组蛋白去乙酰化酶与足细胞损伤

李 知 侯 庆 综述 陈朝红 刘志红 审校

组蛋白是染色体结构的重要组成部分，当受到各种外界因素影响时，组蛋白可以发生多种形式的翻译后修饰(PTM)，包括乙酰化、甲基化、磷酸化及泛素化等[1]。近年来研究发现，组蛋白的乙酰化不仅和基因调控有关，还与肿瘤[2]及肾脏疾病[3-5]等多种疾病的发生发展有关。

生物体内组蛋白乙酰化的平衡由两种相互拮抗的酶类共同保持：组蛋白去乙酰化酶(HDAC)和组蛋白乙酰基转移酶(HAT)。通常认为HDAC的作用是将组蛋白赖氨酸尾上的乙酰基团去除，加强组蛋白的正电荷，使染色体结构更紧凑，不易与转录因子结合，从而抑制下游基因表达，而HAT则作用相反[6]。近来研究发现，HDAC对于基因的调控具有高度选择性，在不同情况下，可以发挥激活和抑制两种不同功能[7]。

HDAC是一类进化上高度保守的酶类，目前为止，哺乳动物的HDAC家族已发现18个成员，根据与酵母中同源蛋白结构的相似性，可以分为四类，其中Ⅰ类 (HDAC 1,2,3,8),Ⅱa类 (HDAC 4,5,7,9),Ⅱb类(HDAC 6，10)和IV(HDAC 11) 的酶活性依赖于Zn2+，而Ⅲ类HDAC(也称为 sirtuins),包括SIRT1-7,酶活性则依赖于烟酰胺腺嘌呤核苷酸(NAD+)(表1)[8]。

足细胞是肾小球中包绕于肾小球基膜(GBM)上的一种终末分化的上皮细胞，足细胞损伤是蛋白尿性肾小球疾病中的重要病因[9]。许多原发性肾小球疾病，如局灶性节段性肾小球硬化(FSGS)、膜性肾病(MN)、微小病变肾病(MCD)和继发性肾小球疾病,如糖尿病肾病(DN)、狼疮性肾炎(LN)中，都可以发现足细胞形态的变化和功能的破坏。尽管足细胞损伤在肾小球疾病中的地位已被证实和突出，但是目前靶向足细胞损伤的治疗方法仍然很缺乏[10]。所以，找到参与足细胞损伤的重要基因和通路对于后续探索靶向足细胞的治疗方法至关重要。本文着眼于HDAC对足细胞病理损伤的调控和作用，进一步探究HDAC和足细胞损伤之间的关系。

表1 HDAC家族

HDAC：组蛋白去乙酰化酶;Sirt：沉默信息调节因子

Ⅰ类HDAC(HDAC1/3)

Chandel等发现人类免疫缺陷病毒(HIV)可通过表观遗传途径调控维生素D受体(VDR)的表达从而致使足细胞的损伤和肾脏损害。HIV感染时，足细胞中HDAC1与DNA甲基化转移酶DNMT3b、DNMT1等表达上调，诱导转录因子SNAIL上调，而SNAIL抑制VDR的表达，激活肾素-血管紧张素系统(RAS)，导致肾脏的损伤[11]。

Liu等[12]发现HDAC3介导了TGF-β/Smad/miR-30通路对足细胞的损伤。 MicroRNA对维持足细胞稳态具有重要作用[13]。近来发现miR-30家族可以通过靶向Notch1及p53对足细胞产生保护作用，而用TGF-β处理足细胞时可抑制miR-30的表达，引起足细胞的凋亡和骨架破坏，促进足细胞的损伤[14]。Liu等[12]的研究结果显示，TGF-β可以促进HDAC3 与Smad2/3及NCoR的表达，三者形成复合物，结合于miR-30d启动子上Smad结合域，抑制miR-30d的表达。

Ⅱa类HDAC(HDAC4/9)

Wang等[15]发现高糖(HG)、晚期糖基化终末产物(AGEs)、转化生长因子β(TGF-β)等足细胞损伤因子可诱导足细胞HDAC4表达上调，HDAC4通过调控下游的STAT-1的乙酰化水平，促进STAT-1的入核和活化，引起足细胞的炎症、凋亡，并抑制自噬。敲低HDAC4可明显缓解糖尿病小鼠足细胞损伤并增加自噬的水平。有研究发现miR-29a可以通过调节HDAC4来维持足细胞稳态和保护肾脏功能。在高糖刺激下，miR-29a的表达下调使靶基因HDAC4的表达升高，HDAC4可促使足细胞的关键蛋白nephrin去乙酰化而活性降低，导致了肾脏功能下降；HDAC4的表达上调进一步增高miR-29a启动子的组蛋白H3K9去乙酰化水平 (H3K9Ac)，导致miR-29a的转录活性下降，从而形成损伤的恶性循环，证明了在高糖刺激损伤足细胞时，HDAC4可以通过表观途径抑制miR-29a的转录活性[16]。

