组蛋白修饰在砷中毒发病机制中的研究进展

侯 腾，马 璐，张爱华*

(贵州医科大学环境污染与疾病监控教育部重点实验室/公共卫生学院卫生毒理学教研室，贵州 贵阳 550025)

地方性砷中毒是由于特定地区的居民从饮水、空气或食物中长期摄入过量的砷化物所引起的涉及全身多器官损害的生物地球化学性疾病。长期慢性砷暴露将增加人群皮肤癌、肝癌、肺癌、膀胱癌等癌症的发生风险[1]，目前已成为严重的世界性公共卫生问题[2-3]。在政府和医疗科研等工作者多年的参与下，通过改水、改灶、健康教育等一系列惠民措施有效地阻断了高砷暴露，地方性砷中毒防治工作取得显著成效。但地方性砷中毒因其作用机制仍不明确、缺乏特效药物及早期生物学标志物等因素无法彻底控制，不仅危害着病区群众的身体健康，而且阻遏着病区的社会进步与经济发展。地方性砷中毒作为脱贫攻坚战中重要的环节，仍成为全国重点地方病防治规划项目之一，受到政府和科研工作者的高度重视[4-5]，其发病机制与防治策略还需深入探寻与研究。

目前地方性砷中毒所致的损伤及其机制研究多集中在遗传损伤、氧化应激反应、免疫与炎症诱导、信号通路转导、表观遗传修饰等研究方向，其中表观遗传修饰不仅与砷暴露有关联，还可通过调控靶分子的表达影响生物性结局的发生发展[6-7]。此外，基于表观遗传学的可逆性特征，能有效逆转不利基因的异常表达，成为砷中毒机制中一大研究热点[8]。表观遗传修饰包括DNA甲基化、组蛋白修饰、非编码RNA、染色质重塑等模式。组蛋白修饰作为表观遗传修饰的重要模式之一，能稳定激活或抑制基因的表达[9]。组蛋白修饰的模式较为复杂，目前已知模式包括甲基化、乙酰化、磷酸化、腺苷酸化、泛素化、ADP核糖基化等修饰过程。Li等[10]研究表明砷暴露可能导致组蛋白修饰的改变。近年来，研究者通过大量人群研究及动物实验证实，砷暴露可引起H3K4me3、H3K9ac、H3K9me2、H3K18ac、H3K27ac、H3K27me3、H4K16ac蛋白表达发生改变[11-15]。组蛋白修饰可能通过调控关键分子的表达参与砷中毒的发生发展，并在砷诱导的遗传损伤、氧化应激、免疫功能紊乱、凋亡、DNA甲基化中发挥作用，故从组蛋白修饰角度深入开展砷中毒机制研究，有望为地方性砷中毒提供新的治疗靶点及防控手段。因此，本文拟对组蛋白修饰在砷中毒发病机制的研究进展进行综述。

1 组蛋白修饰与砷诱导的遗传损伤

研究人员通过一系列的体内外研究，发现组蛋白修饰可能通过影响基因组的稳定性和抑制DNA损伤修复过程参与砷诱导的遗传毒性的发生发展。牛林梅等[16]研究发现H3K4甲基化的修饰缺陷，可导致人永生化支气管上皮细胞株HBE在砷染毒时的双核微核率升高，阐明组蛋白H3K4修饰改变可能在亚砷酸钠诱导的DNA损伤中起作用。张帆等[17]研究发现亚砷酸钠处理人成骨肉瘤细胞株后可导致H2B赖氨酸第120位出现泛素化，进一步研究发现，H2BK120能与RNF20-RNF40异二聚体(一种可催化H2BK120的环指E3泛素连接酶)的结构域结合，继而通过减少DNA双链断裂位点上的BRCA1和RAD51蛋白的招募，来抑制DNA双链断裂修复，该研究揭示了亚砷酸钠可能通过靶向组蛋白E3泛素连接酶的RING指状结构域中的半胱氨酸残基来发挥其致癌作用，从而改变组蛋白表观遗传标记并损害DNA双链断裂修复。上述研究提示组蛋白修饰相关酶结构域的改变可能是砷诱导遗传损伤发生的危险信号。

