昼夜节律与肺部疾病关系的研究进展*

陈　骋 综述，洪志鹏 审校

(昆明医科大学第一附属医院胸外科，云南昆明 650032)



昼夜节律与肺部疾病关系的研究进展*

陈骋 综述，洪志鹏△审校

(昆明医科大学第一附属医院胸外科，云南昆明 650032)

[关键词]昼夜节律；肺纤维化；肺肿瘤；发病机制

昼夜节律普遍存在于各种生物体，参与许多生命活动。生活节奏的加快使人体昼夜节律的破坏日趋严重，随之产生各种严重疾病。近年来的多项研究发现昼夜节律与哮喘、肺癌等多种肺部疾病发生、发展相关。本文重点就昼夜节律与肺纤维化、肺肿瘤的关系进行综述。

1昼夜节律与机体功能

生物体的许多行为、生理、细胞及分子过程都呈现24 h的节律变化，直接或间接的受内部生物钟调控，使机体通过有效地参与和应对以适应内外环境的变化。昼夜节律受环境因素诱发并与其同步，但即便缺乏外部刺激，这些节律也依然存在。昼夜节律的基本分子机制就是生物钟基因及其蛋白产物构成的转录-翻译反馈回路。生物钟基因的这种负反馈循环构成人体内精确的内源性“分子钟”，在无外界信号影响时，以近于24 h的周期自激进行。细胞内高达10%的基因组，在RNA水平以昼夜协调的方式表达，且具有组织特异性[1]。昼夜生物钟调控细胞增殖、凋亡、DNA修复、代谢、解毒及DNA损伤反应等细胞过程[2]。生物钟基因的改变将可能干扰这种节律调控，引发自主性生物钟相位的改变[2]，导致以上细胞过程的异常，进而可能产生冠心病、抑郁症等多种疾病及肿瘤发生[1,3]。因此，昼夜节律紊乱可能是疾病发病机制的重要因素。

2昼夜节律与肺功能的关系

研究发现，在肺组织中，共有646个基因显示统计学意义的循环振荡[4]。其中，约65%基因表达峰值出现在啮齿类动物无活动及无进食的光照期，这点与其他外周组织明显不同；约26%基因表达峰值出现在黑暗期，其中绝大多数出现在黑暗早期[4]。另外，在肺组织中，许多生物钟相关基因及钟控转录因子基因的表达也显现昼夜节律样振荡[5]。在支气管及肺等所有呼吸道组织中，周期基因1(period 1,per1)、Per2、脑-骨骼肌ARNT样基因-1(brain and muscle ARNT-like-1,Bmal1)、钟基因(Clock)等核心生物钟基因及DNA结合蛋白基因等钟控基因的表达均呈现明显节律性[5]。此外，毒蕈碱乙酰胆碱受体基因2、4也以昼夜节律样方式表达，并且胆碱能神经刺激可以通过毒蕈碱乙酰胆碱受体3促进雪貂气管黏液分泌，该受体水平的昼夜提高可能会导致夜间黏液分泌的增多[6]。因此，有研究强烈认为气道黏膜下腺体黏蛋白的分泌过程受昼夜节律系统的调控，迷走神经可能是呼吸道昼夜时间信号从下丘脑视交叉上核(suprachiasmatic nucleus，SCN)主时钟到外周生物钟的主要传输路径；夜间黏液分泌增加可能是由于毒蕈碱受体表达增加及夜间迷走神经活性增强所致[5]。呼吸道外周昼夜节律振荡的存在也解释了有关大鼠脑部SCN损伤后氧气消耗速率和呼吸商值节律将消失的现象。乙酰胆碱神经传递的昼夜变化等研究结果扩展了学者们对于哮喘及呼吸道疾病病理生理的认识。肺通气功能、功能残气量、肺气道阻力、用力呼气量和呼气流速峰值等肺功能均被发现呈现规律的振荡性及明显的昼夜变化[7-8]。小鼠慢性时差后其肺组织生物钟基因的表达异常，肺功能也发生了明显改变[7]。有关肺功能及呼吸过程的人类研究也显示周期节律性[9-10]。在慢性阻塞性肺病(chronic obstructive pulmonary diseases，COPD)患者中，如第1秒用力呼气量、用力肺活量及最大呼气压等反映肺功能及呼吸肌功能的各项指数下午数值均明显低于早晨[10]。此外，肺上皮细胞可节律性控制肺组织内中性粒细胞的聚集，从而维持肺部抗感染的功能[9,11]。所以，肺组织生物钟基因表达的昼夜调控，是维持正常肺功能所必需的[7]，这种调控受干扰可能是肺部疾病的病因或影响因素[4,8]。

