心臟發(fā)育和疾病的表觀遺傳調(diào)控機制

袁婺洲,張亞楠

(湖南師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院心臟發(fā)育研究中心,中國湖南 長沙 410081)

心臟發(fā)育是通過一系列基因調(diào)控和表觀遺傳修飾來嚴格協(xié)調(diào)、定時和校準的。傳統(tǒng)的關(guān)于心臟發(fā)育及心臟疾病的基因調(diào)控研究主要集中于細胞內(nèi)的信號通路及其下游的轉(zhuǎn)錄因子[1]。近年來,表觀遺傳學(xué)(epigenetics)的發(fā)展為研究者開啟了一種全新的視角來看待心臟發(fā)育過程與病理性重構(gòu)。表觀遺傳調(diào)控能在不改變DNA序列的情況下調(diào)節(jié)基因表達,其機制可以作用于基因組、非編碼RNA以及核小體和染色質(zhì)水平。本綜述總結(jié)了DNA甲基化、組蛋白修飾、染色質(zhì)重塑復(fù)合物和microRNAs在心臟發(fā)育中的調(diào)控作用(表1),以及近年來在動脈粥樣硬化、心力衰竭、心肌缺血、心肌纖維化等主要心臟疾病中的表觀遺傳調(diào)控研究進展,并概述了生物活性食品化合物在心臟保護中的作用。

表1 與心臟發(fā)育相關(guān)的表觀遺傳修飾Table 1 Epigenetic modifications related to heart development

1 DNA甲基化與心臟發(fā)育

DNA甲基化是唯一已知的直接影響DNA分子的表觀遺傳調(diào)控機制。它與基因印記、X染色體失活、組織特異性基因表達的調(diào)控、細胞發(fā)育、基因組穩(wěn)定性和剪接事件的調(diào)節(jié)有關(guān)[2]。DNA甲基化通常發(fā)生在哺乳動物中位于CG二核苷酸的胞嘧啶核苷酸的第5個碳上,該位點被稱為CpG位點。這些CpG位點分布在整個基因組的基因區(qū)和基因間區(qū)[3]。啟動子甲基化通常是抑制性的,其甲基化程度與啟動子的CpG密度成反比。根據(jù)CpG密度可以將啟動子分為兩類:高CpG密度啟動子(high CpG density,HCG)和低CpG密度啟動子(low CpG density,LCG)[4]。在人類基因組啟動子中,HCG啟動子約占72%。這些啟動子包含CpG島,基本上沒有甲基化,導(dǎo)致HCG啟動子整體低甲基化。它們主要是管家基因的啟動子。LCG啟動子不包含CpG島,與組織特異性基因調(diào)控有關(guān)[5]。在哺乳動物的發(fā)育過程中,DNA甲基化重編程包括甲基化標(biāo)記的刪除、重新引入和維持,它們被認為與主要細胞的譜系特化和分化過程相關(guān)[6]。

對心臟缺陷的胎兒心臟組織與正常胎兒心臟組織進行全基因組CpG位點特異性DNA甲基化分析,結(jié)果顯示:甲基化差異區(qū)域鄰近基因的表達在心臟缺陷的胎兒中表現(xiàn)出整體的低甲基化。這些基因的功能富集分析表明,低甲基化基因參與了胚胎心管的形態(tài)發(fā)生和免疫相關(guān)的調(diào)節(jié)功能,胎兒心臟缺陷可能與啟動子鄰近區(qū)域單個CpG位點甲基化改變有關(guān),從而導(dǎo)致心臟發(fā)育相關(guān)基因的差異表達[7]。

DNA甲基轉(zhuǎn)移酶(DNA methyltransferases,DNMTs)是負責(zé)維持或引入DNA甲基化標(biāo)記的酶家族。DNMT家族包括3個主要成員:DNMT1、DNMT3A和DNMT3B。其中,DNMT1與DNA甲基結(jié)合蛋白一起,在復(fù)制過程中維持DNA甲基化;DNMT3A和DNMT3B負責(zé)DNA的從頭甲基化。

有研究發(fā)現(xiàn),孕期飲酒可以導(dǎo)致胎兒酒精綜合征,其中較為嚴重的畸形便是心臟發(fā)育畸形[8～9]。這種心臟發(fā)育畸形可能與DNA甲基化修飾失衡有關(guān)。因為與對照組相比,在酒精暴露的子代小鼠心臟組織中,DNMT的活性明顯降低,肌細胞增強因子2A(myocyte enhancer factor 2A,MEF2A)的啟動子區(qū)甲基化水平也顯著降低;而受MEF2A調(diào)控的心臟發(fā)育相關(guān)基因,如心房利鈉肽基因(atrial natriuretic peptide,ANP)、β-肌球蛋白重鏈基因(β-myosin heavy chain,β-MHC)、心肌肌鈣蛋白T基因(cardiac troponin T,cTnT),在酒精處理組中的表達水平顯著升高,說明在酒精導(dǎo)致心臟發(fā)育畸形的過程中,DNMT介導(dǎo)的DNA甲基化修飾失衡可能是子代小鼠心臟發(fā)育相關(guān)基因表達異常的重要調(diào)控因素[10]。T-box轉(zhuǎn)錄因子(T-box transcription factor,TBX)也廣泛參與心臟發(fā)育的調(diào)控,包括TBX1、TBX2、TBX3、TBX5、TBX18 及 TBX20。它們在心臟發(fā)育的不同時空表達,在心臟譜系決定、心室特化、房室分割、心外膜發(fā)育和傳導(dǎo)系統(tǒng)分化中起著重要作用[11]。有研究發(fā)現(xiàn),TBX20基因啟動子區(qū)(-400～-48 bp)甲基化水平降低造成的TBX20表達增高,可能抑制了TBX2的表達,進而導(dǎo)致TBX2的mRNA及蛋白質(zhì)表達降低;而TBX20和TBX2基因的表達異常可能造成心臟房室管及流出道發(fā)育異常,這可能是導(dǎo)致法洛氏四聯(lián)癥(tetralogy of Fallot,TOF)發(fā)生的機制之一[12]。

