环境与支气管哮喘表观遗传调控之间的研究进展*

章 婷 综述，汪 俊 审校

(江西省人民医院二部呼吸科，南昌 330006)

环境与支气管哮喘表观遗传调控之间的研究进展*

章 婷 综述，汪 俊△审校

(江西省人民医院二部呼吸科，南昌 330006)

哮喘；环境；遗传

支气管哮喘(简称哮喘)是一种常见的呼吸系统疾病，主要以呼吸道高反应及慢性炎症为主要特征。以往研究认为，哮喘是由环境因素和遗传因素相互作用的一种多基因遗传疾病。但近年来也有研究发现，表观遗传调控对哮喘的发生也起着一定的作用。表观遗传调控是同一个基因组在表观遗传的调控下可以产生多种不同的基因表达，与这一表达谱对应的全部表观修饰，是非DNA序列改变的化学修饰导致的基因表达水平的变化。它们与转录启动、基因激活和发挥功能有关，因此不需改变DNA序列，仅需通过改变基因所处的环境就可使基因沉默或激活。故而在可能无法解释环境暴露本身因素导致疾病发生的时候，它们甚至可以通过环境因素所导致的免疫调节机制来作出解释。另外，通过表观遗传调控还能够解释怀孕期环境暴露与儿童和成年人后期疾病的发展关系。近几年，表观遗传调控与过敏性疾病及哮喘等相关的研究也越来越多。本文就环境、调节途径方面与哮喘表观遗传调控之间的研究做一综述。

1 吸 烟

在所有空气污染物中，吸烟是导致表观遗传调控改变最密切的因素。最近一项系统评价和Meta分析结果提示产前暴露于吸烟环境中会增加婴幼儿及青少年哮喘和喘息至少20%的患病风险[1]。这可能与其通过表观基因途径诱导胎儿基因表达有关。因为暴露于香烟烟雾中的丙烯醛会使肺巨噬细胞中的组蛋白去乙酰化酶(HDACs)活性发生改变，促进炎症因子的表达，导致糖皮质激素耐药基因的表达增加。动物模型证实，暴露于香烟中会使DNA甲基化和miRNA表达增加[2]，而它们与细胞凋亡、增殖及癌变等相关基因的转录息息相关。在一项用人类气道上皮细胞的研究中也发现，组蛋白的修饰作用与吸烟暴露的浓度和时间有关，而组蛋白修饰与DNA的甲基转移酶(DNMT)有关，其会使DNMT1的表达下降，而DNMT3b的表达却增加，此两种酶促进了DNA甲基化的转录。这个实验同时还发现了几种与去甲基化有时间依赖性相关的酶。因此也说明暴露于香烟环境中会导致不同靶基因的表观遗传调控的变化[3]。

Lee等[4]将怀孕的小鼠每天暴露于1.0 mg/m3的香烟环境中，然后对其后代小鼠的气道高反应性及炎症因子进行检测，发现与对照组比较，气道高反应性及γ干扰素的水平明显增加，白细胞介素(IL)-13的甲基化程度也明显下降。因此说明，怀孕期暴露于香烟中由于DNA甲基化作用会增加肺泡炎症因子和气道高反应性。Breton等[5]研究也发现孕妇暴露于香烟环境中会增加疾病的危险因素，主要是与DNA甲基化的转化有关。另外，吸烟会造成氧化应激，从而导致大范围的DNA损伤。如此则会干扰DNA甲基转移酶与DNA的连接作用，进而导致整体的低甲基化。

2 空气污染

吸入粉尘颗粒是气道变应性炎症疾病的主要危险因素之一，支气管哮喘便是其中的一个。空气中的悬浮微粒物会引起细胞的氧化还原反应及炎性细胞的氧化应激损伤。气道上皮细胞和抗原递呈树突状细胞是粉尘颗粒的主要攻击对象。Cao等[6]研究发现，对于人气道上皮细胞，柴油机废气颗粒会在转录和细胞水平诱导环氧合酶-2(COX-2)基因的表达，主要是在染色质修饰方面，通过组蛋白的乙酰化和去乙酰化作用，会促进与COX-2启动子有关的组蛋白H4乙酰化，同时下调HDAC1，最终导致COX-2基因的表达增加。众所周知，由于煤和石油的燃烧会产生多环芳烃，其常会吸附在大气的微小颗粒物上，对环境造成污染。苯并芘是苯与芘稠合而成的一类多环芳烃，是一类具有明显致癌作用的有机化合物。研究发现，将宫颈癌细胞系中的Hela细胞暴露于有苯并芘的环境中，在早期可诱导组蛋白激活标记物，接着又可减少DNMT1含量，最后减少CpG岛的DNA甲基化[7]。Hew等[8]研究发现暴露于多环芳烃的环境中会导致人体的免疫功能损伤，使Th2类细胞因子(如IL-4、IL-5、IL-13)的增加，继而升高血中IgE的水平，从而导致哮喘的发生。具体机制可能是损伤Treg细胞(Treg)的功能，使其特异性分化甲基化和叉状头/翅膀状螺旋转录因子(FoxP3)的表达下降。同样，Nadeau等[9]通过研究两个空气污染程度不同的城市儿童哮喘发生情况，发现暴露于污染程度高的城市儿童更易导致哮喘，其机制也可能与FoxP3甲基化，损伤Treg细胞功能有关。因为该研究发现家庭环境周围的多环芳烃的含量与FoxP3基因的CpG岛的甲基化数量有关，并且一些miRNA表达的改变也与暴露于该粉尘微粒的环境中有关。Bollati等[10]对一群来自电子火炉钢铁车间的工人进行研究发现，每个人暴露在细颗粒物中的浓度差异与相关的miRNA 上调或下调的炎症因子及氧化应激水平有关。Treg细胞是一类CD4+T细胞的亚群调节性T细胞，是机体对外界和自身的“无害”抗原产生免疫耐受的主要因素之一。FoxP3是Treg细胞的重要的转录因子，在其分化和表达功能方面具有极其重要的作用。由于Treg的FoxP3启动子的CpG岛缺乏甲基化标志[11]，当有刺激存在时，在FoxP3启动子中，T细胞获得更多甲基化，继而阻止诱导基因转录，稳定表型的发育。

