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组蛋白去乙酰化酶与肺部疾病

2017/08/07

苏新明  任媛
中国医科大学附属第一医院呼吸与重症医学科 110001

 
 
   组蛋白去乙酰化酶(histone deacetylases, HDACs)和组蛋白乙酰基转移酶(histone acetylases, HATs)是调控组蛋白和非组蛋白乙酰化修饰的关键酶,二者通过调控组蛋白上赖氨酸残基的乙酰化修饰水平,影响核小体的空间构象,进而影响转录因子与DNA启动子的结合效率,影响基因转录的激活[1]。对于非组蛋白底物二者通过对靶蛋白进行乙酰化和去乙酰化修饰,影响其靶蛋白正常功能的发挥。研究显示HDACs不仅参与肿瘤细胞的增殖分化和凋亡,同时在机体炎症基因转录、组织纤维化以及血管再生和重塑等过程中也发挥了重要作用[2]。近年来越来越多的研究证明HDACs家族与肺部疾病密切相关,如支气管哮喘、慢性阻塞性肺疾病、肺间质纤维化、肺动脉高压、肺癌等。本文将针对HDACs与上述疾病的关系进行总结,探讨HDACs在肺部疾病治疗中的应用前景。
 
   1. HDACs与支气管哮喘

   支气管哮喘是一种以气道炎症、气道重塑及气道高反应为主要病理变化的呼吸系统疾病,在其致病过程中大量炎症基因被激活,炎性介质表达增多,最终导致气道高反应性的发生。近年来越来越多的研究发现HDACs抑制剂(TSA、VPA等)能够有效缓解哮喘气道炎症、气道重塑和气道高反应,主要表现为抑制哮喘相关Th2型细胞因子IL-4、IL-5表达,降低BALF中炎性细胞总数和嗜酸性粒细胞数,抑制杯状细胞化生及上皮下胶原沉积,缓解气道平滑肌收缩及气道高反应性等[3-6]。然而有意思的是,Kazuhiro Ito等人发现在哮喘患者体内HAT活性升高,HDACs活性降低。Royce SG等人也发现在哮喘致病时支气管肺组织中HDAC1、HDAC2和HDAC3表达水平显著降低,且HDAC2表达水平和哮喘严重程度密切相关[7]。尽管众多学者已经证实HDACs抑制剂具有潜在的抗哮喘疗效,但上述结果却预示着抑制HDACs似乎并不利于哮喘治疗。针对这一矛盾现象我们课题组检测了哮喘小鼠肺组织中不同HDACs成员(HDAC1-10)的表达型态,发现哮喘致病时肺组织中不同HDACs成员的表达分布、表达水平及酶活性均发生不同程度的改变,主要表现为:HDAC1、HDAC5、HDAC6和HDAC8的表达量显著升高,而HDAC2、HDAC3和HDAC4的表达量却显著降低,且上述HDACs成员多表达于肺组织气道上皮细胞和肺泡腔炎症细胞(国家自然金项目,组蛋白去乙酰化酶对哮喘表观调控的分子机制,81300024)。

   为了进一步了解乙酰化修饰在哮喘致病过程中所起的作用,我们课题组采用乙酰化定量修饰蛋白质组学技术,对哮喘小鼠肺组织中的乙酰化修饰位点进行了鉴定和分析,发现在哮喘致病时绝大部分组蛋白乙酰化位点的修饰水平发生了上调,而这些上调的组蛋白乙酰化修饰位点多集中在组蛋白H2B和H3上,如H3K9、H3K14、H3K18、H3K27、H3K36等[8]。同时,Qu X和Aramsangtienchai P等人发现HDAC6和HDAC8均能够介导组蛋白上H3K9的乙酰化修饰水平[9-10],而H3K9的乙酰化修饰与机体内NF-κB通路和TGF-β1/Smad2/3通路的激活密切相关[11-13]。此外,我们通过选取特异性HDAC6抑制剂(Tubastatin A HCl)、HDAC8抑制剂(PCI-34051)和广谱HDACs抑制剂(Givinostat)干预哮喘小鼠,发现三种HDACs抑制剂均能有效缓解哮喘小鼠气道炎症、气道重塑和气道高反应,但HDAC8抑制剂的抗炎效果要略优于HDAC6抑制剂,而HDAC6抑制剂在缓解哮喘气道重塑和气道高反应方面则更具有优势[14-18],这一作用特点很可能与HDAC6和HDAC8在哮喘小鼠肺组织中的表达特点及其本身的作用靶点相关,其具体机制我们将进一步深入探讨。结合现有的研究进展和研究现状,选取特异性HDACs抑制剂干预表观遗传修饰过程已成为哮喘治疗的新靶点。
 
