哮喘氣道高反應(yīng)性及氣道痙攣，特別是在過敏性哮喘中。而在PARP-1基因缺失的哮喘小鼠模型中，Th1細(xì)胞因子(IL-2 和IL-12)的產(chǎn)生顯著增加，表明PARP-1缺失使Th1/Th2平衡向Th1傾斜，有利于抗過敏反應(yīng)[10]。

PARP-1還可通過調(diào)節(jié)CD4+T細(xì)胞中轉(zhuǎn)化生長因子β受體(transforming growth factor-β receptor，TGF-βR)和叉頭狀轉(zhuǎn)錄因子P3(forkhead box protein-3，F(xiàn)OXP3)的表達(dá)進(jìn)而抑制CD4+T細(xì)胞向Treg細(xì)胞分化，從而使促炎性細(xì)胞因子釋放增加，加重氣道炎癥。而抑制PARP-1后則通過增強(qiáng)TGF-βR和FOXP3的表達(dá)增加Treg細(xì)胞的百分比，從而減輕炎性反應(yīng)[11]。

2.誘導(dǎo)嗜酸性粒細(xì)胞募集：嗜酸性粒細(xì)胞在哮喘患者的氣道和痰中增加，可促進(jìn)機(jī)體細(xì)胞因子的表達(dá)，故可作為評(píng)估慢性氣道炎癥的指標(biāo)。PARP-1可通過激活核轉(zhuǎn)錄因子-κB(nuclear factor-kappa B，NF-κB)、轉(zhuǎn)錄激活蛋白6(signal transducer and activator of transcription 6，STAT-6)及GATA結(jié)合蛋白3(GATA-binding protein 3，GATA-3)促進(jìn)嗜酸性粒細(xì)胞的募集，進(jìn)而促進(jìn)氣道炎性反應(yīng)。

PARP-1可通過不同途徑激活NF-κB參與哮喘的炎性反應(yīng)。NF-κB是PARP-1調(diào)控炎癥的中心途徑，是炎性介質(zhì)如細(xì)胞因子、趨化因子、黏附分子和誘導(dǎo)型一氧化氮合酶(inducible nitric oxide synthase，iNOS)的主要轉(zhuǎn)錄啟動(dòng)子[12]。活化的PARP-1觸發(fā)I-κB激酶γ(I-kappaB kinase γ，IKKγ)SUMO化修飾和泛素化，繼而激活I(lǐng)KK對I-κB的磷酸化，觸發(fā)NF-κB核易位，使得NF-κB被激活。PARP-1還可以與NF-κB 家族的成員相互作用，促進(jìn)轉(zhuǎn)錄復(fù)合物的形成。此外，PARP-1與組蛋白乙酰轉(zhuǎn)移酶p300相互作用，p300對PARP-1的乙酰化可促進(jìn)NF-κB轉(zhuǎn)錄[13]。研究表明，PARP-1 直接或間接促進(jìn)NF-κB的激活。在過敏性氣道炎癥中，基于NF-κB信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)受氣道中氧化/抗氧化失衡的影響，并且NF-κB通過促進(jìn)GATA-3和細(xì)胞間黏附分子1(intercellular adhesion molecule-1,ICAM-1)的表達(dá)使炎性細(xì)胞大量滲出，以及誘導(dǎo)Th2分化從而使Th2型細(xì)胞因子釋放進(jìn)而促進(jìn)嗜酸性粒細(xì)胞募集，最終加重氣道炎癥。Sethi等[11]推測，PARP-1可能通過激活NF-κB在哮喘氣道炎癥中發(fā)揮核心作用。后續(xù)研究發(fā)現(xiàn)，抑制PARP-1可降低NF-κB的核轉(zhuǎn)位水平并阻斷炎性介質(zhì)的表達(dá)[14]。由此可知，通過抑制PARP-1來降低NF-κB的轉(zhuǎn)錄活性可成為對抗哮喘的炎性反應(yīng)的有效新策略。

