组蛋白修饰在天然免疫应答及炎症反应中的调控作用①

陈 祥 周庆卿 张赟恺 刘星光

(第二军医大学免疫学研究所暨医学免疫学国家重点实验室，上海200433)

组蛋白修饰在天然免疫应答及炎症反应中的调控作用①

陈 祥 周庆卿 张赟恺 刘星光

(第二军医大学免疫学研究所暨医学免疫学国家重点实验室，上海200433)

在机体中，天然免疫应答和炎症反应均受到精准的调控，最终使免疫系统保持稳态。组蛋白修饰是一种表观遗传修饰，它通过调控基因的表达在众多生理过程中起着重要的作用。组蛋白修饰异常与多种疾病如类风湿性关节炎、多发性硬化症和肿瘤等的发病密切相关，并逐渐成为疾病诊断治疗研究的新靶点，然而关于组蛋白修饰在天然免疫应答中发挥的作用目前不是非常清楚。因此，需要进一步探索组蛋白修饰与天然免疫应答及炎症反应之间的关系。

1 组蛋白修饰及其结构基础

细胞的生长、分裂、衰老和死亡都受到基因的调控，而基因的结构基础是染色质，与基因组直接相关的细胞活动都是在染色质水平上进行的，包括组蛋白修饰。染色质是由DNA结合组蛋白形成的核小体串组成的，其中组蛋白H2A、H2B、H3 和 H4 各两个分子形成一个八聚体，DNA缠绕于此八聚体核心周围形成核小体，组蛋白H1结合于核小体之间的DNA链上[1]。因此，组蛋白是染色质的重要组成部分。组蛋白的核心部分状态大致是均一的，而游离在外的氨基端可以被共价修饰,包括组蛋白的乙酰化、甲基化、磷酸化、泛素化、SUMO化及ADP核糖基化等，进而影响染色质的凝聚程度，最终直接影响DNA的复制、重组和转录[2]。

2 组蛋白修饰与天然免疫应答及炎症反应的关系

天然免疫应答的活化是一把双刃剑，活化不足使机体不能有效地激发抗感染免疫，然而过度激活又会引起一系列免疫病理过程[3，4]。目前已经发现很多的负向或正向的天然免疫调控分子通过不同的机制作用于TLR、RIG-Ⅰ或STING信号转导的不同环节，如E3 泛素连接酶AMFR和INSIG1、ZDHHC1、NLRX1、激酶MST4等[5-8]。但是这些研究都是着眼于信号调控分子方面。近年来不断有研究在寻找天然免疫调控的新方向，其中表观遗传修饰与天然免疫调控的关系逐步引起研究人员的关注。而且已有研究表明组蛋白修饰作为表观遗传修饰的重要形式，可以影响炎症相关基因的表达，并在炎症和自身免疫性疾病等许多病理生理过程中发挥着重要的调控作用[9-11]。

