组蛋白去乙酰化酶与炎症性疾病

蒋佳文 李善高

表观遗传学是指基于非基因序列改变所致基因表达水平变化，如DNA 修饰、组蛋白修饰、非编码RNA 调控等。组蛋白乙酰化是目前研究最广泛和深入的表观遗传修饰之一，指在组蛋白氨基端尾部ε 位处的氨基加上乙酰基的可逆过程。该过程主要由组蛋白去乙酰化酶（histone deacetylase，HDAC）和组蛋白乙酰转移酶（histone acetyltransferase，HAT）进行调控，调节失衡便会引起基因表达紊乱，导致炎症性疾病、自身免疫性疾病、恶性肿瘤等发生。过去的研究致力于HDAC 与恶性肿瘤的关系[1]，目前已发现HDAC 在多种炎症性疾病中发挥作用。随着研究深入，组蛋白去乙酰化酶抑制剂（histone deacetylase inhibitor，HDACi）也成为抗炎药物研究的新热点[2]。本文就HDAC 在炎症性疾病中的研究进展及潜在治疗靶点作一综述。

1 HDAC 的基本结构与功能

组蛋白是染色体的主要蛋白质组分，多数真核细胞含有5 种组蛋白：H1、H2A、H2B、H3 和H4。组蛋白作为DNA 缠绕的线轴，和DNA 共同组成核小体结构并形成染色质。HDAC 是一类去除赖氨酸残基上乙酰基的蛋白酶，当HDAC 去除组蛋白赖氨酸中的乙酰基后，组蛋白便恢复成原来的正电荷，与带负电荷的DNA 紧密结合，转录因子难以接近启动子，从而抑制了特定基因转录。炎症细胞的激活及炎症介质的释放是通过炎症基因的调控实现的，因此组蛋白乙酰化和组蛋白去乙酰化是炎症基因调控的“开关”。HDAC不仅参与转录翻译修饰，还参与了多种细胞信号通路的调控，直接或间接地影响疾病的发生发展。目前哺乳动物中发现多种HDAC，根据进化和序列同源性分析分为四大类：Ⅰ类HDAC（HDAC1、2、3、8），Ⅱ类HDAC（HDAC4、5、6、7、9 和10），Ⅲ类即沉默交配型信息调节因子2 同源蛋白（silent mating type information regulation 2 homolog，Sirtuin/SIRT）和Ⅳ类（HD-AC11），不同的HDAC 通过各种方式在不同的炎症性疾病中发挥着促炎或抗炎的作用。

2 HDAC 与炎症性疾病

2.1 呼吸系统炎症

2.1.1 哮喘 哮喘是一种由多种炎性细胞和细胞组分参与的以气道慢性炎症为特征的疾病，这种炎症会导致反复喘息气急、咳嗽、胸闷等症状[3]。哮喘的病理生理基础之一是产生2 型细胞因子即Th2 的CD4+T 细胞的异常累积、分化及活化，组蛋白H3 第27 位赖氨酸乙酰化修饰（histone 3 lysine 18 acetylation，H3K27ac）对于祖细胞CD4+T 细胞成熟为Th2细胞至关重要[4]，证明组蛋白乙酰化是调节炎症基因转录的关键因素。哮喘患者HDAC 活性的降低及HAT 活性的增加是其多种炎症基因表达的基础。研究表明与正常人相比，哮喘患者HDAC1 和HDAC2 蛋白表达降低，且HAT 活性增加，而吸入皮质类固醇治疗可逆转这种情况[5]。HDAC1 有助于气道上皮的修复和重塑，HDAC1 被抑制后上皮细胞停止生长，研究表明轻中度哮喘患者肺泡巨噬细胞中的HDAC1 表达较正常人降低，而在重度哮喘患者中表达升高，这可能是区分重度哮喘和非重度哮喘的生物标志物[6-7]。此外，有研究表明哮喘患者的肺泡巨噬细胞中HDAC 表达降低，而在外周血单核细胞中并未发现HDAC 表达的差异[8]，证明HDAC 表达异常仅发生于炎症部位。除了表达水平的差异外，还有研究发现HDAC1 和HDAC2 具有单核苷酸多态性（single nucleotide polymorphism，SNP），HDAC1 其中一种SNP 与哮喘的严重程度以及对皮质类固醇治疗的敏感性呈显著相关[9]。

