大脑衰老过程中组蛋白修饰改变

丁妍文 刘程曦 张益1,

(遵义医科大学 1第二附属医院麻醉科,贵州 遵义 563000;2贵州省麻醉与器官保护基础研究重点实验室;3四川大学华西第四医院麻醉科)

衰老是人类许多疾病,如癌症、心血管疾病或神经疾病的主要危险因素之一〔1〕。大脑是受到衰老影响较大的器官,随着年龄的增长,患者可表现出认知功能的进行性减退。在老年大脑中,由于各种表观遗传的改变,如DNA甲基化、组蛋白修饰等改变可调控各种与学习记忆、突触结构发育、突触可塑性相关的基因转录与蛋白表达,从而成为大脑衰老后发生认知障碍的分子基础。

组蛋白修饰是一种以共价方式进行的蛋白质翻译后修饰,是由染色质修饰酶在特定组蛋白残基上进行动态添加或擦除。组蛋白修饰可以通过改变包括组蛋白和DNA在内的核小体成分之间的相互作用及组蛋白与其他组蛋白相互作用的方式来影响染色质结构〔2〕。组蛋白乙酰化和甲基化在大脑衰老过程中扮演着重要的角色,本文就组蛋白修饰在大脑衰老中的作用及机制进行综述。

1 组蛋白乙酰化及甲基化修饰

基因表达的表观遗传调控可以通过组蛋白的多个翻译后修饰来介导,包括甲基化、乙酰化和泛素化等,这些机制可以改变染色质结构密度及表达水平。

组蛋白乙酰化和去乙酰化是高度可逆和严格调控的过程,通过组蛋白乙酰化转移酶(HATs)和组蛋白去乙酰化酶(HDACs)进行〔3〕。HATs根据其催化中心的结构和功能特性主要分为GNAT、MYST及p300/CBP三个家族〔4〕。HATs以乙酰辅酶A为供体,催化组蛋白赖氨酸残基的ε-氨基加成乙酰基,中和赖氨酸上的正电荷,削弱了组蛋白与DNA的相互作用,并使基因的可及性提高〔4〕。HDACs可去除ε-N-乙酰赖氨酸残基中的乙酰基。已鉴定出高等哺乳动物中的18个HDACs,并根据其酵母同源基因和其他系统发育分析分为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ类〔4〕。组蛋白乙酰化与增加的转录活性相关,而组蛋白去乙酰化则与转录抑制相关。

组蛋白甲基化是指在组蛋白赖氨酸、精氨酸及组氨酸残基上添加甲基(-CH3)〔5〕。通常,以上3种氨基酸残基都可以单甲基化(Me),精氨酸和赖氨酸可以二甲基化(Me2),但只有赖氨酸能三甲基化(Me3)〔5,6〕。组蛋白甲基化是由组蛋白甲基转移酶催化发生的。根据催化氨基酸的不同,组蛋白甲基转移酶可分为组蛋白赖氨酸甲基转移酶和组蛋白精氨酸甲基转移酶两个家族〔7〕。组蛋白去甲基酶是从赖氨酸或精氨酸上去除各种甲基酶。目前主要有两个进化上保守的组蛋白去甲基化酶家族,赖氨酸特异性(LSD)去甲基化酶和包含JmjC结构域(JMJC)去甲基化酶,它们利用不同的反应机制来建立去甲基化作用〔8〕。

2 组蛋白乙酰化改变在大脑衰老过程中的作用及机制

2.1突触功能相关组蛋白乙酰化改变 在来自不同年龄的人类大脑前额叶皮层中,锌指转录因子(gata)3等与神经元和突触功能相关基因在老年样本中表达下调,他们的启动子区域显示出组蛋白H3第27位赖氨酸乙酰化(H3K27ac)的水平降低。在老年小鼠的脑中也发现了相似的结果,并且使用组蛋白去乙酰化酶抑制剂SAHA可改善与年龄相关的神经元和突触功能失调〔9〕。在小鼠海马区域,衰老引起突触功能相关基因内含子-外显子交界处H4K12ac的显著减少,从而影响其选择性剪接,导致基因的异常表达和记忆障碍。这些改变在使用SAHA后几乎完全恢复〔10〕。

