表观遗传修饰在蒽环类药物导致心脏毒性中的作用机制研究

孙蓉蓉，李先池综述 刘贺审校

心脏毒性，可简单定义为“损害心脏的毒性”，在化疗期间或化疗之后均有可能出现。20世纪60年代，阿霉素(doxorubicin，DOX)首次从链霉菌中分离出来，是最早被发现的蒽环类药物之一，可用于多种癌症的治疗，在分子水平上，DOX有稳定拓扑异构酶DNA异构体的作用，能够阻止肿瘤细胞DNA复制和转录[1]。近年来，癌症的治疗方法有了显著改进，但化疗仍是癌症治疗的基石[2]。阿霉素等蒽环类化疗药物是治疗乳腺癌、卵巢癌、骨肉瘤、白血病、非霍奇金和霍奇金淋巴瘤等多种癌症最常见的化疗药物。然而，因严重的心脏毒性，这些药物在临床上的适用性受到限制[3]。DOX引起的心脏毒性可分为急性、慢性和迟发性。在给药后几天内发生，或延迟至化疗后数十年，出现扩张型心肌病或心力衰竭，从而影响患者的发病率、病死率和生活质量[4]。然而，DOX致心脏毒性的机制尚不完全清楚。可能与氧化应激、线粒体功能障碍、细胞凋亡、自噬等有关。表观遗传修饰包括DNA甲基化、组蛋白修饰和非编码RNA(non-coding RNA,ncRNA)表达，在调控基因表达方面起着重要作用，任何一个发生异常都可能影响基因表达导致多种疾病如心血管疾病[5]。现总结异常表观遗传修饰导致DOX诱导的心脏毒性机制，以及防治新方案，综述如下。

1 表观遗传修饰概述

人类二倍体细胞包含23对染色体，每个染色体包含数十万个核小体。每个核小体是染色质的核心单位，由带负电的DNA组成，紧密缠绕在带正电的组蛋白对周围，形成组蛋白八聚体[6]。表观遗传指DNA序列不发生变化，而基因表达发生可遗传改变的现象。表观遗传学改变包括DNA甲基化、组蛋白修饰、非编码RNA作用等，可参与细胞凋亡、增殖、分化及细胞周期调控、免疫、炎性反应、代谢等病理生理过程[7]。表观遗传变异是环境因素和细胞内遗传物质间交互作用的结果，其效应通过调节基因表达，控制生物学表型来实现。任何一方面的异常都将影响染色质结构和基因表达。环境、生活方式、年龄、疾病、化学药物和毒物也可能触发病理状态下表观遗传修饰[8]，引起基因转录表达异常，影响表型的改变导致疾病的发生。

以表观遗传学为靶点的疗法目前正在开发中，这些表观遗传药物是小化学分子，可作为关键表观遗传酶的抑制剂，也可以为表观遗传调节因子微小RNAs(microRNAs, miRNAs)，它在不改变基因序列的情况下调节基因表达[9]。通过互补序列特异性靶向mRNA发挥作用，导致适当mRNA的降解，从而影响蛋白质水平。表观遗传修饰在疾病中作用机制的深入研究，对于以表观遗传为靶向的治疗策略具有重要意义。

2 表观遗传修饰在阿霉素心脏毒性中的作用

表观遗传修饰可从DNA水平(如DNA甲基化)、蛋白质水平(如组蛋白修饰)、染色质水平(如染色质重塑)等多个层面上调控基因表达，被认为是控制基因活动的“开关”[10]。DNA甲基化和组蛋白修饰，以及非编码RNA表达，都已被发现在阿霉素诱导的心肌毒性中起重要作用。线粒体代谢物构成了大量辅酶因子参与人类生化途径，包括表观遗传修饰[11]。例如，腺苷甲硫氨酸是DNA和组蛋白甲基化的通用底物。因此，人们认为线粒体的破坏可能会影响心肌细胞的基因组染色质[5]。体内实验也表明，缺乏甲基供体的大鼠心肌线粒体排列紊乱可发展为心肌病。这种影响是由于线粒体活动的主要调节因子过氧化物酶体增殖物激活受体-γ共激活因子-1α(peroxisome proliferator-activated receptor γ coactivator-1,PGC1α)活性降低所致。另外，这种降低的PGC-1α活性被发现是由于组蛋白修饰物脱乙酰酶-沉默信息调节因子1(silent information regulator 1,SIRT1)的下调增加了PGC-1α的乙酰化和减少了PGC-1α的甲基化，从而表观遗传修饰影响了线粒体能量代谢，与阿霉素心肌毒性的机制密切相关[12]。

2.1 DNA甲基化 DNA甲基化通常被称为以DNA为基础的“第五位”，因为它普遍存在于CpG二核苷酸中胞嘧啶的5’位。5-甲基胞嘧啶是由DNA甲基转移酶(DNA methyltransferase，DNMTs)和DNA羟甲基化酶10-11易位(ten-eleven translocation, TET)蛋白家族等多种酶建立、维持和清除的[13]。在其中一项研究中，分析DOX对小鼠心肌细胞H9c2细胞的影响[14]，在DOX处理的细胞中，伴随着糖酵解活性和基础呼吸的降低，观察到线粒体DNA转录的失调。重要的是，还观察到甲基转移酶1(DNMT1)的下调同时伴随着整体DNA甲基化的减少。这一效应与以往的动物实验研究一致，即在用DOX治疗的大鼠心脏中观察到整体DNA低甲基化，并伴随着核和线粒体基因组编码的线粒体基因产物的异常表达。由于线粒体基因组的DNA甲基化是由DNMT1维持的，且DNMT1是唯一可以移位到线粒体的DNMT成员，氧化应激对DNMT1的下调可能会最终影响线粒体基因组的甲基化[15]。这些研究表明，DOX可能通过线粒体功能和相关代谢产物的失调影响整体DNA甲基化。

