染色质重塑调控因子与心血管疾病研究进展

孙嘉欣 王志华

心血管疾病包括一系列涉及循环系统的疾病，是全球发生率和病死率高的主要原因，其主要包括心肌肥厚、冠心病、高血压、心力衰竭和许多其他疾病。尽管症状各不相同，但它们的发病机制有许多相似之处，包括炎症和纤维化等[1]。越来越多的研究表明，染色质重塑在心血管疾病过程中起到重要作用。染色质重塑是重要的表观遗传学机制，是由染色质重塑复合物介导的一系列以染色质上核小体变化为特征的生物学过程。在染色质重塑过程中，染色质重塑调控因子发挥着举足轻重的作用[2]。本文就染色质调控因子在心血管疾病中的作用展开论述。

一、染色质重塑及其调控因子

染色质的基本单位是核小体，后者由DNA和被其紧密包裹的组蛋白八聚体构成。核小体的形成在基因组DNA压缩成染色质中起着重要作用。然而，组蛋白-DNA的相互作用限制了其他DNA结合蛋白对基因组DNA的可及性，并负性调节基因组DNA的功能，如复制、修复、重组和转录。为了确保基因组DNA在染色质中发挥作用，染色质的结构必须是动态、可塑的。染色质重塑分为两类：组蛋白翻译后修饰(post-translational modifications，PTMs)和依赖ATP的染色质重塑复合物(ATP-dependent chromatin remodeling complex)。组蛋白翻译后修饰是对组蛋白N末端尾部的氨基酸进行磷酸化、乙酰化、甲基化、泛素化等修饰，从而改变了组蛋白对DNA和与DNA相关蛋白质的亲和力，并进一步调节了转录活性以及DNA的可及性[3]。而依赖ATP的染色质重塑复合物有4个亚家族：SWI/SNF(switching defective/sucrose nonfermenting)、ISWI(imitation switch)、CHD(chromodomain，helicase，DNA binding)和INO80(inositol requiring 80)复合物。其都具有ATP水解-DNA转位酶，利用ATP水解的能量，通过扭曲或破坏核小体中组蛋白-DNA的接触来促使核小体DNA易位，进而调控核小体组装、染色质进入和核小体编辑[4]。由此可见，染色质重塑是调控及维持基因组DNA功能的关键。

染色质重塑过程需要多种调控因子的参与。主要包括：(1)将PTMs加到组蛋白上的酶，如组蛋白乙酰转移酶(histone acetyltransferase，HAT)、组蛋白甲基转移酶(histone methyltransferase，HMT)等。(2)从组蛋白底物上去除特定PTMs的酶，如组蛋白脱乙酰酶(histone deacetylase，HDAC)、组蛋白脱甲基酶(histone demethylase，HDMs)等。(3)识别组蛋白上的特定PTMs或修饰组蛋白变体的组合，以指导特定的转录结果，包括SWI/SNF复合物(switching defective/sucrose nonfermenting)、溴结构域和额外末端结构域蛋白(bromodomain and extraterminal domain，BET)等[5]。此外，一些染色质结构因子如CCCTC结合因子(CTCF)以及高迁移率族蛋白也参与此过程。

二、ATP依赖性染色质重塑物在心血管疾病及病理中的作用

目前为止，人们对心脏病理过程中ATP依赖性染色质重塑物作用的认识还仅限于SWI/SNF复合物。SWI/SNF复合物在种属间具有较高的保守性，通过结合相应的DNA序列，改变染色质局部形态，从而调控基因的表达[6]。SWI/SNF人类亚家族主要有两种复合物成员，一种由10亚基构成的BRG1或BRM相关因子(BRG1/BRM-associated factors，BAF)复合物，另一种由12个亚基组成的polybromo相关BAF(polybromo-associated BAF，PBAF)复合物。BRM(brahma)和BRG1(brahma-related gene 1)作为SWI/SNF的核心催化亚基在心脏发育、心脏功能整合及心肌病理性重构调控过程中均具有重要意义，此外DPF3a(BAF45c)、BAF250a、BAF250b等亚基表达异常也会对心脏发育造成损害。

