表观遗传学在痛风中的研究进展

2024-08-03 00:00:00张丽萍何志艳向前谢招虎李兆福
风湿病与关节炎 2024年6期

【摘 要】 痛风是临床上常见的代谢性风湿病,是遗传和环境共同作用所致的复杂疾病。近年来有学者发现,表观遗传学与痛风的发病相关。相关研究认为,DNA甲基化可能与痛风急性期炎症反应相关;在尿酸钠晶体引发的炎症反应中,组蛋白修饰扮演着关键角色;miRNA可能通过调节炎性信号通路参与痛风的发病,长链非编码RNA与多种炎症信号通络有关,且参与痛风的发生、发展。阐述参与痛风发病的不同表观遗传调控因子,以期为痛风的诊断和治疗提供参考,为进一步理解痛风的机制提供理论依据。

【关键词】 痛风性关节炎;表观遗传学;DNA甲基化;组蛋白修饰;长链非编码RNA;研究进展

痛风是由尿酸排泄功能异常和/或嘌呤代谢异常引起的一种代谢性疾病。尿酸在血液中的浓度升高,可导致单钠尿酸盐晶体沉积在关节、滑膜或其他组织、器官等部位,且这些沉积物导致红、肿、热、痛的急性炎症反应,通常称为痛风的急性发作[1]。流行病学调查显示,欧洲痛风患病率为0.9%~2.5%。美国痛风患病率也呈逐年增长趋势。2018年相关调查数据显示,我国成人居民高尿酸血症患病率达14.0%,而18~29岁的青年男性患病率达32.3%[2]。痛风在男性中比女性更为常见,我国男女患者比例大约是15∶1。痛风的平均发病年龄是48.28岁[3],不过这个数据可能会因地区、种族和生活方式的不同而有所差异。有研究显示,不同种族间的痛风患病率为0.03%~15.3%[4]。在我国,痛风发病率为1%~3%,并且呈逐渐上升和年轻化的趋势[5]。研究发现,痛风是具有遗传倾向的多因子复杂性疾病,与遗传、免疫、环境、饮食、性别、年龄、肥胖或者合并用药等多因素相关。无论基于何种原因,痛风性关节炎的急性发作均需以高尿酸血症为基础[6],但高尿酸血症最后进展为痛风性关节炎的比例较低,为5%~15%[7];除此之外,临床中亦无法用常见的危险因素解释痛风相关问题,如部分痛风性关节炎急性发作患者有剧烈疼痛感但血尿酸水平却不高[8],部分患者已经有痛风石形成却未曾发过痛风[9],未绝经的女性、青少年痛风[10-11]等。有研究发现,某些因素可以不更改DNA序列的情况下,表观遗传修饰能调控基因的表达,这可能会引发或加剧疾病的进程[12]。因此,探讨表观遗传学与痛风发病的关系,不仅能为痛风的发病机制及防治工作提供参考依据,还能拓宽对表观遗传学的认识。

1 表观遗传学概述

表观遗传学最早在20世纪40年代由英国发育生物学家Waddington提出。表观遗传是在基因表达过程中发生的不涉及DNA序列改变的基因表达水平和功能改变,这种改变是可逆的且能够在生物体发育过程中稳定传递[13]。DNA甲基化、基因组印迹、非编码RNA调控、组蛋白修饰、染色质重塑等是表观遗传的主要调控机制,在这些调控机制中无论任何环节出现异常均能影响到基因的表达。表观遗传的特点主要包括不改变DNA序列、可遗传性、可逆性的基因表达调节等[14]。目前多项研究发现,自身免疫病、代谢性疾病、肿瘤以及炎性疾病等的发生和发展可能受到表观遗传机制的影响[15]。本文将从表观遗传学角度,对其在痛风发病机制的研究进展做一综述。

2 痛风与DNA甲基化

DNA甲基化是DNA化学修饰的一种形式,是最早被人们发现且研究最深入的表观遗传调控机制中之一。DNA甲基化指在DNA甲基转移酶(DNMTs)的作用下,把S-腺苷甲硫氨酸(SAM)作为甲基供体,将胞嘧啶变为5-甲基胞嘧啶

(5-mc)的一种反应。在人类所知的哺乳动物中,甲基化胞嘧啶主要源于CpG岛,当这些岛屿高度甲基化后,特异性甲基化CpG结合蛋白-2与组蛋白去乙酰化酶将协同作用,增强组蛋白去乙酰化酶活性,进而导致基因转录的失活。或甲基化发生在启动子及其附近区域,它可以通过阻止启动子和转录因子的结合降低基因的转录水平或导致基因不能发生转录[16]。

