基于表观遗传修饰的慢性阻塞性肺疾病药物治疗进展

刘菲 张子丽 丁明静 王健 卢文菊

广州医科大学附属第一医院 广州呼吸健康研究院 国家呼吸系统疾病临床医学研究中心 呼吸疾病国家重点实验室510030

COPD是一种常见的呼吸系统疾病。COPD患者呈进行性、不完全可逆性气流受限，可出现慢性咳嗽、咳痰、呼吸困难等症状，严重者影响劳动能力和生活质量(2017 GOLD指南)。我国40岁以上人群COPD患病率高达13.7%[1]，预测到2020年，COPD将成为第三大致死性疾病[2]，将导致严重的社会经济负担。表观遗传机制是目前公认的COPD发病机制之一。例如，单卵双生子研究发现，随年龄增长，其表观遗传标记发生了明显改变[3]。表观遗传调控可在后天发生重新修饰，与导致疾病的发生、发展密切相关。本文将讨论表观遗传机制在COPD发生、发展中的重要作用，并重点探讨其在COPD治疗方面的潜力。

1 COPD的发病机制

COPD的发生、发展是一个复杂、多元素、多环紧扣的过程。慢性气道炎症、蛋白酶/抗蛋白酶失衡、氧化应激是目前研究较多且较明确的主要发病机制。在香烟烟雾或空气污染物等作用下，上皮细胞产生多种细胞因子和趋化因子，诱导更多的炎症细胞入肺，进一步释放大量促炎因子、蛋白酶和穿孔素等，放大炎症反应并增强防御功能。但过多的炎症因子及蛋白酶会引起黏液分泌增加、气道重构，造成气道黏膜和肺泡损伤，进而促进COPD的发生、发展[4]。香烟烟雾还可诱导活性氧的大量产生[5]，引起氧化/抗氧化失衡，使活性氧与脂质、蛋白质、DNA、RNA和线粒体DNA等发生反应，导致上皮细胞损伤和死亡。

此外，近年来衰老、凋亡、自噬、遗传易感性等在COPD发病中的作用也引起普遍关注。端粒缩短、细胞衰老、磷脂酰肌醇-3-激酶/雷帕霉素(phosphatidylinositol-3-kinase/mammalian target of rapamycin，PI3K/m TOR)信号激活、自噬功能受损、线粒体功能紊乱、干细胞衰竭，以及抗衰老分子(如sirtuins和Klotho基因)减少等可加速肺部衰老过程[6]。受体介导的外在途径、线粒体内在途径、内质网途径等凋亡途径异常激活可引起炎症细胞、肺实质及间质异常凋亡[7]。PI3K、m TOR自噬抑制物与自噬相关基因平衡失调引起气道、血管、肺实质细胞形成自噬小体，进一步加重气道管壁增厚、血管重建、肺气肿等[8]。通过全基因组关联分析研究发现，CHRNA3、CHRNA5、IREB2、HHIP、FAM13A、RIN3、MMP12、TGF-β1等基因多态性与COPD的发生、发展相关[9]。

2 COPD发病中的表观遗传学机制

近年来，表观遗传学已成为生命科学中普遍关注的前沿。表观遗传学是指核苷酸序列不发生变化的情况下，基因的表达活性发生了可遗传的变化，其具有可遗传、无DNA序列变化及能引起基因活性或功能改变的特征[10]。表观遗传学调控机制主要包括DNA甲基化修饰、组蛋白修饰、非编码RNAs(noncoding RNAs，ncRNAs)等几个主要方面。下面将重点阐述表观遗传调控机制在COPD发生、发展中的作用，及相应的药物治疗方法。

2.1 DNA甲基化修饰 DNA甲基化主要发生在胞嘧啶-磷酸鸟嘌呤二核苷酸(CpG)的的胞嘧啶残基上，由DNA甲基转移酶(DNA methylation transferases，DNMTs)家族 催 化。DNMTs主 要 包 括DNMT1、DNMT3a及DNMT3b。DNMT1主要使新复制形成的DNA链中半甲基化的Cp G发生甲基化。DNMT3a和DNMT3b主要使未甲基化的Cp G发生甲基化。DNA甲基化状态被认为是调控基因转录的 “开关”。高甲基化与转录抑制有关，低甲基化则会激活基因转录。

