唐玉娇, 刘如新, 白 雪, 陈梦飞(综述), 张 玲(审校)

炎症是具有血管系统的活体组织对各种损伤因子刺激所发生的以防御反应为主的基本病理过程。炎症的发展是损伤、抗损伤和修复的动态过程。但炎症反应过度或者炎症持续存在,会对机体造成局部或全身的损害[1]。免疫细胞及其相关免疫分子的改变在炎症疾病病程进展中发挥重要作用。以往研究证实,血乳酸可以调控免疫细胞而发挥抗炎作用[2-5]。2019年Zhang等[6]研究证实,乳酸可能通过组蛋白乳酸化参与调控免疫细胞,进而介导炎症过程中的组织损伤修复。Chu等[7]研究发现,在脓毒症休克患者外周血单个核细胞中组蛋白H3第18位赖氨酸残基乳酸化(histone H3 lysine 18 lactylation,H3K18la)修饰水平与抗炎/修复基因精氨酸酶1(arginase 1,Arg1)转录水平及抗炎细胞因子白细胞介素-10(interleukin-10,IL-10)表达水平呈正相关,这使组蛋白乳酸化的研究成果将来应用于临床抗炎治疗及组织损伤修复成为可能。本文对组蛋白乳酸化参与调控炎症疾病的组织损伤修复的研究进展综述如下。

1 组蛋白乳酸化修饰的发现

组蛋白是染色质重要组成部分之一,和DNA共同组成核小体结构。核心组蛋白H2A、H2B、H3、H4分别以二聚体(共八聚体)相结合,形成核小体核心,而DNA便缠绕在核小体核心上[8]。连接体组蛋白H1结合在核小体核心附近,稳定和定向连接体DNA进入和退出核小体核心[9-10]。组蛋白的翻译后修饰是表观遗传的热点研究方向之一,包括乙酰化、甲基化、磷酸化、泛素化等[11]。乳酸是细胞糖酵解途径重要的含碳代谢产物,它的生物学功能因肿瘤细胞中瓦博格效应的存在受到关注[12]。Zhang等[6]发现组蛋白赖氨酸残基乳酸化修饰的存在,并在人和小鼠细胞的核心组蛋白上鉴定出多个乳酸化位点。该发现拓宽了乳酸发挥非代谢功能的生物学意义,为探讨感染、肿瘤等病理过程提供了新视角。随后的研究发现不仅证实了组蛋白乳酸化的广泛存在,还发现了组蛋白乳酸化的诸多调控功能,比如介导巨噬细胞焦亡、干细胞命运调控、胚胎发育、神经元活动、炎症与纤维化、肿瘤的发生等[13-18]。

2 组蛋白乳酸化与免疫细胞

免疫细胞功能改变与炎症疾病的发生发展密切相关。近年研究发现,组蛋白乳酸化可参与调控巨噬细胞及其他免疫细胞基因表达,提示组蛋白乳酸化与炎症疾病之间存在着密切联系。

2.1组蛋白乳酸化与巨噬细胞 巨噬细胞作为先天性免疫细胞的重要成员,在炎症的各个阶段都可能发挥重要作用。当细菌中存在的病原体相关分子模式(pathogen-associated molecular pattern,PAMP)被巨噬细胞表面的病原体识别受体(如Toll样受体)识别时,M1型巨噬细胞被激活并产生大量的促炎介质,包括肿瘤坏死因子-α(tumor necrosis factor-alpha,TNF-α)、IL-1和一氧化氮,杀死入侵的生物并激活适应性免疫[19]。但M1型巨噬细胞不受控制的激活可能触发全身炎症反应综合征(systemic inflammatory response syndrome,SIRS)甚至脓毒症[20]。为了抵消过度的炎症反应,巨噬细胞极化为抗炎表型(M2型)以分泌大量抗炎因子保护宿主免受过度损伤并促进伤口愈合[21],或者巨噬细胞发生过度凋亡参与免疫抑制形成[22]。另外,有研究发现脓毒症时,在PAMP或损伤相关分子模式刺激下巨噬细胞内形成典型的核苷酸结合寡聚化结构域样受体蛋白3(nucleotide-binding oligomerization domain-like receptor protein 3,NLRP3)/凋亡相关斑点样蛋白/半胱氨酸天冬氨酸蛋白酶-1焦亡小体,促使巨噬细胞发生焦亡并释放IL-1β、IL-18,加剧炎症反应[23]。巨噬细胞的状态改变与炎症病情发展关系密切,组蛋白乳酸化参与了巨噬细胞的状态改变。

