·综述·
先天性结构畸形是指在胎儿时期由遗传或环境因素引起的身体某一结构出现的形态异常。在各类先天性结构畸形中,发病率居前三的为先天性心脏畸形(congenital heart defects,CHDs),神经管畸形(neural tube defects,NTDs)和唇裂和/或腭裂(cleft lip and/or palate,CL/P)[1] 。尽管近几年在先天性疾病的预防和治疗等方面已取得了显著进展,先天性结构畸形仍具有较高发生率以及较差的预后。因此,研究先天性结构畸形疾病的发病机制作用具有重要社会意义。
多项研究表明,蛋白质翻译后修饰(post-translational modification,PTM)是重要的表观遗传调控机制。蛋白质乙酰化是PTM的一种形式,指在组蛋白乙酰转移酶(histone acetyltransferase,HATs)催化下,乙酰基从乙酰辅酶A转移至蛋白质特定氨基酸残基的过程。细胞内乙酰化稳态由HATs和组蛋白去乙酰化酶(histone deacetylase,HDACs)共同维持,在胚胎发育过程中对干细胞的增殖、分化及命运决定至关重要[2] 。深入解析先天性结构畸形中蛋白质乙酰化的调控机制,将有助于阐明先天性结构畸形疾病的发病机理,进而为改善疾病诊断、优化治疗策略、提升患儿生存质量及生存率提供新的理论基础。
CHDs发病率占所有先天结构畸形疾病的28%,是最常见的出生缺陷[3] ,是由于胚胎期心脏及大血管发育障碍或出生后通道未闭导致的心脏解剖结构异常。研究表明,关键蛋白乙酰化位点的修饰紊乱阻碍心脏发育过程,可能是CHDs发生的重要分子机制。
1.组蛋白乙酰化与CHDs:胚胎发育过程中,胚胎干细胞和诱导多能干细胞的乙酰化水平影响着心肌细胞的分化,其分化过程由多种HATs与HDACs竞争参与。例如,在组蛋白乙酰转移酶p300(Histone acetyltransferase p300,P300)对转录因子GATA结合蛋白4(GATA Binding protein-4,GATA4)的调节中,P300可以上调GATA4启动子区中组蛋白H3第4、9及27位赖氨酸的乙酰化来促进胚胎小鼠心脏组织中GATA4蛋白表达,GATA4作为一种主要的心脏转录因子可以调节其他心脏发育相关基因的表达水平以保证心脏的正常发育[4] 。P300功能缺失小鼠同样出现异常的细胞增殖,表现为神经管发育畸形和心脏发育缺陷,并在妊娠中期(E8.5-E11)死亡[5] 。然而,P300对GATA4组蛋白乙酰化的调节并不是绝对的。在法洛四联症中,与无心脏异常的儿童相比,患儿的心肌组织中乙酰转移酶P300的mRNA表达量显著高于对照组,组蛋白H3K9乙酰化水平也显著增加,表明P300和CBP可能通过上调H3K9乙酰化来干扰心脏发育[6] 。对于HDACs家族,组蛋白去乙酰化酶1(histone deacetylase1,HDAC1)和组蛋白去乙酰化酶2(histone deacetylase2,HDAC2) 基因的心脏特异性敲除将导致扩张型心肌病、心律失常和新生儿致死[4] 。以上结果均提示,多种HATs和HDACs共同调节心脏发育过程中的组蛋白乙酰化稳态,为确定CHDs具体发病机制提供了新思路。
2.非组蛋白乙酰化与CHDs:除了组蛋白的乙酰化修饰,P300也能够作为转录共激活因子参与转录因子的乙酰化修饰增强其与DNA结合能力,上调基因转录活性维持心脏正常发育。例如,T盒转录因子TBX5(T-box transcription factor ,TBX5)在脊椎动物的心脏和前肢发育中起关键调控作用,其乙酰化修饰状态受到精密调控:组蛋白去乙酰化酶4(histone deacetylase4,HDAC4)及组蛋白去乙酰化酶5(histone deacetylase5,HDAC5)介导的去乙酰化促使其从细胞核转位至细胞质,并干扰TBX5与肌细胞特异性增强因子2C(myocyte-specific enhancer factor 2C,MEF2C)等其他心脏转录因子的功能协同,从而破坏多种转录因子的转录活性[7] 。这种破坏干扰了多种心肌细胞基因转录,迫使心脏祖细胞维持在多能状态阻滞其分化。相反地,组蛋白乙酰转移酶A/B型亚基2(histone acetyltransferase type A/B subunit 2,HAT2A/B)在TBX5赖氨酸339位点乙酰化增强其转录活性,能够挽救这种心肌细胞分化异常。HAT2A/B/TBX5轴参与心肌细胞分化在敲低HAT2A/HAT2B后出现心脏畸形的斑马鱼模型中同样得到了验证[8] 。以上结果提示,转录因子等非组蛋白的乙酰化水平与CHDs密切相关,深入研究其作用机制可能为CHDs提供新的治疗思路。
