多囊肾疾病中的代谢-表观遗传交互作用与中医治疗

《Integrative Medicine in Nephrology and Andrology》：Metabolic–Epigenetic Crosstalk and Traditional Chinese Medicine in Polycystic Kidney Disease

　　常染色体显性多囊肾病（ADPKD）的两个显著特征是表观基因组的改变和细胞代谢的异常。最新研究显示，代谢重编程与表观遗传重塑之间存在着密切的联系，二者相互调控，共同推动囊肿的生长。在囊肿形成过程中，关键的代谢变化包括有氧糖酵解增强、戊糖磷酸途径活性升高、甲硫氨酸和谷氨酰胺代谢紊乱，以及脂肪酸β-氧化和线粒体功能受损。这些紊乱会显著影响α-酮戊二酸、S-腺苷甲硫氨酸和乙酰辅酶A等中间物质的水平，而这些物质可作为染色质修饰酶的底物或辅因子，从而将代谢信号与基因转录直接联系起来。在本综述中，我们探讨了代谢重编程如何导致囊肿细胞中的表观遗传修饰，激活与囊肿相关的基因表达程序，并加速ADPKD的进展。同时，我们也强调了饮食干预、药物干预以及传统中医疗法作为针对这一代谢-表观遗传轴的治疗策略的潜力。最后，我们提出了未来研究ADPKD中代谢-表观遗传相互作用机制及其治疗潜力的方向。

引言
常染色体显性多囊肾病是一种常见的单基因疾病，全球约有1250万人患病，它是导致终末期肾病的重大原因之一。[1] ADPKD的典型特征是双侧肾脏出现大型囊肿，这些囊肿会对周围的肾组织施加机械压力，最终导致组织退化及肾功能丧失。PKD1或PKD2基因的致病突变分别导致了约80%和15%的ADPKD病例，这两个基因负责编码多囊蛋白1（PC1）和多囊蛋白2（PC2）。[2-4] 最近，又发现了如GANAB、ALG5、ALG8、ALG9、IFT140和DNAJB11等新的与ADPKD相关的基因。[5-9] 尽管几十年前就已经发现了主要的致病基因突变（PKD1和PKD2），但控制囊肿形成的精确机制至今仍未完全明确。[10,11] 托伐普坦是目前唯一获得美国食品药品监督管理局批准用于治疗ADPKD的药物，它通过抑制血管加压素受体2并阻断囊肿上皮细胞内的cAMP信号传导来减缓囊肿的生长。[12] 然而，由于其高昂的成本和副作用，该药的广泛应用受到限制，这凸显出需要更多针对异常代谢途径的治疗方法。[13]

代谢重编程是指细胞代谢根据特定环境下的需求而发生的改变。在正常生理状态下，细胞会根据能量需求、营养物质供应情况或环境条件的变化来调整其代谢方式。在癌症、自身免疫性疾病或代谢紊乱等病理状态下，细胞往往会发生显著的代谢变化，以支持其增殖、存活以及其他与疾病相关的活动。[14-16] 在ADPKD中，观察到了多种代谢途径的重编程现象，这与细胞为维持增殖和主动转运过程而需要的能量产生密切相关。[17] 与癌细胞的快速增殖类似，囊肿细胞也表现出从分解代谢向合成代谢的转变，其特征是糖酵解增强、脂肪酸氧化减弱、谷氨酰胺利用方式改变，同时线粒体功能受损。[18] 这些代谢变化有助于通过从头合成方式生成核酸、脂质和蛋白质等关键细胞成分，从而促进细胞增殖和囊肿扩张。最近的研究致力于了解这些代谢变化及其在囊肿发展中的作用。[19-21]

