辅激活因子及组蛋白协同乙酰化修饰对NF-κB亚基转录调控的影响

李爽，王蕊，王维，王红梅，邓禹

(1.天津中医药大学，天津 301617； 2.重庆三峡医药高等专科学校附属医院皮肤科，重庆 404000；3.天津市中医药研究院附属医院皮肤科，天津 300120； 4.成都大学医学院，成都610106)

核因子κB(nuclear factor-κB，NF-κB)在受到细胞因子[肿瘤坏死因子-α(tumor necrosis factor-α,TNF-α)、白细胞介素(interleukin，IL)-1等]、病毒感染以及氧化应激等不同信号刺激时激活，从而调控数百个目的基因的表达。在NF-κB的活化过程中伴有不同位点的磷酸化、乙酰化、甲基化以及泛素化等翻译后修饰，在NF-κB的亚细胞定位、DNA结合力、转录活性等方面起着重要的调节作用，这些修饰决定了NF-κB在特定刺激下的输出和应答时间[1]。辅激活因子作为转录起始复合物组装的组成部分和桥梁，其募集通过多种机制促进或抑制靶基因的转录，从而参与调控目的基因的表达。组蛋白尾部的氨基酸残基也可被共价修饰，进而重塑染色质，从而参与调控基因的表达。在组蛋白的多种共价修饰中，以赖氨酸残基的乙酰化修饰最常见，并且在组蛋白上均可发生,其一直是表观遗传学的研究热点，而辅因子中的辅助共激活因子的酶活性区具有组蛋白乙酰转移酶(histone acetyl transferase,HAT)活性，可作用于组蛋白N端的赖氨酸残基，使其发生乙酰化修饰，导致染色质解离并重构，从而减弱组蛋白的抑制活性，促进靶基因转录[2]。现就辅激活因子和组蛋白的协同乙酰化修饰在NF-κB亚基转录调控中的作用予以综述。

1 NF-κB信号转导通路组成

NF-κB转录因子是免疫和炎症反应的关键调节因子，是由Rel家族构成的二聚体蛋白，其构成亚基分别是RelA(p65)、RelB、c-Rel、p105/p50(NF-κB1)和p100/p52(NF-κB2)。因各亚基的N端均有Rel同源结构域，故统称为NF-κB/Rel蛋白家族。RelA在细胞中的表达量最高，具有特殊的转录激活结构域，可调控下游多种靶基因的转录水平，参与细胞的多种生物学过程[3]，是NF-κB家族研究的焦点。

在NF-κB转录的经典调节途径中，NF-κB的活性主要受NF-κB抑制性蛋白(inhibitor of κB，IκB)家族成员(包括IκBα、IκBβ和IκBε)的严格调控，其确保转录因子在非激活状态下的细胞质定位。细胞在休眠状态下，NF-κB与IκB结合，并以三聚体的无活性形式存在于细胞质中。IκB激酶(IκB kinases，IKK)包括IKKα、IKKβ和调节亚基IKKγ，在NF-κB的活化中起着重要作用。炎症细胞因子、细菌感染或氧化应激等激活IKK复合体，进而使IκB的两个保守的丝氨酸残基磷酸化，IκB被磷酸化，并在Skp1-Cullins-F-box蛋白复合物E3泛素化酶复合体的催化作用下发生多泛素化而被蛋白酶降解，IκB的降解导致p50-p65二聚体释放，转移到细胞核与相关的DNA基序列结合，并启动相关基因的转录，这些靶基因产物参与调节炎症反应及免疫应答[4]。

2 NF-κB亚基的乙酰化-去乙酰化修饰

NF-κB依赖性转录控制在多个水平受到调节。研究发现，NF-κB异二聚体必须经过翻译后修饰才可以发挥调控靶基因转录的作用[5]。可逆性的乙酰化-去乙酰化是NF-κB的一种关键翻译后修饰，对NF-κB介导的转录反应的强度和持久性起重要的调节作用。与染色质上的DNA结合后，NF-κB亚基可将HAT和组蛋白脱乙酰酶(histone deacetylase,HDAC)招募到靶基因启动子上，改变组蛋白的乙酰化谱，HDAC可将NF-κB亚基中的某些位点去乙酰化，与乙酰化相互作用，调节该通路的活性。Chen等[6]研究证实RelA乙酰化修饰的存在，并发现RelA的乙酰化能增强NF-κB与DNA的结合及其转录激活。异二聚体NF-κB蛋白的一个亚基p65可根据特定的乙酰化赖氨酸残基增强或减弱NF-κB信号。辅激活因子对NF-κB亚基中特定赖氨酸残基的乙酰化修饰是必需的，对转录能力、与DNA结合的能力以及作用持续时间的调控起关键作用[7-12]。同时，组蛋白修饰中的乙酰化和去乙酰化也可导致染色质重构，改变染色质的空间结构，影响p65的转录活性。