神经管畸形(NTDs)是胚胎发育过程中神经管闭合失败引发的严重出生缺陷,临床表现为无脑畸形、脊柱裂及脊髓脊膜膨出等。多种研究证实,遗传与环境因素可通过扰动蛋白质乙酰化稳态,破坏神经管闭合进程,最终导致NTDs发生。
1.组蛋白乙酰化与NTDs:通过鉴定人正常和NTDs胚胎脑组织的组蛋白乙酰化位点并评估两组组蛋白乙酰化水平,发现与正常胚胎脑组织相比,NTDs患者脑组织中可检测到的乙酰化组蛋白位点并没有差异,但组蛋白总体乙酰化水平和组蛋白H4第5位赖氨酸乙酰化水平显著增加,表明组蛋白乙酰化与NTDs可能存在关联[9] 。这种关联在动物模型中同样得到证实:在苯并[a]芘诱导的小鼠NTDs 模型胚胎中共鉴定出25个组蛋白H3第27位赖氨酸乙酰化水平差异下调基因,GO分析表明这25个差异表达基因均在生长和神经元分化过程中发挥作用[10] 。模型提示,组蛋白H3及H4乙酰化水平降低可能是NTDs的发病机制之一,且可能是通过抑制转录活性实现。但需要注意的是,组蛋白过度乙酰化同样不利于神经管闭合。曲古菌素A(HDACs抑制剂)会使组蛋白发生超乙酰化,干扰染色质凝聚并损害染色体稳定性,触发有丝分裂阻滞及细胞凋亡增加,导致鸡胚背侧神经管出现神经管闭合障碍[11] 。以上结果表明,组蛋白乙酰化缺失或超乙酰化在NTDs中均会发生,说明组蛋白的乙酰化的改变会影响神经管闭合导致NTDs发生。
2.非组蛋白乙酰化与NTDs:母体糖尿病引起神经管缺陷是氧化应激和细胞凋亡的结果,其机制之一可能是与豆蔻酰化富丙氨酸蛋白激酶C底物(myristoylated alanine-rich C-kinase substrate,MARCKS)乙酰化升高导致内质网应激有关。在母体高葡萄糖环境下,胚胎中乙酰转移酶Tip60诱导MARCKS的165位赖氨酸发生乙酰化依赖的磷酸化,而磷酸化的MARCKS从内质网中解离,扰乱了内质网活动状态,导致内质网应激、细胞凋亡和神经上皮神经发生延迟。去乙酰化酶NAD依赖性蛋白去乙酰化酶sirtuin-2(NAD-dependent protein deacetylase sirtuin-2,SIRT2)能够挽救上述过程,在SIRT2处理的胚胎中MARCKS乙酰化水平和内质网应激均显著下降,减轻了产妇糖尿病诱导的NTDs形成[12] 。此外,怀孕期间误服丙戊酸同样会诱发氧化应激,引起包括NTDs在内的胚胎畸形。其机制之一可能与丙戊酸促进线粒体超氧化物歧化酶(superoxide dismutase [Mn],mitochondrial,SOD2) 乙酰化,降低 SOD2 活性并增加氧化水平有关[13] 。除此之外,细胞肿瘤抗原p53(Cellular tumor antigen p53,P53)作为首个发现的非组蛋白乙酰化调控靶点,其乙酰化调控参与神经管闭合过程:P53乙酰化稳态由转录共调节因子Cbp/p300互作转录激活因子2(Cbp/p300-interacting transactivator 2,Cited2)与组蛋白乙酰转移酶CBP/p300形成的功能复合物(Cited2-CBP/p300)维持,Cited2敲除小鼠中P53乙酰化异常升高并诱发NTD,证实了Cited2-CBP/p300对哺乳动物神经管形成的必要性[14] 。综上,非组蛋白乙酰化修饰谱的动态变化直接调控小鼠胚胎神经管发育,阐明非组蛋白乙酰化修饰网络运作机制有望推动NTDs早期诊断标志物与靶向治疗策略的开发。
CL/P是口腔颌面部最常见先天性畸形,主要由孕4～10周胎儿面部发育障碍所致。研究证实,蛋白质乙酰化精密调控腭板融合过程,其稳态失衡可触发融合失败,是唇腭裂畸形的关键致病机制。
1.组蛋白乙酰化与CL/P:CL/P的形成受遗传和环境因素共同影响。例如,在 Moz-/-小鼠模型中,Moz基因缺陷导致了包括腭裂在内的广泛颅面异常,且腭裂的外显率为100%。研究发现 Moz-/- 胚胎的组蛋白 H3K9 乙酰化水平显著降低,提示这种表观遗传修饰失调可能是其致畸机制之一[15] 。另一方面,环境污染物 2,3,7,8-四氯二苯并对二恶英(2,3,7,8-Tetrachlorodibenzo-p-dioxin,TCDD)也与腭裂等出生缺陷相关。研究表明,TCDD 暴露使小鼠腭裂发生率高达 93.55%。在腭突发育的关键期(GD 13.5-14.5),TCDD 处理组的HATs活性和组蛋白 H3 乙酰化水平均显著高于对照组;然而,在腭融合完成时(GD 15.5),HATs 活性和 H3 乙酰化水平低于对照组[16] 。表明腭发育过程中组蛋白乙酰化受到精确的时空调控。综上,遗传缺陷(如 Moz 缺失)和环境暴露(如 TCDD)均可通过干扰胚胎组蛋白 H3 乙酰化稳态,参与 CL/P 的形成,为深入解析其发病机制提供了重要实验依据。
