炎症小体在心力衰竭发生发展中的作用及表观遗传学调控机制研究进展

潘璐, 党时鹏, 张桢烨, 李库林, 王如兴

(南京医科大学附属无锡人民医院心内科, 江苏 无锡 214023)

心力衰竭(心衰)是临床上最为常见的心血管疾病之一,与患者高住院率和死亡率密切相关。心衰时心脏泵血功能受损,心排血量不能满足周围组织代谢的需要。从病理生理学角度来说,心脏处于绝对或相对低输出量,和(或)心排血量病理性分布,从而导致一种以呼吸困难或疲劳等为主要症状和以颈静脉压升高、心动过速或周围水肿等为主要体征的临床综合征[1]。心衰已经是一个日益严重的公共卫生问题,其所带来的发病率和死亡率,给医疗保健系统带来了前所未有的经济负担。心室重构是导致心衰的主要发病机制之一[2]。此外,各种原因导致的心肌损伤(如压力负荷、缺血和炎症等)都会引起心衰的发生[3]。

炎症小体已被证实与多种临床疾病相关。炎症小体的异常激活与心衰的发生发展密不可分。而DNA甲基化、组蛋白修饰、非编码RNA等表观遗传学机制在炎症小体参与心衰发生发展过程中起重要调控作用。本文主要综述炎症小体在心衰发生发展过程中的作用及其表观调控机制。

1 炎症小体的概念

炎症小体是由多种蛋白质组成的复合体,能够调节半胱天冬氨酸蛋白酶-1(cysteinyl aspartate specific proteinase,caspase-1)的活化,促进细胞因子前体白介素-1(pro-interleukin-1,pro-IL-1)的成熟。通过识别病原相关分子模式和损伤相关分子模式、活性氧、胆固醇结晶和环境刺激物引起组织炎症反应和炎症性细胞死亡——细胞焦亡(pyroptosis)的过程[4]。虽然目前为止已经发现了多种炎症小体,但最具特征性的仍然是核苷酸结合寡聚化结构域样受体蛋白3(NOD-like receptor protein 3,NLRP3)炎症小体,其可以在疾病状态下识别非微生物相关危险信号引起无菌性炎症的发生[5-6]。NLRP3炎症小体由三个结构域组成:一个氨基末端嘧啶结构域、一个羧基末端富含亮氨酸重复序列结构域和一个中心的核苷酸结合寡聚化结构域。NLRP3被激活后,NLRP3蛋白招募接头蛋白凋亡相关微粒蛋白(apoptosis-associated speck-like protein containing CARD,ASC),后者招募pro-caspase-1,诱导其自切割和活化,从而诱导炎症相关细胞因子的成熟、分泌和细胞焦亡的发生[7]。NLRP3炎症小体的异常激活与多种疾病的发生有关,如糖尿病、动脉粥样硬化、代谢综合征、心血管和神经退行性疾病等[8]。

2 炎症小体在心衰中的作用

在心血管代谢疾病患者中,心肌炎症由模式识别受体(如Toll样受体4)介导的固有免疫细胞激活,而下游激活的NLRP3炎症小体和核因子κB(nuclear factor kappa-B,NF-κB)依赖性通路进一步刺激炎症的发生。慢性低度炎症逐渐改变心脏的代谢过程,形成代谢性心肌病表型,最终导致射血分数保留型心衰的发生[9]。而心肌梗死会引起心肌缺血和缺氧,导致剧烈的全身氧化应激反应,并产生大量活性氧,激活NLRP3炎症小体。无论是心脏的缺血性或非缺血性损伤都会诱导NLRP3炎症小体的激活。在多种心脏疾病(如心肌梗死、高血压、代谢疾病相关心脏病及药物导致的心脏毒性反应等)的急性或亚急性期,心肌细胞的直接损伤和(或)神经激素的激活都会促进NLRP3依赖性炎症和心室重构的发生,最终导致心衰[10]。心肌炎症和心室重构作为心衰的标志,与患者的预后息息相关[11]。