与成年小鼠相比,老年小鼠海马中脑源性神经营养因子(BDNF)外显子Ⅱ或Ⅵ的mRNAs水平显著降低。同时老年小鼠海马中这些外显子的启动子上激活标记H3K27ac显著减少〔11〕。H3K27乙酰化是由cAMP反应结合蛋白(CREB)介导的,它将HATs CREB结合蛋白(CBP)招募到这些启动子上〔12〕。在老年海马中,这两个启动子上的CBP水平也显著降低〔11〕。此外,研究表明,HDAC2调节记忆的形成,海马老化伴随着HDAC2在BDNF外显子Ⅱ和Ⅵ处的增加〔11〕。老年海马H3K27ac和BDNF外显子Ⅱ和Ⅵ的表达减少既反映了组蛋白乙酰化的减少,又反映了组蛋白去乙酰化的增强。

老年小鼠海马中的HDAC2总水平增加〔13〕,与神经元即刻早期基因(IEGs)启动子区域结合的HDAC2也随年龄增加〔14〕。IEGs是指细胞经外部刺激后最先表达的一组基因,其诱导不需要从头合成蛋白质,通常在刺激事件后1 h内发生〔15〕。其表达被广泛用作突触可塑性和长期记忆的分子标记〔16,17〕。HDAC2活性增加,导致神经元IEGs启动子中H3K9和H3K14乙酰化减少,最终使其表达降低〔14〕。抑制HDACs导致幼年动物突触可塑性增强、树突棘数量增加和记忆力改善〔18〕。HDAC2的特异性抑制增强了神经元IEGs启动子上的H3K9和H3K14乙酰化,恢复了它们在老年小鼠海马中的表达,记忆衰退也有所减轻〔14〕。

HDAC3在导致学习和记忆下降的过程中起着关键作用。研究表明,小鼠背侧海马中HDAC3缺失的神经元处H4K8ac增加,使得Nr4a2和c-fos表达增加〔19〕,改善与年龄相关的长期记忆和突触可塑性的损害〔20〕。此外,HDAC3基因的敲除改善了小鼠海马区域长时程增强作用随年龄的减弱〔21〕。

2.2线粒体功能相关组蛋白乙酰化改变 老化神经元中不平衡的烟酰胺腺嘌呤二核苷酸(NAD)+/还原型烟酰腺嘌呤二核苷酸(NADH)比率影响依赖NAD+的HDAC的活性〔22〕。老化细胞内NAD+的减少造成NAD+依赖的去乙酰化酶sirtuins(SIRTs)的活性下降〔22,23〕。SIRT1可以调节轴突生长和突触过程在认知功能和突触可塑性中发挥作用〔24,25〕。老年神经元中SIRT1活性降低可能会影响老年人的认知能力。SIRT1缺失的海马CA1区域神经元中突触素水平减少、树突密度降低及长时程增强作用减弱〔24〕。SIRT1缺失小鼠大脑中BDNF的水平降低,可能是由于CREB与BDNF启动子结合受损,因为SIRT1缺陷小鼠的CREB蛋白水平降低〔26〕。SIRT1调控突触的形成和突触可塑性来调节记忆的形成。

2.3压力应答和免疫炎症相关组蛋白乙酰化改变 衰老还伴随着压力敏感性的增加〔27〕。衰老引发的环境应激增加可通过下丘脑-垂体-肾上腺轴的过度激活和糖皮质激素水平的升高而导致认知损害和神经退行性变。研究表明,慢性轻度应激引起的皮质酮持续升高能够特异性地下调齿状回CREB活性和BDNF的表达〔28〕,下调的CREB招募HATs和组蛋白去甲基化酶(HDMTs)调节基因表达的能力下降。从而损害了海马的突触可塑性,并增加了神经元退化的易感性〔29,30〕。

对人与小鼠脑中H3K27ac和相关基因表达变化的数据整合分析,可发现随着衰老上调及下调的基因上具有不同的H3K27ac修饰模式〔9〕。这类乙酰化在两类基因的启动子上均有分布,但炎性免疫相关功能的基因,如核因子(NF)κB和B细胞淋巴因子(BCL)3的基因体上却有着更为广泛的H3K27ac修饰,并且会随着衰老逐渐降低。与启动子区域H3K27ac的转录激活功能不同,基因体的超乙酰化抑制了相关基因的过度激活,随着年龄增大逐渐丢失从而炎性衰老相关基因被激活〔9〕。海马神经炎症常见于老年患者,并伴有HDAC表达增加及术后认知功能障碍。SAHA或UF010是一种Ⅰ类HDAC的特异性抑制剂,通过抑制NF-κB、Janus激酶(JAK)/信号转导与转录激活因子(SATA)和Toll样受体(TLR)/髓样分化因子(MyD)88信号通路的激活,显著降低海马神经炎症,使得术后认知功能障碍得到改善〔31〕。

