組蛋白乳酸化參與調控炎癥疾病的組織損傷修復的研究進展

唐玉嬌, 劉如新, 白 雪, 陳夢飛(綜述), 張 玲(審校)

炎癥是具有血管系統的活體組織對各種損傷因子刺激所發生的以防御反應為主的基本病理過程。炎癥的發展是損傷、抗損傷和修復的動態過程。但炎癥反應過度或者炎癥持續存在,會對機體造成局部或全身的損害[1]。免疫細胞及其相關免疫分子的改變在炎癥疾病病程進展中發揮重要作用。以往研究證實,血乳酸可以調控免疫細胞而發揮抗炎作用[2-5]。2019年Zhang等[6]研究證實,乳酸可能通過組蛋白乳酸化參與調控免疫細胞,進而介導炎癥過程中的組織損傷修復。Chu等[7]研究發現,在膿毒癥休克患者外周血單個核細胞中組蛋白H3第18位賴氨酸殘基乳酸化(histone H3 lysine 18 lactylation,H3K18la)修飾水平與抗炎/修復基因精氨酸酶1(arginase 1,Arg1)轉錄水平及抗炎細胞因子白細胞介素-10(interleukin-10,IL-10)表達水平呈正相關,這使組蛋白乳酸化的研究成果將來應用于臨床抗炎治療及組織損傷修復成為可能。本文對組蛋白乳酸化參與調控炎癥疾病的組織損傷修復的研究進展綜述如下。

1 組蛋白乳酸化修飾的發現

組蛋白是染色質重要組成部分之一,和DNA共同組成核小體結構。核心組蛋白H2A、H2B、H3、H4分別以二聚體(共八聚體)相結合,形成核小體核心,而DNA便纏繞在核小體核心上[8]。連接體組蛋白H1結合在核小體核心附近,穩定和定向連接體DNA進入和退出核小體核心[9-10]。組蛋白的翻譯后修飾是表觀遺傳的熱點研究方向之一,包括乙?；?、甲基化、磷酸化、泛素化等[11]。乳酸是細胞糖酵解途徑重要的含碳代謝產物,它的生物學功能因腫瘤細胞中瓦博格效應的存在受到關注[12]。Zhang等[6]發現組蛋白賴氨酸殘基乳酸化修飾的存在,并在人和小鼠細胞的核心組蛋白上鑒定出多個乳酸化位點。該發現拓寬了乳酸發揮非代謝功能的生物學意義,為探討感染、腫瘤等病理過程提供了新視角。隨后的研究發現不僅證實了組蛋白乳酸化的廣泛存在,還發現了組蛋白乳酸化的諸多調控功能,比如介導巨噬細胞焦亡、干細胞命運調控、胚胎發育、神經元活動、炎癥與纖維化、腫瘤的發生等[13-18]。

2 組蛋白乳酸化與免疫細胞

免疫細胞功能改變與炎癥疾病的發生發展密切相關。近年研究發現,組蛋白乳酸化可參與調控巨噬細胞及其他免疫細胞基因表達,提示組蛋白乳酸化與炎癥疾病之間存在著密切聯系。

2.1組蛋白乳酸化與巨噬細胞 巨噬細胞作為先天性免疫細胞的重要成員,在炎癥的各個階段都可能發揮重要作用。當細菌中存在的病原體相關分子模式(pathogen-associated molecular pattern,PAMP)被巨噬細胞表面的病原體識別受體(如Toll樣受體)識別時,M1型巨噬細胞被激活并產生大量的促炎介質,包括腫瘤壞死因子-α(tumor necrosis factor-alpha,TNF-α)、IL-1和一氧化氮,殺死入侵的生物并激活適應性免疫[19]。但M1型巨噬細胞不受控制的激活可能觸發全身炎癥反應綜合征(systemic inflammatory response syndrome,SIRS)甚至膿毒癥[20]。為了抵消過度的炎癥反應,巨噬細胞極化為抗炎表型(M2型)以分泌大量抗炎因子保護宿主免受過度損傷并促進傷口愈合[21],或者巨噬細胞發生過度凋亡參與免疫抑制形成[22]。另外,有研究發現膿毒癥時,在PAMP或損傷相關分子模式刺激下巨噬細胞內形成典型的核苷酸結合寡聚化結構域樣受體蛋白3(nucleotide-binding oligomerization domain-like receptor protein 3,NLRP3)/凋亡相關斑點樣蛋白/半胱氨酸天冬氨酸蛋白酶-1焦亡小體,促使巨噬細胞發生焦亡并釋放IL-1β、IL-18,加劇炎癥反應[23]。巨噬細胞的狀態改變與炎癥病情發展關系密切,組蛋白乳酸化參與了巨噬細胞的狀態改變。

