表观遗传调控细胞焦亡在肾脏疾病中的作用：从分子机制到治疗潜力

《Journal of Inflammation Research》：Epigenetic Regulation of Pyroptosis in Kidney Disease: From Molecular Mechanisms to Therapeutic Potential

肾脏疾病是全球重大健康负担，导致大量死亡和寿命损失。作为一种促炎性程序性细胞死亡（PCD），细胞焦亡（pyroptosis）以质膜破裂、细胞裂解和细胞内内容物释放为特征。新近证据表明，细胞焦亡是肾脏疾病发病机制的重要贡献因素，参与肾细胞的结构损伤和功能损害。细胞焦亡受遗传编码的细胞内机制调控，其中表观遗传修饰是一种普遍且关键的调控方式。表观遗传调控涉及多个调控层次，包括DNA甲基化、组蛋白修饰、RNA修饰和非编码RNA（ncRNA）介导的调控。本综述探讨多种表观遗传调控机制如何共同调节细胞焦亡及其与其他形式PCD的交叉对话，重点阐述其在肾脏疾病中细胞类型特异性和情境依赖性的效应。临床前证据表明，这些调控机制调节肾小管上皮细胞（RTECs）、足细胞、肾小球系膜细胞、巨噬细胞和肾癌细胞中的细胞焦亡。这种调控可能影响炎症反应、肾纤维化和肿瘤进展， potentially exerting renoprotective and antitumor effects。在此基础上，研究人员总结了新兴治疗策略，包括表观遗传靶向药物、中医药（TCM）干预和外泌体（Exos）疗法。这些策略旨在抑制非恶性肾脏疾病中过度细胞焦亡或在肾癌中诱导肿瘤细胞焦亡。未来需要临床试验验证这些发现并促进其临床转化。

引言部分指出肾脏通过调节体液和电解质平衡、酸碱平衡、血压及代谢废物排泄维持全身稳态，其复杂的解剖和细胞结构使其易受遗传异常、代谢紊乱、缺血再灌注损伤（IRI）、自身免疫反应和肿瘤转化等多种病理损伤的影响，导致急性肾损伤（AKI）、慢性肾脏病（CKD）、狼疮性肾炎（LN）、糖尿病肾病（DN）和肾细胞癌（RCC）等疾病谱。全球约8.5亿人受肾脏疾病影响，患病率超过10%。进行性肾脏疾病中持续损伤和不适当修复驱动肾纤维化，以细胞外基质（ECM）过度沉积为特征，涉及成纤维细胞活化、氧化应激和持续炎症。肾脏细胞组成高度特化且代谢活跃，包括肾小管上皮细胞和足细胞等。程序性细胞死亡（PCD）的正常执行对维持组织稳态和免疫防御至关重要，失调则加剧肾脏疾病进展。细胞焦亡由炎症小体活化启动，激活半胱天冬酶（caspases）剪切gasdermin家族蛋白，产生的N端片段结合膜脂并在质膜上形成孔洞，释放促炎细胞内内容物导致细胞死亡。NOD样受体家族含pyrin结构域3（NLRP3）炎症小体是关键介质，其异常激活可直接诱导肾小球损伤、肾小管间质炎症、血管功能障碍和肾纤维化。表观遗传调控通过染色质结构和相关分子标记调节基因活性、转录状态和细胞表型而不改变DNA序列，广义上包括DNA甲基化、组蛋白修饰、RNA修饰介导的表观转录组调控及非编码RNA（ncRNA）介导的调控。本综述系统评估细胞焦亡和表观遗传修饰在肾脏疾病中的作用，探讨表观遗传调控细胞焦亡如何促进疾病发生发展，旨在评估有前景的治疗策略并推进对肾脏疾病病因学和管理的理解。