1.心脏发育异常：在胎儿时期，心肌细胞中以BRG1的表达为主，出生后 BRG1迅速回落，并以BRM表达为主。当心脏出现病理表型时BRG1则再度升高。BRG1通过控制相关基因表达以调控细胞增殖分化来辅助心脏发育。心内膜中的BRG1控制心肌小梁发育，且胚胎早期敲除BRG1基因，会出现严重的心脏缺损(如间隔缺损、半月板受损、严重心肌发育迟滞、心内膜发育受限等)甚至胚胎死亡，这些缺陷均与心肌细胞的增殖障碍相关。在成年期心脏组织中靶向敲除BRG1基因后，心肌对心肌肥厚产生抵抗，从而减轻病理重塑及心力衰竭进展[7]。此外，BRG1在先天性心脏病心肌细胞中的低甲基化和表达降低同样证明BRG1的异常表达与心脏发育异常密切相关[8]。

2.病理性心肌肥厚：心室增厚和扩大可见于病理性心肌肥厚，其是对生物力学应力增加的补偿反应。HATs和HDACs是心脏肥大的重要调节剂，在成熟心肌细胞中，BRG1能够被异常激活并与HDAC和聚腺苷二磷酸核糖聚合酶1(poly adp-ribose polymerase1，PARP-1)形成复合物, 诱导心肌细胞α肌球蛋白重链(α-myosin heavy chain，α-MHC)表达向β肌球蛋白重链(β-myosin heavy chain，β-MHC)转变，而α-MHC基因的下调和β-MHC基因的异常表达与成熟心肌细胞的病理性肥厚明确相关[9]。BRG1还可以在肌球蛋白重链6(myosin heavy chain6，Myh6)、肌球蛋白重链7(myosin heavy chain7，Myh7)、心钠肽(atrial natriuretic peptide，ANP)、脑钠肽(brain natriuretic peptide，BNP)的启动子区域募集增加，增强其转录活性，促进心力衰竭的发生、发展。这提示BRG1和相关因子可能是治疗心肌肥厚和心力衰竭的重要靶点。

3.心肌重构：心肌重构是高血压、心肌梗死、心力衰竭等共同的病理生理变化，且BRG1参与此过程。研究发现，活化过氧化物酶体增殖物激活受体γ(peroxisome proliferators-activated receptors，PPARs)会改善心脏重塑大鼠的心脏功能受损，且减少间质纤维化。PPARγ的活化通过抑制NF-κB通路，下调了BRG1的活性和转化生长因子β1(transforming growth factor-β1，TGF-β1)在心脏重塑的表达。也抑制了细胞增殖和胶原产生心脏成纤维细胞[10]。由于TGF-β1在心脏的纤维化重塑、成纤维细胞活化和细胞外基质沉积中起关键作用，且BRG1可以被心脏应激激活并形成HDAC和PARP复合物导致心肌肥大。因此，通过激活PPARγ抑制BRG1表达将是临床上有望缓解心脏重塑的新型治疗靶标，并为减缓高血压、心力衰竭等心脏病的发展提供新的治疗方向。

4．心肌缺血再灌注损伤：心肌缺血再灌注损伤(myocardial ischemic reperfusion injury，MIRI)的标志性事件是中性粒细胞浸润的增加和随之而来的炎性反应。徐勇等进行动物实验发现，与野生型小鼠比较，内皮BRG1特异性缺失的小鼠在MIRI 后，表现出心肌梗死面积减小、心脏纤维化减轻及心脏功能更好的恢复。此外，内皮细胞中BRG1的缺失抑制了MIRI后心脏中性粒细胞的浸润并下调了促炎性介质的水平[11]。进一步研究发现，BRG1通过与组蛋白H3K9脱甲基酶JMJD2B相互作用，促进了其介导的内皮对中性粒细胞的黏附作用，加强心肌炎性损伤[12]。总之，BRG1-JMJD2B复合物在内皮细胞中促进中性粒细胞浸润，从而导致心肌缺血再灌注损伤。该研究为挽救MIRI 的心肌细胞和心脏功能提供重要的干预靶点。

