段瑞瑞 牛宏濤 于濤 楊汀 王辰

1北京大學(xué)醫(yī)學(xué)部中日友好臨床醫(yī)學(xué)院100029；2中日友好醫(yī)院呼吸與危重癥醫(yī)學(xué)科，北京100029；3中日友好臨床醫(yī)學(xué)研究所，北京100029；4中國(guó)醫(yī)學(xué)科學(xué)院 北京協(xié)和醫(yī)學(xué)院100010

COPD 是一種以持續(xù)性、進(jìn)行性的氣流受限為特征的慢性氣道炎癥疾病[1]。中國(guó)成人肺部健康研究調(diào)查顯示，我國(guó)40歲及以上人群COPD 患病率達(dá)13.7%，總患病人數(shù)近1億[2]，已成為嚴(yán)重影響我國(guó)居民健康的主要慢性疾病。COPD 是由外界環(huán)境因素和自身遺傳因素共同作用的多因素異質(zhì)性疾病，外界環(huán)境因素如香煙煙霧、大氣污染物等與COPD 的發(fā)生、發(fā)展密切相關(guān)[3]。隨著我國(guó)城市化進(jìn)程的加快，空氣質(zhì)量控制形勢(shì)嚴(yán)峻，大氣污染對(duì)人群健康的影響備受社會(huì)關(guān)注[4]。國(guó)內(nèi)外多個(gè)環(huán)境流行病學(xué)研究發(fā)現(xiàn)，大氣污染參與了COPD 的發(fā)生、發(fā)展，其不僅是COPD 的重要危險(xiǎn)因素，還是引起COPD 急性發(fā)作、住院率及病死率增加的主要非感染因素。大氣污染物對(duì)COPD 影響的具體分子機(jī)制目前尚不明確，作為連接環(huán)境因素與遺傳因素的 “橋梁”，表觀遺傳學(xué)相關(guān)的研究越來(lái)越多，從表觀遺傳學(xué)的角度出發(fā)可以更好地闡釋大氣污染物對(duì)COPD 影響的可能機(jī)制。

表觀遺傳學(xué)是在不改變DNA 序列的情況下通過(guò)DNA修飾作用改變基因表達(dá)的一種可遺傳性變化，主要包括DNA 甲基化、組蛋白修飾、非編碼RNA 修飾等[5]。表觀遺傳學(xué)將環(huán)境與遺傳因素緊密結(jié)合在一起，隨著研究深入，已發(fā)現(xiàn)表觀遺傳學(xué)的改變從根本上是由環(huán)境因素作用的結(jié)果。環(huán)境中的化學(xué)、物理、生物及精神心理和營(yíng)養(yǎng)飲食等因素均可導(dǎo)致表觀遺傳學(xué)改變，其中的某些變化或可成為環(huán)境暴露的潛在生物學(xué)標(biāo)志物[6-8]。現(xiàn)已發(fā)現(xiàn)，大氣污染物作為重要的環(huán)境暴露因子，可引起機(jī)體內(nèi)出現(xiàn)多種表觀遺傳學(xué)改變[9-11]。本文對(duì)近年來(lái)大氣污染對(duì)COPD 表觀遺傳學(xué)改變的研究進(jìn)展進(jìn)行綜述。

1 DNA甲基化

DNA 甲基化是目前研究最為深入的表觀遺傳學(xué)修飾，在DNA 甲基轉(zhuǎn)移酶 (DNA methyltransferase，DNMT)催化下完成。甲基化可引起DNA 構(gòu)像、染色質(zhì)結(jié)構(gòu)、DNA與蛋白質(zhì)作用方式等發(fā)生改變，DNA 高甲基化通常抑制基因表達(dá)，而去甲基化則促進(jìn)基因的轉(zhuǎn)錄和表達(dá)[8]。大氣污染物可通過(guò)改變DNA 甲基化水平從而參與COPD 的發(fā)生、發(fā)展，DNA 不同位點(diǎn)的甲基化或可作為大氣污染暴露對(duì)機(jī)體健康影響的潛在生物標(biāo)志物[12]。