细胞焦亡与肾脏疾病部分阐述细胞焦亡由病原体相关分子模式（PAMPs）和损伤相关分子模式（DAMPs）启动，促进炎症小体组装，激活caspase，剪切gasdermin家族效应蛋白，N端片段结合膜脂并寡聚化形成跨膜孔洞执行焦亡。生理条件下细胞焦亡介导的炎症反应和驻留肾细胞死亡可通过清除病原体、抑制氧化应激等发挥保护功能，但过度炎症小体激活和持续焦亡触发严重炎症反应，促进成纤维细胞向肌成纤维细胞转化（α-平滑肌肌动蛋白α-SMA表达增加），驱动ECM过度沉积（特别是I型胶原和纤连蛋白），导致肾纤维化发生发展。经典焦亡通路中NLRP3炎症小体组装促进pro-caspase-1剪切活化，活化的caspase-1剪切gasdermin D（GSDMD）生成N端片段，转位至质膜寡聚化形成孔洞，破坏膜完整性促进促炎细胞因子释放。NLRP3/caspase-1/GSDMD信号通路是CKD炎症性肾损伤的主要焦亡通路，NLRP3主要表达于肾实质细胞和免疫细胞包括足细胞、内皮细胞和肾巨噬细胞。焦亡诱导的白细胞介素-1β（IL-1β）和白细胞介素-18（IL-18）释放通过IL-1R/髓样分化初级反应88（MyD88）和IL-18R/核因子κB（NF-κB）轴激活肾间质成纤维细胞，促进胶原沉积和肌成纤维细胞分化。非经典通路中caspase-4/5/11直接识别脂多糖（LPS），剪切GSDMD生成GSDMD-N和GSDMD-C，GSDMD-N寡聚化形成质膜孔洞直接触发焦亡；caspase-4/5/11不直接介导IL-1β和IL-18成熟，而是通过GSDMD介导的膜通透化促进钾外流和NLRP3炎症小体二次激活。IRI通过C/EBP同源蛋白（CHOP）/caspase-11通路引发肾小管上皮细胞（RTECs）焦亡。非经典焦亡通路可能通过介导肠道菌群失调参与肾脏疾病发展，CKD中肠道菌群失调破坏肠道屏障完整性，促进肠源性LPS转位入循环和全身尿毒症毒素积累。此外caspase-3/GSDME和caspase-8/GSDMC通路也可介导焦亡，单侧输尿管梗阻（UUO）模型中GSDME表达上调，药理学抑制caspase-3可抑制GSDME剪切并减轻肾纤维化和功能障碍；GSDME介导的焦亡加重梗阻性肾病中的肾脏炎症和纤维化，而GSDME缺陷减轻这些病理变化。

表观遗传调控在肾脏疾病部分回顾表观遗传学概念演变，从Waddington提出基因与产物间因果相互作用到染色质相关机制调控基因表达而不改变DNA序列，再到RNA生物学进展揭示RNA修饰和ncRNA介导调控扩展表观遗传调控格局。肾脏疾病中这些修饰在肾脏炎症、纤维化、修复及AKI向CKD转变中至关重要。DNA甲基化部分阐述DNA甲基化是甲基基团添加至胞嘧啶核苷酸5位形成5-甲基胞嘧啶（5-mC），由DNA甲基转移酶（DNMTs）催化，DNMT1维持细胞分裂中已有甲基化模式，DNMT3A和DNMT3B作为从头甲基转移酶建立新甲基化标记；Ten-eleven转运（TET）酶通过催化5-mC氧化为5-羟甲基胞嘧啶（5-hmC）、5-甲酰胞嘧啶（5-fC）和5-羧基胞嘧啶（5-caC）介导DNA去甲基化。健康肾脏显示独特DNA甲基化模式和一般低甲基化水平，肾脏疾病常以异常甲基化特别是高甲基化为特征。443个肾脏DNA甲基化谱分析显示特定CpG位点甲基化与肾脏疾病相关基因（包括SLC47A1）表达改变相关，疾病严重程度增加与cg15971010甲基化增加和SLC47A1表达降低相关。