端粒与特发性肺纤维化相关性研究进展

杨家琦 李龙

1兰州大学第一临床医学院 730000;2兰州大学第一医院呼吸科 730030

特发性肺纤维化 (idiopathic pulmonary fibrosis,IPF)是一种基因介导的与年龄相关的慢性间质性肺疾病,以进行性呼吸困难、运动耐力下降、肺间质性浸润及肺限制性通气功能障碍为主要特征,胸部影像学和组织病理学通常表现为普通型间质性肺炎[1]。IPF 并发症多,病死率高,确诊后生存时间约为3～5年。由于其自然病程差异大,具有高度异质性,因此临床上需根据生物标志物进一步区分具体亚型,以提供个体化和精准化的治疗。端粒缩短及端粒相关基因突变是近年有关IPF 研究较多的生物标志物,本文对IPF与端粒缩短、端粒相关基因突变的相关研究进展阐述如下。

1 端粒的结构及功能

端粒是位于染色体末端串联重复的核苷酸序列,在人体由TTAGGG 构成,它能够保护染色体结构和功能的完整性,防止细胞复制过程中染色体末端降解、重排和融合。细胞每次分裂进行染色体复制的过程中,由于DNA 聚合酶不能完整复制线性染色体3′端,端粒就会缩短,当缩短到一个临界值时,会触发持续的DNA 损伤反应,诱导细胞复制性衰老或凋亡[2]。端粒长度的维持是一个由大量蛋白质调控的复杂过程,端粒的延长主要依赖端粒酶在DNA合成时向染色体末端添加TTAGGG 重复序列[3]。端粒酶是一种专门的DNA 聚合酶,主要由2个不同的亚基组成,即功能性催化亚基 [端粒酶逆转录酶 (telomerase reverse transcriptase,TERT)]和RNA 亚基 [端粒酶RNA 组分(telomerase RNA component,TERC)]。在端粒酶通过其逆转录酶活性延长端粒的过程中,一些端粒相关基因突变会破坏基因组的完整性和稳定性,打破细胞稳态,从而引发各类疾病。

2 端粒与IPF

2.1 端粒与IPF发病关系

2.1.1 端粒缩短与IPF发生及预后 与IPF是一种衰老相关的疾病一致,端粒缩短在其发生发展过程中有重要意义。国内外多项研究已经证实,IPF 患者年龄校正后的外周血细胞端粒长度远远短于健康对照组,也明显短于具有自身免疫特征的间质性肺炎和结缔组织病相关间质性肺疾病,并与疾病快速进展及生存时间缩短相关,是IPF 预后的独立预测因素[4-7],尤其对不足60岁的短端粒IPF 患者,端粒 (生物年龄)是一个比时间年龄更好的预测因素[5]。端粒缩短与IPF相关更有力的证据是IPF 患者Ⅱ型肺泡上皮细胞 (alveolar epithelial cellⅡ,AECⅡ)的端粒长度远远短于健康人,并与存活率呈正相关[6,8]。Snetselaar等[6]对51例IPF患者肺活检标本行端粒长度测量后发现,无纤维化区域AECⅡ的端粒长度比纤维化区域长56%,而周围其他细胞的端粒长度并无明显差别,这进一步提示端粒缩短主要通过影响AECⅡ致纤维化,与目前IPF肺泡上皮细胞慢性损伤后的异常修复导致肺组织异常重构的假说一致。传统试验方法测量端粒长度提取的是外周血细胞或肺组织细胞的端粒DNA,Planas-Cerezales等[5]在端粒长度与IPF关联研究中发现口腔拭子采样的颊细胞端粒长度与外周血单核细胞端粒长度有很好的相关性,这种非侵入性方法使得检验标本的获取更加简单易行,端粒长度检测费用也比许多试验中心的常规肺功能检查便宜[9],因此端粒长度检测在IPF患者中比较容易实现。男性IPF患者比例远远高于女性,女性预后比男性好,这可能也与端粒长度有关[10]。此外,端粒异常缩短引起组织干细胞或原始细胞功能障碍,限制组织更新,也是导致IPF常合并肺癌发生的部分原因。

