大气污染对慢性阻塞性肺疾病表观遗传学影响的研究进展

段瑞瑞 牛宏涛 于涛 杨汀 王辰

1北京大学医学部中日友好临床医学院100029；2中日友好医院呼吸与危重症医学科，北京100029；3中日友好临床医学研究所，北京100029；4中国医学科学院 北京协和医学院100010

COPD 是一种以持续性、进行性的气流受限为特征的慢性气道炎症疾病[1]。中国成人肺部健康研究调查显示，我国40岁及以上人群COPD 患病率达13.7%，总患病人数近1亿[2]，已成为严重影响我国居民健康的主要慢性疾病。COPD 是由外界环境因素和自身遗传因素共同作用的多因素异质性疾病，外界环境因素如香烟烟雾、大气污染物等与COPD 的发生、发展密切相关[3]。随着我国城市化进程的加快，空气质量控制形势严峻，大气污染对人群健康的影响备受社会关注[4]。国内外多个环境流行病学研究发现，大气污染参与了COPD 的发生、发展，其不仅是COPD 的重要危险因素，还是引起COPD 急性发作、住院率及病死率增加的主要非感染因素。大气污染物对COPD 影响的具体分子机制目前尚不明确，作为连接环境因素与遗传因素的 “桥梁”，表观遗传学相关的研究越来越多，从表观遗传学的角度出发可以更好地阐释大气污染物对COPD 影响的可能机制。

表观遗传学是在不改变DNA 序列的情况下通过DNA修饰作用改变基因表达的一种可遗传性变化，主要包括DNA 甲基化、组蛋白修饰、非编码RNA 修饰等[5]。表观遗传学将环境与遗传因素紧密结合在一起，随着研究深入，已发现表观遗传学的改变从根本上是由环境因素作用的结果。环境中的化学、物理、生物及精神心理和营养饮食等因素均可导致表观遗传学改变，其中的某些变化或可成为环境暴露的潜在生物学标志物[6-8]。现已发现，大气污染物作为重要的环境暴露因子，可引起机体内出现多种表观遗传学改变[9-11]。本文对近年来大气污染对COPD 表观遗传学改变的研究进展进行综述。

1 DNA甲基化

DNA 甲基化是目前研究最为深入的表观遗传学修饰，在DNA 甲基转移酶 (DNA methyltransferase，DNMT)催化下完成。甲基化可引起DNA 构像、染色质结构、DNA与蛋白质作用方式等发生改变，DNA 高甲基化通常抑制基因表达，而去甲基化则促进基因的转录和表达[8]。大气污染物可通过改变DNA 甲基化水平从而参与COPD 的发生、发展，DNA 不同位点的甲基化或可作为大气污染暴露对机体健康影响的潜在生物标志物[12]。

气道炎症是COPD 重要的病理生理改变，呼出气一氧化氮 (fraction of exhaled nitric oxide，FeNO)被认为是一种敏感的气道炎症标志物，可较好的反映患者气道内炎症状态，经常被用于评估与大气污染暴露相关的不良呼吸影响。FeNO 由一氧化氮合酶亚型2 (nitric oxide synthase 2A gene，NOS2A)参与调控生成。既往研究发现细颗粒物(fine particulate matter，PM2.5)暴露与FeNO 水平相关[13-14]，但不明确PM2.5是如何引发急性气道炎症的。Chen等[15]对上海市某城区30例COPD 患者进行了6次短期重复性健康调查，发现PM2.5暴露与口腔黏膜组织内NOS2A 启动子区甲基化的减少和FeNO 的增加显著相关，表明PM2.5可能通过改变NOS2A 启动子区的甲基化状态而调控一氧化氮 (nitric oxide，NO)的产生，进一步导致气道组织损伤、加重气道内炎症反应。诱导型一氧化氮合酶(inducible nitric oxide synthase，iNOS)是由NOS2A 编码表达的调控气道中FeNO 生成的一种关键限速酶，郑鑫等[16]通过动物实验进一步证实了PM2.5可降低iNOS基因DNA 启动子区甲基化水平，促进iNOS基因表达和转录，促进NO 生成增加。这些研究可更好地将大气污染物与COPD 的不良健康结局的机制联系起来。