最新证据表明，代谢在通过影响染色质状态来塑造基因调控网络方面起着至关重要的作用。[22-25] 表观基因组对各种中间代谢物尤为敏感，这些代谢物可作为染色质修饰酶的底物、辅因子或产物，进而影响整体或特定位置的染色质修饰。[26] 这些表观遗传变化又会引发基因表达的改变。例如，来自三羧酸循环和脂肪酸氧化的乙酰辅酶A是组蛋白乙酰化的必需物质。[27] 同样，一碳代谢的产物S-腺苷甲硫氨酸则可作为组蛋白、DNA和RNA甲基化的甲基供体。[28] 此外，三羧酸循环的中间产物还可作为辅因子或底物，调节去甲基化酶的活性。[27] 例如，TET DNA去甲基化酶和含有Jumonji C结构域的组蛋白去甲基化酶需要依赖来自三羧酸循环和谷氨酰胺再生的α-酮戊二酸才能发挥作用。[29,30] 这些酶也可能被三羧酸循环中的富马酸、琥珀酸和2-羟基戊二酸等代谢物所抑制。[31] 相反，代谢途径也通过转录调控受到表观基因组的反向调节。[32] 表观遗传学和转录组学分析显示，无论是小鼠模型还是人类系统，糖酵解、氧化磷酸化以及酪氨酸代谢等代谢途径都存在显著变化。[20,33-35] 代谢与染色质动态之间的这种复杂相互作用，揭示了调控基因表达的精细机制，为各种代谢和表观遗传疾病的治疗提供了新的思路。

尽管越来越多的证据表明表观遗传修饰与代谢物浓度调控之间存在关联，但在ADPKD中这种关联的具体机制仍不明确。在本综述中，我们首先概述囊肿上皮细胞中观察到的线粒体功能障碍和代谢变化。接着，总结囊肿细胞中由代谢重编程所调控的组蛋白、DNA和RNA修饰。最后，探讨基于代谢重编程和表观遗传修饰的ADPKD治疗策略。

ADPKD中的代谢异常
代谢重编程是指在生理或病理条件下，细胞为满足自身需求而对细胞内代谢途径进行的复杂重塑。在ADPKD中，代谢重编程主要涉及核心的碳代谢过程，包括糖酵解、三羧酸循环、氧化磷酸化以及脂肪酸氧化。[36] 葡萄糖代谢是细胞增殖的主要能量来源，涉及细胞质中的糖酵解途径、戊糖磷酸途径和丝氨酸合成途径，以及线粒体中的氧化磷酸化和三羧酸循环。[36,37] “瓦博格效应”或“有氧糖酵解”最初是在癌细胞中发现的，它描述了细胞即使在有氧环境下也会通过将丙酮酸转化为乳酸来获取能量，而非通过线粒体中的氧化磷酸化途径。[14] PKD1突变细胞与癌细胞类似，依赖有氧糖酵解来产生能量[图1]。[18,37] 使用13C标记的葡萄糖在体内进行的追踪研究显示，PKD小鼠模型中的葡萄糖摄取量和乳酸生成量均有所增加。[37]

图1. ADPKD中代谢异常与组蛋白乙酰化之间的相互作用。在ADPKD的囊肿形成过程中，多种代谢途径发生改变，包括有氧糖酵解增强、戊糖磷酸途径活性及谷氨酰胺代谢增加，同时脂肪酸β-氧化和线粒体功能受损。这些代谢变化为囊肿细胞的生长提供了必要的原料和能量。在囊肿细胞中，有氧糖酵解过程中有更多丙酮酸被转化为乳酸。此外，糖酵解产生的中间产物也被更多地用于驱动戊糖磷酸途径的运转。谷氨酰胺作为一种重要的碳源，可为三羧酸循环提供所需的中间物质。在ADPKD中，谷氨酰胺通过天冬酰胺合成酶的作用转化为谷氨酸，随后进入线粒体并进一步转化为α-酮戊二酸，以维持三羧酸循环的运转或生成用于脂肪合成的柠檬酸。由谷氨酰胺转化而来的α-酮戊二酸还可能生成2-羟基戊二酸，后者与染色质甲基化有关。此外，主要来自有氧糖酵解、脂肪酸氧化和三羧酸循环的乙酰辅酶A则用于组蛋白乙酰化。脂肪酸和氨基酸代谢的副产品丁酰辅酶A也可用于组蛋白的丁酰化修饰。箭头的颜色表示与对照条件相比的相对流量：红色箭头表示流量增加，蓝色箭头表示流量减少。α-酮戊二酸、α-酮戊二酸；琥珀酸、琥珀酸；富马酸、富马酸；草酰乙酸、草酰乙酸；2-羟基戊二酸、2-羟基戊二酸；天冬酰胺合成酶、天冬酰胺合成酶；赖氨酸、赖氨酸；戊糖磷酸途径、戊糖磷酸途径；脂肪酸氧化、脂肪酸氧化；三羧酸循环、三羧酸循环；常染色体显性多囊肾病、常染色体显性多囊肾病。