2.1.2 端粒相关基因突变与IPF发生 在IPF与端粒相关研究中,发生突变的端粒相关基因包括TERT、TERC、DKC1 (角化不良蛋白基因)、PARN (多聚A 特异性核糖核酸酶)、NAF1 (核组装因子1)、RTEL1 (端粒延长解旋酶1)、ZCCHC8和TINF2 (TRF1相互作用核蛋白2),这些突变通过各种不同的途径影响端粒酶活性及转运与定位功能[11]。TERT 基因突变直接导致TERT 的催化活性降低;TERC基因突变降低了与添加端粒重复序列有关的模板RNA 功能;DKC1[12]、PARN[13]、NAF1[14]与调节端粒酶RNA 稳定性及TERC水平有关;RTEL1突变通过阻止端粒酶与端粒DNA 序列结合,影响端粒酶发挥作用[15];ZCCHC8功能缺失性基因突变致端粒酶RNA 3′端成熟障碍,导致端粒酶RNA 损耗[16]。端粒相关基因突变主要发生在家族性IPF 中,以TERT 最常见,约占15%[17],其他基因突变相对少见[18],散发IPF人群中也有高达10%的患者携带这些基因突变[13]。端粒相关基因突变的发生与患者是否携带人黏蛋白5B (mucin-5 subtype B,MUC5B)启动子rs35705950基因多态性有关,MUC5B 是一种分泌蛋白,MUC5B启动子rs35705950 多态性是IPF 一个重要易感因素,并与病死率减低有一定关系,携带MUC5B 多态性的患者端粒相关基因突变发生率远远低于未携带者[19]。端粒相关基因突变能引发端粒功能障碍,增加患IPF风险,若同时有和间质性肺疾病相关的其他基因变异,会进一步增加IPF的易感性[19]。对于易感性升高的人群,建议尽量避免IPF相关高危因素 (如吸烟、粉尘、胃食管反流等),尽可能地预防IPF的发生。携带有端粒相关基因突变的患者比未携带者疾病发作年龄更早[20],FVC%pred 下降更快[19],但端粒相关基因突变对IPF预后的具体意义仍有待进一步研究。

2.1.3 IPF、端粒相关基因突变和端粒缩短的关系 IPF、端粒相关基因突变和端粒缩短的关系显得很复杂。80%有端粒相关基因突变 (TERT、TERC、RTEL1、PARN)的IPF患者端粒显著缩短[15],端粒缩短的IPF 患者不一定有端粒相关基因突变。部分人一出生就携带TERT 或TERC突变并且有较短的端粒,却在50岁以上才发生肺纤维化甚至终生不发病。有学者认为,端粒长度是可遗传的,端粒相关基因突变并不直接导致端粒显著缩短,而是由几代突变对于端粒缩短累积效应形成的[21]。也有学者认为,端粒相关基因突变使端粒酶功能损害的程度各异,有的甚至接近正常,并不完全都是功能丧失性突变[22],这2种假说都可以解释携带端粒相关基因突变的部分IPF患者端粒无显著缩短。一些端粒显著缩短的IPF患者行基因检测未发现有预设的端粒相关基因突变,可能是由于维持端粒功能的其他罕见或未被认识的基因发生变异,此外,氧化应激、吸烟等也可使端粒磨损缩短。有端粒相关基因突变和/或端粒缩短的健康人是否发生IPF 取决于多个因素,包括MUC5B基因启动子单核苷酸多态性、环境暴露、吸烟、胃食管反流等[23],这种基因-环境交互作用在一定程度上决定了IPF的发生发展。

