环境表观遗传学与支气管哮喘的研究进展①

杨宝霞 郑百红 黎 萍 张云峰

(吉林大学第二医院儿科，长春 130041)

全球约有3亿人患有支气管哮喘(简称哮喘)，在许多国家和地区，近10年哮喘患病率增加了1倍多[1]。遗传、环境、免疫等因素及其相互作用在哮喘的发病中发挥重要作用。表观遗传学是指除基因序列改变之外，基因功能可逆的、可遗传的改变，主要有DNA甲基化、组蛋白乙酰化、微小RNA(microRNA，miRNA)的改变等[2,3]；近年来，越来越多的证据表明，环境因素可通过表观遗传学机制影响哮喘的发病[4]。

环境暴露可改变胚胎时期全基因组DNA去甲基化和再甲基化状态，其中部分改变不可逆[5]。鼻上皮是气道与环境直接接触的部位，与支气管上皮细胞比较，鼻上皮细胞中的哮喘相关基因ALOX15、CAPN14和POSTN，以及60%的炎症和免疫基因、细胞黏附因子和表观遗传调控因子等关键基因甲基化状态改变更为显著[3,6]。气道上皮中微生物、过敏原、空气污染物及其相互作用的生物反应，可调控T细胞(Th1、Th2和Treg细胞)分化相关的转录因子和细胞因子，使机体产生Th2细胞的免疫偏倚，增加哮喘的发病风险[7,8]。随着研究的深入，阐明环境表观遗传调控哮喘的机制可为哮喘的早期诊断、治疗及预防，尤其是哮喘的表观遗传学相关药物的研发提供科学证据[3]。本文将重点介绍环境暴露与哮喘相关的DNA甲基化、组蛋白修饰、miRNA 调控等的表观遗传学的关系研究进展。

1 空气污染物表观遗传学与哮喘

空气污染物的主要成分是颗粒物(particulate matter，PM)，既含有多环芳烃(polycyclic aromatic hydrocarbons，PAHs)、黑炭(black carbon，BC)、柴油机尾气颗粒(diesel exhaust particles，DEP)和交通相关空气污染(traffic-related air pollution，TRAP)等环境污染物，又含有内毒素等免疫刺激复合物[9]。DNA甲基化是环境表观遗传调控哮喘发生发展的主要机制之一，参与DNA甲基化的三大家族包括DNA甲基转移酶(DNA methyltransferases,DNMT)、甲基化CpG结合蛋白(methylCpG binding domain protein,MBD)和1011易位甲基胞嘧啶双加氧酶(ten-eleven translocation methylcytosine dioxygenase 1,TET1)[10]。研究发现PM2.5暴露可导致TET1启动子DNA甲基化增强，TET1启动子区域的DNA甲基化水平与儿童哮喘及TRAP有关。人支气管上皮细胞暴露于DEP可导致TET1和DNMT1表达升高，MBD2基因甲基化后可通过影响树突状细胞诱导Th2分化，促进哮喘发展[11-13]。

研究表明，长期和短期PM暴露都会影响固有免疫基因TLR4、TLR2和哮喘相关基因(HLA-DOB、HLA-DPA1、CCL11、CD40LG、ECP、FCER1A、FCER1G、IL-9、IL-10、IL-13和MBP)的甲基化水平[3]。研究发现，高浓度的苯并芘与免疫应答基因CTLA4和STAT4相互作用，增加儿童哮喘的发病风险[12]。PM、BC和O3暴露导致IL-6、F3、iFNG和ICAM-1等免疫相关基因DNA甲基化水平降低[14]。类似的是，儿童暴露于香烟烟雾环境也会导致固有免疫基因CD14甲基化水平提高，孕期香烟烟雾暴露可造成新生儿全基因组DNA甲基化水平改变[15]，导致子代Runt转录相关因子3(Runtx3)甲基化水平提高，继而导致Treg细胞功能受损，提高子代哮喘发病风险[16]。另外，孕期NO2暴露与甲状腺过氧化物酶(TPO)基因甲基化水平相关，TPO可通过参与氧化应激影响哮喘发生、发展[14]。研究发现，母亲患哮喘的新生儿脐带血SMAD3基因甲基化水平升高，其甲基化水平与天然炎症介质IL-1呈显著正相关[4]。

谷胱甘肽S转移酶GSTM1、GSTP1和GSTT1是基因和环境相互作用增加哮喘发病风险的候选基因，研究发现GSTP1与一个或多个TRAP组分相互作用可增加过敏性气道疾病的发病风险[12]。长散在核重复序列(LINE-1)是全面基因甲基化的代表，其甲基化水平降低会导致气道慢性炎症，与哮喘的发生、发展密切相关。TRAP可导致实验兔外周血和肺组织中LINE-1甲基化水平下降[17]。PAHs暴露可导致儿童Treg细胞转录因子Foxp3甲基化增加，继而影响Treg细胞功能[18]；另一方面，PM暴露增加Th1相关基因IFN-γ基因甲基化，IFN-γ水平下降，促使哮喘的发生[18]。PM2.5、BC等暴露导致血中糖皮质激素受体(the glucocorticoid receptor，NR3CI)和IL-6的DNA甲基化水平降低，而两者与肺功能减退相关[14]。哮喘早期会出现组蛋白乙酰化改变。动物实验发现，TRAP会导致兔血及肺组织组蛋白H3K9乙酰化水平升高，且具有时间-剂量依赖性，组蛋白H4乙酰化上调炎症介质水平，PM10暴露导致组蛋白H4乙酰化增加[17]。miRNA是过敏免疫反应的重要调控因子，DEP暴露可改变人支气管上皮细胞miRNA表达谱,导致外周血和肺上皮细胞DNA甲基化水平改变[19,20]。

