組蛋白去乙酰化酶與炎癥性疾病

蔣佳文 李善高

表觀遺傳學是指基于非基因序列改變所致基因表達水平變化，如DNA 修飾、組蛋白修飾、非編碼RNA 調控等。組蛋白乙酰化是目前研究最廣泛和深入的表觀遺傳修飾之一，指在組蛋白氨基端尾部ε 位處的氨基加上乙酰基的可逆過程。該過程主要由組蛋白去乙酰化酶（histone deacetylase，HDAC）和組蛋白乙酰轉移酶（histone acetyltransferase，HAT）進行調控，調節失衡便會引起基因表達紊亂，導致炎癥性疾病、自身免疫性疾病、惡性腫瘤等發生。過去的研究致力于HDAC 與惡性腫瘤的關系[1]，目前已發現HDAC 在多種炎癥性疾病中發揮作用。隨著研究深入，組蛋白去乙酰化酶抑制劑（histone deacetylase inhibitor，HDACi）也成為抗炎藥物研究的新熱點[2]。本文就HDAC 在炎癥性疾病中的研究進展及潛在治療靶點作一綜述。

1 HDAC 的基本結構與功能

組蛋白是染色體的主要蛋白質組分，多數真核細胞含有5 種組蛋白：H1、H2A、H2B、H3 和H4。組蛋白作為DNA 纏繞的線軸，和DNA 共同組成核小體結構并形成染色質。HDAC 是一類去除賴氨酸殘基上乙酰基的蛋白酶，當HDAC 去除組蛋白賴氨酸中的乙酰基后，組蛋白便恢復成原來的正電荷，與帶負電荷的DNA 緊密結合，轉錄因子難以接近啟動子，從而抑制了特定基因轉錄。炎癥細胞的激活及炎癥介質的釋放是通過炎癥基因的調控實現的，因此組蛋白乙酰化和組蛋白去乙酰化是炎癥基因調控的“開關”。HDAC不僅參與轉錄翻譯修飾，還參與了多種細胞信號通路的調控，直接或間接地影響疾病的發生發展。目前哺乳動物中發現多種HDAC，根據進化和序列同源性分析分為四大類：Ⅰ類HDAC（HDAC1、2、3、8），Ⅱ類HDAC（HDAC4、5、6、7、9 和10），Ⅲ類即沉默交配型信息調節因子2 同源蛋白（silent mating type information regulation 2 homolog，Sirtuin/SIRT）和Ⅳ類（HD-AC11），不同的HDAC 通過各種方式在不同的炎癥性疾病中發揮著促炎或抗炎的作用。

2 HDAC 與炎癥性疾病

2.1 呼吸系統炎癥

2.1.1 哮喘 哮喘是一種由多種炎性細胞和細胞組分參與的以氣道慢性炎癥為特征的疾病，這種炎癥會導致反復喘息氣急、咳嗽、胸悶等癥狀[3]。哮喘的病理生理基礎之一是產生2 型細胞因子即Th2 的CD4+T 細胞的異常累積、分化及活化，組蛋白H3 第27 位賴氨酸乙酰化修飾（histone 3 lysine 18 acetylation，H3K27ac）對于祖細胞CD4+T 細胞成熟為Th2細胞至關重要[4]，證明組蛋白乙酰化是調節炎癥基因轉錄的關鍵因素。哮喘患者HDAC 活性的降低及HAT 活性的增加是其多種炎癥基因表達的基礎。研究表明與正常人相比，哮喘患者HDAC1 和HDAC2 蛋白表達降低，且HAT 活性增加，而吸入皮質類固醇治療可逆轉這種情況[5]。HDAC1 有助于氣道上皮的修復和重塑，HDAC1 被抑制后上皮細胞停止生長，研究表明輕中度哮喘患者肺泡巨噬細胞中的HDAC1 表達較正常人降低，而在重度哮喘患者中表達升高，這可能是區分重度哮喘和非重度哮喘的生物標志物[6-7]。此外，有研究表明哮喘患者的肺泡巨噬細胞中HDAC 表達降低，而在外周血單核細胞中并未發現HDAC 表達的差異[8]，證明HDAC 表達異常僅發生于炎癥部位。除了表達水平的差異外，還有研究發現HDAC1 和HDAC2 具有單核苷酸多態性（single nucleotide polymorphism，SNP），HDAC1 其中一種SNP 與哮喘的嚴重程度以及對皮質類固醇治療的敏感性呈顯著相關[9]。

