晝夜節(jié)律與肺部疾病關(guān)系的研究進(jìn)展*

陳　騁 綜述，洪志鵬 審校

(昆明醫(yī)科大學(xué)第一附屬醫(yī)院胸外科，云南昆明 650032)

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晝夜節(jié)律與肺部疾病關(guān)系的研究進(jìn)展*

陳騁 綜述，洪志鵬△審校

(昆明醫(yī)科大學(xué)第一附屬醫(yī)院胸外科，云南昆明 650032)

[關(guān)鍵詞]晝夜節(jié)律；肺纖維化；肺腫瘤；發(fā)病機(jī)制

晝夜節(jié)律普遍存在于各種生物體，參與許多生命活動。生活節(jié)奏的加快使人體晝夜節(jié)律的破壞日趨嚴(yán)重，隨之產(chǎn)生各種嚴(yán)重疾病。近年來的多項研究發(fā)現(xiàn)晝夜節(jié)律與哮喘、肺癌等多種肺部疾病發(fā)生、發(fā)展相關(guān)。本文重點(diǎn)就晝夜節(jié)律與肺纖維化、肺腫瘤的關(guān)系進(jìn)行綜述。

1晝夜節(jié)律與機(jī)體功能

生物體的許多行為、生理、細(xì)胞及分子過程都呈現(xiàn)24 h的節(jié)律變化，直接或間接的受內(nèi)部生物鐘調(diào)控，使機(jī)體通過有效地參與和應(yīng)對以適應(yīng)內(nèi)外環(huán)境的變化。晝夜節(jié)律受環(huán)境因素誘發(fā)并與其同步，但即便缺乏外部刺激，這些節(jié)律也依然存在。晝夜節(jié)律的基本分子機(jī)制就是生物鐘基因及其蛋白產(chǎn)物構(gòu)成的轉(zhuǎn)錄-翻譯反饋回路。生物鐘基因的這種負(fù)反饋循環(huán)構(gòu)成人體內(nèi)精確的內(nèi)源性“分子鐘”，在無外界信號影響時，以近于24 h的周期自激進(jìn)行。細(xì)胞內(nèi)高達(dá)10%的基因組，在RNA水平以晝夜協(xié)調(diào)的方式表達(dá)，且具有組織特異性[1]。晝夜生物鐘調(diào)控細(xì)胞增殖、凋亡、DNA修復(fù)、代謝、解毒及DNA損傷反應(yīng)等細(xì)胞過程[2]。生物鐘基因的改變將可能干擾這種節(jié)律調(diào)控，引發(fā)自主性生物鐘相位的改變[2]，導(dǎo)致以上細(xì)胞過程的異常，進(jìn)而可能產(chǎn)生冠心病、抑郁癥等多種疾病及腫瘤發(fā)生[1,3]。因此，晝夜節(jié)律紊亂可能是疾病發(fā)病機(jī)制的重要因素。

2晝夜節(jié)律與肺功能的關(guān)系

研究發(fā)現(xiàn)，在肺組織中，共有646個基因顯示統(tǒng)計學(xué)意義的循環(huán)振蕩[4]。其中，約65%基因表達(dá)峰值出現(xiàn)在嚙齒類動物無活動及無進(jìn)食的光照期，這點(diǎn)與其他外周組織明顯不同；約26%基因表達(dá)峰值出現(xiàn)在黑暗期，其中絕大多數(shù)出現(xiàn)在黑暗早期[4]。另外，在肺組織中，許多生物鐘相關(guān)基因及鐘控轉(zhuǎn)錄因子基因的表達(dá)也顯現(xiàn)晝夜節(jié)律樣振蕩[5]。在支氣管及肺等所有呼吸道組織中，周期基因1(period 1,per1)、Per2、腦-骨骼肌ARNT樣基因-1(brain and muscle ARNT-like-1,Bmal1)、鐘基因(Clock)等核心生物鐘基因及DNA結(jié)合蛋白基因等鐘控基因的表達(dá)均呈現(xiàn)明顯節(jié)律性[5]。此外，毒蕈堿乙酰膽堿受體基因2、4也以晝夜節(jié)律樣方式表達(dá)，并且膽堿能神經(jīng)刺激可以通過毒蕈堿乙酰膽堿受體3促進(jìn)雪貂氣管黏液分泌，該受體水平的晝夜提高可能會導(dǎo)致夜間黏液分泌的增多[6]。因此，有研究強(qiáng)烈認(rèn)為氣道黏膜下腺體黏蛋白的分泌過程受晝夜節(jié)律系統(tǒng)的調(diào)控，迷走神經(jīng)可能是呼吸道晝夜時間信號從下丘腦視交叉上核(suprachiasmatic nucleus，SCN)主時鐘到外周生物鐘的主要傳輸路徑；夜間黏液分泌增加可能是由于毒蕈堿受體表達(dá)增加及夜間迷走神經(jīng)活性增強(qiáng)所致[5]。呼吸道外周晝夜節(jié)律振蕩的存在也解釋了有關(guān)大鼠腦部SCN損傷后氧氣消耗速率和呼吸商值節(jié)律將消失的現(xiàn)象。乙酰膽堿神經(jīng)傳遞的晝夜變化等研究結(jié)果擴(kuò)展了學(xué)者們對于哮喘及呼吸道疾病病理生理的認(rèn)識。肺通氣功能、功能殘氣量、肺氣道阻力、用力呼氣量和呼氣流速峰值等肺功能均被發(fā)現(xiàn)呈現(xiàn)規(guī)律的振蕩性及明顯的晝夜變化[7-8]。小鼠慢性時差后其肺組織生物鐘基因的表達(dá)異常，肺功能也發(fā)生了明顯改變[7]。有關(guān)肺功能及呼吸過程的人類研究也顯示周期節(jié)律性[9-10]。在慢性阻塞性肺病(chronic obstructive pulmonary diseases，COPD)患者中，如第1秒用力呼氣量、用力肺活量及最大呼氣壓等反映肺功能及呼吸肌功能的各項指數(shù)下午數(shù)值均明顯低于早晨[10]。此外，肺上皮細(xì)胞可節(jié)律性控制肺組織內(nèi)中性粒細(xì)胞的聚集，從而維持肺部抗感染的功能[9,11]。所以，肺組織生物鐘基因表達(dá)的晝夜調(diào)控，是維持正常肺功能所必需的[7]，這種調(diào)控受干擾可能是肺部疾病的病因或影響因素[4,8]。