2.1.1 DNA甲基化修饰在COPD中的作用 研究表明，COPD与DNA甲基化具有相关性[11]。香烟烟雾可以通过改变基因的甲基化水平影响COPD病理生理过程[12]。对韩国成年人进行全表观基因组关联分析研究发现，吸烟的COPD患者和非吸烟的COPD患者相比，具有108个不同的甲基化探针和87个不同的甲基化区域[13]。此外，α1-抗胰蛋白酶位点低甲基化与COPD患者肺功能下降具有显著相关性[14]。且香烟烟雾导致的CpG甲基化可能影响多梳基因家族蛋白介导的基因沉默，进而调控参与COPD发生发展的重要因子的表达[15]。

2.1.2 DNA甲基化修饰药物对COPD治疗作用的研究进展(表1) DNA甲基化修饰在COPD发病中具有重要作用，因此针对DNA甲基化修饰的治疗手段对COPD治疗可能具有重大的临床价值。DNA甲基化修饰的治疗药物主要是DNA甲基化转移酶抑制剂，分为核苷类和非核苷类抑制剂两大类。核苷类DNA甲基化转移酶抑制剂(如5-氮杂胞苷、5-氮-2-脱氧胞苷)可与DNA链上的胞嘧啶残基竞争结合DNMTs，阻止酶的活性和使DNA低甲基化。非核苷类抑制剂儿茶素能抑制香烟烟雾诱导的人支气管上皮细胞核因子κB(nuclear factor kappa B，NF-κB)的激活，发挥抗炎作用。此外，研究证实，儿茶素也能减少香烟烟雾暴露后大鼠支气管肺泡灌洗液中的炎性细胞数目，降低乳酸脱氢酶活性等[20]。目前，DNA甲基化转移酶抑制剂研究资料还不充足，且DNA甲基化转移酶抑制剂缺乏特异性，其致癌性和致突变性不能忽略，能否广泛用于COPD治疗，仍需进一步验证。

2.2 组蛋白修饰 组蛋白修饰是指在特定的蛋白氨基酸末端(如赖氨酸、精氨酸和丝氨酸)发生转录后修饰，如乙酰化、甲基化或磷酸化等。组蛋白修饰酶(如组蛋白乙酰转移酶、组蛋白甲基转移酶、激酶和泛素酶等)催化了组蛋白翻译后修饰，而组蛋白去乙酰化酶(histone deacetylase，HDAC，包括HDAC1-18)、组蛋白脱酰酶和磷酸酶等能够去除转录后修饰[23]。

2.2.1 组蛋白修饰在COPD中的作用 组蛋白乙酰化和脱乙酰化是基因转录的关键调控机制。炎性因子基因的组蛋白乙酰化和脱乙酰化的不平衡，可能导致COPD发生。NF-κB激活后可以与DNA中特定的识别序列结合，并与协同激活分子(如c-AMP反应元件结合蛋白、p300或p300/CBP相关因子)相互作用，从而发挥内在的组蛋白乙酰化作用。而HDAC1和HDAC2与NF-κB的Rel A/p65亚基相结合，通过组蛋白脱乙酰化作用阻断炎症基因转录；HDAC3可通过Rel A本身的脱乙酰作用对转录进行负调控；而核NF-κB的磷酸化状态决定它与CBP/p300还是HDAC1作用。

表1 DNA甲基化转移酶抑制剂对慢性阻塞性肺疾病治疗作用的研究进展

烟酰胺腺嘌呤二核苷酸依赖的组蛋白/蛋白去乙酰化酶(SIRT1-SIRT7)参与维持基因组稳定性。细胞应激通过氧化/醛化和磷酸化使SIRT1发生共价改变从而降低酶的活性并诱导其蛋白质降解。研究表明，除SIRT1外其他SIRT(如SIRT2[24]、SIRT6[25])也参与了COPD发生。

组蛋白甲基化也可能参与了COPD的疾病进程。多梳家族抑制复合体2使H3K27甲基化从而阻止其乙酰化，这与染色质活跃状态有关。且在香烟烟雾暴露诱导的COPD模型鼠肺组织中，组蛋白H3和H4的特定赖氨酸和精氨酸残基发生了乙酰化、甲基化等修饰作用[26]。

2.2.2 组蛋白修饰药物对COPD治疗作用的研究进展(表2) 持续慢性气道炎症是COPD的主要特征，因此糖皮质激素作为强有效的抗炎药物成为COPD重要的治疗方法。但氧化应激可以激活PI3Kδ通路，导致HDAC2失活并使之活性降低，使HAT/HDACs平衡失调，引起糖皮质激素抵抗[27]。因此，HDAC激活剂(尤其是HDAC2)是目前治疗COPD患者糖皮质激素抵抗的有效方法。