2.1.1 組蛋白乳酸化調控巨噬細胞極化表型 細菌攻擊的M1巨噬細胞中內源性“乳酸時鐘”開啟基因表達以促進穩態,即在M1巨噬細胞極化的晚期,乳酸水平增高,組蛋白乳酸化水平增加,水平增高的H3K18la誘導參與損傷修復過程的M2-like基因表達,如Arg1[6]。外源乳酸增加導致的M1巨噬細胞內組蛋白乳酸化水平提高,不僅誘導了Arg1表達,還增強了血管內皮生長因子A(vascular endothelial growth factor A,VEGFA)表達[6]。這些研究表明,乳酸和組蛋白乳酸化在M1巨噬細胞極化過程中驅動M2-like基因表達的積極作用。在非細菌感染相關的炎癥模型中,也發現了組蛋白乳酸化調控巨噬細胞基因表型的證據。Cui等[17]發現在小鼠肺纖維化模型中,肺內肌成纖維細胞糖酵解增強產生并分泌大量乳酸,增加巨噬細胞中致纖維化基因的啟動子處組蛋白乳酸化水平,并上調Arg1、血小板衍生生長因子(platelet-derived growth factor,PDGF)和Vegf-a等促纖維化基因的轉錄。Wang等[24]在一項研究中發現組蛋白乳酸化修飾可以抑制心肌梗死后過度的炎癥反應,促進血管新生。心肌梗死后早期梗死區巨噬細胞H3K18la水平增高,進而促進修復基因富亮氨酸α2糖蛋白1(leucine-rich alpha-2-glycoprotein 1,Lrg1)、VEGFA和IL-10的轉錄,有利于心肌梗死后的心臟修復。Irizarry-Caro等[25]發現巨噬細胞以B細胞磷酸肌醇3-激酶銜接蛋白依賴性方式激活PI3K/Akt信號通路,Akt的活化不僅可以介導核因子kappa B(nuclear factor kappa B,NF-κB)的下調以抑制促炎因子的轉錄、限制炎癥,還可以增強糖酵解,導致乳酸積累、組蛋白乳酸化水平增加,進而促進M2-like基因Arg1和Krüppel樣因子4(Krüppel-like factor 4,Klf4)表達,協調巨噬細胞從炎癥狀態向修復狀態轉變。該研究豐富了M1巨噬細胞中的組蛋白乳酸化促進M2-like基因表達的相關分子機制的研究。以上研究表明,組蛋白乳酸化對巨噬細胞的M2-like基因表達的促進作用對炎癥免疫亢進階段是有利的,可促進組織修復,防止炎癥進一步擴散。而在部分炎癥疾病(如膿毒癥)中存在免疫抑制階段時,組蛋白乳酸化的抗炎作用則會加重病情。在不同炎癥階段通過調節組蛋白乳酸化水平來改變巨噬細胞的極化狀態,更有利于炎癥疾病的預后。Dichtl等[26]提出了不同的觀點,即賴氨酸乳酸化修飾和乳酸通常與巨噬細胞激活狀態和組織修復相關基因表達無關,特別是Arg1。關于組蛋白乳酸化對巨噬細胞穩態基因的表達促進作用尚存爭議,需要進一步研究證實。