2.1.2 慢性阻塞性肺疾病（chronic obstructive pulmonary disease，COPD） COPD 是一种以持续气流受限为特征的慢性支气管炎和（或）肺气肿。正常吸烟者存在轻微的炎症反应，这是呼吸道黏膜对吸入刺激物的正常防御反应，而随着COPD 疾病进展，这种炎症反应被显著放大。氧化应激是一种重要的放大机制，通过损害HDAC2 的活性来增加炎症基因表达，研究表明严重COPD 患者HDAC2 的表达水平不到健康人群肺组织的5%[10]。此外，COPD 患者HDAC5、HDAC8 及SIRT1的表达水平降低，HDAC1、3、4、6、7 的表达水平不变[5]。在1 项对25 例COPD 患者和30 名健康人群的痰液和肺组织标本进行的研究中，发现激活HDAC2 通过抑制气道炎症并调节成纤维细胞的活化来阻止气道重塑的进展，即HDAC2 具有保护气道的作用[11]。Bin 等[12]研究发现肺组织中HDAC2 的表达水平是预测糖皮质激素敏感性的潜在生物标志物。低剂量茶碱可通过恢复HDAC2 活性来缓解COPD 中的激素无反应型[13]，这为新的药物开发靶点提供思路。

2.2 心血管疾病相关炎症

2.2.1 动脉粥样硬化（atherosclerosis，AS） AS 是一种由脂质异常累积、多因子细胞炎症、血管反应性生长和纤维包膜形成引起的动脉慢性进行性疾病。内皮功能障碍可增加血管通透性、促进内皮细胞迁移及增殖，被认为是AS 的触发因素。SIRT1 通过抗炎、激活一氧化碳合酶（nitric oxide synthases，NOS），对抗氧化还原状态来改善内皮功能，而SIRT6 通过降低NF-κB转录活性，下调与炎症相关基因的表达来改善内皮炎症[14]。因此SIRT1 和SIRT6 可作为炎症性血管疾病的药理学靶点。研究表明，经典HDAC 可通过调节激素介导的信号通路和代谢核受体，调节参与生物合成和氧化代谢的相关限速酶基因的表达，从而影响血糖和血脂水平，促进AS 的进展[15]。此外，HDAC 还可影响单核细胞的招募和分化，影响平滑肌细胞摄取LDL 形成泡沫细胞，调节胶原合成影响斑块稳定性等，在AS形成的多个阶段中发挥广泛的作用。一旦血栓形成或斑块破裂，就会发生各种主要不良心血管事件，而HDAC 可调节AS 发生过程中的大多数危险因素，因此HDAC 可作为未来AS 治疗的新靶点。

2.2.2 缺血性心肌病 在心肌梗死恢复过程中，受损组织的过度炎症及纤维化会导致缺血性心肌病及各种心律失常。因此，控制心肌梗死后的局部炎症可有效改善预后，降低并发症的发生率。目前关于HDAC如何参与心肌梗死后炎症的发展仍知之甚少，但有研究表明HDACi 可有效改善心肌梗死的预后，例如制作小鼠离体心脏模型并对其行HDACi 灌注预处理后可显著改善缺血后心室功能恢复，减少梗死面积[16]。大多数HDACi 是通过抑制炎症、新生血管形成，促进能量代谢的方式起保护心脏的作用。

2.3 关节炎症

2.3.1 类风湿性关节炎（rheumatoid arthritis，RA） RA是一种以滑膜关节炎症为特征的慢性炎症性自身免疫性疾病。与正常人群和骨关节炎患者相比，RA 患者滑膜组织中HDAC1 的表达显著增加，且与TNF-α表达呈正相关[17]。用TNF-α 刺激滑膜细胞，HDAC 的表达及活性将明显增加，表明滑膜HDAC 表达及活性的变化可能继发于局部炎症状态[18]。敲低HDAC1 基因表达可减轻滑膜炎症，并抑制滑膜细胞增生、促进凋亡，这些结果支持HDAC1 可能通过调节滑膜组织的细胞周期参与RA 发病的观点，为RA 治疗新靶点提供思路[19]。此外，RA 患者SIRT1～7 的表达低于正常人，且SIRT 的活性与ESR、CRP、类风湿因子、抗环瓜氨酸多肽抗体等临床指标呈负相关[20]，其能否成为治疗RA的新靶点有待进一步探究。

