端粒及端粒酶逆轉錄酶基因與慢性阻塞性肺疾病相關性的研究進展

武穎穎,孔維香

(1.濟寧醫學院 臨床醫學院,山東 濟寧 272000;2.濟寧市第一人民醫院 臨床藥學科,山東 濟寧 272000)

慢性阻塞性肺疾病(chronic obstructive pulmonary disease,COPD)是由于氣道異常和(或)肺泡異常導致的持續性(常為進展性)氣流阻塞,是一種異質性的肺部狀態,以慢性呼吸道癥狀為特征。通常由長期暴露于有害顆粒或氣體所引起[1]。除暴露因素外,個體宿主易感性也會導致COPD的發生,包括基因異常、肺發育異常和加速衰老等。全球≥40歲人群中COPD的患病率達9%～10%[2]。我國COPD監測資料顯示,隨年齡增加COPD的患病率呈明顯遞增趨勢[3],預計到2030年COPD將成為全球人口發病和死亡的第三大原因[4]。COPD是全球性的公共衛生問題,給人類帶來了沉重的經濟和社會負擔。大量研究表明,與衰老相關的端粒縮短、端粒酶逆轉錄酶(telomerase reverse transcriptase,TERT)基因變異增加了COPD患者的易感性。本文通過對端粒及TERT基因與COPD相關性的研究進展進行綜述,旨在為臨床提供依據。

1 端粒

端粒位于真核細胞線性染色體的末端,含有一段1～5 kb(TTAGGG)高度保守的重復序列,在保護染色體的穩定性和維持細胞活性中起重要作用[5]。在大部分體細胞中端粒隨著細胞周期的增加而逐漸縮短。為了彌補因端粒縮短所導致的細胞衰老,端粒酶可將重復序列添加到染色體末端。但端粒酶并不能完全跟上端粒的丟失,當端粒縮短達到臨界長度時,會激活持續性DNA損傷反應,誘導細胞衰老或凋亡[6]。衰老細胞的積累被認為在衰老和衰老相關疾病中發揮重要作用,通過衰老相關分泌表型損害組織再生和誘導慢性炎癥[7]。端粒縮短是正常衰老的一個特征,但在以加速衰老為特征的肺疾病中更為明顯。研究發現,白細胞端粒長度過早縮短與特發性肺纖維化(idiopathic pulmonary fibrosis,IPF)和COPD有關[8]。Zhang等[9]通過研究進一步證實,端粒縮短是發生IPF的原因。另有研究發現,兒童哮喘患者平均端粒長度比非哮喘患者短[10]。在重度吸煙者中,診斷前測量的短端粒長度與小細胞肺癌死亡風險增加相關[11]。目前,端粒縮短受常見及罕見遺傳變異、遺傳端粒長度的影響,可導致依賴于環境因素、共病條件和個體一般遺傳背景的肺部疾病。

2 TERT基因

人類端粒酶包括人類端粒酶RNA、人類TERT和端粒相關蛋白。端粒酶RNA是端粒合成DNA的模板。TERT是端粒酶的催化亞基,是決定端粒長度的關鍵因素,能夠有效維持端粒結構的完整性。人類TERT和端粒相關蛋白的相互作用對端粒酶的活性起著至關重要的作用[12]。TERT基因啟動子區是影響TERT表達、端粒酶活性和端粒酶長度的調控元件[13]。通過獲得TERT基因啟動子中的非編碼突變上調TERT轉錄使端粒酶上調的機制存在于多種肺腫瘤類型中。有研究表明,TERT mRNA和蛋白質表達能夠維持呼吸道相關上皮組織的完整性、促進肺泡巨噬細胞發揮其肺內“衛士”功能和維持機體的免疫功能。TERT基因的多樣性與肺癌和包括COPD在內的肺衰老相關疾病密切相關。