DN模型中DNA高甲基化驱动Klotho下调，DNMT抑制剂通过逆转高甲基化介导的Klotho抑制减轻高血糖、肾脏炎症和肾损伤。RNA甲基化部分阐述表观转录组修饰包括N6-甲基腺苷（m⁶A）、N7-甲基鸟苷（m⁷G）、N1-甲基腺苷（m¹A）和5-甲基胞苷（m⁵C）调控RNA加工、稳定性和翻译。m⁶A是真核信使RNA（mRNA）中最普遍的内部修饰，由甲基转移酶（writers，包括METTL3、METTL14和WTAP）、去甲基化酶（erasers，包括ALKBH5和FTO）和m⁶A结合蛋白（readers，包括IGF2BP家族、YTH结构域蛋白和hnRNP家族）协调调控。m⁶A修饰失调参与自噬、焦亡、凋亡、炎症、上皮-间质转化（EMT）和代谢重编程等关键细胞过程。梗阻性肾病中m⁶A诱导的lncRNA MALAT1升高通过激活miR-145/黏着斑激酶（FAK）通路加重肾纤维化。组蛋白修饰部分阐述组蛋白是染色质主要蛋白组分，H2A、H2B、H3和H4各两个拷贝组装成组蛋白八聚体，145–147碱基对DNA缠绕其上。组蛋白修饰是染色质重塑的重要机制和翻译后修饰（PTMs）的主要类别，包括乙酰化、甲基化、磷酸化、乳酸化、泛素化及SUMO化、O-GlcNA酰化等新兴修饰。组蛋白乙酰化由组蛋白乙酰转移酶（HATs）催化，松弛DNA与组蛋白相互作用促进转录；组蛋白去乙酰化酶（HDACs）去除乙酰基促进染色质压缩和转录抑制。组蛋白甲基化是甲基基团添加至赖氨酸或精氨酸残基，由赖氨酸甲基转移酶（KMTs）催化、赖氨酸去甲基化酶（KDMs）逆转。组蛋白磷酸化常发生于丝氨酸、苏氨酸和酪氨酸残基。组蛋白泛素化通过泛素-蛋白酶体系统共价连接泛素，由组蛋白泛素连接酶介导、去泛素化酶（DUBs）逆转。组蛋白乳酸化由乳酸调控，乳酸辅酶A（lactyl-CoA）参与乳酸基团转移至赖氨酸残基，p300被认定为乳酸化writer，HDAC1-3作为乳酸化eraser。非编码RNA介导调控部分阐述ncRNAs包括微小RNA（miRNAs）、长链非编码RNA（lncRNAs）、环状RNA（circRNAs）和转运RNA（tRNAs），tRNA衍生小RNA（tsRNAs）作为基因表达重要调控因子。ncRNAs可与染色质修饰复合物相互作用参与表观遗传调控，调控肾脏疾病中凋亡、炎症反应、细胞增殖和纤维化过程的多条分子通路。miRNAs通过结合靶mRNA抑制翻译；lncRNAs和circRNAs可作为竞争性内源RNA（ceRNAs）隔离miRNAs；tsRNAs可形成G-四链体和茎环结构以适配体样方式直接结合功能蛋白。

表观遗传调控细胞焦亡在肾脏疾病中的作用部分指出失调的PCD促进过度细胞裂解和有害物质积累，损害驻留肾细胞功能，表观遗传修饰在多种肾脏和免疫细胞类型（包括RTECs、肾小球系膜细胞和巨噬细胞）中调节焦亡。特定基因甲基化状态改变可能影响肾细胞存活和焦亡，RNA甲基化和组蛋白修饰改变影响肾脏应对病理应激的能力，miRNAs、lncRNAs和circRNAs表达谱在肾脏疾病进展中改变。DNA甲基化调控焦亡部分指出Ueki等提出RCC中DNA甲基化与caspase-1表达潜在联系，caspase-1沉默可被去甲基化剂逆转；生物信息学研究发现透明细胞RCC（ccRCC）中GSDMA、GSDMB、GSDMD和GSDME DNA甲基化水平降低而PJVK甲基化增加。