表观遗传修饰参与神经病理性疼痛的相关机制

李依泽，于泳浩

(天津医科大学总医院麻醉科 天津市麻醉学研究所，天津 300052)

中枢或外周神经系统炎症、损伤或疾病可以引起神经病理性疼痛(neuropathic pain，NP)，其全球患病率为6%～8%[1]。NP可发展为慢性疼痛，表现为异常性疼痛、痛觉过敏和自发痛，患者可出现失眠、抑郁等精神症状，严重影响患者的生活质量，增加了医疗费用，导致生产力降低。临床镇痛药物(如阿片类药物、非甾体抗炎药)治疗NP的效果个体差异较大，可能产生多种药物不良反应。NP的发病机制尚不明确，尚无有效防治策略。周围炎症和神经损伤在背根神经节(drosal root ganglion，DRG)、脊髓和大脑其他与疼痛相关区域的初级感觉神经元中有多种受体、离子通道、神经递质、酶、神经调节剂和结构蛋白，并可在转录和翻译时发生变化[2-4]。上述变化有助于诱发和维持NP，但如何通过周围有害刺激调节相关机制仍未明确。研究表明，NP相关基因调节涉及表观遗传修饰机制，包括慢性疼痛情况下DNA甲基化修饰、组蛋白修饰和微RNA(microRNA，miRNA)的变化[5]，可能是中枢神经元在受到炎症/神经损伤后诱发疼痛相关基因改变的原因。现就表观遗传修饰参与NP的机制予以综述，以期为NP的治疗提供新的思路和药物靶点。

1 DNA甲基化修饰

1.1甲基-CpG结合蛋白2 (methyl-CpG-binding protein 2，MeCP2) MeCP2是一种对甲基化细胞素有亲和力的蛋白，对神经元的发育和功能起着重要作用，可调控神经元的大小和形态、突触递质释放及突触可塑性；还可与组蛋白脱乙酰酶 (histone decacetylases，HDACs)组成转录抑制因子复合物，与多次神经损伤后的NP相关[6]。MeCP2基因突变引起Rett综合征，以痛觉受损为临床表现。周围神经损伤后小鼠背根神经节MeCP2表达的增加。MeCP2与DNA结合后可引起DNA甲基转移酶(DNA methyltransferases，DNMTs)对DNA的CpG甲基化增加，抑制其下游靶基因转录。神经损伤后与miR-126位点结合的富集MeCP2抑制miR-126的表达，miR-126的下调导致神经2a细胞和脊神经损伤模型中Dnmt1和Vegfa两个靶基因上调；此外，在不同疼痛状态下，DNMT、HDACs和MeCP2表达增加，与MeCP2靶基因的变化相平行。NP时，MeCP2的再分配可导致DRG基因表达的直接和间接调节作用[6-7]。因此，MeCP2是表观遗传调控诱导的神经损伤分子变化的重要分子。

1.2DNMTs DNMTs是哺乳动物DNA甲基化的关键调节酶。DNMT3a可减少mu-阿片受体(mu-opioid receptor，MOR)和疼痛相关离子通道的表达。神经损伤可诱导背根神经节DNMT3a表达的增加，并抑制MOR表达，阻断DNMT3a表达可使MOR表达恢复，并恢复吗啡镇痛作用。DNMT3a对MOR基因甲基化的调控需要甲基-CpG结合蛋白1参与，敲除甲基-CpG结合蛋白1可导致DNMT3a与MOR基因启动子的结合降低，从而阻断DNMT3a触发背根神经节对MOR基因表达的抑制[8]。此外，脊神经结扎(spinal nerve ligation，SNL)模型腰段背根神经节中DNMT3a的表达增加可引起电压依赖性钾通道亚基Kcna2的表达减少。在无神经损伤的情况下，过表达DNMT3a可增加Kcna2启动子区域甲基化，降低Kcna2启动子活性，减少Kcna2表达，降低钾电流，增加DRG神经元兴奋性，并导致脊髓中枢敏化和NP症状[9]，表明DNMT3a可能通过抑制DRG中MOR和Kcna2的表达而导致NP。

