去甲基化酶JMJD3在肺部疾病發病中的作用研究進展

全慧 陳莎

組蛋白的共價修飾包括乙酰化、甲基化在基因表達調控上起著重要的作用。組蛋白H3的N端賴氨酸(Lysine,K)修飾最為多樣和重要,K4(代表4位賴氨酸)、K9和K27等為甲基化修飾位點,而K9、K14和K27等為乙酰化修飾位點。組蛋白乙酰化修飾擁有基因激活效應,而甲基化修飾則存在位點差異[1]。甲基化的賴氨酸的殘基以及甲基化的狀態(單甲基化、二甲基化、三甲基化)能夠促進或者抑制基因的轉錄[2]。甲基轉移酶和去甲基化酶動態調控組蛋白甲基化。H3K27甲基化是基因激活的重要表觀遺傳機制,目前已經鑒定出兩種去甲基化酶:賴氨酸特異性去甲基化酶6A(Lysine-specific demethylase 6A,KDM6A)和含Jumonji結構域-3(jumonji domain-containing protein 3,JMJD3),也稱為KDM6B(Lysine-specific demethylase 6B)[3]。JMJD3在胚胎發育、炎癥、衰老、腫瘤等多種生物學過程中發揮著關鍵作用[4]。因JMJD3廣泛調控參與分化、增殖、衰老、凋亡等基因,所以在對環境和細胞應激反應中作用顯得尤為重要[5],而目前關于JMJD3在肺部疾病中的研究甚少。本文就JMJD3在肺部疾病中作用的研究進展作一綜述,旨在為今后的研究工作奠定一定的理論基礎。

一、JMJD3的結構與功能

JMJD家族成員的C端和N端都包含有一個轉錄因子家族Jumonji小的特征結構域,分別稱為JmjC和JmjN。JmjC是JMJD 家族酶活性中心的組成之一,JmjN 結構域與轉錄調節相關,主要作用是核定位。在JMJD3的N端域有兩種經典的核定位信號,能夠通過與異源體融合增強H3K27me3的去甲基活性[6]。JMJD3是包含有JmjC的蛋白質家族成員,在進化中高度保守,定位于染色體17p13.1,編碼一條包含有1682個氨基酸的多肽鏈,平均分子量176632 Da。Fe2+、O2和α-酮戊二酸的輔助下,JMJD3的JmjC結構域催化H3K27me3中賴氨酸殘基的氨基發生羥基化修飾,而羥基化的賴氨酸殘基自動脫下甲醛而形成去甲基化的賴氨酸殘基[7-8]。

二、JMJD3在肺部疾病中的作用

1 JMJD3與肺發育

多種肺疾病的發生與肺早期發育分化不良有關,但是關于肺正常發育的分子機制至今還不完全清楚。Bonafiglia等[9]報道肺發育異常可出現繼發性肺動脈高壓,這也是嬰兒支氣管肺發育不良死亡的主要原因。JMJD3在內胚層分化開始通過去甲基化H3K27me3激活WNT3,在內胚層分化結束時激活Dickkopf相關蛋白1 (Dickkopf-related protein 1,DKK1),JMJD3的失活可以引起呼吸衰竭,導致圍產期死亡。Li等[10]報道JMJD3全敲可導致與肺發育缺陷相關的圍產期死亡,JMJD3缺乏時通過與轉錄因子Nkx2.1和表觀蛋白質Brg1相互作用募集于SP-B的啟動子下調SP-B的表達,從而影響肺的發育與功能。馮歡等[11]用HE 染色、PAS 染色和免疫組化方法檢測E19.5 JMJD3 基因敲除胎鼠肺生長發育情況,發現純合型敲除(JMJD3-/-)胚胎肺發育明顯不良,支氣管的纖毛上皮細胞和 Clara 細胞以及肺泡的Ⅰ型和Ⅱ型上皮細胞分化不良,并且肺上皮細胞的增殖指數要高于野生型和JMJD+/-組。以上研究結果表明JMJD3在胚胎發育過程中能促進肺的形成[12]。

2 JMJD3與肺癌

肺癌是最常見的惡性腫瘤之一,也是全球癌癥致死的首位原因,占癌癥致死總數的18%,嚴重威脅著人民的健康和生命[13]。田翠杰等[14]的研究結果表明JMJD3促進A549細胞增殖,降低G1期細胞數量和細胞衰老標記物p21mRNA表達,但對細胞遷移無明顯作用。JMJD3過表達可誘導FOXO1在NSCLC細胞核內聚集,從而促進細胞凋亡。Zhang等[15]發現JMJD3通過激活上皮間充質轉化(epithelial-mesenchymal transition,EMT)信號通路促進非小細胞肺癌(non-small cell lung cancer,NSCLC)細胞的侵襲性和遷移能力,同時,細胞因子TGF-β能夠增強JMJD3對NSCLC細胞功能的影響。JMJD3過表達可誘導FOXO1在NSCLC細胞核內聚集,從而促進細胞凋亡[16]。同時,Lee等[17]報道JMJD3通過syntenin-TβR1復合體、Smad2/3的激活、腫瘤細胞的遷移和侵襲調控TGF-β誘導的EMT。肺原發性肉瘤樣癌(primary sarcomatoid carcinoma,PSC)是一種罕見的非小細胞肺癌亞型,預后較差,缺乏診斷和預后的生物標志物。Li等[18]用免疫組化檢測96例PSC病人JMJD3的表達情況,發現JMJD3的過表達與腫瘤的大小、pN分期和臨床分期顯著相關,并且通過單因素生存分析顯示JMJD3陽性表達與患者生存期縮短顯著相關。更為重要的是,多因素分析發現JMJD3是肺癌肉瘤樣癌的獨立預后因素,這提示JMJD3有望成為肺癌診斷及治療的新型標志物,但是具體的分子調控機制仍需進一步探索。

