變應(yīng)性鼻炎表觀遺傳學(xué)

朱棟，何翔，李國平

變應(yīng)性鼻炎(allergic rhinitis，AR)俗稱過敏性鼻炎,是某些個(gè)體接觸過敏原后，由IgE介導(dǎo)的Ⅰ型變態(tài)反應(yīng)，通過釋放炎性介質(zhì)、免疫活性細(xì)胞以及細(xì)胞因子等參與的鼻部變態(tài)反應(yīng)性疾病。臨床上以鼻塞、流清涕、鼻癢、噴嚏等為主要表現(xiàn)，嚴(yán)重者可并發(fā)哮喘、鼻竇炎、中耳炎等多種疾病，給人們的日常生活帶來諸多困擾。目前在AR的防治方面主要以改善鼻部癥狀、減少發(fā)作頻率為主，徹底根治具有一定難度。隨著高通量測序的普及，表觀遺傳學(xué)迅速發(fā)展，在腫瘤、心血管疾病、炎癥等多種疾病的發(fā)病過程中發(fā)揮了重要作用[1-3]，表觀遺傳學(xué)可在不改變DNA序列的前提下改變基因表達(dá)水平，產(chǎn)生可遺傳性改變[4]。相關(guān)研究表明表觀遺傳學(xué)在環(huán)境相關(guān)疾病的發(fā)生、發(fā)展中發(fā)揮著重要的作用, 可引起DNA甲基化、組蛋白修飾、miRNAs調(diào)控等多方面改變[5]。高通量測序技術(shù)的發(fā)展，使人們對(duì)變態(tài)反應(yīng)性疾病的發(fā)病機(jī)制有了進(jìn)一步認(rèn)識(shí)。轉(zhuǎn)錄組是組織或細(xì)胞轉(zhuǎn)錄的所有 RNA轉(zhuǎn)錄本的集合總稱，包括非編碼RNA和mRNA。目前轉(zhuǎn)錄組測序技術(shù)在AR的研究主要集中于炎性細(xì)胞因子方面，如Liu等[6]通過RNA測序分析研究了IL-37在人類鼻上皮細(xì)胞中的調(diào)控基因，發(fā)現(xiàn)嗜酸性炎癥中IL-37分泌水平與胸腺基質(zhì)淋巴細(xì)胞生成素水平及嗜酸性粒細(xì)胞數(shù)量呈負(fù)相關(guān)。表明抑制IL-37分泌，可增強(qiáng)胸腺基質(zhì)淋巴細(xì)胞生成素的生成，促進(jìn)嗜酸性炎癥的發(fā)生。Levin等[7]對(duì)血液樣本和鼻黏膜樣本兩者的抗體基因測序并結(jié)合抗體片段文庫技術(shù)對(duì)過敏原特異性IgE進(jìn)行鑒定，發(fā)現(xiàn)在鼻黏膜樣本中過敏原特異性更強(qiáng)。Poole等[8]對(duì)轉(zhuǎn)錄譜分析研究中發(fā)現(xiàn)AR患者氣道的Th2炎癥表現(xiàn)與哮喘前氣道的Th2表現(xiàn)高度相似，鼻部表達(dá)譜可用于識(shí)別IL-13驅(qū)動(dòng)的哮喘和Th2介導(dǎo)的全身免疫應(yīng)答，得出AR患者鼻道氣道基因表達(dá)譜與肺氣道基因表達(dá)譜基本相同的結(jié)論?？v觀上述研究發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)錄組測序?qū)R的研究還不足以描述其完整發(fā)病機(jī)制，諸如鼻黏膜上皮損傷在AR的發(fā)病途徑，炎性細(xì)胞因子之間互相關(guān)系，基因多態(tài)性的分布等等。由于AR的發(fā)病受到外界環(huán)境影響等其它因素較大，暴露于同一過敏原的AR患者，有些可以迅速表現(xiàn)出鼻癢、鼻塞和噴嚏等一系列過敏癥狀，而有些表現(xiàn)出鼻癢或鼻塞等單一的癥狀，部分患者則表現(xiàn)出遲發(fā)相的過敏癥狀，這便需要表觀遺傳學(xué)進(jìn)一步解釋。本文就表觀遺傳學(xué)在AR的相關(guān)研究進(jìn)行綜述。

