周围神经损伤后再生的表观遗传学调控机制研究进展_张奕飞.pdf
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1、Neural InjuryAnd Functional Reconstruction,March 2023,Vol.18,No.3综述周围神经损伤后再生的表观遗传学调控机制研究进展张奕飞1,2,李大伟1,2,陈鹏辉1,2,谢晋1,2作者单位1.上海交通大学医学院附属新华医院耳鼻咽喉头颈外科上海 2000922.上海市耳鼻疾病转化医学重点实验室上海 200092收稿日期2021-06-01通讯作者谢晋摘要周围神经损伤反应及影响再生的表观遗传学机制尚未被阐明。本文着眼于表观遗传学调控机制,从DNA甲基化、组蛋白修饰、非编码RNA等方面对周围神经损伤后再生的表观遗传学调控机制进行综述,为优化周围神经
2、损伤后再生的临床治疗提供基础知识。关键词周围神经损伤;神经再生;表观基因组学;DNA甲基化;组蛋白修饰;非编码RNA中图分类号 R741;R745 文献标识码ADOI10.16780/ki.sjssgncj.20210525本文引用格式:张奕飞,李大伟,陈鹏辉,谢晋.周围神经损伤后再生的表观遗传学调控机制研究进展J.神经损伤与功能重建,2023,18(3):154-157.Research Progress of Epigenetic Regulatory Mechanisms in Regeneration after PeripheralNerve InjuryZHANG Yi-fei1,
3、2,LI Da-wei1,2,CHEN Peng-hui1,2,XIE Jin1,2.1.Department of OtolaryngologyHead and Neck Surgery,Xinhua Hospital Affiliated to Shanghai Jiao Tong University School of Medicine,Shanghai 200092,China;2.Shanghai Key Laboratory of Translational Medicine on Ear and Nose Diseases,Shanghai 200082,ChinaAbstra
4、ct The response to peripheral nerve injury and the epigenetic mechanisms affecting regeneration have notbeen elucidated.In this review,the epigenetic regulatory mechanisms in peripheral nerve regeneration after injurywere reviewed from the aspects of DNA methylation,histone modification,and non-codi
5、ng RNA,which willprovide fundamental knowledge for optimizing clinical treatments after peripheral nerve injury.Keywordsperipheral nerve injuries;nerve regeneration;epigenomics;DNA methylation;histone code;untranslated RNA1 前言周围神经损伤后再生及功能恢复一直是临床难题。虽然,近年来显微外科学的发展使得周围神经断端吻合水准日益提升,组织工程与材料学的发展亦在一定程度上促进了
6、周围神经再生,但是神经损伤后的功能恢复仍然不理想。功能恢复不佳取决于损伤发生后施旺细胞慢性去神经化、再生轴突重新支配靶器官前的时间窗过长、再生轴突交叉生长并导向错误进入错误神经内膜管1。而表观遗传学调控参与周围神经损伤中促进损伤神经元存活、延长施旺细胞修复作用时间,缩短靶器官支配前的时间窗,辅助轴突正确导向等机制与过程,从而在周围神经损伤再生中发挥重要作用。本文从DNA甲基化、组蛋白修饰、非编码RNA三方面出发,对周围神经损伤后再生的表观遗传调控机制的研究进展进行综述。2 DNA甲基化在周围神经再生中的调控作用DNA甲基化(DNA methylation)是在DNA甲基转移酶(DNA Meth