2 組蛋白修飾與心臟發(fā)育

常見的組蛋白修飾包括乙?；⒓谆?、磷酸化、類泛素化、泛素化、生物素化和ADP-核糖基化等[13～14]。組蛋白修飾可以改變蛋白質(zhì)的靜電荷,從而改變其與DNA的相互作用,招募能夠重塑染色質(zhì)的受體蛋白,進而改變核小體的結(jié)構(gòu)。

組蛋白乙?；０l(fā)生在賴氨酸殘基上,由組蛋白乙酰轉(zhuǎn)移酶(histone acetyltransferases,HATs)家族催化[15]。常見的HATs包括GCN5(general control nonrepressed 5)相關(guān)乙酰轉(zhuǎn)移酶(GCN5-related acetyltransferase,GNAT)、延長復(fù)合蛋白3(elongator complex protein 3,ELP3)、核受體輔因子(nuclear receptor cofactor,NRCF)、E1A結(jié)合蛋白p300(E1A binding protein p300,p300)和CREB結(jié)合蛋白(CREB-binding protein,CBP)[16]。組蛋白去乙?；峭ㄟ^組蛋白去乙酰化酶(histone deacetylases,HD-ACs)來完成的,HDACs可根據(jù)序列相似性、表達、位置和酶活性分為HDACs 1～10等10種。組蛋白甲基化由組蛋白甲基轉(zhuǎn)移酶(histone lysine methyltransferases,HMTs)催化,并由組蛋白去甲基酶逆轉(zhuǎn)。組蛋白去甲基酶包括Jumonji家族成員和賴氨酸特異性去甲基酶1(lysine-specific demethylase 1,LSD-1)[17]。

組蛋白修飾對心臟的正?；虍惓０l(fā)育具有重要影響。組蛋白乙酰轉(zhuǎn)移酶p300敲除小鼠表現(xiàn)出明顯的心血管缺陷和胚胎致死率。p300可能與心臟轉(zhuǎn)錄因子的兩級調(diào)控有關(guān)。在轉(zhuǎn)錄后水平,p300直接與GATA結(jié)合蛋白-4(GATA-binding protein-4,GATA4)、Nkx2.5(NK2 homeobox 5)和 MEF2C相互作用并乙酰化,以調(diào)節(jié)它們的DNA結(jié)合和調(diào)節(jié)活性[18～19]。在轉(zhuǎn)錄水平,p300則直接與這些心臟轉(zhuǎn)錄因子的啟動子結(jié)合,激活它們的轉(zhuǎn)錄。組蛋白去乙酰化酶HDAC1和HDAC2也調(diào)控心臟發(fā)育標(biāo)志基因的表達和心肌細胞的分化。HDAC1敲除小鼠在胚胎發(fā)育的第10.5天致死[20]。而敲除HDAC2的小鼠則在出生后24 h內(nèi)死亡。HDAC2敲除小鼠出現(xiàn)心肌層增厚,說明HDAC2抑制心肌的增長[21]。在缺失HDAC2和Hopx(homeodomain-only protein homeobox)的小鼠胚胎中,GATA4的乙?；潭仍黾?且GATA4的靶基因表達上調(diào),心肌細胞增長速度加快,新生小鼠的死亡率升高。此外,同時敲除HDAC5和HDAC9會使小鼠胚胎出現(xiàn)室間隔缺損、心肌變薄的畸形,最終在發(fā)育的第15.5天死亡[22]。

除了組蛋白乙?；{(diào)控外,組蛋白甲基化狀態(tài)也影響心臟的發(fā)育。肌肉特異性組蛋白甲基轉(zhuǎn)移酶(muscle-specific histone methyltransferase,SMYD1)敲除小鼠表現(xiàn)出右室發(fā)育不全和胚胎致死[23]。組蛋白去甲基酶Jumonji家族成員的缺失會導(dǎo)致室間隔缺損和流出道缺損[24]。此外,其他賴氨酸去甲基酶如LSD-1也被證明會導(dǎo)致室間隔缺損[25]。在心臟發(fā)育過程中,H3K4me3和H3K27me3在基因調(diào)控區(qū)域的修飾狀態(tài)是心臟發(fā)育相關(guān)基因激活和沉默的雙向開關(guān),且相互影響,H3K27me3富集程度的升高和H3K4me3富集程度的下降可維持非特異基因的沉默狀態(tài),反之則促進心臟發(fā)育相關(guān)基因的表達,從而調(diào)控心臟的發(fā)育。H3-K36me2/me3和H3K27me3存在相互拮抗作用,當(dāng)一組蛋白質(zhì)上H3K36me2/me3富集程度上升時,同一組蛋白質(zhì)上H3K27me3的富集程度則會下降[26]。H3K36me3和H3K27me3的動態(tài)修飾是調(diào)控心臟正常發(fā)育的重要組蛋白甲基化修飾。

3 染色質(zhì)重塑復(fù)合物與心臟發(fā)育

細胞分化和發(fā)育過程中的基因表達模式受高度動態(tài)的染色質(zhì)結(jié)構(gòu)影響,染色質(zhì)重塑因子可以改變核小體的位置,調(diào)控基因表達,從而在心臟特化和發(fā)育過程中發(fā)揮重要的作用。ATP依賴性染色質(zhì)重塑復(fù)合物通過改變?nèi)旧|(zhì)結(jié)構(gòu)來調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)錄活性,導(dǎo)致細胞內(nèi)基因的激活和抑制[27]。這些染色質(zhì)重塑復(fù)合物由不同的蛋白質(zhì)組成,每個復(fù)合物都包含一種具有催化作用的ATP酶,可驅(qū)動核小體的置換或壓縮。根據(jù)ATP酶中是否存在額外的功能結(jié)構(gòu)域,這些染色質(zhì)重塑復(fù)合物可分為四類:SWI/SNF(mating type switching/sucrose nonfermenting)、ISWI(imitation switch)、CHD(chromodomain helicase DNA-binding)和INO80(inositol autotroph 80)[28]。