2.1辅激活因子的乙酰化修饰对NF-κB亚基的影响 NF-κB的转录激活需要多种含有HAT活性的辅激活因子，包括p300/CREB结合蛋白(CREB-binding protein,CBP)、p300/CBP相关因子(p300/CBP-associated factor，PCAF)、类固醇受体共激活因子1和信号转导及转录激活因子(signal transducers and activators of transcription,STAT)等，其中p300/CBP的乙酰化是NF-κB转录激活所必需的[13]。当炎症信号转导至核内，转录因子与基因启动子序列结合后，可进一步募集辅激活因子，作用于组蛋白N端的赖氨酸残基使其发生乙酰化修饰。HAT活性在调控基因转录过程中起直接作用，通过结合在转录起始位点附近，使邻近核小体中的核心组蛋白乙酰化，中和其部分正电荷，松弛组蛋白对DNA的结合，使染色质重构，以转录装置更易进入，进而激活转录。Deng等[14]在研究人肺成纤维细胞中凝血酶诱导的CC趋化因子配体2(chemokine C-C motif ligand 2，CCL2)表达的表观遗传调控机制中发现，HAT p300抑制剂和通过干扰小RNA降低p300可减弱人肺成纤维细胞中凝血酶诱导的CCL2表达和组蛋白H3和H4乙酰化；研究进一步显示，p300的减弱抑制了NF-κB p65的活化及其与CCL2启动子的结合。以上研究表明，表观遗传失调和组蛋白乙酰转移酶与转录因子间的相互作用在凝血酶诱导CCL2表达的机制中发挥着至关重要的作用。

蛋白激酶A在丝氨酸276处诱导p65磷酸化，增强了p300/CBP的募集[7]。p65在赖氨酸122和123上均被p300和PCAF乙酰化，PCAF诱导的p65乙酰化有助于p65磷酸化和胃腺癌细胞中TNF-α和IL-6的进一步上调[8]。在p300/CBP和PCAF乙酰化的7个赖氨酸(赖氨酸122、123、218、221、310、314、315)中，赖氨酸310的乙酰化是NF-κB转录活性所必需的。Hajmirza等[9]的研究表明，p300介导的p65在赖氨酸310处乙酰化时，溴结构域蛋白4与p65相互作用，溴结构域蛋白4会进一步募集并激活丝氨酸类激酶9，使RNA聚合酶Ⅱ磷酸化，并促进NF-κB靶基因的转录。有研究表明，丝氨酸536的磷酸化虽然不是完全必需的，但能通过p300介导显著增强p65赖氨酸310的乙酰化[10]。而赖氨酸221或218处的乙酰化会阻止NF-κB与IκBα的结合，从而延长NF-κB的活性持续时间，延迟IκBα的重新结合及返回细胞质的时间。相比之下，HDAC3的去乙酰化促进NF-κB与IκBα结合，促进NF-κB从细胞核移动到细胞质中，p300乙酰化p65的赖氨酸残基314和315后，NF-κB复合物的转录活性不受影响，但却提高了对下游靶基因启动子的选择性[11]。Li等[12]研究发现，p300通过增强NF-κB与神经型一氧化氮合酶启动子的结合，参与NF-κB介导的神经型一氧化氮合酶转录，使人神经母细胞瘤SK-N-SH细胞中信使RNA和神经型一氧化氮合酶蛋白增加。也有文献表明，p300在调节NF-κB介导的诱导型一氧化氮合酶表达中充当HAT和共激活因子[15]。 类固醇受体共激活因子-1在氨基酸759～1141上与p50特异性结合，同时p300的参与又进一步增强了NF-κB的转录水平,表明两种共激活因子协同调节NF-κB的活性，并使其转录增强[16]。

STAT家族中STAT1的乙酰化与p65形成复合物，从而降低p65与DNA结合的能力[17]。p300介导STAT3在赖氨酸370位点和赖氨酸383位点的乙酰化可以与RelA/p65形成最稳定的蛋白复合物，促进其与DNA的结合和转录激活[18]。

