表观遗传调控在动脉粥样硬化中的研究进展

胡琳 王子媛 张秋芳

动脉粥样硬化是心脑血管疾病的主要基础病因，积极防治动脉粥样硬化能够有效降低缺血性心脑血管疾病的发病率[1]。动脉粥样硬化是一种以胆固醇等脂质代谢紊乱为主要特征，巨噬细胞吞噬脂质诱导的慢性血管壁炎性反应[2]。动脉粥样硬化可使脂质沉积和坏死细胞在病灶内沉积，形成粥样斑块。表观遗传是在DNA序列不发生变化的条件下，基因表达的性状出现可遗传的表现型变化，主要包括DNA甲基化、染色质重构、组蛋白修饰以及X染色体失活等。表观遗传在不同因素的刺激下发生动态改变，在多种疾病的发生和发展中发挥重要作用[3]。在动脉粥样硬化形成的不同病理阶段，受到到脂质、炎性因子、胆固醇结晶等刺激，不同表型的巨噬细胞呈现出表观遗传修饰的多样性。

1 组蛋白修饰异常调控巨噬细胞转录

核小体是真核细胞染色质的基本单位，主要由组蛋白和DNA组成，DNA缠绕在由组蛋白H2A、H2B、H3、H4构成的蛋白八聚体上。组蛋白的N末端突出于核小体，通常发生乙酰化、甲基磷酸化和泛素化等修饰，影响染色质开放性，最终影响基因表达[4-5]。

1.1 组蛋白H3乙酰化

研究发现，在动脉粥样硬化过程中，脂质过氧化以及巨噬细胞所引发的炎性反应会影响巨噬细胞转录过程中的组蛋白修饰，从而影响染色质开放性。巨噬细胞中组蛋白H3乙酰化增加可使巨噬细胞产生更多开放性染色质，促进DNA与转录因子结合，最终影响巨噬细胞的吞噬功能[6]。巨噬细胞在吞噬脂质的过程中，组蛋白H3第9位赖氨酸二甲基化(H3K9me2)和三甲基化(H3K9me3)使开放性染色体减少，从而抑制基因转录[7]。组蛋白H3第4位赖氨酸三甲基化(H3K4me3)是基因转录启动的标志，组蛋白H3第4位赖氨酸单甲基化(H3K4me1)通常与基因远端调控元件增强子相关，组蛋白H3第27位赖氨酸乙酰化(H3K27ac)在转录起始位点附近和增强子附近较多，均通过影响巨噬细胞的基因转录参与动脉粥样硬化的发生发展[6]。

1.2 干扰素

研究发现，γ干扰素(IFN-γ)可以诱导巨噬细胞分化为M1型巨噬细胞，分泌促炎性细胞因子和趋化因子。IFN-γ通过抑制巨噬细胞对胆固醇的降解及再利用过程促进泡沫细胞形成。在低密度脂蛋白(LDL)受体敲除的动脉粥样硬化合并胰岛素抵抗小鼠模型中，抑制IFN-γ信号通路可以降低动脉粥样硬化的程度，但不影响其损伤面积，还可以减少高胰岛素血症引起的主动脉根部损伤[8]。研究发现，β干扰素(IFN-β)通过组蛋白去乙酰化酶1(HDAC1)抑制组蛋白H3乙酰化，作用于基质金属蛋白酶-9(MMP-9)的启动子，抑制MMP-9与转录因子激活蛋白-1的结合，降低MMP-9的表达水平，从而影响巨噬细胞的吞噬功能，促进动脉粥样硬化的发生[9]。

1.3 沉默调节蛋白1重组蛋白

氧化低密度脂蛋白(oxLDL)是动脉粥样硬化的主要致病因素。研究发现，巨噬细胞吞噬oxLDL是由清道夫受体A(SR-A)、CD36和凝集素样oxLDL受体-1(LOX-1)等介导的，而沉默信息调节因子1(SIRT1)可以抑制巨噬细胞LOX-1基因表达，减少巨噬细胞对oxLDL的吞噬，从而减少内膜下脂质沉积，延缓动脉粥样硬化进展[10]。巨噬细胞在不同因素的刺激下，出现组蛋白不同位点的表观修饰，这些修饰是否具有相同的功能，以及在时间和空间上的总体效应对巨噬细胞吞噬功能的调节作用都需要进一步研究。