1 DNA甲基化在AR中的作用

DNA甲基化作為表觀遺傳學(xué)的重要組成，在維持細(xì)胞結(jié)構(gòu)功能、遺傳因子及疾病發(fā)生中起著重要作用，是發(fā)現(xiàn)最早的表觀遺傳修飾，也是目前為止最為典型的表觀遺傳修飾，通常發(fā)生在CpG二核苷酸中胞密啶的5位碳原子上，受DNA甲基轉(zhuǎn)移酶(DNA mcthyltransferase，DNMTs)的調(diào)控，基因啟動(dòng)子內(nèi)的CpG高表達(dá)甲基化使得基因轉(zhuǎn)錄沉默，相反則促進(jìn)轉(zhuǎn)錄的發(fā)生[9-10]。DNMTs 家族系包括 DNMTI、DNMT3A、DNMT3B、DNMT3L、DNMT3L-AS1，DNMTI 不僅維持DNA甲基化水平，還對(duì)T淋巴細(xì)胞分化階段的表達(dá)有著重要的作用，DNMT3A和DNMT3B主要功能為起始甲基化[11-12]。炎性變態(tài)反應(yīng)性疾病，尤其是AR，其表觀遺傳學(xué)的改變?cè)诎l(fā)病中起著非常重要的作用。Nestor等[13]對(duì)CD4+T細(xì)胞進(jìn)行全基因組DNA甲基化和基因表達(dá)分析，發(fā)現(xiàn)對(duì)照組和治療組之間存在T細(xì)胞比例的變化，這可以解釋觀察到的DNA甲基化的差異，此次研究是第一次成功的使用CD4+T細(xì)胞對(duì)過敏進(jìn)行分子分類。Yang等[14]比較了非裔美國兒童持續(xù)性特應(yīng)性哮喘和健康對(duì)照組的基因組DNA甲基化模式和基因表達(dá)，鑒定出186個(gè)基因具有顯著的甲基化變化，推測鼻上皮中的DNA甲基化可以作為疾病的生物標(biāo)記，認(rèn)為呼吸上皮的表觀遺傳標(biāo)記與兒童過敏性哮喘和基因表達(dá)變化有關(guān)。Cardenas等[15]通過對(duì)前鼻孔拭子進(jìn)行DNA甲基化檢測，發(fā)現(xiàn)鼻細(xì)胞表觀遺傳可作為哮喘、過敏和氣道反應(yīng)的敏感表觀遺傳生物標(biāo)記物。Langie等[16]使用全甲基組芯片從唾液中生成高質(zhì)量的甲基化圖譜，唾液是分析DNA甲基化模式變化的一種很有吸引力的生物液體，提供了基于唾液的全基因組甲基化分析在AR等呼吸過敏領(lǐng)域的適用性研究思路。McErlean等[17]在體外對(duì)人鼻病毒感染期間哮喘和健康的鼻上皮細(xì)胞進(jìn)行了DNA甲基化分析，哮喘患者和健康患者之間存在差異。由此可見，細(xì)胞比例的改變，甲基化位點(diǎn)的差異性都可以引起AR表觀遺傳學(xué)發(fā)生改變。