2.1.1 组蛋白乳酸化调控巨噬细胞极化表型 细菌攻击的M1巨噬细胞中内源性“乳酸时钟”开启基因表达以促进稳态,即在M1巨噬细胞极化的晚期,乳酸水平增高,组蛋白乳酸化水平增加,水平增高的H3K18la诱导参与损伤修复过程的M2-like基因表达,如Arg1[6]。外源乳酸增加导致的M1巨噬细胞内组蛋白乳酸化水平提高,不仅诱导了Arg1表达,还增强了血管内皮生长因子A(vascular endothelial growth factor A,VEGFA)表达[6]。这些研究表明,乳酸和组蛋白乳酸化在M1巨噬细胞极化过程中驱动M2-like基因表达的积极作用。在非细菌感染相关的炎症模型中,也发现了组蛋白乳酸化调控巨噬细胞基因表型的证据。Cui等[17]发现在小鼠肺纤维化模型中,肺内肌成纤维细胞糖酵解增强产生并分泌大量乳酸,增加巨噬细胞中致纤维化基因的启动子处组蛋白乳酸化水平,并上调Arg1、血小板衍生生长因子(platelet-derived growth factor,PDGF)和Vegf-a等促纤维化基因的转录。Wang等[24]在一项研究中发现组蛋白乳酸化修饰可以抑制心肌梗死后过度的炎症反应,促进血管新生。心肌梗死后早期梗死区巨噬细胞H3K18la水平增高,进而促进修复基因富亮氨酸α2糖蛋白1(leucine-rich alpha-2-glycoprotein 1,Lrg1)、VEGFA和IL-10的转录,有利于心肌梗死后的心脏修复。Irizarry-Caro等[25]发现巨噬细胞以B细胞磷酸肌醇3-激酶衔接蛋白依赖性方式激活PI3K/Akt信号通路,Akt的活化不仅可以介导核因子kappa B(nuclear factor kappa B,NF-κB)的下调以抑制促炎因子的转录、限制炎症,还可以增强糖酵解,导致乳酸积累、组蛋白乳酸化水平增加,进而促进M2-like基因Arg1和Krüppel样因子4(Krüppel-like factor 4,Klf4)表达,协调巨噬细胞从炎症状态向修复状态转变。该研究丰富了M1巨噬细胞中的组蛋白乳酸化促进M2-like基因表达的相关分子机制的研究。以上研究表明,组蛋白乳酸化对巨噬细胞的M2-like基因表达的促进作用对炎症免疫亢进阶段是有利的,可促进组织修复,防止炎症进一步扩散。而在部分炎症疾病(如脓毒症)中存在免疫抑制阶段时,组蛋白乳酸化的抗炎作用则会加重病情。在不同炎症阶段通过调节组蛋白乳酸化水平来改变巨噬细胞的极化状态,更有利于炎症疾病的预后。Dichtl等[26]提出了不同的观点,即赖氨酸乳酸化修饰和乳酸通常与巨噬细胞激活状态和组织修复相关基因表达无关,特别是Arg1。关于组蛋白乳酸化对巨噬细胞稳态基因的表达促进作用尚存争议,需要进一步研究证实。

2.1.2 组蛋白乳酸化抑制巨噬细胞焦亡 焦亡是一种炎症性程序性细胞死亡,通过连接先天免疫和适应性免疫,在宿主防御中起着重要作用[27]。细胞焦亡依赖于gasdermin蛋白家族成员形成质膜孔,导致细胞释放大量促炎因子[28]。适度的细胞焦亡有助于病原体的清除[29],而急剧增加或过度的细胞焦亡导致促炎介质大量释放,加剧全身炎症和组织损伤[30]。Sun等[13]研究发现产乳酸益生菌酿酒酵母通过抑制巨噬细胞焦亡和调节肠道菌群来减轻溃疡性结肠炎。该研究发现乳酸促进巨噬细胞向M2表型极化发挥抗炎作用,还可通过抑制巨噬细胞内NLRP3炎性小体的形成而抑制巨噬细胞焦亡。研究认为这种抑制作用与乳酸增高导致的巨噬细胞中组蛋白乳酸化修饰增强有关,但对于组蛋白乳酸化修饰如何抑制巨噬细胞焦亡并未进行探讨。组蛋白乳酸化抑制巨噬细胞焦亡若得到进一步验证与解释,组蛋白乳酸化对巨噬细胞焦亡的抑制作用可将为炎症疾病组织损伤修复治疗提供新的思路。

2.1.3 组蛋白乳酸化调控小胶质细胞糖酵解相关基因 小胶质细胞是中枢神经系统的驻留巨噬细胞,与许多神经退行性疾病和脑炎症性疾病的发病机制有关[31]。研究发现,小胶质细胞向糖酵解的转换导致小胶质细胞吞噬能力降低[32],而有氧糖酵解衍生的产物乳酸可直接增强小胶质细胞释放促炎细胞因子[33]。Pan等[34]发现在阿尔茨海默病(Alzheimer′s disease,AD)小鼠模型中,H4K12la在小胶质细胞糖酵解相关基因(如低氧诱导因子-1a、丙酮酸激酶M型、乳酸脱氢酶A)的启动子区显著富集,并激活这些基因的转录,促进小胶质细胞的糖酵解活性,形成“糖酵解-组蛋白乳酸化-丙酮酸激酶M2”正反馈调控环路,加强小胶质细胞的促炎特性,最终促进AD进展。在颅内感染或其他炎症疾病模型中,可能也存在小胶质细胞代谢重编程向有氧糖酵解转换,继而引起小胶质细胞内组蛋白乳酸化水平增高,促进其糖酵解基因转录,加强其促炎效应,加剧神经系统功能障碍。反之,阻断小胶质细胞的组蛋白乳酸化可能减轻神经系统炎症反应。

