孟 迪, 張 靜, 曾 萍, 劉 麗,吳靜宜, 黃逸凡, 楊 簡

(1. 三峽大學第一臨床醫(yī)學院/湖北省宜昌市中心人民醫(yī)院 心血管內(nèi)科,湖北 宜昌, 443000;2. 三峽大學心血管病研究所, 湖北 宜昌, 443000;3. 湖北省缺血性心血管疾病臨床醫(yī)學研究中心, 湖北 宜昌, 443000;4. 湖北省宜昌市中心人民醫(yī)院 中心實驗室, 湖北 宜昌, 443000)

衰老是心血管疾病(CVD)的一個重要危險因素[1]。《中國心血管健康與疾病報告2022》[2]顯示,中國CVD患病率處于持續(xù)上升階段,致死率仍居首位,高于腫瘤及其他疾病。隨著年齡的增長,心臟表現(xiàn)出多種病理生理改變,如心房及心室擴大、室間隔增厚、心臟舒張及收縮功能不全、瓣膜鈣化及功能失調(diào)、心肌纖維化、多種心律失常產(chǎn)生及血管老化等[3]。因此,探討衰老性心血管病變相關研究具有重要意義。組蛋白甲基化修飾是CVD發(fā)生發(fā)展中的表觀遺傳修飾方式之一,組蛋白甲基轉(zhuǎn)移酶(HMTs)和組蛋白去甲基化酶(HDMs)參與調(diào)節(jié)基因轉(zhuǎn)錄表達的動態(tài)平衡[4], 可逆調(diào)節(jié)組蛋白標記的酶可能會影響與長壽有特定基因的表達[5]。因此,組蛋白甲基化修飾與衰老密切相關。在衰老狀態(tài)下,組蛋白甲基轉(zhuǎn)移酶類端粒沉默干擾體1(DOT1L)可通過介導白細胞介素1A(IL1A)的組蛋白H3的第79個賴氨酸殘基的三甲基化(H3K79me3)來減輕衰老相關分泌表型的有害影響[6]。研究[7]發(fā)現(xiàn)衰老心臟中H4K20me3的水平降低,其機制為轉(zhuǎn)化生長因子-β(TGF-β)/Smad信號通路降低了H4K20me3的水平,進而加重心臟衰老。目前,組蛋白甲基化修飾在衰老性心血管疾病(冠心病[8]、高血壓[9]、心肌肥厚[10]及心肌梗死[11]等)中的相關研究甚多。本研究就組蛋白甲基化修飾在心臟結(jié)構和功能改變中的作用進行綜述,為衰老性心血管病變防治提供理論依據(jù)。

1 組蛋白甲基化修飾

組蛋白是真核細胞染色質(zhì)中的一種堿性蛋白,其包括H1、H2A、H2B、H3和H4。其中組蛋白H2A、H2B、H3和H4形成八聚體形式,雙鏈DNA纏繞于八聚體周圍形成核小體。核小體是真核細胞細胞核中染色質(zhì)的基本單位。組蛋白的N段尾部從核小體中延伸出,根據(jù)其尾部氨基酸殘基的不同可與不同的組蛋白修飾酶發(fā)生多種翻譯后修飾,影響染色質(zhì)的結(jié)構和功能,并在基因調(diào)控中發(fā)揮作用。其中組蛋白甲基化修飾是最為重要的翻譯后修飾之一,其通常是在組蛋白H3和H4氨基端的賴氨酸(K)或精氨酸(R)殘基上添加1個或多個甲基而發(fā)生。賴氨酸殘基能夠發(fā)生一、二或三甲基化,而精氨酸殘基能夠發(fā)生一甲基化或?qū)ΨQ的/不對稱的二甲基化。由于甲基化的位點、程度和模式以及甲基化發(fā)生的基因組環(huán)境的影響,組蛋白甲基化可直接影響基因的轉(zhuǎn)錄激活或抑制[12]。

組蛋白甲基化修飾在穩(wěn)定和動態(tài)之間的適當平衡對于維持正常的生物學功能是必要的,該平衡受HMTs及HDMs調(diào)控。HMTs分為2類: 賴氨酸甲基轉(zhuǎn)移酶(KMTs)和精氨酸甲基轉(zhuǎn)移酶(PRMTs)。HDMs則分為2個家族: 賴氨酸特異性去甲基化酶(LSD)和Jumonji C(JMJC)蛋白家族。

