镉相关肝损伤中的表观遗传重编程：证据、机制见解及治疗前景

《Environmental Toxicology and Pharmacology》：Epigenetic reprogramming in cadmium-associated liver injury: Evidence, mechanistic insights, and therapeutic perspectives

摘要

慢性镉（Cd）暴露与不良肝脏结局相关，包括代谢功能障碍相关脂肪性肝病（MASLD）、炎症和纤维化，但导致肝脏损伤持续存在的机制仍未完全阐明。本综述系统审视了与Cd相关的表观遗传改变的人群研究和实验证据，重点关注DNA甲基化、组蛋白修饰、N6-甲基腺苷（m6A）RNA修饰以及非编码RNA调控，并评估这些改变在多大程度上代表表观遗传失调或重塑，抑或属于相对持久且具有功能后果的重编程。证据的解释依据研究设计和功能验证层次进行。现有发现支持特定表观遗传调控因子具有情境依赖性、模型特异性的作用，并在功能上收敛于代谢功能障碍、氧化应激、炎症、细胞死亡通路及纤维化激活，而非人类中存在统一的因果性表观遗传程序。我们进一步讨论了跨层次相互作用、细胞类型异质性、新兴的临床前干预策略以及转化障碍，强调了纵向人类研究、细胞分辨率多组学分析以及靶点特异性功能验证的必要性。

引言

镉（Cd）是一种持久性环境污染物，在环境中广泛分布，可通过职业暴露、膳食摄入和吸烟等多种途径进入人体。由于其生物半衰期在人体中长达数十年，且代谢清除效率低下，即使长期低剂量的环境Cd暴露也可引起持续性的毒性效应，并对人类健康构成严重威胁。既往研究表明，Cd暴露具有显著的多系统毒性，影响肾脏、骨骼、生殖系统、心血管系统和神经系统等多个器官与系统，从而导致一系列结构与功能异常（Peana等，2023）。

在受累器官中，肝脏作为Cd毒性的一个重要靶器官尤其值得关注。慢性Cd暴露与生物化学及病理性肝脏异常相关，包括肝酶升高、脂肪变性、炎症和肝纤维化。近期一项系统综述与荟萃分析报告，在人类人群中Cd暴露与代谢功能障碍相关脂肪性肝病（MASLD；既往称为非酒精性脂肪性肝病[NAFLD]）呈正相关（Pan等，2024）。为保持一致，本综述在泛指既往描述为NAFLD和NASH的疾病谱系时，均采用目前MASLD及代谢功能障碍相关脂肪性肝炎（MASH）的术语。而当引用研究的特定术语或诊断框架时，则保留代谢功能障碍相关脂肪性肝病（MAFLD）的表述。在机制上，与Cd相关的肝损伤传统上与氧化应激、线粒体功能障碍、自噬失调以及受调控的细胞死亡相关。例如，Cd上调线粒体钙单向转运体（MCU），增加线粒体Ca2?摄取，并增强MCU与电压依赖性阴离子选择性通道蛋白1（VDAC1）的相互作用，从而促进VDAC1二聚化和泛素化、过度线粒体自噬及线粒体功能障碍（Liu等，2023）。Cd暴露还可通过对内质网应激以及铁蛋白自噬介导的铁代谢失调机制，诱导肝脏铁死亡（He等，2022）。

来自非Cd肝疾病模型的补充证据为可能参与脂肪变性进展的通路提供了额外的机制背景。乙型肝炎病毒（HBV）诱导的自噬不完全被证实可损害脂滴的自噬溶酶体降解并促进肝脏脂质蓄积，说明自噬通量缺陷如何促成脂肪变性进展（Wang等，2023）。在另一项非Cd研究中，叉头框N3（FOXN3）与含KU70、KU80和固醇调节元件结合转录因子1（SREBP-1）的复合物相互作用，并促进SREBP-1依赖的脂合成基因转录；肝细胞特异性Foxn3缺失可减少脂肪酸和胆固醇合成，并减轻小鼠高脂饮食诱导的脂肪性肝疾病（Du等，2026）。由于这两条通路均未在Cd暴露的肝脏模型中被直接考察，这些发现应被视为肝脏特异性机制背景，而非Cd相关肝损伤的直接机制证据。来自肝外模型的Cd特异性证据也提示固有免疫识别可能发挥作用。在小鼠精原细胞来源细胞及小鼠Cd诱导睾丸炎症模型中，Cd诱导的氧化性DNA损伤促进基因组DNA向胞质积聚并激活黑素瘤缺失蛋白2（AIM2）炎症小体，随后导致半胱天冬酶-1（caspase-1）激活、气孔蛋白D（GSDMD）切割、白细胞介素-1β（IL-1β）成熟与分泌以及细胞焦亡（Zhao等，2024a）。由于这些发现是在生殖系统而非肝脏系统中获得，它们为所提出的活性氧（ROS）–基因组DNA–AIM2炎症小体轴提供了肝外的机制先例，而该轴在肝细胞及肝脏驻留免疫细胞中的相关性仍有待直接验证。更广泛地看，尽管这些应激应答通路为细胞损伤及损伤放大提供了机制解释，但并不能完全解释慢性环境Cd暴露相关肝功能障碍的持久性与累积性特征。

在此背景下，表观遗传调控提供了一个合理的框架，用以将环境暴露与可能超出初始损伤的分子状态联系起来（Cavalli与Heard，2019）。然而，关键的区分在于所观察到的表观遗传改变与重编程的证据之间。本综述全文中将"表观遗传重编程"一词专门保留给与持续性转录或表型后果相关的、相对持久的调控状态改变；对于其持久性或功能相关性尚未确立的改变，则较为保守地描述为表观遗传改变、重塑或失调。这一区分在Cd表观遗传文献中尤为重要，因为大多数研究仅记录DNA甲基化、组蛋白修饰、m6A修饰或ncRNA表达的变化，而相对较少确立其持久性或功能后果。