3 饮 食

流行病学数据说明，饮食的改变能够部分解释哮喘发病率的上升，具体机制可能跟表观遗传学中的DNA甲基化有关。食物中的叶酸和胆碱是主要的甲基供体，它们在一碳代谢途径产生腺苷蛋氨酸(SAM)的过程中起着不可替代的作用，因为SAM是DNA甲基化作用过程中最重要的甲基提供者。维生素B12和甜菜碱也是来自饮食中的营养物质，它们是蛋氨酸合成的重要物质，是DNA甲基化的重要一部分。因此，摄入不同的食物就可能导致不同形式的甲基化，最后影响基因表达的变化。Hollingsworth等[12]在一个过敏性气道疾病的小鼠模型实验中发现，给妊娠小鼠予以含高甲基化供体的饮食(包括叶酸、胆碱、维生素B12)后会增加气道的特异反应性，使IgE和嗜酸性粒细胞增多，导致哮喘等过敏性疾病的发生。用基因方法检测发现，82个基因位点有不同的甲基化，它们都与转录因子的下降和过敏性疾病的增加有关。该实验发现Runx3被过度甲基化，而它是个对气道过敏性疾病有负面影响的基因。另外，在高甲基化饮食小鼠的后代中也发现Runx3 mRNA 和蛋白水平是受抑制的，而经低甲基化饮食的小鼠体内的Runx3转录因子却是增加的，这也进一步支持了甲基化饮食能够影响甲基化状态，从而影响转录因子的调节。从这个实验中可以看到饮食因素通过表观遗传机制能够改变过敏性气道疾病的遗传因素。在Kim等[13]的研究中也发现，饮食中缺乏叶酸的小鼠p53基因外显子中的DNA断裂，较叶酸补充正常小鼠发生率高，原因可能是改变了体内的甲基化模式。叶酸除了在DNA甲基化中起着重要的作用外，也可能与哮喘的炎性特征有关[14]。然而，Netting等[15]进行系统评价也发现，孕妇饮食与产后孩子的过敏性疾病没有多大关系。哮喘及其他过敏性疾病越来越多，而饮食变化是其中的一种可能原因。但是就目前的研究亦尚不足以说明通过饮食确实能够对疾病本身有什么预防和改变作用，故在此方面还有很多潜在的发展空间值得去探讨。

4 其 他

除了上面所提到的环境因素造成哮喘表观基因学改变之外，其他的因素也可能对其有影响。比如说肥胖，它也是哮喘的一个危险因素。因为体质量增加会导致循环血液中的IL-6、瘦素、肿瘤坏死因子-α增加，而IL-6、瘦素会下调Tregs细胞的活性，导致抗原的免疫耐受，使免疫系统向Th2型细胞分化，增加了变态反应的风险。最近一项Meta分析也同样证实了，在妊娠期体质量超标或者肥胖都有增加儿童哮喘的风险[16]。这可能与肥胖诱导的免疫变化通过表观遗传传递给胎儿有关，导致其对抗原免疫耐受性降低，增加了患病风险。

另外，一些常见的呼吸道病毒也是诱导早期支气管哮喘发病的重要因素，比如说呼吸道合胞病毒、人鼻病毒、人副流感病毒和人偏肺病毒等。研究证据表明，引起哮喘发病的病原学大多数都与呼吸道病毒有关，其中呼吸道合胞病毒和人鼻病毒是最常见的，而且在病毒诱导及加剧哮喘恶化方面起着重要的作用。