SWI/SNF染色質(zhì)重塑復(fù)合物一般由特異的ATP酶亞基Brg1(brahma related gene 1)或Brm(brahma)以及 BAF(Brg1/Brm-associated factor)等亞基組成[29～30]。研究表明,在小鼠胚胎早期發(fā)育過程中,與頭部和軀干組織相比,4個特定的BAF亞基 BAF250a、BAF60c、BAF180 和 BAF200 在心臟中的表達水平更高,這表明SWI/SNF復(fù)合物的這些亞基對心臟早期發(fā)育具有非常重要的作用[27]。

Brg1在心肌細胞發(fā)育中發(fā)揮重要作用,而BAF60c亞基能促進Brg1與轉(zhuǎn)錄因子TBX4、GATA4和Nkx2.5之間的相互作用,上調(diào)BAF60c、TBX5和GATA4的表達可以誘導(dǎo)非心臟中胚層細胞分化為跳動的心肌細胞。在心肌祖細胞中敲除Brg1基因,會造成心肌細胞的增殖障礙,從而導(dǎo)致嚴重的心臟缺陷,包括右心室發(fā)育不良、心肌變薄、流出道縮短、間隔缺損,基因敲除小鼠通常于胚胎期第10.5～11.5天死亡[31]。BAF60c是心臟結(jié)構(gòu)和功能基因表達的重要調(diào)節(jié)因子,BAF60c敲除小鼠胚胎的心臟發(fā)育不全,導(dǎo)致心臟功能障礙,包括心室壁變薄、心房隔膜減少、肌小梁發(fā)育不良、室間隔以及房室墊缺損,該類小鼠多于胚胎期第14.5天前死亡。心肌細胞中BAF60c的條件性缺失導(dǎo)致小鼠出生后形成擴張型心肌病,心臟收縮功能受損[32]。

BAF250a基因?qū)π呐K前體細胞分化為成熟的心肌細胞至關(guān)重要,BAF250a基因敲除小鼠與Brg1基因敲除小鼠的表型類似,包括右心室發(fā)育遲緩、肌小梁形成減少、室間隔和流出道形成缺陷,最終導(dǎo)致基因敲除小鼠于胚胎期第13天死亡。研究人員在BAF180敲除小鼠模型中觀察到多種心臟發(fā)育缺陷,主要為心室發(fā)育不良和間隔缺損,同時冠狀動脈的形成受到影響,這類小鼠多于胚胎期第12.5～15.5天死亡[31]。

4 microRNAs與心臟發(fā)育

microRNAs是長度為19～25個核苷酸的非編碼RNA,它們可以與靶mRNA的3′端結(jié)合,并根據(jù)互補的程度,抑制或降解mRNA序列,從而影響mRNA的穩(wěn)定性和翻譯。研究表明,microRNAs的時空分布在心臟發(fā)育中發(fā)揮重要調(diào)控作用。例如,在人類胚胎至新生兒期的發(fā)育過程中,心臟和骨骼肌的miR-1和miR-133的表達增加[33～34]。而miR-1在果蠅中的缺失是致死的,會導(dǎo)致肌球蛋白重鏈基因MHC的嚴重缺陷。現(xiàn)有研究已經(jīng)確定,miR-1的許多靶點都對心臟發(fā)育很重要,包括 HDAC4、Hand2、GJA1(編碼 connexin 43)和KCNJ2(編碼鉀通道亞基Kir2.1)[35]。在心臟發(fā)育過程中,心臟動作電位的產(chǎn)生及其傳播對于房室協(xié)調(diào)收縮的啟動至關(guān)重要,miR-1和miR-223-3p可以通過靶向Kcnd2(編碼電壓門控通道Kv4.2)轉(zhuǎn)錄本調(diào)節(jié)心臟動作電位[35～36]。miR-133也是心臟發(fā)育的重要調(diào)控因子,miR-133缺失會使成年心肌病患者出現(xiàn)心肌纖維化、心肌收縮力異常、心肌病和異常增殖等癥狀[37]。miR-122已被證明可促進心血管系統(tǒng)的細胞凋亡、炎癥、纖維化和病理性肥大,從而引起心血管纖維化和心臟功能障礙,最終導(dǎo)致高血壓、動脈粥樣硬化、心肌梗死和心力衰竭[38]。miR-499是一種心肌特異性microRNA,與人心肌細胞祖細胞(human cardiomyocyte progenitor cells,hCMPCs)一起培養(yǎng)時可誘導(dǎo)其分化[39]。其他心臟特異性microRNAs包括miR-206和miR-208。miR-208缺失導(dǎo)致心臟重構(gòu)失敗,同時也會引起心臟纖維化和肥厚生長[40]。

有研究還從發(fā)育的雞胚心臟中獲得了3種雞特異性的心臟發(fā)育相關(guān)的新microRNA序列,包括 gga-mir-N2、gga-mir-N12 和 gga-mir-N16[41]。其中g(shù)ga-mir-N2的靶基因是CACNB2和CACNA1D。CACNB2編碼心臟電壓門控鈣通道亞單位,與房顫[42]有關(guān)。gga-mir-N12作用于蛋白磷酸酶 1cγ (protein phosphatase 1cγ,PPP1CC)、鈣調(diào)蛋白1(calmodulin 1,CALM1)和真核起始因子4E(eukaryotic initiation factor 4E,EIF4E)基因,它們與胰島素信號通路相關(guān)。gga-mir-N16與Wnt信號通路之間存在顯著的關(guān)聯(lián)[41],而Wnt信號調(diào)節(jié)心臟發(fā)生的多個方面,包括心臟規(guī)范、心肌細胞增殖和瓣膜形成。這些microRNAs還包括其他幾個潛在靶點,如分泌型金屬蛋白酶家族(secreted metalloproteases,ADAMTS)成員 ADAMTS17、胰島素生長因子結(jié)合蛋白2[insulin-like growth factor(IGF)binding protein 2,IGFBP2]等,它們都被報道與心血管疾病有關(guān)聯(lián)[43]。

