基于表觀遺傳修飾的慢性阻塞性肺疾病藥物治療進(jìn)展

劉菲 張子麗 丁明靜 王健 盧文菊

廣州醫(yī)科大學(xué)附屬第一醫(yī)院 廣州呼吸健康研究院 國(guó)家呼吸系統(tǒng)疾病臨床醫(yī)學(xué)研究中心 呼吸疾病國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室510030

COPD是一種常見(jiàn)的呼吸系統(tǒng)疾病。COPD患者呈進(jìn)行性、不完全可逆性氣流受限，可出現(xiàn)慢性咳嗽、咳痰、呼吸困難等癥狀，嚴(yán)重者影響勞動(dòng)能力和生活質(zhì)量(2017 GOLD指南)。我國(guó)40歲以上人群COPD患病率高達(dá)13.7%[1]，預(yù)測(cè)到2020年，COPD將成為第三大致死性疾病[2]，將導(dǎo)致嚴(yán)重的社會(huì)經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)。表觀遺傳機(jī)制是目前公認(rèn)的COPD發(fā)病機(jī)制之一。例如，單卵雙生子研究發(fā)現(xiàn)，隨年齡增長(zhǎng)，其表觀遺傳標(biāo)記發(fā)生了明顯改變[3]。表觀遺傳調(diào)控可在后天發(fā)生重新修飾，與導(dǎo)致疾病的發(fā)生、發(fā)展密切相關(guān)。本文將討論表觀遺傳機(jī)制在COPD發(fā)生、發(fā)展中的重要作用，并重點(diǎn)探討其在COPD治療方面的潛力。

1 COPD的發(fā)病機(jī)制

COPD的發(fā)生、發(fā)展是一個(gè)復(fù)雜、多元素、多環(huán)緊扣的過(guò)程。慢性氣道炎癥、蛋白酶/抗蛋白酶失衡、氧化應(yīng)激是目前研究較多且較明確的主要發(fā)病機(jī)制。在香煙煙霧或空氣污染物等作用下，上皮細(xì)胞產(chǎn)生多種細(xì)胞因子和趨化因子，誘導(dǎo)更多的炎癥細(xì)胞入肺，進(jìn)一步釋放大量促炎因子、蛋白酶和穿孔素等，放大炎癥反應(yīng)并增強(qiáng)防御功能。但過(guò)多的炎癥因子及蛋白酶會(huì)引起黏液分泌增加、氣道重構(gòu)，造成氣道黏膜和肺泡損傷，進(jìn)而促進(jìn)COPD的發(fā)生、發(fā)展[4]。香煙煙霧還可誘導(dǎo)活性氧的大量產(chǎn)生[5]，引起氧化/抗氧化失衡，使活性氧與脂質(zhì)、蛋白質(zhì)、DNA、RNA和線粒體DNA等發(fā)生反應(yīng)，導(dǎo)致上皮細(xì)胞損傷和死亡。

此外，近年來(lái)衰老、凋亡、自噬、遺傳易感性等在COPD發(fā)病中的作用也引起普遍關(guān)注。端?？s短、細(xì)胞衰老、磷脂酰肌醇-3-激酶/雷帕霉素(phosphatidylinositol-3-kinase/mammalian target of rapamycin，PI3K/m TOR)信號(hào)激活、自噬功能受損、線粒體功能紊亂、干細(xì)胞衰竭，以及抗衰老分子(如sirtuins和Klotho基因)減少等可加速肺部衰老過(guò)程[6]。受體介導(dǎo)的外在途徑、線粒體內(nèi)在途徑、內(nèi)質(zhì)網(wǎng)途徑等凋亡途徑異常激活可引起炎癥細(xì)胞、肺實(shí)質(zhì)及間質(zhì)異常凋亡[7]。PI3K、m TOR自噬抑制物與自噬相關(guān)基因平衡失調(diào)引起氣道、血管、肺實(shí)質(zhì)細(xì)胞形成自噬小體，進(jìn)一步加重氣道管壁增厚、血管重建、肺氣腫等[8]。通過(guò)全基因組關(guān)聯(lián)分析研究發(fā)現(xiàn)，CHRNA3、CHRNA5、IREB2、HHIP、FAM13A、RIN3、MMP12、TGF-β1等基因多態(tài)性與COPD的發(fā)生、發(fā)展相關(guān)[9]。