2.3.2 骨关节炎（osteoarthritis，OA） OA 是一种以软骨破坏、软骨下骨改变为特征的慢性退行性关节疾病，软骨细胞外基质代谢紊乱是导致其病理改变的关键因素[21]。研究表明，Ⅰ类HDAC（HDAC1、2、3、8）在OA 患者软骨细胞中高表达，并可抑制胶原蛋白、皮肤桥蛋白及软骨寡聚基质蛋白等软骨特异性基因表达，从而抑制软骨形成，加速关节退变[22]。miRNA 是小的非编码RNA，起转录后调控作用。研究表明，miRNA和HDAC 在软骨的形成与降解中起重要作用，如miR-95-5p 抑制HDAC2 和HDAC8 表达促进软骨发育和软骨基质合成，miR-193b-3p 抑制HDAC3 表达促进间充质干细胞分化为软骨[23-24]。关节软骨中过度激活的雷帕霉素复合物通过下调HDAC4 促进miR-483-5p 生成，以刺激软骨细胞肥大、软骨下血管形成、细胞外基质降解，进而启动和加速OA 发展[25]。此外，HDAC7 能抑制软骨组织再生，HDAC10 可刺激炎症因子释放来加速OA 发展，SIRT 可促进软骨特异性基因表达、抑制关节软骨退变[26]。由此可见OA 的发生、发展与HDAC家族关系密切，基于对HDAC 作用机制的研究，多种HDACi 在OA 治疗的研发上取得了进一步的突破。

2.4 皮肤炎症

2.4.1 过敏性皮炎 过敏性皮炎是由于接触过敏性抗原引起的皮肤红肿、发痒、风团、蜕皮等皮肤病症。皮肤表面的微生物群落对于皮肤炎症的调节具有重要作用。研究发现皮脂细胞中痤疮丙酸杆菌通过抑制HDAC 活性，耗竭HDAC8 和HDAC9 来驱动炎症基因表达[27]。接触超敏反应是一种CD8+T 细胞介导的对表皮致敏半抗原的反应，HDAC6 通过活化CD8+T 细胞引起皮肤炎症，相应的，特异性的HDAC6 抑制剂通过损害CD8+T 细胞功能来改善过敏性皮炎的疾病进展[28]。因此，HDAC6 可成为治疗其他CD8+T细胞介导疾病的新靶点，如移植物抗宿主病、白癜风、斑秃等。

2.4.2 银屑病 银屑病是一种以角质细胞过度繁殖、表皮炎症和新生血管为特征的慢性炎症性皮肤病。HDAC1 在银屑病患者皮肤中过表达[29]，且炎症刺激诱导HDAC3 易位到细胞核，荜茇酰胺可通过下调皮肤组织HDAC1 表达、抑制HDAC3 核转位有效抑制炎症NF-κB 信号通路传导，具有显著的抗炎和抗过度增殖作用[30]。此外，丝聚蛋白（filaggrin，FLG）是皮肤屏障必需的结构蛋白，在慢性炎症环境中下调，导致屏障破坏。Ahn 等[31]研究发现炎症因子通过促进角质形成细胞招募HDAC1，并形成复合物来抑制FLG 表达，未来可设计针对该复合物的药物，以恢复慢性皮肤炎症中受损的皮肤屏障。

2.5 慢性乙型肝炎（chronic hepatitis B，CHB） CHB是乙型肝炎病毒感染导致的以肝脏炎症坏死病变为主的传染性疾病，抗病毒是目前治疗CHB 的有效方法，但由于停药后病毒复发及其他不良反应等因素，迫切需要阐明CHB 的发病机制，探索新的治疗方法。Yang 等[32]发现HBV 感染肝细胞后在细胞核中转化为共价闭合环状DNA 分子（covalently closed circular DNA，cccDNA），cccDNA 与组蛋白/非组蛋白结合，成为病毒mRNA 转录的模板，而其结合的组蛋白乙酰化状态调节HBV 复制。已有研究表明，组蛋白乙酰化激活基因转录，而去乙酰化抑制基因转录，因此组蛋白乙酰化可能通过增加炎症基因表达水平促进CHB 进展[33]。Zhang 等[34]发现CHB 患者血清中HDAC 活性与HBV DNA 含量呈正相关，且抗病毒治疗24 周后HDAC2、HDAC6 及组蛋白乙酰化表达降低，表明HDAC 通过调节组蛋白乙酰化参与HBV DNA 复制过程。此外，miRNA-548ah 可通过抑制HDAC4 基因表达影响与cccDNA 结合的组蛋白乙酰化状态，进而促进HBV 复制[35]。HDAC11 在体内外均表现出显著的抗HBV 效果，且在体内应用无明显毒性[36]。这为HDAC的临床应用及药物研发提供新的参考。