二氧化氮 (nitrogen dioxide，NO2)是影响COPD 发生、发展的主要气态污染物。荷兰LifeLines大型队列研究[17]发现NO2暴露与人群FVC 和第1 秒用力呼气容积(forced expiratory volume in one second，FEV1)/FVC 下降相关，并与多种DNA 位点异常甲基化相关，为探究NO2是否通过改变DNA 甲基化水平引起肺功能受损，进一步进行中介分析效应分析发现与NO2暴露相关的CPG位点中，cg14938677 介导了NO2暴露与FVC 的关系，cg14938677和cg18379295介导了NO2暴露与FEV1/FVC的关系，这些位点的甲基化被认为是NO2暴露与肺功能相关的潜在生物标志物。另一项韩国的COPD 人群队列研究也得到了类似结果[18]，提示NO2通过改变DNA 甲基化水平影响肺功能。为探究NO2对COPD 表型的影响，Zhang等[19]将小鼠暴露于NO2环境下构建COPD 的肺气肿表型模型，并设置DNMT 抑制剂+NO2为对照组。研究发现与对照组相比，单纯暴露于NO2组的小鼠FEV1/FVC 及缺氧程度更重，即DNMT 抑制剂可有效改善肺气肿的形成，或具有潜在治疗作用。其他几个已发现大气污染物与COPD 相关的甲基化位点见表1。

表1 大气污染物与COPD 相关的甲基化位点

2 组蛋白修饰

组蛋白修饰是另一种重要的表观遗传修饰。组蛋白是真核生物细胞中与DNA 碱基对共同组成核小体单元的碱性蛋白质，其末端氨基酸残基可发生多种共价修饰，包括乙酰化/去乙酰化、甲基化、磷酸化等[23-24]。其中，乙酰化/去乙酰化是最常见、研究最多的组蛋白修饰。组蛋白在乙酰转移酶 (histone acetyltransferase，HAT)催化作用下发生乙酰化，其表面的负电荷被乙酰基中和，与DNA 碱基的结合能力减弱，核小体结构松弛，使DNA 与相关调控元件如转录因子、促转录因子结合并启动转录，最终上调基因表达[25]。与之相反，组蛋白去乙酰化则是在脱乙酰转移酶 (histone deacetylase，HDAC)催化下组蛋白末端乙酰基被去除，通常组蛋白去乙酰化后基因的转录和表达处于抑制状态[26-27]。因此，HAT 和HDAC对基因的转录和/或沉默起关键性调节作用。

慢性炎症反应是COPD 重要的发病机制，如细胞因子、趋化因子、炎性蛋白酶等，这些因子的产生增加受促炎转录因子如核因子κB (nuclear factor kappa-B，NF-κB)的调节，而HDAC 活性下降和/或HAT 增高均可激活NF-κB，导致促炎基因表达增加，其中HDAC2 活性下降是诱导炎性基因表达的关键因素[28-29]。既往研究发现COPD 患者的肺组织、肺泡巨噬细胞、外周血和肌肉组织中HDAC2表达下降[29-33]，导致组蛋白去乙酰化作用减弱，NF-κB 激活，进而启动一系列炎症反应。环氧化酶2(cyclooxygenase-2，COX-2)亦是炎症反应过程中的关键促炎诱导因子，与多种炎性介质共同参与COPD 的气道炎症反应，柴油机尾气颗粒物可通过降低HDAC1 的活性、促进COX-2基因启动子H4组蛋白乙酰化，导致COX-2转录增多，促进炎症反应[34]。颗粒物是我国各城市大气环境的主要污染物，PM10可引起HAT 活性升高、IL-8基因启动子区域的组蛋白H4乙酰化水平升高，IL-8产生增多，引起肺部持续的炎症反应[35]。综上，大气污染物可通过降低HDAC1的活性和/或提高HAT 的活性引起COPD 人群组蛋白乙酰化水平升高，促进促炎基因的转录，引发肺内持续的炎症反应，未来可对HAT 和/或DHAC 酶活性角度开展深入研究，为COPD 治疗提供科学参考。

3 miRNA

miRNA 是一类长度为20～24个核苷酸的非编码单链小分子RNA，通过至少6～8 nt长的互补序列与靶标基因的3′端非编码序列相结合，抑制靶向基因mRNA 的翻译或介导其降解，从基因转录后水平调控靶基因的表达[36]。近年研究发现miRNA 在环境化学物质引起的毒理学过程中起着十分重要的作用，发现污染物可通过改变某些miRNA表达，对机体产生致病效应[37]，并陆续开展了相关机制研究 (表2)。

