变应性鼻炎表观遗传学

朱栋，何翔，李国平

变应性鼻炎(allergic rhinitis，AR)俗称过敏性鼻炎,是某些个体接触过敏原后，由IgE介导的Ⅰ型变态反应，通过释放炎性介质、免疫活性细胞以及细胞因子等参与的鼻部变态反应性疾病。临床上以鼻塞、流清涕、鼻痒、喷嚏等为主要表现，严重者可并发哮喘、鼻窦炎、中耳炎等多种疾病，给人们的日常生活带来诸多困扰。目前在AR的防治方面主要以改善鼻部症状、减少发作频率为主，彻底根治具有一定难度。随着高通量测序的普及，表观遗传学迅速发展，在肿瘤、心血管疾病、炎症等多种疾病的发病过程中发挥了重要作用[1-3]，表观遗传学可在不改变DNA序列的前提下改变基因表达水平，产生可遗传性改变[4]。相关研究表明表观遗传学在环境相关疾病的发生、发展中发挥着重要的作用, 可引起DNA甲基化、组蛋白修饰、miRNAs调控等多方面改变[5]。高通量测序技术的发展，使人们对变态反应性疾病的发病机制有了进一步认识。转录组是组织或细胞转录的所有 RNA转录本的集合总称，包括非编码RNA和mRNA。目前转录组测序技术在AR的研究主要集中于炎性细胞因子方面，如Liu等[6]通过RNA测序分析研究了IL-37在人类鼻上皮细胞中的调控基因，发现嗜酸性炎症中IL-37分泌水平与胸腺基质淋巴细胞生成素水平及嗜酸性粒细胞数量呈负相关。表明抑制IL-37分泌，可增强胸腺基质淋巴细胞生成素的生成，促进嗜酸性炎症的发生。Levin等[7]对血液样本和鼻黏膜样本两者的抗体基因测序并结合抗体片段文库技术对过敏原特异性IgE进行鉴定，发现在鼻黏膜样本中过敏原特异性更强。Poole等[8]对转录谱分析研究中发现AR患者气道的Th2炎症表现与哮喘前气道的Th2表现高度相似，鼻部表达谱可用于识别IL-13驱动的哮喘和Th2介导的全身免疫应答，得出AR患者鼻道气道基因表达谱与肺气道基因表达谱基本相同的结论。纵观上述研究发现转录组测序对AR的研究还不足以描述其完整发病机制，诸如鼻黏膜上皮损伤在AR的发病途径，炎性细胞因子之间互相关系，基因多态性的分布等等。由于AR的发病受到外界环境影响等其它因素较大，暴露于同一过敏原的AR患者，有些可以迅速表现出鼻痒、鼻塞和喷嚏等一系列过敏症状，而有些表现出鼻痒或鼻塞等单一的症状，部分患者则表现出迟发相的过敏症状，这便需要表观遗传学进一步解释。本文就表观遗传学在AR的相关研究进行综述。

1 DNA甲基化在AR中的作用

DNA甲基化作为表观遗传学的重要组成，在维持细胞结构功能、遗传因子及疾病发生中起着重要作用，是发现最早的表观遗传修饰，也是目前为止最为典型的表观遗传修饰，通常发生在CpG二核苷酸中胞密啶的5位碳原子上，受DNA甲基转移酶(DNA mcthyltransferase，DNMTs)的调控，基因启动子内的CpG高表达甲基化使得基因转录沉默，相反则促进转录的发生[9-10]。DNMTs 家族系包括 DNMTI、DNMT3A、DNMT3B、DNMT3L、DNMT3L-AS1，DNMTI 不仅维持DNA甲基化水平，还对T淋巴细胞分化阶段的表达有着重要的作用，DNMT3A和DNMT3B主要功能为起始甲基化[11-12]。炎性变态反应性疾病，尤其是AR，其表观遗传学的改变在发病中起着非常重要的作用。Nestor等[13]对CD4+T细胞进行全基因组DNA甲基化和基因表达分析，发现对照组和治疗组之间存在T细胞比例的变化，这可以解释观察到的DNA甲基化的差异，此次研究是第一次成功的使用CD4+T细胞对过敏进行分子分类。Yang等[14]比较了非裔美国儿童持续性特应性哮喘和健康对照组的基因组DNA甲基化模式和基因表达，鉴定出186个基因具有显著的甲基化变化，推测鼻上皮中的DNA甲基化可以作为疾病的生物标记，认为呼吸上皮的表观遗传标记与儿童过敏性哮喘和基因表达变化有关。Cardenas等[15]通过对前鼻孔拭子进行DNA甲基化检测，发现鼻细胞表观遗传可作为哮喘、过敏和气道反应的敏感表观遗传生物标记物。Langie等[16]使用全甲基组芯片从唾液中生成高质量的甲基化图谱，唾液是分析DNA甲基化模式变化的一种很有吸引力的生物液体，提供了基于唾液的全基因组甲基化分析在AR等呼吸过敏领域的适用性研究思路。McErlean等[17]在体外对人鼻病毒感染期间哮喘和健康的鼻上皮细胞进行了DNA甲基化分析，哮喘患者和健康患者之间存在差异。由此可见，细胞比例的改变，甲基化位点的差异性都可以引起AR表观遗传学发生改变。

