端粒及端粒酶逆转录酶基因与慢性阻塞性肺疾病相关性的研究进展

武颖颖,孔维香

(1.济宁医学院 临床医学院,山东 济宁 272000;2.济宁市第一人民医院 临床药学科,山东 济宁 272000)

慢性阻塞性肺疾病(chronic obstructive pulmonary disease,COPD)是由于气道异常和(或)肺泡异常导致的持续性(常为进展性)气流阻塞,是一种异质性的肺部状态,以慢性呼吸道症状为特征。通常由长期暴露于有害颗粒或气体所引起[1]。除暴露因素外,个体宿主易感性也会导致COPD的发生,包括基因异常、肺发育异常和加速衰老等。全球≥40岁人群中COPD的患病率达9%～10%[2]。我国COPD监测资料显示,随年龄增加COPD的患病率呈明显递增趋势[3],预计到2030年COPD将成为全球人口发病和死亡的第三大原因[4]。COPD是全球性的公共卫生问题,给人类带来了沉重的经济和社会负担。大量研究表明,与衰老相关的端粒缩短、端粒酶逆转录酶(telomerase reverse transcriptase,TERT)基因变异增加了COPD患者的易感性。本文通过对端粒及TERT基因与COPD相关性的研究进展进行综述,旨在为临床提供依据。

1 端粒

端粒位于真核细胞线性染色体的末端,含有一段1～5 kb(TTAGGG)高度保守的重复序列,在保护染色体的稳定性和维持细胞活性中起重要作用[5]。在大部分体细胞中端粒随着细胞周期的增加而逐渐缩短。为了弥补因端粒缩短所导致的细胞衰老,端粒酶可将重复序列添加到染色体末端。但端粒酶并不能完全跟上端粒的丢失,当端粒缩短达到临界长度时,会激活持续性DNA损伤反应,诱导细胞衰老或凋亡[6]。衰老细胞的积累被认为在衰老和衰老相关疾病中发挥重要作用,通过衰老相关分泌表型损害组织再生和诱导慢性炎症[7]。端粒缩短是正常衰老的一个特征,但在以加速衰老为特征的肺疾病中更为明显。研究发现,白细胞端粒长度过早缩短与特发性肺纤维化(idiopathic pulmonary fibrosis,IPF)和COPD有关[8]。Zhang等[9]通过研究进一步证实,端粒缩短是发生IPF的原因。另有研究发现,儿童哮喘患者平均端粒长度比非哮喘患者短[10]。在重度吸烟者中,诊断前测量的短端粒长度与小细胞肺癌死亡风险增加相关[11]。目前,端粒缩短受常见及罕见遗传变异、遗传端粒长度的影响,可导致依赖于环境因素、共病条件和个体一般遗传背景的肺部疾病。

2 TERT基因

人类端粒酶包括人类端粒酶RNA、人类TERT和端粒相关蛋白。端粒酶RNA是端粒合成DNA的模板。TERT是端粒酶的催化亚基,是决定端粒长度的关键因素,能够有效维持端粒结构的完整性。人类TERT和端粒相关蛋白的相互作用对端粒酶的活性起着至关重要的作用[12]。TERT基因启动子区是影响TERT表达、端粒酶活性和端粒酶长度的调控元件[13]。通过获得TERT基因启动子中的非编码突变上调TERT转录使端粒酶上调的机制存在于多种肺肿瘤类型中。有研究表明,TERT mRNA和蛋白质表达能够维持呼吸道相关上皮组织的完整性、促进肺泡巨噬细胞发挥其肺内“卫士”功能和维持机体的免疫功能。TERT基因的多样性与肺癌和包括COPD在内的肺衰老相关疾病密切相关。

3 端粒及TERT基因对COPD的影响

3.1端粒与COPD COPD相关的病理机制包括端粒磨损、表观遗传改变、营养感知改变、线粒体功能障碍、细胞衰老、干细胞衰竭和慢性炎症等。细胞衰老是COPD发生的重要驱动。哺乳动物雷帕霉素靶蛋白(mammalian target of rapamycin,mTOR)信号通路参与细胞代谢、存活和生长。细胞衰老与mTOR信号通路激活有关,能促进肺气肿、肺动脉高压和炎症的发展[14]。早期抑制衰老相关通路和消除衰老细胞可较好地预防肺纤维化[15]。端粒长度被认为是衰老的重要生物标志物之一,与COPD的发生、发展密切相关[16]。