3昼夜节律与肺部疾病的关系

3.1肺部疾病的昼夜节律性表现许多呼吸道疾病症状的发作也和呼吸功能一样，与一天中某个特殊时段相关。哮喘患者中，嘶哑多于清晨发作，而气促、喘息、胸闷及黏膜分泌物增多等重要症状常于无活动的深夜时发生或加重；虽然其机制复杂，但推测支配呼吸的自主神经通过迷走神经在呼吸症状发作的昼夜管理方面发挥了重要作用[12]，夜间迷走神经的活性增加可能触发了这些病理生理活动。此外，急性肺损伤(acute lung injury,ALI)、COPD、肺动脉高压和肺癌等常见肺部疾病，其症状也显示昼夜节律样改变[12]，其机制可能是大量信号分子间平衡被异物、免疫、细胞周期调控受损及其他因素扰乱所致。

3.2昼夜节律与肺纤维化的关系研究发现，包括特发性肺纤维化、肺泡纤维化及COPD等多种慢性肺疾病都存在不同程度的肺组织纤维化。香烟烟雾可能是导致肺纤维化等多种肺部疾病的重要病因，其主要通过干扰肺功能或影响生物节律环路相关基因表达的调控而改变肺的正常生物节律，促进病变发展[13]。该结论可作为香烟烟雾导致的肺纤维化及肺肿瘤形成机制的重要补充。在各种肺纤维化病变的肺组织中，转录因子NF-E2相关因子2(nuclear factor erythroid 2-related factor，Nrf2)蛋白NRF2的表达变化及谷胱甘肽代谢提高了肺组织中蛋白质羰基水平，可能是包括特发性肺纤维化、肺泡纤维化及COPD等肺纤维化疾病的中心特征[14]。遗传变异或老化等所致的昼夜节律失调可能与NRF2介导的抗氧化防御节律活性相关，增加氧化损伤；并且，一旦肺纤维化发生，则无法恢复其表型。当前以降低肺纤维化疾病进展为主要目的的治疗方法常常无效[14]。机体对于氧化损伤及肺纤维化易感性的正性反应呈现每日节律性变异[15]。昼夜节律转录因子CLOCK及BMAL1是通过时间性调控Nrf2基因启动子的E盒子元件而正性调控Nrf2的转录；NRF2 蛋白以昼夜节律的方式累积并促进一系列涉及谷胱甘肽代谢的关键性抗氧化基因的昼夜节律性转录[14-15]。因此，有必要考虑生物钟对于肺纤维化治疗的作用机制，包括时控的给药管理。另外，肺泡纤维化、COPD、哮喘、ALI及肺炎等多种肺疾病，也都存在过度的、不可控的炎症及固有免疫反应。编码炎性分子的基因，包括趋化因子配体、肿瘤坏死因子配体超家族成员10及其他因子，在肺部的表达均呈现昼夜节律样震荡，这点表明分子生物钟能直接或间接的调控器官免疫反应[4,11]。并且，涉及异生物质代谢的基因，在肺组织中的表达也显示了类似振荡。异生物质主要通过呼吸过程进入机体，在黑暗及活动期更为明显；或者通过消化系统途径，该途径也主要发生在夜间啮齿类动物黑暗或活动期[4,11,16]。比如，在肺组织中，细胞色素P-450酶2a3的表达峰值位于黑暗早期，其参与多种空气源性致癌物及异生物质的代谢，包括香烟烟雾产生的化合物[4,16]。