2.1 炎症小体在心肌炎症反应中的作用

炎症与心衰的发展互为因果,相辅相成。由心肌缺血或感染等因素引起的心肌细胞损伤是炎症引发心脏功能障碍的基础[12]。在急性心肌梗死时受伤的组织通过释放损伤相关分子模式信号来促进NLRP3炎症小体的激活。在炎症小体激活后,活化的caspase-1在急性心肌梗死中发挥双重效应。一方面促进细胞焦亡,引起梗死面积增大;另一方面促进细胞因子的释放,如IL-1β和IL-18,导致心脏收缩功能障碍[13]。另一项研究报道,在急性心肌梗死时的急性炎症反应中,IL-17A可诱导巨噬细胞浸润加剧和NLRP3炎症小体高度活化,同时巨噬细胞释放促炎症因子IL-1β,最终导致梗死面积增大和心脏功能下降[14]。

由多种微生物感染后引发的败血症会导致NLRP3炎症小体的激活,NLRP3介导无活性的pro-IL-1β转化为有活性的IL-1β,IL-1β与IL-1受体结合作用于心肌细胞,激活NF-κB,从而影响心肌细胞的收缩和舒张功能,导致脓毒性心肌病的发生,以及促炎症细胞因子在心脏中表达的进一步增加[15]。有研究发现,在脂多糖诱导的小鼠脓毒性心肌病模型中,干扰素基因刺激蛋白-干扰素调节因子3可以通过激活小鼠NLRP3炎症小体引起心肌炎症、心肌细胞凋亡和细胞焦亡的发生,从而促进脂多糖引起的心脏功能障碍[16]。在脂多糖刺激的H9c2细胞中,硫还原蛋白结合蛋白参与NLRP3炎症小体的激活[17]。

2.2 炎症小体在心室重构中的作用

研究表明,NLRP3炎症小体在心室重构期间被大量激活,并促进其进展[18]。心肌细胞中的炎症小体激活由β1-肾上腺素受体介导,而心肌成纤维细胞主要表达β2-肾上腺素受体;激活的炎症小体诱导心肌细胞中pro-IL-18的裂解和激活。IL-18刺激心肌成纤维细胞产生单核细胞趋化蛋白-1,这进一步导致巨噬细胞浸润,引起更多的趋化因子产生和炎症级联反应的激活[19]。而炎症小体激活在心肌成纤维细胞中的作用也得到了广泛研究,有研究发现心肌成纤维细胞中的炎症小体被活性氧和钾外流激活,从而产生IL-1β和心脏炎症[20]。因此,心脏细胞中的炎症小体激活后可能会在病理条件下引发心脏炎症,然后心脏中不同类型的细胞共同作用促进心室重构和心衰的发生发展[21]。

当心脏负荷过重时,心肌细胞中钙/钙调素蛋白依赖的蛋白激酶ⅡD(calcium-calmodulin dependent protein kinase Ⅱ delta,CaMKⅡδ)信号在炎症小体参与心室重构中发挥着重要作用[22]。有研究发现,心肌细胞内CaMKⅡ内源性抑制剂缺失可以增强心肌梗死后NLRP3炎症小体的激活,从而促进炎症放大,加剧心室重构[23]。除此之外,最近研究显示NLRP3炎症小体的激活参与糖尿病糖脂质代谢紊乱引起的氧化应激/炎症相关心室重构以及心室功能障碍[24]。

3 炎症小体致心衰的表观遗传学机制

生物学过程可以通过基因遗传和表观遗传机制来实现调控。表观遗传调节通常定义为一种可以产生基因表达潜在可遗传变化,而不涉及DNA序列改变的机制。这些基因表达潜在可遗传变化可以通过至少三种主要机制来实现,包括DNA甲基化、组蛋白翻译后修饰和非编码RNA表达[25]。DNA甲基化、组蛋白翻译后修饰和基于非编码RNA的调节对炎症小体的活性发挥了重要的表观调控作用,而表观调控的失调可能导致炎症小体相关疾病的发生发展[26]。

3.1 DNA甲基化调控的机制

接头蛋白ASC是炎症小体的重要组成部分,其基因表达由表观遗传修饰调控,这可能是炎症小体参与心衰发展的潜在机制[27]。ASC的基因表达由外显子1启动子区域CpG岛的DNA甲基化进行表观遗传调控[28]。ASC基因CpG岛的高甲基化会导致基因沉默和凋亡抑制[29]。已证明抑制ASC表达可以减少IL-1β的激活,并可能抑制炎症小体介导的炎症[30]。有研究表明,ASC基因CpG岛DNA甲基化程度与心衰患者射血分数呈正相关[27],也可能与心衰患者的有氧能力有关[31]。

