组蛋白去乙酰化酶与支气管哮喘的关系

刘庆清，王荣丽

(西南医科大学附属医院，四川泸州646000)



组蛋白去乙酰化酶与支气管哮喘的关系

刘庆清，王荣丽

(西南医科大学附属医院，四川泸州646000)

组蛋白去乙酰化酶(HDAC)是一类广泛存在于真核细胞中的蛋白酶，通过使组蛋白去乙酰化而对基因表达调控起重要作用。支气管哮喘患者由于氧化应激、Th1/Th2失衡，肺组织中HDAC的活性降低。HDAC可通过维持Th1/Th2平衡、使糖皮质激素受体去乙酰化、调节调节性T细胞的功能在支气管哮喘的发病及治疗中发挥作用。

支气管哮喘；组蛋白去乙酰化酶；表观遗传学

支气管哮喘(哮喘)是一种由遗传和环境因素造成的慢性气道炎症性疾病。T淋巴细胞群的不平衡效应在气道炎症的发展过程中起重要作用[1]，其中主要是由Ⅱ型辅助性T细胞(Th2)免疫应答介导的炎症。近年来研究表明，表观遗传学在哮喘的发病中也可能起重要作用[2]，即环境因素可以通过引起机体表观遗传学变化，从而在哮喘的发病过程中起重要作用。表观遗传学机制涉及DNA甲基化、组蛋白修饰及非编码RNA等，可以较好地解释遗传与环境的相互作用。研究认为，组蛋白去乙酰化酶(HDAC)是炎症基因诱导及细胞增殖的重要始动因素[3]，提示其在哮喘的发生发展过程中可能起一定作用，本研究对此作一综述。

1 HDAC及其基因的表达

核小体由DNA和核心组蛋白构成。组蛋白不同的氨基酸残基可被不同的转录后修饰来调节[4]。其中乙酰化修饰是由组蛋白乙酰化转移酶(HAT)和HDAC来调节的。HAT通过使组蛋白特殊的赖氨酸残基乙酰化，其电荷发生改变，核小体由紧密变得松弛，进而与DNA的亲和力降低，压缩的染色质变得松散，使转录因子易与DNA结合，促进炎症基因的表达。而HDAC则与HAT相反，可以抑制基因的表达。此外，HAT与HDAC还可以与一些非组蛋白如基因转录因子、共调节因子以及DNA修复蛋白相互作用。HAT/HDAC的可逆性修饰可使部分信号通路分子改变或者影响部分基因转录，在哮喘的发生、发展过程中起重要作用。

2 HDAC与哮喘的关系

2.1 HDAC抑制哮喘的发生 哺乳动物的HDAC分为四类。Ⅰ类HDAC(HDAC1～3，8)存在于细胞核内，并且在所有细胞中广泛表达。Ⅱ类HDAC(HDAC 4～7，9，10)主要在细胞质中表达，根据细胞类型不同表现为特异性。Ⅲ类HDAC是尼克酰胺腺苷酸依赖的去乙酰化酶Sirtuins(SIRT 1～7)，SIRT1、6、7存在于细胞核内，SIRT2主要在细胞质中，SIRT 3～5存在于线粒体中[5]。Ⅳ类HDAC只包含1个成员HDAC11，主要在细胞核中表达，表达具有组织特异性。

哮喘是由多种细胞和细胞组分参与的气道慢性炎症性疾病，涉及气道高反应性，若长期反复发作，可导致气道重塑。有研究发现，在哮喘患者的气道标本及肺泡灌洗液的巨噬细胞中，HAT活性升高，HDAC活性降低，与正常对照组相比差异有统计学意义；且哮喘患者体内乙酰化程度升高与炎症细胞、炎症介质增多密切相关[6]。李羚等[7]采用卵清白蛋白(OVA)致敏构建哮喘小鼠模型，结果显示，哮喘组HDAC活性较其余组均降低，而HAT活性较激素治疗组明显升高。有研究表明，内源性HDAC活性对维持Th1细胞免疫应答和T型细胞免疫应答平衡及抑制过度Th2细胞免疫应答起至关重要的作用[8]。说明HDAC活性与哮喘的发生有关，哮喘患者HDAC的活性降低。有研究利用OVA诱导哮喘BALB/c小鼠模型，发现在肺泡灌洗液中HDAC活性与Th2细胞相关的细胞因子IL-4、IL-5和IL-13呈负相关，而HAT的活性与IL-13呈正相关[9]。HDAC或HAT与细胞因子的关系在细胞培养中也同样存在，在细胞培养中与Th1细胞相关的细胞因子IFN-γ的水平与HDAC的活性呈正相关，说明HDAC活性涉及维持Th1/Th2的平衡，避免了Th2细胞免疫的过度表达，Th2细胞相关细胞因子减少，气道炎症得到改善，从而抑制了哮喘的发生。