3 JMJD3與急性肺損傷

急性肺損傷(ALI)/急性呼吸窘迫綜合征(ARDS)以急性低氧性呼吸衰竭伴雙側胸部影像學浸潤為特征,不能完全用心力衰竭或液體超負荷來解釋[19]。其誘發因素包括肺炎、非肺源性敗血癥、外傷、胰腺炎、燒傷等引發了一系列失調的炎癥反應和細胞因子激活[20]。JMJD3可以增強感染和傷口愈合中的促炎和抗炎反應。細菌毒素脂多糖(lipopolysaccharide,LPS)通過NF-κB信號通路降低JMJD3的表達,這表明內源性JMJD3可能進一步限制促炎細胞因子基因的表達[21]。Peng等[22]報道在LPS刺激后,小鼠肺組織和A549細胞中JMJD3的表達量顯著提高。JMJD3缺失時以Nrf2依賴的方式通過抑制肺泡上皮細胞鐵死亡改善LPS誘導的肺損傷。在急性肺損傷模型中,由于肺泡血管上皮屏障的破壞,巨噬細胞的數目顯著增加,促進激活的巨噬細胞凋亡以此來減少激活的巨噬細胞,從而加速炎癥的消退和緩解肺損傷。Gao等[23]發現JMJD3誘導的H3K27me3去甲基化上調ADORA2A的轉錄,通過抑制巨噬細胞凋亡加劇ALI的進展。腫瘤壞死因素(tumour necrosis factor-α,TNF-α)是一種由激活的巨噬細胞釋放的炎癥因子,ADORA2A通過抑制TNF-α,抑制巨噬細胞凋亡。C/EBP-β能夠通過JMJD3誘導的H3K27me3去甲基化調控炎癥反應,與巨噬細胞凋亡存在一定的關聯性。此外,JMJD3上調ADORA2A 的表達主要是通過JMJD3-H3K27me3-C/EBPβ-ADORA2A信號通路來調節,JMJD3降低時可以緩解LPS對肺組織的損傷作用。JMJD3的抑制劑GSK-J1降低Toll-like receptor 4的表達,阻斷下游NF-κB促炎信號通路,隨后降低了LPS刺激的TNF-α、IL-1β、IL-6的上調[24]。因此JMJD3可能作為一種預防膿毒癥引起肺損傷的新型候選藥物。

4 JMJD3與肺動脈高壓

肺動脈高壓(pulmonary hypertension,PH)是指由多種異源性疾病(病因)和不同發病機制所致肺血管結構或功能改變,引起肺血管阻力和肺動脈壓力升高的臨床和病理生理綜合征,繼而發展成右心衰竭甚至死亡[25]。在PH中,肺血管重塑不僅是肺動脈壁中不同血管細胞的積累,而且也是毛細血管前動脈減少和血管周圍炎性細胞浸潤過度。已有研究證明,炎癥是PH血管重塑的易感性和進展的關鍵作用因素。炎癥介導的肺動脈血管的重塑削弱了血管的三個組成部分:內膜、中膜、外膜。炎癥通路可能是目前除了批準的靶向治療endothelin、nitric oxide/cyclic GMP和prostacyclin生物通路之外的一種新型PH特異性藥物[26]。最近,有研究強調表觀遺傳修飾導致促炎反應通路、內皮功能障礙和PH的進展。越來越多的證據表明,表觀機制比如DNA甲基化、組蛋白修飾、non-coding RNA調控內皮細胞的激活。甲基化和乙酰化是調控炎癥和內皮細胞的最顯著的組蛋白修飾[27]。Shao等[28]研究發現在野百合堿誘導的PH大鼠模型中,JMJD3蛋白的表達在重塑的肺動脈的三層細胞(內皮細胞、平滑肌細胞、成纖維細胞)是增加的。其中,內皮細胞中JMJD3的表達量增加是最明顯的,尤其是部分或者完全閉塞的肺動脈。重塑的肺動脈中H3K27me3表達量相應的減少,有些細胞甚至完全不表達H3K27me3。JMJD3也能夠在iPAH肺組織重塑的肺動脈中表達,尤其是內皮細胞和叢狀病變部位。因此,JMJD3表達和H3K27組蛋白甲基化可能在iPAH發病中起重要作用。據此,我們推測,JMJD3在PH的發病中也起著關鍵的作用。

三、總結與展望

目前,JMJD3的研究工作已經進行十多年了,隨著醫學科研水平的發展與提高,JMJD3的表達與肺部疾病之間的關系正逐步得到驗證。大量的研究已經表明,JMJD3在胚胎發育、腫瘤發生、炎癥等過程中發揮著極其重要的作用,但是具體的調控機制及其下游的信號分子尚有待進一步闡明。JMJD3作為新的治療靶向,能否為肺部疾病的早期診斷、治療及預后監測提供新思路,需要更加深入的研究,期望JMJD3在臨床方面的研究成為新的突破點,為疾病的診斷、靶向治療以及預后提供更多的潛在靶點。