   2. HDACs与慢性阻塞性肺疾病

   慢性阻塞性肺疾病(Chronic Obstructive Pulmonary Disease, COPD)是呼吸系统常见的以持续性气流受限为主要特征的炎症性疾病,其炎症反应主要由中性粒细胞、肺泡巨噬细胞和淋巴细胞介导。目前已经证实NF-κB转录因子在激活COPD患者体内相关炎症反应过程中发挥了至关重要的作用,而NF-κB转录因子功能的发挥又受到乙酰化修饰的调节[19]。既往研究发现HDAC1-3特异性抑制剂MS-275能够调控巨噬细胞和单核细胞内NF-κB转录因子的乙酰化修饰水平,进而影响其胞浆内活化、核内转移以及与DNA启动子的结合率等,最终影响NF-κB相关炎症因子的表达[20-22]。Leus NG等人最新研究发现MS-275能够显著抑制香烟烟雾诱导的COPD小鼠体内中性粒细胞相关炎症水平,首次明确了HDACs特异性抑制剂对COPD的治疗作用。并且其团队认为MS-275对COPD小鼠的抗炎机制,很可能是HDAC1-3通过乙酰化修饰调控巨噬细胞胞浆内NF-κB转录因子的激活、转移及其与DNA启动子的结合率,进而影响COPD相关炎症水平[23]。另有研究显示COPD患者体内HDAC2、HDAC3、HDAC5和HDAC8表达水平明显降低,HDAC6水平显著升高[24]。Hodge G等人也发现在COPD患者外周血单核细胞和淋巴细胞中HDAC2表达水平显著降低,直接影响了NF-κB炎症通路的激活水平[25-26]。而且许多学者认为COPD患者激素抵抗现象与其体内HDAC2表达和活性降低密切相关[27-28]。由此可见,选择性抑制或升高COPD患者体内HDACs成员的表达水平和活性,很可能为COPD患者治疗带来新的突破。
 
   3. HDACs与肺纤维化

   肺纤维化(Pulmonary Fibrosis, PF)是一类以成纤维细胞增殖分化、细胞外基质沉积为特征的肺部疾病的终末期改变,常伴有炎症损伤及组织结构破坏。研究显示HDACs不仅参与肿瘤的发展,还与诸多器官的纤维化相关,如慢性肾脏疾病、特发性肺纤维化(Idiopathic Pulmonary Fibrosis, IPF)、心肌纤维化、系统硬化症等[29]。Korfei M等人研究发现在IPF患者肺组织中I类(HDAC1、HDAC2、HDAC3、HDAC8)和II类(HDAC4、HDAC5、HDAC7、HDAC9)HDACs成员表达水平均发生显著上调,尤其在活化的纤维增生病灶中上述趋势更加明显[30]。既往有研究报道HDAC4能够调控Akt的磷酸化,在诱导成纤维母细胞分化及上皮间充质转化,抑制a-SMA和胶原蛋白表达过程中具有不可或缺的作用[31]。Khalil W等人也发现在IPF致病过程中,抑制成纤维母细胞中PP2A/HDAC4通路,可以逆转肺组织中TGF-β介导的a-SMA和胶原蛋白的表达,抑制肺纤维化的发生[32]。最新研究发现I类HDACs抑制剂Spiruchostatin A和Romidepsin均能够显著缓解IPF患者体内成纤维母细胞的增殖分化,抑制肺组织中细胞外基质的产生,起到抗纤维化的作用[33-34]。尤其是Romidepsin目前已被美国FDA批准用于T细胞淋巴瘤的治疗,Davies DE等人发现Romidepsin能够通过调控组蛋白乙酰化修饰水平缓解博来霉素诱导的肺间质纤维化的发生[34]。Huang等人也发现广谱的HDACs抑制剂及其类似物能够通过缓解早期IPF小鼠体内中性粒细胞性炎症水平,继而抑制肺纤维化的进程[35]
 
