急性胰腺炎与表观遗传调控机制

赵先林，朱世峰，康鸿鑫，李 娟，唐文富，万美华

1 四川大学华西医院 中西医结合科，成都 610041； 2 浙江省立同德医院 消化科，杭州 310012

急性胰腺炎作为消化系统常见危急重症之一，是由多种病因诱导的胰腺局部及全身炎症反应，发病机制复杂，并发症较多，病死率较高，但确切机制仍不完全清楚[1-2]。目前研究证实急性胰腺炎发生与酒精、胆结石、高脂、吸烟等饮食生活习惯密切相关[2-3]。越来越多研究提示DNA甲基化、组蛋白修饰和非编码 RNA等表观遗传调控机制在酒精、胆结石、高脂、吸烟等生活环境因素诱导急性胰腺炎的发生及炎症反应进展中发挥重要作用。本文就表观遗传调控机制在急性胰腺炎中的研究进展作一简要概述。

1 表观遗传学概述

表观遗传学主要研究在不改变DNA序列情况下生活环境因素对细胞及个体表型改变的作用机制，其参与了炎症、代谢、肿瘤等众多疾病的发生发展[4]。表观遗传学研究目前主要涉及DNA甲基化、组蛋白修饰、染色体重塑和非编码 RNA等方面。DNA甲基化主要指在DNA甲基转移酶的催化作用下将S-腺苷甲硫氨酸中的甲基选择性转移到胞嘧啶的五位(C5)位点，形成5-甲基脱氧胞嘧啶核苷(5-mdC)过程，引起特定区域DNA构象变化，影响基因转录及蛋白表达，参与到机体生理病理过程中[4-5]。染色质不同位点组蛋白亚基的氨基酸端能够发生甲基化、乙酰化、磷酸化、泛素化等不同类型共价修饰改变染色质结构及功能，形成不同的识别信号，影响与其他蛋白或复合体的结合，动态调控基因转录表达，被称之为 “组蛋白密码”学说[4,6]。非编码RNA不直接翻译成蛋白，主要通过调控信使RNA(mRNA)翻译成蛋白质的过程，以及调节DNA与蛋白质的相互作用来影响蛋白的表达，参与到细胞表型及生物体生长发育变化过程中[4,7]。

2 表观遗传学调控机制与急性胰腺炎

急性胰腺炎是由酒精、胆结石、高脂、吸烟等多种病因诱导胰酶异常激活，释放NF-κB、TNFα、IL-1、IL-6、IL-10等多种炎症介质，诱发局部及全身炎症损伤过程。目前研究提示DNA甲基化、组蛋白修饰和非编码 RNA等表观遗传调控机制参与了酒精、胆结石、高脂、吸烟等生活环境因素导致胰腺损伤过程，并与炎症反应密切相关。

2.1 急性胰腺炎的常见诱因与表观遗传调控机制

2.1.1 酒精 酒精性胰腺炎发病率在西方国家所有类型胰腺炎中居首位，我国也呈逐年增加趋势[2-3]。酒精性胰腺炎发病机制复杂，一方面过量饮酒可以直接刺激胰酶分泌及Oddi括约肌痉挛，导致胰管内压力增高及胰酶异常激活，诱发急性胰腺炎；另一方面酒精性胰腺炎的发生与特定基因变异及转录表达等表观遗传机制也存在密切联系[1,8-9]。近期研究[10-11]提示PRSS1-PRSS2基因位点的单核苷酸多态性rs10273639(靠近编码阳离子胰蛋白酶原的基因)和CLDN2-MORC4基因位点的rs7057398及rs12688220与酒精性胰腺炎密切相关，女性患者只有rs7057398与非酒精性胰腺炎相关，男性患者CLDN2基因型具有较大发病风险，进一步解释了酒精性胰腺炎患者的性别差别原因。酒精的代谢过程与DNA甲基化及组蛋白修饰等表观遗传改变密切相关。研究[12-13]显示酒精代谢产物可以通过降低DNA甲基转移酶和组蛋白甲基转移酶使用的S-腺苷甲硫氨酸的水平来促进DNA和组蛋白的低甲基化。酒精代谢产物还能够改变烟酰胺腺嘌呤二核苷酸(NAD +)与还原NAD(NADH)比例，促进活性氧的形成，参与表观遗传修饰的酶的活性调节。因此，酒精性胰腺炎常伴随特定基因多态性改变，酒精代谢产物能够通过DNA甲基化及组蛋白修饰等表观遗传机制影响特定蛋白的表达及细胞表型改变，增加了其诱发急性胰腺炎的风险。