除了葡萄糖之外，囊肿细胞还对谷氨酰胺有着明显的依赖性，在PKD患者中可观察到谷氨酰胺的利用水平显著升高。[38] 使用13C6-葡萄糖和15N2-13C5-谷氨酰胺进行的追踪研究表明，谷氨酰胺在天冬酰胺合成酶的催化下通过谷氨酰胺再生作用被分解为谷氨酸。[36,39] 谷氨酸随后被运输到线粒体并转化为α-酮戊二酸，为柠檬酸的生成及脂肪合成提供能量[图1]。[40] 因此，葡萄糖和谷氨酰胺都是合成核酸、脂质和蛋白质的重要碳源，而这些物质对于囊肿的扩张至关重要。线粒体中的脂肪酸氧化是脂肪酸分解的关键途径，能为代谢活跃的细胞提供ATP。由于管状上皮细胞中含有大量的线粒体，它们严重依赖脂肪酸氧化作为能量供应的主要来源。[41] 然而，在PKD1?/?细胞以及Ksp-Cre: PKD1flox/-小鼠的肾脏中，脂肪酸氧化水平下降，而脂肪酸合成却有所增加[图1]。[42] 人类ADPKD患者的微阵列数据也显示，与脂肪酸合成相关的关键基因表达水平上升，进一步证实了这一现象。此外，ADPKD中氨基酸代谢也出现紊乱，ADPKD小鼠中L型氨基酸转运蛋白1和L型氨基酸转运蛋白2等中性氨基酸转运蛋白的表达发生了变化。山本等人发现，支链氨基酸可通过mTOR和MAPK/ERK通路加速囊肿的发展。[43] 除了支链氨基酸之外，精氨酸和色氨酸的代谢也与囊肿生长有关。[44,45] 全身性敲除吲哚胺2,3-双加氧酶1或通过药物抑制该酶可降低色氨酸的代谢水平，从而减缓囊肿的生长。囊肿生长速度的降低与囊肿免疫微环境的变化密切相关，表现为肾脏中M2型驻留巨噬细胞和调节性T细胞的数量减少，而CD8+ T细胞的数量增加。[45] 不过，ADPKD中免疫代谢的机制仍有待进一步研究。

