表觀遺傳修飾在蒽環(huán)類藥物導(dǎo)致心臟毒性中的作用機(jī)制研究

孫蓉蓉，李先池綜述 劉賀審校

心臟毒性，可簡單定義為“損害心臟的毒性”，在化療期間或化療之后均有可能出現(xiàn)。20世紀(jì)60年代，阿霉素(doxorubicin，DOX)首次從鏈霉菌中分離出來，是最早被發(fā)現(xiàn)的蒽環(huán)類藥物之一，可用于多種癌癥的治療，在分子水平上，DOX有穩(wěn)定拓?fù)洚悩?gòu)酶DNA異構(gòu)體的作用，能夠阻止腫瘤細(xì)胞DNA復(fù)制和轉(zhuǎn)錄[1]。近年來，癌癥的治療方法有了顯著改進(jìn)，但化療仍是癌癥治療的基石[2]。阿霉素等蒽環(huán)類化療藥物是治療乳腺癌、卵巢癌、骨肉瘤、白血病、非霍奇金和霍奇金淋巴瘤等多種癌癥最常見的化療藥物。然而，因嚴(yán)重的心臟毒性，這些藥物在臨床上的適用性受到限制[3]。DOX引起的心臟毒性可分為急性、慢性和遲發(fā)性。在給藥后幾天內(nèi)發(fā)生，或延遲至化療后數(shù)十年，出現(xiàn)擴(kuò)張型心肌病或心力衰竭，從而影響患者的發(fā)病率、病死率和生活質(zhì)量[4]。然而，DOX致心臟毒性的機(jī)制尚不完全清楚?？赡芘c氧化應(yīng)激、線粒體功能障礙、細(xì)胞凋亡、自噬等有關(guān)。表觀遺傳修飾包括DNA甲基化、組蛋白修飾和非編碼RNA(non-coding RNA,ncRNA)表達(dá)，在調(diào)控基因表達(dá)方面起著重要作用，任何一個(gè)發(fā)生異常都可能影響基因表達(dá)導(dǎo)致多種疾病如心血管疾病[5]?，F(xiàn)總結(jié)異常表觀遺傳修飾導(dǎo)致DOX誘導(dǎo)的心臟毒性機(jī)制，以及防治新方案，綜述如下。

1 表觀遺傳修飾概述

人類二倍體細(xì)胞包含23對染色體，每個(gè)染色體包含數(shù)十萬個(gè)核小體。每個(gè)核小體是染色質(zhì)的核心單位，由帶負(fù)電的DNA組成，緊密纏繞在帶正電的組蛋白對周圍，形成組蛋白八聚體[6]。表觀遺傳指DNA序列不發(fā)生變化，而基因表達(dá)發(fā)生可遺傳改變的現(xiàn)象。表觀遺傳學(xué)改變包括DNA甲基化、組蛋白修飾、非編碼RNA作用等，可參與細(xì)胞凋亡、增殖、分化及細(xì)胞周期調(diào)控、免疫、炎性反應(yīng)、代謝等病理生理過程[7]。表觀遺傳變異是環(huán)境因素和細(xì)胞內(nèi)遺傳物質(zhì)間交互作用的結(jié)果，其效應(yīng)通過調(diào)節(jié)基因表達(dá)，控制生物學(xué)表型來實(shí)現(xiàn)。任何一方面的異常都將影響染色質(zhì)結(jié)構(gòu)和基因表達(dá)。環(huán)境、生活方式、年齡、疾病、化學(xué)藥物和毒物也可能觸發(fā)病理狀態(tài)下表觀遺傳修飾[8]，引起基因轉(zhuǎn)錄表達(dá)異常，影響表型的改變導(dǎo)致疾病的發(fā)生。

以表觀遺傳學(xué)為靶點(diǎn)的療法目前正在開發(fā)中，這些表觀遺傳藥物是小化學(xué)分子，可作為關(guān)鍵表觀遺傳酶的抑制劑，也可以為表觀遺傳調(diào)節(jié)因子微小RNAs(microRNAs, miRNAs)，它在不改變基因序列的情況下調(diào)節(jié)基因表達(dá)[9]。通過互補(bǔ)序列特異性靶向mRNA發(fā)揮作用，導(dǎo)致適當(dāng)mRNA的降解，從而影響蛋白質(zhì)水平。表觀遺傳修飾在疾病中作用機(jī)制的深入研究，對于以表觀遺傳為靶向的治療策略具有重要意義。

