大腦衰老過程中組蛋白修飾改變

丁妍文 劉程曦 張益1,

(遵義醫科大學 1第二附屬醫院麻醉科,貴州 遵義 563000;2貴州省麻醉與器官保護基礎研究重點實驗室;3四川大學華西第四醫院麻醉科)

衰老是人類許多疾病,如癌癥、心血管疾病或神經疾病的主要危險因素之一〔1〕。大腦是受到衰老影響較大的器官,隨著年齡的增長,患者可表現出認知功能的進行性減退。在老年大腦中,由于各種表觀遺傳的改變,如DNA甲基化、組蛋白修飾等改變可調控各種與學習記憶、突觸結構發育、突觸可塑性相關的基因轉錄與蛋白表達,從而成為大腦衰老后發生認知障礙的分子基礎。

組蛋白修飾是一種以共價方式進行的蛋白質翻譯后修飾,是由染色質修飾酶在特定組蛋白殘基上進行動態添加或擦除。組蛋白修飾可以通過改變包括組蛋白和DNA在內的核小體成分之間的相互作用及組蛋白與其他組蛋白相互作用的方式來影響染色質結構〔2〕。組蛋白乙酰化和甲基化在大腦衰老過程中扮演著重要的角色,本文就組蛋白修飾在大腦衰老中的作用及機制進行綜述。

1 組蛋白乙酰化及甲基化修飾

基因表達的表觀遺傳調控可以通過組蛋白的多個翻譯后修飾來介導,包括甲基化、乙酰化和泛素化等,這些機制可以改變染色質結構密度及表達水平。

組蛋白乙酰化和去乙酰化是高度可逆和嚴格調控的過程,通過組蛋白乙酰化轉移酶(HATs)和組蛋白去乙酰化酶(HDACs)進行〔3〕。HATs根據其催化中心的結構和功能特性主要分為GNAT、MYST及p300/CBP三個家族〔4〕。HATs以乙酰輔酶A為供體,催化組蛋白賴氨酸殘基的ε-氨基加成乙酰基,中和賴氨酸上的正電荷,削弱了組蛋白與DNA的相互作用,并使基因的可及性提高〔4〕。HDACs可去除ε-N-乙酰賴氨酸殘基中的乙酰基。已鑒定出高等哺乳動物中的18個HDACs,并根據其酵母同源基因和其他系統發育分析分為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ類〔4〕。組蛋白乙酰化與增加的轉錄活性相關,而組蛋白去乙酰化則與轉錄抑制相關。

組蛋白甲基化是指在組蛋白賴氨酸、精氨酸及組氨酸殘基上添加甲基(-CH3)〔5〕。通常,以上3種氨基酸殘基都可以單甲基化(Me),精氨酸和賴氨酸可以二甲基化(Me2),但只有賴氨酸能三甲基化(Me3)〔5,6〕。組蛋白甲基化是由組蛋白甲基轉移酶催化發生的。根據催化氨基酸的不同,組蛋白甲基轉移酶可分為組蛋白賴氨酸甲基轉移酶和組蛋白精氨酸甲基轉移酶兩個家族〔7〕。組蛋白去甲基酶是從賴氨酸或精氨酸上去除各種甲基酶。目前主要有兩個進化上保守的組蛋白去甲基化酶家族,賴氨酸特異性(LSD)去甲基化酶和包含JmjC結構域(JMJC)去甲基化酶,它們利用不同的反應機制來建立去甲基化作用〔8〕。

2 組蛋白乙酰化改變在大腦衰老過程中的作用及機制

2.1突觸功能相關組蛋白乙酰化改變 在來自不同年齡的人類大腦前額葉皮層中,鋅指轉錄因子(gata)3等與神經元和突觸功能相關基因在老年樣本中表達下調,他們的啟動子區域顯示出組蛋白H3第27位賴氨酸乙酰化(H3K27ac)的水平降低。在老年小鼠的腦中也發現了相似的結果,并且使用組蛋白去乙酰化酶抑制劑SAHA可改善與年齡相關的神經元和突觸功能失調〔9〕。在小鼠海馬區域,衰老引起突觸功能相關基因內含子-外顯子交界處H4K12ac的顯著減少,從而影響其選擇性剪接,導致基因的異常表達和記憶障礙。這些改變在使用SAHA后幾乎完全恢復〔10〕。