线粒体异常
线粒体是细胞代谢的核心细胞器，为生物合成提供能量和原料。[46,47] 在正常情况下，多囊蛋白通过多种分子机制调控线粒体功能。它们定位于线粒体相关的内质网膜上，有助于将钙离子从内质网转运到线粒体中。[49] 线粒体基质中钙离子浓度的升高会激活多种关键酶，包括丙酮酸脱氢酶磷酸酶、异柠檬酸脱氢酶和α-酮戊二酸脱氢酶，从而维持氧化磷酸化反应和ATP的生成。[49,50] 值得注意的是，PC1的C端尾段可以转移到细胞核中调节基因表达，或者直接在线粒体基质中调控信号传导通路。[51,52] 相反，如果缺乏PC1，线粒体内的钙离子依赖性氧化磷酸化活性会降低，同时线粒体碎片化程度会增加。这种变化可能促进糖酵解以产生ATP，并有助于将α-酮戊二酸还原性羧化为异柠檬酸，进而生成柠檬酸，为脂肪合成提供支持。在ADPKD患者以及小鼠（Ksp-Cre: PKD1flox/flox）和大鼠（Han: SPRD Cy/+）模型中，始终可以观察到囊肿上皮细胞中的线粒体结构和功能存在异常。[13,53] 与野生型细胞相比，囊肿上皮细胞中的线粒体碎片化程度更高，产生的活性氧也更多。这些线粒体异常加上升高的活性氧水平，会激活外源性信号调节激酶1和ERK2信号通路，进而促进细胞增殖。[13] 这表明，针对PKD中线粒体缺陷的干预措施有可能通过阻止异常的细胞增殖来延缓囊肿的进展。此外，在源自PKD1flox/flox小鼠和7周龄Cy/+大鼠的细胞中，由于钙信号传导减弱和cAMP水平升高，线粒体生物合成的主要调控因子——过氧化物酶体增殖物激活受体γ共激活因子1α的活性也出现下降。[54,55] 总之，线粒体功能障碍在ADPKD相关的代谢紊乱中起着关键作用，推动了疾病的进展。

囊肿形成过程中的表观遗传重塑与代谢物
线粒体被视为代谢中心，对于核酸、脂质和蛋白质等大分子的生物合成至关重要。来自线粒体的代谢物已被证明能够直接或间接地影响细胞核内的表观遗传修饰变化。[56,57] 本节将探讨一些关键的代谢中间物，如乙酰辅酶A、α-酮戊二酸、烟酰胺腺嘌呤二核苷酸和S-腺苷L-甲硫氨酸，它们作为调控因子，以及它们的含量变化如何影响表观基因组和囊肿的形成。

