組蛋白修飾與癲癇的發生發展研究進展*

孔德燕，韋建緣，盧秉妮，藍 元，羅杰峰

(廣西醫科大學第二附屬醫院，廣西南寧 530007)

癲癇是一組由腦部神經元高度同步化異常放電導致的一種慢性腦部疾病。全球有7 000多萬的癲癇患者，每年約有240萬的新增癲癇患者[1]，癲癇的發病機制目前尚未完全明確。表觀遺傳是基于DNA序列在沒有改變的情況下出現的基因功能或表達水平發生的可遺傳性變化[2]。經典的表觀遺傳修飾主要包括DNA甲基化、組蛋白修飾以及非編碼RNA。近年來，組蛋白修飾與癲癇的關系成為國內外研究的熱點，組蛋白修飾不僅在中樞神經系統的正常發育過程中發揮關鍵的作用，而且組蛋白修飾所介導的基因調控過程也參與了癲癇的發生和發展過程[3]。本文對組蛋白修飾與癲癇的關系進行綜述，為癲癇的防治提供新靶點。

1 組蛋白修飾

組蛋白是參與組成真核生物染色體的結構蛋白，具有高度的保守性[4]。組蛋白主要有H1、H2A、H2B、H3、H4 5種。組蛋白修飾是表觀遺傳調控的重要形式之一。每個核心組蛋白由一個球形結構域和暴露在核小體表面的N端尾區組成，其中N端氨基末端會發生多種共價修飾，包括乙酰化、甲基化、磷酸化、腺苷酸化、泛素化和ADP核糖基化等。隨后，相關蛋白質識別這些化學修飾并募集轉錄激活或抑制因子到特異的修飾位點調節基因表達[5]。組蛋白上能發生共價修飾的氨基酸殘基稱為修飾位點，修飾位點一般位于4種常見組蛋白(H2A、H2B、H3和H4，尤其是H3和H4)的游離氨基酸殘基上[6]。各種組蛋白修飾都有相應的酶類，不同的組蛋白修飾通過不同的作用機制調控染色質的結構和功能。組蛋白修飾不僅與染色體的重塑和功能狀態緊密相關，而且在決定細胞命運、細胞生長以及致癌作用的過程中發揮重要作用[7]。組蛋白修飾主要是調控基因的表達，在基因轉錄以及DNA復制等方面起著重要的作用。

目前關于組蛋白修飾中乙酰化、甲基化的相關研究較多，因此下面將主要從組蛋白乙酰化與癲癇、組蛋白甲基化與癲癇兩方面進行闡述。

2 組蛋白乙酰化與癲癇

乙酰化是組蛋白修飾的重要形式之一。組蛋白乙酰化由組蛋白乙酰化轉移酶(Histone Acetyltransferase，HAT)催化，使染色質結構松解從而導致染色質結構松弛，并將轉錄因子結合到相應的位點上，從而激活修飾基因的表達。組蛋白去乙酰化則由組蛋白去乙酰化酶(Histone Deacetylase,HDAC)催化，HDAC從核心組蛋白上移除乙酰基團從而抑制基因轉錄[8]。組蛋白乙酰化與維持突觸及記憶功能密切相關。組蛋白乙酰化異常與多種神經系統疾病密切相關，如Rubinstein-Taybi綜合征與HAT功能障礙相關[9]。