2 DNA甲基化调控巨噬细胞的转录

DNA甲基化是指在DNA甲基化转移酶(DNMT)的作用下，在基因组CpG二核苷酸的胞嘧啶5′碳位共价结合1个甲基基团。DNA甲基化可引起染色质结构、DNA结构、DNA稳定性及DNA与蛋白质相互作用方式等的改变，以调控基因表达，参与动脉粥样硬化的发病和局部炎性反应[11]。研究发现，超氧化物歧化酶(SOD)在动脉粥样硬化中使自由基发生歧化反应生成氧和过氧化氢，以防止自由基对细胞的损伤。在动脉粥样硬化病程中，巨噬细胞内SOD基因的甲基化程度增强，细胞外SOD水平降低，对自由基的清除作用减弱，大量的自由基蓄积在巨噬细胞的线粒体中，诱发巨噬细胞线粒体功能障碍，导致细胞内部释放大量的炎性介质，促使脂质沉积以及oxLDL生成[12]。在ApoE-/-动脉粥样硬化小鼠模型中，DNMT1可通过催化巨噬细胞内SOD基因的甲基化，降低细胞外SOD水平，加重氧化应激损伤，促进动脉粥样硬化发生发展[13-14]。巨噬细胞内的15-脂氧合酶(15-LOX)属于不饱和脂肪酸的氧合酶，研究发现15-LOX基因启动子区域高度甲基化后细胞基本不表达15-LOX，巨噬细胞吞噬脂质的过程中15-LOX甲基化水平增加，这使LDL的氧化作用增强，促进了单核细胞在血管壁沉积，促使动脉粥样硬化发生[15]。动脉粥样硬化患者巨噬细胞中存在与疾病相关的危险基因，在DNA修饰阶段，这些基因增强子附近的组蛋白发生甲基化后，患者罹患动脉粥样硬化的危险性明显降低[16]。

3 非编码RNA调控巨噬细胞转录

非编码RNA (ncRNA)是一类不具备编码蛋白质功能的基因转录产物[17]。在动脉粥样硬化的进程中，长链非编码RNA (lncRNA)、微小RNA(miRNA)在表观遗传调控、转录调控和转录后调控多个阶段干扰基因的表达，调控巨噬细胞表型和炎性反应，影响动脉粥样硬化的进程[18]。

3.1 lncRNA

lncRNA是一类由RNA聚合酶Ⅱ合成的长度约为200个核苷酸的RNA，通常以其在基因组中的定位进行分类。lncRNA参与基因的表观遗传学修饰。在单核细胞以及动脉粥样硬化的斑块中，lncRNA AT102202表达水平较高，促使巨噬细胞吞噬内皮下脂质及胆固醇，逐渐转变为泡沫细胞[18]。研究发现，在体外培养的人HepG2肝细胞中，表没食子儿茶素没食子酸酯可上调lncRNA AT102202的表达，下调羟甲基戊二酸单酰辅酶A还原酶的表达，降低巨噬细胞内胆固醇水平，减少泡沫细胞聚积，延缓动脉粥样硬化的病程[19]。在2型糖尿病小鼠的巨噬细胞以及动脉粥样硬化患者的单核细胞中，lncRNA E330013P06的表达上调，促进M2型巨噬细胞向M1型转变，巨噬细胞向泡沫细胞转变，增强了血管壁的局部炎性反应[20]。Li等[21]发现动脉粥样硬化斑块和小鼠巨噬细胞来源的泡沫细胞中的lncRNA CDKN2B-AS1表达下调，MMP-10表达上调；在过表达lncRNA CDKN2B-AS1或沉默MMP-10后，巨噬细胞内脂质沉积减少，胆固醇向细胞外转移增加，因此lncRNA CDKN2B-AS1可能是通过DNMT1介导的MMP-10甲基化抑制MMP-10转录，从而延缓动脉粥样硬化的发生发展。lncRNA在基因组中的定位不同，在启动子、增强子和内含子区域中发挥着不同作用，不同区域的lncRNA的时间及空间累积效应对巨噬细胞的调控需要进一步研究。

3.2 miRNA

miRNA主要通过靶向mRNA的3′端非编码区降解目标mRNA或是通过抑制其翻译调控基因表达。miR-497能够抑制巨噬细胞中apelin蛋白的表达，apelin蛋白可抑制巨噬细胞脂质沉积，miR-497可通过作用于apelin蛋白发挥抗动脉粥样硬化作用[22]。三磷酸腺苷结合盒转运子A1 (ABCA1)可通过调控胆固醇的逆向转运发挥抗动脉粥样硬化作用。miR-20a/b可以抑制ABCA1的转录后表达，诱导巨噬细胞向泡沫细胞分化，促进动脉粥样硬化的发生[23]。核仁蛋白PES1在核糖体中参与核糖体RNA(rRNA)前体的剪切，INK4基因座中反义非编码RNA(ANRIL)能够结合PES1基因，抑制血管平滑肌细胞和巨噬细胞中IKK4 mRNA前体的加工和成熟，诱发核仁内mRNA前体超载，引起巨噬细胞凋亡，抑制细胞分化，从而导致动脉粥样硬化的发生[24]。