近端小管上皮细胞（PTECs）DNA损伤与外周血细胞巨噬细胞活化基因低甲基化相关，特别是GSDMD基因座调控区KLF9结合基序，此表观遗传重塑增加GSDMD表达促进巨噬细胞焦亡。LN中lncRNA NEAT1招募DNMT1表观遗传增强STING表达，激活NLRP3炎症小体，增加ASC和GSDMD-N水平，诱导足细胞焦亡。RNA甲基化调控焦亡部分指出Guo等发现METTL3通过增强lncRNA MALAT1的m⁶A修饰促进脓毒症诱导急性肾损伤（SAKI）中的焦亡；FTO表达异常也通过调控焦亡影响肾损伤严重程度，高血糖抑制DN中FTO表达导致NLRP3 mRNA m⁶A修饰增强，提高NLRP3转录本稳定性。RBM15通过IGF2BP2依赖性m⁶A修饰增强NLRP3和NLRC4表达，促进RTECs焦亡。Mao等证明SAKI中IGF2BP1以m⁶A依赖性方式稳定E2F1 mRNA，上调MIF，促进NLRP3炎症小体激活和RTEC焦亡。组蛋白乙酰转移酶p300通过H3K27乙酰化促进WTAP转录，增强WTAP依赖性NLRP3 mRNA m⁶A修饰，导致NLRP3炎症小体激活和DN中GSDMD剪切及焦亡。组蛋白修饰调控焦亡部分指出AKI中Stat3启动子H3K27乙酰化增强Stat3转录，增加Trim21表达，促进GSDMD剪切和RTEC焦亡；骨髓间充质干细胞（BMSCs）来源细胞外囊泡（EVs）递送miR-223-3p特异性抑制HDAC2，增加SNRK启动子H3K27乙酰化，恢复SNRK表达抑制焦亡。肾IRI后EZH2和H3K27me3上调，与ALK5/Smad2/3轴激活、Nox4转录增强和ROS生成增加相关，触发RTEC焦亡；EZH2相关H3K27me3在RBMX启动子富集抑制RBMX转录，减少其调节SIRT3 mRNA m⁶A甲基化能力，增强NLRP3炎症小体激活和RTEC焦亡。乳酸积累通过焦亡加重SAKI，H3K18乳酸化增强SPHK1转录表达，上调SPHK1促进SIRT1磷酸化和降解，导致PGC-1α超乙酰化、线粒体损伤和NLRP3介导的RTEC焦亡。非编码RNA调控焦亡部分指出DN大鼠中lncRNA MALAT1表达升高而miR-23c显著降低，抑制MALAT1上调miR-23c下调ELAVL1抑制下游焦亡标志物；MALAT1也通过调节miR-30c/NLRP3通路促进RTEC焦亡；circACTR2作为miR-561分子海绵，解除其对NLRP3抑制，增强巨噬细胞NLRP3炎症小体激活，活化巨噬细胞增加IL-1β分泌通过旁分泌促进RTECs EMT和肾纤维化。lncRNA NEAT1抑制miR-34c促进肾小球系膜细胞焦亡和炎症反应；lncRNA GAS5与TUFM相互作用增强NLRP3炎症小体激活促进焦亡，导致CKD诱导的肌肉萎缩。