2.1 组蛋白乙酰化修饰在天然免疫应答及炎症反应中的调控作用 组蛋白乙酰化是由组蛋白乙酰转移酶(HAT)和组蛋白去乙酰化酶(HDAC)共同调控的，并处于一个动态平衡的状态。一般情况下,组蛋白的乙酰化有利于DNA与组蛋白八聚体的解离，核小体结构松弛，从而促进各种转录因子和协同转录因子与DNA结合位点的特异性结合，激活基因的转录，而HDAC使组蛋白去乙酰化，与带负电荷的DNA紧密结合，染色质致密卷曲，使基因的转录受到抑制[12]。组蛋白乙酰化修饰一直是表观遗传学中的研究热门，研究发现HAT和HDAC可以参与调控许多生理活动，包括天然免疫及炎症反应。例如Yun等[13]研究发现将THP-1细胞处于高糖环境后，可以诱导细胞产生NF-κB的共激活剂CBP/p300，p300本身具有HAT活性，可以使组蛋白乙酰化并促进促炎症基因的表达，同时他们还发现用姜黄素可以阻止p300被招募到TNF-α和IL-6的启动子区，拮抗其HAT的效应。Chandran等[14]研究发现在受到致命结核分枝杆菌(MTB)感染的巨噬细胞中HDAC1的含量明显高于未感染的巨噬细胞，而且HDAC1可以被招募到IL-12B基因启动子区，使组蛋白H3发生去乙酰化，从而抑制IL-12B的表达，这说明HDAC1对于致命MTB在宿主免疫系统中的存活和复制至关重要。Chen等[15]研究发现用香烟烟雾提取物(CSE)处理巨噬细胞48 h后，细胞中HDAC1表达水平明显降低，然而炎性因子IL-8、MCP-1、TNF-α、MMP9的基因启动子区H3K9乙酰化反而水平升高，最终导致这些炎性因子分泌增加。Feng等[16]研究发现呼吸道合胞病毒(RSV)感染气道上皮细胞(AECs)后，细胞中HDAC2表达增加，使H3发生去乙酰化，最终导致RSV复制增加并引发气道炎症，同时他们也发现了一种HDAC抑制剂TSA可以有效地逆转H3的去乙酰化，抑制炎症反应。Zhang等[17]研究发现IκBζ可以介导Tet2特异性靶向IL-6启动子，其机制是通过招募组蛋白去乙酰化酶HDAC2催化IL-6基因启动子区组蛋白去乙酰化，从而抑制IL-6的表达，减轻炎症反应。Pham等[18]研究发现用一种螺旋藻的有机提取物(SPE)处理巨噬细胞后，SPE通过使HDAC蛋白降解从而增强全组蛋白H3的乙酰化水平，但同时伴随IL-1β、TNF-α启动子区H3K9/K14乙酰化水平降低和p65的结合减少，从而发挥抗炎作用。因此通过对HAT和HDAC的不断深入研究，可以发现组蛋白乙酰化修饰对天然免疫及炎症反应的意义重大，而且也加深了人类对炎症性疾病发生、发展的认识。

2.2 组蛋白甲基化修饰在天然免疫应答及炎症反应中的调控作用 组蛋白甲基化修饰也是一个动态平衡的过程，它是通过组蛋白甲基转移酶和去甲基化酶的相互作用，动态地调节组蛋白的甲基化状态，可发生在组蛋白的赖氨酸(K)和精氨酸(R)残基上，其中组蛋白H3的第4、9、27和36位赖氨酸，H4的第20位赖氨酸，H3的第2、17、26位及H4的第3位精氨酸都是甲基化的常见位点。组蛋白H3的赖氨酸(H3K)甲基化最为常见，可以发生单(me)、双(me2)及三甲基化(me3)。不同的组蛋白甲基化修饰对基因表达的影响不尽相同，它们能通过转录活化或抑制的作用调控基因的表达。例如，H3K9me3或H3K27me3能抑制基因表达，而H3K4me3和H3K36me3则能促进基因表达[19]。近几年关于组蛋白甲基化与去甲基化研究比较多的是它们与肿瘤发生发展的关系，但是近来发现组蛋白甲基化修饰在调控炎症的过程中也发挥着重要作用。例如，Xia等[20]研究发现H3K4甲基化转移酶Ash1l可以诱导产生抑制性因子A20，从而抑制MAPK和NF-κB炎症信号通路及随后的炎性细胞因子IL-6的表达，最终阻止炎症性自身免疫性疾病的发生发展。Barroso等[21]研究发现一种H3K27甲基转移酶EZH2的抑制剂S-腺苷高半胱氨酸(SAH)可以调控血管内皮细胞的活化，SAH通过抑制EZH2的甲基化修饰作用，从而诱导NF-κB的活化以及血管内皮黏附分子和细胞因子的表达上调，最终导致血管炎症的发生。Liu等[22]研究发现一种组蛋白去甲基化酶KDM6B通过使胰岛素样生长因子结合蛋白5(IGFBP5)启动子的组蛋白H3K27发生去甲基化，促进IGFBP5转录，从而负向调控NF-κB信号通路，最终增强骨髓间充质干细胞的抗炎作用[22]。Stender等[23]研究发现当Toll样受体4(TLR4)诱导巨噬细胞产生炎症时，一种组蛋白甲基化酶SMYD5可以使TLR4靶向的炎性基因启动子区发生H4K20三甲基化(H4K30me3)，从而抑制炎症的发生。随着组蛋白甲基化研究的不断成熟，最近科研人员又发现了一些有趣的现象，在抗原诱导的肺部炎症急性期时，一种蛋白质精氨酸甲基转移酶PRMT1在上皮细胞中由IL-4/STAT6信号通路调节，其表达活性上调；当炎症转为慢性时PRMT1则通过 IL-1β/NF-κB信号通路调控，上皮细胞中不会出现PRMT1的表达上调。这提示PRMT1在肺部炎症发展的不同阶段、不同类型细胞中具有表达特异性，也许这会成为一种新的治疗靶点[24]。