2 组蛋白修饰在AR中的作用

组蛋白修饰包括甲基化、乙酰化、磷酸化、泛素化及ADP-核糖化等，其中组蛋白甲基化是表观遗传学中重要的修饰方式，其异常修饰的改变，可以引起多种疾病的发生[18]。组蛋白修饰的关键酶为组蛋白甲基转移酶。组蛋白甲基化调节细胞转录和基因组稳定性，从而影响基因表达和转录调控[19]。Alaskhar等[20]通过梳理相关文献，发现在过敏性疾病中，组蛋白修饰引起过敏性炎症的细胞(T细胞和巨噬细胞)和参与气道重构的细胞的调节作用，且组蛋白修饰与变态反应表型之间的直接联系。Nakano等[21]探讨了组蛋白连接体H1在肥大细胞介导的I型变应性中的作用。发现组蛋白H1的单克隆抗体不仅能抑制肥大细胞的脱颗粒，而且还能改善OVA诱导的鼻高反应性和IgE介导的被动皮肤过敏反应，认为组蛋白HI是一种作用于肥大细胞的蛋白样内源性介质，其阻断对肥大细胞介导的l型高反应性具有治疗潜力。Steelant等[22]通过气道炎症小鼠模型中研究组蛋白去乙酰化酶(HDAC)的活性，发现AR的鼻上皮细胞中HDAC活性升高，且与上皮完整性呈负相关。提倡在AR患者中将HDAC活性作为一种新的内在机制来评估鼻黏膜上皮屏障的作用，认为阻断HDAC重构屏障功能，是一种有前景的治疗干预新靶点。Jiang等[23]发现AR患者和大鼠鼻腔上皮中的Trek1(K2P通道家族的重要成员)含量明显低于正常组，细胞因子IL-4显著抑制了鼻黏膜Trek1的表达。表明Trek1对维持鼻上皮屏障功能至关重要。

3 基因多态性在AR中的作用

随着以第3代遗传标记物单核苷酸多态性(SNPs)为主的基因多态性检测技术的发展，白介素、转录因子、嗜酸粒细胞过氧化物酶等基因多态性与变应性疾病相关性的研究在AR的基因研究中得到了广泛应用[24-25]。Ramasamy等[26]对553名儿童进行了一项全基因组相关性研究，从CD4+淋巴细胞中获取RNA进行表达谱分析，比较AR患儿和非AR患儿的等位基因分布，发现IL-23R基因rs7517847位点的多态性与AR易感性有关，表明IL-23R是AR发病机制中值得关注的基因。Bunyavanich等[27]对不同民族的变应性AR的全基因组相关性研究，显示了种族特异性的结果，使用具有类似CD4+基因表达模式的基因模块构建了一个共表达网络，发现线粒体途径是进一步研究变应性AR的机制和治疗的一个目标。Morin等[28]结合全基因组关联的单核苷酸多态性，使用cis-mQTL数据来识别AR中的基因，发现CDX1基因可能是AR的发病机制和特异反应的重要组成。Waage等[29]通过全基因组关联研究发现HLA区域的精细映射提示氨基酸变异对抗原结合发挥了重要作用，扩大了已建立的AR易感性位点的数量，强调AR易感性位点在不同免疫细胞的类型。Andiappan等[30-32]的研究表明MRPL4和BCAP分别是HIF-1a和PI3K/Akt信号通路的关键成分，是AR的两个新的候选基因。认为对这些分子及其信号通路的进一步研究将有助于了解AR的发病机制和新的治疗靶点的确定。其研究进一步发现NPSRI和CTLA4为AR的潜在易感基因，并对AR的尘螨致敏原进行了全基因组关联研究，鉴定rs2155219、rs7617456和rs1898671位点可能与AR的发病有关。

