炎癥小體在心力衰竭發生發展中的作用及表觀遺傳學調控機制研究進展

潘璐, 黨時鵬, 張楨燁, 李庫林, 王如興

(南京醫科大學附屬無錫人民醫院心內科, 江蘇 無錫 214023)

心力衰竭(心衰)是臨床上最為常見的心血管疾病之一,與患者高住院率和死亡率密切相關。心衰時心臟泵血功能受損,心排血量不能滿足周圍組織代謝的需要。從病理生理學角度來說,心臟處于絕對或相對低輸出量,和(或)心排血量病理性分布,從而導致一種以呼吸困難或疲勞等為主要癥狀和以頸靜脈壓升高、心動過速或周圍水腫等為主要體征的臨床綜合征[1]。心衰已經是一個日益嚴重的公共衛生問題,其所帶來的發病率和死亡率,給醫療保健系統帶來了前所未有的經濟負擔。心室重構是導致心衰的主要發病機制之一[2]。此外,各種原因導致的心肌損傷(如壓力負荷、缺血和炎癥等)都會引起心衰的發生[3]。

炎癥小體已被證實與多種臨床疾病相關。炎癥小體的異常激活與心衰的發生發展密不可分。而DNA甲基化、組蛋白修飾、非編碼RNA等表觀遺傳學機制在炎癥小體參與心衰發生發展過程中起重要調控作用。本文主要綜述炎癥小體在心衰發生發展過程中的作用及其表觀調控機制。

1 炎癥小體的概念

炎癥小體是由多種蛋白質組成的復合體,能夠調節半胱天冬氨酸蛋白酶-1(cysteinyl aspartate specific proteinase,caspase-1)的活化,促進細胞因子前體白介素-1(pro-interleukin-1,pro-IL-1)的成熟。通過識別病原相關分子模式和損傷相關分子模式、活性氧、膽固醇結晶和環境刺激物引起組織炎癥反應和炎癥性細胞死亡——細胞焦亡(pyroptosis)的過程[4]。雖然目前為止已經發現了多種炎癥小體,但最具特征性的仍然是核苷酸結合寡聚化結構域樣受體蛋白3(NOD-like receptor protein 3,NLRP3)炎癥小體,其可以在疾病狀態下識別非微生物相關危險信號引起無菌性炎癥的發生[5-6]。NLRP3炎癥小體由三個結構域組成:一個氨基末端嘧啶結構域、一個羧基末端富含亮氨酸重復序列結構域和一個中心的核苷酸結合寡聚化結構域。NLRP3被激活后,NLRP3蛋白招募接頭蛋白凋亡相關微粒蛋白(apoptosis-associated speck-like protein containing CARD,ASC),后者招募pro-caspase-1,誘導其自切割和活化,從而誘導炎癥相關細胞因子的成熟、分泌和細胞焦亡的發生[7]。NLRP3炎癥小體的異常激活與多種疾病的發生有關,如糖尿病、動脈粥樣硬化、代謝綜合征、心血管和神經退行性疾病等[8]。

2 炎癥小體在心衰中的作用

在心血管代謝疾病患者中,心肌炎癥由模式識別受體(如Toll樣受體4)介導的固有免疫細胞激活,而下游激活的NLRP3炎癥小體和核因子κB(nuclear factor kappa-B,NF-κB)依賴性通路進一步刺激炎癥的發生。慢性低度炎癥逐漸改變心臟的代謝過程,形成代謝性心肌病表型,最終導致射血分數保留型心衰的發生[9]。而心肌梗死會引起心肌缺血和缺氧,導致劇烈的全身氧化應激反應,并產生大量活性氧,激活NLRP3炎癥小體。無論是心臟的缺血性或非缺血性損傷都會誘導NLRP3炎癥小體的激活。在多種心臟疾病(如心肌梗死、高血壓、代謝疾病相關心臟病及藥物導致的心臟毒性反應等)的急性或亞急性期,心肌細胞的直接損傷和(或)神經激素的激活都會促進NLRP3依賴性炎癥和心室重構的發生,最終導致心衰[10]。心肌炎癥和心室重構作為心衰的標志,與患者的預后息息相關[11]。

