组蛋白去乙酰化酶3——预防器官缺血/再灌注损伤的关键靶点

高明朗，赖 凯，付庭吕，李 宁，耿 庆

(武汉大学人民医院胸外科，湖北 武汉 430061)

缺血/再灌注损伤(ischemia-reperfusion injury, IRI)是全球范围内导致患者死亡的主要原因之一[1]，包括心、脑、肾、肝和肺的急性器官损伤。IRI是由器官缺血和再灌注导致的病理性损伤过程，其特点是强烈的促炎反应，包括白细胞迁移、细胞因子释放、微血管血栓形成和组织细胞死亡[2]。大多数急性器官IRI患者因为没有特定的治疗方法，只能接受临时器官支持或替代治疗，因此，针对IRI的早期预防及寻找合适的治疗靶点是至关重要的。

组蛋白乙酰化和去乙酰化修饰是近年来研究的热点，组蛋白作为真核细胞染色质中的主要蛋白质组分，可以通过稳定染色质结构来调节基因表达，因此，染色质组蛋白的乙酰化水平在基因的表观遗传学调控和细胞的生理功能调节中具有关键作用[3]。组蛋白乙酰化和去乙酰化修饰最早由Allfrey于1964年最早提出[4]，组蛋白乙酰转移酶(histone acetyltransferase, HATs)和组蛋白去乙酰化酶(histone deacetylase, HDACs)通过调节组蛋白N端赖氨酸残基的乙酰基，进而调控染色质结构和基因表达，许多证据表明，HDAC3在急性器官损伤，尤其是IRI过程中发挥了关键的作用[5]。本文综述了HDAC3在部分器官IRI发生发展中的作用，并讨论了其潜在的分子生物学机制及治疗价值。

1 HATs和HDACs

组蛋白作为核小体重要的组成部分，其翻译后修饰会影响染色质的结构和基因表达。组蛋白乙酰化和去乙酰化水平受HATs和HDACs之间的相互调节而保持动态平衡[6]。HATs通过将乙酰辅酶A的乙酰基转移到N末端内部赖氨酸残基的ε-氨基来催化组蛋白的赖氨酸乙酰化，乙酰基的加入破坏了DNA和组蛋白之间的静电连接作用，通过中和赖氨酸正电荷，进而改变了染色质结构和基因表达，HDACs介导组蛋白的去乙酰化修饰来调节染色质的凝聚和转录抑制[6]。

HDACs在哺乳动物体内可分为4类，Ⅰ类HDACs包括HDAC1、HDAC2、HDAC3和HDAC8，大部分存在于胞核中，其中，HDAC3可以从胞核转移到胞质中。Ⅱ类HDACs包括Ⅱa 类HDACs(HDAC4、HDAC5、HDAC7和HDAC9)和IIb类HDACs(HDAC6和HDAC10)，其中Ⅱa类HDACs可在胞核和胞质之间穿梭。Ⅲ类HDACs因为与酵母菌转录抑制因子Sirt2序列同源，也被称为sirtuins，主要包括SIRT1、SIRT2、SIRT3、SIRT4、SIRT5、SIRT6和SIRT7。Ⅳ类HDACs仅包括1个成员(HDAC11)，其主要在胞核中表达。

2 HDAC3的结构和功能

2.1 HDAC3的结构所有Ⅰ类HDACs成员都具有相似的结构，不同于HDAC1、HDAC2的是，HDAC3能够与核受体辅阻遏物(nuclear receptor corepressor, NCoR)以及类视黄醇和甲状腺激素受体沉默介质(silencing mediator for retinoid and thyroid hormone receptors, SMRT)相结合，维持染色质结构和基因组稳定性，因而HDAC3基因对高效的DNA复制和DNA损伤控制至关重要[7]。

2.2 HDAC3的功能核受体作为基因开关，通过激活信号依赖性转录因子来调控基因转录，反过来，转录因子整合激素、代谢和环境信号后，向特定的基因组序列招募各种辅抑制因子和辅激活因子[8]。HDAC3含有核受体辅阻遏物，包括NCoR和SMRT，与无配体的核受体结合后可以直接阻遏基因表达。NCoR和SMRT复合物含有WD40重复蛋白，如TBL1XR1和TBL1X，这些复合物将19S蛋白酶体和泛素化机制招募到组蛋白中[9]。G蛋白通路抑制物2(G protein pathway suppressor 2, GPS2)是NCoR和SMRT复合物的另一个核心元件[10]，然而，GPS2的作用机制尚不清楚。在某些情况下，HDAC3也可以间接激活基因表达，即核受体介导的配体结合使辅阻遏复合物失活并招募辅激活因子，从而通过组蛋白乙酰化修饰促进基因转录。