3 端粒及TERT基因對COPD的影響

3.1端粒與COPD COPD相關的病理機制包括端粒磨損、表觀遺傳改變、營養感知改變、線粒體功能障礙、細胞衰老、干細胞衰竭和慢性炎癥等。細胞衰老是COPD發生的重要驅動。哺乳動物雷帕霉素靶蛋白(mammalian target of rapamycin,mTOR)信號通路參與細胞代謝、存活和生長。細胞衰老與mTOR信號通路激活有關,能促進肺氣腫、肺動脈高壓和炎癥的發展[14]。早期抑制衰老相關通路和消除衰老細胞可較好地預防肺纖維化[15]。端粒長度被認為是衰老的重要生物標志物之一,與COPD的發生、發展密切相關[16]。

3.1.1端粒與COPD發病機制 端粒長度縮短與暴露于氧化應激和炎癥損傷的COPD患者的不良健康狀況、急性加重及病死率增加有關。而端粒長度的增加與COPD患者較高的運動能力相關,與體力活動無關[17]。越來越多的證據表明,肺泡上皮細胞、肺血管內皮細胞、成纖維細胞、平滑肌細胞、支氣管上皮細胞及白細胞的端粒縮短與COPD相關[8,18]。外周循環中端粒過度縮短可作為COPD患者加速衰老的標志[19]。遺傳、環境及行為因素(吸煙、飲食、壓力及空氣污染等)都可影響白細胞端粒[20],且COPD已被證明與多種因素有關。參與COPD發病的氧化應激被證明可使端粒長度縮短[5],故抗氧化劑可能改善COPD患者癥狀,延緩衰老[21]。研究發現,COPD患者的動脈血氧分壓(PaO2)與端粒長度密切相關[22],其可能原因為COPD加重期、睡眠時和活動期間的缺氧均會誘發細胞的氧化應激。慢性炎癥在COPD的進展中發揮重要作用,而短端粒、端粒酶活性相關的細胞衰老在促進和維持COPD中的炎癥起主要作用。此外,全身性炎癥也能影響COPD患者的端粒長度。COPD患者呼吸道及血液中有高水平的炎癥標記物,如白細胞介素(interleukin,IL)-6、IL-1β、IL-8、轉化生長因子-β(transforming growth factor-β,TGF-β)。COPD患者端粒長度縮短與參與衰老和慢性炎癥的IL-6水平呈負相關[23]。另外,60歲以上的男性吸煙和(或)戒煙COPD患者的端粒明顯短于同一亞組中的女性[5],合并α-1抗胰蛋白酶缺乏癥的COPD患者外周血白細胞的端粒中位長度比COPD患者長[24]。COPD與端粒長度相關研究結果的差異可能會受到端粒長度測量方法、個體差異及治療干預的影響。

成人2型肺泡上皮細胞端粒功能障礙導致肺泡干細胞衰竭,引起肺功能異常、繼發性炎癥和對肺部毒性藥物的災難性反應。肺血管內皮細胞端粒功能障礙和衰老在COPD患者肺部炎癥中發揮主要作用。端粒功能障礙也可獨立于端粒縮短而誘導衰老。保護端粒不受DNA修復機制影響的屏蔽復合物的功能障礙可導致端粒功能障礙,導致細胞衰老,也在COPD的發病機制中發揮作用[25]。環境損傷和端粒功能障礙的相加效應被認為是易患肺氣腫的原因之一。

3.1.2端粒與COPD預后 外周血端粒長度的表觀遺傳調節與COPD患者的病情加重和住院率增加相關,端粒長度是COPD患者不良預后的一個重要生物標志物[26],與嚴重氣流受限、老年COPD患者肺功能惡化相關[27]。然而,有研究發現,端粒長度較短與肺功能下降和COPD風險增加有關,但上述關聯在調整年齡和多變量后顯著減弱[28]。端粒長度與肺功能間的關系仍有爭議。一項前瞻性研究表明,隨著時間的推移,端粒加速縮短與COPD患者更糟糕的肺泡氣體交換功能、更嚴重的肺過度膨脹和肺外病變相關[22]。此外,端粒持續變短會增加患者全因死亡的風險。端粒磨損可能會導致由吸煙引起肺功能下降的風險增加[29]。有研究發現,塵埃區COPD患者端粒長度與疾病相關表型沒有顯著關聯[30]。因此,仍需要更多的大規模研究,并長期隨訪,以論證端粒長度與COPD的關系。