2.1.4 端粒与IPF 发病机制 有研究表明,仅AECⅡ端粒功能障碍就可以导致肺组织重构和肺纤维化[24],但端粒参与IPF的具体发病机制仍不完全清楚。端粒相关基因突变或其他因素导致端粒缩短,待端粒长度缩短到一定阈值时,会触发持续的DNA 损伤反应,导致肺泡上皮细胞损伤、异常增生及修复[24-26],并提高细胞周期抑制蛋白p53和p21表达水平,限制AECⅡ自我更新和分化,使AECⅡ发生衰老改变[27]。衰老的AECⅡ通过分泌衰老相关分泌表型促进相邻成纤维细胞和肌成纤维细胞分泌过多的细胞外基质,导致胶原沉积和肺结构破坏,诱发IPF 病理进程[28-29]。衰老人肺泡上皮细胞还可以通过Wnt/β-Catenin/KLF4通路的异常激活抑制TERT 表达,进一步缩短端粒长度,加速肺纤维化的形成[7]。另有一些研究表明,端粒缩短通过在肺部激活TGF-β/Smad3 信号通路,提高TGF-β1和Smad3水平,增加肺成纤维细胞的增殖及其向肌成纤维细胞的分化,导致肺纤维化[30]。研究者还发现,端粒长度缩短至一定阈值的IPF能诱导一种上皮细胞表达的肺源性分泌因子GDF15水平上调,其在血浆中的水平与肺弥散功能和FVC 有关[31],这可能与端粒缩短的IPF 疾病快速进展相关。

2.2 端粒与药物治疗IPF的关系

2.2.1 端粒与抗纤维化药物治疗IPF的关系 目前还没有发现能够治愈IPF的药物,抗纤维化药物吡非尼酮和尼达尼布似乎可以延缓疾病进展,降低死亡风险,尤其对早中期患者有效[32],这2种药物在端粒缩短和/或携带有端粒相关基因突变这一亚型IPF患者中的安全性和有效性也逐渐被报道,研究结果不尽一致。一项欧洲多中心回顾性研究显示对于携带TERT/TERC基因突变的患者,吡非尼酮使用前和使用后FVC每年下降值分别为(161.8±31.2)ml和 (235.0±49.7)ml,吡非尼酮对这类IPF患者肺功能下降无明显改善[33]。但有研究对2 项3 期临床试验(CAPACITY 和ASCEND)的事后分析发现,尽管携带有端粒相关基因突变的患者比未携带者FVC下降更快,但应用吡非尼酮仍可以显著减慢携带组重症患者的FVC 下降速度[19]。吡非尼酮最常见的不良反应为胃肠道反应,端粒相关基因突变对IPF 患者此不良反应无明显加重或减轻[34]。最近Justet等[35]发表了一项关于尼达尼布和吡非尼酮治疗携带有端粒相关基因突变的IPF患者的安全性和有效性研究,通过比较抗纤维化治疗前 (39 ml/月)和治疗后(22 ml/月)的平均FVC 下降值,证明抗纤维化治疗对该亚型IPF有效,并在纠正试验中所有混杂因素后,通过比较尼达尼布 (15 ml/月)和吡非尼酮 (25 ml/月)治疗后的平均FVC下降值,第一次在这类人群中评估了尼达尼布的疗效,表明尼达尼布在这类特殊群体中安全有效。由于样本量太小,无法评估2种抗纤维化药物疗效的差异。

2.2.2 端粒与其他药物治疗IPF的关系 很少一部分IPF患者对免疫抑制剂应答较好,大部分反应欠佳,甚至出现不良后果,这其中的机制尚不清楚,端粒缩短与IPF 的关系或许可以解释其中部分原因。Newton 等[36]通过对PANTHER-IPF试验留取的DNA 样本进行白细胞端粒长度测定发现,端粒长度低于正常对照第10百分位数预测值的患者在使用泼尼松、硫唑嘌呤和乙酰半胱氨酸联合治疗后,FVC下降更快,住院次数更多,病死率和肺移植率更高,这个结论在2 个类似的试验 (ACE-IPF 临床试验和UTSW IPF队列研究)中得到证实。这项研究发现IPF 患者白细胞端粒缩短和对免疫抑制剂应答之间存在一种药物-基因相互作用关系,缩短的端粒是一种药物基因组生物标志物,可识别暴露于免疫抑制药物时存在不良临床结果风险的IPF患者。

