表觀遺傳修飾在腎缺血再灌注誘導的急性腎損傷中的作用研究進展

夏康綜述 王磊，劉修恒審校

近年來，急性腎損傷(acute kidney injury，AKI)所導致的住院率顯著上升[1]。雖然在治療后腎臟功能可能恢復到正常范圍，但流行病學數(shù)據(jù)表明，AKI能增加慢性腎臟病等疑難雜癥發(fā)生和發(fā)展的風險，是影響患者生存的重要原因[2]。腎缺血再灌注(I/R)損傷通常由低血容量性休克、外科手術(shù)及移植引起，是導致AKI的主要原因。腎I/R損傷通過誘導炎性細胞釋放蛋白酶和促炎細胞因子，阻塞腎小管周圍毛細血管，并產(chǎn)生活性氧物質(zhì)(ROS)，從而誘導腎小管細胞死亡而導致腎小管的結(jié)構(gòu)和功能損傷[3]。隨著AKI的嚴重性被重視，對治療新靶點的需求愈發(fā)迫切。表觀遺傳修飾被發(fā)現(xiàn)在疾病進展過程中發(fā)揮重要作用，并廣泛參與到細胞發(fā)育、周期調(diào)控、氧化應激和炎性反應等生物過程中。表觀遺傳修飾與腎I/R損傷的發(fā)生發(fā)展密不可分。本文旨在綜述腎缺血再灌注損傷中表觀遺傳修飾的最新進展。

1 表觀遺傳修飾概述

腎臟的生理病理過程可以通過表觀遺傳修飾進行調(diào)節(jié)。表觀遺傳修飾是在沒有細胞核DNA序列改變的情況時，基因功能呈可逆的、可遺傳的改變，包括乙?；?、甲基化、microRNA和LncRNA的表達等。表觀遺傳信息通過染色質(zhì)中組蛋白和DNA的共價修飾進行編碼。染色質(zhì)是真核細胞核內(nèi)DNA和蛋白質(zhì)的復合物，在DNA轉(zhuǎn)錄、復制和修復中起著重要作用。染色質(zhì)的基本重復單位由核小體組成，核小體由包裹在組蛋白核心八聚體周圍146 bp的DNA形成。染色質(zhì)修飾酶可以分別催化添加或去除翻譯后修飾，將染色質(zhì)在相對“開放”和“封閉”形式之間重構(gòu)，在基因表達的表觀遺傳調(diào)節(jié)中起著至關(guān)重要的作用。與難以逆轉(zhuǎn)的遺傳變化相反，表觀遺傳畸變在生物學上是可逆的。因此，對于表觀遺傳修飾的進一步研究，有助于人類開發(fā)針對性藥物，從而用于疾病的預防、診斷及治療。

2 表觀遺傳修飾與腎缺血再灌注損傷

2.1 甲基化

2.1.1 DNA甲基化：DNA甲基化是指將來自 S-腺苷甲硫氨酸 (SAM-CH3)的甲基 (CH3)添加到胞嘧啶或腺嘌呤DNA核苷酸上，由DNA甲基轉(zhuǎn)移酶家族催化。DNA甲基化在發(fā)育和疾病(包括腎缺血再灌注損傷)過程中的表觀遺傳基因調(diào)節(jié)中起著重要作用[4]。Castellano等[5]發(fā)現(xiàn)，補體成分C5a在腎缺血再灌注損傷過程中被釋放，誘導細胞周期控制、DNA損傷和Wnt信號傳導方面相關(guān)基因的異常甲基化，介導損傷。另外，Chou等[6]發(fā)現(xiàn)，腎缺血再灌注損傷后，周細胞中Ybx2的高甲基化導致肌成纖維細胞被激活，數(shù)量逐漸增多，促進慢性腎纖維化。同樣的，缺血后的腎組織CpG高度甲基化，在移植灌注后的1年內(nèi)逐漸造成腎臟慢性損傷，尤其是纖維化和腎小球硬化[7]。已知抗高血壓藥物肼苯噠嗪具有去甲基化活性，其最佳去甲基化活性發(fā)生在低于降血壓劑量的濃度下。低劑量肼苯噠嗪可有效誘導羥化酶 TET3 的表達，從而催化RASAL1羥甲基化和隨后的RASAL1啟動子去甲基化。肼苯噠嗪誘導的CpG啟動子去甲基化隨后減弱了腎I/R介導的腎纖維化并保留了排泄功能，而這些與其降低血壓的作用無關(guān)[8]。DNA甲基化是最早被發(fā)現(xiàn)、也是研究最深入的表觀遺傳調(diào)控機制之一。大量的研究證明，腎缺血再灌注損傷與DNA甲基化的變化高度相關(guān)，所以需要重點關(guān)注DNA甲基化在腎缺血再灌注損傷中的作用機制，為疾病的治療提供新的思路。