2 COPD發(fā)病中的表觀遺傳學(xué)機(jī)制

近年來(lái)，表觀遺傳學(xué)已成為生命科學(xué)中普遍關(guān)注的前沿。表觀遺傳學(xué)是指核苷酸序列不發(fā)生變化的情況下，基因的表達(dá)活性發(fā)生了可遺傳的變化，其具有可遺傳、無(wú)DNA序列變化及能引起基因活性或功能改變的特征[10]。表觀遺傳學(xué)調(diào)控機(jī)制主要包括DNA甲基化修飾、組蛋白修飾、非編碼RNAs(noncoding RNAs，ncRNAs)等幾個(gè)主要方面。下面將重點(diǎn)闡述表觀遺傳調(diào)控機(jī)制在COPD發(fā)生、發(fā)展中的作用，及相應(yīng)的藥物治療方法。

2.1 DNA甲基化修飾 DNA甲基化主要發(fā)生在胞嘧啶-磷酸鳥(niǎo)嘌呤二核苷酸(CpG)的的胞嘧啶殘基上，由DNA甲基轉(zhuǎn)移酶(DNA methylation transferases，DNMTs)家族 催 化。DNMTs主 要 包 括DNMT1、DNMT3a及DNMT3b。DNMT1主要使新復(fù)制形成的DNA鏈中半甲基化的Cp G發(fā)生甲基化。DNMT3a和DNMT3b主要使未甲基化的Cp G發(fā)生甲基化。DNA甲基化狀態(tài)被認(rèn)為是調(diào)控基因轉(zhuǎn)錄的 “開(kāi)關(guān)”。高甲基化與轉(zhuǎn)錄抑制有關(guān)，低甲基化則會(huì)激活基因轉(zhuǎn)錄。

2.1.1 DNA甲基化修飾在COPD中的作用 研究表明，COPD與DNA甲基化具有相關(guān)性[11]。香煙煙霧可以通過(guò)改變基因的甲基化水平影響COPD病理生理過(guò)程[12]。對(duì)韓國(guó)成年人進(jìn)行全表觀基因組關(guān)聯(lián)分析研究發(fā)現(xiàn)，吸煙的COPD患者和非吸煙的COPD患者相比，具有108個(gè)不同的甲基化探針和87個(gè)不同的甲基化區(qū)域[13]。此外，α1-抗胰蛋白酶位點(diǎn)低甲基化與COPD患者肺功能下降具有顯著相關(guān)性[14]。且香煙煙霧導(dǎo)致的CpG甲基化可能影響多梳基因家族蛋白介導(dǎo)的基因沉默，進(jìn)而調(diào)控參與COPD發(fā)生發(fā)展的重要因子的表達(dá)[15]。

2.1.2 DNA甲基化修飾藥物對(duì)COPD治療作用的研究進(jìn)展(表1) DNA甲基化修飾在COPD發(fā)病中具有重要作用，因此針對(duì)DNA甲基化修飾的治療手段對(duì)COPD治療可能具有重大的臨床價(jià)值。DNA甲基化修飾的治療藥物主要是DNA甲基化轉(zhuǎn)移酶抑制劑，分為核苷類(lèi)和非核苷類(lèi)抑制劑兩大類(lèi)。核苷類(lèi)DNA甲基化轉(zhuǎn)移酶抑制劑(如5-氮雜胞苷、5-氮-2-脫氧胞苷)可與DNA鏈上的胞嘧啶殘基競(jìng)爭(zhēng)結(jié)合DNMTs，阻止酶的活性和使DNA低甲基化。非核苷類(lèi)抑制劑兒茶素能抑制香煙煙霧誘導(dǎo)的人支氣管上皮細(xì)胞核因子κB(nuclear factor kappa B，NF-κB)的激活，發(fā)揮抗炎作用。此外，研究證實(shí)，兒茶素也能減少香煙煙霧暴露后大鼠支氣管肺泡灌洗液中的炎性細(xì)胞數(shù)目，降低乳酸脫氫酶活性等[20]。目前，DNA甲基化轉(zhuǎn)移酶抑制劑研究資料還不充足，且DNA甲基化轉(zhuǎn)移酶抑制劑缺乏特異性，其致癌性和致突變性不能忽略，能否廣泛用于COPD治療，仍需進(jìn)一步驗(yàn)證。

2.2 組蛋白修飾 組蛋白修飾是指在特定的蛋白氨基酸末端(如賴(lài)氨酸、精氨酸和絲氨酸)發(fā)生轉(zhuǎn)錄后修飾，如乙?；?、甲基化或磷酸化等。組蛋白修飾酶(如組蛋白乙酰轉(zhuǎn)移酶、組蛋白甲基轉(zhuǎn)移酶、激酶和泛素酶等)催化了組蛋白翻譯后修飾，而組蛋白去乙酰化酶(histone deacetylase，HDAC，包括HDAC1-18)、組蛋白脫酰酶和磷酸酶等能夠去除轉(zhuǎn)錄后修飾[23]。

