心髒健康科學

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表觀遺傳學在心髒發育和心血管疾病中的作用

Yanhan董騰的太陽庫恩王王建勳,李培峰

青島大學轉化醫學研究所,中國青島
兩位作者都對這項工作做出了同樣的貢獻

*通訊作者:青島大學轉化醫學研究所,青島鄧州路38號,266021,電話:86-532-82991791;電子郵件:peifli@qdu.edu.cn


摘要

表觀遺傳機製包括DNA甲基化、組蛋白修飾、氧化修飾和非編碼rna,與心髒發育和功能障礙密切相關。然而,確切的機製尚不清楚。越來越多的研究表明,在動脈粥樣硬化、心力衰竭、心肌梗死和心肌肥厚等心血管疾病中,DNA甲基化改變或染色質修飾的明顯變化。氧化修飾也被發現涉及心髒生理學和病理生理學。在這些機製中,microRNAs (miRNAs)已被廣泛證明對心髒發育、病理、修複以及臨床中潛在的生物標誌物或治療靶點至關重要。大多數表觀遺傳改變通過增加或減少心髒相關基因的表達來控製心血管疾病的發生和進展。然而,表觀遺傳學如何導致染色體結構的變化及其複雜的相互作用仍需進一步探索。在這裏,我們綜述了最近關於表觀遺傳機製的研究結果,並強調了它們在心髒發育和病理中的作用,這有望為心血管疾病的治療提供新的靶點。

關鍵字

心血管疾病;心髒生物;DNA甲基化,組蛋白修飾;氧化修飾;小分子核糖核酸

簡介

在過去的幾十年裏,隨著基因組和轉錄組高通量測序的快速發展,人們研究了許多與心血管疾病相關的遺傳變化。最近,表觀遺傳學如DNA甲基化、組蛋白修飾、氧化修飾和非編碼rna,在不改變DNA序列的情況下調節基因表達,為心髒疾病和再生背後的機製提供了新的見解。表觀遺傳變化可以解釋為什麼具有相似遺傳背景和危險因素的受試者對某些特定疾病會有不同的臨床表現和治療反應[1]。此外,人類表觀基因組計劃和國際人類表觀基因組聯盟已啟動,以分析癌症、糖尿病、自身免疫性疾病的表觀遺傳學[2-5]。在這篇綜述中,我們重點介紹了心髒發育和心血管疾病的表觀遺傳調控機製的最新進展,揭示了心血管疾病的新治療策略。

DNA甲基化

DNA甲基化是由CG二核苷酸(CpG)[6]胞嘧啶殘基C5位置的DNA甲基轉移酶(DNMTs)催化的,這通常與基因組穩定性差和基因表達[7]有關。有三種dnmt負責甲基化DNA。DNMT1在複製過程中維持DNA甲基化,而DNMT3a和DNMT3b建立從頭DNA甲基化[8]。相反,三種TET酶(TET1, TET2和TET3)將5-甲基胞嘧啶氧化為5-羥甲基胞嘧啶,它們被鑒定為介導DNA去甲基化的初始過程[9]。

心髒的發育是一個複雜的過程,涉及細胞協調增殖、遷移、分化、程序性細胞死亡和結構重塑。據統計,人類基因組中60~80%的CpG位點被甲基化[11]。最近的研究表明,dnmt1缺失小鼠[12]早期胚胎出現整體低甲基化和死亡。同時,DNMT3a和DNMT3b被證明是哺乳動物發育[13]所必需的。此外,小鼠tet3缺失導致胚胎發育失敗[14]。然而,關於DNA甲基化在調節心髒發育方麵的詳細知識有限。研究表明,小鼠胚胎心髒發育與DNA甲基化的增加或減少有關,特別是一些心髒特異性基因的甲基化[10,15]。