與成年小鼠相比,老年小鼠海馬中腦源性神經營養因子(BDNF)外顯子Ⅱ或Ⅵ的mRNAs水平顯著降低。同時老年小鼠海馬中這些外顯子的啟動子上激活標記H3K27ac顯著減少〔11〕。H3K27乙酰化是由cAMP反應結合蛋白(CREB)介導的,它將HATs CREB結合蛋白(CBP)招募到這些啟動子上〔12〕。在老年海馬中,這兩個啟動子上的CBP水平也顯著降低〔11〕。此外,研究表明,HDAC2調節記憶的形成,海馬老化伴隨著HDAC2在BDNF外顯子Ⅱ和Ⅵ處的增加〔11〕。老年海馬H3K27ac和BDNF外顯子Ⅱ和Ⅵ的表達減少既反映了組蛋白乙酰化的減少,又反映了組蛋白去乙酰化的增強。

老年小鼠海馬中的HDAC2總水平增加〔13〕,與神經元即刻早期基因(IEGs)啟動子區域結合的HDAC2也隨年齡增加〔14〕。IEGs是指細胞經外部刺激后最先表達的一組基因,其誘導不需要從頭合成蛋白質,通常在刺激事件后1 h內發生〔15〕。其表達被廣泛用作突觸可塑性和長期記憶的分子標記〔16,17〕。HDAC2活性增加,導致神經元IEGs啟動子中H3K9和H3K14乙酰化減少,最終使其表達降低〔14〕。抑制HDACs導致幼年動物突觸可塑性增強、樹突棘數量增加和記憶力改善〔18〕。HDAC2的特異性抑制增強了神經元IEGs啟動子上的H3K9和H3K14乙酰化,恢復了它們在老年小鼠海馬中的表達,記憶衰退也有所減輕〔14〕。

HDAC3在導致學習和記憶下降的過程中起著關鍵作用。研究表明,小鼠背側海馬中HDAC3缺失的神經元處H4K8ac增加,使得Nr4a2和c-fos表達增加〔19〕,改善與年齡相關的長期記憶和突觸可塑性的損害〔20〕。此外,HDAC3基因的敲除改善了小鼠海馬區域長時程增強作用隨年齡的減弱〔21〕。

2.2線粒體功能相關組蛋白乙酰化改變 老化神經元中不平衡的煙酰胺腺嘌呤二核苷酸(NAD)+/還原型煙酰腺嘌呤二核苷酸(NADH)比率影響依賴NAD+的HDAC的活性〔22〕。老化細胞內NAD+的減少造成NAD+依賴的去乙酰化酶sirtuins(SIRTs)的活性下降〔22,23〕。SIRT1可以調節軸突生長和突觸過程在認知功能和突觸可塑性中發揮作用〔24,25〕。老年神經元中SIRT1活性降低可能會影響老年人的認知能力。SIRT1缺失的海馬CA1區域神經元中突觸素水平減少、樹突密度降低及長時程增強作用減弱〔24〕。SIRT1缺失小鼠大腦中BDNF的水平降低,可能是由于CREB與BDNF啟動子結合受損,因為SIRT1缺陷小鼠的CREB蛋白水平降低〔26〕。SIRT1調控突觸的形成和突觸可塑性來調節記憶的形成。

2.3壓力應答和免疫炎癥相關組蛋白乙酰化改變 衰老還伴隨著壓力敏感性的增加〔27〕。衰老引發的環境應激增加可通過下丘腦-垂體-腎上腺軸的過度激活和糖皮質激素水平的升高而導致認知損害和神經退行性變。研究表明,慢性輕度應激引起的皮質酮持續升高能夠特異性地下調齒狀回CREB活性和BDNF的表達〔28〕,下調的CREB招募HATs和組蛋白去甲基化酶(HDMTs)調節基因表達的能力下降。從而損害了海馬的突觸可塑性,并增加了神經元退化的易感性〔29,30〕。

對人與小鼠腦中H3K27ac和相關基因表達變化的數據整合分析,可發現隨著衰老上調及下調的基因上具有不同的H3K27ac修飾模式〔9〕。這類乙酰化在兩類基因的啟動子上均有分布,但炎性免疫相關功能的基因,如核因子(NF)κB和B細胞淋巴因子(BCL)3的基因體上卻有著更為廣泛的H3K27ac修飾,并且會隨著衰老逐漸降低。與啟動子區域H3K27ac的轉錄激活功能不同,基因體的超乙酰化抑制了相關基因的過度激活,隨著年齡增大逐漸丟失從而炎性衰老相關基因被激活〔9〕。海馬神經炎癥常見于老年患者,并伴有HDAC表達增加及術后認知功能障礙。SAHA或UF010是一種Ⅰ類HDAC的特異性抑制劑,通過抑制NF-κB、Janus激酶(JAK)/信號轉導與轉錄激活因子(SATA)和Toll樣受體(TLR)/髓樣分化因子(MyD)88信號通路的激活,顯著降低海馬神經炎癥,使得術后認知功能障礙得到改善〔31〕。