茶碱长期用于COPD治疗，也是一种HDAC激活剂。茶碱能恢复COPD患者肺泡巨噬细胞的HDAC活性和类固醇反应，可能是通过直接抑制氧化应激激活的PI3Kδ通路[30]。抗抑郁药物去甲替林是一种PI3Kδ抑制剂，可恢复HDAC活性[31]。索利霉素在氧化应激条件下抑制PI3K活化，进而恢复皮质类固醇敏感性及HDAC活性[32]。

姜黄素具有抗癌、抗炎和抗氧化的特性，能逆转香烟烟雾诱导的丝氨酸磷酸化和HDAC2泛素化，从而阻止了HDAC2蛋白降解。同时姜黄素能减弱弹性蛋白酶活性和香烟烟雾暴露诱发的大鼠肺气肿[24]。

萝卜硫素可使HDAC2去亚硝基化、Nrf2激活、谷胱甘肽增加及恢复糖皮质激素敏感性[37]。穿心莲内酯、查尔酮属抗氧化剂，可通过增加Nrf2活性，使HDAC2表达及活性增加，恢复肺损伤。

白藜芦醇能激活SIRT1，具有抗氧化、抗炎和抗癌特性。在A549细胞中，白藜芦醇通过逆转香烟烟雾诱导的Nrf2羰基化，引起谷胱甘肽分泌减少[38]。

此外，最新研究还表明，通过使用合成的化合物来模拟乙酰化的组蛋白，可以抑制结构域和额外终端域蛋白质家族乙酰化组蛋白的识别，从而抑制组蛋白乙酰化驱动的巨噬细胞中炎症基因的表达。

COPD组蛋白修饰方面的治疗药物通过增加HDAC活性，从而增加糖皮质激素治疗效果，但其作用机理及在COPD中的作用仍需进一步临床研究。

2.3 ncRNAs ncRNAs指DNA转录完成后未翻译成蛋白质的RNA，可分为长ncRNAs和短ncRNAs。长ncRNAs调控染色体动态变化，也参与招募染色质重建复合体到特定的基因组位点，在染色质水平调节基因表达。短ncRNAs不仅可以调节转录和转录后基因表达水平，也可以干扰染色质改变。microRNA是目前研究较为成熟和广泛的一类ncRNAs。

2.3.1 ncRNAs在COPD中的作用 microRNA在肺发育阶段，对维持体内平衡起重要作用，参与先天和获得性免疫反应的不同过程。与正常对照组相比，熏烟暴露的小鼠及COPD患者肺泡灌洗液和肺组织中miR-31、miR-155、miR-218和let-7c均 存 在 明 显 表 达 差 异[42]。 这 些microRNA通过调控参与炎症反应、蛋白酶/抗蛋白酶失衡、氧化应激和细胞凋亡相关的转化生长因子β及Wnt通路，从而导致COPD的发生、发展[43]。此外，在不同程度肺气肿患者中发现microRNA基因图谱也会发生改变，并且变化的microRNA可以调节疾病相关基因表达网络[44]。

2.3.2 基于ncRNAs的COPD治疗方案 Raver-Shapira等[45]提出 “microRNA替换治疗”理论，即通过合成microRNA或者类似物用于疾病治疗。microRNA也可能会由于异常的DNA甲基化、组蛋白修饰，或位于不稳定的染色体区域而沉默[46]。因此，microRNA可通过HDAC抑制剂或去甲基化药物的治疗而重新表达。研究表明，通过对COPD肺纤维母细胞进行重组，并诱导为多能干细胞，可改变microRNA的表达谱[47]。虽然干预microRNA表达能对疾病进行靶向治疗，但microRNA可引起下游多条信号通路激活，导致不同基因表达改变，出现脱靶效应。此外，microRNA转运至体内的技术仍存在挑战。因此microRNA替换治疗仍需不断发展和完善。

表2 基于组蛋白修饰的COPD治疗药物

3 展望

COPD是由多种因素相互作用而引起的一种异质性疾病，其发病机制仍未完全明确，缺乏有效的治疗方法，目前大部分仍是对症治疗。表观遗传机制能进一步解释基因组学无法解释的遗传特性，并可能提供早期可逆转性的治疗方法。但表观遗传修饰在COPD发病机制中的作用仍未完全清楚，基于表观遗传修饰的治疗方法的临床价值也尚未明确，需进一步研究。

利益冲突所有作者均声明不存在利益冲突