2.1.2 組蛋白甲基化：組蛋白甲基化通過為染色質(zhì)修飾劑創(chuàng)建對接位點來改變轉(zhuǎn)錄，從而改變?nèi)旧|(zhì)和轉(zhuǎn)錄標記的活躍、穩(wěn)定或抑制狀態(tài)。組蛋白甲基化受甲基轉(zhuǎn)移酶和去甲基化酶的調(diào)節(jié)。組蛋白甲基轉(zhuǎn)移酶包括2種主要類型，即賴氨酸特異性 (KMT)和精氨酸特異性 (RMT)。蛋白質(zhì)精氨酸甲基化轉(zhuǎn)移酶 5 (PRMT5)介導參與表觀遺傳學調(diào)控的精氨酸甲基化，在疾病中表現(xiàn)出多種生物學功能和重要作用。據(jù)報道，PRMT5可通過激活 Nrf2/HO-1 通路參與缺血和缺氧誘導的氧化應激和細胞焦亡[9]。Li等[10]的研究表明，當使用組蛋白甲基化抑制劑DZNep后，核因子NF-κB的表達顯著下降，從而抑制腎小管上皮細胞炎性因子的表達，減輕腎缺血再灌注損傷。另外，組蛋白H3K9位點的甲基轉(zhuǎn)移酶G9a能夠通過改變Sirt1啟動子上的H3K9me2，影響Sirt1的表達，從而調(diào)節(jié)腎缺血再灌注損傷[11]。zeste 同源物 2增強子(EZH2)是一種眾所周知的甲基轉(zhuǎn)移酶，介導組蛋白H3賴氨酸27三甲基化 (H3K27me3)，被發(fā)現(xiàn)在腎I/R過程中激活ALK5/Smad2/3通路，調(diào)控Nox4的轉(zhuǎn)錄活性和蛋白表達水平，從而影響其介導的氧化應激和細胞焦亡[12]。還有報道稱，EZH2通過調(diào)節(jié)p38信號傳導在缺血/再灌注誘導的急性腎損傷中起關(guān)鍵作用[13]。組蛋白甲基化在腎缺血再灌注損傷中扮演著重要的角色，仍需進一步研究闡明其作用機制。