2.2 HDAC抑制哮喘发生的机制

2.2.1 维持Th1/Th2平衡 最近研究显示，HDAC在Th1/Th2反应的产生与维持过程中起重要作用。有研究用特异性的HDAC1基因敲除的T淋巴细胞小鼠构建一个体内过敏气道炎症反应模型，结果显示Th2细胞型哮喘的所有关键因子都增加，气道内炎症反应加重、嗜酸性粒细胞趋向增多、黏液高分泌、肺实质炎症，同时出现了气道抵抗。由Th2细胞介导的IL-4也增多，这说明缺乏HDAC1与提高Th2型细胞因子产生有关联[6]。应用非选择性HDAC抑制剂曲古抑菌素A(TSA)可以使T淋巴细胞乙酰化增加，倾向于Th2细胞反应，使Th1细胞与Th2细胞的平衡打破[10]，从而诱发哮喘。但HDAC在维持Th1/Th2平衡的作用有待进一步研究。

2.2.2 使糖皮质激素受体(GR)去乙酰化 在哮喘发生发展过程中，氧化应激通过诱导炎症基因表达从而产生气道炎症。其中氧化还原敏感的核因子κB(NF-κB)通过激活细胞因子，在炎症中扮演着重要角色。糖皮质激素的抗炎作用涉及抑制NF-κB介导的基因转录，这也与转录后修饰(包括HAT/HDAC修饰)使染色质重构有关[11]。HDAC可以使GR去乙酰化。GR通过招募HDAC2与NF-κB、AP-1转录因子形成复合物，从而抑制促炎基因表达炎症相关蛋白质[12]，减轻了哮喘患者气道炎症反应。

2.2.3 调节调节性T细胞(Treg)的功能 过敏性哮喘是以亢进的Th2细胞免疫应答为主要特点，Treg能够抑制Th2细胞免疫应答，从而防止哮喘的发生。已有研究表明，FOXP3叉头结构域乙酰化后与IL-2基因启动子结合，从而使IL-2的表达降低，Treg的功能得以有效发挥[13]。Treg内的FOXP3以一种复合体形式存在，该复合体内含有HAT及HDAC。FOXP3的活性是由HAT和HDAC转录后修饰调节的，FOXP3在HAT作用下乙酰化，而在HDAC作用下去乙酰化，从而分别增强或者抑制其活性[14]。研究表明，基因缺失或敲除至少两个Ⅱa类HDAC(HDAC7和HDAC9)，能使Treg在体内和体外的抑制功能增强[15]，提示HDAC通过调节Treg的功能来影响气道炎症。

2.3 HDAC在哮喘治疗中的作用

2.3.1 1,25-二羟维生素D31,25-二羟维生素D3[1,25-(OH)2D3]是维生素D3的生物活性代谢产物，是一种已知的参与矿物质代谢和骨骼平衡的甾体类激素。研究表明，在哮喘患者中如存在低水平的血清维生素D，会损害患者肺功能、增加气道高反应及糖皮质激素依赖性[16]，但其分子转录机制仍不清楚。Zhou等[17]建立OVA致敏哮喘小鼠模型，研究结果显示，OVA致敏哮喘小鼠中相应的细胞因子、HDAC水平降低，而NF-κB升高。用1,25-(OH)2D30.25 μg处理OVA致敏哮喘小鼠后，其肺泡灌洗液中炎症因子水平和气道炎症反应降低;1,25-(OH)2D3处理组和预处理组NF-κB p65 mRNA、蛋白表达降低，而HDAC2 mRNA、蛋白表达及酶活性增加。此外1,25-(OH)2D3和地塞米松对细胞因子释放、NF-κB p65表达的抑制、HDAC2表达及活性的增加有协同作用。在1,25-(OH)2D3联合地塞米松治疗组HDAC2的表达高于单独用地塞米松治疗。提示1,25-(OH)2D3可能通过提高HDAC2水平来增强糖皮质激素的功能。因此推断1,25-(OH)2D3和地塞米松在增加HDAC2的表达和提高其酶活性方面可能存在协同效应。以上提示1,25-(OH)2D3在治疗哮喘中可能通过激活HDAC2来发挥作用[17]，但关于维生素D3是否参与HDAC的调节以及如何参与尚不清楚。