7、yltransferase,DNMT)的作用下,以S-腺苷甲硫氨酸(S-adenosyl methionine,SAM)作为甲基供体,在基因组胞嘧啶-磷酸-鸟嘌呤(CpG)二核苷酸的胞嘧啶5号碳原子共价结合一个甲基基团,形成 5 甲基胞嘧啶(5-methylcytosine,5-mC),其阻碍转录因子与DNA的结合,所以往往导致基因沉默。DNA甲基化是一种相对稳定的修饰状态,可随着DNA的复制将甲基化改变遗传给子代而不改变碱基序列,是一种重要的表观遗传学机制。在施旺细胞发育过程中,DNA甲基化参与髓鞘发育的抑制。全局甲基化分析显示,施旺细胞发育过程中,DNA甲基转移酶DNMT1和DNMT3A/
8、3B的水平在成熟神经中极低,SAM作为甲基的供体,它的水平极大程度调控了DNA甲基化水平。Varela-Rey等学者2的研究显示,如果在施旺细胞培养时给予外源性SAM,这将会导致较低的髓鞘基因的表达水平。Gnmt基因敲除会导致SAM分解代谢缺少关键酶,从而提升SAM的水平,通过利用Gnmt-/-小鼠模型,能观察到小鼠会产生更薄的髓鞘,髓鞘相关基因以及脂质合成相关基因将被抑制。在周围神经损伤后第3天,髓鞘合成相关基因Mpz、Egr2等明显下调3,此过程中,DNA甲基化或发挥重要作用。Zhou等4比较了大鼠周围神经损伤前后施旺细胞DNA甲基化的改变,利用甲基化DNA免疫共沉淀测序(MeDIP-Se
9、q)技术,分析发现:差异甲基化区(DMRs)峰在基因组不同组分中的分布主要位于远端基因间区。Shi等5比较了中枢神经和周围神经损伤后DNA甲基化基因表达水平的变化,利用全基因组重亚硫酸盐测序(WGBS)和MeDIP-Seq技术,发现共有16种基因在中枢和周围神经损伤后都有着相同的DNA甲基化改变。其中,Dnm3、Ntrk3、Smurf1、Dpysl2、Kalrn、Shank1、Dlg2、Arsb、Reln、Bmp5、Numbl、Prickle2、Map6和Htr7是核心基因。Zuo等6通过增殖和黏附相关实验,证实激活施旺细胞154神经损伤与功能重建2023年3月第18卷第3期(activate
10、d Schwann cells,ASCs)比 正 常 施 旺 细 胞(normalSchwann cells,NSCs)有 更 强 的 增 殖 和 黏 附 活 性。使 用MeDIP-Seq测序技术,共筛选出429条差异DNA甲基化基因,进一步生物信息学分析显示Fyn、Efna1、Jak2、Vav3、Flt4、Epha7、Crk、Kitlg、Ctnnb1和Ptpn11为施旺细胞黏附候选基因。这项研究分析出了在周围神经损伤后施旺细胞黏附相关DNA甲基化模式,并且识别出施旺细胞黏附的候选调控基因。Shin等7对L4L6背根神经节(dorsal root ganglions,DRGs)上感觉神经元做损
11、伤预处理,通过全基因组测序,发现大约20%的甲基化DNA片段的甲基化水平发生不同程度的变化,这些DNA甲基化的改变和大部分基因表达没有相关。但是,通过药理学抑制或激活DNA甲基化能明显减弱轴突再生能力。药理学的干扰能导致许多高度重叠的非转录因子RAGs的下调,同时使得SOCS3和Serpine1明显上调。过表达SOCS3和Serpine1能减弱损伤诱导的轴突生长能力。这说明,他们是轴突再生的负调控因子。Shin的实验解释了周围神经损伤后,DNA甲基化的改变会导致RAGs的负调控因子上调,从而减弱轴突再生能力。Shin团队8继续深入研究,发现原癌基因Myc是损伤预处理后RAGs表达的转录枢纽基因