表观遗传调控作为不同程序性细胞死亡通路的共同调控枢纽部分指出不同PCD形式虽触发因素和形态特征不同，但信号分子常因多效性而相互关联。Caspase-3和-8是连接凋亡和焦亡的关键介质，可剪切GSDM家族蛋白使细胞死亡从凋亡转向焦亡。miR-145-5p下调KLHL12减少KHSRP泛素化和降解，稳定的KHSRP促进FLI-1的m⁶A依赖性抑制，改善肾功能。自噬和焦亡双向调节，早期适度自噬清除受损线粒体ROS和炎症因子负调控NLRP3激活抑制焦亡，持续病理刺激导致溶酶体膜透化进一步促进NLRP3介导焦亡。AKI中lncRNA TMC3-AS1通过竞争性结合miR-148a-3p上调Wnt5a表达，激活自噬和焦亡通路。焦亡和铁死亡通过氧化应激和炎症相互作用，铁死亡中脂质过氧化和ROS激活NLRP3炎症小体诱导焦亡，焦亡诱导的炎症和氧化应激损害GSH/GPX4抗氧化系统促进铁死亡。

临床转化现状部分指出当前肾脏疾病临床评估主要依赖血清肌酐、估算肾小球滤过率、蛋白尿或白蛋白尿、影像学发现和肾脏组织病理学，主要反映已建立的功能或结构异常。DNA甲基化谱、焦亡相关lncRNAs和组织特异性染色质调控特征可能为识别疾病活动性和临床 distinct 患者亚组提供额外分子信息。整合细胞死亡相关表观遗传生物标志物与临床、影像学和多组学数据可能促进早期风险分层。表观遗传-焦亡轴的临床转化仍处于早期阶段，Pili等发现组蛋白去乙酰化酶抑制剂vorinostat与bevacizumab联合在ccRCC患者中耐受良好，但DNMT1抑制剂MG98在转移性肾癌II期试验中无客观反应。表观遗传治疗临床成功有限可能部分归因于靶点选择性不足和长期安全性不确定性。

表观遗传调控细胞焦亡的治疗展望部分指出非恶性肾脏疾病（包括AKI、CKD、DN和IRI）中抑制过度焦亡可减轻肾损伤和炎症，而肾癌中诱导肿瘤细胞焦亡可增强抗肿瘤反应。表观遗传靶向药物或化合物部分指出HDAC抑制剂通过增加蛋白乙酰化重塑转录程序，vorinostat（SAHA）、romidepsin、belinostat和panobinostat已被批准治疗特定癌症。CAY10603作为HDAC6选择性抑制剂抑制PTECs中NLRP3炎症小体激活和巨噬细胞中GSDMD介导焦亡，减轻肾小管损伤、巨噬细胞浸润和肾小管间质纤维化。β-羟基丁酸（β-OHB）抑制HDAC活性恢复FOXO3启动子H3K9乙酰化，上调FOXO3/ARC轴抑制caspase-1、IL-1β和IL-18表达。BRD4通过P300依赖性H3K27乙酰化促进PLK1转录激活NLRP3炎症小体促进DN焦亡，apabetalone抑制BRD4减轻焦亡、肾脏炎症和纤维化；RCC中药理学抑制BRD4通过激活NF-κB/NLRP3/caspase-1轴抑制肿瘤细胞增殖和EMT发挥抗肿瘤效应。DNMT1抑制剂SGI-1027与everolimus协同触发肾癌细胞溶酶体膜透化和caspase-3/GSDME介导焦亡。中医药及其活性化合物部分指出DNMT3B降低GSDME表达而DNA去甲基化剂5-Aza-DC增加其表达，槐耳减弱5-Aza-DC诱导的GSDME表达增加。AKI中黄连素抑制METTL3表达减少ASC mRNA m⁶A修饰抑制RTEC焦亡；高糖诱导足细胞损伤模型中黄蜀葵总黄酮恢复METTL3依赖性m⁶A修饰通过PTEN/PI3K/Akt轴减轻足细胞焦亡。葛根素通过调控lncRNA NEAT1下调caspase-1和GSDMD表达减轻CKD大鼠RTEC焦亡，也通过miR-342-3p/TGF-β/Smad轴抑制慢性肾衰竭（CRF）模型RTEC焦亡。