研究[13]發(fā)現(xiàn),組蛋白甲基化修飾參與轉(zhuǎn)錄調(diào)控、細胞增殖等過程,并對維持細胞穩(wěn)態(tài)起著重要的作用。更有研究發(fā)現(xiàn)組蛋白甲基化修飾與延長壽命的信號通路及參與長壽的特定基因的表達密切相關[5]。經(jīng)研究,組蛋白甲基轉(zhuǎn)移酶SET結(jié)構域蛋白6(SET-6)的表達隨年齡增長而增加[14]。研究者通過分析人類前額葉皮質(zhì)的基因表達譜后發(fā)現(xiàn)SET-6同源物常染色質(zhì)組蛋白賴氨酸甲基轉(zhuǎn)移酶1(EHMT1)的表達也隨著年齡的增長而增加[15]。值得注意的是,SET-6/EHMT1還可通過調(diào)控靶基因H3K9me3水平抑制線粒體功能相關基因的表達,進而加重衰老[14]。據(jù)報道[16],左心室心房利鈉肽(ANP)和B型利鈉肽(BNP)水平隨著年齡的增長而升高,上述基因的表達增加還與H3K4me2增強有關[17]。

2 組蛋白甲基化修飾與衰老性心血管病變

隨著年齡增長、機體衰老,心臟的重要組成部分如心肌、瓣膜、心臟傳導系統(tǒng)及心臟血管的結(jié)構及功能隨之改變。其衰老特征表現(xiàn)為心肌衰老、瓣膜改變、心臟傳導系統(tǒng)改變及血管老化。作為與長壽信號通路有關的表觀遺傳學修飾,組蛋白甲基化修飾與心血管疾病的發(fā)生發(fā)展密切相關,其動態(tài)平衡在衰老性心血管病變中發(fā)揮重要作用。

2.1 組蛋白甲基化修飾與心肌衰老

心肌衰老通常伴隨著左心室肥厚(特別是室間隔的增厚和僵硬)、左房擴張、心肌纖維化及心功能的惡化,如心臟收縮及舒張功能障礙[18]。組蛋白甲基化是基因表達的重要表觀遺傳調(diào)節(jié)因子,其失調(diào)會導致發(fā)育缺陷和疾病[19]。近幾年研究發(fā)現(xiàn)組蛋白甲基化修飾在心肌肥厚、心肌纖維化及心功能中的關鍵作用。

組蛋白甲基化修飾促進衰老性心肌肥厚的產(chǎn)生。心肌肥厚的發(fā)生伴隨著基因表達重編程,這一過程很大程度上依賴于組蛋白甲基化的動態(tài)調(diào)節(jié)。組蛋白甲基轉(zhuǎn)移酶G9a(EHMT2)可通過介導H3K9me2與EZH2的增強子相互作用抑制抗肥厚基因的表達,從而促進心肌肥厚[20]。組蛋白去甲基化酶家族也與心肌肥厚密切相關。賴氨酸三甲基特異性組蛋白去甲基化酶含Jumonji結(jié)構域的蛋白2A(JMJD2A)是已發(fā)現(xiàn)的能夠誘心肌細胞肥大的組蛋白去甲基化酶。在內(nèi)皮素-1(ET-1)誘導的肥大心肌細胞中腦鈉肽(BNP)表達升高2～10倍。而在心肌細胞過表達JMJD2A時, BNP表達增加150%,這種增加在ET-1處理后更明顯[21]。JMJD2A還可通過與4個半LIM結(jié)構域1(FHL1)啟動子結(jié)合,下調(diào)H3K9me3, 上調(diào)FHL1表達,促進心肌肥厚的產(chǎn)生[21]。組蛋白去甲基化酶JMJD1C在人類和小鼠肥厚心臟中過表達,而組蛋白甲基化減少。在血管緊張素Ⅱ(Ang Ⅱ)誘導的心肌細胞肥大過程中,JMJD1C促進了心肌細胞大小的增加和肥大相關的胎兒基因的表達,包括心房鈉尿肽(ANP)、BNP和肌球蛋白重鏈7(Myh7)。這一過程與鈣/鈣調(diào)蛋白依賴的蛋白激酶(CAMKK2)基因沉默有關[22]。CAMKK2的失活可能促進心肌肥厚的發(fā)展[23]。研究[22]發(fā)現(xiàn)JMJD1C可通過結(jié)合CAMKK2啟動子,降低了H3K9me水平,從而抑制心肌細胞內(nèi)CAMKK2的表達,促進心肌肥厚產(chǎn)生。