2.2 组蛋白修饰 除了DNA甲基化，组蛋白修饰也与DOX引起的心脏毒性有关。这些修饰可引起染色体相关蛋白的协同或拮抗作用，导致在转录激活状态和沉默状态之间的动态切换[16]。其过程由组蛋白乙酰化转移酶(histone acetyltransferase, HAT)和组蛋白去乙酰化酶(histone deacetylase, HDAC)共同调控。HAT将乙酰辅酶A的乙酰基转移到组蛋白氨基末端特定的赖氨酸残基上,HDAC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,基因的转录受到抑制。例如，组蛋白去乙酰化酶6(HDAC6)在体外和小鼠模型中均被发现上调，导致α微管蛋白的脱乙酰化[17]。此外，Hanf等[18]对H9c2心肌细胞的研究也表明，有些组蛋白修饰物的表达与组蛋白的整体乙酰化下调有关，组蛋白去乙酰化酶SIRT1和HDAC2的表达水平受DOX处理的影响。特别是SIRT1的不同亚型表现出相互矛盾的表达水平。然而，白藜芦醇在体外和体内都被发现可以减轻DOX引起的心脏毒性[19]。这是由于白藜芦醇可使SIRT1的脱乙酰活性增强，提示其对DOX具有心脏保护作用。

2.3 非编码RNA表达 另一个公认的表观遗传修饰是对非编码RNA(ncRNAs)的调控，包括miRNAs和长链非编码RNAs(long noncoding RNAs, lncRNAs)。几种miRNAs的异常表达已被证明与DOX介导的心脏毒性有关。例如，在DOX诱导的体外和体内心脏毒性模型中，观察到miR-23a、miR-34a、miR-140和miR-98的上调[20-23]。其中，miR-34a是一种众所周知的肿瘤抑制性miRNA，其上调可抑制SIRT1，从而部分解释了在前述研究中DOX下调HDAC的原因[21]。

另一方面，长度超过200个核苷酸的lncRNAs通过不同的机制调节基因表达。最近对lncRNAs在心血管疾病中的分子功能和临床应用进行了综述[24]。一些研究已经证明，lncRNA可以直接“抹掉”或与miRNAs结合，从而通过竞争内源性RNA(ceRNA)机制调节这些miRNAs的活性[25]。例如，在体外和动物模型中，DOX可以上调LINC00339的lncRNA，通过ceRNA机制抑制miR-484。

3 阿霉素心脏毒性机制

DOX引起心脏毒性的一个被广泛接受的机制是，DOX可使心肌线粒体中产生活性氧(reactive oxygen species,ROS)，在细胞内启动修饰级联反应[14]。在线粒体中，DOX被烟酰胺腺嘌呤二核苷酸(nicotinamide adenine dinucleotide,NADH)脱氢酶还原，并经历氧化还原循环，产生ROS。活性氧水平升高会导致细胞损伤，也称为氧化应激。当活性氧生成系统和抗氧化之间的微妙平衡被打破，由于血浆中谷胱甘肽和总抗氧化能力的下降，接受DOX治疗的癌症患者会立即遭受全身氧化应激。ROS的产生还会影响DNA、RNA、蛋白质和脂质，还可作为二级信号分子参与体内平衡的各种途径，包括细胞增殖和细胞凋亡[26]。因此，在细胞内外环境中维持适当水平的ROS是至关重要的。因此可以推断，氧化应激可能是DOX引起心脏毒性的主要原因，包括心律失常、心肌病和心力衰竭[27]。

另一方面，DOX还可以扰乱细胞线粒体的代谢，这一现象还没有得到充分的研究。例如，DOX可以减少线粒体NADH的积累，减弱心脏组织中的氧化磷酸化，这与葡萄糖摄取减少有关。DOX可以降低蛋白水平和AMPK磷酸化，从而导致应激和代谢功能障碍[28]。综上所述，氧化应激的诱导和线粒体代谢的紊乱在DOX心脏毒性的发生发展过程中起着至关重要的作用。

4 小结与展望

虽然DOX是治疗几种癌症的主要蒽环类药物，但仍需关注其心脏毒性作用。在体外和体内用DOX处理的心肌细胞中都观察到了表观遗传修饰作用。虽然心脏毒性和表观遗传修饰之间的因果关系尚未被充分研究，但表观遗传修饰可能参与心脏毒性或心脏保护过程。这一过程是否由DOX介导的ROS或特定的信号通路参与，可能需要进一步研究。在治疗方面，化疗药物与表观遗传治疗方法(如表观遗传书写器/阅读器/擦除器的小分子抑制剂)的结合可能会保护患者免受心脏毒性。然而，这种潜在的心脏保护剂是否会影响DOX的疗效或产生其他不良反应，还需要进一步的临床研究(即“双刃剑”)。例如，右丙亚胺是唯一获得美国食品和药品管理局(FDA)批准的心脏保护剂，已被证明可以预防DOX介导的心脏毒性[29]。然而，右丙亚胺的有益效果仍然存在争议。总之，表观遗传修饰可能在DOX介导的心肌细胞凋亡中起作用，明确的表观遗传疗法是否有效值得进一步研究。