2.2靶基因组蛋白的可逆乙酰化修饰对NF-κB亚基转录的影响 组蛋白是含量极其丰富的蛋白质，在真核细胞的细胞核中，组蛋白的量与DNA的量是相同的。大多数真核细胞含有5类不同的组蛋白:H1、H2A、H2B、H3、H4，是真核生物染色质的重要组成部分，其N端尾部特定位点和残基能发生甲基化、乙酰化、磷酸化、泛素化等共价修饰，而组蛋白乙酰化修饰一直是表观遗传学研究的热点，参与调节转录因子的核定位，控制蛋白质之间以及蛋白质与DNA之间的相互作用[19]。组蛋白乙酰化是基因转录激活的重要标志，组蛋白乙酰化处于一个动态平衡状态,由组蛋白HAT和HDAC共同调控。组蛋白是碱性极强的蛋白质，在中性pH环境中带较强的正电荷。一般情况下，在HAT的作用下，组蛋白赖氨酸残基端与乙酰辅酶A反应，发生乙酰化修饰，减少了组蛋白尾部的正电荷，增加了负电荷，从而导致染色质结构从压缩状态转变为松散状态，有利于DNA与组蛋白八聚体的解离，松弛核小体与基因调控区的结合，从而促进各种转录因子与其相应的协同转录因子形成的转录蛋白复合物结合在下游靶基因的启动子区域，激活基因的转录；而HDAC通过去除乙酰基团，导致染色质结构在空间上变得紧凑，抑制转录，使基因处于沉默状态。当HAT与HDAC之间的平衡发生改变时，疾病相关基因表达的失调可导致癌症、自身免疫性疾病以及慢性炎症等疾病的发生[20-22]。

目前组蛋白修饰可能主要通过两种方式影响基因的表达:一种是改变染色质的空间结构，使染色质重塑，改变原有构型，进而影响蛋白质与蛋白质、蛋白质与DNA的相互作用；另一种是通过形成特异性构象进而影响酶的募集，这个过程同时受转录因子的调控。已有研究表明，组蛋白修饰异常会引起基因表达的改变，从而导致细胞表型和功能变化，影响炎症相关基因的表达，并与多种疾病(类风湿关节炎、自身免疫性疾病、代谢综合征、神经变性疾病以及肿瘤等)的发病密切相关，近年来逐渐成为疾病诊断治疗研究的新靶点[23-26]。

在乙酰化修饰中，除通过辅助激活因子介导NF-κB乙酰化致使局部染色质结构疏松，促进其与靶基因DNA的结合及转录激活外，NF-κB靶基因相关的组蛋白乙酰化可改变组蛋白尾部与DNA及相邻核小体组蛋白尾部的相互作用，从而改变核小体的交联，导致其重塑，使之更易暴露NF-κB结合的启动子区域，使促炎基因的转录激活成为可能[27]。Bagul等[28]探讨白藜芦醇在糖尿病心肌病动物心脏氧化应激中的作用发现，NF-κB p65活性增加，沉默信息调节因子(silence information regulator,SIRT)1活性降低，白藜芦醇激活SIRT1，后者在p65赖氨酸310处去乙酰化，在组蛋白H3赖氨酸9处去乙酰化,与还原型烟酰胺腺嘌呤二核苷酸氧化酶的转录有关；Ghosh等[29]用转化生长因子-β刺激正常人的成纤维细胞发现，在Ⅰ型胶原α2链基因启动子上诱导p300募集和组蛋白H4的乙酰化，过氧化物酶体增殖物激活受体γ通过阻止p300募集和组蛋白H4过度乙酰化阻断Smad介导的转录反应，从而抑制转化生长因子-β诱导的胶原基因表达。Huang等[30]研究发现，用6-巯基嘌呤处理脂多糖活化的小胶质细胞显著减弱了TNF-α的产生，用染色质免疫沉淀技术分析发现，6-巯基嘌呤抑制脂多糖诱导的TNF-α启动子周围染色质组蛋白H3的乙酰化，最终导致p65/p300介导的TNF-α基因转录减少。

以上研究表明，乙酰化调节许多参与NF-κB途径的蛋白质的功能，与NF-κB靶基因连接的组蛋白的乙酰化暴露了NF-κB结合的启动子区域，使促炎基因转录激活。

2.3脱乙酰酶对NF-κB亚基活性的影响 核心组蛋白的去乙酰化使组蛋白的碱性尾紧密结合到附近核小体的DNA和组蛋白上，稳定核小体，抑制转录。HDAC可分为四大类: Ⅰ 类HDAC包括HDAC1、2、3和8，组织分布广泛，主要在细胞核内发现，存在核定位序列，无核输出信号序列,而HDAC3同时具有核导入和输出信号，因此细胞质和细胞核中都有定位；Ⅱ类HDAC可细分为ⅡA(HDAC4、5、7、9)和ⅡB (HDAC6和10)两组，主要存在于细胞质中，Ⅱ类HDAC可在细胞质和细胞核间穿梭，较Ⅰ类HDAC具有更强的组织分布特异性；Ⅲ 类HDAC可分为SIRT1～7，定位于细胞质、细胞核以及线粒体中，并且需要烟酰胺腺嘌呤激活; Ⅳ 类HDAC只包含 HDAC11，这种蛋白质可同时存在于Ⅰ和Ⅱ类HDAC中[31]。