2.1.2 慢性阻塞性肺疾病（chronic obstructive pulmonary disease，COPD） COPD 是一種以持續氣流受限為特征的慢性支氣管炎和（或）肺氣腫。正常吸煙者存在輕微的炎癥反應，這是呼吸道黏膜對吸入刺激物的正常防御反應，而隨著COPD 疾病進展，這種炎癥反應被顯著放大。氧化應激是一種重要的放大機制，通過損害HDAC2 的活性來增加炎癥基因表達，研究表明嚴重COPD 患者HDAC2 的表達水平不到健康人群肺組織的5%[10]。此外，COPD 患者HDAC5、HDAC8 及SIRT1的表達水平降低，HDAC1、3、4、6、7 的表達水平不變[5]。在1 項對25 例COPD 患者和30 名健康人群的痰液和肺組織標本進行的研究中，發現激活HDAC2 通過抑制氣道炎癥并調節成纖維細胞的活化來阻止氣道重塑的進展，即HDAC2 具有保護氣道的作用[11]。Bin 等[12]研究發現肺組織中HDAC2 的表達水平是預測糖皮質激素敏感性的潛在生物標志物。低劑量茶堿可通過恢復HDAC2 活性來緩解COPD 中的激素無反應型[13]，這為新的藥物開發靶點提供思路。

2.2 心血管疾病相關炎癥

2.2.1 動脈粥樣硬化（atherosclerosis，AS） AS 是一種由脂質異常累積、多因子細胞炎癥、血管反應性生長和纖維包膜形成引起的動脈慢性進行性疾病。內皮功能障礙可增加血管通透性、促進內皮細胞遷移及增殖，被認為是AS 的觸發因素。SIRT1 通過抗炎、激活一氧化碳合酶（nitric oxide synthases，NOS），對抗氧化還原狀態來改善內皮功能，而SIRT6 通過降低NF-κB轉錄活性，下調與炎癥相關基因的表達來改善內皮炎癥[14]。因此SIRT1 和SIRT6 可作為炎癥性血管疾病的藥理學靶點。研究表明，經典HDAC 可通過調節激素介導的信號通路和代謝核受體，調節參與生物合成和氧化代謝的相關限速酶基因的表達，從而影響血糖和血脂水平，促進AS 的進展[15]。此外，HDAC 還可影響單核細胞的招募和分化，影響平滑肌細胞攝取LDL 形成泡沫細胞，調節膠原合成影響斑塊穩定性等，在AS形成的多個階段中發揮廣泛的作用。一旦血栓形成或斑塊破裂，就會發生各種主要不良心血管事件，而HDAC 可調節AS 發生過程中的大多數危險因素，因此HDAC 可作為未來AS 治療的新靶點。

2.2.2 缺血性心肌病 在心肌梗死恢復過程中，受損組織的過度炎癥及纖維化會導致缺血性心肌病及各種心律失常。因此，控制心肌梗死后的局部炎癥可有效改善預后，降低并發癥的發生率。目前關于HDAC如何參與心肌梗死后炎癥的發展仍知之甚少，但有研究表明HDACi 可有效改善心肌梗死的預后，例如制作小鼠離體心臟模型并對其行HDACi 灌注預處理后可顯著改善缺血后心室功能恢復，減少梗死面積[16]。大多數HDACi 是通過抑制炎癥、新生血管形成，促進能量代謝的方式起保護心臟的作用。

2.3 關節炎癥

2.3.1 類風濕性關節炎（rheumatoid arthritis，RA） RA是一種以滑膜關節炎癥為特征的慢性炎癥性自身免疫性疾病。與正常人群和骨關節炎患者相比，RA 患者滑膜組織中HDAC1 的表達顯著增加，且與TNF-α表達呈正相關[17]。用TNF-α 刺激滑膜細胞，HDAC 的表達及活性將明顯增加，表明滑膜HDAC 表達及活性的變化可能繼發于局部炎癥狀態[18]。敲低HDAC1 基因表達可減輕滑膜炎癥，并抑制滑膜細胞增生、促進凋亡，這些結果支持HDAC1 可能通過調節滑膜組織的細胞周期參與RA 發病的觀點，為RA 治療新靶點提供思路[19]。此外，RA 患者SIRT1～7 的表達低于正常人，且SIRT 的活性與ESR、CRP、類風濕因子、抗環瓜氨酸多肽抗體等臨床指標呈負相關[20]，其能否成為治療RA的新靶點有待進一步探究。