3.1.1端粒与COPD发病机制 端粒长度缩短与暴露于氧化应激和炎症损伤的COPD患者的不良健康状况、急性加重及病死率增加有关。而端粒长度的增加与COPD患者较高的运动能力相关,与体力活动无关[17]。越来越多的证据表明,肺泡上皮细胞、肺血管内皮细胞、成纤维细胞、平滑肌细胞、支气管上皮细胞及白细胞的端粒缩短与COPD相关[8,18]。外周循环中端粒过度缩短可作为COPD患者加速衰老的标志[19]。遗传、环境及行为因素(吸烟、饮食、压力及空气污染等)都可影响白细胞端粒[20],且COPD已被证明与多种因素有关。参与COPD发病的氧化应激被证明可使端粒长度缩短[5],故抗氧化剂可能改善COPD患者症状,延缓衰老[21]。研究发现,COPD患者的动脉血氧分压(PaO2)与端粒长度密切相关[22],其可能原因为COPD加重期、睡眠时和活动期间的缺氧均会诱发细胞的氧化应激。慢性炎症在COPD的进展中发挥重要作用,而短端粒、端粒酶活性相关的细胞衰老在促进和维持COPD中的炎症起主要作用。此外,全身性炎症也能影响COPD患者的端粒长度。COPD患者呼吸道及血液中有高水平的炎症标记物,如白细胞介素(interleukin,IL)-6、IL-1β、IL-8、转化生长因子-β(transforming growth factor-β,TGF-β)。COPD患者端粒长度缩短与参与衰老和慢性炎症的IL-6水平呈负相关[23]。另外,60岁以上的男性吸烟和(或)戒烟COPD患者的端粒明显短于同一亚组中的女性[5],合并α-1抗胰蛋白酶缺乏症的COPD患者外周血白细胞的端粒中位长度比COPD患者长[24]。COPD与端粒长度相关研究结果的差异可能会受到端粒长度测量方法、个体差异及治疗干预的影响。

成人2型肺泡上皮细胞端粒功能障碍导致肺泡干细胞衰竭,引起肺功能异常、继发性炎症和对肺部毒性药物的灾难性反应。肺血管内皮细胞端粒功能障碍和衰老在COPD患者肺部炎症中发挥主要作用。端粒功能障碍也可独立于端粒缩短而诱导衰老。保护端粒不受DNA修复机制影响的屏蔽复合物的功能障碍可导致端粒功能障碍,导致细胞衰老,也在COPD的发病机制中发挥作用[25]。环境损伤和端粒功能障碍的相加效应被认为是易患肺气肿的原因之一。

3.1.2端粒与COPD预后 外周血端粒长度的表观遗传调节与COPD患者的病情加重和住院率增加相关,端粒长度是COPD患者不良预后的一个重要生物标志物[26],与严重气流受限、老年COPD患者肺功能恶化相关[27]。然而,有研究发现,端粒长度较短与肺功能下降和COPD风险增加有关,但上述关联在调整年龄和多变量后显著减弱[28]。端粒长度与肺功能间的关系仍有争议。一项前瞻性研究表明,随着时间的推移,端粒加速缩短与COPD患者更糟糕的肺泡气体交换功能、更严重的肺过度膨胀和肺外病变相关[22]。此外,端粒持续变短会增加患者全因死亡的风险。端粒磨损可能会导致由吸烟引起肺功能下降的风险增加[29]。有研究发现,尘埃区COPD患者端粒长度与疾病相关表型没有显著关联[30]。因此,仍需要更多的大规模研究,并长期随访,以论证端粒长度与COPD的关系。