5 心臟疾病的表觀遺傳機制

心臟疾病包括各種先天性心臟病和后天由其他疾病或環(huán)境導(dǎo)致的心臟功能衰退及心力衰竭等疾病。這些心臟疾病都可能存在表觀遺傳修飾的調(diào)控,目前研究報道比較集中的主要是以下幾種心臟疾病。

5.1 動脈粥樣硬化

動脈粥樣硬化是一種慢性病,當(dāng)血管內(nèi)皮細胞的功能發(fā)生障礙時,脂質(zhì)在血管內(nèi)積聚,導(dǎo)致脂肪斑塊形成[44]。這些斑塊可以發(fā)生在全身血管系統(tǒng)的任何地方,是冠狀動脈疾病(coronary artery disease,CAD)、冠心病(coronary heart disease,CHD)、缺血性中風(fēng)和外周動脈疾病的主要原因[45]。據(jù)文獻報道,表觀遺傳修飾,尤其是DNA甲基化和microRNAs的調(diào)控,對動脈粥樣硬化的進展有重要影響[46](表2)。

表2 動脈粥樣硬化的表觀遺傳機制Table 2 The epigenetic mechanism of atherosclerosis

針對動脈粥樣硬化病變樣本進行的全基因組檢測顯示,一些特異基因存在明顯的甲基化改變,如ATP結(jié)合盒轉(zhuǎn)運體A1(ATP-binding cassette transporter A1,ABCA1)、金屬肽酶抑制劑1(metallopeptidase inhibitor 1,TIMP1)、二甲基精氨酸二甲氨基水解酶2(dimethylarginine dimethylaminohydrolase 2,DDAH2)、細胞凋亡蛋白的抑制劑1(cellular inhibitor of apoptosis protein 1,cIAP-1)、缺氧誘導(dǎo)因子1α(hypoxia-inducible factor 1α,HIF1α)等一系列涉及胚胎生長、糖脂代謝、血管反應(yīng)、凝血和炎癥的基因[44]。

一氧化氮合酶(nitric oxide synthase,NOS3)基因編碼內(nèi)皮一氧化氮合酶(endothelial nitric oxide synthase,eNOS)。在生理條件下,NOS3啟動子在人內(nèi)皮細胞中的甲基化水平降低或缺失,而在非內(nèi)皮細胞,如平滑肌細胞中,該基因啟動子的甲基化程度顯著增加。但在動脈粥樣硬化患者中,內(nèi)皮細胞呈現(xiàn)eNOS啟動子的DNA高甲基化,而平滑肌細胞則呈現(xiàn)eNOS啟動子的低甲基化[47]。上述特異性靶基因甲基化狀態(tài)的改變可能影響動脈粥樣硬化形成。最新研究表明,中藥制劑和復(fù)方可以通過調(diào)節(jié)DNA甲基化,影響動脈粥樣硬化相關(guān)基因的mRNA或蛋白質(zhì)的表達水平,表明中草藥可以通過調(diào)節(jié)DNA甲基化抑制動脈粥樣硬化的形成[48]。

此外,一項研究發(fā)現(xiàn),H3K9me3在炎癥和血管疾病的表觀遺傳調(diào)控中具有功能。在晚期動脈粥樣硬化斑塊中,H3K27me3普遍增加[49]。在受動脈粥樣硬化斑塊影響的人類主動脈中,腫瘤壞死因子(tumor necrosis factor,TNF)和白細胞介素-1β(interleukin-1β,IL-1β)通過H3K9me3誘導(dǎo)Rap1 相互作用因子1(Rap1-interacting factor 1,RIF1)低表達[50]。在病理條件下,H3K9me3可能還誘導(dǎo)了ASK1-相互作用蛋白-1(ASK1-interacting protein-1,AIP1B)的表達,從而增強氧化應(yīng)激和炎癥反應(yīng),促進血管重構(gòu)[50]。另一項研究表明,HAT系統(tǒng)在炎癥條件下介導(dǎo)人體巨噬細胞中NOX5(NADPH oxidase 5)的表達,并通過NOX5上調(diào)動脈粥樣硬化中失調(diào)的組蛋白乙酰化[51]。HDAC9的缺乏可促進患者炎癥反應(yīng)的消退,逆轉(zhuǎn)膽固醇的轉(zhuǎn)運,阻斷動脈粥樣硬化進展,誘導(dǎo)疾病消退[52]。

一些microRNAs也被報道參與動脈粥樣硬化的發(fā)展或調(diào)控。miR-126是內(nèi)皮細胞中表達量最高的microRNAs之一,它在血管系統(tǒng)中通過靶向血管內(nèi)皮生長因子信號發(fā)揮動脈粥樣硬化保護作用[53]。miR-181b可以抑制血管內(nèi)皮細胞核因子κB(nuclear factor-κB,NF-κB)的活性,導(dǎo)致血管細胞黏附分子(vascular cell adhesion molecule,V-CAM)和E-選擇素的表達下降[54],從而阻止動脈粥樣硬化的進展。miR-10a可以負調(diào)控血管內(nèi)皮細胞中NF-κB的活化,從而減弱有絲分裂活化激酶7(mitogen-activated kinase 7,MAP3K7)和轉(zhuǎn)化生長因子-β (transforming growth factor-β,TGF-β)活化激酶1(TGF-β activated kinase 1,TAK1)介導(dǎo)的NF-κB去抑制作用[55]。miR-33也能促進動脈粥樣硬化的形成,它通過靶向ATP結(jié)合盒(ATP-binding cassette,ABC)轉(zhuǎn)運蛋白,減弱膽固醇的外排,導(dǎo)致血脂異常[56]。