3.3昼夜节律与肺肿瘤的关系在昼夜节律紊乱人群中，包括肺癌等多种肿瘤的发病率明显升高，比如长期昼夜班转换的女护士，其小细胞肺癌发生率明显高于昼夜节律正常者[17]。研究发现，在肺组织中共有271个基因不同程度的调控或参与不同类型肿瘤的发病机制，其表达显现节律振荡性，其中部分基因是肺癌的潜在治疗靶点及肿瘤生物标志[4]。因表观遗传改变导致的肿瘤抑制基因表达沉默是人类许多恶性肿瘤形成的一个早期事件，包括非小细胞肺癌(non-small cell lung cancer，NSCLC)[18-19]。Per1是调控昼夜节律的核心基因之一，其在正常肺组织中高表达，但在大量NSCLC患者标本及肺癌细胞系中却是低表达；NSCLC细胞系Per1强化表达可明显降低细胞生长，细胞单克隆生长性消失，细胞中Per1启动子的表观遗传沉默[20]。结果表明，Per1是肺组织中一种表观遗传沉默的肿瘤抑制因子，Per1启动子的超甲基化和乙酰化可能是NSCLC中Per1表达下调的潜在机制[20]。因此，昼夜节律的干扰在肺肿瘤的形成中具有重要作用。肿瘤患者体内的激素分泌常常呈现异常的昼夜节律性。研究发现，与健康对照组相比，肺癌患者的皮质醇分泌活性及昼夜节律性明显降低，其降低程度随病情进展而更明显，并与患者体质评分及肿瘤临床分期均密切相关[21]。因此，检测肺癌患者血液皮质醇分泌水平及昼夜节律性将可能有助于预测肺癌的预后。昼夜节律基因的表达还影响抗癌药物的代谢和疗效[22]。研究发现氨肽酶P，在肺血管组织中高表达，是组织特异性分布显影剂与治疗肺癌、肺纤维化及肺动脉高压等疾病药物的靶向生物标志[23]。另外，血小板源性生长因子受体β能介导抗癌药物的靶向分布，特别是提高对肿瘤间质细胞的有效性，同时降低药物系统性毒性[24]。这些蛋白的mRNA表达都显示了24 h的周期性振荡，给药时间可影响抗癌药物靶向的有效性，这已经被部分临床研究所证实[25]。因此，昼夜节律也用于指导肺肿瘤的治疗及相关新药的开发。

4结语

昼夜节律调控紊乱可能是肺纤维化、肺肿瘤等肺部疾病的病因或影响因素，节律基因在其发生、发展过程中具有明确作用。揭露昼夜节律与肺部疾病的相互关系将提高对其发生、发展过程中基因水平基础机制的理解，促进其治疗、药物时间药理学及肿瘤进展标志物等研究的进展。

参考文献

[1]Wood PA,Yang X,Hrushesky WJ.Clock genes and cancer[J].Integr Cancer Ther,2009,8(4):303-308.[2]Engelen E,Janssens RC,Yagita K,et al.Mammalian TIMELESS is involved in period determination and DNA damage-dependent phase advancing of the circadian clock[J].PLoS One,2013,8(2):e56623.

[3]Alibhai FJ,Tsimakouridze EV,Chinnappareddy N,et al.Short-term disruption of diurnal rhythms after murine myocardial infarction adversely affects long-term myocardial structure and function[J].Circ Res,2014,114(11):1713-1722.

[4]Siddharth S,William JJ,Debra CD,et al.Light-dark oscillations in the lung transcriptome:implications for lung homeostasis,repair,metabolism,disease,and drug action[J].J Appl Physiol,2011,110(4):1732-1747.

[5]Hideki B,Takeshi N,Gijsbertus TJ,et al.Vagal regulation of respiratory clocks in mice[J].J Neurosci,2007,27(16):4359-4365.

[6]Ramnarine SI,Haddad EB,Khawaja AM,et al.On muscarinic control of neurogenic mucus secretion in ferret trachea[J].J Physiol (Lond),1996,494(Pt2):577-586.

[7]Hadden H,Soldin SJ,Massaro D.Circadian disruption alters mouse lung clock gene expression and lung mechanics[J].J Appl Physiol,2012,113(3):385-392.

[8]Buchanan GF.Timing,sleep,and respiration in health and disease[J].Prog Mol Biol Transl sci,2013,119(7):191-219.