2.3 组蛋白磷酸化修饰在天然免疫应答及炎症反应中的调控作用 关于磷酸化的研究，以往报道较多的是其对信号转导通路中某些信号蛋白的调控作用，比如Arthur等[25]研究发现蛋白质磷酸化和去磷酸化通过调节多种TLR依赖的信号转导分子如MAPKs、NF-κB抑制剂(IκB)激酶α(IKKα)、IKKβ、IκBα和IRF3的激活与失活从而在天然免疫应答反应中发挥重要作用。然而目前研究组蛋白磷酸化对天然免疫影响的相关报道仍较少。组蛋白磷酸化在有丝分裂、细胞凋亡、DNA损伤修复、DNA 复制和重组过程中发挥着直接的作用[26]。重要的是，组蛋白磷酸化除了调控基因的表达，还可以在此基础上产生复杂的生物学效应。例如Ho等[27]研究发现细胞中人巨细胞病毒(HCMV)复制以及HCMV即刻早期蛋白的产生需要IKKα的存在，而蛋白激酶抑制剂BAY61-3606可以通过抑制IKKα的激酶活性，进一步抑制H3S10的磷酸化，从而有效地抑制HCMV AD169感染细胞以及细胞内HCMV即刻早期蛋白的积聚，阻止炎症的发生。另外组蛋白磷酸化常与其他类型的修饰相互作用[28],Yamamoto 等[29]研究发现IKKα可以激活NF-κB调控的炎性基因的表达，原因是IKKα和CREB结合蛋白(CBP)相互作用后，与 RelA 结合，随后则被招募至NF-κB的启动子区，最终介导细胞因子诱导的组蛋白磷酸化和随后发生的组蛋白H3特异性残基的乙酰化。正因为发现了组蛋白磷酸化与其他修饰之间的交互作用，所以组蛋白磷酸化在天然免疫和炎症领域中的作用也越来越受到研究者们的关注。

2.4 组蛋白其他修饰在天然免疫应答及炎症反应中的调控作用 组蛋白泛素化修饰就是组蛋白的赖氨酸残基位点与泛素分子的羧基端相互结合的过程，它的调控作用是可逆的，泛素化催化途径需要3种酶包括泛素激活酶(E1)、泛素接合酶(E2)和泛素-蛋白连接酶(E3)共同参与，分别在组蛋白泛素化过程中发挥不同的重要功能，组蛋白去泛素化主要由去泛素化酶(DUB)催化[30]。组蛋白泛素化修饰一直是表观遗传修饰研究中的热点，研究发现其与天然免疫及炎症的关系也非常密切。例如Tarcic等[31]研究发现E3泛素连接酶RNF20/RNF40可以使H2B单泛素化(H2Bub1)，这种泛素化修饰会引起NF-κB下游基因的组蛋白H3K9三甲基化(H3K9me3)，使相关基因表达在转录水平受到抑制，其靶向的TNF-α产生减少，从而抑制炎症的发生。组蛋白SUMO化修饰是指小泛素样修饰蛋白(SUMO)共价结合于组蛋白的赖氨酸残基上，与泛素化类似但又不同。研究发现SUMO可以作用于TLR诱导的炎症细胞因子IFN-β基因末端增强子区，使其发生SUMO化，从而抑制IFN-β的产生[32]。组蛋白ADP-核糖基化是在ADP核糖转移酶(PARPs)的催化作用下，以辅酶 Ⅰ (NAD+)为底物，通过释放烟酰胺将ADP-核糖转移到组蛋白的氨基酸残基上的过程。它和其他的组蛋白修饰一样也参与基因转录调控、细胞分化、凋亡以及信号转导等多种生命活动。Martínez-Zamudio等[33]研究发现PARP1对中枢神经系统炎症的发生发展起到重要的调控作用，用LPS刺激BV2小胶质细胞后，细胞中的PARP1被激活，从而促进炎性因子IL-1β和TNF基因启动子区组蛋白ADP-核糖基化，最终引起炎症的发生。随着表观遗传修饰研究的不断发展，组蛋白泛素化、SUMO化、ADP核糖基化修饰的关注度也在逐渐提高，但是其具体作用机制并不十分清楚，有待进一步研究。