3 HDAC3在器官损伤中的作用

3.1 大脑缺血性卒中是一种潜在且致命的心脑血管疾病，通常由脑血管中的血栓引起，在世界范围内具有较高的发病率和死亡率。脑血管持续闭塞会阻碍局部脑组织氧气和葡萄糖的供应，脑低灌注和再灌注过程最终会导致神经性炎症、细胞坏死和继发性组织损伤[11]。Ⅰ型干扰素(interferons, IFNs)调控促炎因子表达和先天免疫反应，因此，IFNs或其上游调节因子等可能有助于预防血管闭塞引起的脑IRI。环状GMP-AMP(cGAMP)合成酶(cyclic GMP-AMP synthase, cGAS)-干扰素基因刺激因子(stimulator of interferon genes, STING)通路是IFNs通路和先天性免疫应答双链DNA(dsDNA)的关键调控因子。小胶质细胞是一种存在于中枢神经系统的先天免疫细胞，是IRI所致神经炎症的主要效应细胞，研究发现小胶质细胞敲除cGAS后可显著减轻脑IRI，而特异性缺失HDAC3的小鼠也表现出cGAS基因和蛋白水平低表达，以及STING和IFN-γ水平的降低。机制上，HDAC3通过将位于K122处的p65发生去乙酰化，从而促进p65的核累积，来调控cGAS的转录[12]。此外，研究显示，HDAC3的抑制剂RGFP966通过抑制小胶质细胞中黑色素瘤缺乏因子2(absent in melanoma 2, AIM2)炎症小体的激活，从而预防脑IRI[13]。暴露于脂多糖(lipopolysaccharide, LPS)的原代小胶质细胞经HADC3抑制剂处理后，与未处理组相比Toll样受体(toll-like receptors, TLR)和STAT3/5信号通路相关基因表达存在明显差异[14]。众所周知，糖尿病能显著增加脑血管闭塞的风险，是缺血性脑卒中的主要危险因素之一，研究显示，HDAC3通过上调大脑和肌肉的Arnt-like 1(brain and muscle ARNT-like-1, Bmal1)基因表达，从而降低由糖尿病诱导的小鼠脑IRI的风险[15]。然而，HDAC3调控Bmal1表达的能力是否依赖于组蛋白去乙酰化水平尚不完全清楚。

最近研究表明，抑制HDAC3表达可以激活JAK1/STAT3信号通路改善脑IRI，这一过程是通过miR-19a抑制SDC1改善内皮细胞功能实现的。同时，脑IRI的修复过程往往伴随着神经元干细胞(neural stem cells, NSCs)的自我更新，研究证实在小鼠脑IRI模型中，miR-421靶向PINK1并限制其在NSCs中的表达，进一步抑制HDAC3磷酸化并增强FOXO3乙酰化，从而促进NSCs的自我更新[16]。这些结果表明，HDAC3在脑IRI病理生理过程中扮演着重要的角色，选择性抑制HDAC3可能对脑IRI具有保护作用，但确切机制需要进一步的临床数据研究验证。

3.2 心脏心肌梗死(myocardial infarction, MI)是冠状动脉粥样硬化，造成一支或者多支冠状动脉管腔狭窄和心肌供血不足，阻碍了氧气和营养物质的供应，从而导致心肌组织损伤和细胞死亡的过程[17]。非编码RNA在心肌IRI中有重要的调节作用，体外活性氧刺激心肌细胞和体内缺血/再灌注模型共同表明，长链非编码RNA牛磺酸上调基因1(taurine up-regulated gene 1, TUG1)通过结合miR-132-3p，上调HDAC3从而抑制抗氧化基因Bcl-XL、Prdx2和Hsp70的表达，介导心肌细胞氧化损伤[18]。此外，在模拟心肌IRI模型中，HDAC3通过对核因子κB(nuclear factor kappa-B, NF-κB)亚基p65去乙酰化调控抑制NRF2-ARE活性，促进氧化应激诱导的心肌坏死[18]。研究表明周期蛋白依赖激酶2(cyclin-dependent kinases 2, CDK2)是一种丝氨酸/苏氨酸激酶，其异常激活与心肌梗死和心力衰竭有关。HDAC3抑制剂RGFP966也可以通过促进miR-19a-3p的表达来降低心肌中CDK2的表达，然而HDAC3调控miR-19a-3p的作用机制尚不清楚[19]。因此，抑制HDAC3对心脏IRI具有保护作用，其具体机制需要进一步阐明，但心肌细胞中的HDAC3高表达可导致心功能不全和心力衰竭，通过RGFP966治疗可降低HDAC3的表达，减轻心肌梗死小鼠的氧化应激和心脏损伤。

3.3 肾脏肾脏IRI在机体休克、肾脏移植、心肺复苏等疾病疾病及血管内手术等过程中很常见[20]。肾IRI后早期给予非特异性HDAC抑制剂Trichostatin A(TSA)预处理可保护肾功能，并通过上调miR-21基因表达来预防肾纤维化。此外，抑制HDAC6对肾脏IRI耐受性没有显著影响，表明Ⅱ类HDAC抑制剂对预防肾脏IRI没有效果[21]。然而，将HDAC3敲除鼠的肾脏移植到野生型鼠后进行肾IRI模型构建，移植肾脏功能并未明显改变，敲除HDAC3反而加重了肾IRI纤维化进展，但是抑制同为I类HDACs的HDAC2可明显改善了肾脏IRI的进程[22]。因此，结合上述TSA保护肾IRI研究，HDAC3对肾缺血/再灌注过程的影响及作用机制仍需进一步研究。

