表观遗传修饰在肾缺血再灌注诱导的急性肾损伤中的作用研究进展

夏康综述 王磊，刘修恒审校

近年来，急性肾损伤(acute kidney injury，AKI)所导致的住院率显著上升[1]。虽然在治疗后肾脏功能可能恢复到正常范围，但流行病学数据表明，AKI能增加慢性肾脏病等疑难杂症发生和发展的风险，是影响患者生存的重要原因[2]。肾缺血再灌注(I/R)损伤通常由低血容量性休克、外科手术及移植引起，是导致AKI的主要原因。肾I/R损伤通过诱导炎性细胞释放蛋白酶和促炎细胞因子，阻塞肾小管周围毛细血管，并产生活性氧物质(ROS)，从而诱导肾小管细胞死亡而导致肾小管的结构和功能损伤[3]。随着AKI的严重性被重视，对治疗新靶点的需求愈发迫切。表观遗传修饰被发现在疾病进展过程中发挥重要作用，并广泛参与到细胞发育、周期调控、氧化应激和炎性反应等生物过程中。表观遗传修饰与肾I/R损伤的发生发展密不可分。本文旨在综述肾缺血再灌注损伤中表观遗传修饰的最新进展。

1 表观遗传修饰概述

肾脏的生理病理过程可以通过表观遗传修饰进行调节。表观遗传修饰是在没有细胞核DNA序列改变的情况时，基因功能呈可逆的、可遗传的改变，包括乙酰化、甲基化、microRNA和LncRNA的表达等。表观遗传信息通过染色质中组蛋白和DNA的共价修饰进行编码。染色质是真核细胞核内DNA和蛋白质的复合物，在DNA转录、复制和修复中起着重要作用。染色质的基本重复单位由核小体组成，核小体由包裹在组蛋白核心八聚体周围146 bp的DNA形成。染色质修饰酶可以分别催化添加或去除翻译后修饰，将染色质在相对“开放”和“封闭”形式之间重构，在基因表达的表观遗传调节中起着至关重要的作用。与难以逆转的遗传变化相反，表观遗传畸变在生物学上是可逆的。因此，对于表观遗传修饰的进一步研究，有助于人类开发针对性药物，从而用于疾病的预防、诊断及治疗。

2 表观遗传修饰与肾缺血再灌注损伤

2.1 甲基化

2.1.1 DNA甲基化：DNA甲基化是指将来自 S-腺苷甲硫氨酸 (SAM-CH3)的甲基 (CH3)添加到胞嘧啶或腺嘌呤DNA核苷酸上，由DNA甲基转移酶家族催化。DNA甲基化在发育和疾病(包括肾缺血再灌注损伤)过程中的表观遗传基因调节中起着重要作用[4]。Castellano等[5]发现，补体成分C5a在肾缺血再灌注损伤过程中被释放，诱导细胞周期控制、DNA损伤和Wnt信号传导方面相关基因的异常甲基化，介导损伤。另外，Chou等[6]发现，肾缺血再灌注损伤后，周细胞中Ybx2的高甲基化导致肌成纤维细胞被激活，数量逐渐增多，促进慢性肾纤维化。同样的，缺血后的肾组织CpG高度甲基化，在移植灌注后的1年内逐渐造成肾脏慢性损伤，尤其是纤维化和肾小球硬化[7]。已知抗高血压药物肼苯哒嗪具有去甲基化活性，其最佳去甲基化活性发生在低于降血压剂量的浓度下。低剂量肼苯哒嗪可有效诱导羟化酶 TET3 的表达，从而催化RASAL1羟甲基化和随后的RASAL1启动子去甲基化。肼苯哒嗪诱导的CpG启动子去甲基化随后减弱了肾I/R介导的肾纤维化并保留了排泄功能，而这些与其降低血压的作用无关[8]。DNA甲基化是最早被发现、也是研究最深入的表观遗传调控机制之一。大量的研究证明，肾缺血再灌注损伤与DNA甲基化的变化高度相关，所以需要重点关注DNA甲基化在肾缺血再灌注损伤中的作用机制，为疾病的治疗提供新的思路。

