组蛋白甲基化和去乙酰化在心血管系统中的作用

1、组蛋白甲基化和去乙酰化在心血管系统中的作用十年论文机构京都名师论文中心，正规全面的论文刊物为您提供职称论文，毕业论文，硕士论文，医学论文，教育论文等各类论文发表服务。摘要：表观遗传修饰的作用机制包括 DNA 甲基化、组蛋白修饰和染色质重塑等。组蛋白修饰主要以共价键形式发生，包括乙酰化、甲基化、磷酸化和泛素化等。组蛋白甲基化与乙酰化作为共价修饰的两种不同方式，参与许多生物学过程，并在基因表达调控中发挥重要作用。研究表明，组蛋白甲基化和去乙酰化参与了心血管疾病的发生发展过程，探讨组蛋白甲基化、去乙酰化以及二者在心血管系统的作用，对认识心血管疾病有重要意义。本文就最近有关组蛋白甲基化和去乙酰化及其在

2、心血管疾病中的研究进展做一综述。关键词： 组蛋白甲基化；去乙酰化；心血管0. 引言在真核细胞中，DNA 以染色质的形式存在，染色质的基本组成单位为核小体，每个核小体由 146 bp 的 DNA 围绕组蛋白八聚体形成，组蛋白八聚体由两个 H2A、H2B、H3 和 H4 亚基组成。每个核心组蛋白有一个折叠区和一个氨基末端结构域组成，显著特征易于被共价修饰如甲基化、乙酰化、磷酸化和泛素化等，继而对染色质结构以及转录过程发生影响。组蛋白乙酰化与基因活化及 DNA 复制相关，组蛋白的去乙酰化和基因失活相关，通过组蛋白的乙酰化与去乙酰化，使与组蛋白结合的基因表达受到精确的调控。甲基化修饰可使染色体结构发生

3、变化，亦可通过其他转录因子调控基因的表达。关于表观遗传修饰在遗传、肿瘤等领域中的作用研究已有大量文献报道，但在心血管疾病中的作用研究相对较少。目前研究较多的为 DNA 甲基化与心血管疾病的关系。已知动脉粥样硬化、高血压等疾病都与其相关基因的异常甲基化修饰有关。研究发现，组蛋白甲基化可引发 DNA 的甲基化，而 DNA 甲基化可通过影响组蛋白乙酰化而起作用，说明组蛋白修饰与 DNA 甲基化相互作用、相互影响。因此，组蛋白修饰在心血管疾病发生发展过程中的作用也引起人们关注。本文根据近年来有关组蛋白甲基化和去乙酰化的作用以及在心血管疾病中的研究进展做一综述。1. 组蛋白甲基化1.1 组蛋白甲基化组蛋

4、白的甲基化属于表观遗传学的研究范畴，由不同的特异性组蛋白甲基转移酶(Histone methyltransferases, HMT)催化形成。甲基化位点多位于H3、H4 的赖氨酸(K)和精氨酸(R)残基上，赖氨酸残基易于单、二或三甲基化，而精氨酸残基上可以单或二甲基化(对称或非对称)，催化这些位点残基的甲基转移酶也被识别。组蛋白精氨酸甲基化主要由 PRMT( protein arginine methyltransferase)家族的部分成员催化完成，一型精氨酸甲基转移酶 CARM1 ( cofactorassociated arginine methyltransferase)，以及 PRM

5、T1 可催化产生单甲基化和非对称的二甲基化，与基因的激活相关；二型精氨酸甲基转移酶 PRMT5 可催化产生单甲基化以及对称的二甲基化，与基因的抑制有关。CARM1 主要引起H3R2、H3R17、H3R26 以及 H2A 的甲基化，PRMT1 主要引起 H4R3 的甲基化，而PRMT5 可引起 H3R8 及 H4R3 的甲基化1。组蛋白赖氨酸甲基化主要发生在组蛋白 H3 和 H4 上。目前研究较多的有 6个位点，分别为 H3K4(组蛋白 H3 第 4 位赖氨酸残基，以下同)、H3K9、H3K27、H3K36、H3K79 和 H4K20。这些位点的甲基化有不同的特异性组蛋白赖氨酸甲基转移酶(his