组蛋白乙酰化
乙酰辅酶A是多种代谢途径产生的中间产物，比如来自葡萄糖的丙酮酸、脂肪酸β-氧化以及醋酸代谢等途径都会产生它[图1]。[58] 除了在代谢和生物合成过程中发挥重要作用外，乙酰辅酶A还能作为连接细胞代谢与表观遗传修饰的桥梁，它为组蛋白乙酰化提供乙酰基，而这一过程是由组蛋白乙酰转移酶调控的。[22,57] 在PKD1突变型的肾脏和PKD1RC/?细胞中，观察到了乙酰辅酶A水平的升高。[33] 许多研究都表明，乙酰辅酶A代谢的变化会影响组蛋白乙酰化过程。例如，在缺氧或脂质耗尽等代谢应激状态下，ACSS2表达的增加会促进乙酸的摄取并将其转化为乙酰辅酶A[59,60]。值得注意的是，定位于细胞核内的ACSS2能够维持组蛋白乙酰化水平[23,61]。尽管越来越多的证据表明ADPKD中与乙酰辅酶A相关的多个代谢途径存在紊乱，但PKD1或PKD2突变后乙酰辅酶A的具体来源仍不清楚，需要进一步研究。组蛋白H3第27位赖氨酸的乙酰化（H3K27ac）是活性增强子及启动子的标志，可促进目标基因的转录。H3K27ac标记的增强子的动态变化与细胞状态密切相关，往往能反映疾病特征[62,63]。超级增强子是由数十千碱基对组成的大型增强子簇，能够驱动对界定细胞身份至关重要的特定基因表达程序[64,65]。这些区域的特点是存在高密度和/或长度超过3千碱基对的H3K27ac标记沉积。在多种ADPKD小鼠模型中都观察到了H3K27ac水平升高，包括18天大的Ksp-Cre、PKD1F/RC（PKD1突变型）、Pkhd1-cre、PKD2F/F（PKD2基因敲除型）以及PKD1RC/RC小鼠模型[33]。通过比较性的H3K27ac ChIP-Seq分析，我们绘制了PKD1缺失型肾小管上皮细胞中的超级增强子分布图[20]。正常细胞与囊性细胞之间的超级增强子分布及与之相关的基因表达程序存在显著差异。抑制CDK7——这种参与超级增强子构建与维持的转录激酶——可在早发和晚发ADPKD小鼠模型中延缓囊肿生长。进一步分析发现，大多数与超级增强子相关的转录本都与囊肿形成过程中至关重要的代谢过程有关，如糖酵解、脂肪酸生物合成以及AMP代谢。AMP脱氨酶3（AMPD3）是一种受超级增强子驱动且受CDK7调控的基因，它负责调节AMP代谢，在囊壁上皮细胞中其表达水平较高。敲低AMPD3或使用强效的AMPD抑制剂戊司他汀抑制其活性，都能减缓ADPKD小鼠模型中的囊肿生长。这些发现表明，针对超级增强子驱动的代谢重编程可能是治疗ADPKD的一种有前景的策略。Lakhia等人发现，囊性肾脏中的增强子及超级增强子结构会发生大幅重塑，呈现出类似正常肾脏的发育状态。在这项研究中，删除与促增殖转录因子（c-Myc、Jun或Fos）相关的增强子调控元件，可降低基因表达并抑制三维囊肿的生长[33]。这表明表观遗传重编程在PKD中导致了转录组的紊乱。值得注意的是，使用葡萄糖类似物如2-脱氧葡萄糖（2-DG）抑制糖酵解，或使用BPTES抑制谷氨酰胺分解，都能降低PKD1突变细胞中与囊肿形成相关基因增强子上的整体H3K27ac水平。总体而言，这些发现凸显了表观遗传调控与代谢变化在ADPKD进展中的作用。NAD+是最为丰富的代谢物之一，对于维持细胞氧化还原平衡至关重要，它既可以通过色氨酸经犬尿氨酸途径从头合成，也可以通过回收途径重新生成[66,67]。除了参与氧化还原调节外，NAD+还是细胞中普遍存在的辅酶。属于III类组蛋白去乙酰化酶家族的Sirtuins（SIRTs）会响应细胞内的NAD+水平，并以NAD+作为辅因子来调节组蛋白的去乙酰化过程[68]。有趣的是，越来越多的证据表明Sirtuin通路可能对PKD有有害影响。例如，过活化的NAD依赖型蛋白去乙酰化酶SIRT1会促进囊肿的形成与生长[69,70]，而删除SIRT1则能延缓肾囊肿的形成。此外，烟酰胺（一种非竞争性SIRT1抑制剂）或泛Sirtuin抑制剂（如曲古霉素A或丙戊酸）[71]，以及SIRT1特异性抑制剂（如EX-527）都被证明能延缓PKD1突变体中的肾囊肿生长。在囊性肾上皮细胞中研究SIRT1信号通路，为开发ADPKD的治疗策略提供了新的方向。为了评估烟酰胺在ADPKD患者中的生物学活性与安全性，研究人员开展了一项开放标签、单臂干预试验（n=10）以及一项随机、双盲、安慰剂对照试验（n=36）[72]。