丹酚酸C通过调控miR-21/A20轴抑制NLRP3/caspase-1/GSDMD介导焦亡减轻DN足细胞损伤。6-姜酚上调miRNA-146a和miRNA-223抑制TLR4/TRAF6/NLRP3炎症小体信号。外泌体疗法部分指出外泌体是纳米级内体来源EVs，携带核酸和蛋白质从供体细胞至受体细胞。MSC来源小EVs（MSC-sEVs）递送miR-125a-5p靶向TNFR2抑制TNF驱动NF-κB/NLRP3介导焦亡；BMSC来源Exos递送miR-30a-5p至足细胞靶向抑制NLRP3减轻DN肾损伤；ADSC-EVs递送circITCH增强HuR与β-TrCP相互作用促进HuR泛素化，减弱HuR与RBM15 mRNA关联，以IGF2BP1依赖性方式减少CRBN m⁶A修饰和表达抑制RTEC焦亡；USC-Exos递送circDENND4C作为miR-138-5p海绵解除其对FOXO3a抑制，抑制NLRP3激活减少焦亡；葛根素通过抑制UC-MSCs中lncRNA NEAT1增加外泌体miR-342-3p水平抑制RTECs中TGF-β1/Smad轴减轻CRF焦亡；M2巨噬细胞来源Exos富集miR-93-5p直接靶向TXNIP抑制RTEC焦亡。

结论与未来展望部分总结DNA甲基化、RNA修饰、组蛋白修饰和ncRNA调控等表观遗传机制形成调控焦亡的复杂网络，表观遗传修饰与焦亡间关系非单向而是复杂双向相互作用。表观遗传-焦亡轴在不同细胞类型和模型系统中具有独特反应，靶向表观遗传标记可能提供有前景的治疗策略。未来需解决问题包括：第一，表观遗传调控网络以高度情境依赖性方式调节焦亡，同一调控因子可能因细胞类型、疾病背景、分子靶点和实验模型不同而发挥不同甚至相反效应，如METTL3在高糖诱导足细胞中通过下调PTEN激活PI3K/Akt减轻焦亡，而在类似足细胞模型中通过增强YTHDF1介导TRIM29 mRNA稳定激活NF-κB/NLRP3促进焦亡；H3K27ac在DN中WTAP启动子增强促进RTEC焦亡，而在AKI中SNRK启动子增加恢复SNRK表达抑制焦亡。第二，表观遗传调控焦亡研究尚处初期，主要关注经典焦亡通路，非经典通路如caspase-3/GSDME和caspase-8/GSDMC轴关注较少，其他表观遗传修饰如m⁵C、m⁷G、m¹A、泛素化、磷酸化、SUMO化、O-GlcNA酰化、ISGylation和tsRNAs是否参与肾脏疾病焦亡调控尚不清楚。第三，焦亡非独立通路，多种PCD通路功能重叠相互作用，抑制特定PCD通路可能启动替代细胞死亡机制作为代偿反应，从线粒体视角解决此问题是有前景的方法，线粒体位于表观遗传调控和多种PCD模式交叉路口。第四，未来研究应超越RTECs、肾小球系膜细胞、足细胞和巨噬细胞，检查内皮细胞、成纤维细胞、T细胞和血管平滑肌细胞等其他肾脏细胞类型，利用空间转录组学和单细胞表观基因组学阐明细胞类型特异性表观遗传功能，3D基因组技术如Hi-C和HiChIP可能帮助确定类似调控机制是否参与肾脏疾病焦亡，人工智能（AI）有望整合多组学数据识别连接表观遗传改变与焦亡的调控网络并预测表观遗传治疗反应。总体而言，阐明焦亡的表观遗传调控代表肾脏疾病有前景的研究方向，但大多数治疗策略主要基于体外和动物研究支持，临床试验尚未确立靶向表观遗传-焦亡轴在肾脏疾病中的疗效，其治疗潜力应谨慎解读直至进一步临床验证。