DNMT抑制剂5-AZA可通过上调慢性压迫性损伤(chronic compress injury，CCI)大鼠腰椎脊髓中某些DNA甲基化依赖性抗伤害性基因的表达来减轻NP[10]。另外，SNL模型腰段脊髓DNMT3b表达下调可导致CXC趋化因子受体(chemokine C-X-C motif receptor，CXCR)3基因的去甲基化，并增加脊髓神经元中CXCR3的表达，上调的CXCR3可通过促进中枢敏感作用导致NP[11]。由此可见，MeCP2和DNMTs在NP的发展中起到重要作用，但MeCP2和DNMTs与伤害感受相关的特定基因的调控关系仍然需要更深入的探讨和验证。

2 组蛋白甲基化修饰

2.1Zeste基因增强子2(enhancer of zeste 2，EZH2) EZH2是多梳抑制复合物2(polycomb repressive complex 2，PRC2)的亚基，催化组蛋白H3在赖氨酸27的二甲基化和三甲基化(H3K27Me2/3)，导致相关基因沉默。PRC2复合物的增加可能有助于保护神经元免于神经变性[12]。在正常条件下，EZH2由脊髓背角神经元表达。有研究显示，甲基转移酶EZH2参与了NP的形成和维持，NP损伤可引起大鼠腰段脊髓背角的EZH2表达增加，表达EZH2的小胶质细胞数量可突增7倍以上[13]。抑制EZH2减弱了炎症介质的表达以及NP大鼠的机械和热痛觉过敏的发展和维持。使用EZH2抑制剂EPZ-6438可剂量依赖性地抑制体外小胶质细胞脂多糖(lipopolysaccharide，LPS)诱导的炎症基因表达[14]。因此，EZH2可能是免疫调节治疗NP的有效靶点。

2.2G9a G9a是一种H3K9甲基转移酶，又称EHMT2常染色质组蛋白赖氨酸N-甲基化转移酶(euchromatic histone-lysine N-methyltransferase，EHMT2)，负责定位组蛋白甲基化位点，多项研究证实，EHMT2有助于促进NP初级感觉神经元中多种基因转录的抑制。神经损伤可引起G9a表达增高，继而升高H3K9me2水平，并在钾通道启动子部位富集，抑制相关基因转录，可引起多种钾离子通道的沉默，并促进周围神经病变后NP的发展[15]。阿片类药物是疼痛药物治疗的金标准，但阿片类药物治疗NP的效果欠佳，与神经损伤引起DRG和脊髓神经元中MOR的下调，导致阿片类药物作用靶点减少有关。研究发现，神经损伤可引起G9a高表达，G9a通过提高MOR启动子中的H3K9me2水平，使DRG中MOR表达降低，从而减弱阿片类药物的镇痛作用[16-17]。敲低G9a可逆转编码MOR的Orpm1基因表达的下调，并恢复吗啡的镇痛作用，减轻吗啡耐受。对NP大鼠模型的研究显示，DNA甲基化抑制剂5-aza-dC可通过减少MOR基因的甲基化来增加DRG中MOR的表达，从而增强吗啡的镇痛作用[16]。由此可见，G9a可易化NP的发生，并与增加H3K9me2水平抑制多种疼痛相关钾通道、MOR表达相关。

2.3神经元限制性沉默因子(neuron-restrictive silencer factor，NRSF) NRSF阻遏复合物包括NRSF、CoREST、LSD1、BHC80和BRAF35。NRSF阻遏复合物还招募了额外的沉默分子，如HDAC1/2、MeCP2和G9a，以巩固抑制作用。NRSF阻遏复合物通过去除活性组蛋白标记来抑制基因表达，如H3K4甲基化或各种组蛋白乙酰化[18]。小鼠CCI模型研究显示，DRG中NRSF信使RNA和蛋白质增加，并在神经损伤后数周内维持较高水平。NRSF的靶基因表达水平如Kcnd3、Kcnq2和Scn10a(分别编码通道Kv4.3，Kv7.2和Nav1.8)，以及Oprm1和Gad2受到抑制，从而促进了外周感觉纤维的神经兴奋性而产生NP[19-20]。因此，NRSF表达增加参与NP的产生和维持。