組蛋白H3乙酰化通過多種機制調控依賴ATP的染色質重塑[10]。研究發現，組蛋白乙酰化異常與癲癇模型的海馬結構病理改變密切相關[11,12]。組蛋白H3賴氨酸9乙酰化(H3K9Ac)是存在于轉錄活性染色質中的表觀遺傳標記。研究表明，低氧大鼠海馬CA3區H3K9Ac和H3K14Ac的表達水平降低，引起神經元神經變性和神經遞質傳遞受損[11]。海馬內單側注射紅藻酸(KA)的癲癇模型中，在急性癲癇持續狀態期間(注射KA后2-6 h)，海馬顆粒細胞和錐體細胞層中HDAC1、HDAC2和HDAC11的表達顯著降低；而在慢性期(注射KA后14-48 h) HDAC1僅在顆粒細胞中輕度增加[12]。另一項研究發現，HDAC2廣泛分布在產后大鼠海馬CA1和CA3區的錐體細胞中，HDAC2敲除大鼠的這些區域中的樹突棘密度顯著增加，表明HDAC2能調節海馬突觸的形成并影響學習和記憶的功能[13]。有研究發現，顳葉癲癇(TLE)患者顳葉HDAC2的表達水平明顯增高[3]，表明HDAC2在TLE的發病機制中發揮著重要的作用。另外，HDAC4可以通過上調γ-氨基丁酸A型受體α1 (Gamma-Aminobutyric Acid-A Receptor alpha 1,GABAARα1)和氨基丁酸A型受體α4 (Gamma-Aminobutyric Acid-A Receptor alpha 4,GAB-AARα4)水平和下調谷氨酸脫羧酶抗體65 (Glutamate Decarboxylase 65,GAD65)、γ-氨基丁酸運載蛋白1 (GABA Transporter 1,GAT-1)和γ-氨基丁酸運載蛋白3 (GABA Transporter 3,GAT-3)水平來緩解癲癇的發生[14]。在注射KA后的癲癇模型中，海馬顆粒細胞中HDAC5和HDAC9的表達增加[15]。以上研究表明，HDAC表達的異常在癲癇的發生過程中起著重要的作用。

癲癇持續狀態后，谷氨酸受體2 (Glutamate Receptor,GluR2)的mRNA和蛋白質水平均下調，而HDAC抑制劑可逆轉GluR2相關組蛋白的脫乙酰基作用，減弱癲癇發作引起的GluR2下調[16]。Glu過度激活離子型Glu受體會誘發異常放電導致癲癇的發生。α-氨基-3-羥基-5-羥基-5-甲基-4-異惡唑丙酸(Alpha-Amino-3-Hydroxy-5-Methyl-4-Isoxazolepropionic Acid,AMPA)受體屬于離子型谷氨酸受體家族，是由4種亞單位(GluA1-GluA4)組成的四聚體。GluA2亞單位是鈣通透性的決定因素，含有GluA2受體的Ca2+離子通道滲透性差。鈣通透性(含GluA2亞基)AMPA受體主要表達興奮性投射神經元[17]，因而缺乏GluA2的AMPA受體可通過鈣離子進入神經元而促進神經的興奮性。有研究表明，突觸的可塑性可通過神經元突觸中鈣通透性的AMPA受體表達進行調控[18]。AMPA受體在海馬區分布密集，當過度激活AMPA受體時，常常會誘發顳葉癲癇[19]，表明AMPA受體的過度表達會導致神經元的過度興奮從而引起癲癇的發生。吡侖帕奈作為AMPA受體拮抗劑，是一種抗癲癇藥物，是部分發作性以及全面強直-陣攣性發作的輔助治療藥物[20,21]。AMPA受體會在其C末端進行賴氨酸乙酰化，從而減少AMPA受體的內化和降解，增加細胞表面穩定性，延長受體的半衰期，使AMPA受體水平增加[22]。因此，AMPA受體可能會通過乙酰化使受體水平升高、Ca2+通透性及Ca2+內流增加，從而增加神經元的膜電位，導致神經細胞持續去極化，降低其興奮閾值，從而影響神經的興奮性，誘發異常放電參與癲癇的發生發展過程。