氣道炎癥是COPD 重要的病理生理改變，呼出氣一氧化氮 (fraction of exhaled nitric oxide，F(xiàn)eNO)被認(rèn)為是一種敏感的氣道炎癥標(biāo)志物，可較好的反映患者氣道內(nèi)炎癥狀態(tài)，經(jīng)常被用于評(píng)估與大氣污染暴露相關(guān)的不良呼吸影響。FeNO 由一氧化氮合酶亞型2 (nitric oxide synthase 2A gene，NOS2A)參與調(diào)控生成。既往研究發(fā)現(xiàn)細(xì)顆粒物(fine particulate matter，PM2.5)暴露與FeNO 水平相關(guān)[13-14]，但不明確PM2.5是如何引發(fā)急性氣道炎癥的。Chen等[15]對(duì)上海市某城區(qū)30例COPD 患者進(jìn)行了6次短期重復(fù)性健康調(diào)查，發(fā)現(xiàn)PM2.5暴露與口腔黏膜組織內(nèi)NOS2A 啟動(dòng)子區(qū)甲基化的減少和FeNO 的增加顯著相關(guān)，表明PM2.5可能通過(guò)改變NOS2A 啟動(dòng)子區(qū)的甲基化狀態(tài)而調(diào)控一氧化氮 (nitric oxide，NO)的產(chǎn)生，進(jìn)一步導(dǎo)致氣道組織損傷、加重氣道內(nèi)炎癥反應(yīng)。誘導(dǎo)型一氧化氮合酶(inducible nitric oxide synthase，iNOS)是由NOS2A 編碼表達(dá)的調(diào)控氣道中FeNO 生成的一種關(guān)鍵限速酶，鄭鑫等[16]通過(guò)動(dòng)物實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步證實(shí)了PM2.5可降低iNOS基因DNA 啟動(dòng)子區(qū)甲基化水平，促進(jìn)iNOS基因表達(dá)和轉(zhuǎn)錄，促進(jìn)NO 生成增加。這些研究可更好地將大氣污染物與COPD 的不良健康結(jié)局的機(jī)制聯(lián)系起來(lái)。

二氧化氮 (nitrogen dioxide，NO2)是影響COPD 發(fā)生、發(fā)展的主要?dú)鈶B(tài)污染物。荷蘭LifeLines大型隊(duì)列研究[17]發(fā)現(xiàn)NO2暴露與人群FVC 和第1 秒用力呼氣容積(forced expiratory volume in one second，F(xiàn)EV1)/FVC 下降相關(guān)，并與多種DNA 位點(diǎn)異常甲基化相關(guān)，為探究NO2是否通過(guò)改變DNA 甲基化水平引起肺功能受損，進(jìn)一步進(jìn)行中介分析效應(yīng)分析發(fā)現(xiàn)與NO2暴露相關(guān)的CPG位點(diǎn)中，cg14938677 介導(dǎo)了NO2暴露與FVC 的關(guān)系，cg14938677和cg18379295介導(dǎo)了NO2暴露與FEV1/FVC的關(guān)系，這些位點(diǎn)的甲基化被認(rèn)為是NO2暴露與肺功能相關(guān)的潛在生物標(biāo)志物。另一項(xiàng)韓國(guó)的COPD 人群隊(duì)列研究也得到了類似結(jié)果[18]，提示NO2通過(guò)改變DNA 甲基化水平影響肺功能。為探究NO2對(duì)COPD 表型的影響，Zhang等[19]將小鼠暴露于NO2環(huán)境下構(gòu)建COPD 的肺氣腫表型模型，并設(shè)置DNMT 抑制劑+NO2為對(duì)照組。研究發(fā)現(xiàn)與對(duì)照組相比，單純暴露于NO2組的小鼠FEV1/FVC 及缺氧程度更重，即DNMT 抑制劑可有效改善肺氣腫的形成，或具有潛在治療作用。其他幾個(gè)已發(fā)現(xiàn)大氣污染物與COPD 相關(guān)的甲基化位點(diǎn)見(jiàn)表1。