2.非组蛋白乙酰化与CL/P:Bcl2相关抗凋亡基因6是新发现的腭裂相关基因,其编码的Bcl2相关抗凋亡基因6蛋白(large proline-rich protein BAG6,BAG6)在上颚融合过程中与乙酰化的叉头盒蛋白O1(ac-Forkhead box protein O1,acFoxO1)协同调控内侧边缘上皮细胞(medial edge epithelium,MEE)的凋亡。其机制在于:BAG6/p300 核复合物通过结合acFoxO1 促进 acFoxO1 介导的FAS配体基因(Fas ligand,FasL)转录,从而增强 MEE 的 FasL 依赖性凋亡。此外,研究证实 BAG6/acFoxO1 可激活促凋亡的凋亡调节蛋白(apoptosis regulator BAX,BAX)依赖的caspase-3活化信号轴 Bax/caspase-3 信号通路。综上,BAG6 诱导的 FoxO1 乙酰化促进了上颚融合中的 FasL/Bax/cleaved caspase-3 凋亡信号通路,维持 MEE 细胞的正常凋亡,进而预防CL/P的发生[17] 。
1.组蛋白乙酰化与其他先天性结构畸形疾病:除了发病率前三的先天性结构畸形疾病,组蛋白乙酰化失调在食管闭锁(esophageal atresia,EA)和先天性膈疝(congenital diaphragmatic hernia,CDH)等疾病中也有报道。EA是最常见的先天性食管畸形,特征为食管闭锁-气管食管瘘。研究发现,在阿霉素诱导的EA模型中,发育不良肺组织相较于正常肺组织呈现HDAC1表达上调及H3K56ac水平下调,导致正常食管分支形态发生所需的关键上皮蛋白表达降低,从而促进疾病表型形成[18] 。另一方面,CDH作为结构性畸形中较严重且常见的类型之一,其发病机制尚未完全阐明。HDACs抑制剂曲古抑菌素A处理CDH模型胚胎组蛋白乙酰化水平增加且基因组DNA损伤显著减轻,促进了肺间充质细胞增殖与分化,改善肺发育和肺血管形成,并降低肺动脉高压风险。此结果表明,调控组蛋白乙酰化水平可有效改善CDH模型小鼠的肺发育障碍[19] 。
2.非组蛋白乙酰化与其他先天性结构畸形疾病:常染色体显性遗传性多囊肾病(autosomal dominant polycystic kindney disease,ADPKD)是最常见的可进展至终末期肾病的遗传性肾病之一,其特征为肾脏内形成进行性增大的液性囊肿。研究表明,信号转导与转录激活因子3(signal transducer and activator of transcription 3,STAT3)通路的异常乙酰化可能与其发病有关。相较于正常肾组织,ADPKD患者囊性上皮细胞中前胸腺素α表达显著升高。升高的前胸腺素α与STAT3相互作用,竞争性抑制其与HDAC3的结合,导致STAT3发生高水平乙酰化。但矛盾的是,虽然STAT3通常在细胞增殖和分化中发挥重要作用,但其乙酰化激活在ADPKD中反而抑制了正常的肾囊泡形成,从而促进囊肿发生[20] 。
尽管近年来关于先天性结构畸形疾病的病因研究取得了重要进展,但其致病机制尚未完全阐明。研究表明,组蛋白和非组蛋白的乙酰化水平及位点差异与疾病发生发展密切相关,提示靶向HATs或HDACs可能是潜在治疗策略。例如HDACs抑制剂曲古抑菌素A可通过促进组蛋白乙酰化减轻基因组损伤降低CDH风险[19] 。然而,其诱导的组蛋白超乙酰化同样会阻滞有丝分裂从而干扰神经管闭合诱发NTDs[11] ,凸显了此类药物临床应用的挑战性。此外,除了蛋白质的乙酰化,由N-乙酰转移酶10 (N-acetyltransferase 10,NAT10)介导的RNA的N4-乙酰化胞苷乙酰化修饰(N4-acetylcytidine,ac4C)是目前唯一已知的真核RNA乙酰化修饰。目前ac4C修饰的研究主要集中在各种癌症中,是癌症发生发展、免疫逃逸和耐药性等的关键因素[21] 。但ac4C修饰在先天性结构畸形中的作用尚未见报道,可能会成为极具潜力的新方向。未来研究需深入解析蛋白质乙酰化在畸形中的具体机制,并拓展至RNA乙酰化(如ac4C)等新兴领域,为疾病诊断和治疗提供新思路。
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