心臟和循環(huán)系統(tǒng)的microRNAs已經(jīng)成為脂質(zhì)穩(wěn)態(tài)的相關(guān)調(diào)節(jié)因子。有研究調(diào)查了冠心病患者循環(huán)系統(tǒng)的microRNAs水平,結(jié)果表明,在阻塞性冠心病患者中,let-7c-5p、miR-765、miR-483-5p、miR-31-5p和miR-206的表達上調(diào)。而在冠狀動脈嚴重狹窄患者中,miR-765、miR-675-3p、miR-433-3p和miR-93-5p的表達顯著升高,它們甚至可作為預(yù)測冠心病嚴重程度的指標(biāo)[57～58]。有報道稱,在同一急性心肌梗死患者亞組中,miR-423-5p在急性心肌梗死發(fā)生后24 h內(nèi)顯著下調(diào),而在急性心肌梗死發(fā)生6個月后表達升高。因此,血漿和血細胞中miR-423-5p的表達水平可能成為冠心病患者風(fēng)險分級的一個新的生物標(biāo)志物[59]。還有報道稱,同時上調(diào)miR-22-5p和miR-150-3p并下調(diào)miR-132-5p,可能有助于早期發(fā)現(xiàn)急性心肌梗死,從而提高目前的診斷效能[60～61]。因此,microRNAs可能作為新的心臟疾病治療靶點和預(yù)測冠心病的生物標(biāo)志物。

5.2 心力衰竭

心力衰竭(heart failure,HF)是心室充盈或血液排出結(jié)構(gòu)和功能損害導(dǎo)致心臟無法維持足夠的血液流向身體[62],是多種心血管疾病如高血壓、瓣膜病、心肌病、心律失常、肺部疾病、缺血性心臟病等發(fā)展的最終結(jié)果。根據(jù)左心室射血分數(shù)(ejection fraction,EF)的數(shù)值,心力衰竭分為3種不同的表型形式:EF降低的HF(heart failure with reduced ejection fraction,HFrEF),EF<40%;EF平均的HF(heart failure with mid-range ejection fraction,HF-mrEF),EF在40%～49%;EF保留的HF(heart failure with preserved ejection fraction,HFpEF),EF＞50%[63]。在HFmrEF患者分離的外周血單個核細胞(peripheral blood mononuclear cells,PBMNCs)中,鈉尿肽A(natriuretic peptide A,NPPA)和NPPB的基因啟動子的DNA低甲基化,從而導(dǎo)致患者心房鈉尿因子(atrial natriuretic factor,ANF)和腦鈉尿肽(brain natriuretic peptide,BNP)的蛋白質(zhì)產(chǎn)物上調(diào)[64]。在晚期心力衰竭患者中,DNA甲基化差異存在于上調(diào)基因的啟動子中,而不存在于下調(diào)基因的啟動子中[44]。

心力衰竭患者的組蛋白修飾也發(fā)生改變。有報道稱,HDAC3和DNMT1在心肌細胞肥大誘導(dǎo)的心力衰竭大鼠模型中高表達。HDAC3通過去乙酰化修飾DNMT1,促進DNMT1的表達。DNMT1通過啟動子區(qū)域的甲基化抑制含Src同源域2的酪氨酸磷酸酶-1(Src homology domain 2-containing tyrosine phosphatase-1,SHP-1)的表達,進而導(dǎo)致心肌細胞肥大誘導(dǎo)的心力衰竭的發(fā)生[65]。類泛素修飾劑(small ubiquitin-like modifiers,Sentrin/SUMOs)是一種新型的類泛素蛋白質(zhì),它能對大量蛋白質(zhì)進行共價修飾。許多證據(jù)表明,Sentrin/SUMO特異性蛋白酶(Sentrin/SUMO-specific proteases,SENPs)誘導(dǎo)的去SUMO化,在決定蛋白質(zhì)的SUMO化狀態(tài)和活性方面起著至關(guān)重要的作用。SENP1上調(diào)在心肌細胞對肥厚刺激的反應(yīng)中起作用,SENP1激活心臟過氧化物酶體增殖激活受體共激活因子-1α(cardiac peroxisome proliferator-activated receptor coactivator-1α,PGC-1α)的表達,而PGC-1α是一個強有力的線粒體基因。線粒體網(wǎng)絡(luò)的失調(diào)會導(dǎo)致肌節(jié)結(jié)構(gòu)的缺失、心肌病和心力衰竭,SENP1基因的過表達可能通過改變線粒體的功能而導(dǎo)致心力衰竭發(fā)生[66]。

同樣,一些microRNAs的表達差異也可以區(qū)分HFrEF和HFpEF的表型。例如:在HFrEF和HFpEF 中,miR-30c、miR-125a-5p、miR-190a、miR-146a、miR-221、miR-328、miR-375、miR-550a-5p和miR-638都出現(xiàn)差異表達[67]。HFpEF患者有效的運動康復(fù)可能會對miR-126的血漿水平產(chǎn)生積極影響,因此miR-126可能是評估HFpEF患者運動康復(fù)療效的潛在生物標(biāo)志物[68]。針對心力衰竭末期患者的研究發(fā)現(xiàn),miR-340是心力衰竭發(fā)生和發(fā)展的關(guān)鍵因素[69]。此外,miR-181b可能是心力衰竭的潛在生物標(biāo)志物,可為心力衰竭的治療提供新的靶點[70]。還有報道稱,細胞質(zhì)核酸內(nèi)切酶(cytoplasmic endonuclease,Dicer)的缺失可誘導(dǎo)擴張性心肌病和心力衰竭的發(fā)生[71]。