2.2 乙?；?/p>

2.2.1 組蛋白乙?；航M蛋白N末端賴氨酸殘基的乙?；コ苏姾?，從而降低了組蛋白對帶負電荷DNA的親和力，隨后將致密的染色質(zhì)改變?yōu)楦沙诘慕Y(jié)構(gòu)，以募集基因轉(zhuǎn)錄的激活劑或抑制劑，該過程由組蛋白乙酰轉(zhuǎn)移酶 (HAT)催化完成。HAT根據(jù)底物性質(zhì)的不同可以分為2個家族：GCN5相關(guān)N-乙酰反式轉(zhuǎn)移酶家族(GNAT)和 MYST(MOZ、Ybf2/Sas3、Sas2 和Tip60)家族。HAT通過將乙?；鶑囊阴oA轉(zhuǎn)移以形成ε-N-乙酰賴氨酸，從而乙?；M蛋白的賴氨酸。Liu等[14]的研究表明，心肌素相關(guān)轉(zhuǎn)錄因子A(MRTF-A)通過與乙酰轉(zhuǎn)移酶 MYST1相互作用，在調(diào)節(jié)NOX基因啟動子周圍的組蛋白H4K16乙?；邪l(fā)揮作用，從而影響腎缺血再灌注過程。組蛋白乙酰轉(zhuǎn)移酶活性的降低也被報道與HMGB1核質(zhì)易位和釋放有關(guān)，逆轉(zhuǎn)了腎缺血再灌注損傷中CORM-2介導的CO的產(chǎn)生，從而防止致命的腎缺血再灌注損傷[15]。組蛋白乙酰轉(zhuǎn)移酶HBO1和JADE1被發(fā)現(xiàn)在腎I/R過程中結(jié)合并促進染色質(zhì)環(huán)境中組蛋白的乙酰化，在上皮細胞增殖過程中特異性標記H4，參與調(diào)控相關(guān)基因的表達[16]。還有一些HAT，如PCAF和MOF，也在腎缺血再灌注期間異常升高，介導損傷[17]。組蛋白乙?；谀I缺血再灌注損傷的發(fā)病機制中起重要作用，需要進一步的研究來確定發(fā)病過程中涉及的特定乙?；鞍祝奖阄磥碇委煼桨傅木珳驶?。

2.2.2 組蛋白去乙?；号c組蛋白乙酰化作用機制相反，組蛋白去乙酰化過程由組蛋白去乙?；?HDAC)催化完成。HDACs由四大類18個成員組成，包括Ⅰ類Rpd3樣蛋白(HDAC1、HDAC2、HDAC3 和 HDAC8)、Ⅱ類 Hda1樣蛋白(HDAC4、HDAC5、HDAC6、HDAC7、HDAC9 和 HDAC10)、Ⅲ類 Sir2樣蛋白(SIRT1、SIRT2、SIRT3、SIRT4、SIRT5、SIRT6 和 SIRT7)和Ⅳ類蛋白 (HDAC11)。它們可以使組蛋白去乙?；c帶負電荷的DNA緊密結(jié)合，染色質(zhì)致密卷曲，抑制基因的轉(zhuǎn)錄。Tajima等[18]在暴露于腎缺血再灌注損傷的腎臟和暴露于缺氧和再氧合的近端腎小管細胞中發(fā)現(xiàn)組蛋白乙?；档停?羥基丁酸通過使組蛋白去乙?；甘Щ顏砀纳七@種效應，從而減輕損傷。在雙側(cè)缺血再灌注損傷的腎低灌注模型中，紊亂的HDAC活性會導致不受控制的增殖、炎性反應、纖維化和器官損傷，Ⅱ類HDAC中的HDAC4介導了其中的增殖[19]。有研究數(shù)據(jù)表明，HDAC1和2對腎小管內(nèi)CoREST復合物穩(wěn)定性的對比效應可影響腎缺血再灌注損傷的結(jié)果[20]。據(jù)報道，去乙?；窼IRT6通過表觀遺傳阻斷β-catenin 靶基因表達來防止腎缺血再灌注損傷后的纖維化[21]。類似的，SIRT3的失活會升高SOD2和P53的乙?；?，增加它們的表達，從而促進腎缺血再灌注損傷[22]。SIRT3還可以通過增強線粒體融合和激活ERK-OPA1信號通路調(diào)節(jié)腎缺血再灌注損傷[23]。SIRT1在腎I/R誘導的AKI中通過自噬誘導發(fā)揮保護作用[24]。同時，SIRT1刺激線粒體生物發(fā)生并減輕缺血再灌注后的腎損傷[25]。HDACs的異常表達，嚴重影響腎缺血再灌注損傷過程，值得深入研究。