也有研究發現，癲癇與大鼠海馬組蛋白H4基因啟動子區域的高乙酰化有關，通過特異性地抑制CREB結合蛋白(Cap Binding Proteins，CBPS) CBP/p300的乙酰基轉移酶活性，從而抑制組蛋白修飾的誘導過程并減輕癲癇的嚴重程度[23]。腦源性神經營養因子(Brain-derived Neurotrophic Factor，BDNF)在學習記憶過程、突觸可塑性以及神經細胞存活中起關鍵作用[24]。BDNF在星形膠質細胞中過度表達，會導致神經興奮性的增加或神經元細胞死亡[25]。BDNF啟動子P1-P3位點持續高水平乙酰化以及P4位點乙酰化減少，與癲癇的轉錄誘導結果一致[26]。且在急性電刺激驚厥模型中發現，BDNF表達的上調與BDNFP2啟動子的H4乙酰化水平相關[27]。由此可見，BDNF的乙酰化會導致神經興奮性增加而參與癲癇的發生，因而BDNF有可能成為治療癲癇的新靶點。組蛋白的乙酰化與癲癇的發生及發展密切相關，并且組蛋白乙酰化和去乙酰化程度可能影響大腦的認知功能，導致癲癇患者出現學習障礙或記憶力減退。

組蛋白的乙酰化與去乙酰化也可用于治療癲癇。丙戊酸(Valproic Acid,VPA)是最常用的抗癲癇藥物之一，有研究認為其機制可能是丙戊酸使H3K9/14乙酰化水平升高，去乙酰化減少[28]。伏立諾他(Vorinostat,SAHA)是一種組蛋白去乙酰化抑制酶，可使Toll樣受體4 (Toll-like Receptor 4,TLR4)基因的組蛋白H3第九位賴氨酸(H3K9)低乙酰化，從而減輕KA誘導的癲癇發作[29]。生酮飲食(Ketogenic Diet,KD)是治療癲癇的一種方式。有研究發現，生酮飲食通過提高組蛋白乙酰化來增加神經調節蛋白1 (Neuregulin-1,NRG1)的表達，從而抑制癲癇發作[30]。2-苯甲酰胺基-1,4-萘醌(2-Benzamido-1,4-Naphthoquinone，NQN1)是一種HDAC抑制劑，會減少癲癇發作等相關行為，維生素K (VK)家族與NQN1擁有相同的萘醌結構，新型維生素K類似物可減少癲癇小鼠模型的癲癇發作[31]。由此可見，目前已有一些去乙酰化酶抑制劑被應用于治療癲癇，組蛋白的乙酰化與去乙酰化可能會成為治療癲癇的新靶點。

3 組蛋白甲基化與癲癇

組蛋白甲基化常發生在H3和H4組蛋白的N端賴氨酸(K)或精氨酸(R)殘基上，由組蛋白甲基化轉移酶(Histonemethyl Transferase,HMT)完成[32]，研究表明組蛋白甲基化酶在大腦發育和突觸可塑性形成過程中發揮重要的作用[33]。HMTs催化甲基從S-腺苷甲硫氨酸(S-Adenosylmethionine，SAM)轉移到組蛋白上[34]。組蛋白賴氨酸甲基轉移基因2A(The histone Lysine-methyltransferase2AGene,KMT2A)通過H3K4的單甲基化和三甲基化來促進神經元基因的表達從而參與記憶的形成過程[35]。