达那唑,一种合成雄激素,被证明大剂量使用时可以增加端粒长度,稳定携带端粒相关基因突变患者的FVC 和DLCO,但因为治疗过程中肝脏不良反应和静脉血栓形成风险增加,许多患者耐受性较差[37]。值得注意的是,目前进行的一项临床试验 (NCT03312400)正在评估低剂量达那唑治疗端粒缩短相关疾病的疗效,有望为IPF提供新的治疗思路和方向。

2.3 端粒与基因治疗IPF的关系 随着对IPF分子发病机制研究的不断深入,在合并端粒功能障碍这一亚型IPF 的基因治疗方面已有相关动物实验研究。由低剂量博来霉素诱导TERT 基因缺失的短端粒小鼠发生肺纤维化,随后植入携带有TERT 基因的病毒载体AAV9修复TERT 功能,发现肺纤维化可以被迅速抑制,在治疗后第1周和第3周肺功能得到改善,并且在实验结束时有相当一部分小鼠表现出纤维化治愈。AAV9-TERT 治疗使得端粒延长和AECⅡ增殖,也降低了DNA 损伤,减缓了细胞凋亡和衰老[38],这为未来基于端粒长度和端粒相关基因的个体化治疗提供了基础。

2.4 端粒与肺移植治疗IPF的关系 尽管大量的证据表明抗纤维化药物对IPF有不容置疑的获益,但肺移植仍是仅有的能显著延长IPF 患者生存期的方法。IPF 患者端粒缩短及端粒相关基因突变增加了肺移植术后结局不良的风险,相关研究能更好地指导临床医师筛选肺移植等候者,科学地行术后免疫抑制治疗。端粒相关基因突变携带者有严重的T 细胞免疫缺陷,端粒短的小鼠有T 细胞数量和功能缺陷,T 细胞介导的免疫缺陷使患IPF 的肺移植受者 (lung transplant recipients, LTRs ) 巨 细 胞 病 毒(cytomegalovirus,CMV)感染并发症及移植物抗宿主病的发生率增加[39-40]。短端粒IPF-LTRs与长端粒IPF-LTRs和非IPF-LTRs相比,CMV 免疫受损,端粒较短的IPFLTRs发生CMV 感染并发症的风险最高,这些并发症包括复发性病毒血症发作、终末器官疾病和CMV 对治疗的耐药性增加,这可能与CMV 特异性增殖反应、T 细胞效应功能显著受损、免疫抑制更严重有关,减低此类患者免疫抑制可能是最可行的策略,但需要与同种异体移植排斥反应的潜在风险进行权衡[39]。端粒相关基因功能缺失性突变降低IPF患者有效清除供体免疫细胞的能力,使免疫监测受损和细胞介导免疫缺陷,使得急性移植物抗宿主病发生率增加[40]。其他研究还表明,具有短端粒和端粒相关基因突变的IPF-LTRs的血液并发症、急性肾损伤风险、慢性肺移植物功能丧失并发症也可能增加[41-43],这些并发症的增加使得此类IPF患者肺移植后的存活率降低。

3 展望

端粒与间质性肺疾病的相互联系已经远远超出了IPF范围,一些具有普通型间质性肺炎组织特征的其他疾病,如过敏性肺泡炎、具有自身免疫特征的间质性肺炎患者与对照组相比也具有较短的端粒,且患者端粒缩短也与肺功能下降更快及更低的未实施肺脏移植存活率相关[4,44-45]。这表明端粒功能障碍可能是具有某些共同特征 (特别是组织学表现为普通型间质性肺炎)的间质性肺疾病进行性肺纤维化的统一发病因素,为间质性肺疾病基于端粒方面的疾病分类与靶向治疗提供了新的方向。

利益冲突 所有作者均声明不存在利益冲突