2 組蛋白修飾在AR中的作用

組蛋白修飾包括甲基化、乙?；⒘姿峄?、泛素化及ADP-核糖化等，其中組蛋白甲基化是表觀遺傳學(xué)中重要的修飾方式，其異常修飾的改變，可以引起多種疾病的發(fā)生[18]。組蛋白修飾的關(guān)鍵酶為組蛋白甲基轉(zhuǎn)移酶。組蛋白甲基化調(diào)節(jié)細(xì)胞轉(zhuǎn)錄和基因組穩(wěn)定性，從而影響基因表達(dá)和轉(zhuǎn)錄調(diào)控[19]。Alaskhar等[20]通過梳理相關(guān)文獻(xiàn)，發(fā)現(xiàn)在過敏性疾病中，組蛋白修飾引起過敏性炎癥的細(xì)胞(T細(xì)胞和巨噬細(xì)胞)和參與氣道重構(gòu)的細(xì)胞的調(diào)節(jié)作用，且組蛋白修飾與變態(tài)反應(yīng)表型之間的直接聯(lián)系。Nakano等[21]探討了組蛋白連接體H1在肥大細(xì)胞介導(dǎo)的I型變應(yīng)性中的作用。發(fā)現(xiàn)組蛋白H1的單克隆抗體不僅能抑制肥大細(xì)胞的脫顆粒，而且還能改善OVA誘導(dǎo)的鼻高反應(yīng)性和IgE介導(dǎo)的被動(dòng)皮膚過敏反應(yīng)，認(rèn)為組蛋白HI是一種作用于肥大細(xì)胞的蛋白樣內(nèi)源性介質(zhì)，其阻斷對(duì)肥大細(xì)胞介導(dǎo)的l型高反應(yīng)性具有治療潛力。Steelant等[22]通過氣道炎癥小鼠模型中研究組蛋白去乙?；?HDAC)的活性，發(fā)現(xiàn)AR的鼻上皮細(xì)胞中HDAC活性升高，且與上皮完整性呈負(fù)相關(guān)。提倡在AR患者中將HDAC活性作為一種新的內(nèi)在機(jī)制來評(píng)估鼻黏膜上皮屏障的作用，認(rèn)為阻斷HDAC重構(gòu)屏障功能，是一種有前景的治療干預(yù)新靶點(diǎn)。Jiang等[23]發(fā)現(xiàn)AR患者和大鼠鼻腔上皮中的Trek1(K2P通道家族的重要成員)含量明顯低于正常組，細(xì)胞因子IL-4顯著抑制了鼻黏膜Trek1的表達(dá)。表明Trek1對(duì)維持鼻上皮屏障功能至關(guān)重要。

3 基因多態(tài)性在AR中的作用

隨著以第3代遺傳標(biāo)記物單核苷酸多態(tài)性(SNPs)為主的基因多態(tài)性檢測技術(shù)的發(fā)展，白介素、轉(zhuǎn)錄因子、嗜酸粒細(xì)胞過氧化物酶等基因多態(tài)性與變應(yīng)性疾病相關(guān)性的研究在AR的基因研究中得到了廣泛應(yīng)用[24-25]。Ramasamy等[26]對(duì)553名兒童進(jìn)行了一項(xiàng)全基因組相關(guān)性研究，從CD4+淋巴細(xì)胞中獲取RNA進(jìn)行表達(dá)譜分析，比較AR患兒和非AR患兒的等位基因分布，發(fā)現(xiàn)IL-23R基因rs7517847位點(diǎn)的多態(tài)性與AR易感性有關(guān)，表明IL-23R是AR發(fā)病機(jī)制中值得關(guān)注的基因。Bunyavanich等[27]對(duì)不同民族的變應(yīng)性AR的全基因組相關(guān)性研究，顯示了種族特異性的結(jié)果，使用具有類似CD4+基因表達(dá)模式的基因模塊構(gòu)建了一個(gè)共表達(dá)網(wǎng)絡(luò)，發(fā)現(xiàn)線粒體途徑是進(jìn)一步研究變應(yīng)性AR的機(jī)制和治療的一個(gè)目標(biāo)。Morin等[28]結(jié)合全基因組關(guān)聯(lián)的單核苷酸多態(tài)性，使用cis-mQTL數(shù)據(jù)來識(shí)別AR中的基因，發(fā)現(xiàn)CDX1基因可能是AR的發(fā)病機(jī)制和特異反應(yīng)的重要組成。Waage等[29]通過全基因組關(guān)聯(lián)研究發(fā)現(xiàn)HLA區(qū)域的精細(xì)映射提示氨基酸變異對(duì)抗原結(jié)合發(fā)揮了重要作用，擴(kuò)大了已建立的AR易感性位點(diǎn)的數(shù)量，強(qiáng)調(diào)AR易感性位點(diǎn)在不同免疫細(xì)胞的類型。Andiappan等[30-32]的研究表明MRPL4和BCAP分別是HIF-1a和PI3K/Akt信號(hào)通路的關(guān)鍵成分，是AR的兩個(gè)新的候選基因。認(rèn)為對(duì)這些分子及其信號(hào)通路的進(jìn)一步研究將有助于了解AR的發(fā)病機(jī)制和新的治療靶點(diǎn)的確定。其研究進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)NPSRI和CTLA4為AR的潛在易感基因，并對(duì)AR的塵螨致敏原進(jìn)行了全基因組關(guān)聯(lián)研究，鑒定rs2155219、rs7617456和rs1898671位點(diǎn)可能與AR的發(fā)病有關(guān)。

