染色質重塑調控因子與心血管疾病研究進展

孫嘉欣 王志華

心血管疾病包括一系列涉及循環系統的疾病，是全球發生率和病死率高的主要原因，其主要包括心肌肥厚、冠心病、高血壓、心力衰竭和許多其他疾病。盡管癥狀各不相同，但它們的發病機制有許多相似之處，包括炎癥和纖維化等[1]。越來越多的研究表明，染色質重塑在心血管疾病過程中起到重要作用。染色質重塑是重要的表觀遺傳學機制，是由染色質重塑復合物介導的一系列以染色質上核小體變化為特征的生物學過程。在染色質重塑過程中，染色質重塑調控因子發揮著舉足輕重的作用[2]。本文就染色質調控因子在心血管疾病中的作用展開論述。

一、染色質重塑及其調控因子

染色質的基本單位是核小體，后者由DNA和被其緊密包裹的組蛋白八聚體構成。核小體的形成在基因組DNA壓縮成染色質中起著重要作用。然而，組蛋白-DNA的相互作用限制了其他DNA結合蛋白對基因組DNA的可及性，并負性調節基因組DNA的功能，如復制、修復、重組和轉錄。為了確保基因組DNA在染色質中發揮作用，染色質的結構必須是動態、可塑的。染色質重塑分為兩類：組蛋白翻譯后修飾(post-translational modifications，PTMs)和依賴ATP的染色質重塑復合物(ATP-dependent chromatin remodeling complex)。組蛋白翻譯后修飾是對組蛋白N末端尾部的氨基酸進行磷酸化、乙酰化、甲基化、泛素化等修飾，從而改變了組蛋白對DNA和與DNA相關蛋白質的親和力，并進一步調節了轉錄活性以及DNA的可及性[3]。而依賴ATP的染色質重塑復合物有4個亞家族：SWI/SNF(switching defective/sucrose nonfermenting)、ISWI(imitation switch)、CHD(chromodomain，helicase，DNA binding)和INO80(inositol requiring 80)復合物。其都具有ATP水解-DNA轉位酶，利用ATP水解的能量，通過扭曲或破壞核小體中組蛋白-DNA的接觸來促使核小體DNA易位，進而調控核小體組裝、染色質進入和核小體編輯[4]。由此可見，染色質重塑是調控及維持基因組DNA功能的關鍵。

染色質重塑過程需要多種調控因子的參與。主要包括：(1)將PTMs加到組蛋白上的酶，如組蛋白乙酰轉移酶(histone acetyltransferase，HAT)、組蛋白甲基轉移酶(histone methyltransferase，HMT)等。(2)從組蛋白底物上去除特定PTMs的酶，如組蛋白脫乙酰酶(histone deacetylase，HDAC)、組蛋白脫甲基酶(histone demethylase，HDMs)等。(3)識別組蛋白上的特定PTMs或修飾組蛋白變體的組合，以指導特定的轉錄結果，包括SWI/SNF復合物(switching defective/sucrose nonfermenting)、溴結構域和額外末端結構域蛋白(bromodomain and extraterminal domain，BET)等[5]。此外，一些染色質結構因子如CCCTC結合因子(CTCF)以及高遷移率族蛋白也參與此過程。

二、ATP依賴性染色質重塑物在心血管疾病及病理中的作用

目前為止，人們對心臟病理過程中ATP依賴性染色質重塑物作用的認識還僅限于SWI/SNF復合物。SWI/SNF復合物在種屬間具有較高的保守性，通過結合相應的DNA序列，改變染色質局部形態，從而調控基因的表達[6]。SWI/SNF人類亞家族主要有兩種復合物成員，一種由10亞基構成的BRG1或BRM相關因子(BRG1/BRM-associated factors，BAF)復合物，另一種由12個亞基組成的polybromo相關BAF(polybromo-associated BAF，PBAF)復合物。BRM(brahma)和BRG1(brahma-related gene 1)作為SWI/SNF的核心催化亞基在心臟發育、心臟功能整合及心肌病理性重構調控過程中均具有重要意義，此外DPF3a(BAF45c)、BAF250a、BAF250b等亞基表達異常也會對心臟發育造成損害。