2.4含Jumonji结构域蛋白3(Jumonji domain-containing protein 3，JMJD3) JMJD3 是组蛋白去甲基化酶，可特异性去甲基化H3K27me2/3，产生去抑制作用。脊髓损伤导致内皮细胞中JMJD3增加，JMJD3可增加细胞因子白细胞介素-6启动子去甲基化，增加白细胞介素-6的表达，从而参与炎症相关的NP[21]。JMJD3还可以通过增加神经损伤后DRG神经元中脑源性神经营养因子(brain-derived neurotrophic factor，BDNF)的表达参与NP。体外研究显示，N-甲基-D-天冬氨酸刺激神经元后，可将JMJD3募集到BDNF启动子，导致BDNF启动子去甲基化增加，有助于增加神经元中的BDNF的表达[22]。可见，BDNF启动子的表观遗传修饰在体外神经元活化中具有至关重要的作用。体外神经元损伤后，JMJD3可能通过减少炎症因子和神经营养因子的表达治疗NP。

3 组蛋白乙酰化修饰

3.1组蛋白乙酰转移酶(histone acetyltransferase，HATs) 神经损伤诱导受损神经的巨噬细胞和中性粒细胞中趋化因子及其受体的表达增加可导致NP，上述蛋白质的表达增加通常伴随着启动子H3K9的乙酰化(H3K9Ac)的增加[23]。有研究表明，漆树酸(HATs抑制剂)能抑制C-C趋化因子配体(chemokine C-C motif ligand，CCL)2、CCL3、CXCR2表达增加，表明上述趋化因子可随H3K9乙酰化水平的升高而上调，进而参与神经损伤引起的NP。此外，研究显示，脊髓H3K9Ac水平对CXCR2和CCL1的表达增加起到重要作用，阻断CXCR2可逆转机械痛的痛阈降低。而辛二酰苯胺异羟肟酸(HDAC抑制剂)可显著加剧切口痛的机械痛[24]。姜黄素(HAT活性抑制剂)可减少BDNF和环加氧酶-2的表达，从而降低CCI大鼠的NP[25]。由此可见，抑制HAT活性可减轻炎症和NP。

3.2HDACs HDACs抑制剂可作为吗啡治疗NP的辅助镇痛药物。通常情况下，组蛋白去乙酰化会紧密浓缩染色质，导致基因沉默。研究表明，抑制HDACs可缓解炎症性疼痛，并减弱NP模型中痛觉过敏的发展[26-27]。HDACs抑制剂可抑制细胞因子表达，减轻与炎症相关的NP[26]。小鼠神经损伤可引起背角小胶质细胞HDAC1增加和H3K9Ac水平降低，HDAC1特异性抑制剂(LG325)可使HDAC1表达呈剂量依赖性降低，并提高H3K9Ac水平，从而减轻NP诱发的痛觉过敏[27]。MOR、DOR和Nav1.8通道在NP痛觉信号传递中具有重要作用，其启动子区乙酰化水平的降低可下调信使RNA和蛋白的表达，参与NP的形成和维持[28]。HDACs抑制剂治疗(如丙戊酸、曲古抑素A和伏立诺他治疗)可通过提高乙酰化水平调控疼痛相关基因表达，进而减轻NP并恢复吗啡的镇痛作用[29-30]。