2.1.2 组蛋白甲基化：组蛋白甲基化通过为染色质修饰剂创建对接位点来改变转录，从而改变染色质和转录标记的活跃、稳定或抑制状态。组蛋白甲基化受甲基转移酶和去甲基化酶的调节。组蛋白甲基转移酶包括2种主要类型，即赖氨酸特异性 (KMT)和精氨酸特异性 (RMT)。蛋白质精氨酸甲基化转移酶 5 (PRMT5)介导参与表观遗传学调控的精氨酸甲基化，在疾病中表现出多种生物学功能和重要作用。据报道，PRMT5可通过激活 Nrf2/HO-1 通路参与缺血和缺氧诱导的氧化应激和细胞焦亡[9]。Li等[10]的研究表明，当使用组蛋白甲基化抑制剂DZNep后，核因子NF-κB的表达显著下降，从而抑制肾小管上皮细胞炎性因子的表达，减轻肾缺血再灌注损伤。另外，组蛋白H3K9位点的甲基转移酶G9a能够通过改变Sirt1启动子上的H3K9me2，影响Sirt1的表达，从而调节肾缺血再灌注损伤[11]。zeste 同源物 2增强子(EZH2)是一种众所周知的甲基转移酶，介导组蛋白H3赖氨酸27三甲基化 (H3K27me3)，被发现在肾I/R过程中激活ALK5/Smad2/3通路，调控Nox4的转录活性和蛋白表达水平，从而影响其介导的氧化应激和细胞焦亡[12]。还有报道称，EZH2通过调节p38信号传导在缺血/再灌注诱导的急性肾损伤中起关键作用[13]。组蛋白甲基化在肾缺血再灌注损伤中扮演着重要的角色，仍需进一步研究阐明其作用机制。

2.2 乙酰化

2.2.1 组蛋白乙酰化：组蛋白N末端赖氨酸残基的乙酰化去除了正电荷，从而降低了组蛋白对带负电荷DNA的亲和力，随后将致密的染色质改变为更松弛的结构，以募集基因转录的激活剂或抑制剂，该过程由组蛋白乙酰转移酶 (HAT)催化完成。HAT根据底物性质的不同可以分为2个家族：GCN5相关N-乙酰反式转移酶家族(GNAT)和 MYST(MOZ、Ybf2/Sas3、Sas2 和Tip60)家族。HAT通过将乙酰基从乙酰CoA转移以形成ε-N-乙酰赖氨酸，从而乙酰化组蛋白的赖氨酸。Liu等[14]的研究表明，心肌素相关转录因子A(MRTF-A)通过与乙酰转移酶 MYST1相互作用，在调节NOX基因启动子周围的组蛋白H4K16乙酰化中发挥作用，从而影响肾缺血再灌注过程。组蛋白乙酰转移酶活性的降低也被报道与HMGB1核质易位和释放有关，逆转了肾缺血再灌注损伤中CORM-2介导的CO的产生，从而防止致命的肾缺血再灌注损伤[15]。组蛋白乙酰转移酶HBO1和JADE1被发现在肾I/R过程中结合并促进染色质环境中组蛋白的乙酰化，在上皮细胞增殖过程中特异性标记H4，参与调控相关基因的表达[16]。还有一些HAT，如PCAF和MOF，也在肾缺血再灌注期间异常升高，介导损伤[17]。组蛋白乙酰化在肾缺血再灌注损伤的发病机制中起重要作用，需要进一步的研究来确定发病过程中涉及的特定乙酰化蛋白，方便未来治疗方案的精准化。