1.心臟發育異常：在胎兒時期，心肌細胞中以BRG1的表達為主，出生后 BRG1迅速回落，并以BRM表達為主。當心臟出現病理表型時BRG1則再度升高。BRG1通過控制相關基因表達以調控細胞增殖分化來輔助心臟發育。心內膜中的BRG1控制心肌小梁發育，且胚胎早期敲除BRG1基因，會出現嚴重的心臟缺損(如間隔缺損、半月板受損、嚴重心肌發育遲滯、心內膜發育受限等)甚至胚胎死亡，這些缺陷均與心肌細胞的增殖障礙相關。在成年期心臟組織中靶向敲除BRG1基因后，心肌對心肌肥厚產生抵抗，從而減輕病理重塑及心力衰竭進展[7]。此外，BRG1在先天性心臟病心肌細胞中的低甲基化和表達降低同樣證明BRG1的異常表達與心臟發育異常密切相關[8]。

2.病理性心肌肥厚：心室增厚和擴大可見于病理性心肌肥厚，其是對生物力學應力增加的補償反應。HATs和HDACs是心臟肥大的重要調節劑，在成熟心肌細胞中，BRG1能夠被異常激活并與HDAC和聚腺苷二磷酸核糖聚合酶1(poly adp-ribose polymerase1，PARP-1)形成復合物, 誘導心肌細胞α肌球蛋白重鏈(α-myosin heavy chain，α-MHC)表達向β肌球蛋白重鏈(β-myosin heavy chain，β-MHC)轉變，而α-MHC基因的下調和β-MHC基因的異常表達與成熟心肌細胞的病理性肥厚明確相關[9]。BRG1還可以在肌球蛋白重鏈6(myosin heavy chain6，Myh6)、肌球蛋白重鏈7(myosin heavy chain7，Myh7)、心鈉肽(atrial natriuretic peptide，ANP)、腦鈉肽(brain natriuretic peptide，BNP)的啟動子區域募集增加，增強其轉錄活性，促進心力衰竭的發生、發展。這提示BRG1和相關因子可能是治療心肌肥厚和心力衰竭的重要靶點。

3.心肌重構：心肌重構是高血壓、心肌梗死、心力衰竭等共同的病理生理變化，且BRG1參與此過程。研究發現，活化過氧化物酶體增殖物激活受體γ(peroxisome proliferators-activated receptors，PPARs)會改善心臟重塑大鼠的心臟功能受損，且減少間質纖維化。PPARγ的活化通過抑制NF-κB通路，下調了BRG1的活性和轉化生長因子β1(transforming growth factor-β1，TGF-β1)在心臟重塑的表達。也抑制了細胞增殖和膠原產生心臟成纖維細胞[10]。由于TGF-β1在心臟的纖維化重塑、成纖維細胞活化和細胞外基質沉積中起關鍵作用，且BRG1可以被心臟應激激活并形成HDAC和PARP復合物導致心肌肥大。因此，通過激活PPARγ抑制BRG1表達將是臨床上有望緩解心臟重塑的新型治療靶標，并為減緩高血壓、心力衰竭等心臟病的發展提供新的治療方向。

4．心肌缺血再灌注損傷：心肌缺血再灌注損傷(myocardial ischemic reperfusion injury，MIRI)的標志性事件是中性粒細胞浸潤的增加和隨之而來的炎性反應。徐勇等進行動物實驗發現，與野生型小鼠比較，內皮BRG1特異性缺失的小鼠在MIRI 后，表現出心肌梗死面積減小、心臟纖維化減輕及心臟功能更好的恢復。此外，內皮細胞中BRG1的缺失抑制了MIRI后心臟中性粒細胞的浸潤并下調了促炎性介質的水平[11]。進一步研究發現，BRG1通過與組蛋白H3K9脫甲基酶JMJD2B相互作用，促進了其介導的內皮對中性粒細胞的黏附作用，加強心肌炎性損傷[12]。總之，BRG1-JMJD2B復合物在內皮細胞中促進中性粒細胞浸潤，從而導致心肌缺血再灌注損傷。該研究為挽救MIRI 的心肌細胞和心臟功能提供重要的干預靶點。