3 展望

随着人们对组蛋白修饰的不断研究，成功发现了许多参与调控天然免疫应答的新分子，这为人类攻克炎症性疾病带来了新的方向和启示。但在此过程中也存在较多尚待解决的问题，比如组蛋白各种修饰之间发生相互作用时对天然免疫的调控会产生怎样的影响；其他的表观遗传修饰是否会影响组蛋白修饰对天然免疫的调控作用；炎症发生时，各种组蛋白修饰酶是如何被调动起来从而调控天然免疫应答的；是否还存在新的组蛋白修饰种类、相关的修饰酶以及相关蛋白的非经典功能。因此深入研究组蛋白修饰的作用，有利于更清晰的揭示炎症性疾病的发病机制，从而为开展炎症性疾病的预防以及特异性治疗药物开发提供更多的线索。

[1] Peterson CL,Laniel MA.Histones and histone modifications[J].Curr Biol,2004,14(14):R546-R551.

[2] Wolffb AP，Hayes JJ.Chromatin disruption and modification[J].Nucleic Acids Res，1999，27(3)：711-720.

[3] Takeuchi O,Akira S.Pattern recognition receptors and inflamm-ation[J].Cell,2010,140:805-820.

[4] Kawai T,Akira S.The role of pattern-recognition receptors in innate immunity:update on Toll-like receptors[J].Nat Immunol,2010,11:373-384.

[5] Wang Q,Liu X,Cui Y,etal.The E3 ubiquitin ligase AMFR and INSIG1 bridge the activation of TBK1 kinase by modifying the adaptor STING[J].Immunity,2014,41:919-933.

[6] Zhou Q,Lin H,Wang S,etal.The ER-associated protein ZDHHC1 is a positive regulator of DNA virus-triggered,MITA/STING-dependent innate immune signaling[J].Cell Host Microbe,2014,16:450-461.

[7] Xia X,Cui J,Wang HY,etal.NLRX1 negatively regulates TLR-induced NF-κB signaling by targeting TRAF6 and IKK[J].Immunity,2011,34:843-853.

[8] Jiao S,Zhang Z,Li C,etal.The kinase MST4 limits inflammatory responses through direct phosphorylation of the adaptor TRAF6[J].Nat Immunol,2015,16:246-257.

[9] Portela A,Esteller M.Epigenetic modifications and human disease[J].Nat Biotechnol,2010,28:1057-1068.

[10] Rius M,Lyko F.Epigenetic cancer therapy:rationales,targets and drugs[J].Oncogene,2012,31:4257-4265.

[11] Picascia A,Grimaldi V,Pignalosa O,etal.Epigenetic control of autoimmune diseases:From bench to bedside[J].Clin Immunol,2015,157:1-15.

[12] Hassig CA,Schreiber SL.Nuclear histone acetylases and deacetylases and transcriptional regulation:HATs off to HDACs[J].Curr Opin Chem Biol,1997,1:300-308.

[13] Yun J,Jialal I,Devaraj S.Epigenetic regulation of high glucose-induced proinflammatory cytokine production in monocytes by curcu min[J].J Nutr Biochem,2009,22:450-458.

[14] Chandran A,Antony C,Jose L,etal.Mycobacterium tuberculosis infection induces HDAC1-mediated suppression of IL-12B gene expression in macrophages[J].Front Cell Infect Microbiol,2015,5:90.

[15] Chen X,Guan XJ,Peng XH,etal.Acetylation of lysine 9 on histone H3 is associated with increased pro-inflammatory cytokine release in a cigarette smoke-induced rat model through HDAC1 depression[J].Inflamm Res,2015,64(7):513-526.

[16] Feng Q,Su Z,Song S,etal.Histone deacetylase inhibitors suppress RSV infection and alleviate virus-induced airway inflammation[J].Int J Mol Med,2016,38(3):812-822.