12、。他们发现c-MYC能结合于特定RAGs的启动子上,并且Myc的上调先于RAGs的上调。这种Myc基因的早期转录激活和Myc外显子 3 序列显著的DNA甲基化有关。3 组蛋白修饰在周围神经再生中的调控作用组蛋白包括H1/H5、H2A、H2B、H3和H4五种成分,其中组蛋白H2A、H2B、H3和H4被称为核心组蛋白,他们和DNA共同组成染色质的基本单位核小体。组蛋白的N-末端能在相关酶的作用下,与各种基团共价结合,而发生甲基化、乙酰化、磷酸化和泛素化等修饰,其中组蛋白H3是修饰最多的组蛋白。在周围神经再生中,表观遗传学组蛋白修饰主要集中在组蛋白甲基化和乙酰化的研究。3.1 组蛋白甲基化和去甲基化
13、组蛋白甲基转移酶(histone methyltransferase,HMT)能把甲基添加到目标残基上,而组蛋白去甲基酶(histone demethylase,HDM)能去除甲基基团。组蛋白可以在其赖氨酸(K)、精氨酸(R)和组氨酸(His)三个碱基上发生甲基化,不同家族HMT和HDM可以作用于不同组蛋白的不同氨基酸而产生基因沉默或激活效应。Ma等9研究了损伤后组蛋白甲基化标记在损伤诱导基因的启动子和增强子出现的现象,在发育成熟神经中,损伤诱导基因,包括 Shh 和神经营养因子 Gdnf,被多梳抑制性复合物 2(Polycomb Repressive Complex 2,PRC2)沉默,这是
14、由于PRC2能催化抑制性三甲基组蛋白H3赖氨酸27(H3K27me3,下同理)标记添加到这些基因的启动子上。而损伤发生后,这些基因的启动子被H3K27去甲基化去抑制,H3K4甲基化激活。而这些基因的增强子被H3K27乙酰化激活,这个过程跟c-Jun的募集有关,c-Jun是周围神经损伤后施旺细胞转分化的主要调控因子10,11。这些机制能促进损伤后轴突再生。表观遗传学调控在确保施旺细胞损伤后能发挥正确的功能上也很重要。当周围神经发生损伤,神经断端上的施旺细胞发生去髓鞘,其重新进入细胞周期并增殖。为了防止施旺细胞过度增殖而形成肿瘤,Arf/Ink4位点被HDM JMJD3解除抑制,其能使p19Arf
15、、p16Ink4a和p15Ink4b基因启动子区的H3K27去甲基化,从而表达出肿瘤抑制蛋白限制施旺细胞增殖12。3.2 组蛋白乙酰化和去乙酰化组蛋白乙酰基转移酶(histone acetyltransferase,HAT)能把乙酰基添加到组蛋白尾部的赖氨酸中,使DNA和组蛋白的连接变得疏松,这样有利于染色质构型开放及转录活性增强。而组蛋白去乙酰基酶(histone deacetylase,HDAC)正好相反,它能去除乙酰基,导致染色质变得更加紧密,抑制转录过程。目前,在周围神经再生领域中,HAT 的研究较少,大部分研究集中在HDAC对组蛋白等的调控12。HDAC1和HDAC2属于1型HDAC
16、,在成年期施旺细胞发育中起重要作用,如髓鞘形成和周围神经系统维持13。在轴突发生损伤时,HDAC1 和 HDAC2 的水平强烈上调14。通过和Sox10发生相互作用,HDAC2募集H3K9去甲基酶KDM3A和JMJD2C,这些分子形成一个复合物,在修复程序中能去抑制并激活Oct6和Krox20基因。而Oct6是c-Jun表达的负调控因子,损伤后,Oct6水平快速上调,这就会延迟施旺细胞转分化为修复施旺细胞的速度,影响神经修复。基因失活HDAC1/2,能阻止损伤后Oct6和Krox20的上调,将导致更快的轴突再生速度,但这会减慢施旺细胞再髓鞘化的速度。有意思的是,若在损伤早期短暂地使用HDAC1
17、/2药理学抑制剂,能观察到其能加速再生进程,并且还不影响再髓鞘的速度14。HDAC3是另一种1型HDAC,被证明能限制髓鞘形成。无论是使用HDAC3的药理学抑制剂还是在施旺细胞中条件性敲除,其在周围神经损伤或者PNS完整情况下都能增强髓鞘再生能力15,16。He等和Rosenberg等都发现了这一现象,但是他们认为HDAC3是通过不同机制发挥作用的。He 等15认为 HDAC3 拮抗 neuregulin-PI3K-AKT信号通路,协同p300组蛋白乙酰基转移酶,通过表观遗传学沉默,抑制髓鞘形成,并激活抑制施旺细胞髓鞘形成的基因。而Rosenberg等16则认为HDAC3允许关闭了HDAC1/