2 过敏原表观遗传学与哮喘

屋螨、宠物、花粉等过敏原是诱发哮喘的重要环境因素。过敏性鼻炎患者受花粉提取物刺激后，其外周血CD4+T细胞DNA甲基化和基因表达水平明显改变[21]。内毒素受体CD14位于血清及巨噬细胞表面，介导内毒素和Toll样受体4(toll-like receptor 4，TLR4)的相互作用，LPS通过CD14与TLR4结合，促进细胞分泌IL-6、IL-8、IL-12及TNF-α等促炎细胞因子，是哮喘发病的重要因子[22,23]。和非农场生活孕妇相比，农场生活的孕妇胎盘中CD14启动子甲基化水平降低，CD14表达增加[3]。队列研究发现，桦树花粉暴露导致人鼻黏膜细胞黏蛋白4(mucin four，MUC4)基因甲基化水平发生改变，并与鼻吸气流量峰值下降有关[24]。

过敏原与其他环境因素多重暴露也通过表观遗传学机制影响哮喘的发生、发展。DEP与过敏原的混合暴露可导致小鼠Th1细胞因子IFN-γ超甲基化及Th2细胞因子IL-4低甲基化[3]。研究表明，哮喘患者和非哮喘患者IL-4基因启动子区域存在DNA差异甲基化，过敏原致敏导致IL-4基因启动子区域去甲基化，增加过敏性疾病的发生风险，而屋螨特异性免疫治疗哮喘患儿后，其外周血单核细胞(PBMCs)表达IL-4、 IL-5、IL-2水平较低，与未治疗组相比，经变应原致敏后PBMCs中IL-4启动子区域的DNA甲基化水平较高[10]。人气道上皮细胞同时暴露于过敏原和DEP 4周后，全基因组500多个CpG位点甲基化水平改变，其中炎症相关基因甲基化水平均下调，这表明，过敏原和其他污染物共同暴露可导致肺组织细胞DNA甲基化水平的改变[20]。

3 微生物表观遗传学与哮喘

微生物群通常指环境及人体中的细菌、真菌、病毒等微生物。流行病学研究发现，寝具或家庭粉尘中微生物暴露、经阴道分娩且生命早期限制抗生素使用都可降低儿童哮喘发病率[3,25]；幽门螺旋杆菌(H.P)缺乏与儿童哮喘发作风险相关，H.P可诱导Th1和Treg细胞表面大量表达趋化因子受体CXCR3[26]。丹麦一项前瞻性队列研究发现，哮喘母亲所生子代1岁时粪便微生物组成不同于健康对照组，且5岁时子代发生哮喘的概率是后者的13倍[26]。这与微生物表观遗传修饰调节免疫发育，影响哮喘等过敏性疾病的易感性有关。人类肠道微生物组成与血液中多种细胞DNA甲基化相关，动物实验也证明了这种关联，例如，与常规小鼠相比，无菌小鼠大肠上皮细胞中TLR4基因甲基化水平显著降低，结核杆菌、大肠杆菌等细菌感染会改变宿主miRNA的表达谱，进而调控宿主基因表达，影响炎症相关通路，改变宿主生理和疾病状态[27，28]。

微生物定植及其代谢物影响宿主多个组织DNA甲基化和乙酰化水平，其机制与DNA、组蛋白修饰相关酶的活性或修饰的化学供体的可用水平改变有关[29]。丁酸盐等短链脂肪酸是肠道膳食纤维经微生物发酵的重要产物，可透过肠上皮细胞直接与淋巴细胞相互作用，可能是过敏性疾病的诱发因素[30]。有研究发现丁酸盐通过增强启动子组蛋白H3乙酰化及改变Foxp3基因的非编码序列甲基化水平发挥作用，影响结肠Treg细胞分化，继而可能导致哮喘等过敏性疾病的发生[31]。叶酸是DNA甲基供体，多种益生菌都有产生或消耗叶酸的能力，口服益生菌影响血液及粪便中的叶酸水平[3]。有研究发现孕期过度补充叶酸，可能导致Runx3基因过度甲基化增加子代小鼠发生气道过敏性炎症的概率[32]。

表观遗传和微生物群之间的作用是双向的，表观遗传标记可决定宿主定植微生物的类型。例如，地塞米松治疗孕鼠早产诱发的表观遗传改变可导致后代肠道微生物组成发生改变[33]。表观基因组修饰是无菌小鼠保护早期微生物定植的驱动因素，在介导生命早期微生物暴露和哮喘发展方面具有特殊意义[34]。CXCL16是恒定自然杀伤T细胞(invariant nature killer T,iNKT)趋化因子受体CXCR6的配体，无菌小鼠结肠及肺组织中CXCL16基因5′区CpG位点高度甲基化，导致CXCL16基因表达下降，继而影响iNKT细胞的聚集[3,34]。

4 总结和展望

综上所述，环境表观遗传学参与哮喘的发生、发展。环境暴露产生的表观遗传标志可作为不同表型哮喘，尤其是难治性哮喘的生物学标志物，为其个性化防治提供依据。另一方面，表观遗传学标志具有可塑性，例如DNMT抑制剂可整合入基因组DNA，降低DNA甲基化水平，但是不能特异性作用于目标基因。未来可开发针对特定基因座的表观遗传学特异性疗法，明确环境暴露对关键的免疫、哮喘相关基因的表观基因组的作用原理有助于开发新型表观遗传抗哮喘药物[35,36]。