[17] Zhang Q,Zhao K,Shen Q,etal.Tet2 is required to resolve inflammation by recruiting Hdac2 to specifically repress IL-6[J].Nature,2015,525(7569):389-393.

[18] Pham TX,Park YK,Lee JY.Anti-inflammatory effects of spirulina platensis extract via the modulation of histone deacetylases[J].Nutrients,2016,8(6):381.

[19] Yang IV,Schwartz DA,Bernstein E.Epigenetic mechanisms and the development of asthma[J].J Allergy Clin Immunol,2012,130(6):1243-1255.

[20] Xia M,Liu J,Wu X,etal.Histone methyltransferase Ash1l suppresses interleukin-6 production and inflammatory autoimmune diseases by inducing the ubiquitin-editing enzyme A20[J].Immunity,2013,39(3):470-481.

[21] Barroso M,Kao D,Blom HJ,etal.S-adenosylhomocysteine induces inflammation through NF-κB:A possible role for EZH2 in endothelial cell activation[J].Biochim Biophys Acta,2016,1862(1):82-92.

[22] Liu D,Wang Y,Jia Z,etal.Demethylation of IGFBP5 by histone demethylase kdm6b promotes mesenchymal stem cell-mediated periodontal tissue regeneration by enhancing osteogenic differentiation and anti-inflammation potentials[J].Stem Cells,2015,33(8):2523-2536.

[23] Stender JD,Pascual G,Liu W,etal.Control of proinflammatory gene programs by regulated trimethylation and demethylation of histone H4K20[J].Mol Cell,2012,48(1):28-38.

[24] Liu L,Sun Q,Bao R,etal.Specific regulation of PRMT1 expression by PIAS1 and RKIP in BEAS-2B epithelia cells and HFL-1 fibroblasts in lung inflammation[J].Sci Rep,2016,6:21810.

[25] Arthur C,Simon J,Ley Steven C.Mitogen-activated protein kinases in innate immunity[J].Nat Rev Immunol,2013,13(9):679-692.

[26] Oki M,Aihara H,Ito T.Role of histone phosphorylation in chromatin dynamics and its implications in diseases[J].Subcell Biochem,2007,41:319-336.

[27] Ho CM,Donovan-Banfield IZ,Tan L,etal.Inhibition of IKKα by BAY61-3606 reveals IKKα-dependent histone h3 phosphorylation in human cytomegalovirus infected cells[J].PLoS One,2016,11(3):e0150339.

[28] Banerjee T,Chakravarti D.A peek into the complex realm of histone phosphorylation[J].Mol Cell Biol,2011,31(24):4858-4873.

[29] Yamamoto Y,Verma UN,Prajapati S,etal.Histone H3 phosphorylation by IKK-a is critical for cytokine-induced gene expression[J].Nature,2003,423(6940):655-659.

[30] Pickart CM.Mechanisms underlying ubiquitination[J].Annu Rev Biochem,2001,70:503-533

[31] Tarcic O,Pateras IS,Cooks T,etal.RNF20 links histone h2b ubiquitylation with inflammation and inflammation-associated cancer[J].Cell Rep,2016,14(6):1462-1476.

[32] Decque A,Joffre O,Magalhaes JG,etal.Sumoylation coordinates the repression of inflammatory and anti-viral gene-expression programs during innate sensing[J].Nat Immunol,2016,17(2):140-149.

[33] Martínez-Zamudio RI,Ha HC.PARP1 enhances inflammatory cytokine expression by alteration of promoter chromatin structure in mi croglia[J].Brain Behav,2014,4(4):552-565.

[收稿2016-08-10 修回2016-09-26]

(编辑 倪 鹏)

10.3969/j.issn.1000-484X.2017.05.029

①本文受国家自然科学基金优秀青年科学基金(81422021)资助。

陈 祥(1992年-)，男，在读硕士，主要从事天然免疫应答调控方面的研究，E-mail:chenxiang19921226@163.com。

及指导教师：刘星光(1980年-)，男，博士，副教授，主要从事天然免疫应答调控方面的研究，E-mail:liuxg80@163.com。

R392.12 G353.11

A

1000-484X(2017)05-0769-04