出乎意料的是，尽管烟酰胺耐受性良好，但在2020年经过12个月的治疗后，无论是安慰剂组还是烟酰胺组，乙酰化/总p53水平均无持续变化，两组之间也没有显著差异。临床研究与动物实验结果出现差异，很可能是由于基础疾病及其进展阶段掩盖了治疗效应。或者，随着时间推移效应逐渐减弱，也可能反映出机体对药物作用的代偿反应。进一步研究SIRT1通路的其它靶点及抑制剂，或许能获得更有希望的结果。除了传统的组蛋白修饰方式，如乙酰化和甲基化之外，还出现了新的组蛋白翻译后修饰类型，包括乳酰化、磷酸化、β-羟基丁酰化以及巴豆酰化[73]。这些组蛋白修饰会改变组蛋白的电荷与结构，进而影响其与DNA的结合，最终影响染色质状态和基因表达。例如，组蛋白赖氨酸巴豆酰化（Kcr）主要与活跃的转录过程相关，在活跃的启动子及增强子中尤为常见[74,75]。在我们的研究中，我们首先分析了酰基辅酶A的可用性对组蛋白酰化程度的影响，发现ADPKD小鼠肾脏中的组蛋白赖氨酸Kcr水平明显上升，而组蛋白β-羟基丁酰化（Kbhb）水平则下降[76]。通过基于HPLC-MS/MS的蛋白质组学分析，我们确定H3K18巴豆酰化（H3K18cr）是PKD1突变细胞中最主要的修饰类型。此外，我们还观察到在ADPKD小鼠模型中，参与Cr-CoA积累从而促进Kcr发生的巴豆酰辅酶A水合酶染色质结构域Y样蛋白（CDYL）的表达水平下降。过表达CDYL的转基因小鼠表现出较低的组蛋白Kcr水平，且囊肿生长速度减慢。虽然组蛋白修饰在癌症发生和免疫细胞功能研究中已被广泛研究，但其在肾脏疾病中的作用目前仍相对较少被探索。我们的研究建立了组蛋白Kcr与ADPKD进展之间的关联，为肾脏疾病研究开辟了新的研究方向。不过，还需要进一步研究，以确定异常的代谢过程——即产生大量物质，如用于琥珀酰化的琥珀酰辅酶A、用于N-糖基化的各种分支糖类、用于酰化的酰基辅酶A以及其他物质——是否在ADPKD的表观遗传重编程中起重要作用。组蛋白甲基化甲硫氨酸是SAM的主要氨基酸来源[77]。在细胞质中，叶酸循环与甲硫氨酸循环相互结合生成SAM，这一过程依赖于线粒体的单碳代谢。因此，线粒体代谢的波动可能会导致SAM水平的变化，进而影响组蛋白和DNA的甲基化程度，而这对于维持细胞稳态至关重要[图2][78,79]。组蛋白甲基化由组蛋白甲基转移酶（HMTs）催化，以SAM作为辅因子和甲基供体，它既与基因转录的激活有关，也与抑制作用相关[80,81]。例如，H3第4位赖氨酸和H3K36的甲基化与转录激活相关，而H3K9和H3K27的甲基化则与转录抑制相关。组蛋白尾部的甲基团去除则由组蛋白去甲基化酶催化。接下来，我们将探讨这种复杂的甲基化变化模式如何体现ADPKD中表观遗传变化的多元性。开放多媒体模块图2.开放多媒体模块ADPKD中代谢改变与DNA/RNA/组蛋白甲基化之间的相互作用。线粒体中的三羧酸循环或单碳循环产生的代谢物可作为底物或辅因子来调控甲基化反应。由葡萄糖衍生的中间产物3PG可通过甲硫氨酸循环转化为SAM，后者作为甲基供体参与甲基化反应。组蛋白甲基化由HMTs添加，也可被HDMs去除，从而影响转录的激活或抑制。DNMTs利用甲基团对DNA的胞嘧啶残基进行甲基化，形成5-甲基胞嘧啶（5mC），而DNA甲基化则可被TET蛋白去除，从而恢复基因转录。TCA循环产生的α-KG是含JmjC结构域的赖氨酸去甲基化酶（JMJDs）和TET DNA去甲基化酶的重要辅因子。这两种酶都可能被富马酸、琥珀酸和2-HG抑制。来自维生素核黄素（维生素B2）的黄素腺嘌呤二核苷酸（FAD）是赖氨酸特异性去甲基化酶（LSD）的必需辅因子。RNA甲基化是一种可逆的RNA翻译后修饰，它是表观遗传学的重要组成部分，通过调控基因表达影响众多生物过程。m6A是真核生物RNA中最为常见且保守的共转录修饰，尤其在高等真核细胞中更为普遍。它由m6A甲基转移酶，如METTL3/14/16添加，再由去甲基化酶ALKBH5去除。TCA：三羧酸；m6A：N6-甲基腺苷；2-HG：2-羟基戊二酸；3PG：3-磷酸甘油酸；HDMs：组蛋白去甲基化酶；TET：十十一转位；DNMTs：DNA甲基转移酶；HMTs：组蛋白甲基转移酶；SAM：S-腺苷甲硫氨酸。SET和MYND结构域（SMYD）赖氨酸甲基转移酶家族属于组蛋白赖氨酸甲基转移酶（KMTs）的一个亚群，包含五种成员，在基因表达中起着关键作用[21,24,82]。