大規模研究發現DNA甲基化與心血管疾病密切相關,包括動脈粥樣硬化、冠心病(CHD)、心力衰竭(HF)、心肌梗死(MI)、心肌肥厚(Cardiac Hypertrophy)。Ziller et al.[16]通過DNA甲基化組的高通量分析繪製了人類基因組DNA甲基化的動態格局。觀察地圖,心髒特異性差異DNA甲基化區域富集心血管疾病相關單核苷酸多態性(SNPs)。此外,在一些心血管疾病相關基因的啟動子區域,胞嘧啶甲基化會抑製轉錄因子的結合,從而抑製下遊基因的表達[17,18]。例如,與健康組織[19]相比,雙同源異構體轉錄因子Dux4相關的CpG島顯示DNA甲基化升高,並在終末期衰竭的人類心髒中引起Dux4抑製。Baccarelli等人[20]發現外周血白細胞中較低的LINE-1(一種重複元素)甲基化可作為缺血性心髒病和中風的生物標誌物。在一項後續研究中,Girelli等人[21]探索了凝血因子VII (F7)的多態性與冠狀動脈疾病(CAD)[21]患者心肌梗死風險增加有關。在此之後,同一團隊研究了凝血F7基因啟動子甲基化影響血漿FVII濃度,並與CAD[22]有關。眾所周知,ApoE-/-小鼠代表動脈粥樣硬化的組織學改變,同時也檢測到DNA甲基化降低[23],表明異常的DNA甲基化在疾病進展中起著關鍵作用。在HF患者中,腫瘤壞死因子(TNF-α)和血管緊張素II (Ang II)水平被誘導[24,25]。在體外在實驗中,DNA甲基化抑製劑已被證明可以抑製TNF-α-和Ang ii誘導的心髒高甲基化,這是一種治療HF的新策略[26,27]。在某些情況下,基因特異性甲基化被認為是參與心血管疾病發病的表觀遺傳機製,並作為心血管疾病風險增加的生物標誌物[27]。

組蛋白修飾

在細胞核中,核小體是染色質的基本單位,由DNA和組蛋白八聚體(由核心組蛋白H2A、H2B、H3和H4各2個副本組成)組成[28,29]。組蛋白可以通過動態修飾或與變體交換,使染色質包裝具有可塑性[30,31]。組蛋白修飾通常發生在n端尾部,包括乙酰化、甲基化、磷酸化、素酰化、泛素化、生物素化和adp核糖基化[32,33]。組蛋白修飾影響染色質結構,從而調節組蛋白- dna相互作用和基因調控[32,34]。最常見的修飾是乙酰化、甲基化和磷酸化。通常,組蛋白乙酰化是由賴氨酸殘基上的組蛋白乙酰轉移酶(HATs)催化的,並導致轉錄激活[35]。相反,組蛋白乙酰化的去除是由組蛋白去乙酰化酶(HDACs)[36]完成的。組蛋白甲基化通常發生在H3和H4組蛋白的賴氨酸和精氨酸殘基上,但不會改變組蛋白的電荷[36]。組蛋白甲基轉移酶(hmt)和去甲基化酶調節這一過程[37]。

表觀遺傳組蛋白修飾已被證實在正常和異常心髒發育中起著突出作用。在哺乳動物中,MYST (Moz, Ybf2/Sas3, Sas2, Tip60)家族是HAT家族[38]的成員之一。Aggarwal和Voss等人[39]觀察到Moz-/-小鼠的心髒表型類似於轉錄因子Tbx1[39]的缺失功能,該轉錄因子對心髒發育至關重要。進一步的研究表明,Moz-/-小鼠降低了組蛋白3的賴氨酸9 H3K9乙酰化和Tbx1[40]的表達。此外,HDAC1和HDAC2雙敲除小鼠顯示出心髒缺陷,並導致出生後早期死亡[41]。一些賴氨酸甲基轉移酶,如SMYD1 [42], EZH2[43]和DOT1L[44],已被廣泛研究,並被證明是通過改變心髒轉錄因子的表達而對心髒發育至關重要。

越來越多的研究表明,組蛋白修飾參與了心血管疾病的進展。Papait et al.[45]通過ChIP-seq研究發現心髒橫主動脈收縮後組蛋白標記的許多變化,以及心髒肥厚的增強子[45]。一氧化氮(NO)對血管張力和防止動脈粥樣硬化很重要。在內皮細胞中,內皮型一氧化氮合酶(eNOS)催化NO[46]的生成,其表達由近端啟動子位點[47]的組蛋白修飾(H3K9的乙酰化、H4K12的乙酰化和H3K4的甲基化)調節。近年來,研究發現HDAC抑製可通過促進小鼠Akt-1磷酸化和降低活性caspase 3來改善心肌梗死後的功能恢複[48,49]。此外,含有bromodomain的蛋白質是組蛋白修飾的“閱讀蛋白”,可以識別組蛋白尾部[50]上的乙酰化賴氨酸(Kac)並與之結合。Anand等人[51]證實,溴域蛋白是HF發病機製[51]的核心基因的暫停釋放因子。JQ1是一種bromodomain蛋白的小分子抑製劑,能夠抑製HF的進展在活的有機體內通過競爭性取代Kac結合位點上的溴結構域蛋白[52,53],證實了溴結構域蛋白在心髒病理中的重要作用。綜上所述,這些研究闡明了組蛋白修飾在心髒發育和疾病中的關鍵作用。針對組蛋白甲基化或乙酰化的HDAC抑製劑等藥物的進一步研究對於臨床心血管疾病的治療是必要的。