近年来研究发现,痛风的发病和DNA异常甲基化密切相关。有研究发现,痛风患者UMOD基因的甲基化水平高于正常人[17],NRBPI、CCL2启动子区甲基化水平较低[18-19]。基因TUBB4A、P2RX7、ABCG2和SLC2A9的甲基化水平和原发性痛风性关节炎的发病相关,但TUBB4A、ABCG2在痛风性关节炎中的发病机制尚未明确[20]。彭元洪[21]发现,痛风急性期、未出现关节肿痛的间歇期患者PBMCs中DNA甲基转移酶1、DNA甲基转移酶3A的mRNA表达水平、蛋白表达水平较正常人下降,其中未出现关节肿痛的间歇期患者DNA甲基转移酶3A的蛋白表达水平较痛风急性期高,提示痛风患者的DNA甲基转移酶3A、DNA甲基转移酶1、DNA甲基转移酶3B的蛋白及mRNA的异常表达,可能与痛风的发生、炎症调节及遗传有关。陈勇等[22-23]通过基因芯片技术检测痛风患者和健康人群外周血单核细胞中DNA甲基化谱的差异,结果显示,痛风组CpG位点的甲基化水平和健康组存在差异,共有20 426个

甲基化发生改变,涉及10 063个基因。所涉及的基因中,有5 719个高甲基化位点,14 707个低甲基化位点。同时发现,参与嘌呤代谢的一部分基因呈高甲基化,一部分呈低甲基化。行Pathway分析,提示差异性甲基化基因参与炎性通路。该研究结果提示,参与嘌呤代谢的低甲基化基因或许通过增加基因的表达,将嘌呤代谢产物转化成尿酸,进而使血尿酸水平升高;在痛风患者具有差异性的甲基化能使炎症因子水平升高,DNA甲基化可能与痛风急性期炎症反应相关。

虽然,DNA甲基化在内分泌疾病、代谢性疾病、心血管疾病和免疫性疾病中的影响和机制已被广泛研究,然而,在痛风这一特定领域,其研究仍处于初级阶段,尚未形成完整且深入的理解体系高尿酸血症、痛风性关节炎的危险因素能否引起DNA甲基化改变,值得进一步研究。

3 痛风与组蛋白修饰

组蛋白是一类碱性蛋白,能够与DNA结合。它们存在于真核生物的细胞核内,是染色质的主要蛋白质成分。组蛋白修饰是在相关酶的催化作用下发生的一系列修饰过程(如甲基化、去乙酰化、腺苷酸化、乙酰化、去甲基化、磷酸化、去磷酸化、ADP核糖基化、泛素化、去泛素化等)。其主要发生在组蛋白氨基酸残基末端,常用于动态调节染色质的结构和功能,与炎症及炎症相关疾病紧密相关[24]。

有学者研究发现,尿酸钠晶体作为一种危险信号可被Toll受体(TLRs)识别,在经过一系列转化后可激活核转录因子-α(NF-κB)、白细胞介素(IL)-1β等炎性因子,进而导致痛风性关节炎的急性发作[25];而泛素化修饰酶是TLRs受体信号中重要的负调控分子,可抑制TLRs以避免机体发生炎症性关节炎[26]。组蛋白甲基转移酶抑制剂MTA可以使IL-1β水平降低,但是予组蛋白乙酰转移酶抑制剂EGCG是不会引导致IL-1β变化的。由此推测,高尿酸血症中的炎症因子IL-1β表达可能和组蛋白甲基化修饰有关[27]。Ash11是一种甲基化转移酶,位于组蛋白H3第4位赖氨酸位点。有学者研究发现,Ash11可以通过活化转录的泛化素转移酶A20的表达,抑制TLRs通路及IL-6的表达[28]。上述研究表明,组蛋白修饰在尿酸钠晶体引发的炎症反应中扮演着关键角色,而高尿酸血症与痛风的发病密切相关。组蛋白是否通过参与痛风发作相关的信号通络进而在痛风的发病中发挥重要作用,有待进一步探究。

4 痛风与非编码RNA

非编码RNA(ncRNA)存在于真核细胞中,因缺乏rRNA和tRNA功能,不能被翻译成蛋白质,但是可以在多个水平调节基因表达的一类RNA,根据长度可分为microRNA(miRNA)、rRNA、长链非编码(lncRNA)等不同类型[29]。其中miRNA、lncRNA是近年来各领域研究热点。