当然除了以上所讲的几个因素之外，还有包括哮喘患者的自身因素，如年龄、经济地位、文化程度、精神及其心理因素等各方面。其实很多因素也是相互影响的，比如说吸烟会影响饮食中叶酸的吸收，而这种叶酸不足的饮食则会导致机体整体的低甲基化和个别基因过度甲基化。类似的还有空气污染会引起呼吸道病毒增加。因此在分析哮喘的发病因素时需要全盘考虑，内在的因素可能与机体的调控机制有关。

5 过敏性免疫和调节途径对哮喘的重要性

越来越多研究为过敏免疫反应信号途径提供了强有力的生物学支持作用，比如说不同类型的T细胞和Treg细胞，而这些细胞是极易受表观遗传调控的修饰作用所影响。它们包括受DNA甲基化和组蛋白修饰作用而直接产生免疫影响的前过敏性炎症因子(IL-4，IL-13)和起负反馈调节作用的γ干扰素。调节辅助性T淋巴细胞Th1/Th2平衡失调即会导致相应的特征性细胞因子(如γ干扰素)产生增加。Schoenborn等[17]的研究同样证实，γ干扰素转录因子的诱导受γ干扰素基因中CpG岛的DNA甲基化作用所调节的。现在还有新的发现就是，Treg细胞的一个重要转录因子——FoxP3，它的产生受DNA甲基化和组蛋白的修饰影响[18]，在本文的前面也对其有相应的描述。

Koh等[19]证实了Th2的基因座控制区，在调节Th2细胞的炎症因子，Th2细胞因子位点的染色体重塑和过敏性哮喘的发病机制等方面都有重要的作用。他们通过建立特殊的CD4细胞Th2基因座控制区缺失模型小鼠，与正常的野生小鼠对比发现，该小鼠的Th2细胞因子产生减少，也使大部分的H3组蛋白乙酰化作用和组蛋白H3-K4甲基化和DNA甲基化在Th2细胞因子的位点减少。同时还发现，支气管肺灌洗液的嗜酸性粒细胞和淋巴细胞、血清中的IgE水平、肺气道的炎性反应、气管壁产生的黏液及气道的高反应性也均下降。Grausenburger等[20]用敲除HDAC的T细胞小鼠也发现，HDAC对Th2细胞因子的产生及过敏性气道炎性反应有重要的作用。还有一些有趣的研究是关于miRNA的表达在过敏性皮肤炎患者的病灶皮肤和健康皮肤的区别。该研究发现miRNA通过抑制有负性调节的T细胞毒性因子T淋巴细胞相关性抗原4(CTLA-4)诱导皮肤炎的产生[21]。

从最近的一些研究可以知道，Treg细胞的功能和FoxP3转录因子的调节作用已经成为表观遗传修饰的热点。Schaub等[22]研究发现Treg细胞对暴露于农场环境的孕妇具有一定的保护作用，可能是因为农场制造了一种天然的免疫治疗环境而形成了后代早期阶段的免疫系统。作为Treg细胞转录因子的FoxP3的甲基化作用在一般的Treg细胞和TGF-β诱导的Treg细胞是不同的，前者相对来说更稳定些。TGF-β诱导的Treg细胞的作用跟一般的Treg细胞是没有多大差别的，同样也能够下调关键的转录因子，抑制T细胞增殖，抑制前过敏原因子的产生。Kim等[23]发现由Th2记忆细胞衍生出来的FoxP3细胞能够有效地调节Th2记忆细胞导致的气道高敏反应和嗜酸性粒细胞的产生。在特有的调节下，特异性Th2记忆细胞抗原能够诱导FoxP3的表达，这样就能够为以Treg细胞为基础的有效安全的免疫治疗方案提供思路。

除了在T细胞的表观遗传途径有新的发现之外，对于树突细胞的免疫反应也有新的研究。为了确定DNA甲基化的表观遗传调控，Fedulov等[24]将新出生的哮喘易感性小鼠模型(相应的母鼠通过向其体内注射致敏性的卵清蛋白)中的脾脏树突细胞进行分离，结果发现这些树突细胞整体甲基化及过敏原较对照组小鼠均有所增加。他们的研究也说明，在母亲体内产生的过敏原很有可能通过表观遗传调控机制传给后代。

6 展 望

近些年来，对于环境因素的暴露与哮喘表观遗传调控的研究越来越多。无论是信号传导途径还是哮喘模型方面都对哮喘的预防和治疗开拓了新的视野。现有的研究表明，表观遗传调控的影响可能需要通过许多代相传才会表现出来。因此仍需大家共同努力去探讨哮喘的发病机制，并找出新的可能的治疗方法。

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R562.25

A

1671-8348(2017)31-4432-04

10.3969/j.issn.1671-8348.2017.31.041

国家自然科学基金资助项目(81460004)。

章婷(1987-)，住院医师，硕士，主要从事气道炎症性疾病及睡眠障碍疾病等的研究。△

，E-mail:wangjun5087@163.com。

2017-04-18

2017-07-16)