5.3 心肌缺血

心肌缺血(myocardial ischemia)是指心臟血流灌注減少,心肌細胞供氧不足,能量代謝發(fā)生異常,導(dǎo)致心肌部分梗死的疾病。表觀遺傳調(diào)控參與多種缺血性心臟病的發(fā)生過程,對心肌缺血的診斷和治療具有重要作用。

在心肌缺血過程中,血清及心臟組織中的全基因組甲基化水平明顯升高,心臟組織中DNA甲基化水平的異常會加重心肌缺血[72]。有研究發(fā)現(xiàn),冠心病患者外周血淋巴細胞中的全基因組甲基化水平升高;基于鼠、兔等動物心肌缺血模型的研究表明,心肌缺血時,血液細胞中的全基因組甲基化水平也明顯升高,因此全基因組甲基化水平可以作為心血管疾病診斷和預(yù)測的生物標(biāo)志物[73]。在冠心病患者血樣中,TIMP1、ABCA1和乙酰輔酶A乙酰轉(zhuǎn)移酶1(acetyl-CoA acetyltransferase 1,ACAT1)的甲基化水平與正常人相比明顯升高,提示這些特定基因的甲基化在心肌缺血過程中發(fā)揮重要作用[74]。DDAH2啟動子區(qū)的甲基化水平的升高,會明顯加重心肌缺血后的心臟損傷[75]。有研究報道,尼古丁會加重大鼠心肌缺血造成的左心室損傷,DNA甲基化抑制劑5-Aza(5-azacytidine)能顯著逆轉(zhuǎn)尼古丁引起的心肌缺血損傷,增加冠狀動脈血流量,對心肌缺血起到治療作用[76]。

大多數(shù)HDACs會加重心肌缺血造成的損傷。有研究發(fā)現(xiàn),Ⅲ類HDACs中的線粒體NAD+依賴性賴氨酸去乙?；?mitochondrial NAD+dependent lysine deacetylase,SIRT)家族中的SIRT 1～6對心臟具有保護作用[77]。SIRT1敲除小鼠的心臟會喪失心肌內(nèi)源性保護,加重心肌缺血造成的損傷。缺血再灌注或是急性心梗后,過表達SIRT1會使心肌梗死面積減小。SIRT1主要是通過抑制心肌細胞促凋亡因子Bax(B-cell lymphoma 2 associated X)、胱天蛋白酶-3(caspase-3)的表達,促進Bcl-xL(B-cell lymphoma-extra large)等基因的表達,改善氧化應(yīng)激,進而保護心肌功能。在小鼠心臟缺血再灌注模型中,SIRT3敲除小鼠的心臟功能恢復(fù)困難,梗死面積增大[78]。SIRT3的缺失會導(dǎo)致線粒體膜的通透性增強,Ca2+嚴重超載,心臟功能完全喪失恢復(fù)能力;下調(diào)SIRT5的表達會使心肌梗死面積增大,過表達SIRT5則能夠減輕心肌缺血造成的心肌細胞損傷,緩解線粒體呼吸鏈的紊亂情況[79]。

在心肌缺血過程中,microRNAs也參與細胞凋亡、氧化應(yīng)激及Ca2+超載等損傷機制。在大鼠心肌缺血再灌注模型中,miR-22的表達明顯下調(diào),過表達miR-22會使心臟梗死面積減小,左心室功能增強,冠狀動脈的血流量明顯升高。進一步研究發(fā)現(xiàn),miR-22通過抑制Bax、p53等凋亡因子的表達改善心肌功能[80]。在心肌缺血過程中,線粒體功能發(fā)生障礙,而miR-15a/b可以調(diào)節(jié)細胞能量代謝,抑制心肌損傷[81]。上調(diào)miR-145的表達可以改善氧化應(yīng)激損傷,恢復(fù)心肌功能,同時,miR-145還參與了心肌缺血后的Ca2+超載過程[82]。此外,miR-1298的過表達顯著減少了心肌缺血再灌注大鼠心臟的梗死面積,降低了心肌細胞凋亡速率[83]。miR-214可以減輕心肌細胞內(nèi)的Ca2+超載,緩解心肌損傷,恢復(fù)左心室功能[84]。在心肌缺血過程中,細胞自噬水平增加,過度自噬會加重心肌損傷。研究報道,miR-221可以減少細胞自噬,保護缺血損傷后的心肌細胞[85]。

5.4 心肌纖維化

心肌纖維化(myocardial fibrosis)是指心肌細胞外基質(zhì)纖維化蛋白質(zhì)的過度沉積會形成瘢痕組織,導(dǎo)致心壁硬度增加,心肌舒張功能障礙,從而影響心肌組織的功能。持續(xù)的纖維化會降低心肌組織的順應(yīng)性,加速心力衰竭的發(fā)生。當(dāng)心臟暴露在壓力負荷、心肌梗死等病理條件下時,為了維持心臟的正常結(jié)構(gòu),心肌成纖維細胞會激活增殖,其分泌的纖維化蛋白質(zhì)在細胞外基質(zhì)過度沉積,最終致使心衰的發(fā)生[86]。近年來的研究發(fā)現(xiàn),表觀遺傳調(diào)控多種與心肌纖維化相關(guān)的基因表達。