2.1 炎癥小體在心肌炎癥反應中的作用

炎癥與心衰的發展互為因果,相輔相成。由心肌缺血或感染等因素引起的心肌細胞損傷是炎癥引發心臟功能障礙的基礎[12]。在急性心肌梗死時受傷的組織通過釋放損傷相關分子模式信號來促進NLRP3炎癥小體的激活。在炎癥小體激活后,活化的caspase-1在急性心肌梗死中發揮雙重效應。一方面促進細胞焦亡,引起梗死面積增大;另一方面促進細胞因子的釋放,如IL-1β和IL-18,導致心臟收縮功能障礙[13]。另一項研究報道,在急性心肌梗死時的急性炎癥反應中,IL-17A可誘導巨噬細胞浸潤加劇和NLRP3炎癥小體高度活化,同時巨噬細胞釋放促炎癥因子IL-1β,最終導致梗死面積增大和心臟功能下降[14]。

由多種微生物感染后引發的敗血癥會導致NLRP3炎癥小體的激活,NLRP3介導無活性的pro-IL-1β轉化為有活性的IL-1β,IL-1β與IL-1受體結合作用于心肌細胞,激活NF-κB,從而影響心肌細胞的收縮和舒張功能,導致膿毒性心肌病的發生,以及促炎癥細胞因子在心臟中表達的進一步增加[15]。有研究發現,在脂多糖誘導的小鼠膿毒性心肌病模型中,干擾素基因刺激蛋白-干擾素調節因子3可以通過激活小鼠NLRP3炎癥小體引起心肌炎癥、心肌細胞凋亡和細胞焦亡的發生,從而促進脂多糖引起的心臟功能障礙[16]。在脂多糖刺激的H9c2細胞中,硫還原蛋白結合蛋白參與NLRP3炎癥小體的激活[17]。

2.2 炎癥小體在心室重構中的作用

研究表明,NLRP3炎癥小體在心室重構期間被大量激活,并促進其進展[18]。心肌細胞中的炎癥小體激活由β1-腎上腺素受體介導,而心肌成纖維細胞主要表達β2-腎上腺素受體;激活的炎癥小體誘導心肌細胞中pro-IL-18的裂解和激活。IL-18刺激心肌成纖維細胞產生單核細胞趨化蛋白-1,這進一步導致巨噬細胞浸潤,引起更多的趨化因子產生和炎癥級聯反應的激活[19]。而炎癥小體激活在心肌成纖維細胞中的作用也得到了廣泛研究,有研究發現心肌成纖維細胞中的炎癥小體被活性氧和鉀外流激活,從而產生IL-1β和心臟炎癥[20]。因此,心臟細胞中的炎癥小體激活后可能會在病理條件下引發心臟炎癥,然后心臟中不同類型的細胞共同作用促進心室重構和心衰的發生發展[21]。

當心臟負荷過重時,心肌細胞中鈣/鈣調素蛋白依賴的蛋白激酶ⅡD(calcium-calmodulin dependent protein kinase Ⅱ delta,CaMKⅡδ)信號在炎癥小體參與心室重構中發揮著重要作用[22]。有研究發現,心肌細胞內CaMKⅡ內源性抑制劑缺失可以增強心肌梗死后NLRP3炎癥小體的激活,從而促進炎癥放大,加劇心室重構[23]。除此之外,最近研究顯示NLRP3炎癥小體的激活參與糖尿病糖脂質代謝紊亂引起的氧化應激/炎癥相關心室重構以及心室功能障礙[24]。

3 炎癥小體致心衰的表觀遺傳學機制

生物學過程可以通過基因遺傳和表觀遺傳機制來實現調控。表觀遺傳調節通常定義為一種可以產生基因表達潛在可遺傳變化,而不涉及DNA序列改變的機制。這些基因表達潛在可遺傳變化可以通過至少三種主要機制來實現,包括DNA甲基化、組蛋白翻譯后修飾和非編碼RNA表達[25]。DNA甲基化、組蛋白翻譯后修飾和基于非編碼RNA的調節對炎癥小體的活性發揮了重要的表觀調控作用,而表觀調控的失調可能導致炎癥小體相關疾病的發生發展[26]。

3.1 DNA甲基化調控的機制

接頭蛋白ASC是炎癥小體的重要組成部分,其基因表達由表觀遺傳修飾調控,這可能是炎癥小體參與心衰發展的潛在機制[27]。ASC的基因表達由外顯子1啟動子區域CpG島的DNA甲基化進行表觀遺傳調控[28]。ASC基因CpG島的高甲基化會導致基因沉默和凋亡抑制[29]。已證明抑制ASC表達可以減少IL-1β的激活,并可能抑制炎癥小體介導的炎癥[30]。有研究表明,ASC基因CpG島DNA甲基化程度與心衰患者射血分數呈正相關[27],也可能與心衰患者的有氧能力有關[31]。