有证据显示，HDAC也可能负调控NF-κB的转录活性[32-34]，而HDAC3、SIRT1、SIRT2等在去乙酰化过程中发挥重要作用。NF-κB的反式激活功能是通过p65亚基与组蛋白HDAC的相互作用调控的。HDAC1～3在炎症性疾病中具有多种作用，其中HDAC3具有特定的促炎作用，在单核细胞向炎症部位募集和巨噬细胞因子的产生中起着重要作用。研究表明，HDAC3在p65的去乙酰化(促进与IκBα的有效结合)中参与p65赖氨酸122、123、314和315上乙酰化的抑制[35]，是NF-κB介导的炎症基因表达的重要激活因子，用去乙酰化抑制剂处理后发现，通过延迟IκBα的新合成可延长诱导的NF-κB的DNA结合活性。但Leus等[36]研究发现，HDAC3的选择性抑制剂RGFP966能减轻促炎基因在炎症性肺疾病模型中的表达，HDAC3抑制剂既不影响NF-κB p65的乙酰化状态，也不影响组蛋白H3或组蛋白H4的乙酰化状态。以上研究说明，HDAC3抑制剂不是通过影响去乙酰化作用，而是通过抑制HDAC3的活性抑制NF-κB p65的转录活性，不同结果可能与疾病实验模型和抑制剂不同有关。

在早期Ashburne等[37]通过结合实验、免疫共沉淀法以及蛋白质印迹法证明，HDAC1在体外可直接与p65亚基相作用，而HDAC2不直接与NF-κB相互作用，但可通过与HDAC1结合调节NF-κB的活性,使用Trichostatin A抑制HDAC的活性导致NF-κB调节的IL-8启动子的高乙酰化，进而导致基因表达水平升高和TNF-α诱导表达的增加，但Trichostatin A不会抑制SIRT的活性。Kiernan等[38]则认为，HDAC2和HDAC3可使p65去乙酰化，而HDAC1不能。以上研究结果不同可能与所用的抗体有关。Yeung等[39]发现，SIRT1在赖氨酸310位点去乙酰化p65，终止NF-κB依赖性基因的表达,从而影响NF-κB活化。Mishra和Kowluru[40]研究发现，SIRT1过表达减弱了糖尿病诱导聚腺苷酸二磷酸核糖转移酶1在基质金属蛋白酶-9启动子或NF-κB/活化蛋白1上的结合，表明SIRT1的过表达有助于维持线粒体稳态。Yuan等[41]利用控制性皮质撞击损伤和细胞牵张损伤模型研究SIRT2抑制及基因敲除在创伤性脑损伤中的作用发现，SIRT2抑制提高了p65乙酰化和核转移水平,加强了与启动子序列DNA结合的能力，提高了p65的转录活性，从而上调p65靶基因的表达，而SIRT2敲除加重创伤性脑损伤后神经功能障碍。

以上研究提示，HDAC参与NF-κB转录活性的调控，对炎症介质的产生、线粒体稳态、细胞分化增殖等具有一定的影响。HDAC是转录抑制的主要表观遗传调节因子，HDAC抑制剂通过影响染色质的结构和促进组蛋白乙酰化，调控蛋白的相互作用、稳定性以及定位。HDAC抑制剂被广泛用于肿瘤、神经变性疾病以及炎症等的治疗，可有效调节细胞分化、细胞周期以及细胞凋亡。

3 小 结

乙酰化在NF-κB通路中的重要调控作用已被证实。在多种癌症、自身免疫性疾病以及炎症性疾病中，NF-κB的转录活性与其高度修饰密不可分，其中辅激活因子乙酰化对转录激活的调控至关重要，组蛋白的可逆乙酰化修饰使NF-κB对靶基因的特异性调控更加精确。但乙酰化修饰是一个动态过程，与其他翻译后修饰密切相关，其调控位点对基因进行诱导或抑制的机制目前尚不清楚，炎症的调节机制极其复杂，需更进一步研究多个通路和多种修饰之间的精确关系。从表观遗传调控和染色质修饰方面阻止持续激活的NF-κB发挥作用将是今后研究的重点。