4 miRNAs表達(dá)在AR中的作用

miRNAs是內(nèi)源性的具有調(diào)控功能的非編碼RNA，具有調(diào)節(jié)細(xì)胞生長，組織分化等功能，各種炎癥及免疫系統(tǒng)疾病的發(fā)生都與miRNAs有關(guān)[33]。miRNAs在調(diào)節(jié)過敏性炎癥的關(guān)鍵致病機(jī)制中發(fā)揮重要作用，包括T細(xì)胞的激活、嗜酸性粒細(xì)胞的發(fā)育、IL-13驅(qū)動(dòng)的上皮反應(yīng)等[34]。Collison等[35]發(fā)現(xiàn)anti-miR-145可顯著降低嗜酸性粒細(xì)胞浸潤、黏液產(chǎn)生、Th2細(xì)胞因子的產(chǎn)生和氣道高反應(yīng)性。其作用與糖皮質(zhì)激素治療相似。Shaoqing等[36]比較了AR患者和因鼻塞接受手術(shù)的非AR患者的鼻黏膜的miRNA表達(dá)譜，發(fā)現(xiàn)在兩組之間有9個(gè)miRNAs有超過2倍的變化，并通過定量RT-PCR驗(yàn)證了AR患者miR-143、miR-187和miR-224的表達(dá)下調(diào)。Zhang等[37]發(fā)現(xiàn)miR-125b在伴有鼻息肉的慢性嗜酸性鼻竇炎患者鼻竇黏膜上皮細(xì)胞中過表達(dá)，可能是引起AR的一個(gè)重要原因。Chen等[38]對(duì)6歲兒童的外周血單核細(xì)胞進(jìn)行檢測，發(fā)現(xiàn)與非過敏對(duì)照組相比，AR患兒的單核細(xì)胞中miR-21和miR-126顯著下調(diào)。