在衰老性心肌纖維化方面,組蛋白甲基化修飾作用較為復雜。心臟纖維化的主要表現(xiàn)是成纖維細胞過度轉(zhuǎn)化為肌成纖維細胞,并伴有細胞外基質(zhì)過度合成和降解不足,導致心肌順應性降低、舒縮功能障礙及心力衰竭的發(fā)生。在多種心臟疾病中,心肌纖維化是影響心肌重塑及心功能障礙的核心[24]。在心肌衰老中,心肌纖維化是重要的病理改變。研究[25]發(fā)現(xiàn)在心肌肥厚中發(fā)揮作用的組蛋白甲基化酶G9a還可與心肌細胞增強因子2C(MEF2C)形成復合體,結(jié)合異染色質(zhì)抑制心臟纖維化。沉默內(nèi)皮細胞特異性組蛋白甲基轉(zhuǎn)移酶SET1可以抑制慢性血管緊張素轉(zhuǎn)換酶治療反應中的ET-1轉(zhuǎn)錄,從而抑制心肌纖維化及心肌肥厚[26]。有趣的是,組蛋白甲基化修飾在心肌纖維化不僅僅發(fā)揮保護的作用。賴氨酸去甲基酶5B(KDM5B),一種組蛋白H3K4me2/me3去甲基化酶,是病理性心肌纖維化的關鍵表觀遺傳學介質(zhì)。研究[27]發(fā)現(xiàn), KDM5B介導激活轉(zhuǎn)錄因子3(ATF3)啟動子上的H3K4m2/3去甲基化,抑制ATF3的表達,促進促纖維化基因的過度表達,抑制血管生成,進而加重心肌纖維化。因而,組蛋白甲基化修飾通過動態(tài)平衡調(diào)節(jié)衰老性心肌纖維化。

組蛋白甲基化修飾的動態(tài)平衡也影響著衰老性心功能的改變。隨著年齡的增長,老年人身體機能逐漸下降隨之伴隨而來的是心力衰竭的產(chǎn)生,其中往往伴隨著心功能的下降,如收縮功能和(或)舒張功能。DOT1L是唯一已知的H3K79甲基轉(zhuǎn)移酶,在心臟中高度表達。研究[28]發(fā)現(xiàn)心臟特異的DOT1L基因敲除可導致心臟收縮功能障礙。在體內(nèi)抑制JMJC活性導致心臟中組蛋白去甲基化酶功能降低和組蛋白甲基化水平升高,并導致心臟大小部分減小,改善心臟功能并延長生存期[29]。KDM5B是干預心功能不全和心力衰竭的候選靶點,其缺乏可顯著改善血管緊張素轉(zhuǎn)換酶誘導的壓力超負荷后的心功能障礙,如左心室射血分數(shù)及左心室短軸縮短率降低[28]。因此,組蛋白甲基化修飾的動態(tài)平衡在調(diào)節(jié)衰老性心肌肥厚、心肌纖維化及心功能減退的過程中發(fā)揮重要作用。

2.2 組蛋白甲基化修飾與瓣膜改變

隨著年齡的增長,心臟瓣膜往往表現(xiàn)為瓣膜鈣化,并引起瓣膜增厚、變形及僵硬度增加,導致瓣膜狹窄或關閉不全[30]。同時衰老細胞可分泌細胞因子、趨化因子和定義為衰老相關分泌表型(SASP)的基質(zhì)金屬蛋白酶,導致與衰老相關的膠原含量增加,進而瓣膜硬度增加引起瓣膜正常功能的改變[31]。瓣膜鈣化作為成人心臟病的第3大原因,其發(fā)病率隨年齡增長而增加[32]。