PARP-1是維持STAT-6完整性的必要條件。STAT-6作為細(xì)胞因子信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)的關(guān)鍵介質(zhì)，主要參與Th2細(xì)胞介導(dǎo)的免疫反應(yīng)、免疫球蛋白類別轉(zhuǎn)換、黏液產(chǎn)生、嗜酸性粒細(xì)胞趨化因子的產(chǎn)生，以及GATA-3表達(dá)的調(diào)節(jié)[7]。研究發(fā)現(xiàn)，PARP-1通過影響STAT-6-GATA-3-IL-5軸使暴露于過敏原的動(dòng)物肺部嗜酸性粒細(xì)胞募集，促進(jìn)氣道炎癥。Sethi等[15]進(jìn)一步研究證實(shí)，抑制PARP可通過調(diào)節(jié)IL-4/STAT-6/GATA-3/IL-5軸減輕OVA引發(fā)的急性和慢性氣道炎癥[15]。因此，通過抑制PARP-1進(jìn)而破壞其對STAT-6完整性的維持可減輕哮喘炎性反應(yīng)。

3.促進(jìn)單核細(xì)胞向樹突狀細(xì)胞(dendritic cells，DCs)分化：DCs是存在于呼吸道的初級(jí)抗原遞呈細(xì)胞，在激活Th2細(xì)胞和過敏性哮喘的發(fā)生中起關(guān)鍵作用。PARP-1是人類單核細(xì)胞向DCs分化的必要條件。抑制PARP-1可降低單核細(xì)胞中DCs特異性標(biāo)志物CD86和CD83的表達(dá)，降低DCs的數(shù)量及抗原遞呈功能，從而抑制單核細(xì)胞向DCs分化，最終抑制Th2細(xì)胞的激活和過敏性哮喘的發(fā)生[16]。

四、PARP-1在哮喘氣道重塑中的作用及機(jī)制

氣道重塑是哮喘不可逆性氣道阻塞的關(guān)鍵致病因素，典型特征包括上皮損傷、上皮下膠原沉積、杯狀細(xì)胞增生和化生、氣道平滑肌肥大增生和血管生成。這些改變被認(rèn)為是導(dǎo)致哮喘患者氣道高反應(yīng)性、氣道阻塞、氣流受限和肺功能進(jìn)行性下降的原因[17]。研究發(fā)現(xiàn)，PARP-1活性僅與氣道炎癥相關(guān)，而與氣道重塑的典型特征杯狀細(xì)胞化生無關(guān)。單次氣管內(nèi)灌注IL-13可導(dǎo)致肺杯狀細(xì)胞化生表現(xiàn)，但不改變PARP-1活性[11]。研究表明，PARP-1并非參與氣道重塑的必要條件。而與上述研究相反，有研究發(fā)現(xiàn)，抑制PARP-1可阻礙哮喘中過敏原誘導(dǎo)的黏液產(chǎn)生和氣道高反應(yīng)性，減低平滑肌層的厚度和杯狀細(xì)胞的相對數(shù)量，減少上皮下膠原沉積從而阻礙氣道重塑[18～20]。研究證實(shí)，抑制PARP-1可阻礙哮喘氣道重塑，反過來也說明PARP-1參與了氣道重塑過程。

嗜酸性粒細(xì)胞產(chǎn)生的轉(zhuǎn)化生長因子-β1(transforming growth factor-β1, TGF-β1)可通過誘導(dǎo)上皮間質(zhì)轉(zhuǎn)化(epithelial-mesenchymal transition，EMT)促進(jìn)哮喘氣道重塑。研究發(fā)現(xiàn)，抑制PARP-1可通過減少嗜酸性粒細(xì)胞數(shù)量從而減少TGF-β釋放，進(jìn)而阻礙氣道重塑。在EMT過程中，上皮細(xì)胞失去其特征(如極性和細(xì)胞黏附性)并獲得間充質(zhì)細(xì)胞的特征(如遷移和分泌)[21]。TGF-β通過下調(diào)上皮細(xì)胞標(biāo)志物E-鈣黏蛋白的表達(dá)，上調(diào)間充質(zhì)細(xì)胞標(biāo)志物N-鈣黏蛋白、纖連蛋白(fibronectin1，F(xiàn)N-1)、波形蛋白和基質(zhì)金屬蛋白酶(matrix metalloproteinases，MMP)的表達(dá)促進(jìn)EMT。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，PARP-1通過影響三元復(fù)合物(連同SNAIL1和p65 NF-κB)形成，并通過與FN-1啟動(dòng)子區(qū)域結(jié)合進(jìn)而促進(jìn)EMT。表明PARP-1可能通過調(diào)節(jié)EMT過程來調(diào)控哮喘的氣道重塑[22]。

可見PARP-1的活化誘導(dǎo)哮喘的氣道重塑，而抑制PARP-1在一定程度上阻礙了氣道重塑過程。因此，抑制PARP-1對于防治哮喘氣道重塑的進(jìn)展具有重要意義。