2.2.2 组蛋白去乙酰化：与组蛋白乙酰化作用机制相反，组蛋白去乙酰化过程由组蛋白去乙酰化酶(HDAC)催化完成。HDACs由四大类18个成员组成，包括Ⅰ类Rpd3样蛋白(HDAC1、HDAC2、HDAC3 和 HDAC8)、Ⅱ类 Hda1样蛋白(HDAC4、HDAC5、HDAC6、HDAC7、HDAC9 和 HDAC10)、Ⅲ类 Sir2样蛋白(SIRT1、SIRT2、SIRT3、SIRT4、SIRT5、SIRT6 和 SIRT7)和Ⅳ类蛋白 (HDAC11)。它们可以使组蛋白去乙酰化，与带负电荷的DNA紧密结合，染色质致密卷曲，抑制基因的转录。Tajima等[18]在暴露于肾缺血再灌注损伤的肾脏和暴露于缺氧和再氧合的近端肾小管细胞中发现组蛋白乙酰化降低，但β-羟基丁酸通过使组蛋白去乙酰化酶失活来改善这种效应，从而减轻损伤。在双侧缺血再灌注损伤的肾低灌注模型中，紊乱的HDAC活性会导致不受控制的增殖、炎性反应、纤维化和器官损伤，Ⅱ类HDAC中的HDAC4介导了其中的增殖[19]。有研究数据表明，HDAC1和2对肾小管内CoREST复合物稳定性的对比效应可影响肾缺血再灌注损伤的结果[20]。据报道，去乙酰化酶SIRT6通过表观遗传阻断β-catenin 靶基因表达来防止肾缺血再灌注损伤后的纤维化[21]。类似的，SIRT3的失活会升高SOD2和P53的乙酰化，增加它们的表达，从而促进肾缺血再灌注损伤[22]。SIRT3还可以通过增强线粒体融合和激活ERK-OPA1信号通路调节肾缺血再灌注损伤[23]。SIRT1在肾I/R诱导的AKI中通过自噬诱导发挥保护作用[24]。同时，SIRT1刺激线粒体生物发生并减轻缺血再灌注后的肾损伤[25]。HDACs的异常表达，严重影响肾缺血再灌注损伤过程，值得深入研究。

2.3 microRNA microRNA(miRNA)是一类由内源基因编码的长度约为22个核苷酸的非编码单链RNA分子，其在细胞内具有多种重要的调节作用，可以在转录后调节基因的表达，从而影响各种细胞过程。miRNA已经被广泛证明参与到肾脏疾病的发病机制中。miR-182-5p和miR-378a-3p参与调节肾缺血再灌注诱导的铁死亡过程[26]。在肾缺血再灌注过程中miR-124下调，导致PARP1的过表达，通过TNFα/RIP1/RIP3 通路加重细胞坏死性凋亡[27]。miR-124也被证明通过与IRE-1α结合而成为内质网应激的负调节因子，最终赋予其对肾脏的保护作用[28]。受伤的肾小管上皮细胞通过含有miR-150的外泌体激活成纤维细胞以促进肾缺血再灌注后的肾纤维化[29]。miR-195-5p通过靶向血管内皮生长因子A抑制炎性反应和氧化应激减轻肾缺血再灌注损伤[30]。来自人骨髓间充质干细胞的外泌体通过将miR-199a-3p递送到肾细胞，下调Sema3A表达，从而激活AKT和ERK通路，最后防止I/R损伤[31]。另外，从缺氧肾小管上皮细胞释放富含miRNA-23a的外泌体，可以激活巨噬细胞以促进肾小管间质炎性反应[32]。miRNA可以微调大型遗传网络或控制特定的主要目标，从而在几乎所有生物细胞功能中发挥关键作用。大量的证据表明，miRNA在肾缺血再灌注损伤的发展和进展中起着至关重要的作用。毫无疑问，对miRNA基本生物学的了解越多，就越能将其应用于患者的治疗。