2.3.2 HDAC抑制剂 糖皮质激素和β受体激动剂是目前治疗哮喘的主要手段，但二者不直接对气道重塑起作用，如气道壁结构改变、纤维化或者气道上皮的敏感性和损伤[18]。HDAC抑制剂对HDAC和非组蛋白有特定的、广泛的作用。其中一些制剂现在已用来治疗肿瘤，但越来越多的研究认为其在治疗哮喘方面也有一定作用。Banerjee等[19]的研究表明，在小鼠哮喘模型中TSA可以减轻由乙酰甲胆碱诱导的气道高反应，而不改变肺泡灌洗液中淋巴细胞数和细胞因子水平。并证实TSA在人类肺组织活检中有减少细胞内钙离子浓度和对抗支气管收缩的作用。说明TSA在对抗炎症方面无作用，而是直接影响气道平滑肌的收缩。这与Choi等[20]的研究结果相反，Choi等认为在抗原诱导哮喘小鼠模型中，TSA能抑制气道炎症，包括嗜酸性粒细胞数和肺泡灌洗液中IL-4的水平。结果不同可能与TSA的使用剂量不同及其治疗时间长短有关。目前对经典的HDAC Rpd3/Hda1蛋白家族抑制剂的研究已较为广泛和深入，该抑制剂能够通过多种途径杀伤肿瘤细胞[21]。目前已发现多种抑制剂能够在微摩尔或纳摩尔水平上有效抑制HDAC的酶活性，并且已经进入临床试验阶段。TSA在哮喘中的扩张支气管作用与抗癫痫药丙戊酸(广谱HDAC抑制剂)的效果一致，用丙戊酸处理的小鼠缺氧模型中发现，丙戊酸能够减少血管重塑和纤维化[22]。另有研究表明，丙戊酸通过干扰B细胞增殖来抑制初始B细胞向浆细胞分化，提示丙戊酸可通过影响B淋巴细胞而发挥广谱抗炎效应[23]。Ichikawa等[24]在OVA激发哮喘小鼠模型的研究中表明，SIRT1激活剂SRT1720和白藜芦醇可以抑制脾细胞产生肿瘤坏死因子α和IL-6，同时也减少脾细胞增殖。此外SRT1720能减少肺部炎性渗出和细胞因子的产生。

哮喘是一种异质性的多因素疾病，随着对表观遗传学的深入研究，环境因素影响基因的表达也越来越受到重视。表观遗传学认为环境与机体相互作用导致哮喘发生，其中以组蛋白乙酰化/去乙酰化修饰为主。这为哮喘的发生发展、治疗等提供了新的靶点。在哮喘患者中，HDAC的表达或活性可能降低，但组蛋白乙酰化/去乙酰化修饰与其他炎症因子、转录因子等相互影响、相互作用的机制仍需进一步阐明。目前相关研究多限于动物实验和细胞实验，其在临床上的疗效还需进一步研究。

[1] Apter AJ. Advances in adult asthma diagnosis and treatment in 2012: potential therapeutics and gene-environment interactions[J]. J Allergy Clin Immunol, 2013,131(1):47-54.

[2] García MP, García-García A. Epigenome and DNA methylation in oral squamous cell carcinoma[J]. Methods Mol Biol, 2012,(863):207-219.

[3] Adcock IM, Ford P, Ito K, et al. Epigenetics and airways disease[J]. Respir Res, 2006(7):21.

[4] Miller KM, Jackson SP. Histone marks: repairing DNA breaks within the context of chromatin[J]. Biochem Soc Trans, 2012,40(2):370-376.

[5] Gong F, Miller KM. Mammalian DNA repair: HATs and HDACs make their mark through histone acetylation[J]. Mutat Res, 2013,750(1-2):23-30.