2.2.1 組蛋白修飾在COPD中的作用 組蛋白乙?；兔撘阴；腔蜣D(zhuǎn)錄的關(guān)鍵調(diào)控機(jī)制。炎性因子基因的組蛋白乙?；兔撘阴；牟黄胶?，可能導(dǎo)致COPD發(fā)生。NF-κB激活后可以與DNA中特定的識(shí)別序列結(jié)合，并與協(xié)同激活分子(如c-AMP反應(yīng)元件結(jié)合蛋白、p300或p300/CBP相關(guān)因子)相互作用，從而發(fā)揮內(nèi)在的組蛋白乙?；饔?。而HDAC1和HDAC2與NF-κB的Rel A/p65亞基相結(jié)合，通過(guò)組蛋白脫乙酰化作用阻斷炎癥基因轉(zhuǎn)錄；HDAC3可通過(guò)Rel A本身的脫乙酰作用對(duì)轉(zhuǎn)錄進(jìn)行負(fù)調(diào)控；而核NF-κB的磷酸化狀態(tài)決定它與CBP/p300還是HDAC1作用。

表1 DNA甲基化轉(zhuǎn)移酶抑制劑對(duì)慢性阻塞性肺疾病治療作用的研究進(jìn)展

煙酰胺腺嘌呤二核苷酸依賴(lài)的組蛋白/蛋白去乙酰化酶(SIRT1-SIRT7)參與維持基因組穩(wěn)定性。細(xì)胞應(yīng)激通過(guò)氧化/醛化和磷酸化使SIRT1發(fā)生共價(jià)改變從而降低酶的活性并誘導(dǎo)其蛋白質(zhì)降解。研究表明，除SIRT1外其他SIRT(如SIRT2[24]、SIRT6[25])也參與了COPD發(fā)生。

組蛋白甲基化也可能參與了COPD的疾病進(jìn)程。多梳家族抑制復(fù)合體2使H3K27甲基化從而阻止其乙?；?，這與染色質(zhì)活躍狀態(tài)有關(guān)。且在香煙煙霧暴露誘導(dǎo)的COPD模型鼠肺組織中，組蛋白H3和H4的特定賴(lài)氨酸和精氨酸殘基發(fā)生了乙?；⒓谆刃揎椬饔肹26]。

2.2.2 組蛋白修飾藥物對(duì)COPD治療作用的研究進(jìn)展(表2) 持續(xù)慢性氣道炎癥是COPD的主要特征，因此糖皮質(zhì)激素作為強(qiáng)有效的抗炎藥物成為COPD重要的治療方法。但氧化應(yīng)激可以激活PI3Kδ通路，導(dǎo)致HDAC2失活并使之活性降低，使HAT/HDACs平衡失調(diào)，引起糖皮質(zhì)激素抵抗[27]。因此，HDAC激活劑(尤其是HDAC2)是目前治療COPD患者糖皮質(zhì)激素抵抗的有效方法。

茶堿長(zhǎng)期用于COPD治療，也是一種HDAC激活劑。茶堿能恢復(fù)COPD患者肺泡巨噬細(xì)胞的HDAC活性和類(lèi)固醇反應(yīng)，可能是通過(guò)直接抑制氧化應(yīng)激激活的PI3Kδ通路[30]?？挂钟羲幬锶ゼ滋媪质且环NPI3Kδ抑制劑，可恢復(fù)HDAC活性[31]。索利霉素在氧化應(yīng)激條件下抑制PI3K活化，進(jìn)而恢復(fù)皮質(zhì)類(lèi)固醇敏感性及HDAC活性[32]。

姜黃素具有抗癌、抗炎和抗氧化的特性，能逆轉(zhuǎn)香煙煙霧誘導(dǎo)的絲氨酸磷酸化和HDAC2泛素化，從而阻止了HDAC2蛋白降解。同時(shí)姜黃素能減弱彈性蛋白酶活性和香煙煙霧暴露誘發(fā)的大鼠肺氣腫[24]。

蘿卜硫素可使HDAC2去亞硝基化、Nrf2激活、谷胱甘肽增加及恢復(fù)糖皮質(zhì)激素敏感性[37]。穿心蓮內(nèi)酯、查爾酮屬抗氧化劑，可通過(guò)增加Nrf2活性，使HDAC2表達(dá)及活性增加，恢復(fù)肺損傷。

