去甲基化酶JMJD3在肺部疾病发病中的作用研究进展

全慧 陈莎

组蛋白的共价修饰包括乙酰化、甲基化在基因表达调控上起着重要的作用。组蛋白H3的N端赖氨酸(Lysine,K)修饰最为多样和重要,K4(代表4位赖氨酸)、K9和K27等为甲基化修饰位点,而K9、K14和K27等为乙酰化修饰位点。组蛋白乙酰化修饰拥有基因激活效应,而甲基化修饰则存在位点差异[1]。甲基化的赖氨酸的残基以及甲基化的状态(单甲基化、二甲基化、三甲基化)能够促进或者抑制基因的转录[2]。甲基转移酶和去甲基化酶动态调控组蛋白甲基化。H3K27甲基化是基因激活的重要表观遗传机制,目前已经鉴定出两种去甲基化酶:赖氨酸特异性去甲基化酶6A(Lysine-specific demethylase 6A,KDM6A)和含Jumonji结构域-3(jumonji domain-containing protein 3,JMJD3),也称为KDM6B(Lysine-specific demethylase 6B)[3]。JMJD3在胚胎发育、炎症、衰老、肿瘤等多种生物学过程中发挥着关键作用[4]。因JMJD3广泛调控参与分化、增殖、衰老、凋亡等基因,所以在对环境和细胞应激反应中作用显得尤为重要[5],而目前关于JMJD3在肺部疾病中的研究甚少。本文就JMJD3在肺部疾病中作用的研究进展作一综述,旨在为今后的研究工作奠定一定的理论基础。

一、JMJD3的结构与功能

JMJD家族成员的C端和N端都包含有一个转录因子家族Jumonji小的特征结构域,分别称为JmjC和JmjN。JmjC是JMJD 家族酶活性中心的组成之一,JmjN 结构域与转录调节相关,主要作用是核定位。在JMJD3的N端域有两种经典的核定位信号,能够通过与异源体融合增强H3K27me3的去甲基活性[6]。JMJD3是包含有JmjC的蛋白质家族成员,在进化中高度保守,定位于染色体17p13.1,编码一条包含有1682个氨基酸的多肽链,平均分子量176632 Da。Fe2+、O2和α-酮戊二酸的辅助下,JMJD3的JmjC结构域催化H3K27me3中赖氨酸残基的氨基发生羟基化修饰,而羟基化的赖氨酸残基自动脱下甲醛而形成去甲基化的赖氨酸残基[7-8]。

二、JMJD3在肺部疾病中的作用

1 JMJD3与肺发育

多种肺疾病的发生与肺早期发育分化不良有关,但是关于肺正常发育的分子机制至今还不完全清楚。Bonafiglia等[9]报道肺发育异常可出现继发性肺动脉高压,这也是婴儿支气管肺发育不良死亡的主要原因。JMJD3在内胚层分化开始通过去甲基化H3K27me3激活WNT3,在内胚层分化结束时激活Dickkopf相关蛋白1 (Dickkopf-related protein 1,DKK1),JMJD3的失活可以引起呼吸衰竭,导致围产期死亡。Li等[10]报道JMJD3全敲可导致与肺发育缺陷相关的围产期死亡,JMJD3缺乏时通过与转录因子Nkx2.1和表观蛋白质Brg1相互作用募集于SP-B的启动子下调SP-B的表达,从而影响肺的发育与功能。冯欢等[11]用HE 染色、PAS 染色和免疫组化方法检测E19.5 JMJD3 基因敲除胎鼠肺生长发育情况,发现纯合型敲除(JMJD3-/-)胚胎肺发育明显不良,支气管的纤毛上皮细胞和 Clara 细胞以及肺泡的Ⅰ型和Ⅱ型上皮细胞分化不良,并且肺上皮细胞的增殖指数要高于野生型和JMJD+/-组。以上研究结果表明JMJD3在胚胎发育过程中能促进肺的形成[12]。

2 JMJD3与肺癌

肺癌是最常见的恶性肿瘤之一,也是全球癌症致死的首位原因,占癌症致死总数的18%,严重威胁着人民的健康和生命[13]。田翠杰等[14]的研究结果表明JMJD3促进A549细胞增殖,降低G1期细胞数量和细胞衰老标记物p21mRNA表达,但对细胞迁移无明显作用。JMJD3过表达可诱导FOXO1在NSCLC细胞核内聚集,从而促进细胞凋亡。Zhang等[15]发现JMJD3通过激活上皮间充质转化(epithelial-mesenchymal transition,EMT)信号通路促进非小细胞肺癌(non-small cell lung cancer,NSCLC)细胞的侵袭性和迁移能力,同时,细胞因子TGF-β能够增强JMJD3对NSCLC细胞功能的影响。JMJD3过表达可诱导FOXO1在NSCLC细胞核内聚集,从而促进细胞凋亡[16]。同时,Lee等[17]报道JMJD3通过syntenin-TβR1复合体、Smad2/3的激活、肿瘤细胞的迁移和侵袭调控TGF-β诱导的EMT。肺原发性肉瘤样癌(primary sarcomatoid carcinoma,PSC)是一种罕见的非小细胞肺癌亚型,预后较差,缺乏诊断和预后的生物标志物。Li等[18]用免疫组化检测96例PSC病人JMJD3的表达情况,发现JMJD3的过表达与肿瘤的大小、pN分期和临床分期显著相关,并且通过单因素生存分析显示JMJD3阳性表达与患者生存期缩短显著相关。更为重要的是,多因素分析发现JMJD3是肺癌肉瘤样癌的独立预后因素,这提示JMJD3有望成为肺癌诊断及治疗的新型标志物,但是具体的分子调控机制仍需进一步探索。