人群流行病学研究也显示组蛋白修饰与DNA损伤或染色体畸变显著关联。本课题组前期研究[18-19]发现砷暴露导致人外周血淋巴细胞H3K9me2、H3K36me3、H4K20me1、H4K20me2的修饰水平与DNA损伤呈相关关系，H3K14ac水平与染色体畸变率呈正相关关系[20]，提示人外周血淋巴细胞组蛋白H3K9me2、H3K36me3、H4K20me1、H4K20me2、H3K14ac修饰水平的增加可能为砷致遗传毒性的表观遗传标记。组蛋白修饰还可能通过抑制DNA损伤修复途径来介导砷致DNA发生损伤。一项孟加拉国研究表明砷暴露后导致H3K79me1水平显著上调，并引起DNA双链断裂的标志物γH2AX上调，有趣的是，进一步研究显示H3K79me1可能募集肿瘤抑制蛋白53BP1在双链断裂位点不断蓄积，从而抑制DNA损伤修复，该研究提示H3K79me1在砷诱导的DNA损伤中起作用[21]。碱基切除修复作为DNA损伤修复途径之一，在维持生物细胞正常功能上发挥着关键作用。本课题组为探讨砷中毒患者碱基切除修复基因与组蛋白修饰水平的相互关系，发现砷暴露人群外周血淋巴细胞及皮肤组织中的H4第20位赖氨酸甲基化(H4K20me1)修饰水平不仅与DNA损伤水平呈现正相关，还与外周血聚腺苷酸二磷酸核糖聚合酶-1(PARP1)、N-甲基化嘌呤-DNA-糖基化酶(MPG)、X射线修复交叉互补基因1(XRCC1)基因mRNA转录水平呈现负相关，提示砷可能通过改变H4K20me1修饰水平参与调控砷中毒致DNA损伤修复过程，DNA修复能力不断减弱则可能造成DNA损伤加重[22]。提示组蛋白修饰可能作为砷诱导遗传毒性或启动DNA损伤修复的标志，如何针对组蛋白修饰关键靶点进行有效干预将成为逆转砷诱导遗传损伤的核心问题。

2 组蛋白修饰与砷诱导的氧化应激

近年来，众多学者通过探讨组蛋白对氧化应激反应通路及抗氧化酶表达的调控机制，深入研究组蛋白在砷诱导氧化应激中的作用，为砷中毒的发生发展研究开辟新的方向。Ray等[23]用亚砷酸钠处理人永生化角质形成细胞，发现血红素加氧酶-1(heme oxygenase-1，HO-1)和c-JunN-末端激酶所激活的组蛋白H3丝氨酸10磷酸化(H3S10)的表达增加，且在HO-1启动子区检测到H3S10的富集，而且亚砷酸钠诱导的核因子NF-E2相关因子(nuclear factor erythroid 2-related factor 2，Nrf2)与抗氧化反应元件(antioxidant responsive element，ARE)结合先于HO-1 ARE的H3S10磷酸化，研究提示Nrf2可能通过影响HO-1 ARE启动子区的H3S10磷酸化促进砷诱导HO-1的表达。马璐等[24]研究发现燃煤污染型砷中毒人群的外周血淋巴细胞中H3K18ac与H3K36me3不仅响应于砷暴露水平，还与尿8-羟基脱氧鸟苷(8-hydroxy-2-deoxyguanosine，8-OHdG)含量相关，提示H3K18ac、H3K36me3可能参与砷诱导氧化损伤。马璐等进一步在人胚胎肾HEK和人永生化角质形成细胞模型中发现，亚砷酸钠可通过调控谷氨酸-半胱氨酸连接酶催化亚基、谷氨酸-半胱氨酸连接酶调节亚基、HO-1、热休克蛋白90α家族A类成员1、超氧化物歧化酶1等氧化应激反应相关基因启动子区H3K18ac的富集水平，诱导基因表达异常，从而导致氧化应激甚至氧化损伤的发生。综上，组蛋白修饰不仅与砷暴露相关，还影响氧化应激反应基因的表达改变，提示组蛋白修饰可能参与调控砷诱导氧化应激过程。所以深入探讨组蛋白修饰在砷诱导氧化应激中的作用，可为砷中毒发病机制开辟新的研究思路。

3 组蛋白修饰与砷诱导的机体免疫功能紊乱

组蛋白修饰作为影响基因表达的关键因素，在砷致机体免疫功能紊乱中扮演着重要的角色，砷可激活机体免疫防御系统并增加组蛋白分子的异常表达。研究人员用亚砷酸钠处理人类胚胎肾HEK-293细胞，发现促炎性细胞因子IL-8启动子区组蛋白H3乙酰化富集，从而促进IL-8 mRNA和蛋白表达水平异常，进而通过炎症细胞的募集和激活参与砷中毒过程[25]。人群流行病学调查也显示组蛋白修饰可能在砷的免疫调控机制中具有重要意义。在阿根廷安第斯山区，Pournara等[26]通过检测饮水型砷中毒人群外周血细胞中CD4+和CD8+细胞的组蛋白修饰水平，结果显示随着砷暴露的增加，CD4+细胞中总体H3K9me3水平显著降低。研究提示组蛋白修饰可能为砷致机体免疫功能紊乱的新靶点，但组蛋白修饰是如何与免疫相关因子发生作用参与砷致机体免疫功能紊乱，以及是否可以将其作为砷致机体免疫功能紊乱的监测指标，需要科研工作者进一步深入探索。