3.4 肺脏肺IRI在肺部手术尤其是肺移植后很常见，大量研究表明内皮细胞炎症、氧化应激、免疫反应是导致移植后肺IRI的主要原因[23]。Joshi等[24]发现使用HDAC3选择性抑制剂RGFP966可以抑制内皮细胞炎症和改善内皮屏障功能。此外，在肺IRI模型中，HDAC非选择性抑制剂丙戊酸(valproic acid, VPA)通过上调HO-1活性显著降低肺组织炎症、氧化应激、凋亡等肺损伤指标[25]。肺IRI常可导致机体和局部剧烈的炎症反应，而炎症因子的释放反过来又可加重肺功能障碍。研究表明巨噬细胞调节的免疫炎症反应加重了肺IRI，使用HDAC3抑制剂通过抑制NF-κB，从而抑制巨噬细胞中各种致炎细胞因子(如IL-1β、IL-6和TNF-α)的表达，来减缓肺IRI进程[26]。最新研究显示[27]，LPS刺激并没有改变HDAC3与去乙酰化依赖基因结合的能力，但增加了HDAC3与转录起始位点的结合。在骨髓来源的巨噬细胞中，HDAC3通过与独立于NCoR1/2复合体的ATF2位点结合，来促进促炎因子的表达，HDAC3的激活会抑制TLR信号通路和巨噬细胞的炎症反应。这些结果表明，抑制HDAC3可以通过改善内皮细胞功能，抑制氧化应激及巨噬细胞活化来减轻肺IRI。

Fig 1 Mechanism of HDAC3 in preventing organ ischemia-reperfusion injury

虽然HDAC3抑制剂可以通过抑制炎症来预防肺IRI，但由于HDAC3的酶活性可以反过来调控炎症，因此，在开发HDAC3靶向药物时还需要进一步研究。

3.5 肝脏肝IRI会直接损害肝脏活力，在肝移植、切除和外伤等手术中很常见。缺血/再灌注通过复杂的信号通路导致严重的肝损伤和炎症反应。研究表明在SD大鼠肝IRI模型中，组蛋白H3乙酰化水平显著下降，丁酸干预通过抑制HDAC功能和诱导热休克蛋白(heat shock proteins 70, Hsp70)的表达保护肝损伤[28]。然而，另有研究显示，HDAC非选择性抑制剂VPA和SAHA通过调节p38和JNK通路激活延迟肝脏IRI进程，但最终无法实现肝器官保护效应[29]。这些差异结果可能是由于HDAC抑制剂的选择和肝IRI模型建立的方式不同导致的。尽管上述的HDAC抑制剂均具有HDAC3抑制功能，但HDAC3在肝IRI过程中扮演的角色仍需在使用HDAC3选择性抑制剂和HDAC3敲除模型环境下才能更好的验证。因此，在研究HDAC3肝细胞IRI过程中的作用时，需要合理构建模型。此外，HDAC3对于炎症的调控作用是否对肝IRI有影响仍需进一步研究。

4 HDAC3的临床价值

迄今为止，有相关临床研究也证明了HDAC3在器官IRI中的重要作用。例如，糖尿病合并HDAC3和HDAC9基因表达可加重动脉粥样硬化并导致中风[30]。这些临床研究表明HDAC3的基因改变与糖尿病和脑血管病的发生密切相关。然而，很少有临床研究报道HDAC3在其他类型的器官损伤中的作用。在我们进行临床实践之前，有必要获取更多关于HDAC3的临床数据，确保IRI患者得到更好的治疗。

5 展望和结论

HDAC3是HDAC家族中一个独特而重要的成员，其催化活性主要取决于核受体辅阻遏复合物的完整性。我们还简要讨论了HDAC3在整合来自环境的各种信号以调节细胞周期、发育、代谢和能量平衡中的作用，以及HDAC3在大脑、心脏、肾脏、肝脏、肺等器官IRI中的作用(Fig 1)，虽然HDAC3在生理条件下是有益的，但病理性HDAC3上调与IRI的发病机制密切相关。

迄今为止，尚未在HDAC3基因中发现导致人类疾病的基因突变，可能是因为HDAC3的基因突变导致胚胎无法存活。然而，HDAC3基因中的许多单核苷酸多态性位点(single nucleotide polymorphism, SNPs)突变已被广泛报道[30]。我们推测，一些SNPs可能位于增强子内，这些SNPs可能由于核受体或转录因子的结合受损而阻碍HDAC3的聚集，从而影响HDAC3的表达。另一个突出的问题是，如何克服锌依赖性HDAC同工酶的高度结构相似性，来开发出特异性HDAC3抑制剂而非广谱HDAC抑制剂。因此，未来尚需要开展HDAC3相关的大样本高质量临床研究，通过临床的样本进行验证，以推动HDAC3的研究发展。