2.4 长链非编码RNA 长链非编码RNA(lncRNA)是长度大于200个核苷酸的非编码RNA。研究表明,lncRNA参与许多生物过程，如细胞生长、抗凋亡、肿瘤迁移和侵袭。lncRNA的功能包括组蛋白修饰、染色质重塑、转录激活、转录干扰、核转运和细胞周期调节，取决于它们的亚细胞定位[33]。据报道，lncRNA np_5318通过TGF-β/Smad信号通路促进肾缺血再灌注损伤[34]。lncRNA XLOC_032768通过调节FNDC3B/TGF-β1保护肾缺血再灌注损伤中肾小管上皮细胞凋亡[35]。I/R损伤诱导的长链非编码RNA GAS5，通过调控下游的p53和TSP-1的mRNA和蛋白质水平，影响肾脏细胞的凋亡[36]。LINC00963通过激活JAK2/STAT1通路促进急性肾损伤过程[37]。另外lncRNA可以作为一种竞争性内源RNA(ceRNA)吸附miRNA,影响靶基因mRNA的丰度从而影响其蛋白质水平，进而影响I/R介导的肾损伤。有报道，肾AAV2介导的长链非编码RNA H19过表达通过海绵化吸附miRNA-30a-5p减轻缺血性急性肾损伤[38]。丙泊酚通过调节lncRNA转移相关的肺腺癌转录物1(MALAT1)—miR-126-5p轴减轻肾缺血/再灌注损伤[39]。lncRNA母源表达3(MEG3)通过与miR-129-5p和HMGB1之间的相互作用，调控肾I/R损伤[40]。lncRNA SNHG14的沉默通过调节miR-124-3p/MMP2 轴减轻缺血/再灌注诱导的急性肾损伤[41]。尽管为寻找lncRNA在I/R损伤中的作用进行了广泛的努力，但这些研究的结果尚未转化为临床应用，仍需要大量的研究来探索lncRNA影响肾I/R过程的潜在机制，并与临床研究相结合，从而为肾I/R损伤的治疗提供更多的靶标。

3 其他表观遗传修饰和肾缺血再灌注损伤

除了甲基化、乙酰化修饰外，磷酸化、泛素化和苏莫酰化也参与了肾缺血再灌注损伤的过程。磷酸化是将磷酸基团加在中间代谢产物上或加在蛋白质上的过程。其中除去磷酸基团的酶称为磷酸酶。蛋白质磷酸化可发生在许多种类的氨基酸上，其中以丝氨酸为主，苏氨酸次之。SHP-1是一种重要的蛋白质酪氨酸磷酸酶，被发现在肾缺血再灌注损伤介导的肾小管上皮细胞凋亡中起关键作用[42-43]。泛素化是指泛素(一类低分子量的蛋白质)分子在一系列特殊的酶作用下，将细胞内的蛋白质分类，从中选出靶蛋白分子，并对靶蛋白进行特异性修饰的过程。这些特殊的酶包括泛素激活酶、结合酶、连结酶和降解酶等。泛素化在蛋白质的定位、代谢、功能、调节和降解中都起着十分重要的作用[44]。泛素化是最近发现的表观遗传另外一种重要的化学修饰。据报道，泛素和泛素化组蛋白H2A定位于肾小球基底膜中，参与缺氧诱导的热休克反应中[45]。在缺血再灌注损伤的小鼠肾脏中，西司他丁治疗可以降低HIF-1α泛素化，减少肾小管坏死和细胞凋亡[46]。苏莫酰化是一种翻译后修饰形式，通过这种形式，小的泛素样修饰剂 (SUMO)与目标蛋白共价连接以调节其特性。陈徐等[47]的一项研究表明，小鼠的缺血性和顺铂肾毒性损伤中发生了肾脏蛋白质苏莫酰化的动态变化，并且用银杏酸 (GA，一种苏莫酰化的药理学抑制剂)抑制苏莫酰化会增强顺铂孵育期间的细胞凋亡。这表明苏莫酰化在损伤后肾小管细胞中具有细胞保护作用。虽然其他的表观遗传修饰，如ADP核糖基化、脱氨、羰基化和糖基化也已经在不同的疾病中被研究[48-51]，但它们在肾缺血再灌注损伤中的作用仍有待探索。

4 小 结

尽管在肾缺血再灌注诱导的急性肾损伤的分子基础方面取得了进展，但与其相关的治疗仍仅限于支持治疗和功能不恢复时的肾脏替代治疗。了解表观遗传调控的最新进展可探索这种疾病的表观遗传疗法。表观遗传修饰物在肾缺血再灌注期间的异常表达，代表它可能是一个有希望的生物标志物。然而，表观遗传调控促进肾缺血再灌注的发生和进展的潜在机制仍未完全了解。因此，进一步剖析这些过程的表观遗传调控将为肾缺血再灌注损伤的表观遗传治疗提供细胞和分子基础。未来的研究需要确定表观遗传调控所针对的特定蛋白质及表观遗传修饰在肾缺血再灌注期间受到调控的分子基础。更好地了解表观遗传学在肾缺血再灌注损伤中的作用将有助于开发新药和特定的治疗策略。