在PKD1突变型的肾上皮细胞和肾脏中，SMYD2和SMYD3的表达水平上升，它们通过甲基化作用激活信号转导子和转录激活因子-3（STAT3）以及p65，从而推动ADPKD疾病的进展[83-85]。具体而言，SMYD2介导的H3K4和H3K36甲基化可调控与多种PKD信号通路相关的基因表达[图2]。使用AZ505敲低或抑制SMYD2可延缓囊肿形成，而且SMYD2还会与CDK4/6相互作用[83]，调控其磷酸化及酶活性，进而促进组蛋白H3第4位赖氨酸（H3K4）和第36位赖氨酸（H3K36）的甲基化。相反，SMYD2在CDK4和CDK6的启动子处对H3K4进行甲基化，可正向调控这两种蛋白的转录。CDK4/6-SMYD2轴还通过甲基化参与纤毛组装的关键成分来调控微管动态。在乳腺癌和囊性肾上皮细胞中，抑制CDK4/6-SMYD2信号通路可选择性降低α-微管蛋白的甲基化程度，并提高纤毛内运输蛋白20（IFT20）的表达，从而恢复初级纤毛的功能。位于中心体的SMYD3则与基因组不稳定性和纤毛生成有关[84]。这些研究表明，通过药物抑制SMYD可能成为治疗ADPKD的一种新策略。最近，我们的团队观察到，在多囊肝病患者的胆管上皮细胞中，原本带有HK9me3标记的染色质发生了显著变化，被H3K9ac修饰所取代，这与野生型细胞相比有明显不同[图2]。这表明染色质状态从抑制型转变为活跃型。有趣的是，给予特定的K-乙酰转移酶2A（KAT2A）和KAT2B（H3K9Ac乙酰转移酶）抑制剂CPHT6，或是特定的KDM4（H3K9me3去甲基化酶）抑制剂ML324，都能减轻ADPKD小鼠模型中肝脏和肾脏的囊肿生长情况[86]。这种治疗效果表明，不同组织中的囊肿细胞增殖可能存在共同机制。这项研究为了解组蛋白修饰酶在多囊肾病中囊肿形成中的作用提供了重要线索。DNA和RNA甲基化DNA甲基化主要发生在胞嘧啶-鸟嘌呤二核苷酸上，是一种重要的表观基因组机制，可用于调控基因表达。它由DNA甲基转移酶（DNMTs）和TET酶共同调控。在包括ADPKD在内的多种疾病中，DNA甲基化都是调控基因表达的关键表观遗传改变[图2][87]。自2014年通过甲基化CpG岛检测-DNA测序技术（MIRA-seq）首次将DNA甲基化与ADPKD联系起来之后[87-89]，这一现象在小鼠模型和患者样本中得到了广泛研究。在ADPKD中，存在区域性的低甲基化和高甲基化现象，它们在囊肿形成和肾功能衰退过程中发挥着复杂的作用。Woo等人通过MIRA-seq技术发现，ADPKD患者肾脏中黏蛋白样原钙粘蛋白（MUPCDH）启动子区域存在高甲基化现象，他们认为这可能是一种新的表观遗传生物标志物，也是潜在的治疗靶点[88]。类似地，Bowden等人则通过代表亚硫酸氢盐测序技术发现ADPKD基因组存在整体性低甲基化现象[89]。目前全基因组亚硫酸氢盐测序技术被视为金标准，Xu等人便采用了该技术来分析ADPKD患者的DNA甲基化情况[87]。他们发现，人类ADPKD患者的基因组DNA存在整体性低甲基化现象。与DNA类似，RNA的加工、稳定性以及翻译效率也需要动态的生化修饰[90-92]，其中包括mRNA第5个碳原子位置的甲基化（m5C）、N6-甲基腺苷（m6A）以及N1-甲基腺苷（m1A）。RNA上的这类甲基化修饰属于表转录组范畴，其水平也受细胞内甲基供体浓度的调控。N6-甲基腺苷（m6A）是由甲基转移酶样3（METTL3）-METTL14复合体催化生成的，是目前研究最为广泛的RNA修饰类型[图2][93]。近期研究显示，ADPKD模型中的甲硫氨酸和SAM水平均有所升高[19]，而且在小鼠和人类ADPKD样本中，由METTL3构成的m6A写入复合体表达水平也上升。这种变化会通过提升c-Myc和Avpr2蛋白的表达，促进囊肿增殖和液体蛋白的合成[19]。在ADPKD模型中敲低Mettl3可减缓囊肿生长，而在肾脏中特异性过表达Mettl3（Ksp-Cre；Mettl3Tg）则会引发肾小管扩张和囊肿形成[19]。METTL3会与由甲硫氨酸转化而来的SAM结合，作为m6A反应的催化核心[94]。研究表明，低甲硫氨酸饮食可通过降低SAM水平，减少mRNA的甲基化程度，进而抑制囊肿生长[19]。这些发现表明，METTL3会促进囊肿形成，并将甲硫氨酸的利用与囊肿细胞的表观遗传特征联系在一起。总体而言，这些研究揭示了PKD中RNA修饰的代谢变异性与致病性，强调了异常营养利用在囊肿形成中的作用。同时，这也凸显了干预营养利用的潜在益处。