6、tonelysine methyltransferases,HKMTs)催化完成。根据每一位点甲基化程度的不同他，赖氨酸残基分别被单甲基化(me1 ) 、双甲基化(me2) 和三甲基化(me3)2。目前组蛋白赖氨酸甲基化的功能主要体现在异染色质形成、基因印记、X 染色体失活和转录调控方面。一般认为，H3K9 和 H3K27 甲基化与基因转录抑制相关，而 H3K4，H3K36 和 H3K79 与基因转录激活相关。近年认为，组蛋白赖氨酸甲基化发挥基因抑制或激活功能，不仅取决于其甲基化位点的不同，还与甲基化的程度和在基因的不同区域有关。近年来研究发现，H3K9 甲基化具有多重作用。目前已知的 H3K

7、9 甲基转移酶包括果蝇属中 Su(var) 3-9，酵母属中 Clr4，哺乳动物中 Suv39h1，Suv39h2，G9a，G9a 相关蛋白(G9a-related protein，GLP)和 SETDB1 /ESET。Suv39h1 和 Suv39h2 使 H3K9 在异染色质上发生甲基化如近着丝粒异染色质，且与定位在常染色质里的特异基因沉默有一定的联系，甲基化的 H3K9 募集HP1 和 HP1（同源酵母 Swi6），从而诱导常染色质区域的基因沉默。G9a 是常染色质主要的 H3K9 甲基转移酶，主要催化 H3K9 的单甲基化和二甲基化。G9a 或 GLP 基因破坏，可导致 H3K9 甲基

8、化减少，特别是常染色质区的 H3K9 甲基化显著减少。研究证实，SETDB1 是不依赖 Suv39h1 /h2 的HKMTs，在鼠 Suv39h1 和 Suv39h2 基因双重敲除的情况下诱导常染色质的 H3K9甲基化。ESET 主要存在于常染色质，催化 H3K9 甲基化。但 ESET 失活不影响总体的 H3K9 三甲基化或基因组 DNA 甲基化3,4。1.2 组蛋白甲基化与心血管疾病表观遗传改变与心肌肥厚和心力衰竭的发展有关，但少有人知道那一个表观遗传改变在这其中发挥作用。Kaneda 等采用高盐摄入建立系统性高血压和心肌肥厚，后发展成为充血性心力衰竭的大鼠模型，研究全基因组蛋白甲基化对心力

9、衰竭的影响。 研究结果表明，H3K4 或 H3K9 三甲基化(histone H3trimethylated on lysine-4, K4TM, K9TM 相同)显著影响心力衰竭大鼠的心肌细胞。运用高通量焦磷酸染色质免疫共沉淀测序用芯片对人类左心室组织中的K4TM 或 K9TM 进行检测，结果发现，蛋白编码基因定位于 K4TM 附近，不同于功能和能力丧失的肌细胞，但具有对心脏功能相同信号转导通路的两组基因编码蛋白质，揭示在心力衰竭发展过程中不同的 K4TM 印记。然而，K9TM 印记较少依赖于疾病状态，同 K4TM 相比。提示，心力衰竭过程中心肌细胞的全基因组发生改变，直接参与了对心肌细胞收

10、缩调控5。2组蛋白去乙酰化组蛋白乙酰化主要由组蛋白乙酰化酶(histone acetylases , HATs) 和组蛋白去乙酰化酶( Histone deacetylases , HDACs) 催化完成，HATs 通过在组蛋白赖氨酸残基乙酰化，激活基因转录,而 HDACs 使组蛋白去乙酰化，抑制基因转录。组蛋白乙酰化和去乙酰化与基因的表达调控密切相关，HATs 和 HDACs之间的动态平衡控制着染色质的结构和基因的表达，组蛋白乙酰化状态的失衡与肿瘤发生密切相关。2.1 组蛋白去乙酰化酶目前已知的 HDACs 有三类。类和类 HDAC 的活性可以被共同的抑制剂如曲古抑菌素 A 和 n-丁酸等所

11、抑制；类 HDAC 对这些抑制剂不敏感，但其活性可以被烟酰胺( nicotinamide，NAM)抑制。酵母染色质沉默因子 2-相关酶类(silent information regulator2-related enzymes, sirtuins)是近年来发现的第类组蛋白去乙酰化酶，其活性依赖于烟酰胺腺嘌呤二核苷酸( nicotinamide adenine dinucleotide，NAD + )。Sirtuins 是一种从细菌到人类广泛存在且高度保守的去乙酰化蛋白。哺乳动物的 Sirtuins 家族中已发现 7 个同源蛋白(Sirt1-Sirt7)，且编码这些蛋白的基因具有很强的保守性。