2 表觀遺傳修飾在阿霉素心臟毒性中的作用

表觀遺傳修飾可從DNA水平(如DNA甲基化)、蛋白質(zhì)水平(如組蛋白修飾)、染色質(zhì)水平(如染色質(zhì)重塑)等多個(gè)層面上調(diào)控基因表達(dá)，被認(rèn)為是控制基因活動(dòng)的“開關(guān)”[10]。DNA甲基化和組蛋白修飾，以及非編碼RNA表達(dá)，都已被發(fā)現(xiàn)在阿霉素誘導(dǎo)的心肌毒性中起重要作用。線粒體代謝物構(gòu)成了大量輔酶因子參與人類生化途徑，包括表觀遺傳修飾[11]。例如，腺苷甲硫氨酸是DNA和組蛋白甲基化的通用底物。因此，人們認(rèn)為線粒體的破壞可能會(huì)影響心肌細(xì)胞的基因組染色質(zhì)[5]。體內(nèi)實(shí)驗(yàn)也表明，缺乏甲基供體的大鼠心肌線粒體排列紊亂可發(fā)展為心肌病。這種影響是由于線粒體活動(dòng)的主要調(diào)節(jié)因子過氧化物酶體增殖物激活受體-γ共激活因子-1α(peroxisome proliferator-activated receptor γ coactivator-1,PGC1α)活性降低所致。另外，這種降低的PGC-1α活性被發(fā)現(xiàn)是由于組蛋白修飾物脫乙酰酶-沉默信息調(diào)節(jié)因子1(silent information regulator 1,SIRT1)的下調(diào)增加了PGC-1α的乙?；蜏p少了PGC-1α的甲基化，從而表觀遺傳修飾影響了線粒體能量代謝，與阿霉素心肌毒性的機(jī)制密切相關(guān)[12]。

2.1 DNA甲基化 DNA甲基化通常被稱為以DNA為基礎(chǔ)的“第五位”，因?yàn)樗毡榇嬖谟贑pG二核苷酸中胞嘧啶的5’位。5-甲基胞嘧啶是由DNA甲基轉(zhuǎn)移酶(DNA methyltransferase，DNMTs)和DNA羥甲基化酶10-11易位(ten-eleven translocation, TET)蛋白家族等多種酶建立、維持和清除的[13]。在其中一項(xiàng)研究中，分析DOX對小鼠心肌細(xì)胞H9c2細(xì)胞的影響[14]，在DOX處理的細(xì)胞中，伴隨著糖酵解活性和基礎(chǔ)呼吸的降低，觀察到線粒體DNA轉(zhuǎn)錄的失調(diào)。重要的是，還觀察到甲基轉(zhuǎn)移酶1(DNMT1)的下調(diào)同時(shí)伴隨著整體DNA甲基化的減少。這一效應(yīng)與以往的動(dòng)物實(shí)驗(yàn)研究一致，即在用DOX治療的大鼠心臟中觀察到整體DNA低甲基化，并伴隨著核和線粒體基因組編碼的線粒體基因產(chǎn)物的異常表達(dá)。由于線粒體基因組的DNA甲基化是由DNMT1維持的，且DNMT1是唯一可以移位到線粒體的DNMT成員，氧化應(yīng)激對DNMT1的下調(diào)可能會(huì)最終影響線粒體基因組的甲基化[15]。這些研究表明，DOX可能通過線粒體功能和相關(guān)代謝產(chǎn)物的失調(diào)影響整體DNA甲基化。

2.2 組蛋白修飾 除了DNA甲基化，組蛋白修飾也與DOX引起的心臟毒性有關(guān)。這些修飾可引起染色體相關(guān)蛋白的協(xié)同或拮抗作用，導(dǎo)致在轉(zhuǎn)錄激活狀態(tài)和沉默狀態(tài)之間的動(dòng)態(tài)切換[16]。其過程由組蛋白乙?；D(zhuǎn)移酶(histone acetyltransferase, HAT)和組蛋白去乙?；?histone deacetylase, HDAC)共同調(diào)控。HAT將乙酰輔酶A的乙酰基轉(zhuǎn)移到組蛋白氨基末端特定的賴氨酸殘基上,HDAC使組蛋白去乙?；?與帶負(fù)電荷的DNA緊密結(jié)合,染色質(zhì)致密卷曲,基因的轉(zhuǎn)錄受到抑制。例如，組蛋白去乙?；?(HDAC6)在體外和小鼠模型中均被發(fā)現(xiàn)上調(diào)，導(dǎo)致α微管蛋白的脫乙?；痆17]。此外，Hanf等[18]對H9c2心肌細(xì)胞的研究也表明，有些組蛋白修飾物的表達(dá)與組蛋白的整體乙?；抡{(diào)有關(guān)，組蛋白去乙?；窼IRT1和HDAC2的表達(dá)水平受DOX處理的影響。特別是SIRT1的不同亞型表現(xiàn)出相互矛盾的表達(dá)水平。然而，白藜蘆醇在體外和體內(nèi)都被發(fā)現(xiàn)可以減輕DOX引起的心臟毒性[19]。這是由于白藜蘆醇可使SIRT1的脫乙?；钚栽鰪?qiáng)，提示其對DOX具有心臟保護(hù)作用。