Liu等[17]首次发现HDAC9在DN中的表达并证实了HDAC9通过JAK2/STAT3通路参与DN的损伤过程。在高糖处理诱导鼠足细胞HDAC9表达显著升高；db/db小鼠肾组织和DN患者肾组织中， HDAC9表达同样增高。进一步研究发现，在高糖处理的鼠足细胞中，敲低HDAC9可明显的缓解JAK2/STAT3通路引起的活性氧生成、细胞凋亡和炎症。在糖尿病db/db小鼠模型中，HDAC9的敲除可缓解肾小球硬化、炎症因子的释放和肾脏损伤。

Ⅲ类HDAC

沉默信息调节因子(silent information regulator)是一组依赖NAD+活性的HDAC亚类，其中部分还具有单二磷酸腺苷核糖体转移酶活性，目前已发现该亚类酶具有调节DNA修复与重组、染色体稳定性及基因转录等功能。同时近来有报道Sirt可以通过调控线粒体功能、能量代谢、热量限制等方式发挥一定的肾脏保护功能[4,18]。已发现的Ⅲ类HDAC成员中，Sirt1/3/4/6/7均在足细胞损伤中具有一定保护作用。

Sirt1 Sirt1是目前HDAC家族中被研究最多的成员。Chuang等[19]明确了Sirt1在足细胞中的表达及其通过对转录因子Foxo4(forkhead box O4)转录后修饰拮抗多种因素诱导的足细胞损伤。在糖尿病患者中，AGEs的聚集可使Sirt1的表达下降，Sirt1的下调引起转录因子Foxo4乙酰化水平增高，活性增加，从而介导下游促凋亡基因Bcl2l11在足细胞中的表达上调，引起足细胞的凋亡。db/db小鼠中，用吡哆胺抑制AGE的生成时，Sirt1的表达回升，乙酰化的STAT3和NF-κB的表达下调。同时，在db/db小鼠中特异性的敲除Sirt1可明显加重肾脏损伤和蛋白尿。进一步明确Sirt1在足细胞中的功能，Chuang等[20]还发明了一种基于RNA干扰技术的诱导或可逆转的Sirt1全身性或足细胞特异性敲低基因工程小鼠。利用该模型，研究人员发现当小鼠肾脏中整体Sirt1的表达敲低80%时，肾小球功能仍基本正常。但在阿霉素处理后产生肾损伤的情况下，Sirt1的敲低可引起更明显的蛋白尿、肾小球硬化，并加重线粒体损伤，抑制受损线粒体的自噬。在阿霉素诱导肾损伤早期逆转Sirt1的敲低可以抑制肾小球损伤的进展，减少足细胞中异形线粒体的聚集，但不能逆转蛋白尿和肾小球硬化的进展。

利用足细胞特异性敲除Sirt1小鼠，发现Sirt1的敲除可以加重肾毒血清引起的足细胞损伤，包括肌动蛋白骨架错乱，促进足细胞的进一步丢失。进一步体外研究证实，Sirt1可以促使细胞核中的皮层肌动蛋白(cortactin)去乙酰化，使其更易于被转运至细胞质中。而细胞质中的cortactin对于维持正常细胞肌动蛋白骨架具有重要意义，证明Sirt1对足细胞肌动蛋白骨架结构稳态的维持和保护作用[21]。一项利用OVE26糖尿病小鼠模型的实验发现，过表达Sirt1可以缓解足细胞的损伤。足细胞中特异性的过表达Sirt1或者新型Sirt1特异性激动剂BF175的处理可以明显的减少蛋白尿的产生并缓解肾小球损伤[22]。，足细胞中Sirt1表达水平的下调可以加重年老相关性肾小管硬化和蛋白尿，并增加足细胞的丢失[23]。

Rogacka等[24]报道了Sirt1与AMPK之间的相互作用参与了足细胞中高糖诱导的对胰岛素反馈能力的损伤。作者发现长期用高浓度糖处理鼠足细胞后，Sirt1的表达和活性会下降，随之蛋白激酶 AMPK的磷酸化水平降低，由胰岛素刺激引起的糖摄入能力出现下降，提示Sirt1-AMPK相互作用在细胞内胰岛素相关信号通路中的作用，提出了Sirt1对于细胞胰岛素抵抗产生及相关损失产生的可能作用，但相关机制仍需进一步研究。