4 miRNAs表达在AR中的作用

miRNAs是内源性的具有调控功能的非编码RNA，具有调节细胞生长，组织分化等功能，各种炎症及免疫系统疾病的发生都与miRNAs有关[33]。miRNAs在调节过敏性炎症的关键致病机制中发挥重要作用，包括T细胞的激活、嗜酸性粒细胞的发育、IL-13驱动的上皮反应等[34]。Collison等[35]发现anti-miR-145可显著降低嗜酸性粒细胞浸润、黏液产生、Th2细胞因子的产生和气道高反应性。其作用与糖皮质激素治疗相似。Shaoqing等[36]比较了AR患者和因鼻塞接受手术的非AR患者的鼻黏膜的miRNA表达谱，发现在两组之间有9个miRNAs有超过2倍的变化，并通过定量RT-PCR验证了AR患者miR-143、miR-187和miR-224的表达下调。Zhang等[37]发现miR-125b在伴有鼻息肉的慢性嗜酸性鼻窦炎患者鼻窦黏膜上皮细胞中过表达，可能是引起AR的一个重要原因。Chen等[38]对6岁儿童的外周血单核细胞进行检测，发现与非过敏对照组相比，AR患儿的单核细胞中miR-21和miR-126显著下调。

5 染色体开放在AR中的应用

染色体开放测序主要是通过比较疾病组和正常组的序列差异，从而推测表观遗传是否在疾病中起到一定作用。染色体开放测序建库过程简单快捷，所需细胞数目少，而且可以在很高的分辨率下解释染色质结构。同时，建库过程也不包含任何的片段长度筛选，可以同时检测开放的DNA区域和被核小体占据的区域。目前主要肿瘤方面涉及较多，而在AR方面的研究相对较少。Lander等[39]通过染色体开放测序鉴定了与TSLP相关的动态DNA元素，提示调控TSLP的增强因子可能与过敏原相关的rs17551370和rs2289877两个动态区域重叠，暗示这些位点在AR、哮喘等过敏性疾病中调节TSLP表达。Bunning等[40]认为表观遗传修饰可能被用作生物标志物来辅助过敏患者的诊断和治疗。特定位点的DNA甲基化可以提示AR等过敏性疾病与脱敏治疗和整体表型之间的关联。

6 单细胞测序技术在AR的应用

传统的高通量测序需要从大量细胞中获取足够的DNA样品，因此测序结果是这些细胞“整体”的一个表征，其结果只是这个细胞群体的“平均值”。随着人们对生物结构功能的深入研究，越来越清楚地认识到，哪怕看似相同的细胞群，细胞之间的转录本表达水平也是存在差异的。因此就得需要对单个细胞进行测序来进一步深化认识，对于AR的研究也是如此。Gurram等[41]在研究中发现Th2细胞的分化也可以在没有ILC2s参与的情况下发生，ILC2s和Th2细胞在AR等2型免疫反应中可能具有独特的宿主防御功能。Cildir等[42]绘制了人类肥大细胞在不同刺激下的基因组和转录组变化，确定BHLHE40增强子区域是人类肥大细胞中最重要的候选区域之一。Westernberg等[43]建立了具有潜在免疫学相关性的T细胞表位序列保存阈值，发现在草、树和杂草花粉中存在许多高度保守的表位。这些发现有助于认识AR等过敏性疾病的发病机制。Ordovas-Montanes等[44]进行了大规模的单细胞RNA测序，对人类呼吸上皮细胞、免疫细胞和基质细胞类型和2型炎症性疾病亚群的转录组绘制关键介质图。发现由基底细胞功能转变引起的上皮细胞多样性减少是2型免疫介导的屏障组织功能障碍是一个关键特征。

综上所述，AR作为常见的过敏性疾病，具有遗传性、复发性、难治性等特点，严重影响着人们的生活质量。以高通量测序为主的测序技术已广泛应用于疾病的基因筛查及诊断方面，为AR等过敏性疾病提供了新的研究思路。但也应认识到虽然不同类型的测序方法对AR都有所研究，但是由于外界环境的变化深刻的影响着AR的发生发展，这就要求在表观遗传学方面对本病做进一步研究。随着单细胞技术及空间转录组学的进一步发展，期望能在AR等过敏性疾病的研究方面取得新的突破。