3.2 组蛋白翻译后修饰调控的机制

组蛋白是和DNA共同组成核小体(染色质的基本单位)结构的蛋白质,是发生在多种氨基酸残基N端尾部的蛋白翻译后修饰的底物,其可发生磷酸化、乙酰化、甲基化、类泛素化、泛素化、生物素化和最近发现的血清素化等[32]。组蛋白去乙酰化酶6(histone deacetylase 6,HDAC6)是一种Ⅱb类去乙酰化酶,它具有两个去乙酰化结构功能域和一个泛素结合锌指结构域[33]。由于其独特的结构,HDAC6可以调节各种生理过程,这其中包括NLRP3炎症小体。在NLRP3炎症小体的启动中,HDAC6促进NF-κB的激活以加快NLRP3、pro-IL-1β和pro-IL-18的转录。此外,HDAC6在NLRP3炎症小体的蛋白翻译后修饰中同时发挥着负性和正性的作用。一方面,HDAC6可以直接与泛素化后的NLRP3蛋白相互作用,以阻止NLRP3炎症小体的激活。另一方面,HDAC6作为动力蛋白接头蛋白,以一种聚集小体样的方式,促进NLRP3炎症小体的逆向转运激活。最后,NLRP3炎症小体释放有活性的caspase-1,促进pro-IL-1β/IL-18向IL-1β/IL-18转变,并裂解Gasdermin D(GSDMD)来诱导细胞焦亡[34]。最新研究发现蛋白质精氨酸甲基转移酶5(PRMT5)通过NF-κB/NLRP3促进脑缺血/再灌注的炎症和细胞焦亡过程[35],但组蛋白甲基化对炎症小体在心衰过程的表观调控仍有待进一步的探讨。

3.3 非编码RNA调控的机制

约99%的人类基因组不参与编码蛋白质,但具有转录活性,其为广泛的非编码RNA,具有重要的调控和结构功能。非编码RNA已被确定为心血管危险因素和细胞功能的关键调节因子,为心血管疾病的诊断和治疗提供了一个新思路[36]。非编码RNA可以分为转运RNA、核糖体RNA、微小RNA(microRNA,miRNA)、小干扰RNA、长链非编码RNA(long non-coding RNA,lncRNA)和环状RNA(circular RNA,circRNA)等。其中,miRNA、lncRNA和circRNA对炎症小体表观调控的研究最为广泛。

3.3.1 miRNA miRNA在心衰的发生发展过程中发挥着重要的调控作用。由于miR-129-5p表达水平与临床心衰程度成反比,所以认为是诊断心衰的生物标志物[37]。作为心衰的生物标志物,miR-129-5p在心肌缺血/再灌注期间异常表达。有研究发现,转化受体电位阳离子通道亚家族M成员7(transient receptor potential cation channel subfamily M,member 7,TRPM7)是miR-129-5p的作用靶点,并且受miR-129-5p的负性调控。通过体外缺氧/复氧模型,诱导H9c2细胞中NLRP3炎症小体的激活,miR-129-5p模拟物可部分抵消缺氧/复氧诱导的NLRP3、ASC和caspase-1的上调,并且抑制暴露于缺氧/复氧条件下的H9c2细胞caspase-1活性的升高。而当TRPM7过度表达时,这一效应又被抵消。这些结果表明,miR-129-5p可以通过靶向作用于TRPM7和抑制NLRP3炎症小体的激活,对缺氧/复氧诱导损伤的H9c2细胞产生保护作用[38]。在正常大鼠、心衰和心衰相关室性心律失常大鼠中,lncRNA SOX2重叠转录本(SOX2-overlapping transcripts,SOX2-OT)的表达和NLRP3炎症小体的水平逐渐增加。miR-2355-3p可以结合SOX2-OT以及NLRP3炎症小体的3′未翻译区域。而沉默SOX2-OT的表达则抑制了NLRP3、ASC、caspase-1、IL-1β和转化生长因子β1(transforming growth factor beta 1,TGF-β1)的表达和活性氧的产生,降低了心衰相关室性心律失常大鼠心肌细胞坏死和纤维化程度,从而缓解心脏功能障碍[39]。