5．心肌梗死：急性心肌梗死(acute myocardial infarction，AMI)是由于供应心脏的血流急剧减少或关闭导致的心肌细胞缺血和缺氧和坏死，是心血管疾病病死率高的主要原因之一。因此，更好地理解心肌对缺血性损伤反应的复杂性可以为AMI的治疗或预防提供新的方法[13]。研究发现，BRG1对AMI的缺血缺氧心肌细胞具有保护作用。尽管BRG1在成年心肌细胞中被下调，但在心脏应激时会被重新激活。AMI期间BRG1水平上调，且BRG1的上调增加了血红素加氧酶1(heme oxygenase1，HO1)和核因子E2相关因子2(nuclear factor erythroid2-related factor2，NRF2)的表达水平，以减轻心肌细胞的氧化应激并上调心肌细胞的活力[14]。这使得BRG1-NRF2-HO1途径可能是预防AMI患者心脏功能障碍的一种新型治疗靶点。

6．心律失常：心律失常是导致心源性猝死的主要原因之一，也是人类心力衰竭中最常见和最重要的病理改变之一。BRG1/BRM可以通过直接结合间隙连接蛋白和离子通道基因的启动子，以及通过抑制c-Myc的表达来维持传导系统几种心源性转录因子的表达[15]。通过对BRG1/BRM双敲除小鼠进行超声心动图和心电图监测后发现，BRG1/BRM双敲除小鼠表现出快速进行性心室功能障碍，包括传导缺陷和恶性心律失常，最终在3周内导致心力衰竭和死亡。可见，BRG1和BRM是心肌内心脏传导所必需的。

三、其他染色质调控因子在心血管疾病中的作用

1．BRD4：BRD4(bromodomain containing4)是BET家族成员，在超增强子(super enhancer，SEs)形成和癌基因表达调节中发挥重要作用。目前，很多证据表明BRD4在多种心血管疾病中也起着关键作用。

研究发现，抑制BRD4会促进载脂蛋白和高密度脂蛋白的增加，促进胆固醇动员，延缓动脉粥样硬化的发展[16]。其次，炎症信号可以通过HATp300促进NF-κB乙酰化，而BRD4可以被乙酰化的NF-κB招募成为促炎基因的增强子和启动子进而形成SE位点[17]。BRD4还会上调活性氧(reactive oxygen species，ROS)的产生，持续炎症和ROS的过度产生会导致内皮功能障碍，增加冠脉斑块的脆性和血栓栓塞的风险[18]。

BRD4是一种乙酰赖氨酸读码蛋白，能够辅助病理基因表达。BRD4识别组蛋白的变化，将染色质介导的信号转导到RNA聚合酶Ⅱ，从而激活参与心脏肥大、心力衰竭等发病机制中的多种转录因子表达。在PE诱导的心脏肥大模型中，BRD4被包括NPPA和NPPB在内的病理基因的启动子招募，参与心肌细胞中SE的形成以诱导这些基因的转录，从而加剧心力衰竭的发生和进展[19]。

研究发现,BRD4的表达增加且BRD4的表达水平与血压呈正相关，而使用BRD4抑制剂可显著降低高血压大鼠模型中AngⅡ、TNF-α、内皮素1的水平，并显著提高一氧化氮水平和锰超氧化物歧化酶(Mn-superoxide dismutase，MnSOD)的活性[17]。总之，抑制BRD4对高血压、心脏肥大等心血管疾病的进展具有阻遏作用，其有可能成为心血管疾病的治疗标靶。