瓣膜鈣化不僅是年齡因素引起,還與表觀遺傳學相關。在鈣化主動脈瓣中EZH2表達上調(diào),信號轉(zhuǎn)導抑制因子3(SOCS3)表達下調(diào),其機制為EZH2通過介導的H3K27me3抑制SOCS3的表達,進而促進主動脈間質(zhì)細胞的成骨和鈣化[33]。研究[34-35]發(fā)現(xiàn),Notch信號在瓣膜鈣化過程中起著重要的作用,同時組蛋白甲基化修飾通過調(diào)控Notch信號轉(zhuǎn)導過程影響多種疾病的發(fā)生發(fā)展。組蛋白去甲基化酶JMJD3[36]及KDM5A[37]可抑制Notch信號通路及其相關下游靶基因的表達。組蛋白甲基轉(zhuǎn)移酶核受體結(jié)合SET結(jié)構域蛋白3(NSD3)與H3K36me2/3依賴的Notch信號激活密切相關[38]。DOT1L則可通過調(diào)節(jié)Jagged1(Jag1)啟動子處的H3K79三甲基化激活Notch信號傳導[39]。心臟瓣膜作為心臟基礎結(jié)構之一,在心臟泵血過程中發(fā)揮重要作用。隨著心臟衰老,心臟瓣膜逐漸鈣化。然而,現(xiàn)僅有少量研究探索組蛋白甲基化修飾在衰老性瓣膜鈣化中的作用,在未來研究中值得進一步探索。

2.3 組蛋白甲基化修飾與心臟傳導系統(tǒng)改變

心臟傳導系統(tǒng)是由位于心肌內(nèi)能夠產(chǎn)生和傳導沖動的特殊心肌細胞構成,包括竇房結(jié)、房室結(jié)、房室束和浦肯野纖維等。竇房結(jié)是心臟電活動的起源。在衰老過程中,通過凋亡、壞死和潛在的自噬,竇房結(jié)起搏細胞減少和竇房結(jié)功能障礙[40], 其中竇房結(jié)功能障礙可致多種心律失常。在動物試驗中,與正常小鼠相比,早衰小鼠心電表現(xiàn)為心率、PR、QT間期和T波面積發(fā)生顯著改變,提示早衰小鼠動作電位的啟動、傳導和持續(xù)時間存在缺陷。不僅如此,早衰小鼠還表現(xiàn)出嚴重的心動過緩、房室傳導阻滯和復極顯著改變[41]。

組蛋白甲基化修飾的動態(tài)平衡在竇房結(jié)功能障礙中發(fā)揮作用,并與心房顫動的產(chǎn)生密切相關。通過基因鑒定發(fā)現(xiàn),NK2轉(zhuǎn)錄因子相關位點5(NKX2-5)與心律失常密切相關[42]; DOT1L可通過H3K79me2在心臟分化過程中發(fā)揮激活NKX2.5的關鍵作用[43]。EHMT2則可通過募集H3K9me2結(jié)合蛋白來誘導轉(zhuǎn)錄抑制。在胰島素樣生長因子結(jié)合蛋白3(IGPBP3)啟動子區(qū)域EHMT2可提高H3K9me2的富集度,進而抑制IGFBP3轉(zhuǎn)錄表達,影響IGFBP3的抗心房顫動作用[44]。然而目前現(xiàn)有研究發(fā)現(xiàn),組蛋白修飾在衰老性心臟傳導系統(tǒng)功能障礙尚有大量研究,但組蛋白甲基化修飾相關研究尚不完全。因而,進一步探索組蛋白甲基化修飾在竇房結(jié)功能障礙的機制研究,為年齡相關心律失常提供防治靶點具有重要意義。