12、在 Sirtuins 家族中，Sirt1 与酵母 Sir2 的同源性最高，因此受到广泛关注，也是目前研究较为深入的一个成员。Frye 等在 1999 年获得了编码人类 Sir2-类似基因，命名为 Sirt1-Sirt57。Sirt1 由 500 个氨基酸残基组成，编码基因位于染色体 10q21.3，包含 9 个外显子和 8 个内含子，全长 33 kb，5及 3端各有一个分别为53bp 及 1793bp 的非翻译区。X 线晶体衍射显示，Sirt1 由几个基本结构组成:一个大的结构域，主要由 Rossmann 折叠构成，其保守性较高；一个小的结构域，包含一个锌带结构和一个螺旋构件，其保守性比大结构

13、域要低很多。 在大小结构域之间形成一个裂隙,底物就结合与此并发生催化反应。Sirt1 是 Sir2 的哺乳动物同源体，是一种依赖于烟酰胺腺嘌呤二核苷酸（NAD+）的组蛋白去乙酰化酶。研究发现，Sirt1 在不同组织中广泛表达，除组蛋白外，还有许多非组蛋白的转录因子作为底物，如 p53、叉头蛋白 O( Forkhead box class O，FOXO) 、过氧化物酶体增生物激活受体(peroxisome proliferative activated receptor gamma，PPAR) 、过氧化物酶体增生物激活受体共活物 1 (peroxisome proliferative activ

14、atedreceptor，gamma，coactivator 1，PGC1) 等，调节细胞的增殖、分化、衰老、凋亡和代谢。近年来研究发现，Sirt1 在心血管疾病中具有重要的生理和病理生理意义。2.2 Sirt1 与心血管疾病研究证实，Sirt1 在心肌细胞的细胞质和细胞核中均有表达，其通过 FOXO依赖机制保护细胞的氧化应激，参与心肌细胞的应激抵抗8。Sirt1 亦通过抑制氧化应激诱导 Sirt1 核转运导致的细胞死亡，参与心力衰竭的内源性保护9。植物衍生物水飞蓟素可通过阻断 Bax 到线粒体的易位，上调 Sirt1，从而防止心肌损伤10。另有研究表明，Sirt1 对心血管疾病具有保护作用。

15、众所周知，血浆高密度脂蛋白水平与心血管疾病风险成反比，因为高密度脂蛋白介导的胆固醇逆向运输可以通过清除动脉细胞中多余的胆固醇，防止动脉粥样硬化。 Sirt1 可激活肝 X 受体的转录，其靶基因编码 ATP 结合盒转运体 A1，介导高密度脂蛋白的合成，逆转胆固醇运输，降低动脉粥样硬化和心血管疾病的风险11。越来越多的证据表明，心肌细胞生长和死亡两者之间的平衡在调节心力衰竭病人长期心功能中发挥重要作用12。Sirt1 在维持心脏功能的心脏发育和心肌细胞生长中起着非常重要的作用。Sirt1 缺失的胚胎心脏发育异常, 而在野生型胚胎中，Sirt1 蛋白和 mRNA 高表达在胚胎发育心脏发生过程中。在分

16、离的新生心肌细胞中，Sirt1 活性抑制剂引起心肌细胞死亡的适度增加，肥大相关基因和心房利钠因子的表达上调，细胞萎缩。相反，Sirt1 水平增加可以减少心肌细胞死亡，增加整体细胞尺寸。另有研究表明，在心力衰竭犬心脏中，Sirt1 表达可以保护心肌，减少细胞凋亡，显著增加心肌细胞，提示，内源性 Sirt1 在调节细胞存活和维持适度肥大中发挥至关重要的作用13。因此，Sirt1 表达的增加可能对病理心脏具有心肌保护作用。Pillai 等研究表明 Sirt1 对心力衰竭具有保护作用。ADP-核糖聚合酶-1(Poly(ADP-ribose)polymerase-1, PARP)是一个多功能 DNA 结

17、合酶，位于各种细胞细胞核中，包括心肌细胞。研究证实，被氧化应激和其他因素强烈激活的 PARP 是心肌细胞死亡导致心力衰竭的主要原因。在培养的心肌细胞和衰竭的心脏中， PARP 活性增加与Sirt1 去乙酰化酶活性降低密切相关，且当 Sirt1 完整时，PARP 激活诱导的心肌细胞死亡被完全阻止，这表明 Sirt1 是心力衰竭中心肌细胞保护的一个有益因素14。然而，相反结果报道，高水平的 Sirt1 能诱发心肌病，甚至心力衰竭，其可能是通过诱导体内心脏中线粒体功能紊乱实现的8。其机制可能与NAD+缺乏有关。高水平的 Sirt1 引起线粒体呼吸所必需的 NAD+耗竭。 NAD+缺失导致 ATP 缺