3.2 組蛋白翻譯后修飾調控的機制

組蛋白是和DNA共同組成核小體(染色質的基本單位)結構的蛋白質,是發生在多種氨基酸殘基N端尾部的蛋白翻譯后修飾的底物,其可發生磷酸化、乙酰化、甲基化、類泛素化、泛素化、生物素化和最近發現的血清素化等[32]。組蛋白去乙?；?(histone deacetylase 6,HDAC6)是一種Ⅱb類去乙?；?它具有兩個去乙酰化結構功能域和一個泛素結合鋅指結構域[33]。由于其獨特的結構,HDAC6可以調節各種生理過程,這其中包括NLRP3炎癥小體。在NLRP3炎癥小體的啟動中,HDAC6促進NF-κB的激活以加快NLRP3、pro-IL-1β和pro-IL-18的轉錄。此外,HDAC6在NLRP3炎癥小體的蛋白翻譯后修飾中同時發揮著負性和正性的作用。一方面,HDAC6可以直接與泛素化后的NLRP3蛋白相互作用,以阻止NLRP3炎癥小體的激活。另一方面,HDAC6作為動力蛋白接頭蛋白,以一種聚集小體樣的方式,促進NLRP3炎癥小體的逆向轉運激活。最后,NLRP3炎癥小體釋放有活性的caspase-1,促進pro-IL-1β/IL-18向IL-1β/IL-18轉變,并裂解Gasdermin D(GSDMD)來誘導細胞焦亡[34]。最新研究發現蛋白質精氨酸甲基轉移酶5(PRMT5)通過NF-κB/NLRP3促進腦缺血/再灌注的炎癥和細胞焦亡過程[35],但組蛋白甲基化對炎癥小體在心衰過程的表觀調控仍有待進一步的探討。

3.3 非編碼RNA調控的機制

約99%的人類基因組不參與編碼蛋白質,但具有轉錄活性,其為廣泛的非編碼RNA,具有重要的調控和結構功能。非編碼RNA已被確定為心血管危險因素和細胞功能的關鍵調節因子,為心血管疾病的診斷和治療提供了一個新思路[36]。非編碼RNA可以分為轉運RNA、核糖體RNA、微小RNA(microRNA,miRNA)、小干擾RNA、長鏈非編碼RNA(long non-coding RNA,lncRNA)和環狀RNA(circular RNA,circRNA)等。其中,miRNA、lncRNA和circRNA對炎癥小體表觀調控的研究最為廣泛。

3.3.1 miRNA miRNA在心衰的發生發展過程中發揮著重要的調控作用。由于miR-129-5p表達水平與臨床心衰程度成反比,所以認為是診斷心衰的生物標志物[37]。作為心衰的生物標志物,miR-129-5p在心肌缺血/再灌注期間異常表達。有研究發現,轉化受體電位陽離子通道亞家族M成員7(transient receptor potential cation channel subfamily M,member 7,TRPM7)是miR-129-5p的作用靶點,并且受miR-129-5p的負性調控。通過體外缺氧/復氧模型,誘導H9c2細胞中NLRP3炎癥小體的激活,miR-129-5p模擬物可部分抵消缺氧/復氧誘導的NLRP3、ASC和caspase-1的上調,并且抑制暴露于缺氧/復氧條件下的H9c2細胞caspase-1活性的升高。而當TRPM7過度表達時,這一效應又被抵消。這些結果表明,miR-129-5p可以通過靶向作用于TRPM7和抑制NLRP3炎癥小體的激活,對缺氧/復氧誘導損傷的H9c2細胞產生保護作用[38]。在正常大鼠、心衰和心衰相關室性心律失常大鼠中,lncRNA SOX2重疊轉錄本(SOX2-overlapping transcripts,SOX2-OT)的表達和NLRP3炎癥小體的水平逐漸增加。miR-2355-3p可以結合SOX2-OT以及NLRP3炎癥小體的3′未翻譯區域。而沉默SOX2-OT的表達則抑制了NLRP3、ASC、caspase-1、IL-1β和轉化生長因子β1(transforming growth factor beta 1,TGF-β1)的表達和活性氧的產生,降低了心衰相關室性心律失常大鼠心肌細胞壞死和纖維化程度,從而緩解心臟功能障礙[39]。