18、2依赖的促进髓鞘生成的程序,从而进入成熟周围神经的髓鞘稳态阶段。所以,HDAC3究竟通过哪一种机制发挥髓鞘抑制作用,仍存在争议,需要进一步研究。合理应用HDAC1/2的抑制剂有望加速神经损伤后轴突再生能力,而HDAC3的抑制剂或能改善周围神经损伤后髓鞘再生的能力,甚至在一些脱髓鞘的周围神经病和衰老导致的脱髓鞘病变中或有治疗作用。这些治疗方法有望投入临床,但药物的有效性、毒副反应、致癌性仍需要进一步研究。4 非编码RNA在周围神经再生中的调控作用人类全基因组测序结果显示,编码蛋白质的序列只占全部基因组序列的1.5%,绝大部分序列不编码蛋白质,这些非编码155Neural InjuryAnd Fu
19、nctional Reconstruction,March 2023,Vol.18,No.3序列转录出的非编码RNA(non-coding RNA,ncRNA),被证明在周围神经修复中发挥重要作用,其功能机制各异,研究主要集中在miRNA、lncRNA、circRNA等。4.1 miRNA影响施旺细胞增殖、迁移与髓鞘形成及神经元的轴突再生miRNA是长度为1824个碱基的单链短ncRNA,能通过结合靶基因上3 端非翻译区来抑制转录,从而对体内各种生理、病理活动进行调控。Ning等17研究发现miR-21通过靶基因TGFI、TIMP3和EPHA4促进周围神经损伤后施旺细胞增殖和轴突再生。Ning
20、发现神经损伤组的miR-21的表达水平明显高于假手术组和空白对照组。并且过表达miR-21能促进施旺细胞增殖和DRGs的轴突再生。进一步研究发现,过表达miR-21能降低TGFI的表达,从而使得Cyclin D1(CCND1)表达升高。后者是调节细胞周期的重要因子,升高CCND1能加快G1/S期转换,从而促进施旺细胞增殖。而过表达 miR-21 也能降低TIMP3表达,TIMP3和细胞凋亡关系紧密,通过检测细胞凋亡中控制多种蛋白降解的关键酶caspase-3和激活caspase-3下游的caspase-9表达水平,发现过表达miR-21后,细胞凋亡被抑制,这很可能跟TIMP3相关。Zhou的工
21、作18也证实了这一点,在DRG神经元中过表达miR-21和miR-222能抑制细胞凋亡,增强细胞活力,这也是通过抑制TIMP3实现的。而过表达miR-21,EPHA4的表达也降低了,EPHA4的降低能增强施旺细胞功能和轴突再生能力。除了 miR-21 外,miR-9、miR-221、miR-222、miR-182、Let-7 miRNA等也不同程度地影响施旺细胞增殖和迁移。Song等19发现,利用生物可降解及生物相容性阳离子聚合物材料运输转染了microRNA-221/222的施旺细胞到患处,可有效地提高坐骨神经损伤后再生的效率。miR-221/222的上调促进神经生长因子和髓鞘基本蛋白的表达
22、,从而促进轴突再生和施旺细胞的髓鞘再生。而miR-221/222还能调控施旺细胞增殖和迁移,并诱导施旺细胞表型改变,这是通过靶向LASS2基因实现的20。而Yu等21发现坐骨神经损伤后,损伤早期高表达的miR-182抑制下游分子FGF9和NTM的表达,从而阻碍了施旺细胞增殖和迁移。Zhou等22发现,miR-9通过直接靶向含有蛋白1的胶原三螺旋重复序列(CTHRC1)发挥基因沉默作用,后者能使 Rac1-GTPase 失活,从而阻碍施旺细胞迁移。Let-7miRNA能通过靶向神经生长因子(nerve growth factor,NGF)并抑制其蛋白翻译,从而抑制施旺细胞增殖和迁移;在周围神经损
23、伤早期,Let-7 miRNA还能通过非NGF依赖途径抑制施旺细胞凋亡23。而Zhao等24则发现miR-221-3p是通过下调NGF1-A连接蛋白(Nab1)的表达,在体外DRG细胞共培养条件下抑制施旺细胞的髓鞘形成。并且,使用miR-221-3p拮抗剂而获得的髓鞘形成促进作用被Nab1的抑制所减弱。Liu等25发现miR-192通过靶向凋亡蛋白 X 连锁抑制因子(X-linked inhibitor ofapoptosis protein,XIAP)来发挥神经细胞凋亡的作用,而抑制miR-192的表达,能够上调XIAP,同时减少神经细胞凋亡,促进神经修复。Li等26发现miR-340能直接
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