2.3 microRNA microRNA(miRNA)是一類由內(nèi)源基因編碼的長度約為22個核苷酸的非編碼單鏈RNA分子，其在細胞內(nèi)具有多種重要的調(diào)節(jié)作用，可以在轉(zhuǎn)錄后調(diào)節(jié)基因的表達，從而影響各種細胞過程。miRNA已經(jīng)被廣泛證明參與到腎臟疾病的發(fā)病機制中。miR-182-5p和miR-378a-3p參與調(diào)節(jié)腎缺血再灌注誘導的鐵死亡過程[26]。在腎缺血再灌注過程中miR-124下調(diào)，導致PARP1的過表達，通過TNFα/RIP1/RIP3 通路加重細胞壞死性凋亡[27]。miR-124也被證明通過與IRE-1α結(jié)合而成為內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應激的負調(diào)節(jié)因子，最終賦予其對腎臟的保護作用[28]。受傷的腎小管上皮細胞通過含有miR-150的外泌體激活成纖維細胞以促進腎缺血再灌注后的腎纖維化[29]。miR-195-5p通過靶向血管內(nèi)皮生長因子A抑制炎性反應和氧化應激減輕腎缺血再灌注損傷[30]。來自人骨髓間充質(zhì)干細胞的外泌體通過將miR-199a-3p遞送到腎細胞，下調(diào)Sema3A表達，從而激活AKT和ERK通路，最后防止I/R損傷[31]。另外，從缺氧腎小管上皮細胞釋放富含miRNA-23a的外泌體，可以激活巨噬細胞以促進腎小管間質(zhì)炎性反應[32]。miRNA可以微調(diào)大型遺傳網(wǎng)絡或控制特定的主要目標，從而在幾乎所有生物細胞功能中發(fā)揮關(guān)鍵作用。大量的證據(jù)表明，miRNA在腎缺血再灌注損傷的發(fā)展和進展中起著至關(guān)重要的作用。毫無疑問，對miRNA基本生物學的了解越多，就越能將其應用于患者的治療。

2.4 長鏈非編碼RNA 長鏈非編碼RNA(lncRNA)是長度大于200個核苷酸的非編碼RNA。研究表明,lncRNA參與許多生物過程，如細胞生長、抗凋亡、腫瘤遷移和侵襲。lncRNA的功能包括組蛋白修飾、染色質(zhì)重塑、轉(zhuǎn)錄激活、轉(zhuǎn)錄干擾、核轉(zhuǎn)運和細胞周期調(diào)節(jié)，取決于它們的亞細胞定位[33]。據(jù)報道，lncRNA np_5318通過TGF-β/Smad信號通路促進腎缺血再灌注損傷[34]。lncRNA XLOC_032768通過調(diào)節(jié)FNDC3B/TGF-β1保護腎缺血再灌注損傷中腎小管上皮細胞凋亡[35]。I/R損傷誘導的長鏈非編碼RNA GAS5，通過調(diào)控下游的p53和TSP-1的mRNA和蛋白質(zhì)水平，影響腎臟細胞的凋亡[36]。LINC00963通過激活JAK2/STAT1通路促進急性腎損傷過程[37]。另外lncRNA可以作為一種競爭性內(nèi)源RNA(ceRNA)吸附miRNA,影響靶基因mRNA的豐度從而影響其蛋白質(zhì)水平，進而影響I/R介導的腎損傷。有報道，腎AAV2介導的長鏈非編碼RNA H19過表達通過海綿化吸附miRNA-30a-5p減輕缺血性急性腎損傷[38]。丙泊酚通過調(diào)節(jié)lncRNA轉(zhuǎn)移相關(guān)的肺腺癌轉(zhuǎn)錄物1(MALAT1)—miR-126-5p軸減輕腎缺血/再灌注損傷[39]。lncRNA母源表達3(MEG3)通過與miR-129-5p和HMGB1之間的相互作用，調(diào)控腎I/R損傷[40]。lncRNA SNHG14的沉默通過調(diào)節(jié)miR-124-3p/MMP2 軸減輕缺血/再灌注誘導的急性腎損傷[41]。盡管為尋找lncRNA在I/R損傷中的作用進行了廣泛的努力，但這些研究的結(jié)果尚未轉(zhuǎn)化為臨床應用，仍需要大量的研究來探索lncRNA影響腎I/R過程的潛在機制，并與臨床研究相結(jié)合，從而為腎I/R損傷的治療提供更多的靶標。