3晝夜節(jié)律與肺部疾病的關(guān)系

3.1肺部疾病的晝夜節(jié)律性表現(xiàn)許多呼吸道疾病癥狀的發(fā)作也和呼吸功能一樣，與一天中某個特殊時段相關(guān)。哮喘患者中，嘶啞多于清晨發(fā)作，而氣促、喘息、胸悶及黏膜分泌物增多等重要癥狀常于無活動的深夜時發(fā)生或加重；雖然其機(jī)制復(fù)雜，但推測支配呼吸的自主神經(jīng)通過迷走神經(jīng)在呼吸癥狀發(fā)作的晝夜管理方面發(fā)揮了重要作用[12]，夜間迷走神經(jīng)的活性增加可能觸發(fā)了這些病理生理活動。此外，急性肺損傷(acute lung injury,ALI)、COPD、肺動脈高壓和肺癌等常見肺部疾病，其癥狀也顯示晝夜節(jié)律樣改變[12]，其機(jī)制可能是大量信號分子間平衡被異物、免疫、細(xì)胞周期調(diào)控受損及其他因素擾亂所致。

3.2晝夜節(jié)律與肺纖維化的關(guān)系研究發(fā)現(xiàn)，包括特發(fā)性肺纖維化、肺泡纖維化及COPD等多種慢性肺疾病都存在不同程度的肺組織纖維化。香煙煙霧可能是導(dǎo)致肺纖維化等多種肺部疾病的重要病因，其主要通過干擾肺功能或影響生物節(jié)律環(huán)路相關(guān)基因表達(dá)的調(diào)控而改變肺的正常生物節(jié)律，促進(jìn)病變發(fā)展[13]。該結(jié)論可作為香煙煙霧導(dǎo)致的肺纖維化及肺腫瘤形成機(jī)制的重要補(bǔ)充。在各種肺纖維化病變的肺組織中，轉(zhuǎn)錄因子NF-E2相關(guān)因子2(nuclear factor erythroid 2-related factor，Nrf2)蛋白NRF2的表達(dá)變化及谷胱甘肽代謝提高了肺組織中蛋白質(zhì)羰基水平，可能是包括特發(fā)性肺纖維化、肺泡纖維化及COPD等肺纖維化疾病的中心特征[14]。遺傳變異或老化等所致的晝夜節(jié)律失調(diào)可能與NRF2介導(dǎo)的抗氧化防御節(jié)律活性相關(guān)，增加氧化損傷；并且，一旦肺纖維化發(fā)生，則無法恢復(fù)其表型。當(dāng)前以降低肺纖維化疾病進(jìn)展為主要目的的治療方法常常無效[14]。機(jī)體對于氧化損傷及肺纖維化易感性的正性反應(yīng)呈現(xiàn)每日節(jié)律性變異[15]。晝夜節(jié)律轉(zhuǎn)錄因子CLOCK及BMAL1是通過時間性調(diào)控Nrf2基因啟動子的E盒子元件而正性調(diào)控Nrf2的轉(zhuǎn)錄；NRF2 蛋白以晝夜節(jié)律的方式累積并促進(jìn)一系列涉及谷胱甘肽代謝的關(guān)鍵性抗氧化基因的晝夜節(jié)律性轉(zhuǎn)錄[14-15]。因此，有必要考慮生物鐘對于肺纖維化治療的作用機(jī)制，包括時控的給藥管理。另外，肺泡纖維化、COPD、哮喘、ALI及肺炎等多種肺疾病，也都存在過度的、不可控的炎癥及固有免疫反應(yīng)。編碼炎性分子的基因，包括趨化因子配體、腫瘤壞死因子配體超家族成員10及其他因子，在肺部的表達(dá)均呈現(xiàn)晝夜節(jié)律樣震蕩，這點(diǎn)表明分子生物鐘能直接或間接的調(diào)控器官免疫反應(yīng)[4,11]。并且，涉及異生物質(zhì)代謝的基因，在肺組織中的表達(dá)也顯示了類似振蕩。異生物質(zhì)主要通過呼吸過程進(jìn)入機(jī)體，在黑暗及活動期更為明顯；或者通過消化系統(tǒng)途徑，該途徑也主要發(fā)生在夜間嚙齒類動物黑暗或活動期[4,11,16]。比如，在肺組織中，細(xì)胞色素P-450酶2a3的表達(dá)峰值位于黑暗早期，其參與多種空氣源性致癌物及異生物質(zhì)的代謝，包括香煙煙霧產(chǎn)生的化合物[4,16]。