目前，HMT分為3個家族，包括含有SET結構域的甲基轉移酶(Methyltransferases SET Domain-containing,SET)、作用于賴氨酸的類端粒沉默干擾體-1樣蛋白(Disruptor of Telomeric Silencing-1,Dot1)[36]和蛋白質精氨酸甲基轉移酶(Protein Arginine Methyltransferases，PRMTs)[37,38]。研究發現，Dot1的活性及調控在轉錄、細胞調控和DNA損傷反應等不同的生物過程中發揮重要的作用[39]。Dot1也被稱為KMT4，是一種可以使組蛋白H3賴氨酸79 (Histone H3 Lysine 79，H3K79)甲基化的催化酶[40]，H3K79甲基化普遍與基因轉錄相關[41]。組蛋白去甲基酶(Histone Demethylases,HDMS)在賴氨酸或精氨酸中可以脫去各種甲基化的酶[42,43]。賴氨酸去甲基酶(Histone lysine Demethylase,KDM)分為兩個家族，分別為胺氧化酶和含鐵依賴雙加氧酶的JMJC結構域[44,45]。JMJC結構域蛋白6 (Jumonji C-Domain Containing Protein 6,JMJD6)則是一種精氨酸去甲基酶[46]。組蛋白甲基化修飾是一種常見的基因表達調控方式，組蛋白的甲基化水平會影響神經系統的突觸可塑性改變，并參與癲癇的發生發展過程[47,48]。

3.1 賴氨酸甲基化與癲癇

賴氨酸殘基可以被單(me)、雙(me2)或三(me3)甲基化。H3K4去甲基酶包括KDM1(KDM1A，KDM1B)和KDM5 (KDM5A，KDM5B，KDM5C)[49]，而KDM5C與癲癇及X連鎖精神發育遲滯綜合征密切相關[48]。H3K4的組蛋白甲基化已被證明在神經系統發生及發育過程中發揮重要作用[50]。H3K4me3、H3K9me2能夠調控記憶的形成[51]，H3K4me3寬峰NeuN+調節參與學習與記憶過程中神經元連接的基因和信號傳導，包括許多離子通道和突觸的可塑性[52]。含1B基因的SET結構域(SET Domain Containing1B,SETD1B)是SET1組蛋白甲基轉移酶復合物的組成部分，介導組蛋白H3K4的甲基化。研究表明，SETD1B基因的變異與智力缺陷及癲癇相關[53]。賴氨酸特異性去甲基酶1 (Lysine-Specific Demethylase 1，LSD1)是鑒定出的第一個賴氨酸去甲基化酶，能使H3K4去甲基化[44]。LSD1特異性缺失的小鼠癲癇敏感性降低，神經性LSD1缺失的小鼠對毛果蕓香堿誘導的癲癇持續狀態(Status Epilepticus,SE)的敏感性降低[54]。

H3K9甲基化修飾可引起基因沉默[55]。成纖維細胞生長因子2 (Fibroblast Growth Factor 2,FGF2)已被證明可以誘導H3K4甲基化并減少GFAP啟動子上的H3K9甲基化。H3K9二甲基化(H3 lysine 9 Dimethylation,H3K9me2)可促進DNA甲基化，從而有效減少與突觸可塑性相關的基因表達[56]。癲癇持續狀態使組蛋白H3K9二甲基化水平及組蛋白H3K9甲基轉移酶G9a的表達水平下調，說明H3K9甲基化可能在調節癲癇持續狀態早期的神經網絡興奮性方面發揮重要作用[57]。基質金屬蛋白酶9 (Matrix Metalloproteinase-9,MMP-9)水平與人類和嚙齒動物癲癇的發病機制有關，而組蛋白H3上賴氨酸27三甲基化(Trimethylation of Lysine 27 on histone H3,H3K27me3)影響MMP-9在癲癇發生中的作用[58]。由此可見，賴氨酸甲基化可能參與癲癇及持續狀態的發病過程并影響記憶力。