3 其他表觀遺傳修飾和腎缺血再灌注損傷

除了甲基化、乙?；揎椡?，磷酸化、泛素化和蘇莫?；矃⑴c了腎缺血再灌注損傷的過程。磷酸化是將磷酸基團加在中間代謝產(chǎn)物上或加在蛋白質(zhì)上的過程。其中除去磷酸基團的酶稱為磷酸酶。蛋白質(zhì)磷酸化可發(fā)生在許多種類的氨基酸上，其中以絲氨酸為主，蘇氨酸次之。SHP-1是一種重要的蛋白質(zhì)酪氨酸磷酸酶，被發(fā)現(xiàn)在腎缺血再灌注損傷介導的腎小管上皮細胞凋亡中起關(guān)鍵作用[42-43]。泛素化是指泛素(一類低分子量的蛋白質(zhì))分子在一系列特殊的酶作用下，將細胞內(nèi)的蛋白質(zhì)分類，從中選出靶蛋白分子，并對靶蛋白進行特異性修飾的過程。這些特殊的酶包括泛素激活酶、結(jié)合酶、連結(jié)酶和降解酶等。泛素化在蛋白質(zhì)的定位、代謝、功能、調(diào)節(jié)和降解中都起著十分重要的作用[44]。泛素化是最近發(fā)現(xiàn)的表觀遺傳另外一種重要的化學修飾。據(jù)報道，泛素和泛素化組蛋白H2A定位于腎小球基底膜中，參與缺氧誘導的熱休克反應中[45]。在缺血再灌注損傷的小鼠腎臟中，西司他丁治療可以降低HIF-1α泛素化，減少腎小管壞死和細胞凋亡[46]。蘇莫酰化是一種翻譯后修飾形式，通過這種形式，小的泛素樣修飾劑 (SUMO)與目標蛋白共價連接以調(diào)節(jié)其特性。陳徐等[47]的一項研究表明，小鼠的缺血性和順鉑腎毒性損傷中發(fā)生了腎臟蛋白質(zhì)蘇莫?；膭討B(tài)變化，并且用銀杏酸 (GA，一種蘇莫?；乃幚韺W抑制劑)抑制蘇莫?；瘯鰪婍樸K孵育期間的細胞凋亡。這表明蘇莫?；趽p傷后腎小管細胞中具有細胞保護作用。雖然其他的表觀遺傳修飾，如ADP核糖基化、脫氨、羰基化和糖基化也已經(jīng)在不同的疾病中被研究[48-51]，但它們在腎缺血再灌注損傷中的作用仍有待探索。

4 小 結(jié)

盡管在腎缺血再灌注誘導的急性腎損傷的分子基礎(chǔ)方面取得了進展，但與其相關(guān)的治療仍僅限于支持治療和功能不恢復時的腎臟替代治療。了解表觀遺傳調(diào)控的最新進展可探索這種疾病的表觀遺傳療法。表觀遺傳修飾物在腎缺血再灌注期間的異常表達，代表它可能是一個有希望的生物標志物。然而，表觀遺傳調(diào)控促進腎缺血再灌注的發(fā)生和進展的潛在機制仍未完全了解。因此，進一步剖析這些過程的表觀遺傳調(diào)控將為腎缺血再灌注損傷的表觀遺傳治療提供細胞和分子基礎(chǔ)。未來的研究需要確定表觀遺傳調(diào)控所針對的特定蛋白質(zhì)及表觀遺傳修飾在腎缺血再灌注期間受到調(diào)控的分子基礎(chǔ)。更好地了解表觀遺傳學在腎缺血再灌注損傷中的作用將有助于開發(fā)新藥和特定的治療策略。