18、乏，由此导致心肌细胞功能障碍，最终导致心脏细胞死亡。由此，虽然 Sirt1 活化被视为心脏的抗衰老治疗，但是认真评估相关剂量使Sirt1 治疗潜力能更好的得到善用。研究证实，Sirt1 通过调节内皮细胞基因表达、内皮细胞血管生成活性和血管内皮发展负性转录调节因子 FOXO1 在血管生长中起着重要作用15-17。研究证实，在血管发展过程中，Sirt1 表达升高，但其活性丧失会导致血管萌芽受限，血管形成异常，减弱缺血诱导的新生血管形成15。另外，Sirt1 通过促使与血压密切相关的内皮型一氧化氮合酶（endothelial nitricoxidesynthase, eNOS）去乙酰化，促进内皮依赖

19、性血管舒张和一氧化氮（nitricoxide，NO）生物利用度增加17。内皮细胞缺乏 Sirt1 将无法向化学诱导物迁移，从而表明，Sirt1 是血管生长和成熟所必需的。此外，单核细胞趋化因子（monocyte chemotactic protein-1，MCP-1）是募集炎症细胞的重要因子，特别是在心脏，且 MCP-1 减少引起抗炎活性。白藜芦醇，Sirt1 的激活剂，能够抑制人脐静脉内皮细胞白细胞介素 1b 诱导的 MCP-1，且通过 NO 依赖机制，抑制内皮 MCP-1 分泌18。因此，减少 MCP-1 表达可能具有抗炎活性和心肌保护功能。Zhang 等研究结果证实，内皮 Sirt1 是

20、体内一种真正的抗动脉粥样硬化因子19。Sirt1 是氧化应激反应下细胞存活的关键调节者，氧化型低密度脂蛋白（oxidized low-densitylipoprotein，ox-LDL）和 H2O2 增加人脐静脉内皮细胞（Human umbilical vein endothelial cells，HUVECs）的 Sirt1 水平，推测，这可能是一种补偿作用，防止氧化诱导的细胞凋亡。内皮细胞转染腺病毒 Sirt1 抵抗 ox-LDL 诱导的细胞凋亡，证实了上述结果。进一步研究证实，高脂饮食，动脉粥样硬化的危险因素，降低主动脉 Sirt1 表达水平，但内皮特异过表达 Sirt1 能够促进高胆固

21、醇状况下的血管内皮依赖性血管舒张功能。推测，Sirt1 可能是通过介导 eNOS 的表达发挥其抗动脉粥样硬化作用、抑制内皮细胞凋亡和改善血管内皮功能。证据表明，Sirt1 调节 eNOS 的体内外表达。在培养的 HUVECs，用 NAM 抑制 Sirt1 增加 ox-LDL 诱导的细胞凋亡。利用NAM，sirtinol 或 RNAi 抑制 Sirt1 能有效地减少 eNOS 的表达，提示，Sirt1在 eNOS 的表达中发挥重要作用，Ota 等研究结果与其相似 20。内皮特异过表达 Sirt1 上调 eNOS 的表达和改善血管内皮细胞依赖性主动脉舒张功能19。结果表明，Sirt1 抗凋亡作用与

22、 eNOS 的表达相关，eNOS 增加内皮细胞NO，提高内皮细胞存活率，改善血管内皮功能。由此推测，内皮 Sirt1 抗动脉粥样硬化的可能的机制可能与抑制 ox-LDL 诱导的细胞凋亡，上调 eNOS 表达，改善血管内皮细胞舒张功能有关。2. 小结及展望心血管疾病的发生发展是一个连续的病理过程，组蛋白甲基化和去乙酰化参与了心血管疾病的发生发展。组蛋白修饰怎样作用于调控转录、表观遗传及其影响下游事件的发生，尚不十分清楚。随着对组蛋白甲基化和去乙酰化发生机制的深入研究，将可能更好的了解组蛋白甲基转移酶和去乙酰化酶与心血管疾病之间的关系，将有助于进一步了解心血管疾病的发生机理，特别是对于心血管疾病的

23、治疗将起到很大的帮助作用。了解组蛋白甲基化和去乙酰化一系列动态过程对表观遗传研究有重大意义。参考文献1 Wysocka J, Allis CD, Coonrod S. Histone arginine methylationand its dynamic regulationJ. Front Biosci,2006, 11: 344- 355.2 Klose RJ, Zhang Y. Regulation of histone methylation bydemethylimination and demethylationJ. Nat Rev Mol CellBiol, 2007,8(4):

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