表1 大氣污染物與COPD 相關(guān)的甲基化位點(diǎn)

2 組蛋白修飾

組蛋白修飾是另一種重要的表觀遺傳修飾。組蛋白是真核生物細(xì)胞中與DNA 堿基對(duì)共同組成核小體單元的堿性蛋白質(zhì)，其末端氨基酸殘基可發(fā)生多種共價(jià)修飾，包括乙?；?去乙?；⒓谆?、磷酸化等[23-24]。其中，乙酰化/去乙?；亲畛Ｒ?jiàn)、研究最多的組蛋白修飾。組蛋白在乙酰轉(zhuǎn)移酶 (histone acetyltransferase，HAT)催化作用下發(fā)生乙酰化，其表面的負(fù)電荷被乙?；泻?，與DNA 堿基的結(jié)合能力減弱，核小體結(jié)構(gòu)松弛，使DNA 與相關(guān)調(diào)控元件如轉(zhuǎn)錄因子、促轉(zhuǎn)錄因子結(jié)合并啟動(dòng)轉(zhuǎn)錄，最終上調(diào)基因表達(dá)[25]。與之相反，組蛋白去乙酰化則是在脫乙酰轉(zhuǎn)移酶 (histone deacetylase，HDAC)催化下組蛋白末端乙?；蝗コ?，通常組蛋白去乙?；蠡虻霓D(zhuǎn)錄和表達(dá)處于抑制狀態(tài)[26-27]。因此，HAT 和HDAC對(duì)基因的轉(zhuǎn)錄和/或沉默起關(guān)鍵性調(diào)節(jié)作用。

慢性炎癥反應(yīng)是COPD 重要的發(fā)病機(jī)制，如細(xì)胞因子、趨化因子、炎性蛋白酶等，這些因子的產(chǎn)生增加受促炎轉(zhuǎn)錄因子如核因子κB (nuclear factor kappa-B，NF-κB)的調(diào)節(jié)，而HDAC 活性下降和/或HAT 增高均可激活NF-κB，導(dǎo)致促炎基因表達(dá)增加，其中HDAC2 活性下降是誘導(dǎo)炎性基因表達(dá)的關(guān)鍵因素[28-29]。既往研究發(fā)現(xiàn)COPD 患者的肺組織、肺泡巨噬細(xì)胞、外周血和肌肉組織中HDAC2表達(dá)下降[29-33]，導(dǎo)致組蛋白去乙?；饔脺p弱，NF-κB 激活，進(jìn)而啟動(dòng)一系列炎癥反應(yīng)。環(huán)氧化酶2(cyclooxygenase-2，COX-2)亦是炎癥反應(yīng)過(guò)程中的關(guān)鍵促炎誘導(dǎo)因子，與多種炎性介質(zhì)共同參與COPD 的氣道炎癥反應(yīng)，柴油機(jī)尾氣顆粒物可通過(guò)降低HDAC1 的活性、促進(jìn)COX-2基因啟動(dòng)子H4組蛋白乙?；?，導(dǎo)致COX-2轉(zhuǎn)錄增多，促進(jìn)炎癥反應(yīng)[34]。顆粒物是我國(guó)各城市大氣環(huán)境的主要污染物，PM10可引起HAT 活性升高、IL-8基因啟動(dòng)子區(qū)域的組蛋白H4乙酰化水平升高，IL-8產(chǎn)生增多，引起肺部持續(xù)的炎癥反應(yīng)[35]。綜上，大氣污染物可通過(guò)降低HDAC1的活性和/或提高HAT 的活性引起COPD 人群組蛋白乙?；缴?，促進(jìn)促炎基因的轉(zhuǎn)錄，引發(fā)肺內(nèi)持續(xù)的炎癥反應(yīng)，未來(lái)可對(duì)HAT 和/或DHAC 酶活性角度開(kāi)展深入研究，為COPD 治療提供科學(xué)參考。