[6] Grausenburger R, Bilic I, Boucheron N, et al. Conditional deletion of histone deacetylase 1 in T cells leads to enhanced airway inflammation and increased Th2 cytokine production[J]. J Immunol, 2010,185(6):3489-3497.

[7] 李羚,潘珍珍,贺建,等.组蛋白乙酰基转移酶与组蛋白去乙酰基酶在哮喘发病中的作用研究[J].中国当代儿科杂志, 2015,17(6):629-633.

[8] Cui ZL, Gu W, Ding T, et al. Histone modifications of Notch1 promoter affect lung CD4+T cell differentiation in asthmatic rats[J]. Int J Immunopathol Pharmacol, 2013,26(2):371-381.

[9] Zhang HP, Fu JJ, Fan T, et al. Histone deacetylation of memory T lymphocytes by You-Gui-Wan alleviates allergen-induced eosinophilic airway inflammation in asthma[J]. Chin Med, 2015(10):9.

[10] Batra S, Balamayooran G, Sahoo MK. Nuclear factor-kappaB: a key regulator in health and disease of lungs[J]. Arch Immunol Ther Exp (Warsz), 2011,59(5):335-351.

[11] Schuliga M. NF-kappaB Signaling in chronic inflammatory airway disease[J]. Biomolecules, 2015,5(3):1266-1283.

[12] Barnes PJ. Corticosteroid resistance in patients with asthma and chronic obstructive pulmonary disease[J]. J Allergy Clin Immunol, 2013,131(3):636-645.

[13] Tao R, de Zoeten EF, Ozkaynak E, et al. Deacetylase inhibition promotes the generation and function of regulatory Tcells[J]. Nat Med, 2007,13(11):1299-1307.

[14] Wang L, Liu Y, Han R, et al. FOXP3+regulatory T cell development and function require histone/protein deacetylase 3[J]. J Clin Invest, 2015,125(3):1111-1123.

[15] Beier UH, Wang L, Han R, et al. Histone deacetylases 6 and 9 and sirtuin-1 control Foxp3+regulatory T cell function through shared and isoform-specific mechanisms[J]. Sci Signal, 2012,5(229):45.

[16] Searing DA, Zhang Y, Murphy JR, et al. Decreased serum vitamin D levels in children with asthma are associated with increased corticosteroid use[J]. J Allergy Clin Immunol, 2010,125(5):995-1000.

[17] Zhou Y, Wang GF, Yang L, et al. Treatment with 1,25(OH)2D3induced HDAC2 expression and reduced NF-kappaB p65 expression in a rat model of OVA-induced asthma[J]. Braz J Med Biol Res, 2015,48(7):654-664.

[18] Royce SG, Karagiannis TC. Histone deacetylases and their inhibitors: new implications for asthma and chronic respiratory conditions[J]. Curr Opin Allergy Clin Immunol, 2014,14(1):44-48.

[19] Banerjee A, Trivedi CM, Damera G, et al. Trichostatin A abrogates airway constriction, but not inflammation, in murine and human asthma models[J]. Am J Respir Cell Mol Biol, 2012, 46(2):132-138.

[20] Choi JH, Oh SW, Kang MS, et al.Trichostatin A attenuates airway inflammation in mouse asthma model[J]. Clin Exp Allergy, 2005,35(1):89-96.

[21] Zhang J, Zhong Q. Histone deacetylase inhibitors and cell death[J]. Cell Mol Life Sci, 2014,71(20):3885-3901.

[22] Royce SG, Karagiannis TC. Histone deacetylases and their role in asthma[J]. J Asthma, 2012,49(2):121-128.

[23] Kienzler AK, Rizzi M, Reith M, et al. Inhibition of human B-cell development into plasmablasts by histone deacetylase inhibitor valproic acid[J]. J Allergy Clin Immunol, 2013,131(6):1695-1699.

[24] Ichikawa T, Hayashi R, Suzuki K, et al. Sirtuin 1 activator SRT1720 suppresses inflammation in an ovalbumin-induced mouse model of asthma[J]. Respirology, 2013,18(2):332-339.

王荣丽(E-mail：scybwrl@sina.com)

10.3969/j.issn.1002-266X.2016.37.038

R562.25

A

1002-266X(2016)37-0110-03

2016-04-27)