多種基因的DNA甲基化在心肌纖維化的發(fā)生中發(fā)揮作用。在缺氧的條件下,缺氧誘導(dǎo)因子HIF-1α可以誘導(dǎo)DNA超甲基化,促進DNMT1、DNMT3B的表達。TGF-β通過經(jīng)典的TGF-β/smad通路,上調(diào)多種纖維化相關(guān)基因的表達,促進心肌纖維化,而DNMT抑制劑則可以抑制TGF-β的促纖維化作用[87]。有研究表明,心肌成纖維細胞增殖激活的過程會降低RASSF1A基因(tumor suppressor gene)的表達,增加DNMT3A的表達,并且DNMT3A抑制RASSF1A基因的表達,最終導(dǎo)致心肌纖維化的發(fā)生[88]。據(jù)報道,過度的細胞自噬會加劇心肌纖維化,DNMT3A抑制miR-200b的表達,促進主動脈縮窄小鼠心臟細胞自噬的發(fā)生[89]。miR-369-5p下調(diào)DNMT3A的表達,抑制心肌纖維化的發(fā)生[90]。Ras蛋白激活劑1(Ras protein activator like 1,RASAL1)的啟動子區(qū)域超甲基化,促進Ras信號通路激活,從而引起心肌纖維化,TET(ten-eleven translocation methylcytosine dioxygenase)則通過誘導(dǎo)RASAL1啟動子去甲基化減輕心肌纖維化[91]。

另有報道顯示,CTRP3(C1q and TNF related 3)抑制組蛋白乙酰轉(zhuǎn)移酶p300與TGF-β家族受體下游的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)分子Smad3之間的作用,從而降低心肌纖維化[92]。賴氨酸乙酰轉(zhuǎn)移酶(lysine acetyltransferase 8,KAT8/MOF)是心肌纖維化中重要的調(diào)節(jié)因子,可以激活NOX的轉(zhuǎn)錄,敲除MOF可顯著降低缺氧誘導(dǎo)的心肌梗死及纖維化面積[93]。選擇性抑制Ⅰ類HDACs,能阻斷心肌成纖維細胞的細胞周期進程,從而抑制血管緊張素Ⅱ誘導(dǎo)的心肌纖維化水平[94]。H3K9特異性甲基轉(zhuǎn)移酶(H3-K9-specific methyltransferase,G9a)能夠催化H3-K9甲基化,G9a的敲除會增加心肌纖維化水平,加劇心肌肥厚[95]。研究發(fā)現(xiàn),賴氨酸脫甲基酶4A(lysine demethylase 4A,KDM4A)的缺失,能夠改善主動脈縮窄小鼠的心肌纖維化程度[96]。

在人及小鼠心肌纖維化發(fā)生中,miR-125b的表達顯著增加,抑制miR-125b的表達可以降低血管緊張素Ⅱ誘導(dǎo)的心肌纖維化程度[97]。抑制主動脈縮窄小鼠中miR-21的表達可以抑制心肌間質(zhì)纖維化,減輕心功能障礙[98]。心梗后,心臟巨噬細胞過表達miR-21可以降低心肌纖維化水平[99]。當(dāng)心臟暴露在壓力負荷、心肌梗死等病理條件下時,miR-25和miR-29等促進心肌纖維化,而miR-101a/b和miR-378等抑制心肌纖維化的進程[99]。因此,探索microRNAs調(diào)控心肌纖維化的病理過程,有助于發(fā)現(xiàn)心肌纖維化的診斷標(biāo)志物或者治療靶標(biāo)。

6 食用表觀遺傳活性功能食品對心臟的保護作用

食物對人類表觀基因組的影響已經(jīng)成為一個新的研究熱點,甚至有研究發(fā)現(xiàn):每天食用經(jīng)科學(xué)證明對健康有益的功能性食品或攝入表觀遺傳活性化合物,可降低死亡風(fēng)險并預(yù)防心力衰竭和其他心血管疾病[100]。

前面述及,DNMTs和HNMTs是DNA和組蛋白甲基化調(diào)節(jié)的關(guān)鍵酶類[101],它們都是利用線粒體S-腺苷-L-甲硫氨酸(S-adenosyl-L-methionine,SAM)產(chǎn)生甲硫氨酸,繼而產(chǎn)生腺苷同型半胱氨酸(S-adenosylhomocysteine,SAH),后者再轉(zhuǎn)化為同型半胱氨酸(homocysteine,HCY)。SAM是有效的甲基供體,而SAH是DNMTs和HNMTs活性的有效調(diào)節(jié)劑。膳食葉酸和維生素B1是HCY轉(zhuǎn)化為甲硫氨酸所必需的,并可能調(diào)節(jié)染色質(zhì)甲基化。葉酸水平過低和血清HCY水平過高與心血管疾病患者甲基化程度高、冠心病及血管功能障礙有關(guān)[102]。而豌豆、動物肝臟和強化的早餐谷物都含有葉酸和維生素B1。

HATs催化乙?；鶑囊阴］o酶A轉(zhuǎn)移到組蛋白的賴氨酸殘基上,易受糖酵解或組蛋白賴氨酸殘基濃度的影響,因為乙酰輔酶A和β-羥基丁酸酯都是由丙酮酸衍生而來。研究發(fā)現(xiàn),膳食化合物,如姜黃素、兒茶素、染料木素、二烯丙基二硫化物,可以調(diào)節(jié)HATs活性,而β-葡聚糖、蘿卜硫素、姜黃素、丁酸鹽、白藜蘆醇、槲皮素可以調(diào)節(jié)HDACs的活性[101]。腸道微生物的纖維發(fā)酵可增加丁酸水平[103],而大麥β-葡聚糖[barley-derived(1.3)β-D-glucan,BBG]可抑制Ⅰ類HDACs,并增加培養(yǎng)的人內(nèi)皮細胞中的線粒體抗氧化狀態(tài)[104]。在體內(nèi),定期攝入含3%BBG的意大利面可通過激活促血管生成機制和線粒體自噬,保護缺血再灌注小鼠心臟[105]。

NAD+是細胞氧化還原反應(yīng)期間產(chǎn)生的一種輔酶,它調(diào)節(jié)Ⅲ類HDACs,即SIRTs。SIRTs通常在動物模型和人類中都具有心臟保護作用。煙酰胺核苷(一種牛奶中富含的NAD+前體)可以促進SIRT1活性,從而預(yù)防敗血癥小鼠的心臟損傷[106]和老年人的動脈僵硬。