氧化改性

氧化修飾與心髒疾病[54]密切相關。氧和一氧化氮被稱為ROS和活性氮(RNS)是生物學上重要的細胞氧化劑[54]。過量的ROS和RNS通過包括蛋白質和核苷酸(DNA和RNA)在內的大分子的氧化修飾引起細胞損傷。對於蛋白質來說,蛋氨酸、色氨酸、酪氨酸和半胱氨酸殘基都可以進行氧化修飾,而隻有半胱氨酸巰基的氧化修飾參與了信號轉導[55]。s -亞硝基化是蛋白質巰基氧化修飾的最重要形式,據報道與心髒病有關[55,56]。例如,β1 Na的穀胱甘肽化+- k+泵亞基通過過氧亞硝酸鹽(ONOO-)、百草枯或AngII刺激的NADPH氧化酶的激活而增加,後者抑製Na+- k+心肌細胞的泵活性[57,58]。Caspase-3是一種重要的心肌細胞凋亡相關蛋白,其氧化修飾參與了細胞凋亡的調控。Caspase-3穀胱甘肽作用減弱壞死因子-α誘導的內皮細胞死亡糖尿病大鼠心肌鈣穩態異常時SECA2a氧化/硝化水平明顯升高。進一步的研究表明,鐵加劇了糖尿病誘導的SERCA2a的氧化/硝化修飾,這可能導致與糖尿病心功能障礙[60]相關的心肌細胞功能缺陷。心肌缺血/再灌注損傷時,超氧化物和一氧化氮產生增加導致線粒體功能障礙,其中氧化損傷減少蛋白s -穀胱甘肽化,增加蛋白酪氨酸70kDa亞基硝化,發生在缺血後心肌[61-63]。據報道,水楊酸苷通過抑製肌漿網Ca2來保護心髒功能免受燒傷損傷+還原氧化修飾ryanodine受體的泄漏[64]。Sirtuin 6 (Sirt6)是一種位點特異性組蛋白脫乙酰酶,可預防心髒肥厚和心力衰竭的發展,可被氧化修飾。具體來說,Sirt6中的酪氨酸257在氧化應激下被硝化,酪氨酸257的突變以及刺激的取消減弱了Sirt6的活性[65]。此外,蛋白肌動蛋白、活化轉錄因子/環磷酸腺苷響應元件結合蛋白(ATF/CREB)、α4 VLA-4、C - jun、肌酸激酶、GAPDH、glutaredoxin、線粒體複合物I、NF的P50亞基-КB、蛋白激酶A、蛋白激酶C、PTP1B、Ras (G蛋白)、ryanodine受體、SERCA和硫氧還蛋白易受氧化修飾,參與心血管生理和病理生理[54]。