3 miRNA

miRNA 是一類長(zhǎng)度為20～24個(gè)核苷酸的非編碼單鏈小分子RNA，通過(guò)至少6～8 nt長(zhǎng)的互補(bǔ)序列與靶標(biāo)基因的3′端非編碼序列相結(jié)合，抑制靶向基因mRNA 的翻譯或介導(dǎo)其降解，從基因轉(zhuǎn)錄后水平調(diào)控靶基因的表達(dá)[36]。近年研究發(fā)現(xiàn)miRNA 在環(huán)境化學(xué)物質(zhì)引起的毒理學(xué)過(guò)程中起著十分重要的作用，發(fā)現(xiàn)污染物可通過(guò)改變某些miRNA表達(dá)，對(duì)機(jī)體產(chǎn)生致病效應(yīng)[37]，并陸續(xù)開(kāi)展了相關(guān)機(jī)制研究 (表2)。

表2 大氣污染物與慢阻肺相關(guān)的部分miRNA 及作用機(jī)制

為找出PM2.5暴露與miRNA 表達(dá)之間的相關(guān)性，Zhou等[46]等設(shè)計(jì)了 “低-高-低”P(pán)M2.5暴露水平的時(shí)間序列研究，研究發(fā)現(xiàn)與低水平暴露 (PM2.5＜50μg/m3)時(shí)相比，miR-223-5p在高水平PM2.5暴露后 (PM2.5＞200μg/m3)顯著升高，miR-194-3p顯著降低，且miR-194-3p與肺功能指標(biāo)FEV1和FVC呈正相關(guān)。細(xì)胞實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)，miR-194-3p可靶向調(diào)節(jié)死亡相關(guān)蛋白激酶1 (death-associated protein kinase 1，DAPK1)，而PM2.5抑 制miR-194-3p 表達(dá)，使DAPK1增多，促使支氣管上皮細(xì)胞凋亡[40]。結(jié)果提示，miR-194-3p是PM2.5作用下參與支氣管上皮細(xì)胞凋亡的保護(hù)性因子，可作為治療PM2.5誘導(dǎo)的支氣管上皮損傷加重的潛在治療靶點(diǎn)。miRNA 除參與大氣污染物引起的細(xì)胞凋亡外，亦與污染物導(dǎo)致的炎癥反應(yīng)有關(guān)，Song等[41]發(fā)現(xiàn)PM2.5暴露可降低人氣道上皮細(xì)胞中miR-331 表達(dá)，導(dǎo)致IκB激酶β(inhibitor of NF-κB kinaseβ，IKK-β)表達(dá)的增加和持續(xù)的NF-κB 活化，細(xì)胞處于持續(xù)的炎癥環(huán)境中。

缺氧性肺動(dòng)脈高壓是COPD 晚期并發(fā)癥之一，有研究發(fā)現(xiàn)大氣污染物引起的miRNA 異常表達(dá)與COPD 相關(guān)的肺動(dòng)脈高壓有關(guān)。缺氧誘導(dǎo)因子1α (hypoxia-inducible factor 1α，HIF-1α)是一種氧依賴性轉(zhuǎn)錄激活因子，在血管重塑、細(xì)胞增殖過(guò)程中發(fā)揮重要作用。將小鼠暴露于燃煤污染環(huán)境 (主要成分為SO2、NO2和PM2.5)28 d 后，取肺組織行基因芯片分析發(fā)現(xiàn)有18種miRNA 的表達(dá)發(fā)生顯著變化 (6 種上調(diào)，12 種下調(diào))，其中與人類同源的miR-338-5p明顯降低。miR-338-5p可靶向下調(diào)HIF-1α表達(dá)，進(jìn)而影響COPD 相關(guān)的肺動(dòng)脈高壓[47]，miR-338-5p或可成為治療COPD 及其并發(fā)癥的潛在靶點(diǎn)。