Zuo等[40]发现,miR-330-5p/T淋巴细胞免疫球蛋白黏蛋白3(T cell immunoglobulin and mucin domain-containing protein 3,TIM3)轴参与NLRP3炎症小体介导的心肌炎症。miR-330-5p通过直接结合TIM3 3′未翻译区域中的目标位点抑制TIM3的表达,从而抑制NLRP3炎症小体信号通路的激活,改善心肌缺血/再灌注损伤和炎症过程。自身免疫性心肌炎是扩张性心肌病和心衰的病因之一。一项动物实验观察到miR-223-3p在实验性自身免疫性心肌炎小鼠血清中的表达明显低于正常小鼠,使用miR-223-3p高表达的树突状细胞输注治疗后,小鼠心肌组织中的炎症浸润得到显著缓解,心脏功能也得到改善。此外,研究进一步发现miR-223-3p可以与NLRP3的3′未翻译区域结合,靶向作用于NLRP3。miR-223-3p类似物除抑制IL-1β的分泌外,还抑制NLRP3、caspase-1在细胞中的表达。但在使用miR-223-3p抑制剂转染后,NLRP3、caspase-1和IL-1β的表达水平显著提高[41]。IL-1家族与多种纤维化疾病发生发展相关,IL-1β轴与心脏纤维化相关,其是病理重塑和心衰进展的标志[42]。而miRNA对NLRP3炎症小体的表观调控,影响IL-1β的表达,导致心衰的进展。

3.3.2 LncRNA 除miRNA外,lncRNA在心衰发生中也起重要作用。LncRNA是基因表达的新调节剂,它们可以作为内源性竞争RNA或海绵,以减少靶向miRNA的功能可用性[43]。LncRNA肺腺癌转移相关转录本1(metastasis-associated lung adenocarcinoma transcript 1,MALAT1)是参与糖尿病心肌病发病机制最知名的lncRNA之一,研究发现石榴皮提取物可以减少糖尿病心肌病大鼠心脏组织中MALAT1的表达而抑制NLRP3/caspase-1/IL-1β信号通路,发挥抗炎、抗纤维化的作用,从而保护心脏[44]。Che等[45]发现MALAT1起到内源性竞争RNA的作用,可以降低miR-141水平。MALAT1过度表达时,通过调节miR-141的表达,进一步加强经高糖处理的心肌成纤维细胞中NLRP3炎症小体的活性和TGF-β1/Smads信号,促进心脏纤维化的发展。而褪黑素可以通过抑制MALAT1/miR-141介导的NLRP3炎症小体激活和下调TGF-β1/Smads信号产生抗纤维化作用。在糖尿病心肌病小鼠的心肌组织中,lncRNA生长阻滞特异性转录本5(growth arrest specific transcript 5,GAS5)的表达显著下降,同时NLRP3、caspase-1、pro-caspase-1、IL-1β和IL-18的表达增多。LncRNA GAS5过度表达可以抑制NLRP3、caspase-1、pro-caspase-1、IL-1β和IL-18的表达,从而抑制糖尿病心肌病中NLRP3炎症小体激活介导的细胞焦亡过程,改善糖尿病心肌病小鼠的心脏功能障碍和心肌肥厚[46]。

3.3.3 circRNA Bian等[47]在小鼠缺血和缺氧心肌细胞中,观察到NLRP3炎症小体的激活,主要表现为NLRP3、caspase-1等表达和IL-1β释放的增加,同时还伴有circHelz表达的上调。circHelz高表达时,miR-133a-3p表达明显减少。而沉默circHelz可以减少小鼠心肌梗死面积,减轻心脏收缩功能的损伤。因此circHelz通过降低miR-133a-3p的活性和表达水平,激活NLRP3炎症小体,诱导心肌促炎症反应和心肌细胞焦亡,加剧小鼠心梗后心脏功能障碍。与circHelz作用相反的是,circ003593可以灭活NLRP3复合物,并且与心肌细胞增殖和凋亡有关[48]。虽然其机制有待进一步研究,但可能为缺血性心肌病带来的心脏功能障碍提供一个新的研究方向。

4 小结

近年来,心衰的发病率和死亡率逐渐上升,其不良预后给患者及医疗卫生行业带来了严重的负担。目前已有多项研究发现炎症小体对心衰的发生有重要影响,而表观遗传学在炎症小体参与心衰发生过程中起着重要调控作用。针对表观遗传调节因子的生物疗法已被认为是治疗炎症相关疾病重要且有效的临床方法,虽然肿瘤治疗是当前临床表观遗传学应用的重点,但在癌症以外的其他医学领域(如自身免疫性疾病、心血管疾病等)也正在进行大量临床试验和临床前研究。因此,对炎症小体和表观遗传调控的研究不仅可开拓心衰发病机制研究的新方向,而且可能为心衰的治疗提供新的潜在靶点。