   4. HDACs肺动脉高压

   由COPD、间质性肺病等慢性呼吸系统疾病所致的肺动脉高压既是一种独立的疾病,也是呼吸系统常见的并发症,其病理改变常表现为肺血管阻力增加,肺动脉血管重构,最终导致右心室扩大、肥厚,右心功能衰竭。既往研究显示HDACs抑制剂能够有效缓解左心衰竭,主要表现为抑制心肌肥厚及纤维化,改善左心室的收缩和舒张功能[36-37]。而关于HDACs与肺动脉高压及右心室衰竭方面的研究并不多见,Cho YK等人在2010年研究发现,I类HDACs抑制剂VPA能够有效抑制野百合碱诱导的SD大鼠肺动脉高压及右心室肥厚的发生[38]。而在前人的研究中发现,广谱的HDACs抑制剂TSA能够有效降低心肌血管内皮细胞中VEGF、Ang-1等血管生成因子的表达。进一步敲除小鼠心肌血管内皮细胞中不同的HDACs成员后,发现II类HDACs尤其是HDAC6能够明显促进血管内皮细胞中VEGF的表达,而敲除I类HDACs却并不影响VEGF的表达[39-40]。Cavasin MA等人在选取I类HDACs抑制剂MGCD0103和MS-275(主要抑制HDAC1、HDAC2和HDAC3)干预肺动脉高压大鼠后,发现两种HDACs抑制剂均能够有效抑制由缺氧导致的肺动脉高压的发生以及肺血管平滑肌细胞的增殖和肥厚[41]。这两种HDACs抑制剂抑制肺动脉高压大鼠血管重塑的作用,很可能与其促进抗增殖因子(如CDK、Fox03a、P27等)的表达,减少抗凋亡因子(如Bcl-2等)的表达,最终抑制血管平滑肌细胞增殖相关[41]。最新研究结果显示在不同原因所致的肺动脉高压大鼠模型中I类和II类HDACs成员的表达水平均发生不同程度的改变,其中在自发性肺动脉高压大鼠体内HDAC4、HDAC5、HDAC6、HDAC7和HDAC10表达水平显著上调,HDAC8表达水平表达降低[42]。尽管目前关于HDACs家族成员究竟是如何从表观遗传修饰的角度影响肺动脉高压的发生机制仍不清楚,但是选取特异性HDACs抑制剂用于肺动脉高压的治疗已不容质疑[43]
 
   5. HDACs肺癌

   肺癌是呼吸系统最常见的恶性肿瘤之一,其发生涉及遗传、表观遗传及环境因子间的多重影响,最终原癌基因和抑癌基因平衡被打破,癌症相关通路活化。过去几十年中,诸多研究已经证实组蛋白的表观遗传修饰与肺癌的发生发展密切相关,其中肿瘤细胞内组蛋白H4的表观修饰水平明显异于正常肺组织细胞,表现为H4K5/H4K8乙酰化水平升高,H4K12/H4K16乙酰化降低,而H4K20三甲基化缺失。这一结果说明组蛋白H4的乙酰化和甲基化修饰在肺癌发病中具有至关重要的作用[44]。目前HDACs抑制剂已成为一种新型的抗肿瘤制剂,其能够通过多种途径杀死肿瘤细胞,如凋亡、自噬、坏死、活性氧及细胞周期捕获等。同时还能够通过抑制肿瘤血管再生,加强免疫调节作用抑制肿瘤的发生与发展。有研究证实HDAC1基因表达水平与肺癌的进展速度密切相关,而HDAC1和HDAC3基因的高表达往往会预示肺腺癌的预后不良[45-47]。Fan C等人的体外研究结果显示褪黑素能够通过HDAC1途径诱导氧化应激及细胞凋亡的发生,进而达到抑制肺腺癌的作用[48]。Adeegbe DO等人发现HDAC6特异性抑制剂Ricolinostat能够通过T细胞介导的免疫调节途径达到抗肿瘤的作用,尤其对于非小细胞肺癌的治疗具有独特的优势[49]。而Shieh JM等人通过基因芯片等手段发现HDACs抑制剂TMU-35435一方面能够通过线粒体凋亡途径诱导肿瘤细胞凋亡,另一方面也能启动Wnt信号通路影响非小细胞肺癌的发生与发展[50]
 
   6. 总结与展望

   HDACs作为调控乙酰化修饰的关键酶类,与机体内细胞诸多生物过程密切相关,许多研究已经证实HDACs与心脏、肝脏、肺以及肾脏等诸多系统疾病的发生密切相关。近年来HDACs抑制剂潜在的抗炎抗纤维化以及抗平滑肌增殖的作用在疾病治疗中越来越受到人们的关注,尤其是特异性HDACs抑制剂的应用已成为当前的研究热点,因此明确HDACs抑制剂的作用机制和作用靶点,有针对的选取特异性HDACs抑制剂干预机体的表观遗传修饰过程及蛋白的转录后修饰,有望为肺部疾病的治疗提供新理念。
 
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