3.3去乙酰化酶(sirtuin，SIRT) SIRT1的天然化合物可减轻NP，并减少组蛋白H3乙酰化，减少微小胶质细胞活化，抑制炎症[31]。因此，SIRT1和SIRT2可能成为治疗NP的潜在药物。CCI模型可引起L4/L5脊髓节段的SIRT1表达减少，在大鼠CCI相关研究中，SIRT2在DRG中下调，SIRT2的过表达可抑制核因子κB信号传导并减轻机械异常性疼痛和热痛觉过敏。使用SIRT2特异性抑制剂可导致NP疼痛程度明显加重，减弱SIRT2过表达可缓解NP的作用[32]。

4 miRNA

无转录功能miRNA在基因表达活性依赖性调控中起到关键性基因调节功能。典型miRNA含有17～24个核苷酸，可结合信使RNA抑制蛋白质翻译转录后调控机制[33]。miRNA调节中枢神经系统中疼痛相关基因的表达提示miRNA可作为慢性疼痛治疗新途径[34-35]。大鼠CCI模型DRG中，miR-19a和miR-221增加，直接导致细胞因子信号转导抑制分子(suppressor of cytokine signaling，SOCS)1水平降低，抑制miR-19a和miR-221可减少SOCS1消耗，降低炎症引起的机械痛和热痛[36]。此外，还可通过特异性抑制剂下调miR-218，减少SOCS3表达，继而减轻NP[37]。CCI后，BDNF的表达水平受到DRG中miR-206和坐骨神经中miR-1的调节，神经损伤后，miR-206和miR-1减少，并诱导BDNF表达，产生机械和热痛觉过敏。miR-206可直接作用于BDNF的3′非翻译区，抑制BDNF表达，还可降低促炎细胞因子表达，延缓NP的发展[38]。研究显示，脊髓小胶质细胞的miR-32-5p在SNL后增加，双特异性磷酸酶5(Dusp5)作为该miRNA的直接靶点，参与NP和神经炎症。miR-146a-5p通过抑制脊髓中肿瘤坏死因子受体相关因子-6及其下游信号分子Jun激酶/CCL2来减轻NP[39]。另有研究显示，CCI大鼠脊髓中的miR-93亦减少，miR-93直接作用于炎症调节因子转录因子3的转导因子和激活因子，miR-93过表达可显著抑制STAT3的表达，并且减轻CCI大鼠的炎症和NP的发展[40]。miR-96抑制钠电压门控通道Nav1.3表达，神经损伤增加Nav1.3表达而鞘内注射miR-96抑制Nav1.3表达并减轻CCI后的NP[41]。同样，miR-30b可控制神经损伤后的Nav1.7表达。miR-30b敲低却可显著增加正常大鼠的痛觉敏感性，而miR-30b过表达可抑制钠电压门控通道α亚基9的转录，从而缓解神经痛[42]。另外，miR-183簇控制着超过80%的NP调控基因，并且可以控制基础机械敏感性和机械性痛觉，如控制电压门控钙通道亚基α2δ-1和α2δ-2以及酪氨酸激酶受体B+触觉传感器[43]。SNL大鼠同侧脊髓背角可增加DNMT3a的表达，可引起miR-214-3p启动子高甲基化相关表达的降低，DNMT3a介导的miR-214-3p表观遗传抑制增强了星形胶质细胞集落刺激因子-1的产生，从而诱导SNL模型大鼠的神经炎症和疼痛行为[44]。表明某些miRNAs可能对NP具有治疗效果，有望成为新型NP治疗药物。

5 小 结

表观遗传学与NP的产生和维持存在重要的相关性。其中包括DNA甲基化修饰、组蛋白甲基化修饰、组蛋白乙酰化修饰以及miRNA等机制参与调控NP相关的受体、神经递质、炎症细胞因子、离子通道等。然而，目前表观遗传调控异常在NP形成和发展中的作用和治疗相关机制尚不明确，还需要进行深入探讨。对表观遗传学角度进行的新型NP治疗药物的研究，将为疼痛的机制提供新的理论基础和新的用药靶点。