3 JMJD3与急性肺损伤

急性肺损伤(ALI)/急性呼吸窘迫综合征(ARDS)以急性低氧性呼吸衰竭伴双侧胸部影像学浸润为特征,不能完全用心力衰竭或液体超负荷来解释[19]。其诱发因素包括肺炎、非肺源性败血症、外伤、胰腺炎、烧伤等引发了一系列失调的炎症反应和细胞因子激活[20]。JMJD3可以增强感染和伤口愈合中的促炎和抗炎反应。细菌毒素脂多糖(lipopolysaccharide,LPS)通过NF-κB信号通路降低JMJD3的表达,这表明内源性JMJD3可能进一步限制促炎细胞因子基因的表达[21]。Peng等[22]报道在LPS刺激后,小鼠肺组织和A549细胞中JMJD3的表达量显著提高。JMJD3缺失时以Nrf2依赖的方式通过抑制肺泡上皮细胞铁死亡改善LPS诱导的肺损伤。在急性肺损伤模型中,由于肺泡血管上皮屏障的破坏,巨噬细胞的数目显著增加,促进激活的巨噬细胞凋亡以此来减少激活的巨噬细胞,从而加速炎症的消退和缓解肺损伤。Gao等[23]发现JMJD3诱导的H3K27me3去甲基化上调ADORA2A的转录,通过抑制巨噬细胞凋亡加剧ALI的进展。肿瘤坏死因素(tumour necrosis factor-α,TNF-α)是一种由激活的巨噬细胞释放的炎症因子,ADORA2A通过抑制TNF-α,抑制巨噬细胞凋亡。C/EBP-β能够通过JMJD3诱导的H3K27me3去甲基化调控炎症反应,与巨噬细胞凋亡存在一定的关联性。此外,JMJD3上调ADORA2A 的表达主要是通过JMJD3-H3K27me3-C/EBPβ-ADORA2A信号通路来调节,JMJD3降低时可以缓解LPS对肺组织的损伤作用。JMJD3的抑制剂GSK-J1降低Toll-like receptor 4的表达,阻断下游NF-κB促炎信号通路,随后降低了LPS刺激的TNF-α、IL-1β、IL-6的上调[24]。因此JMJD3可能作为一种预防脓毒症引起肺损伤的新型候选药物。

4 JMJD3与肺动脉高压

肺动脉高压(pulmonary hypertension,PH)是指由多种异源性疾病(病因)和不同发病机制所致肺血管结构或功能改变,引起肺血管阻力和肺动脉压力升高的临床和病理生理综合征,继而发展成右心衰竭甚至死亡[25]。在PH中,肺血管重塑不仅是肺动脉壁中不同血管细胞的积累,而且也是毛细血管前动脉减少和血管周围炎性细胞浸润过度。已有研究证明,炎症是PH血管重塑的易感性和进展的关键作用因素。炎症介导的肺动脉血管的重塑削弱了血管的三个组成部分:内膜、中膜、外膜。炎症通路可能是目前除了批准的靶向治疗endothelin、nitric oxide/cyclic GMP和prostacyclin生物通路之外的一种新型PH特异性药物[26]。最近,有研究强调表观遗传修饰导致促炎反应通路、内皮功能障碍和PH的进展。越来越多的证据表明,表观机制比如DNA甲基化、组蛋白修饰、non-coding RNA调控内皮细胞的激活。甲基化和乙酰化是调控炎症和内皮细胞的最显著的组蛋白修饰[27]。Shao等[28]研究发现在野百合碱诱导的PH大鼠模型中,JMJD3蛋白的表达在重塑的肺动脉的三层细胞(内皮细胞、平滑肌细胞、成纤维细胞)是增加的。其中,内皮细胞中JMJD3的表达量增加是最明显的,尤其是部分或者完全闭塞的肺动脉。重塑的肺动脉中H3K27me3表达量相应的减少,有些细胞甚至完全不表达H3K27me3。JMJD3也能够在iPAH肺组织重塑的肺动脉中表达,尤其是内皮细胞和丛状病变部位。因此,JMJD3表达和H3K27组蛋白甲基化可能在iPAH发病中起重要作用。据此,我们推测,JMJD3在PH的发病中也起着关键的作用。

三、总结与展望

目前,JMJD3的研究工作已经进行十多年了,随着医学科研水平的发展与提高,JMJD3的表达与肺部疾病之间的关系正逐步得到验证。大量的研究已经表明,JMJD3在胚胎发育、肿瘤发生、炎症等过程中发挥着极其重要的作用,但是具体的调控机制及其下游的信号分子尚有待进一步阐明。JMJD3作为新的治疗靶向,能否为肺部疾病的早期诊断、治疗及预后监测提供新思路,需要更加深入的研究,期望JMJD3在临床方面的研究成为新的突破点,为疾病的诊断、靶向治疗以及预后提供更多的潜在靶点。