2.1.2 組蛋白乳酸化抑制巨噬細胞焦亡 焦亡是一種炎癥性程序性細胞死亡,通過連接先天免疫和適應性免疫,在宿主防御中起著重要作用[27]。細胞焦亡依賴于gasdermin蛋白家族成員形成質膜孔,導致細胞釋放大量促炎因子[28]。適度的細胞焦亡有助于病原體的清除[29],而急劇增加或過度的細胞焦亡導致促炎介質大量釋放,加劇全身炎癥和組織損傷[30]。Sun等[13]研究發現產乳酸益生菌釀酒酵母通過抑制巨噬細胞焦亡和調節腸道菌群來減輕潰瘍性結腸炎。該研究發現乳酸促進巨噬細胞向M2表型極化發揮抗炎作用,還可通過抑制巨噬細胞內NLRP3炎性小體的形成而抑制巨噬細胞焦亡。研究認為這種抑制作用與乳酸增高導致的巨噬細胞中組蛋白乳酸化修飾增強有關,但對于組蛋白乳酸化修飾如何抑制巨噬細胞焦亡并未進行探討。組蛋白乳酸化抑制巨噬細胞焦亡若得到進一步驗證與解釋,組蛋白乳酸化對巨噬細胞焦亡的抑制作用可將為炎癥疾病組織損傷修復治療提供新的思路。

2.1.3 組蛋白乳酸化調控小膠質細胞糖酵解相關基因 小膠質細胞是中樞神經系統的駐留巨噬細胞,與許多神經退行性疾病和腦炎癥性疾病的發病機制有關[31]。研究發現,小膠質細胞向糖酵解的轉換導致小膠質細胞吞噬能力降低[32],而有氧糖酵解衍生的產物乳酸可直接增強小膠質細胞釋放促炎細胞因子[33]。Pan等[34]發現在阿爾茨海默病(Alzheimer′s disease,AD)小鼠模型中,H4K12la在小膠質細胞糖酵解相關基因(如低氧誘導因子-1a、丙酮酸激酶M型、乳酸脫氫酶A)的啟動子區顯著富集,并激活這些基因的轉錄,促進小膠質細胞的糖酵解活性,形成“糖酵解-組蛋白乳酸化-丙酮酸激酶M2”正反饋調控環路,加強小膠質細胞的促炎特性,最終促進AD進展。在顱內感染或其他炎癥疾病模型中,可能也存在小膠質細胞代謝重編程向有氧糖酵解轉換,繼而引起小膠質細胞內組蛋白乳酸化水平增高,促進其糖酵解基因轉錄,加強其促炎效應,加劇神經系統功能障礙。反之,阻斷小膠質細胞的組蛋白乳酸化可能減輕神經系統炎癥反應。

2.2組蛋白乳酸化與外周血單個核細胞 外周血單個核細胞是外周血中具有單個核的細胞,包括淋巴細胞和單核細胞。Chu等[7]發現H3K18la不僅在所有受試者中表達,而且在膿毒癥休克患者中表達最高。研究者還發現H3K18la蛋白表達與血清乳酸、炎癥分子水平、抗炎基因Arg1轉錄水平呈正相關。但關于組蛋白乳酸化與炎癥分子及Arg1轉錄水平是否存在直接的調控關系,研究者并未進一步探索?？傊?這些研究結果證明,乳酸化組蛋白H3K18la可作為診斷和預測膿毒性休克嚴重程度的潛在生物標志物,為將來組蛋白乳酸化在膿毒癥臨床診療應用方面的進一步研究提供了線索。Wang等[24]研究發現心肌梗死后外周血單核細胞組蛋白乳酸化水平升高上調修復基因(VEGFA、IL-10和Lrg1)表達,并通過動物實驗證明了H3K18la水平增高的單核細胞輸注有助于心肌梗死后的心臟損傷修復。在其他炎癥損傷中,H3K18la水平增高的單核細胞或巨噬細胞輸注是否有利于組織損傷修復,值得進一步研究。