五、PARP-1抑制劑在哮喘中的作用

基于PARP-1參與調(diào)控哮喘氣道炎癥和氣道重塑過程，而抑制PARP-1改善了過敏原誘發(fā)的哮喘樣反應(yīng)。因此，PARP-1可作為哮喘治療的新靶點(diǎn)。然而，目前國內(nèi)利用PARP-1抑制劑作用于哮喘的報(bào)道較少。因此，筆者總結(jié)了PARP-1抑制劑，包括奧拉帕尼、3-ABA、TIQ-A和5-AIQ對于哮喘的作用，下面將具體闡述其作用機(jī)制。

1.奧拉帕尼：研究發(fā)現(xiàn)，奧拉帕尼可有效阻斷HDM致敏小鼠氣道嗜酸性粒細(xì)胞增多和氣道高反應(yīng)性。這些效應(yīng)與奧拉帕尼調(diào)節(jié)NF-κB，gata-3/IL-4及STAT-6/IL-5表達(dá)從而減少Th2細(xì)胞因子的產(chǎn)生，以及調(diào)節(jié)CD4+T細(xì)胞功能和Treg細(xì)胞的增加有關(guān)[23]。此外，奧拉帕尼還可通過抑制波形蛋白調(diào)節(jié)炎性小體介導(dǎo)的NLRP3/IL-1β/MMP9/TGF-β通路，使黏液產(chǎn)生和肺內(nèi)膠原沉積減少。已有研究表明，組蛋白去乙酰化酶(HDAC)是炎性小體的負(fù)調(diào)控因子。抑制HDAC2的表達(dá)可通過NLRP3/ IL-1β信號(hào)通路增強(qiáng)TGF-β的活化，進(jìn)而促進(jìn)氣道重塑。在慢性O(shè)VA暴露后HDAC2的表達(dá)顯著降低，在糖皮質(zhì)激素治療后HDAC2的表達(dá)未恢復(fù)，而在奧拉帕尼用藥后恢復(fù)了HDAC2的表達(dá)，進(jìn)而通過抑制NLRP3/ IL-1β信號(hào)通路阻礙氣道重塑，表明奧拉帕尼比激素治療更有效[15]。

2.其他：在OVA致敏哮喘小鼠前，使用3-ABA可使炎性細(xì)胞遷移減少，iNOS 表達(dá)受到抑制，從而減輕肺部炎癥，在PARP-1缺陷小鼠模型中證實(shí)了這些結(jié)果[24]。TIQ-A可使IL-4、IL-5和IL-13的產(chǎn)生減少，進(jìn)而降低氣道高反應(yīng)性、抑制酸性粒細(xì)胞浸潤及黏液產(chǎn)生，證明TIQ-A對氣道炎癥和氣道重塑有潛在的保護(hù)作用[25]。5-AIQ和3-ABA可降低咳嗽和呼吸困難的嚴(yán)重程度，延緩呼吸道癥狀的出現(xiàn)，還能夠預(yù)防肺或肺泡灌洗液中生化指標(biāo)的變化，如髓過氧化物酶和丙二醛活性、酪氨酸硝基化和血清亞硝酸鹽水平以及TNF-α的產(chǎn)生。此外，5-AIQ和3-ABA可通過抑制STAT-6活性以及降低嗜酸性粒細(xì)胞的有效趨化劑CCL11 mRNA的水平來減少嗜酸性粒細(xì)胞的募集，還可減少杯狀細(xì)胞增生和膠原沉積[20]。表明5-AIQ和3-ABA可通過減輕哮喘癥狀、改善生化指標(biāo)、減輕氣道炎癥和氣道重塑來控制哮喘的發(fā)生、發(fā)展。

六、展 望

PARP-1與哮喘的發(fā)病密切相關(guān)。PARP-1通過調(diào)控哮喘炎癥和氣道重塑過程參與哮喘的發(fā)生、發(fā)展。多項(xiàng)臨床研究強(qiáng)調(diào)了PARP抑制劑對于哮喘防治的有效性，并且對激素治療效果不佳的哮喘也有良好的控制作用。然而，現(xiàn)有的PARP-1抑制劑多在實(shí)驗(yàn)研究階段，研發(fā)毒性不良反應(yīng)可控的藥品應(yīng)用于臨床，對于哮喘患者至關(guān)重要。因此，積極探究PARP-1參與哮喘的發(fā)病機(jī)制，尋找臨床有效的PARP-1抑制相關(guān)藥物，對于哮喘的控制與治療具有重要意義。