4 组蛋白修饰与砷诱导的细胞凋亡

目前，组蛋白修饰与砷诱导的细胞凋亡研究大多集中于砷化合物在白血病和其他肿瘤的治疗方面。李乃农等[27]用组蛋白去乙酰化酶抑制剂(SAHA)、As2O3联合处理人急性早幼粒细胞白血病(acute promyelocytic leukemia，APL)衍生的NB4细胞株(NB4 cell line，NB4)，发现组蛋白H3和组蛋白H4显著上调时，NB4细胞增殖受到抑制并出现大量凋亡，提示组蛋白可能参与As2O3诱导NB4细胞凋亡过程。李江等[28]用As2O3处理急性早幼粒细胞白血病APL衍生的NB4细胞株，发现组蛋白H3赖氨酸14(H3K14)的乙酰化及H3丝氨酸10(H3S10)的磷酸化水平增加，并且染色质免疫沉淀检测发现As2O3有效地增强了半胱氨酸蛋白酶CASPASE-10启动子区的H3K14的乙酰化及H3S10的磷酸化，该研究表明As2O3可能通过组蛋白修饰作用促使细胞凋亡。徐敏等[29]用中药雄黄的提取物二硫化砷(As2S2)处理骨髓单个核细胞，发现As2S2通过增加组蛋白乙酰化修饰的调控作用来抑制单个核细胞增殖，同时诱导骨髓单个核细胞的凋亡。该研究提示As2S2可能通过组蛋白乙酰化促进单个核细胞发生凋亡，进而影响骨髓异常增多综合症。虽然该类研究探讨的是砷化合物在治疗肿瘤过程中组蛋白修饰的调控机制，但也提示砷化合物可通过诱导组蛋白修饰改变调控凋亡，因此深入探讨组蛋白修饰在砷致正常细胞凋亡的分子机制，可能对揭示砷中毒发病机制具有重要参考价值。

5 组蛋白修饰与其他表观遗传修饰模式相互调控在砷中毒中的作用

组蛋白修饰与DNA甲基化作为表观遗传修饰网络中重要的组成部分，二者通过相互作用共同参与砷致肿瘤恶性转化过程，已成为砷发挥毒性作用的关键诱因。Jensen等[30]用亚砷酸盐 [arsenite， As(III)]及 一 甲 基 砷 酸 (monomethylarsonic acid，MMA)分别处理正常膀胱上皮UROtsa细胞，发现在组蛋白H3低乙酰化的膀胱癌缺失基因1(deleted in bladder cancer 1，DBC1)、补体C1q肿瘤坏死因子相关蛋白6启动子中检测到DNA高甲基化，值得注意的是，DNA甲基化的表达随着相同启动子中组蛋白乙酰化水平的降低而增加。Severson等[31]用亚砷酸盐处理的人正常前列腺上皮RWPE-1细胞株，发现H3K27me3、H3K9me3和DNA甲基化均参与C2H2锌指基因转录抑制，并进一步通过染色质免疫沉淀发现C2H2锌指基因启动子中同时发生H3K27me3和DNA甲基化表达事件，提示砷暴露后，C2H2锌指基因的广泛沉默可能由于DNA甲基化以及H3K9me3共同介导，进一步提示表观遗传性功能障碍是与毒物相关的驱动因素。为了探讨燃煤污染型地方性砷中毒的表观遗传机制，潘雪莉等[32]用亚砷酸钠处理人皮肤角质形成细胞HaCaT后发现，O6-甲基鸟嘌呤-DNA甲基转移酶基因(MGMT)DNA高甲基化和组蛋白去乙酰化共同介导了MGMT mRNA转录及蛋白表达抑制。同时DNA甲基化转移酶1(DNA methyltransferase 1，DNMT1)、组蛋白去乙酰化酶1(histone deacetylase 1，HDAC1)蛋白表达上调，参与了此表观遗传学调控过程。并且DNA甲基转移酶抑制剂能有效逆转砷所致的MGMT基因启动子区DNA高甲基化，组蛋白去乙酰化酶抑制剂能有效回升砷所致的MGMT基因转录调控区组蛋白低乙酰化水平，进而促进MGMT mRNA转录及蛋白表达。该研究揭示了砷所致MGMT基因表观遗传学特征性改变是砷中毒发生发展乃至砷致癌的重要分子机制。综上，砷诱导的关键基因启动子区可同时发生组蛋白修饰与DNA甲基化水平改变，提示组蛋白修饰与DNA甲基化相互作用共同参与砷致肿瘤恶性转化过程，但二者之间是如何介导砷致癌的发生发展，还需系统研究与深入挖掘。

6 结语

砷暴露可通过组蛋白修饰模式异常改变，影响遗传损伤、氧化应激调控通路、机体免疫功能调控、细胞凋亡、DNA甲基化等生物学事件关键基因的表达，参与砷中毒的发生发展，因而从组蛋白修饰角度深入开展砷中毒机制研究，有望为砷中毒的防治提供新的潜在干预靶点。总之，作为表观遗传调控网络重要组成模式之一，组蛋白修饰不仅可为砷中毒早期监测提供新的预警信号，还以其可逆性的重要特点，有望通过科学的干预措施逆转砷诱导的关键基因表达，从而为砷中毒的机制研究及治疗、预防提供新的思路。