Sirt1除了在足细胞表达并发挥肾脏保护作用，还参与肾小管和肾小球细胞间通讯和功能影响。Hasegawa等[25]发现肾脏近端小管中Sirt1转基因或敲除小鼠分别能够减轻或加重糖尿病肾小球损伤，且近端小管敲除Sirt1小鼠在基础状态下即表现出白蛋白尿，表明近端小管Sirt1影响肾小球功能。机制研究发现Sirt1参与烟酸代谢，NAD通过Sirt1转化为烟酰胺单核苷酸(NAM)，体内成像技术证实小管细胞合成和分泌的NAM可以逆行至肾小球被足细胞吸收，足细胞NAM浓度变化反馈影响Sirt1表达。过表达的Sirt1可以下调足细胞紧密连接蛋白(claudin-1)的表达。claudin-1可激活足细胞β连环蛋白(β-catenin)/ Snail通路，导致足细胞损伤和蛋白尿的产生[25]。

Sirt3 锰超氧化物歧化酶 (MnSOD )是一种线粒体中重要的活性氧物质ROS清除酶，其可以将超氧化物转化为过氧化物,从而被其他过氧化物酶水解，起到抗氧化的作用[26]。已有研究证实Sirt3可以通过介导MnSOD的去乙酰化，提高MnSOD的酶活性，提高抗氧化能力[27]。在一项测试尼可地尔协同加强依那普利治疗慢性肾脏疾病的研究中，作者发现尼可地尔可以利用磺酰脲受体(SUR)结合到足细胞线粒体内皮上的K-ATP 通道，通过上调Sirt3来增强线粒体内MnSOD的表达，证实足细胞中Sirt3可以通过调控MnSOD的乙酰化水平，提高足细胞的抗氧化能力[28]。

Sirt4 Shi等[29]证实在高糖诱导的糖尿病小鼠模型中，Sirt4可以抑制足细胞的凋亡。在高糖刺激的情况下，过表达Sirt4可以促进足细胞的增殖，抑制凋亡相关蛋白NOX1,Bax和磷酸化p38表达，同时下调肿瘤坏死因子α(TNF-α),白细胞介素1β(IL-1β)和IL-6等炎症因子的水平，证实Sirt4在DN中存在足细胞保护作用。

Sirt6 Liu等[30]利用STZ及db/db两种糖尿病小鼠模型和ADR小鼠模型，发现Sirt6可以通过抑制Notch1和Notch4启动子上组蛋白H3K9乙酰化水平，抑制损伤情况下Notch通路的活性，从而抑制足细胞炎症和凋亡，并维持足细胞肌动蛋白骨架的稳态和促进自噬的发生。此研究不仅证实了Sirt6在病理情况下对足细胞的保护作用，还发现Sirt6在包括FSGS、MN、IgA肾病、DN等不同的足细胞病患者肾脏组织中表达均下降，且表达水平与这些患者的估算的肾小球滤过率(eGFR)和蛋白尿水平呈相关性，提示Sirt6表达下调可能是足细胞病共同的损伤因素，为靶向Sirt6治疗足细胞病提出了可能性[30]。而另一项研究利用足细胞特异性敲除Sirt6小鼠模型确认了Sirt6对于维持肾小球功能和足细胞稳态的重要性[31]。

Sirt7 一项研究发现miRNA20b可以通过靶向抑制Sirt7的表达来促进足细胞凋亡。当足细胞过表达Sirt7时可以缓解高糖诱导的凋亡，Sirt7的敲低可以促进凋亡的产生，提示Sirt7在高糖诱导的足细胞中具有保护作用，具体机制文献并未提示[32]。但有证据显示Sirt7在维持细胞稳态，抗DNA损伤中具有一定作用[33-34]。

Ⅳ类HDAC(HDAC11)

关于HDAC11与足细胞损伤的相关研究目前比较缺乏。已有相关研究指出HDAC11在肾脏缺血再灌注(I/R)中可以通过诱导下游血浆纤溶酶原激活物抑制剂-1的表达进一步加重I/R的损伤[35]。

小结:关于HDAC在肾脏及足细胞病理损伤中作用的研究越来越多，对从乙酰化及转录后修饰方面寻找对足细胞损伤的治疗提出了更多的可能性。本文总结了已发现的HDAC家族各亚型与足细胞损伤之间的关系(表1)。但是，对于探索HDAC具体参与调控损伤机制的方式和信号通路仍然很少，包括其上游的调控。目前已有研究发现microRNA对HDAC的表达和功能具有一定的调控功能[12,16,32]。同时，对于不同的HDAC之间的区别和联系也引起了关注。随着近年来曲古抑菌素A、伏立诺他、丙戊酸等HDAC抑制剂的研发和应用，促进了HDAC在肾脏病发生发展中作用的研究[8,36]。但易忽视广谱抑制剂对各个HDAC成员之间的功能差异和异质性，所以针对不同HDAC成员抑制剂的研究和发现有重要意义，其对于进一步研究不同的HDAC在肾脏疾病及足细胞损伤过程中扮演的角色有着推动作用。