2.3.2 骨關節炎（osteoarthritis，OA） OA 是一種以軟骨破壞、軟骨下骨改變為特征的慢性退行性關節疾病，軟骨細胞外基質代謝紊亂是導致其病理改變的關鍵因素[21]。研究表明，Ⅰ類HDAC（HDAC1、2、3、8）在OA 患者軟骨細胞中高表達，并可抑制膠原蛋白、皮膚橋蛋白及軟骨寡聚基質蛋白等軟骨特異性基因表達，從而抑制軟骨形成，加速關節退變[22]。miRNA 是小的非編碼RNA，起轉錄后調控作用。研究表明，miRNA和HDAC 在軟骨的形成與降解中起重要作用，如miR-95-5p 抑制HDAC2 和HDAC8 表達促進軟骨發育和軟骨基質合成，miR-193b-3p 抑制HDAC3 表達促進間充質干細胞分化為軟骨[23-24]。關節軟骨中過度激活的雷帕霉素復合物通過下調HDAC4 促進miR-483-5p 生成，以刺激軟骨細胞肥大、軟骨下血管形成、細胞外基質降解，進而啟動和加速OA 發展[25]。此外，HDAC7 能抑制軟骨組織再生，HDAC10 可刺激炎癥因子釋放來加速OA 發展，SIRT 可促進軟骨特異性基因表達、抑制關節軟骨退變[26]。由此可見OA 的發生、發展與HDAC家族關系密切，基于對HDAC 作用機制的研究，多種HDACi 在OA 治療的研發上取得了進一步的突破。

2.4 皮膚炎癥

2.4.1 過敏性皮炎 過敏性皮炎是由于接觸過敏性抗原引起的皮膚紅腫、發癢、風團、蛻皮等皮膚病癥。皮膚表面的微生物群落對于皮膚炎癥的調節具有重要作用。研究發現皮脂細胞中痤瘡丙酸桿菌通過抑制HDAC 活性，耗竭HDAC8 和HDAC9 來驅動炎癥基因表達[27]。接觸超敏反應是一種CD8+T 細胞介導的對表皮致敏半抗原的反應，HDAC6 通過活化CD8+T 細胞引起皮膚炎癥，相應的，特異性的HDAC6 抑制劑通過損害CD8+T 細胞功能來改善過敏性皮炎的疾病進展[28]。因此，HDAC6 可成為治療其他CD8+T細胞介導疾病的新靶點，如移植物抗宿主病、白癜風、斑禿等。

2.4.2 銀屑病 銀屑病是一種以角質細胞過度繁殖、表皮炎癥和新生血管為特征的慢性炎癥性皮膚病。HDAC1 在銀屑病患者皮膚中過表達[29]，且炎癥刺激誘導HDAC3 易位到細胞核，蓽茇酰胺可通過下調皮膚組織HDAC1 表達、抑制HDAC3 核轉位有效抑制炎癥NF-κB 信號通路傳導，具有顯著的抗炎和抗過度增殖作用[30]。此外，絲聚蛋白（filaggrin，FLG）是皮膚屏障必需的結構蛋白，在慢性炎癥環境中下調，導致屏障破壞。Ahn 等[31]研究發現炎癥因子通過促進角質形成細胞招募HDAC1，并形成復合物來抑制FLG 表達，未來可設計針對該復合物的藥物，以恢復慢性皮膚炎癥中受損的皮膚屏障。

2.5 慢性乙型肝炎（chronic hepatitis B，CHB） CHB是乙型肝炎病毒感染導致的以肝臟炎癥壞死病變為主的傳染性疾病，抗病毒是目前治療CHB 的有效方法，但由于停藥后病毒復發及其他不良反應等因素，迫切需要闡明CHB 的發病機制，探索新的治療方法。Yang 等[32]發現HBV 感染肝細胞后在細胞核中轉化為共價閉合環狀DNA 分子（covalently closed circular DNA，cccDNA），cccDNA 與組蛋白/非組蛋白結合，成為病毒mRNA 轉錄的模板，而其結合的組蛋白乙酰化狀態調節HBV 復制。已有研究表明，組蛋白乙酰化激活基因轉錄，而去乙酰化抑制基因轉錄，因此組蛋白乙酰化可能通過增加炎癥基因表達水平促進CHB 進展[33]。Zhang 等[34]發現CHB 患者血清中HDAC 活性與HBV DNA 含量呈正相關，且抗病毒治療24 周后HDAC2、HDAC6 及組蛋白乙酰化表達降低，表明HDAC 通過調節組蛋白乙酰化參與HBV DNA 復制過程。此外，miRNA-548ah 可通過抑制HDAC4 基因表達影響與cccDNA 結合的組蛋白乙酰化狀態，進而促進HBV 復制[35]。HDAC11 在體內外均表現出顯著的抗HBV 效果，且在體內應用無明顯毒性[36]。這為HDAC的臨床應用及藥物研發提供新的參考。