表2 大气污染物与慢阻肺相关的部分miRNA 及作用机制

为找出PM2.5暴露与miRNA 表达之间的相关性，Zhou等[46]等设计了 “低-高-低”PM2.5暴露水平的时间序列研究，研究发现与低水平暴露 (PM2.5＜50μg/m3)时相比，miR-223-5p在高水平PM2.5暴露后 (PM2.5＞200μg/m3)显著升高，miR-194-3p显著降低，且miR-194-3p与肺功能指标FEV1和FVC呈正相关。细胞实验进一步发现，miR-194-3p可靶向调节死亡相关蛋白激酶1 (death-associated protein kinase 1，DAPK1)，而PM2.5抑 制miR-194-3p 表达，使DAPK1增多，促使支气管上皮细胞凋亡[40]。结果提示，miR-194-3p是PM2.5作用下参与支气管上皮细胞凋亡的保护性因子，可作为治疗PM2.5诱导的支气管上皮损伤加重的潜在治疗靶点。miRNA 除参与大气污染物引起的细胞凋亡外，亦与污染物导致的炎症反应有关，Song等[41]发现PM2.5暴露可降低人气道上皮细胞中miR-331 表达，导致IκB激酶β(inhibitor of NF-κB kinaseβ，IKK-β)表达的增加和持续的NF-κB 活化，细胞处于持续的炎症环境中。

缺氧性肺动脉高压是COPD 晚期并发症之一，有研究发现大气污染物引起的miRNA 异常表达与COPD 相关的肺动脉高压有关。缺氧诱导因子1α (hypoxia-inducible factor 1α，HIF-1α)是一种氧依赖性转录激活因子，在血管重塑、细胞增殖过程中发挥重要作用。将小鼠暴露于燃煤污染环境 (主要成分为SO2、NO2和PM2.5)28 d 后，取肺组织行基因芯片分析发现有18种miRNA 的表达发生显著变化 (6 种上调，12 种下调)，其中与人类同源的miR-338-5p明显降低。miR-338-5p可靶向下调HIF-1α表达，进而影响COPD 相关的肺动脉高压[47]，miR-338-5p或可成为治疗COPD 及其并发症的潜在靶点。

4 LncRNA

LncRNA 亦属于非编码RNA，其转录本长度大于200 nt，一般不编码蛋白质，可在表观遗传水平、转录水平、转录后水平调节基因的表达[48]。生物体内许多信号转导通路都受LncRNA 的调控，在细胞分化、增殖和凋亡等过程中具有重要作用。

目前LncRNA 主要功能和参与COPD 的病理生理机制仍不清楚，关于大气污染相关的LncRNA 与COPD 的研究亦较少，且多为细胞实验。PM2.5可引起人支气管上皮细胞多种LncRNA 异常表达改变，部分LncRNA 与PM2.5诱导的细胞毒性和基因毒性有关。LncRNAMEG3 可靶向调节细胞凋亡以及自噬相关蛋白，Li等[49]分析了暴露于交通相关PM2.5下的人支气管上皮细胞内LncRNA 表达谱，共有1 292条LncRNA 上 调，1 362条LncRNA 上 调，通 过siRNA 干扰表达明显异常的LncRNAMEG3 后，p53 及凋亡蛋白caspase-3 表达下调，细胞凋亡率减低，提示LncRNAMEG3可能参与PM2.5介导的细胞凋亡和自噬。Xu等[50]发现，PM2.5可引起人支气管上皮细胞细胞周期停滞，经PM2.5处理后，LncRNA LINC00341 在人支气管上皮细胞中显著上调，通过抑制LncRNA LINC00341的表达可逆转PM2.5诱导的p21 表达和G2/M 期细胞周期阻滞。上述结果表明，LncRNALINC00341 可能通过调节p21 的表达来调节PM2.5诱导的细胞周期阻滞，从而介导PM2.5对支气管上皮细胞的毒性作用。尚需明确调控大气污染物对支气管上皮细胞毒性作用的关键LncRNA 分子。

5 展望

表观遗传学受环境因素的影响并可反映环境的变化，在环境、基因表型与疾病易感性之间起关键作用，提供了可靠的生物学机制解释环境暴露与疾病之间的关系的生物学机制。COPD 是由环境和基因共同作用的多因素复杂疾病，深入研究表观遗传学有助于深入了解大气污染对COPD 发生、发展的影响。目前关于表观遗传模式及各调控机制间的相互关系仍不明确，仍需在流行病学、细胞生物学、表观遗传学等方面开展研究，识别关键的表观遗传调控机制。

利益冲突 所有作者均声明不存在利益冲突