4 LncRNA

LncRNA 亦屬于非編碼RNA，其轉(zhuǎn)錄本長(zhǎng)度大于200 nt，一般不編碼蛋白質(zhì)，可在表觀遺傳水平、轉(zhuǎn)錄水平、轉(zhuǎn)錄后水平調(diào)節(jié)基因的表達(dá)[48]。生物體內(nèi)許多信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路都受LncRNA 的調(diào)控，在細(xì)胞分化、增殖和凋亡等過(guò)程中具有重要作用。

目前LncRNA 主要功能和參與COPD 的病理生理機(jī)制仍不清楚，關(guān)于大氣污染相關(guān)的LncRNA 與COPD 的研究亦較少，且多為細(xì)胞實(shí)驗(yàn)。PM2.5可引起人支氣管上皮細(xì)胞多種LncRNA 異常表達(dá)改變，部分LncRNA 與PM2.5誘導(dǎo)的細(xì)胞毒性和基因毒性有關(guān)。LncRNAMEG3 可靶向調(diào)節(jié)細(xì)胞凋亡以及自噬相關(guān)蛋白，Li等[49]分析了暴露于交通相關(guān)PM2.5下的人支氣管上皮細(xì)胞內(nèi)LncRNA 表達(dá)譜，共有1 292條LncRNA 上 調(diào)，1 362條LncRNA 上 調(diào)，通 過(guò)siRNA 干擾表達(dá)明顯異常的LncRNAMEG3 后，p53 及凋亡蛋白caspase-3 表達(dá)下調(diào)，細(xì)胞凋亡率減低，提示LncRNAMEG3可能參與PM2.5介導(dǎo)的細(xì)胞凋亡和自噬。Xu等[50]發(fā)現(xiàn)，PM2.5可引起人支氣管上皮細(xì)胞細(xì)胞周期停滯，經(jīng)PM2.5處理后，LncRNA LINC00341 在人支氣管上皮細(xì)胞中顯著上調(diào)，通過(guò)抑制LncRNA LINC00341的表達(dá)可逆轉(zhuǎn)PM2.5誘導(dǎo)的p21 表達(dá)和G2/M 期細(xì)胞周期阻滯。上述結(jié)果表明，LncRNALINC00341 可能通過(guò)調(diào)節(jié)p21 的表達(dá)來(lái)調(diào)節(jié)PM2.5誘導(dǎo)的細(xì)胞周期阻滯，從而介導(dǎo)PM2.5對(duì)支氣管上皮細(xì)胞的毒性作用。尚需明確調(diào)控大氣污染物對(duì)支氣管上皮細(xì)胞毒性作用的關(guān)鍵LncRNA 分子。

5 展望

表觀遺傳學(xué)受環(huán)境因素的影響并可反映環(huán)境的變化，在環(huán)境、基因表型與疾病易感性之間起關(guān)鍵作用，提供了可靠的生物學(xué)機(jī)制解釋環(huán)境暴露與疾病之間的關(guān)系的生物學(xué)機(jī)制。COPD 是由環(huán)境和基因共同作用的多因素復(fù)雜疾病，深入研究表觀遺傳學(xué)有助于深入了解大氣污染對(duì)COPD 發(fā)生、發(fā)展的影響。目前關(guān)于表觀遺傳模式及各調(diào)控機(jī)制間的相互關(guān)系仍不明確，仍需在流行病學(xué)、細(xì)胞生物學(xué)、表觀遺傳學(xué)等方面開(kāi)展研究，識(shí)別關(guān)鍵的表觀遺傳調(diào)控機(jī)制。

利益沖突 所有作者均聲明不存在利益沖突