2.1.2 胆结石 胆管结构或功能异常等胆源性因素为我国急性胰腺炎发病主要诱因，其中又以胆管结石为主[3]。胆管结石可以导致Vater壶腹部黏膜炎症水肿及阻塞，阻碍了胆汁及胰液顺利排泄，导致胆胰管压力增高，胆汁返流及(或)细菌易位进入胰腺，诱发急性胰腺炎[2,14]。胆结石的形成与胆汁中的胆固醇过饱沉淀成核及胆囊动力关系密切，涉及胆固醇肠道吸收，肝脏合成，胆汁输出及转化等过程[15-16]。目前研究[17]提示，表观遗传机制在胆固醇吸收代谢及胆结石形成过程中发挥重要调节作用，以应对不同饮食生活环境因素改变导致的造石环境异常。瑞典的一项针对双胞胎的研究[18]提示，携带ABCG8 D19HG基因型的双胞胎患胆石症的风险显著增加，这可能与其调节胆固醇肠道吸收与肝脏合成代谢有关。目前研究[16]表明，粘蛋白参与胆固醇的成核沉淀过程，减少高浓度胆汁酸对胆道刺激作用，而粘蛋白基因(MUPCDH)多态性增加了人类对胆石症的易感性。动物模型研究[19]显示，孕妇在妊娠和哺乳期间的低蛋白饮食可以通过改变HMGCR(胆固醇合成中的限速酶)和CYP7A1(胆固醇转化为胆汁酸的限速酶)基因的表观遗传学调节(启动子低甲基化及组蛋白H3高乙酰化等)影响断奶幼崽的胆固醇稳态。Yang等[20]利用Illumina高通量测序技术比较有或无胆结石患者的胆囊黏膜中miRNA和mRNA表达差异，结果提示两者之间存在17个miRNA和525个mRNA表达差异，再使用定量RT-PCR对随机选择的6个miRNA和8个基因进行验证，鉴定出114个miRNA靶基因，其(比如miR-210及其潜在靶基因ATP11A等)功能和调控途径与胆固醇稳态及胆结石形成密切相关。因此，目前研究提示生活饮食因素通过DNA甲基化、组蛋白修饰及非编码RNA等表观遗传学调控机制，影响了胆固醇代谢过程及稳态，促进了胆结石形成，增加了其诱发急性胰腺炎风险。

2.1.3 高脂 随着生活水平提高，高脂作为急性胰腺炎三大诱因之一，呈逐年上升趋势[3]。高脂型急性胰腺炎发病机制复杂，具体机理尚未明确。目前研究[21-22]提示，高脂型急性胰腺炎除了与游离脂肪酸增多、胰腺微循环障碍以及钙超载等有关外，与表观遗传调控机制之间也存在密切联系。研究发现高脂血症性胰腺炎的囊性纤维化跨膜传导调节因子(CFTR)、载脂蛋白E基因及肿瘤坏死因子启动子常发生突变，并可作为其发病的独立危险因素[23-24]。脂质代谢过程与表观遗传学调控机制密切相关[25]。过氧化物酶体增殖物激活受体γ(PPARγ)是脂肪生成和脂肪组织发育的关键调控因子，PPARγ基因表达水平不仅受遗传调控，还与DNA甲基化、组蛋白修饰及非编码RNA等表观遗传调控密切相关[26]。Wang等[27]研究证实组蛋白甲基转移酶G9a可以通过表观遗传标记H3K9me2抑制PPARγ的表达，从而抑制脂肪生成。Kalkan等[28]学者研究提示RANKL和c-Fos基因的甲基化状态对肥胖和脂肪因子水平具有显著影响。国内学者Shen等[29]研究结果显示tRFs作为一种衍生自tRNA的新型非编码RNA，能够抑制脂肪基因转录及表达，调节脂肪生成。因此，高脂性急性胰腺炎常伴随有特定基因多态性改变，且脂质代谢过程与其重要调节因子的DNA甲基化、组蛋白修饰及非编码RNA等表观遗传机制改变密切相关，其促进了高脂形成，增加了急性胰腺炎发病风险。

2.1.4 吸烟 吸烟不仅能增加胰腺癌、慢性胰腺炎发病风险，也是急性胰腺炎发病的重要独立危险因素[30]。目前研究[31]提示烟雾中有毒物质尼古丁及NNK能够在实验大鼠胰腺腺泡细胞及组织内蓄积，刺激实验大鼠及人体内胰酶异常激活，甚至诱导急性胰腺炎发生。目前研究[32]表明暴露于香烟烟雾后能够引起DNA甲基化，组蛋白修饰和miRNA表达等表观遗传改变，参与到细胞组织损伤过程中。瑞典学者Besingi等[33]进行一项有关吸烟的全基因组甲基化研究，实验结果提示烟草燃烧产物能够导致大量DNA甲基化改变。Chen等[34]研究表明吸烟产生的丙烯醛，能通过抑制细胞质内组蛋白H3、H4的N-末端乙酰化，从而影响核小体的组装及蛋白表达。硫胺对胰腺腺泡细胞功能至关重要，胰腺细胞主要通过硫胺转运蛋白-1和-2(THTR-1、THTR-2)从细胞外环境中摄取硫胺进入细胞内以维持其细胞内高水平状态。研究[35]发现烟雾中NNK能够降低THTR-1和THTR-2基因启动子SLC19A2和SLC19A3水平，影响其mRNA转录及蛋白表达，从而抑制维生素硫胺进入胰腺腺泡细胞，影响其正常功能发挥，导致胰腺炎发生。因此，吸烟能够诱导DNA甲基化，组蛋白修饰和miRNA表达等表观遗传改变，导致特定蛋白表达及细胞功能改变，增加急性胰腺炎发病风险。