3.3晝夜節(jié)律與肺腫瘤的關(guān)系在晝夜節(jié)律紊亂人群中，包括肺癌等多種腫瘤的發(fā)病率明顯升高，比如長期晝夜班轉(zhuǎn)換的女護(hù)士，其小細(xì)胞肺癌發(fā)生率明顯高于晝夜節(jié)律正常者[17]。研究發(fā)現(xiàn)，在肺組織中共有271個基因不同程度的調(diào)控或參與不同類型腫瘤的發(fā)病機(jī)制，其表達(dá)顯現(xiàn)節(jié)律振蕩性，其中部分基因是肺癌的潛在治療靶點(diǎn)及腫瘤生物標(biāo)志[4]。因表觀遺傳改變導(dǎo)致的腫瘤抑制基因表達(dá)沉默是人類許多惡性腫瘤形成的一個早期事件，包括非小細(xì)胞肺癌(non-small cell lung cancer，NSCLC)[18-19]。Per1是調(diào)控晝夜節(jié)律的核心基因之一，其在正常肺組織中高表達(dá)，但在大量NSCLC患者標(biāo)本及肺癌細(xì)胞系中卻是低表達(dá)；NSCLC細(xì)胞系Per1強(qiáng)化表達(dá)可明顯降低細(xì)胞生長，細(xì)胞單克隆生長性消失，細(xì)胞中Per1啟動子的表觀遺傳沉默[20]。結(jié)果表明，Per1是肺組織中一種表觀遺傳沉默的腫瘤抑制因子，Per1啟動子的超甲基化和乙酰化可能是NSCLC中Per1表達(dá)下調(diào)的潛在機(jī)制[20]。因此，晝夜節(jié)律的干擾在肺腫瘤的形成中具有重要作用。腫瘤患者體內(nèi)的激素分泌常常呈現(xiàn)異常的晝夜節(jié)律性。研究發(fā)現(xiàn)，與健康對照組相比，肺癌患者的皮質(zhì)醇分泌活性及晝夜節(jié)律性明顯降低，其降低程度隨病情進(jìn)展而更明顯，并與患者體質(zhì)評分及腫瘤臨床分期均密切相關(guān)[21]。因此，檢測肺癌患者血液皮質(zhì)醇分泌水平及晝夜節(jié)律性將可能有助于預(yù)測肺癌的預(yù)后。晝夜節(jié)律基因的表達(dá)還影響抗癌藥物的代謝和療效[22]。研究發(fā)現(xiàn)氨肽酶P，在肺血管組織中高表達(dá)，是組織特異性分布顯影劑與治療肺癌、肺纖維化及肺動脈高壓等疾病藥物的靶向生物標(biāo)志[23]。另外，血小板源性生長因子受體β能介導(dǎo)抗癌藥物的靶向分布，特別是提高對腫瘤間質(zhì)細(xì)胞的有效性，同時降低藥物系統(tǒng)性毒性[24]。這些蛋白的mRNA表達(dá)都顯示了24 h的周期性振蕩，給藥時間可影響抗癌藥物靶向的有效性，這已經(jīng)被部分臨床研究所證實[25]。因此，晝夜節(jié)律也用于指導(dǎo)肺腫瘤的治療及相關(guān)新藥的開發(fā)。

4結(jié)語

晝夜節(jié)律調(diào)控紊亂可能是肺纖維化、肺腫瘤等肺部疾病的病因或影響因素，節(jié)律基因在其發(fā)生、發(fā)展過程中具有明確作用。揭露晝夜節(jié)律與肺部疾病的相互關(guān)系將提高對其發(fā)生、發(fā)展過程中基因水平基礎(chǔ)機(jī)制的理解，促進(jìn)其治療、藥物時間藥理學(xué)及腫瘤進(jìn)展標(biāo)志物等研究的進(jìn)展。

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doi:·綜述·10.3969/j.issn.1671-8348.2016.06.037

基金項目：云南省科技計劃項目(2010CD160)。

作者簡介：陳騁(1980-)，在讀博士研究生，主要從事肺癌基礎(chǔ)研究?！魍ㄓ嵶髡?，Tel：13808757261；E-mail:hzp_doc@sina.cn。

[中圖分類號]R602

[文獻(xiàn)標(biāo)識碼]A

[文章編號]1671-8348(2016)06-0828-04

(收稿日期：2015-06-02修回日期：2015-09-30)