miRNA在调控基因的表达中发挥重要作用，体外合成相关miRNA有望成为精准治疗的方法，但要密切关注体外合成miRNA的体内靶向性及对其他基因的异常调控。

4 转录因子通过表观遗传激活巨噬细胞

转录因子可通过特定信号通路发挥调节动脉粥样硬化的作用，如干扰素调节因子(IRF)、白细胞介素(IL)-4、信号转导和转录激活因子(STAT)等。巨噬细胞激活受多种转录因子调控。研究发现，信号依赖性转录因子(SDTF)可介导炎性反应。SDTF属于IRF家族，IRF1、IRF3、IRF5和IRF8可使巨噬细胞发生促炎性表型转变[25]，IRF与PU.1相互作用后作用于核因子κB(NF-κB)，促使NF-κB入核发挥作用。小鼠巨噬细胞的IRF8无上述作用，SDTF单独发挥作用[26]。IL-4主要通过信号转导及转录激活蛋白6(STAT6)信号通路调节巨噬细胞抗炎相关程序基因，募集组蛋白乙酰化酶复合物参与靶基因抑制，在巨噬细胞活化中发挥作用[27]。抑制STAT6结合位点缺少典型的STAT6模体，表明STAT6通过间接结合或与非典型酪氨酸基序结合抑制下游靶分子功能。而IL-6受NF-κB的调控，又是STAT6的上游信号分子，可调控炎性反应，因此在巨噬细胞中促炎性或抗炎性细胞因子信号转导主要通过NF-κB和STAT途径[28]。胆固醇通过转化生长因子(TGF)-β信号通路诱导平滑肌细胞转变为泡沫细胞，这类泡沫细胞高表达CD86、ATP结合盒转运体A1和半乳糖凝集素3，靶向TGF-β信号通路可从转录前抑制泡沫细胞的过度产生[26]。进一步利用谱系跟踪实验检测关键基因的表达，可辅助理解这些表型转换的特征和潜在的表观遗传机制。转录因子无论在转录水平还是在转录后水平都直接或者间接通过某些特定的信号通路发挥重要作用，然而，转录因子具体调控位点以及不同信号通路之间的交互调节位点还需要进一步研究。

5 表观遗传酶影响粥样斑块巨噬细胞

泡沫细胞脂代谢相关酶的转录谱发生改变，如ATP结合盒脂质转运蛋白家族的表观遗传学改变可使泡沫细胞获得独特的转录途径，oxLDL通过激活类视黄醇X受体(RXRs)和过氧化物酶体增殖物激活受体(PPAR)γ转录因子，提高脂肪酶编码基因的表达水平，增强脂质处理能力[29]。激活转录因子3 (ATF3)是脂滴形成的关键调节因子，巨噬细胞内的ATF3通过抑制胆固醇25-羟化酶(Ch25h)的基因转录抑制25-羟基胆固醇的形成[30]。ATF3缺失导致Ch25h表达下调和RXRs配体25-羟基胆固醇的合成增加，从而诱导泡沫细胞的形成。高密度脂蛋白诱导ATF3表达，其抗炎作用也取决于对ATF3依赖性促炎性细胞因子表达的抑制，从而发挥抗动脉粥样硬化作用[30]。Cochain等[31]证明Zeste同源增强子2(EZH2)参与巨噬细胞表型的调节。组蛋白甲基转移酶EZH2促使组蛋白H3第27位赖氨酸三甲基化(H3K27me3)并与细胞因子信号转导抑制因子3(SOCS3)启动子结合，抑制SOCS3的表达，最终导致造血干细胞髓样分化，髓样分化蛋白88(MYD88)依赖的NF-κB激活减少，巨噬细胞促炎作用减弱[32]。此类突变通常出现在编码表观遗传酶的基因中，如DNMT、甲基胞嘧啶双加氧酶2(TET2)和去甲基酶。研究发现TET2的缺乏可部分改变巨噬细胞表型，加重动脉粥样硬化的炎性反应。与野生型小鼠相比，动脉粥样硬化小鼠模型体内缺失TET2基因的巨噬细胞对脂多糖(LPS)、IFN-γ和oxLDL的刺激反应更强，可使炎性细胞因子IL-1β和IL-6表达上调，诱发炎性反应，提示TET2可对巨噬细胞进行调控[33]。

6 小结

动脉粥样硬化主要由炎性反应驱动，在复杂的斑块微环境中，巨噬细胞发生大量的表观遗传改变，这种改变对于动脉粥样硬化的发生发展起着双向调节作用。一系列转录因子及酶的功能发生动态变化，调控巨噬细胞的吞噬功能及表型转变。TET2、IRF等转录因子在细胞分化和连续的刺激中对染色质进行动态修饰形成细胞记忆，巨噬细胞再次遇到相同的微环境时可以迅速反应。表观遗传不仅能使巨噬细胞有效地对病原性刺激快速反应，也可能使巨噬细胞过度活化，从而加重动脉粥样硬化。近年来，随着单细胞测序技术及转录本测序技术的发展，对转录因子及酶的表观遗传机制已有了解，但仍有很多问题需要进一步探索。动脉粥样硬化不同阶段的不同表现遗传修饰是否存在协同或拮抗作用，在动脉粥样硬化的发病机制中，如何通过转录因子和表观遗传对各种巨噬细胞活化状态进行严格调控是未来研究热点。