2.2 急性胰腺炎的炎症反应与表观遗传调控机制 急性胰腺炎本质上是胰腺组织细胞自我消化﹑坏死﹑释放NF-κB、TNFα、IL-1、IL-6、IL-10等多种炎症介质并级联放大而导致的全身炎症损伤过程[1，36]。目前研究提示表观遗传学调控机制与炎症反应密切相关，参与了急性胰腺炎中众多炎症因子的转录和表达过程[37-38]。 NF-κB作为细胞中重要转录调节蛋白质因子，能与TNFα﹑IL-1β﹑IL-6等炎性因子的基因启动子上的NF-κB结合位点结合，调控其基因转录及表达[39]。NF-κB活化受乙酰化修饰的调节，组蛋白去乙酰化酶抑制剂(HDACi)可以提高NF-κB乙酰化程度，抑制NF-κB的活性，下调下游TNFα﹑IL-1β﹑IL-6等多种炎症相关因子的表达[40]。Hartman等[41]研究提示，应用曲古抑菌素(一种广谱HDACi)预处理治疗重症急性胰腺炎大鼠模型，能够明显抑制单核细胞趋化因子1、巨噬细胞炎性蛋白 2、IL-6和IL-1β等炎症因子mRNA及蛋白表达，降低血浆淀粉酶及IL-6水平，减轻胰腺组织炎症损伤。此外，多种炎症因子与DNA甲基化之间也存在密切联系。研究[42-43]显示，TNFα、IL-1β等炎性因子启动子区的甲基化水平影响其转录表达, 同时IL-6等炎性因子又可调节甲基转移酶的活性, 改变DNA甲基化水平。Sandoval等[37]研究显示，急性胰腺炎体内炎症基因的上调依赖于与组蛋白乙酰转移酶CBP相关的组蛋白乙酰化，早期常伴随组蛋白H3K14ac、H3K27ac和H4K5ac的快速增加，而晚期炎症基因常伴随组蛋白甲基化显著增加为特征的染色质重塑。在急性胰腺炎的体内及体外实验模型中，TNFα基因激活常伴随着严格有序的募集或释放转录因子(ELK-1、SP1、NF-κB和EGR-1等)和染色质修饰复合物(HDAC1、HDAC2、GCN5、PCAF和CBP等)，以及有序的组蛋白H3K9、H3K14和H3K18-乙酰化，H3K4甲基化以及H4K5乙酰化等[44]。Escobar等[45]研究证明，丝氨酸/苏氨酸蛋白磷酸酶PP2A可以通过ERK / NF-κB途径和组蛋白乙酰化调节急性胰腺炎炎症级联放大过程。总之，特异性和严格排序的表观遗传调控机制如组蛋白乙酰化和甲基化，以及染色质重塑与急性胰腺炎中炎症基因的转录表达密切相关。这些研究结果突出了表观遗传调控机制在急性胰腺炎炎症级联反应中的重要性。

3 小结

急性胰腺炎是一种与酒精、胆结石、高脂、吸烟等多种生活环境因素密切相关的炎症疾病，常导致胰腺局部及全身炎症反应及器官损伤。表观遗传学在环境暴露与疾病发生机制之间搭起联系桥梁，有助于进一步理解环境相关疾病具体机理及寻找新的防治方法。目前研究证实急性胰腺炎患者常伴随特定基因多态性改变；酒精、高脂、胆结石及吸烟等生活环境因素刺激除直接损伤胰腺组织细胞外，其代谢产物还能通过DNA甲基化、组蛋白修饰和非编码RNA等表观遗传调控机制影响特定基因转录表达及细胞表型变化，增加胰腺损伤易感性。此外，急性胰腺炎发生及进展中NF-κB、TNFα、IL-1、IL-6、IL-10等多种炎症因子的转录及表达，均涉及DNA 甲基化、组蛋白修饰和非编码 RNA等表观遗传调控过程。因此，培养健康的生活习惯，如清淡饮食、戒烟戒酒等对防治急性胰腺炎意义重大。虽然急性胰腺炎的表观遗传学调控机制仍处于初步探索阶段，面临很多挑战，但仍为进一步理解急性胰腺炎的发生、发展及治疗提供了新的思路，具有广阔的研究前景。