Zuo等[40]發現,miR-330-5p/T淋巴細胞免疫球蛋白黏蛋白3(T cell immunoglobulin and mucin domain-containing protein 3,TIM3)軸參與NLRP3炎癥小體介導的心肌炎癥。miR-330-5p通過直接結合TIM3 3′未翻譯區域中的目標位點抑制TIM3的表達,從而抑制NLRP3炎癥小體信號通路的激活,改善心肌缺血/再灌注損傷和炎癥過程。自身免疫性心肌炎是擴張性心肌病和心衰的病因之一。一項動物實驗觀察到miR-223-3p在實驗性自身免疫性心肌炎小鼠血清中的表達明顯低于正常小鼠,使用miR-223-3p高表達的樹突狀細胞輸注治療后,小鼠心肌組織中的炎癥浸潤得到顯著緩解,心臟功能也得到改善。此外,研究進一步發現miR-223-3p可以與NLRP3的3′未翻譯區域結合,靶向作用于NLRP3。miR-223-3p類似物除抑制IL-1β的分泌外,還抑制NLRP3、caspase-1在細胞中的表達。但在使用miR-223-3p抑制劑轉染后,NLRP3、caspase-1和IL-1β的表達水平顯著提高[41]。IL-1家族與多種纖維化疾病發生發展相關,IL-1β軸與心臟纖維化相關,其是病理重塑和心衰進展的標志[42]。而miRNA對NLRP3炎癥小體的表觀調控,影響IL-1β的表達,導致心衰的進展。

3.3.2 LncRNA 除miRNA外,lncRNA在心衰發生中也起重要作用。LncRNA是基因表達的新調節劑,它們可以作為內源性競爭RNA或海綿,以減少靶向miRNA的功能可用性[43]。LncRNA肺腺癌轉移相關轉錄本1(metastasis-associated lung adenocarcinoma transcript 1,MALAT1)是參與糖尿病心肌病發病機制最知名的lncRNA之一,研究發現石榴皮提取物可以減少糖尿病心肌病大鼠心臟組織中MALAT1的表達而抑制NLRP3/caspase-1/IL-1β信號通路,發揮抗炎、抗纖維化的作用,從而保護心臟[44]。Che等[45]發現MALAT1起到內源性競爭RNA的作用,可以降低miR-141水平。MALAT1過度表達時,通過調節miR-141的表達,進一步加強經高糖處理的心肌成纖維細胞中NLRP3炎癥小體的活性和TGF-β1/Smads信號,促進心臟纖維化的發展。而褪黑素可以通過抑制MALAT1/miR-141介導的NLRP3炎癥小體激活和下調TGF-β1/Smads信號產生抗纖維化作用。在糖尿病心肌病小鼠的心肌組織中,lncRNA生長阻滯特異性轉錄本5(growth arrest specific transcript 5,GAS5)的表達顯著下降,同時NLRP3、caspase-1、pro-caspase-1、IL-1β和IL-18的表達增多。LncRNA GAS5過度表達可以抑制NLRP3、caspase-1、pro-caspase-1、IL-1β和IL-18的表達,從而抑制糖尿病心肌病中NLRP3炎癥小體激活介導的細胞焦亡過程,改善糖尿病心肌病小鼠的心臟功能障礙和心肌肥厚[46]。

3.3.3 circRNA Bian等[47]在小鼠缺血和缺氧心肌細胞中,觀察到NLRP3炎癥小體的激活,主要表現為NLRP3、caspase-1等表達和IL-1β釋放的增加,同時還伴有circHelz表達的上調。circHelz高表達時,miR-133a-3p表達明顯減少。而沉默circHelz可以減少小鼠心肌梗死面積,減輕心臟收縮功能的損傷。因此circHelz通過降低miR-133a-3p的活性和表達水平,激活NLRP3炎癥小體,誘導心肌促炎癥反應和心肌細胞焦亡,加劇小鼠心梗后心臟功能障礙。與circHelz作用相反的是,circ003593可以滅活NLRP3復合物,并且與心肌細胞增殖和凋亡有關[48]。雖然其機制有待進一步研究,但可能為缺血性心肌病帶來的心臟功能障礙提供一個新的研究方向。

4 小結

近年來,心衰的發病率和死亡率逐漸上升,其不良預后給患者及醫療衛生行業帶來了嚴重的負擔。目前已有多項研究發現炎癥小體對心衰的發生有重要影響,而表觀遺傳學在炎癥小體參與心衰發生過程中起著重要調控作用。針對表觀遺傳調節因子的生物療法已被認為是治療炎癥相關疾病重要且有效的臨床方法,雖然腫瘤治療是當前臨床表觀遺傳學應用的重點,但在癌癥以外的其他醫學領域(如自身免疫性疾病、心血管疾病等)也正在進行大量臨床試驗和臨床前研究。因此,對炎癥小體和表觀遺傳調控的研究不僅可開拓心衰發病機制研究的新方向,而且可能為心衰的治療提供新的潛在靶點。