2.6 神經炎癥 神經炎癥是各種神經疾病病理學的關鍵因素，如腦損傷、抑郁癥、神經退行性疾病等。小膠質細胞和星形膠質細胞是大腦炎癥的主要效應細胞，HDAC 在這些細胞中高表達[37]。在腦損傷和神經退行性疾病中，小膠質細胞過表達HDAC1 和HDAC2，促進小膠質細胞向促炎表型極化，激活NF-κB 信號通路，釋放大量炎癥因子并引起神經損傷[38]。HDAC5 可抑制前扣帶回皮質肝臟X 受體β 表達，通過抑制NFκB 的核轉位、降低前扣帶回中絲裂原活化蛋白激酶（mitogen-activated protein kinase，MAPK）的磷酸化，來發揮抑制神經炎癥、減少慢性炎癥疼痛的作用[39]。麥漢滔等[40]研究發現HDAC9 在缺血性腦卒中的小鼠大腦中高度表達并引起神經損傷，這可能與HDAC9 促進NF-κB 信號通路和MAPK 信號通路有關。而抑制HDAC9 表達可減輕炎癥，使小鼠缺血再灌注損傷后梗死面積減小，改善神經功能[41]。此外，敲除小膠質細胞HDAC3 基因可通過調節環磷酸鳥苷-腺苷酸合成酶-干擾素刺激基因信號通路，減輕缺血再灌注誘導的神經炎癥和腦損傷[42]，這為開發缺血性卒中新的治療策略提供思路。

3 相關抗炎藥物研究進展

抑制HDAC 活性除了產生抗腫瘤的作用外[1]，還可以誘導炎癥細胞凋亡、阻滯炎癥細胞周期，具有良好的抗炎效果[2]，因此HDACi 成為目前抗炎藥物研究的新熱點。迄今已有大量HDACi 被開發，根據它們與鋅離子結合基團的不同分為6 種類型，目前已證實多種HDACi 在炎癥性疾病動物模型中發揮抗炎效果。例如，曲古柳菌素（trichostatin A，TSA）是第一個被發現有HDACi 性質的天然活性物質，可抑制Ⅰ、Ⅱa 類HDAC 活性，在刀豆素A 誘導的小鼠急性肝炎模型中，長期給予TSA 可通過減少促炎因子產生、抑制肝臟T細胞介導的免疫反應來發揮抗炎作用[43]。除了上述廣譜HDACi 外，還發現一些對HDAC 亞型具有高選擇性的化合物，關于這些化合物的設計研發、結構改造及藥理活性已成為研究熱點。例如，羅米地辛是一種紫色色桿菌發酵產物分離出來具有特異性的HDAC1、HDAC2 抑制劑，在脂多糖誘導的急性腎損傷小鼠模型中，羅米地辛通過調節組蛋白的乙酰化水平促進氧化損傷的修復從而保護腎臟[44]。隨著越來越多HDAC 與炎癥性疾病相關性的揭示，HDACi 在抗炎方面具有良好的研究空間和應用前景。但該領域仍面臨諸多問題，如尚未明確HDACi 在人體內的抗炎效果及工作方式、需要更多證據證明藥物的長期安全性等。

此外，一些臨床常見藥物也可通過調控HDAC 活性治療炎癥性疾病。羧甲司坦作為臨床常用的祛痰藥，在大鼠COPD 模型中通過上調HDAC2 活性，改善氧化應激引起的糖皮質激素抵抗現象。丙戊酸鈉屬于廣譜HDACi，臨床上常用于治療癲癇。在自身免疫性腦脊髓炎大鼠模型中，丙戊酸鈉通過抑制NF-κB 信號通路，降低TNF-α、IL-1β、IL-17 表達水平，下調視神經分化抗原簇分子11b 表達，從而顯著減輕視神經炎癥[45]。

4 結語與展望

HDAC 作為一種乙酰化修飾染色體結構并調控基因表達的蛋白酶，通過轉錄翻譯修飾及調控多種信號通路在炎癥性疾病中扮演重要的角色。但現有研究主要集中在呼吸系統疾病、心血管疾病、神經系統疾病等，在消化系統、泌尿系統疾病中的作用有待進一步探索。HDAC 在炎癥性疾病中作用機制的不斷深入研究，推動了高選擇性HDACi 開發的進程。同時，隨著HDACi 在多種炎癥性疾病動物模型中展現出治療潛力，選擇性HDACi 因其特異性強及副作用少的優點受到關注。本文總結了HDAC 在多種疾病中作用的分子機制及研究進展，為研發高活性、強針對性和高成藥性的HDACi 提供理論指導和靶點借鑒。相信隨著藥理學、分子生物學等研究的深入，HDACi 有望步入臨床，為哮喘、關節炎、過敏性皮炎等炎癥性疾病的治療提供更多方案。