3 组蛋白甲基化改变在大脑衰老过程中的作用及机制

3.1突触功能相关组蛋白甲基化改变 BDNF是调控海马突触可塑性的重要分子。研究显示,抑制性组蛋白H3第9位赖氨酸三甲基化(H3K9me3)在老年小鼠的海马区BDNF启动子处增加,而抑制SUV39H1(H3K9组蛋白甲基转移酶)可降低老年小鼠海马中H3K9me3的水平,改善树突的生成及稳定性,并增加海马突触体表面谷氨酸受体1水平,进而导致海马记忆功能的恢复〔32〕。

IEGs既可以充当突触可塑性和长期记忆的分子标记,又参与记忆巩固过程中的信号转导〔16,17〕。像细胞骨架活性调节蛋白(Arc),早期生长反应因子(Egr)1,支架蛋白(Hmer1)和正五聚蛋白(Narp)这样的IEGs在衰老过程中显著下调〔14〕,引起学习记忆能力的减退。其机制可能与H3K9me3在神经元IEG的启动子区域表达增加,导致异染色质化,相应蛋白表达下调有关。SUV39H1在老年小鼠海马中显著增加,它是致使H3K9me3在衰老过程中增多的主要(HMTs)〔33〕。特异性抑制SUV39H1下调H3K9me3,并扭转了与年龄相关的海马记忆功能的降低〔34〕。

3.2线粒体功能相关组蛋白甲基化改变 有研究发现人大脑前额叶皮层H3K9甲基转移酶(EHMT)1和表观遗传相关识别因子BAZ2B的表达水平随着衰老逐渐增加,在阿尔茨海默病(AD)患者的大脑中更加明显,并且与病情进展呈正相关〔35〕。它们在线虫上的同源蛋白为SET-6和BAZ-2,可以调控线粒体相关基因启动子区域的H3K9me3甲基化修饰,从而抑制这些基因的表达。而敲除set-6和baz-2可显著提高老年线虫的神经递质水平,延缓衰老过程中线虫的行为功能退化。同样,敲除小鼠中的同源基因baz2b也可以延缓小鼠认知行为随衰老而退化〔35〕。此外在AD病人和AD模型小鼠的大脑中,EHMT1的表达水平明显增加,通过药物抑制EHMT1可以改善AD模型小鼠的线粒体功能以维持较高的学习记忆行为〔36〕。

3.3压力应答和免疫炎症相关组蛋白甲基化改变 在猴大脑前额皮层中,衰老可触发多种应激反应相关基因启动子区域H3K4me2的累积,导致转录激活,应激反应相关蛋白泛素样结构蛋白(UBXN)4、釉丛蛋白(TUFT)1、钠/钾/钙交换因子(SLC24A)4等表达增加,最终诱发认知障碍〔37〕。衰老可增加大脑中两类H3K4甲基转移酶SETD7和DPY30的表达,这说明H3K4me2导致的应激反应增加可能是由甲基化水平增加,而不是去甲基化减少引起的〔37〕。

在免疫炎症方面,衰老的小胶质细胞不再能够建立有效的免疫反应和维持正常的突触活动,直接导致与年龄相关的认知能力下降和神经退化〔38〕。研究发现,与小胶质细胞激活至关重要的组蛋白去甲基化酶Jumonji结构域(Jmjd)3在老年小鼠的中脑中减少,导致H3K27me3水平升高,可促进小胶质细胞表型从M2转变为M1,加剧了小胶质细胞介导的炎症反应〔39〕。Jmjd3敲除的小胶质细胞H3K27me3水平增加,精氨酸酶1及CD206等M2标记物的表达也显著降低,表明Jmjd3是M2小胶质细胞极化所必需的酶〔39〕。

综上,在衰老大脑中,与神经元功能、突触传递及学习记忆相关基因的启动子区域,促进基因表达的表观遗传修饰水平降低,而抑制基因表达的表观遗传修饰水平增加,从而导致这些目标基因表达随衰老下降,最终导致认知功能损害。目前关于大脑衰老的组蛋白修饰图谱还不完整,衰老中组蛋白修饰的变化是如何调控认知及行为衰退的仍不清楚,需要更多进一步的研究。由于这些修饰的可逆性,通过药物干预组蛋白修饰状态有望成为改善老年相关认知功能损害的新思路。