2.6 神经炎症 神经炎症是各种神经疾病病理学的关键因素，如脑损伤、抑郁症、神经退行性疾病等。小胶质细胞和星形胶质细胞是大脑炎症的主要效应细胞，HDAC 在这些细胞中高表达[37]。在脑损伤和神经退行性疾病中，小胶质细胞过表达HDAC1 和HDAC2，促进小胶质细胞向促炎表型极化，激活NF-κB 信号通路，释放大量炎症因子并引起神经损伤[38]。HDAC5 可抑制前扣带回皮质肝脏X 受体β 表达，通过抑制NFκB 的核转位、降低前扣带回中丝裂原活化蛋白激酶（mitogen-activated protein kinase，MAPK）的磷酸化，来发挥抑制神经炎症、减少慢性炎症疼痛的作用[39]。麦汉滔等[40]研究发现HDAC9 在缺血性脑卒中的小鼠大脑中高度表达并引起神经损伤，这可能与HDAC9 促进NF-κB 信号通路和MAPK 信号通路有关。而抑制HDAC9 表达可减轻炎症，使小鼠缺血再灌注损伤后梗死面积减小，改善神经功能[41]。此外，敲除小胶质细胞HDAC3 基因可通过调节环磷酸鸟苷-腺苷酸合成酶-干扰素刺激基因信号通路，减轻缺血再灌注诱导的神经炎症和脑损伤[42]，这为开发缺血性卒中新的治疗策略提供思路。

3 相关抗炎药物研究进展

抑制HDAC 活性除了产生抗肿瘤的作用外[1]，还可以诱导炎症细胞凋亡、阻滞炎症细胞周期，具有良好的抗炎效果[2]，因此HDACi 成为目前抗炎药物研究的新热点。迄今已有大量HDACi 被开发，根据它们与锌离子结合基团的不同分为6 种类型，目前已证实多种HDACi 在炎症性疾病动物模型中发挥抗炎效果。例如，曲古柳菌素（trichostatin A，TSA）是第一个被发现有HDACi 性质的天然活性物质，可抑制Ⅰ、Ⅱa 类HDAC 活性，在刀豆素A 诱导的小鼠急性肝炎模型中，长期给予TSA 可通过减少促炎因子产生、抑制肝脏T细胞介导的免疫反应来发挥抗炎作用[43]。除了上述广谱HDACi 外，还发现一些对HDAC 亚型具有高选择性的化合物，关于这些化合物的设计研发、结构改造及药理活性已成为研究热点。例如，罗米地辛是一种紫色色杆菌发酵产物分离出来具有特异性的HDAC1、HDAC2 抑制剂，在脂多糖诱导的急性肾损伤小鼠模型中，罗米地辛通过调节组蛋白的乙酰化水平促进氧化损伤的修复从而保护肾脏[44]。随着越来越多HDAC 与炎症性疾病相关性的揭示，HDACi 在抗炎方面具有良好的研究空间和应用前景。但该领域仍面临诸多问题，如尚未明确HDACi 在人体内的抗炎效果及工作方式、需要更多证据证明药物的长期安全性等。

此外，一些临床常见药物也可通过调控HDAC 活性治疗炎症性疾病。羧甲司坦作为临床常用的祛痰药，在大鼠COPD 模型中通过上调HDAC2 活性，改善氧化应激引起的糖皮质激素抵抗现象。丙戊酸钠属于广谱HDACi，临床上常用于治疗癫痫。在自身免疫性脑脊髓炎大鼠模型中，丙戊酸钠通过抑制NF-κB 信号通路，降低TNF-α、IL-1β、IL-17 表达水平，下调视神经分化抗原簇分子11b 表达，从而显著减轻视神经炎症[45]。

4 结语与展望

HDAC 作为一种乙酰化修饰染色体结构并调控基因表达的蛋白酶，通过转录翻译修饰及调控多种信号通路在炎症性疾病中扮演重要的角色。但现有研究主要集中在呼吸系统疾病、心血管疾病、神经系统疾病等，在消化系统、泌尿系统疾病中的作用有待进一步探索。HDAC 在炎症性疾病中作用机制的不断深入研究，推动了高选择性HDACi 开发的进程。同时，随着HDACi 在多种炎症性疾病动物模型中展现出治疗潜力，选择性HDACi 因其特异性强及副作用少的优点受到关注。本文总结了HDAC 在多种疾病中作用的分子机制及研究进展，为研发高活性、强针对性和高成药性的HDACi 提供理论指导和靶点借鉴。相信随着药理学、分子生物学等研究的深入，HDACi 有望步入临床，为哮喘、关节炎、过敏性皮炎等炎症性疾病的治疗提供更多方案。