2.3 非編碼RNA表達(dá) 另一個(gè)公認(rèn)的表觀遺傳修飾是對非編碼RNA(ncRNAs)的調(diào)控，包括miRNAs和長鏈非編碼RNAs(long noncoding RNAs, lncRNAs)。幾種miRNAs的異常表達(dá)已被證明與DOX介導(dǎo)的心臟毒性有關(guān)。例如，在DOX誘導(dǎo)的體外和體內(nèi)心臟毒性模型中，觀察到miR-23a、miR-34a、miR-140和miR-98的上調(diào)[20-23]。其中，miR-34a是一種眾所周知的腫瘤抑制性miRNA，其上調(diào)可抑制SIRT1，從而部分解釋了在前述研究中DOX下調(diào)HDAC的原因[21]。

另一方面，長度超過200個(gè)核苷酸的lncRNAs通過不同的機(jī)制調(diào)節(jié)基因表達(dá)。最近對lncRNAs在心血管疾病中的分子功能和臨床應(yīng)用進(jìn)行了綜述[24]。一些研究已經(jīng)證明，lncRNA可以直接“抹掉”或與miRNAs結(jié)合，從而通過競爭內(nèi)源性RNA(ceRNA)機(jī)制調(diào)節(jié)這些miRNAs的活性[25]。例如，在體外和動(dòng)物模型中，DOX可以上調(diào)LINC00339的lncRNA，通過ceRNA機(jī)制抑制miR-484。

3 阿霉素心臟毒性機(jī)制

DOX引起心臟毒性的一個(gè)被廣泛接受的機(jī)制是，DOX可使心肌線粒體中產(chǎn)生活性氧(reactive oxygen species,ROS)，在細(xì)胞內(nèi)啟動(dòng)修飾級(jí)聯(lián)反應(yīng)[14]。在線粒體中，DOX被煙酰胺腺嘌呤二核苷酸(nicotinamide adenine dinucleotide,NADH)脫氫酶還原，并經(jīng)歷氧化還原循環(huán)，產(chǎn)生ROS?；钚匝跛缴邥?huì)導(dǎo)致細(xì)胞損傷，也稱為氧化應(yīng)激。當(dāng)活性氧生成系統(tǒng)和抗氧化之間的微妙平衡被打破，由于血漿中谷胱甘肽和總抗氧化能力的下降，接受DOX治療的癌癥患者會(huì)立即遭受全身氧化應(yīng)激。ROS的產(chǎn)生還會(huì)影響DNA、RNA、蛋白質(zhì)和脂質(zhì)，還可作為二級(jí)信號(hào)分子參與體內(nèi)平衡的各種途徑，包括細(xì)胞增殖和細(xì)胞凋亡[26]。因此，在細(xì)胞內(nèi)外環(huán)境中維持適當(dāng)水平的ROS是至關(guān)重要的。因此可以推斷，氧化應(yīng)激可能是DOX引起心臟毒性的主要原因，包括心律失常、心肌病和心力衰竭[27]。

另一方面，DOX還可以擾亂細(xì)胞線粒體的代謝，這一現(xiàn)象還沒有得到充分的研究。例如，DOX可以減少線粒體NADH的積累，減弱心臟組織中的氧化磷酸化，這與葡萄糖攝取減少有關(guān)。DOX可以降低蛋白水平和AMPK磷酸化，從而導(dǎo)致應(yīng)激和代謝功能障礙[28]。綜上所述，氧化應(yīng)激的誘導(dǎo)和線粒體代謝的紊亂在DOX心臟毒性的發(fā)生發(fā)展過程中起著至關(guān)重要的作用。

4 小結(jié)與展望

雖然DOX是治療幾種癌癥的主要蒽環(huán)類藥物，但仍需關(guān)注其心臟毒性作用。在體外和體內(nèi)用DOX處理的心肌細(xì)胞中都觀察到了表觀遺傳修飾作用。雖然心臟毒性和表觀遺傳修飾之間的因果關(guān)系尚未被充分研究，但表觀遺傳修飾可能參與心臟毒性或心臟保護(hù)過程。這一過程是否由DOX介導(dǎo)的ROS或特定的信號(hào)通路參與，可能需要進(jìn)一步研究。在治療方面，化療藥物與表觀遺傳治療方法(如表觀遺傳書寫器/閱讀器/擦除器的小分子抑制劑)的結(jié)合可能會(huì)保護(hù)患者免受心臟毒性。然而，這種潛在的心臟保護(hù)劑是否會(huì)影響DOX的療效或產(chǎn)生其他不良反應(yīng)，還需要進(jìn)一步的臨床研究(即“雙刃劍”)。例如，右丙亞胺是唯一獲得美國食品和藥品管理局(FDA)批準(zhǔn)的心臟保護(hù)劑，已被證明可以預(yù)防DOX介導(dǎo)的心臟毒性[29]。然而，右丙亞胺的有益效果仍然存在爭議。總之，表觀遺傳修飾可能在DOX介導(dǎo)的心肌細(xì)胞凋亡中起作用，明確的表觀遺傳療法是否有效值得進(jìn)一步研究。