2.2组蛋白乳酸化与外周血单个核细胞 外周血单个核细胞是外周血中具有单个核的细胞,包括淋巴细胞和单核细胞。Chu等[7]发现H3K18la不仅在所有受试者中表达,而且在脓毒症休克患者中表达最高。研究者还发现H3K18la蛋白表达与血清乳酸、炎症分子水平、抗炎基因Arg1转录水平呈正相关。但关于组蛋白乳酸化与炎症分子及Arg1转录水平是否存在直接的调控关系,研究者并未进一步探索。总之,这些研究结果证明,乳酸化组蛋白H3K18la可作为诊断和预测脓毒性休克严重程度的潜在生物标志物,为将来组蛋白乳酸化在脓毒症临床诊疗应用方面的进一步研究提供了线索。Wang等[24]研究发现心肌梗死后外周血单核细胞组蛋白乳酸化水平升高上调修复基因(VEGFA、IL-10和Lrg1)表达,并通过动物实验证明了H3K18la水平增高的单核细胞输注有助于心肌梗死后的心脏损伤修复。在其他炎症损伤中,H3K18la水平增高的单核细胞或巨噬细胞输注是否有利于组织损伤修复,值得进一步研究。

2.3组蛋白乳酸化与其他免疫细胞 研究表明,乳酸对树突状细胞、T细胞、自然杀伤细胞等免疫细胞的功能具有抑制作用[2,35],但组蛋白乳酸化是否参与这种抑制作用尚未证实。目前,大部分组蛋白乳酸化与免疫细胞的相关研究来源于肿瘤领域,研究人员在肿瘤内浸润的免疫细胞中也检测到了乳酸化修饰。肿瘤浸润髓系细胞是参与肿瘤免疫逃逸的重要细胞群,主要包括肿瘤相关巨噬细胞、髓源抑制性细胞、肿瘤相关中性粒细胞等。Xiong等[36]研究发现组蛋白H3K18la乳酸化修饰形式促进肿瘤浸润髓系细胞中甲基转移酶样蛋白3(methyltransferase-like 3,METTL3)的表达,增强JAK1-STAT3信号通路的激活,启动下游免疫抑制分子的表达,从而产生免疫抑制,这为组蛋白乳酸化在炎症环境中免疫抑制作用的分子机制研究提供了新的思路。

3 组蛋白乳酸化修饰的关键酶

Zhang等[6]通过体外实验及细胞实验表明组蛋白乙酰基转移酶p300是潜在的乳酰转移酶,乳酸转化成乳酰辅酶A后通过乙酰基转移酶p300将乳酸基团从乳酰辅酶A转移至组蛋白上。而Gaffney等[37]发现乳酸部分从乳酰谷胱甘肽转移到组蛋白赖氨酸残基上发生赖氨酸D-乳酸化,且这一过程不依赖任何酶。人体和大多数哺乳动物糖酵解代谢主要产生的物质是L-乳酸,L-乳酸在缺氧和Warburg效应期间被大量诱导;D-乳酸是L-乳酸的光学异构体,正常情况下在细胞中的含量远远低于L-乳酸[38-39]。而Moreno-Yruela等[40]的研究证明,细胞内组蛋白乳酸化衍生自L-乳酸,且细胞内组蛋白乳酸化是赖氨酸L-乳酸化而非赖氨酸D-乳酸化。因此,细胞内组蛋白乳酸化修饰是一种酶促反应。体外实验验证了组蛋白去乙酰化酶-3和沉默调节蛋白1-3也具有去乳酸化修饰作用,并通过过表达和敲低实验表明两者在细胞中发挥去乳酸化作用。Cui等[17]通过敲低及敲除实验证明,乙酰转移酶p300介导了小鼠肺巨噬细胞促纤维化基因启动子处的组蛋白乳酸化。Wang等[24]通过敲低实验证实,组蛋白乙酰化酶氨合成通用控制蛋白5参与骨髓源性巨噬细胞组蛋白乳酸化和其靶向的修复基因转录。总之,这些数据表明组蛋白乳酸化是由调节酶安装和去除的,这些调节酶能否作为组蛋白乳酸化在炎症疾病中发挥作用的调控者,值得进一步研究。

4 结语

组蛋白乳酸化作为一种新型翻译后修饰,对组蛋白乳酸化的研究可加深人们对乳酸功能及其在各种病理生理条件(包括感染和癌症)中的作用的了解。目前,有关组蛋白乳酸化的研究尚处于初级阶段,组蛋白乳酸化参与炎症疾病相关免疫细胞调控相关的研究还有较大空间。肿瘤领域组蛋白乳酸化在免疫细胞中的研究也启发学者们继续探讨在炎症环境中组蛋白乳酸化的相关分子机制。未来还需要更多的基础实验及临床研究提供更加充分的数据资料,为炎症疾病组织损伤修复的免疫治疗带来新的希望。组蛋白乳酸化在除免疫细胞外的其他组织细胞中的炎症调控作用能被研究证实,将为临床提供更多基于组蛋白乳酸化的抗炎治疗途径。