此外,DNA和RNA的氧化修飾與心血管疾病有關。除了5-羥基胸腺嘧啶、5-羥基甲基尿嘧啶、5-羥基-2-脫氧鳥苷和8-羥基腺嘌呤外,DNA中的8-氧- 7,8 -二氫-2 ' -脫氧鳥苷(8-OHdG)和RNA中的8-氧- 7,8 -二氫鳥苷(8-OHG)是核苷酸氧化修飾的兩種常見形式。越來越多的證據表明,8-OHdG和8-OHG在心髒病理生理中起著重要作用。8-OHdG和8-OHG最常作為監測氧化損傷和心髒病的生物標誌物[66-70]。據報道,8-OHdG與心血管疾病密切相關,包括CAD、HF和MI。與健康對照組相比,CAD、HF和MI患者中8-OHdG水平顯著升高[70]。進一步研究發現,ROS引起的高濃度8-OHdG通過構建新的平滑肌細胞譜係誘導動脈粥樣硬化斑塊形成,進而在動脈粥樣硬化的發生和發展中發揮作用[71,72]。在心力衰竭中,線粒體DNA數量的減少及其蛋白水平的下降與8-OHdG濃度的升高是一致的,這表明8-OHdG可能是通過靶向線粒體DNA來調節心力衰竭的[70,73]。8-OHdG還通過調節心肌細胞凋亡和壞死參與可卡因相關心肌病的發生[74]。RNA的氧化修飾已被證明與衰老和神經退行性疾病有關。核糖體rna的氧化參與了阿爾茨海默病[75,76]。 However, there is little report that oxidation of RNA function in cardiovascular system except one. Wang et al. [77] found that small RNA microRNA-184 could be oxidatively modified by ROS to form 8-OHG which leaded to the mismatch of microRNA-184 with Bcl-xL and Bcl-w involved in the regulation of cardiomyocyte apoptosis and ischemia/reperfusion injury.

小分子核糖核酸

MicroRNAs (miRNAs)是一類由約22個核苷酸組成的非編碼RNA,在細胞增殖、分化、損傷、死亡和致癌等多種生物過程中調控基因表達。MicroRNAs在發育、疾病、衰老和再生中也起著重要作用。在心血管係統方麵,microRNAs作為一種重要的調控因子,與心髒發育和疾病密切相關[78,79]。

在心髒發育早期,哺乳動物胚胎心髒主要來源於四種主要的細胞類型,包括心肌細胞、心內膜細胞、心外膜細胞和神經脊細胞。MicroRNAs參與調控這些細胞的增殖、分化和存活[78]。MiR-1通過靶向轉錄因子HAND2抑製心髒生長和分化,HAND2對心室心肌細胞表達很重要[80]。miR-1過表達抑製心肌細胞增殖,敲除miR-1影響心髒形態發生[81,82]。MiR-133通過抑製Cyclin D2和血清反應因子負向調控心肌細胞增殖[83]。Mir-320通過抑製熱休克蛋白20誘導心肌細胞凋亡[84]。Mir-143和miR-145是通過靶向轉錄因子網絡促進血管平滑肌細胞從心髒神經脊細胞分化和增殖的關鍵調節因子,包括Klf4、心肌素和麋鹿.去分化降低了miR-143和miR-145,而過表達miR-143/145則增強了血管平滑肌細胞的分化[85,86]。在心外膜發育過程中,miR-21、miR-31、miR-103/107、miR-155和miR-200已被證實發揮重要作用[87-89]。

MicroRNAs廣泛參與心髒疾病,包括心肌肥大和心肌梗死[79]。MiR-23a在心肌肥厚調控中具有強大的功能。MiR-23a表達水平在肥大刺激下上調。然後,MiR-23a通過抑製轉錄因子Foxo3a和靶向溶血磷脂酸等不同途徑啟動心肌肥厚。MiR-23a轉基因小鼠在苯腎上腺素、內皮素-1或橫主動脈束帶治療後出現過度心肌肥厚[90,91]。MiR-23a在NFATc3相關心髒肥厚通路下遊發揮作用[92]。除miR- 23a外,心肌肥大調節網絡還包括許多其他microrna,如miR- 541、miR-9、miR-218、miR-30c、miR-181a、miR-410和miR-495[93- 97]。MicroRNAs在心肌梗死中發揮重要作用。MiR- 499已被證實通過負向調節鈣調神經磷酸酶和動力相關蛋白-1抑製心肌梗死,並表現出心髒保護作用[98]。MiR-21通過靶向細胞外調節激酶抑製劑芽同源物1 (Spry1)促進心肌纖維化,進而加重心肌梗死[99]。

致謝

本研究得到中國博士後科學基金(2016M592134)和國家自然科學基金(81270160)的資助。

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條信息

文章類型:評論文章

引用:董燕,孫濤,王凱,王娟,李萍(2016)表觀遺傳學在心髒發育和心血管疾病中的作用。J Hear Health 3(1): doi http://dx.doi.org/10.16966/2379-769X.131

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出版的曆史:

  • 收到日期:2016年6月7日

  • 接受日期:2016年10月18日

  • 發表日期:2016年10月25日