5 染色體開放在AR中的應(yīng)用

染色體開放測序主要是通過比較疾病組和正常組的序列差異，從而推測表觀遺傳是否在疾病中起到一定作用。染色體開放測序建庫過程簡單快捷，所需細(xì)胞數(shù)目少，而且可以在很高的分辨率下解釋染色質(zhì)結(jié)構(gòu)。同時(shí)，建庫過程也不包含任何的片段長度篩選，可以同時(shí)檢測開放的DNA區(qū)域和被核小體占據(jù)的區(qū)域。目前主要腫瘤方面涉及較多，而在AR方面的研究相對(duì)較少。Lander等[39]通過染色體開放測序鑒定了與TSLP相關(guān)的動(dòng)態(tài)DNA元素，提示調(diào)控TSLP的增強(qiáng)因子可能與過敏原相關(guān)的rs17551370和rs2289877兩個(gè)動(dòng)態(tài)區(qū)域重疊，暗示這些位點(diǎn)在AR、哮喘等過敏性疾病中調(diào)節(jié)TSLP表達(dá)。Bunning等[40]認(rèn)為表觀遺傳修飾可能被用作生物標(biāo)志物來輔助過敏患者的診斷和治療。特定位點(diǎn)的DNA甲基化可以提示AR等過敏性疾病與脫敏治療和整體表型之間的關(guān)聯(lián)。

6 單細(xì)胞測序技術(shù)在AR的應(yīng)用

傳統(tǒng)的高通量測序需要從大量細(xì)胞中獲取足夠的DNA樣品，因此測序結(jié)果是這些細(xì)胞“整體”的一個(gè)表征，其結(jié)果只是這個(gè)細(xì)胞群體的“平均值”。隨著人們對(duì)生物結(jié)構(gòu)功能的深入研究，越來越清楚地認(rèn)識(shí)到，哪怕看似相同的細(xì)胞群，細(xì)胞之間的轉(zhuǎn)錄本表達(dá)水平也是存在差異的。因此就得需要對(duì)單個(gè)細(xì)胞進(jìn)行測序來進(jìn)一步深化認(rèn)識(shí)，對(duì)于AR的研究也是如此。Gurram等[41]在研究中發(fā)現(xiàn)Th2細(xì)胞的分化也可以在沒有ILC2s參與的情況下發(fā)生，ILC2s和Th2細(xì)胞在AR等2型免疫反應(yīng)中可能具有獨(dú)特的宿主防御功能。Cildir等[42]繪制了人類肥大細(xì)胞在不同刺激下的基因組和轉(zhuǎn)錄組變化，確定BHLHE40增強(qiáng)子區(qū)域是人類肥大細(xì)胞中最重要的候選區(qū)域之一。Westernberg等[43]建立了具有潛在免疫學(xué)相關(guān)性的T細(xì)胞表位序列保存閾值，發(fā)現(xiàn)在草、樹和雜草花粉中存在許多高度保守的表位。這些發(fā)現(xiàn)有助于認(rèn)識(shí)AR等過敏性疾病的發(fā)病機(jī)制。Ordovas-Montanes等[44]進(jìn)行了大規(guī)模的單細(xì)胞RNA測序，對(duì)人類呼吸上皮細(xì)胞、免疫細(xì)胞和基質(zhì)細(xì)胞類型和2型炎癥性疾病亞群的轉(zhuǎn)錄組繪制關(guān)鍵介質(zhì)圖。發(fā)現(xiàn)由基底細(xì)胞功能轉(zhuǎn)變引起的上皮細(xì)胞多樣性減少是2型免疫介導(dǎo)的屏障組織功能障礙是一個(gè)關(guān)鍵特征。

綜上所述，AR作為常見的過敏性疾病，具有遺傳性、復(fù)發(fā)性、難治性等特點(diǎn)，嚴(yán)重影響著人們的生活質(zhì)量。以高通量測序?yàn)橹鞯臏y序技術(shù)已廣泛應(yīng)用于疾病的基因篩查及診斷方面，為AR等過敏性疾病提供了新的研究思路。但也應(yīng)認(rèn)識(shí)到雖然不同類型的測序方法對(duì)AR都有所研究，但是由于外界環(huán)境的變化深刻的影響著AR的發(fā)生發(fā)展，這就要求在表觀遺傳學(xué)方面對(duì)本病做進(jìn)一步研究。隨著單細(xì)胞技術(shù)及空間轉(zhuǎn)錄組學(xué)的進(jìn)一步發(fā)展，期望能在AR等過敏性疾病的研究方面取得新的突破。