[9]Gibbs J,Ince L,Matthews L,et al.An epithelial circadian clock controls pulmonary inflammation and glucocorticoid action[J].Nat Med,2014,20(8):919-926. [10]Fregonezi G,Resqueti VR,Cury JL,et al.Diurnal variations in the parameters of pulmonary function and respiratory muscle strength in patients with COPD[J].J Bras Pneumol,2012,38(2):257-263.

[11]Thompson AA,Walmsley SR,Whyte MK.A local circadian clock calls time on lung inflammation[J].Nat Med,2014,20(8):809-811.

[12]Smolensky MH,Portaluppi F,Manfredini R,et al.Diurnal and twenty-four hour patterning of human diseases:Cardiac,vascular,and respiratory diseases,conditions,and syndromes[J].Sleep Med Rev,2015,21(6):3-11.[13]Hwang JW,Sundar IK,Yao H,et al.Circadian clock function is disrupted by environmental tobacco/cigarette smoke,leading to lung inflammation and injury via a SIRT1-BMAL1 pathway[J].FASEB J,2014,28(1):176-194.

[14]Liu RM,Gaston-Pravia KA.Oxidative stress and glutathione in TGF-b-mediated fibrogenesis[J].Free Radic Biol Med,2010,48(1):1-15.

[15]Vanja PV,Julie G,Hikari Y,et al.The circadian clock regulates rhythmic activation of the NRF2/glutathione-mediated antioxidant defense pathway to modulate pulmonary fibrosis[J].Genes Dev,2014,28(6):548-560.

[16]Sharma A,Dinesh K,Yadav S,et al.Cytochrome P450 2A isoenzymes in freshly prepared blood lymphocytes isolated from rats and validation as a biomarker for clinical studies in humans[J].Xenobiotica,2013,43(4):311-319.

[17]Schernhammer ES,Feskanich D,Liang G,et al.Rotating night-shift work and lung cancer risk among female nurses in the United States[J].Am J Epidemiol,2013,178(9):1434-1441.

[18]Shinjo K,Kondo Y.Clinical implications of epigenetic alterations in human thoracic malignancies:epigenetic alterations in lung cancer[J].Methods Mol Biol,2012,863(2):221-239.

[19]Liloglou T,Bediaga NG,Brown BR,et al.Epigenetic biomarkers in lung cancer[J].Cancer Lett,2014,342(2):200-212.

[20]Sigal G,Naoki K,Norihiko K,et al.Epigenetic silencing of the candidate tumor suppressor gene per1 in non-small cell lung cancer[J].Clin Cancer Res,2007,13(5):1399-1404.

[21]Kim KS,Kim YC,Oh IJ,et al.Association of worse prognosis with an aberrant diurnal cortisol rhythm in patients with advanced lung cancer[J].Chronobiol Int,2012,29(8):1109-1120.

[22]Zeng ZL,Luo HY,Yang J,et al.Overexpression of the circadian clock gene Bmal1 increases sensitivity to oxaliplatin in colorectal cancer[J].Clin Cancer Res,2014,20(4):1042-1052.

[23]Chrastina A,Valadon P,Massey KA,et al.Lung vascular targeting using antibody to aminopeptidase P:CT-SPECT imaging,biodistribution and pharmacokinetic analysis[J].J Vasc Res,2010,47(6):531-543.

[24]Prakash J,de Jong E,Post E,et al.A novel approach to deliver anticancer drugs to key cell types in tumors using a PDGF receptor-binding cyclic peptide containing carrier[J].J Control Release,2010,145(2):91-101.[25]Levi F,Okyar A,Dulong S,et al.Circadian timing in cancer treatments[J].Annu Rev Pharmacol Toxicol,2010,50(2):377-421.

doi:·综述·10.3969/j.issn.1671-8348.2016.06.037

基金项目：云南省科技计划项目(2010CD160)。

作者简介：陈骋(1980-)，在读博士研究生，主要从事肺癌基础研究。△通讯作者，Tel：13808757261；E-mail:hzp_doc@sina.cn。

[中图分类号]R602

[文献标识码]A

[文章编号]1671-8348(2016)06-0828-04

(收稿日期：2015-06-02修回日期：2015-09-30)