4.1 miRNA与痛风 miRNA是由长度在22~

24个核苷酸的内源基因编码组成的非编码单链RNA分子,miRNA可以通过碱基互补配对,识别靶基因3'非翻译区的特定序列,在转录后抑制靶基因mRNA的翻译和(或)促进mRNA降解,从而调节蛋白的生成[30]。相关研究显示,miRNA大概参与了人类1/3基因的调控,且细胞的生长、机体发育、炎症反应、疾病的发展等也与miRNA表达调控有关。

miRNA可能通过调节炎性信号通路参与痛风的发病。研究发现,原发性痛风性关节炎急性期小鼠炎症因子肿瘤坏死因子-α、IL-1β的mRNA水平、上清液中的IL-1β浓度、NF-κB、TRAF6的蛋白表达高于对照组,因此推测miR-146a对炎症反应有负性调节作用,可以通过抑制NF-κB、TRAF6、IRAK1的表达减轻急性痛风的炎性水平[31]。亦有学者发现,小鼠在被敲除miR-146a后,可发生严重的痛风,其原因可能和被敲除的基因有关。miR-146a被敲除后,已经丧失了对IL-1、TRAK6受体相关酶的抑制作用和对NALP3炎症体的负调节作用,致使炎症因子得以大量释放,进而引起痛风发作[32]。miR-302b能靶向抑制NF-κB、Caspase-1信号通络中的IL-1受体相关激酶4、促红细胞生成素,产生干细胞受体A2,进而负调节由尿酸钠晶体沉积引起的IL-1β的表达[33]。王翔[34]使用单钠尿酸盐刺激THP-1巨噬细胞模型,分析小鼠细胞内miRNA223-3p、miRNA22-3p和NLRP3在单钠尿酸盐刺激后随时间的表达变化,结果发现,在刺激6 h后,NLRP3的表达水平最高,且miRNA22-3p、miRNA223-3p较未刺激组的表达水平显著降低。经过q-PCR等进一步验证后,发现2组细胞内IL-1β、NLRP3的表达较对照组降低,细胞外IL-1β的分泌也较对照组显著降低,而miRNA22-3p和miRNA223-3p表达较对照组显著升高。推测miRNA22-3p、miRNA223-3p与痛风的炎症有关联,两者可以通过与NLRP3-3,-UTR端结合,在mRNA蛋白转录后抑制IL-1β的生成、释放和NLRP3的表达,由此发挥对痛风炎症的调节作用。综上所述,miRNA对痛风发病的炎症反应发挥了重要的调控作用,但因其复杂性、广泛性,仍需进一步深入研究。

4.2 lncRNA与痛风 lncRNA是一类长度不低于200个核苷酸的非编码RNA分子序列,虽然其不具备编码蛋白质的功能,却是基因转录组的重要成员[35]。lncRNA种类繁多、数量庞大,可以通过多种形式参与调控基因的表达模式,在表观遗传、转录、转录后以及蛋白编码水平上,lncRNA都发挥着重要的作用。[36]。有研究提示,lncRNA与多种炎症信号通络有关,并且参与多种代谢性疾病和风湿病的发生、发展。

痛风的发病与机体多条炎症信号通络相关[37]。有研究发现,lncRNA DYN-LRB2-2对TLR2信号通路起负向调控作用;lncRNA MALAT对MyD88起正向调控作用[38]。lncRNA-cox2可以通过TLR配体以NF-kB和MyD88依赖的方式诱导不同类型固有免疫的激活和抑制[39]。据相关研究报道,lncRNA参与了痛风的发生、发展。有学者通过利用基因芯片检测技术观察正常体检者和原发性痛风性关节炎患者外周血PBMCs中lncRNA的表达有无差异,在明确差异表达的lncRNA后进行Pathway和GO分析,发现原发性痛风性关节炎患者与正常体检者lncRNA的表达差异明显;原发性痛风性关节炎患者差异表达在2倍以上的lncRNA共有1 815个,其中表达上调的有875个,表达下调的有940个;GO分析提示,差异表达的lncRNA主要参与代谢、转录调节、蛋白结合等;Pathway分析显示,差异表达的lncRNA主要参与炎症反应途径和细胞因子等[40-43]。随着科学技术的进步,lncRNA越来越受到人们的关注,但目前人们对其在痛风发病过程中的作用机制尚未明确,期待以后有更多学者进行探索。

5 小结与展望

随着人们对表观遗传学的深入研究,发现表观遗传学与许多疾病密切相关。痛风是一种由遗传因素和环境因素共同作用所致的代谢性风湿病,对痛风发病机制的研究具有重大意义,表观遗传学的发展使得人们对痛风的认识更加全面。随着对痛风的表观遗传学研究不断深入,ncRNA等新型生物标志物可能在痛风的临床筛查和诊断中,希望未来能有更多研究人员投身于这项研究,通过新的视角加深对痛风的理解,并开发出有效的治疗与预防策略。

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收稿日期:2023-12-05;修回日期:2024-01-27