更广泛地讲，表观遗传调控涵盖在DNA、染色质和RNA水平发挥作用的多重机制（Dai等，2024）。在与Cd相关的肝损伤中，现有证据主要集中于DNA甲基化、组蛋白修饰、m6A RNA修饰和ncRNA调控，而直接针对Cd响应性染色质重塑的肝脏证据则相对有限。此类表观遗传机制可调节基因活性，在某些情境下可在底层DNA序列不发生变化的情况下，促成或维持细胞状态长达较长时间（Cavalli与Heard，2019；Kim与Costello，2017）。来自DNA甲基化、代谢记忆、训练性免疫以及其他环境暴露的研究证据表明，既往刺激可留下相对持久的分子或转录印记，并在起始暴露或代谢紊乱消退后持续存在（Dong等，2024；Kim与Costello，2017；Netea等，2020；Saint-André等，2024；Vineis等，2017）。这种持久性可能涉及DNA甲基化模式的维持、基于染色质的调控状态以及代谢–表观遗传重编程。尽管这些观察并非Cd暴露肝脏所特有，但它们为探究表观遗传重编程是否促成慢性Cd相关肝损伤的持久性与累积性特征提供了概念基础。

最近，新兴表观遗传机制，尤其是N6-甲基腺苷（m6A）RNA修饰和组蛋白乳酸化，拓展了Cd相关肝损伤中所研究的调控机制范围。然而，支持这些新兴机制的证据仍不均衡，其相关性应在氧化、代谢与炎症应激的语境下解读，而非视为完全确立的独立致病通路。这些关系可能具有情境依赖性，并可能双向作用，因为氧化与代谢紊乱可能影响表观遗传状态，而特定表观遗传改变又可能反过来修饰氧化还原、代谢与炎症反应。据此，本综述系统审视Cd相关的表观遗传改变，并评估现有证据在多大程度上支持Cd相关肝损伤在起始、持续和进展过程中存在表观遗传失调或重塑，抑或存在相对持久且具有功能后果的重编程。特别强调DNA甲基化、组蛋白修饰、m6A RNA修饰和ncRNA调控，以及支持各调控机制的证据强度、所提出的跨层次相互作用及其潜在转化相关性。

为区分关联与因果，我们根据实验支持的层次解释文献。横断面人群研究、非靶向组学分析和统计中介分析主要被解释为关联性或假说生成性证据。前瞻性时间关系和暴露–反应模式可增强生物学合理性，但仅凭其本身并不能确立通过特定表观遗传机制的介导作用。当我们采用"功能支持"一词时，指遗传或药理学扰动候选调控因子可改变Cd诱导的肝脏表型；而在靶点特异性扰动伴随表型挽救并在同一实验系统中进行通路层面验证时，才视为更强的因果推断。即便此类证据也应被视为模型特异性的，不应自动外推至具有环境相关性的慢性人类暴露。据此，现有证据支持特定表观遗传调控因子的功能作用，并在部分临床前模型中为特定调控通路提供了较强的模型特异性因果支持；然而，并不确立这些改变在人类Cd相关肝疾病中构成统一的表观遗传重编程过程。

章节摘要

与镉相关的肝脏结局的人群证据

与上述证据解释框架一致，大多数将Cd暴露与肝脏结局相关联的研究为观察性和横断面研究，因而主要确立统计关联而非时间或因果关系。残余混杂尤其相关，因为Cd暴露与吸烟、饮食、社会经济特征、代谢状态、肾功能以及与其他金属的共同暴露等因素相关，其中数项因素——

DNA甲基化重塑

DNA甲基化是Cd毒性研究中研究最为广泛的表观遗传层次之一，是Cd暴露促成持续性转录改变的一种合理机制。然而，现有肝脏证据在不同物种、暴露剂量、发育窗口和基因组尺度上表现出异质性。目前研究支持Cd相关的全局和位点特异性DNA甲基化模式重塑，并在部分模型中具有有限的功能支持——

靶向Cd响应性表观遗传与调控通路

由于许多表观遗传及转录后调控过程具有可逆性或可实验调节性，Cd响应性通路代表潜在的干预靶点。然而，现有证据仍以临床前为主，且候选靶点在功能与疗效验证程度上差异显著。目前，尚无候选靶点获得用于Cd相关肝疾病治疗的临床验证。在去乙酰化酶中——

结论与展望

不断累积的流行病学与实验证据支持Cd暴露与不良肝脏结局之间的关联，包括代谢功能障碍、脂肪变性、炎症和纤维化，而与肝癌的关联证据则更为有限且异质性更大。在所考察的表观遗传层次中，DNA甲基化获得最广泛的肝脏证据支持，而涉及组蛋白修饰、m6A RNA修饰和ncRNA的特定机制则在模型特异性功能验证方面取得进展——

CRediT作者贡献声明

Xing Zhang：初稿撰写、验证、调查、概念构思。Na Liu：审校与编辑、概念构思。Jie Zhou：审校与编辑、可视化、资金获取、概念构思。

基金资助

本研究受陕西省重点研发计划资助：Jie Zhou 2024SF2-GJHX-70。

利益冲突声明

作者声明不存在已知的可能影响本文所述工作的竞争性经济利益或个人关系。

致谢

不适用。

Xing Zhang | Na Liu | Jie Zhou