白藜蘆醇能激活SIRT1，具有抗氧化、抗炎和抗癌特性。在A549細(xì)胞中，白藜蘆醇通過(guò)逆轉(zhuǎn)香煙煙霧誘導(dǎo)的Nrf2羰基化，引起谷胱甘肽分泌減少[38]。

此外，最新研究還表明，通過(guò)使用合成的化合物來(lái)模擬乙酰化的組蛋白，可以抑制結(jié)構(gòu)域和額外終端域蛋白質(zhì)家族乙酰化組蛋白的識(shí)別，從而抑制組蛋白乙?；?qū)動(dòng)的巨噬細(xì)胞中炎癥基因的表達(dá)。

COPD組蛋白修飾方面的治療藥物通過(guò)增加HDAC活性，從而增加糖皮質(zhì)激素治療效果，但其作用機(jī)理及在COPD中的作用仍需進(jìn)一步臨床研究。

2.3 ncRNAs ncRNAs指DNA轉(zhuǎn)錄完成后未翻譯成蛋白質(zhì)的RNA，可分為長(zhǎng)ncRNAs和短ncRNAs。長(zhǎng)ncRNAs調(diào)控染色體動(dòng)態(tài)變化，也參與招募染色質(zhì)重建復(fù)合體到特定的基因組位點(diǎn)，在染色質(zhì)水平調(diào)節(jié)基因表達(dá)。短ncRNAs不僅可以調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)錄和轉(zhuǎn)錄后基因表達(dá)水平，也可以干擾染色質(zhì)改變。microRNA是目前研究較為成熟和廣泛的一類(lèi)ncRNAs。

2.3.1 ncRNAs在COPD中的作用 microRNA在肺發(fā)育階段，對(duì)維持體內(nèi)平衡起重要作用，參與先天和獲得性免疫反應(yīng)的不同過(guò)程。與正常對(duì)照組相比，熏煙暴露的小鼠及COPD患者肺泡灌洗液和肺組織中miR-31、miR-155、miR-218和let-7c均 存 在 明 顯 表 達(dá) 差 異[42]。 這 些microRNA通過(guò)調(diào)控參與炎癥反應(yīng)、蛋白酶/抗蛋白酶失衡、氧化應(yīng)激和細(xì)胞凋亡相關(guān)的轉(zhuǎn)化生長(zhǎng)因子β及Wnt通路，從而導(dǎo)致COPD的發(fā)生、發(fā)展[43]。此外，在不同程度肺氣腫患者中發(fā)現(xiàn)microRNA基因圖譜也會(huì)發(fā)生改變，并且變化的microRNA可以調(diào)節(jié)疾病相關(guān)基因表達(dá)網(wǎng)絡(luò)[44]。

2.3.2 基于ncRNAs的COPD治療方案 Raver-Shapira等[45]提出 “microRNA替換治療”理論，即通過(guò)合成microRNA或者類(lèi)似物用于疾病治療。microRNA也可能會(huì)由于異常的DNA甲基化、組蛋白修飾，或位于不穩(wěn)定的染色體區(qū)域而沉默[46]。因此，microRNA可通過(guò)HDAC抑制劑或去甲基化藥物的治療而重新表達(dá)。研究表明，通過(guò)對(duì)COPD肺纖維母細(xì)胞進(jìn)行重組，并誘導(dǎo)為多能干細(xì)胞，可改變microRNA的表達(dá)譜[47]。雖然干預(yù)microRNA表達(dá)能對(duì)疾病進(jìn)行靶向治療，但microRNA可引起下游多條信號(hào)通路激活，導(dǎo)致不同基因表達(dá)改變，出現(xiàn)脫靶效應(yīng)。此外，microRNA轉(zhuǎn)運(yùn)至體內(nèi)的技術(shù)仍存在挑戰(zhàn)。因此microRNA替換治療仍需不斷發(fā)展和完善。

表2 基于組蛋白修飾的COPD治療藥物

3 展望

COPD是由多種因素相互作用而引起的一種異質(zhì)性疾病，其發(fā)病機(jī)制仍未完全明確，缺乏有效的治療方法，目前大部分仍是對(duì)癥治療。表觀遺傳機(jī)制能進(jìn)一步解釋基因組學(xué)無(wú)法解釋的遺傳特性，并可能提供早期可逆轉(zhuǎn)性的治療方法。但表觀遺傳修飾在COPD發(fā)病機(jī)制中的作用仍未完全清楚，基于表觀遺傳修飾的治療方法的臨床價(jià)值也尚未明確，需進(jìn)一步研究。

利益沖突所有作者均聲明不存在利益沖突