流行病學(xué)和隨機臨床試驗初步發(fā)現(xiàn):食用傳統(tǒng)的天然食品可通過表觀遺傳機制對心臟產(chǎn)生保護作用(表3)。例如,食用堅果與心血管死亡風(fēng)險降低有關(guān),原因是經(jīng)常攝入堅果可以改變腸道微生物群DNA甲基化水平[107]和丁酸產(chǎn)量的變化,改善內(nèi)皮功能以及血脂分布。當(dāng)然,由于遺傳差異,腸道微生物群對類似膳食纖維攝入量的反應(yīng)在不同個體之間具有差異性。有報道顯示,磨細的亞麻籽可顯著降低血壓和膽固醇水平,減輕炎癥,改善血管舒張[108]。同樣,人體每天攝入3～5 g植物葡聚糖可以降低低密度脂蛋白(low-density lipoprotein,LDL)-膽固醇和餐后血糖水平,這與相對分子質(zhì)量較高的β-葡聚糖可以增加類桿菌、產(chǎn)生丙酸(HDACs抑制劑)從而提高降膽固醇效果有關(guān)[109]。野生漿果和一些野生綠色蔬菜(如馬齒莧、石蕊)富含丙氨酸,核桃、油菜籽和特級初榨橄欖油中也含有豐富的丙氨酸,適量增加丙氨酸的攝入量對心臟有保護作用[110]。

表3 功能性食品的心臟保護效應(yīng)Table 3 Cardioprotective effects of functional foods

很多報道顯示,紅酒中的多酚(即白藜蘆醇、花青素、原花青素、楊梅素、槲皮素和單寧)、啤酒中的有效成分(即酚酸、前烯基查爾酮、黃酮、兒茶素和花青素)、可可中的黃烷醇和黃酮醇以及咖啡多酚(咖啡酸和綠原酸)都具有表觀遺傳活性,是人類DNMTs的有效抑制劑,可通過改善血脂、內(nèi)皮功能和血壓來保護心臟[111～113]。

雖然上述實驗和臨床數(shù)據(jù)表明,生物活性食品可以調(diào)節(jié)心臟保護基因的表達,但是評估傳統(tǒng)食品功能的臨床試驗與涉及藥物的臨床試驗不同,因為食物成分及其濃度、食品加工方式與程度、生物轉(zhuǎn)化量及代謝等諸多方面與各種表觀遺傳因素的相互作用很難定量界定,所以表觀遺傳活性化合物對心臟的保護作用還有待更準確地評估。

7 結(jié)語

本文綜述了心臟發(fā)育和心臟疾病表觀遺傳機制的最新研究成果,其中DNA甲基化、組蛋白修飾、染色質(zhì)重塑復(fù)合物和microRNAs在心臟發(fā)育中發(fā)揮重要作用。DNMTs介導(dǎo)的DNA甲基化修飾失衡,以及一些心臟發(fā)育調(diào)控基因啟動子區(qū)甲基化水平的改變,會導(dǎo)致心臟發(fā)育異常。催化組蛋白乙?；⑷ヒ阴；?、甲基化等相關(guān)酶的缺失會造成心臟發(fā)育缺陷,甚至?xí)?dǎo)致胚胎致死。染色質(zhì)重塑復(fù)合物是由具有ATP酶依賴性的功能亞基組成,這些功能亞基的異常表達或缺失也會造成心臟發(fā)育缺陷。microRNAs參與轉(zhuǎn)錄后水平的表觀遺傳調(diào)控機制,其時空分布在心臟發(fā)育中發(fā)揮重要的調(diào)控作用。

動脈粥樣硬化病變中存在明顯的基因組甲基化改變,組蛋白甲基化和乙酰化在動脈粥樣硬化的形成過程中也發(fā)揮作用,此外,一些microRNAs可以促進或阻止動脈粥樣硬化的形成,并且可能是心臟疾病新的治療靶點。心力衰竭是多種心血管疾病發(fā)展的最終結(jié)果,心力衰竭患者的DNA甲基化水平和組蛋白修飾發(fā)生改變,一些micro-RNAs的表達差異可以區(qū)分心力衰竭患者的表型。在心肌缺血過程中,血清及心臟組織中的全基因組甲基化水平明顯升高,大多數(shù)HDACs會加重心肌缺血造成的損傷。同時,microRNAs也參與心肌缺血后的損傷機制。多種基因的DNA甲基化以及組蛋白修飾酶在心肌纖維化的發(fā)生中發(fā)揮作用,microRNAs在心肌纖維化的病理過程中的表達發(fā)生改變。

當(dāng)前,大多數(shù)心臟發(fā)育和心臟疾病表觀遺傳調(diào)控機制的研究熱點是識別細胞特異性的表觀遺傳調(diào)控靶點,以獲得心臟疾病的預(yù)防機制。表觀遺傳活性功能食品的心臟保護作用為心臟發(fā)育的機制研究和心臟疾病的治療方向提供了新的視角。雖然臨床數(shù)據(jù)強烈支持有效的飲食干預(yù)在心血管疾病保護中的作用,但是現(xiàn)在人們面臨的挑戰(zhàn)是需要進一步確定不同飲食模式下心臟表觀基因組的適應(yīng)性調(diào)節(jié)機制。一些創(chuàng)新性的生物信息學(xué)工具,可以識別心血管疾病潛在的基因和分子調(diào)控網(wǎng)絡(luò),從而為患者的精準診斷和個性化治療開辟新領(lǐng)域。但是,這些眾多的表觀遺傳修飾機制在誘導(dǎo)心臟發(fā)育和心臟疾病的過程中,是協(xié)同還是競爭？與哪些因素有關(guān)？這些問題仍亟待解決。