2．CCCTC结合因子：近年来，染色体构象捕获(3C)技术推动了人们对染色质三维结构的认识。染色质拓扑结构域(topological associated domain，TADs)是染色质高阶结构中重要的结构单元，在物种间高度保守，十分稳定。TADs在调控基因表达、细胞分化、系统发育等生物学过程中起重要作用。TADs的形成依赖于两个高度保守因素的相互作用：凝聚素和CCCTC结合因子(CTCF)。凝聚素是一种环状复合物，最初被认为是姐妹染色单体凝聚的介质，CTCF利用其11个锌指结构域的独特组合与其他蛋白质相互作用，并以序列特异性方式结合整个基因组[20]。CTCF可阻止增强子和启动子之间的相互作用，CTCF结合位点在TAD边界富集，且CTCF或其结合位点在这些边界的缺失影响结构域间和结构域内的相互作用，随后影响基因表达的调节[21]。

Rosa-Garrido团队用3C技术首次绘制了成人心肌细胞的3D染色质的结构图。他们发现CTCF的特异性敲除可诱导心肌病且加速死亡，这通过射血分数降低、左心室内径和纤维化增加以及心脏肥大来测量[22]。此外，施行主动脉弓缩窄术(TAC)的小鼠心肌细胞染色质结构大致保持稳定，而CTCF敲除小鼠表现出约99% TADs破坏，CTCF环消失。对假手术和TAC术小鼠心肌细胞行HE染色显示CTCF缺失小鼠的心脏扩张更加明显[23]。另外，长非编码RNA SNHG16在心脏肥大模型中的表达较高，且SNHG16的沉默可能会通过靶向miR-182-5p/IGF1轴抑制AngⅡ引起的心脏肥大。CTCF作为SNHG16的转录因子，可增强其表达并上调其靶向miR-182-5p/IGF1轴加速AngⅡ诱导的心脏肥大[24]。总之，CTCF的结构完整和正常表达对染色质空间结构、心脏发育及功能至关重要。

3.高迁移率族蛋白：高迁移率族蛋白B2(high mobility group protein b2，HMGB2)和高迁移率族蛋白B1(high mobility group protein b1，HMGB1)是高迁移率族家族的成员，其通过结合DNA以稳定核小体和参与转录、复制和DNA修复。研究发现，在肥大心脏中，HMGB1的表达减少，且HMGB1的缺失会增加胎儿心脏基因表达，而HMGB1的过度表达则会抑制胎儿心脏基因的表达[25]。这些证据表明HMGB1可防止肥大，这与HMGB1对DNA损伤的抑制作用有关。

另外，Yuichi等研究发现，心肌细胞中HMGB2的缺失会通过使蛋白激酶B失活和肌质网钙离子ATP酶2a(Ca2+ATPase2a)活性降低来导致心脏肥大并增加心力衰竭相关基因的表达，引起心脏功能障碍[26]。在TAC诱导的心脏肥大模型中HMGB2的表达明显升高，且TAC后，HMGB2缺失小鼠表现出比野生小鼠加重的心功能障碍和加速的心力衰竭发展，心力衰竭标志物也更高。由此可知，心脏HMGB2的上调是对心脏应激的适应性反应，HMGB2可能起着心脏保护作用。

四、展 望

基于对表观遗传学的深入研究，染色质调控因子在心脏发育、心肌病、心力衰竭等心血管疾病中发挥的重要作用越来越受到重视。而上述调控染色质重塑的因子分别从细胞炎症、转录、染色质构象改变等方面参与心血管疾病过程。尽管当前研究表明BRG1在治疗心律失常、心肌肥厚、心力衰竭等心脏疾病有很大临床转化潜能，但除SWI/SNF复合物以外的其他ATP依赖的染色质重塑复合物对心血管疾病的作用仍有待研究。同时，Hi-C、3C、5C等技术手段的发展使我们认识到受这些因子调控的染色质的三维空间结构改变、拓扑动力学变化、染色质可及性改变以及疾病亚型特异的染色质构象改变[27]。这为研究新型的干预靶点、干预策略，包括相关抑制剂、激动剂、调节剂等干预类型以及预后提供新的理论基础和研究方向。