2.3組蛋白乳酸化與其他免疫細胞 研究表明,乳酸對樹突狀細胞、T細胞、自然殺傷細胞等免疫細胞的功能具有抑制作用[2,35],但組蛋白乳酸化是否參與這種抑制作用尚未證實。目前,大部分組蛋白乳酸化與免疫細胞的相關研究來源于腫瘤領域,研究人員在腫瘤內浸潤的免疫細胞中也檢測到了乳酸化修飾。腫瘤浸潤髓系細胞是參與腫瘤免疫逃逸的重要細胞群,主要包括腫瘤相關巨噬細胞、髓源抑制性細胞、腫瘤相關中性粒細胞等。Xiong等[36]研究發現組蛋白H3K18la乳酸化修飾形式促進腫瘤浸潤髓系細胞中甲基轉移酶樣蛋白3(methyltransferase-like 3,METTL3)的表達,增強JAK1-STAT3信號通路的激活,啟動下游免疫抑制分子的表達,從而產生免疫抑制,這為組蛋白乳酸化在炎癥環境中免疫抑制作用的分子機制研究提供了新的思路。

3 組蛋白乳酸化修飾的關鍵酶

Zhang等[6]通過體外實驗及細胞實驗表明組蛋白乙?；D移酶p300是潛在的乳酰轉移酶,乳酸轉化成乳酰輔酶A后通過乙?；D移酶p300將乳酸基團從乳酰輔酶A轉移至組蛋白上。而Gaffney等[37]發現乳酸部分從乳酰谷胱甘肽轉移到組蛋白賴氨酸殘基上發生賴氨酸D-乳酸化,且這一過程不依賴任何酶。人體和大多數哺乳動物糖酵解代謝主要產生的物質是L-乳酸,L-乳酸在缺氧和Warburg效應期間被大量誘導;D-乳酸是L-乳酸的光學異構體,正常情況下在細胞中的含量遠遠低于L-乳酸[38-39]。而Moreno-Yruela等[40]的研究證明,細胞內組蛋白乳酸化衍生自L-乳酸,且細胞內組蛋白乳酸化是賴氨酸L-乳酸化而非賴氨酸D-乳酸化。因此,細胞內組蛋白乳酸化修飾是一種酶促反應。體外實驗驗證了組蛋白去乙?；?3和沉默調節蛋白1-3也具有去乳酸化修飾作用,并通過過表達和敲低實驗表明兩者在細胞中發揮去乳酸化作用。Cui等[17]通過敲低及敲除實驗證明,乙酰轉移酶p300介導了小鼠肺巨噬細胞促纖維化基因啟動子處的組蛋白乳酸化。Wang等[24]通過敲低實驗證實,組蛋白乙?；赴焙铣赏ㄓ每刂频鞍?參與骨髓源性巨噬細胞組蛋白乳酸化和其靶向的修復基因轉錄?？傊?這些數據表明組蛋白乳酸化是由調節酶安裝和去除的,這些調節酶能否作為組蛋白乳酸化在炎癥疾病中發揮作用的調控者,值得進一步研究。

4 結語

組蛋白乳酸化作為一種新型翻譯后修飾,對組蛋白乳酸化的研究可加深人們對乳酸功能及其在各種病理生理條件(包括感染和癌癥)中的作用的了解。目前,有關組蛋白乳酸化的研究尚處于初級階段,組蛋白乳酸化參與炎癥疾病相關免疫細胞調控相關的研究還有較大空間。腫瘤領域組蛋白乳酸化在免疫細胞中的研究也啟發學者們繼續探討在炎癥環境中組蛋白乳酸化的相關分子機制。未來還需要更多的基礎實驗及臨床研究提供更加充分的數據資料,為炎癥疾病組織損傷修復的免疫治療帶來新的希望。組蛋白乳酸化在除免疫細胞外的其他組織細胞中的炎癥調控作用能被研究證實,將為臨床提供更多基于組蛋白乳酸化的抗炎治療途徑。