3 組蛋白甲基化改變在大腦衰老過程中的作用及機制

3.1突觸功能相關組蛋白甲基化改變 BDNF是調控海馬突觸可塑性的重要分子。研究顯示,抑制性組蛋白H3第9位賴氨酸三甲基化(H3K9me3)在老年小鼠的海馬區BDNF啟動子處增加,而抑制SUV39H1(H3K9組蛋白甲基轉移酶)可降低老年小鼠海馬中H3K9me3的水平,改善樹突的生成及穩定性,并增加海馬突觸體表面谷氨酸受體1水平,進而導致海馬記憶功能的恢復〔32〕。

IEGs既可以充當突觸可塑性和長期記憶的分子標記,又參與記憶鞏固過程中的信號轉導〔16,17〕。像細胞骨架活性調節蛋白(Arc),早期生長反應因子(Egr)1,支架蛋白(Hmer1)和正五聚蛋白(Narp)這樣的IEGs在衰老過程中顯著下調〔14〕,引起學習記憶能力的減退。其機制可能與H3K9me3在神經元IEG的啟動子區域表達增加,導致異染色質化,相應蛋白表達下調有關。SUV39H1在老年小鼠海馬中顯著增加,它是致使H3K9me3在衰老過程中增多的主要(HMTs)〔33〕。特異性抑制SUV39H1下調H3K9me3,并扭轉了與年齡相關的海馬記憶功能的降低〔34〕。

3.2線粒體功能相關組蛋白甲基化改變 有研究發現人大腦前額葉皮層H3K9甲基轉移酶(EHMT)1和表觀遺傳相關識別因子BAZ2B的表達水平隨著衰老逐漸增加,在阿爾茨海默病(AD)患者的大腦中更加明顯,并且與病情進展呈正相關〔35〕。它們在線蟲上的同源蛋白為SET-6和BAZ-2,可以調控線粒體相關基因啟動子區域的H3K9me3甲基化修飾,從而抑制這些基因的表達。而敲除set-6和baz-2可顯著提高老年線蟲的神經遞質水平,延緩衰老過程中線蟲的行為功能退化。同樣,敲除小鼠中的同源基因baz2b也可以延緩小鼠認知行為隨衰老而退化〔35〕。此外在AD病人和AD模型小鼠的大腦中,EHMT1的表達水平明顯增加,通過藥物抑制EHMT1可以改善AD模型小鼠的線粒體功能以維持較高的學習記憶行為〔36〕。

3.3壓力應答和免疫炎癥相關組蛋白甲基化改變 在猴大腦前額皮層中,衰老可觸發多種應激反應相關基因啟動子區域H3K4me2的累積,導致轉錄激活,應激反應相關蛋白泛素樣結構蛋白(UBXN)4、釉叢蛋白(TUFT)1、鈉/鉀/鈣交換因子(SLC24A)4等表達增加,最終誘發認知障礙〔37〕。衰老可增加大腦中兩類H3K4甲基轉移酶SETD7和DPY30的表達,這說明H3K4me2導致的應激反應增加可能是由甲基化水平增加,而不是去甲基化減少引起的〔37〕。

在免疫炎癥方面,衰老的小膠質細胞不再能夠建立有效的免疫反應和維持正常的突觸活動,直接導致與年齡相關的認知能力下降和神經退化〔38〕。研究發現,與小膠質細胞激活至關重要的組蛋白去甲基化酶Jumonji結構域(Jmjd)3在老年小鼠的中腦中減少,導致H3K27me3水平升高,可促進小膠質細胞表型從M2轉變為M1,加劇了小膠質細胞介導的炎癥反應〔39〕。Jmjd3敲除的小膠質細胞H3K27me3水平增加,精氨酸酶1及CD206等M2標記物的表達也顯著降低,表明Jmjd3是M2小膠質細胞極化所必需的酶〔39〕。

綜上,在衰老大腦中,與神經元功能、突觸傳遞及學習記憶相關基因的啟動子區域,促進基因表達的表觀遺傳修飾水平降低,而抑制基因表達的表觀遺傳修飾水平增加,從而導致這些目標基因表達隨衰老下降,最終導致認知功能損害。目前關于大腦衰老的組蛋白修飾圖譜還不完整,衰老中組蛋白修飾的變化是如何調控認知及行為衰退的仍不清楚,需要更多進一步的研究。由于這些修飾的可逆性,通過藥物干預組蛋白修飾狀態有望成為改善老年相關認知功能損害的新思路。