5．心肌梗死：急性心肌梗死(acute myocardial infarction，AMI)是由于供應心臟的血流急劇減少或關閉導致的心肌細胞缺血和缺氧和壞死，是心血管疾病病死率高的主要原因之一。因此，更好地理解心肌對缺血性損傷反應的復雜性可以為AMI的治療或預防提供新的方法[13]。研究發現，BRG1對AMI的缺血缺氧心肌細胞具有保護作用。盡管BRG1在成年心肌細胞中被下調，但在心臟應激時會被重新激活。AMI期間BRG1水平上調，且BRG1的上調增加了血紅素加氧酶1(heme oxygenase1，HO1)和核因子E2相關因子2(nuclear factor erythroid2-related factor2，NRF2)的表達水平，以減輕心肌細胞的氧化應激并上調心肌細胞的活力[14]。這使得BRG1-NRF2-HO1途徑可能是預防AMI患者心臟功能障礙的一種新型治療靶點。

6．心律失常：心律失常是導致心源性猝死的主要原因之一，也是人類心力衰竭中最常見和最重要的病理改變之一。BRG1/BRM可以通過直接結合間隙連接蛋白和離子通道基因的啟動子，以及通過抑制c-Myc的表達來維持傳導系統幾種心源性轉錄因子的表達[15]。通過對BRG1/BRM雙敲除小鼠進行超聲心動圖和心電圖監測后發現，BRG1/BRM雙敲除小鼠表現出快速進行性心室功能障礙，包括傳導缺陷和惡性心律失常，最終在3周內導致心力衰竭和死亡。可見，BRG1和BRM是心肌內心臟傳導所必需的。

三、其他染色質調控因子在心血管疾病中的作用

1．BRD4：BRD4(bromodomain containing4)是BET家族成員，在超增強子(super enhancer，SEs)形成和癌基因表達調節中發揮重要作用。目前，很多證據表明BRD4在多種心血管疾病中也起著關鍵作用。

研究發現，抑制BRD4會促進載脂蛋白和高密度脂蛋白的增加，促進膽固醇動員，延緩動脈粥樣硬化的發展[16]。其次，炎癥信號可以通過HATp300促進NF-κB乙酰化，而BRD4可以被乙酰化的NF-κB招募成為促炎基因的增強子和啟動子進而形成SE位點[17]。BRD4還會上調活性氧(reactive oxygen species，ROS)的產生，持續炎癥和ROS的過度產生會導致內皮功能障礙，增加冠脈斑塊的脆性和血栓栓塞的風險[18]。

BRD4是一種乙酰賴氨酸讀碼蛋白，能夠輔助病理基因表達。BRD4識別組蛋白的變化，將染色質介導的信號轉導到RNA聚合酶Ⅱ，從而激活參與心臟肥大、心力衰竭等發病機制中的多種轉錄因子表達。在PE誘導的心臟肥大模型中，BRD4被包括NPPA和NPPB在內的病理基因的啟動子招募，參與心肌細胞中SE的形成以誘導這些基因的轉錄，從而加劇心力衰竭的發生和進展[19]。

研究發現,BRD4的表達增加且BRD4的表達水平與血壓呈正相關，而使用BRD4抑制劑可顯著降低高血壓大鼠模型中AngⅡ、TNF-α、內皮素1的水平，并顯著提高一氧化氮水平和錳超氧化物歧化酶(Mn-superoxide dismutase，MnSOD)的活性[17]。總之，抑制BRD4對高血壓、心臟肥大等心血管疾病的進展具有阻遏作用，其有可能成為心血管疾病的治療標靶。