3.2TERT基因与COPD 肺部疾病表型很大程度上取决于环境因素和个体遗传背景。因此,除了烟雾暴露外,遗传因素(主要为遗传性α-1抗胰蛋白酶缺乏症)对COPD患者的易感性也起着关键作用。与端粒相关的基因组突变所致的肺部疾病表型主要是不同形式的肺纤维化(最常见的是IPF[31]),也可表现为肺气肿,但肺血管疾病很少见。有研究表明,端粒酶的种系突变导致端粒缩短,并与COPD密切相关,与对照组小鼠相比,长期暴露于香烟烟雾中端粒较短的端粒酶缺陷(Tert-/-)小鼠肺气肿患病率更高[32]。另外,TERT基因的缺失及其单核苷酸多态性(single nucleotide polymorphisms,SNPs)也与COPD的临床结局有一定的相关性。端粒区域的组蛋白甲基化和人类TERT基因的去甲基化在维持异染色质结构、端粒转录沉默和端粒酶失活方面发挥着重要作用。因此,TERT基因的遗传变异在COPD的发生中起着复杂的作用,且TERT基因位点的交互作用可能比单个位点更重要。

3.2.1TERT基因突变、缺失与COPD 多项证据支持衰老生物标志物短端粒(可由TERT基因突变引起)参与COPD的发病。有研究纳入了292例重度COPD患者,发现其中3例携带有害的TERT基因突变(1%),这一患病率与该人群中记录的α-1抗胰蛋白酶缺乏症的患病率相当[33]。与其他COPD患者相比,患有肺气肿的TERT基因突变携带者的气道破坏倾向于肺尖,并与气胸风险增加相关。TERT基因突变患者的COPD似乎更为严重,且多为吸烟的女性。TERT基因突变会降低端粒酶的催化活性,导致突变载体端粒较短。因此,端粒酶的生殖系突变是COPD易感的孟德尔危险因子。但端粒相关基因突变的COPD患者的治疗效果尚未得到研究。TERT基因缺失在COPD发病过程中起重要作用。Chen等[34]通过敲除小鼠的端粒酶RNA或TERT基因证实,端粒酶成分缺乏会导致肺泡干细胞的复制性衰老、上皮损伤、肺泡囊形成和特征性炎症表型,使小鼠在香烟暴露后表现为肺气肿的风险增加。

3.2.2TERT基因SNPs与COPD 除端粒相关基因突变外,在没有突变情况下的短端粒和端粒相关基因的SNPs也可能与肺部疾病的发生有关。全基因组关联研究已经确定了COPD易感性的遗传标记主要是SNPs[35]。有研究报道,在居住在中国海南省的黎族患者和日本人群中TERT基因的SNPs与COPD风险增加有关[36-37]。短端粒风险相关的SNP rs61748181编码的一个TERT变体可导致端粒长度维持缺陷及端粒酶催化活性缺陷[38]。TERT基因是与肺功能下降和COPD发病机制相关的生物学上可能的候选基因。具有轻微催化缺陷的功能性TERT基因的SNPs仍然与COPD的临床表现有关。TERTrs2736100 SNPs与环境和生活方式因素(COPD病史、吸烟过多等)共同出现时,肺癌风险增加。TERT基因的多态性也与较高的肺纤维化合并肺气肿风险相关。另外,基质金属蛋白酶和晚期糖基化终产物特异性受体的基因多态性也与COPD相关[39]。

4 小结与展望

端粒和端粒酶相关的复杂遗传调控在COPD的发生发展中起着关键作用,并可能影响个体对COPD的易感性。在参与COPD发病的氧化应激及慢性炎症过程中均能发现端粒的缩短。COPD的发病机理及主要表现表明TERT基因的遗传调控与COPD的临床结局有一定的相关性。目前国内尚缺乏大量的相关研究,仍需大量大规模的基础实验以深入探索、论证研究。目前,COPD的治疗仅能够延缓疾病发展、降低并发症发生率,而不能完全治愈。如能证实端粒、端粒酶相关基因与COPD的因果关系,端粒系统则有望成为COPD早期诊断和基因干预治疗的新靶点,将COPD的治疗带入全新领域。