2.4 組蛋白甲基化修飾與血管老化

血管老化是由內(nèi)皮功能障礙、血管重塑以及動脈硬化增加造成的,同時伴隨著動脈收縮壓和脈壓的增加。這些變化進而導致了與年齡相關的疾病,如高血壓、動脈粥樣硬化、中風和急性心肌梗死[3]。內(nèi)皮功能障礙是導致老年人心血管疾病發(fā)展的主要原因之一,其基本特征為內(nèi)皮細胞功能受損。血管內(nèi)皮細胞構成人體循環(huán)血液與血管壁之間的重要交界處。在衰老的過程中,血管內(nèi)皮細胞內(nèi)煙酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸酯(NADPH)氧化酶和解偶聯(lián)內(nèi)皮型一氧化氮合酶(eNOS)的產(chǎn)生增加,這些氧化物的增加加重了內(nèi)皮細胞氧化應激,從而進一步抑制內(nèi)皮細胞功能,形成惡性循環(huán),加重血管老化[45]。AngⅡ是腎素-血管緊張素-醛固酮系統(tǒng)(RAAS)的關鍵物質(zhì),不僅可通過促進活性氧(ROS)的產(chǎn)生而導致細胞功能障礙[46]; 還可通過血管緊張素1型受體(AT1R)/NAPDH氧化酶途徑誘導內(nèi)皮細胞鈉-葡萄糖共轉(zhuǎn)運蛋白1(SGLT1)和SGLT2表達,減少一氧化氮(NO)產(chǎn)生,進而促進氧化應激反應導致內(nèi)皮細胞功能障礙,引起內(nèi)皮細胞衰老[47]。

內(nèi)皮功能障礙是血管老化常見的病理生理表現(xiàn)之一,其發(fā)生發(fā)展與組蛋白甲基化修飾的動態(tài)平衡密切相關。NADPH氧化酶(Noxs)和eNOS是血管系統(tǒng)中ROS的重要酶促來源,而Nox4和eNOS表達增加可顯著加重氧化應激。Nox4和eNOS啟動子處異常組蛋白甲基化(H3K4me3、H3K9me2和H3K9me3)是這2個基因持續(xù)上調(diào)的主要原因,其組蛋白甲基化水平的改變進而導致了血管內(nèi)皮內(nèi)ROS被持續(xù)激活,內(nèi)皮功能障礙[48]。沉默JMJD3可誘導血管生成前細胞凋亡和衰老,抑制缺氧介導的eNOS在血管細胞中的表達上調(diào)[49]。在血管系統(tǒng)中,AngⅡ是一種強有力的心血管介質(zhì),可引起內(nèi)皮功能障礙,可減少NO的供應。其作用機制有多種,包括增加超氧化物的形成、抑制eNOS和誘導可溶性環(huán)氧化物水解酶(SHE)[50]。組蛋白去甲基酶JARID1B通過去除基因啟動子區(qū)域的H3K4的活性甲基標記來限制基因表達。敲除或抑制JARID1B可通過穩(wěn)定SEH基因可溶性環(huán)氧化物水解酶2(EPHX2)的表達,進而阻止Ang Ⅱ誘導的血管內(nèi)皮功能障礙[50]。研究[51]發(fā)現(xiàn),二甲雙胍依賴的AMPK激活通過SIRT1-DOT1L軸促進H3K79me3, 這導致SIRT3水平增加,從而改善線粒體的生物發(fā)生/功能,并通過增強端粒逆轉(zhuǎn)錄酶(hTERT)的表達來延緩內(nèi)皮細胞衰老。綜上所述,組蛋白甲基化修飾在調(diào)控衰老性內(nèi)皮功能障礙中發(fā)揮重要作用。目前尚有大量研究探索組蛋白甲基化修飾在血管衰老的研究,尋找血管老化防治靶點及相關機制為防治衰老性心血管疾病提供重要依據(jù)。

3 小 結(jié)

作為組蛋白修飾的常見類型,組蛋白甲基化修飾在衰老性心血管病變的發(fā)生發(fā)展中具有重要意義。本文基于不同心臟結(jié)構(心肌、瓣膜、心臟傳導系統(tǒng)、血管系統(tǒng))的衰老病變,系統(tǒng)闡述了組蛋白甲基化修飾在衰老性心血管病變過程中發(fā)揮的作用及相關調(diào)控機制。然而目前現(xiàn)有組蛋白甲基化修飾在衰老性心血管病變中的研究尚未闡明,尤其是在瓣膜及心臟傳導系統(tǒng)方面的研究尚存在大量空缺。因而,進一步深入研究組蛋白甲基化在衰老心血管病變中的調(diào)控機制,為延緩或預防衰老相關的心血管疾病提供新靶點及新思路。