3.2 精氨酸甲基化與癲癇

組蛋白精氨酸甲基化修飾是組蛋白翻譯后修飾的重要方式之一，由PRMTs催化精氨酸殘基形成，參與許多重要的細胞過程，對基因的轉錄調控有非常重要的作用。精氨酸甲基化可以是單甲基化(Me)、對稱雙甲基化(Me2s)或不對稱雙甲基化(Me2a)[59]。PRMT1可催化組蛋白H4第3位精氨酸殘基(H4R3)的甲基化，而PRMT5可催化組蛋白H3第8位及H4第3位精氨酸(H3R8、H4R3)的甲基化[60]。蛋白質精氨酸甲基轉移酶7 (Protein Arginine Methyltransferase 7,PRMT7)可催化H2AR3和H4R3上的二甲基化，并負調控相關基因的轉錄。缺乏PRMT7的細胞表現出DNA修復基因的表達增加，并增強了對DNA損傷劑的抵抗力[61]。PRMT7基因的復合或純合變異可導致一種新的智力障礙綜合征，稱為SBIDDS綜合征(Short Stature,Brachydactyly,Intellectual Developmental Disability,and Seizures)，主要臨床表現為身材矮小、短指、智力發育障礙和癲癇發作[62]。PRMT8主要表達在大腦的神經元上[63]。

鈉通道是神經元興奮性的基礎，癲癇的發病與調控離子通道的基因表達異常有關。電壓門控鈉(Nav)通道是抗癲癇藥物(Antiepileptic Drugs,AEDs)控制癲癇神經元高興奮性的主要治療靶點。Nav1.2是人類大腦中最豐富的Nav通道，主要存在于軸突和神經末梢[64]。Nav1.2是與癲癇發病相關的主要通道，也是AEDs的靶點[65]。顱腦中精氨酸甲基轉移酶PRMT8表達異常導致Nav1.2電流顯著增加[66]。因此，PRMT8可能通過調節Nav1.2通道參與癲癇的發生發展。JMJC結構域蛋白6 (Jumonji C-Domain Containing Protein 6,JMJD6)是第一個被描述的精氨酸去甲基化酶，能使精氨酸2上的組蛋白H3 (Histone H3 Arginine 2,H3R2)和精氨酸3上的組蛋白H4 (Histone H4 Arginine 3,H4R3)脫甲基[67]。JMJD6可以調節細胞的分化和增殖，異常調節會影響細胞的成熟[68]。JMJD6介導的組蛋白精氨酸殘基的甲基化修飾會影響染色質的重組和基因表達，其在細胞分化和增殖過程中發揮重要作用[67]。有研究表明，宮內缺氧可能會導致JMJD6功能減弱，從而導致海馬CA3區功能異常的神經元數量增多，大鼠的學習和記憶能力下降[69]。海馬的病理改變與癲癇的發病密切相關，因此，JMJD6可能通過影響海馬區神經元的功能從而參與癲癇的發生發展。

4 展望

癲癇是一種復雜的腦部疾病，受多方面因素(如環境、遺傳、睡眠等)的影響，且發病機制尚未闡明。組蛋白修飾與癲癇有密切的關系，雖然目前對于組蛋白修飾與癲癇的關系相關的研究較少，但是從現有研究可了解到組蛋白修飾與學習、記憶以及認識密切相關，并通過影響神經網絡的興奮性從而影響癲癇的發生發展。因此，組蛋白修飾也成為癲癇的重要治療靶點之一。目前，有多種HDAC抑制劑已被應用于治療癲癇，如丙戊酸鈉作為一種HDAC抑制劑，是一種常用的抗癲癇藥，不僅能減少癲癇的發作，而且在癲癇模型中具有神經保護的作用，可以減少異常的神經發生和改善認知功能[70]，表明組蛋白去乙酰化酶抑制劑可能成為癲癇防治的新藥物。

目前，組蛋白去甲基化與癲癇相關的研究雖然仍處于起步階段，但是已有研究表明組蛋白去甲基化會影響神經的興奮性及突觸的可塑性，導致腦網絡功能和結構改變，從而促進癲癇的發生發展。目前臨床上用于治療癲癇的方法，不僅療效有限而且存在不同的副作用。組蛋白修飾已逐漸成為癲癇發病機制研究的熱點，對表觀遺傳修飾異常特別是組蛋白修飾與癲癇的相關性仍需進一步深入研究，為癲癇的發病機制提供新思路以及為癲癇的治療提供新靶點。