3.2TERT基因與COPD 肺部疾病表型很大程度上取決于環境因素和個體遺傳背景。因此,除了煙霧暴露外,遺傳因素(主要為遺傳性α-1抗胰蛋白酶缺乏癥)對COPD患者的易感性也起著關鍵作用。與端粒相關的基因組突變所致的肺部疾病表型主要是不同形式的肺纖維化(最常見的是IPF[31]),也可表現為肺氣腫,但肺血管疾病很少見。有研究表明,端粒酶的種系突變導致端粒縮短,并與COPD密切相關,與對照組小鼠相比,長期暴露于香煙煙霧中端粒較短的端粒酶缺陷(Tert-/-)小鼠肺氣腫患病率更高[32]。另外,TERT基因的缺失及其單核苷酸多態性(single nucleotide polymorphisms,SNPs)也與COPD的臨床結局有一定的相關性。端粒區域的組蛋白甲基化和人類TERT基因的去甲基化在維持異染色質結構、端粒轉錄沉默和端粒酶失活方面發揮著重要作用。因此,TERT基因的遺傳變異在COPD的發生中起著復雜的作用,且TERT基因位點的交互作用可能比單個位點更重要。

3.2.1TERT基因突變、缺失與COPD 多項證據支持衰老生物標志物短端粒(可由TERT基因突變引起)參與COPD的發病。有研究納入了292例重度COPD患者,發現其中3例攜帶有害的TERT基因突變(1%),這一患病率與該人群中記錄的α-1抗胰蛋白酶缺乏癥的患病率相當[33]。與其他COPD患者相比,患有肺氣腫的TERT基因突變攜帶者的氣道破壞傾向于肺尖,并與氣胸風險增加相關。TERT基因突變患者的COPD似乎更為嚴重,且多為吸煙的女性。TERT基因突變會降低端粒酶的催化活性,導致突變載體端粒較短。因此,端粒酶的生殖系突變是COPD易感的孟德爾危險因子。但端粒相關基因突變的COPD患者的治療效果尚未得到研究。TERT基因缺失在COPD發病過程中起重要作用。Chen等[34]通過敲除小鼠的端粒酶RNA或TERT基因證實,端粒酶成分缺乏會導致肺泡干細胞的復制性衰老、上皮損傷、肺泡囊形成和特征性炎癥表型,使小鼠在香煙暴露后表現為肺氣腫的風險增加。

3.2.2TERT基因SNPs與COPD 除端粒相關基因突變外,在沒有突變情況下的短端粒和端粒相關基因的SNPs也可能與肺部疾病的發生有關。全基因組關聯研究已經確定了COPD易感性的遺傳標記主要是SNPs[35]。有研究報道,在居住在中國海南省的黎族患者和日本人群中TERT基因的SNPs與COPD風險增加有關[36-37]。短端粒風險相關的SNP rs61748181編碼的一個TERT變體可導致端粒長度維持缺陷及端粒酶催化活性缺陷[38]。TERT基因是與肺功能下降和COPD發病機制相關的生物學上可能的候選基因。具有輕微催化缺陷的功能性TERT基因的SNPs仍然與COPD的臨床表現有關。TERTrs2736100 SNPs與環境和生活方式因素(COPD病史、吸煙過多等)共同出現時,肺癌風險增加。TERT基因的多態性也與較高的肺纖維化合并肺氣腫風險相關。另外,基質金屬蛋白酶和晚期糖基化終產物特異性受體的基因多態性也與COPD相關[39]。

4 小結與展望

端粒和端粒酶相關的復雜遺傳調控在COPD的發生發展中起著關鍵作用,并可能影響個體對COPD的易感性。在參與COPD發病的氧化應激及慢性炎癥過程中均能發現端粒的縮短。COPD的發病機理及主要表現表明TERT基因的遺傳調控與COPD的臨床結局有一定的相關性。目前國內尚缺乏大量的相關研究,仍需大量大規模的基礎實驗以深入探索、論證研究。目前,COPD的治療僅能夠延緩疾病發展、降低并發癥發生率,而不能完全治愈。如能證實端粒、端粒酶相關基因與COPD的因果關系,端粒系統則有望成為COPD早期診斷和基因干預治療的新靶點,將COPD的治療帶入全新領域。