2．CCCTC結合因子：近年來，染色體構象捕獲(3C)技術推動了人們對染色質三維結構的認識。染色質拓撲結構域(topological associated domain，TADs)是染色質高階結構中重要的結構單元，在物種間高度保守，十分穩定。TADs在調控基因表達、細胞分化、系統發育等生物學過程中起重要作用。TADs的形成依賴于兩個高度保守因素的相互作用：凝聚素和CCCTC結合因子(CTCF)。凝聚素是一種環狀復合物，最初被認為是姐妹染色單體凝聚的介質，CTCF利用其11個鋅指結構域的獨特組合與其他蛋白質相互作用，并以序列特異性方式結合整個基因組[20]。CTCF可阻止增強子和啟動子之間的相互作用，CTCF結合位點在TAD邊界富集，且CTCF或其結合位點在這些邊界的缺失影響結構域間和結構域內的相互作用，隨后影響基因表達的調節[21]。

Rosa-Garrido團隊用3C技術首次繪制了成人心肌細胞的3D染色質的結構圖。他們發現CTCF的特異性敲除可誘導心肌病且加速死亡，這通過射血分數降低、左心室內徑和纖維化增加以及心臟肥大來測量[22]。此外，施行主動脈弓縮窄術(TAC)的小鼠心肌細胞染色質結構大致保持穩定，而CTCF敲除小鼠表現出約99% TADs破壞，CTCF環消失。對假手術和TAC術小鼠心肌細胞行HE染色顯示CTCF缺失小鼠的心臟擴張更加明顯[23]。另外，長非編碼RNA SNHG16在心臟肥大模型中的表達較高，且SNHG16的沉默可能會通過靶向miR-182-5p/IGF1軸抑制AngⅡ引起的心臟肥大。CTCF作為SNHG16的轉錄因子，可增強其表達并上調其靶向miR-182-5p/IGF1軸加速AngⅡ誘導的心臟肥大[24]。總之，CTCF的結構完整和正常表達對染色質空間結構、心臟發育及功能至關重要。

3.高遷移率族蛋白：高遷移率族蛋白B2(high mobility group protein b2，HMGB2)和高遷移率族蛋白B1(high mobility group protein b1，HMGB1)是高遷移率族家族的成員，其通過結合DNA以穩定核小體和參與轉錄、復制和DNA修復。研究發現，在肥大心臟中，HMGB1的表達減少，且HMGB1的缺失會增加胎兒心臟基因表達，而HMGB1的過度表達則會抑制胎兒心臟基因的表達[25]。這些證據表明HMGB1可防止肥大，這與HMGB1對DNA損傷的抑制作用有關。

另外，Yuichi等研究發現，心肌細胞中HMGB2的缺失會通過使蛋白激酶B失活和肌質網鈣離子ATP酶2a(Ca2+ATPase2a)活性降低來導致心臟肥大并增加心力衰竭相關基因的表達，引起心臟功能障礙[26]。在TAC誘導的心臟肥大模型中HMGB2的表達明顯升高，且TAC后，HMGB2缺失小鼠表現出比野生小鼠加重的心功能障礙和加速的心力衰竭發展，心力衰竭標志物也更高。由此可知，心臟HMGB2的上調是對心臟應激的適應性反應，HMGB2可能起著心臟保護作用。

四、展 望

基于對表觀遺傳學的深入研究，染色質調控因子在心臟發育、心肌病、心力衰竭等心血管疾病中發揮的重要作用越來越受到重視。而上述調控染色質重塑的因子分別從細胞炎癥、轉錄、染色質構象改變等方面參與心血管疾病過程。盡管當前研究表明BRG1在治療心律失常、心肌肥厚、心力衰竭等心臟疾病有很大臨床轉化潛能，但除SWI/SNF復合物以外的其他ATP依賴的染色質重塑復合物對心血管疾病的作用仍有待研究。同時，Hi-C、3C、5C等技術手段的發展使我們認識到受這些因子調控的染色質的三維空間結構改變、拓撲動力學變化、染色質可及性改變以及疾病亞型特異的染色質構象改變[27]。這為研究新型的干預靶點、干預策略，包括相關抑制劑、激動劑、調節劑等干預類型以及預后提供新的理論基礎和研究方向。