**针对ADPKD治疗的代谢-表观遗传轴调控**

在ADPKD中，线粒体功能异常一直被观察到。[17]减轻线粒体应激或重塑线粒体代谢已被证明能影响囊肿的发展。近期研究显示，细胞抗氧化剂和线粒体调节剂有助于提升线粒体功能，为针对囊性细胞中功能异常的线粒体开展治疗提供了新思路。NRF2的稳定性及其向细胞核的转移受kelch样ECH相关蛋白1（KEAP1）和糖原合成酶激酶-3β（GSK-3β）的调控。[95,96]破坏NRF2与KEAP1或β-TrCP之间的相互作用可促进NRF2的抗氧化反应。通过使用KEAP1抑制剂硫代葡萄糖苷（SFN）或GSK-3β抑制剂TDZD-8来稳定NRF2，已被证明能减轻氧化应激，并在ADPKD小鼠模型中抑制囊肿生长。[34]重要的是，在人类ADPKD细胞中，NRF2的激活可通过招募组蛋白乙酰转移酶P300来改变增强子结构，这表明线粒体稳态与染色质调控之间存在关联。[34]硫代葡萄糖苷是一种从十字花科蔬菜中提取的天然化合物，因其抗氧化特性而受到广泛研究，被认为具有作为ADPKD长期治疗药物的潜力。[34]

除了NRF2之外，其他转录因子如核激素受体PPARα/γ和HNF4α也能调控参与脂肪酸氧化及其他代谢途径的基因，为ADPKD提供了其他潜在的治疗靶点。在ADPKD中，PPARα会被微小RNA-17下调，[97]而使用非诺贝特（一种PPARα激动剂）治疗或上调抗miR-17蛋白可改善与代谢相关的基因网络表达，包括PGC-1α基因，从而在小鼠模型中提高脂肪酸氧化水平并使囊肿体积减少60%。[55]PPAR-γ激动剂吡格列酮和罗格列酮在多囊肾病大鼠模型中也表现出抗囊肿生成的作用。[98,99]Blazer-Yost等人进行的一项1b期交叉研究还证明了PPARγ激动剂吡格列酮在18名ADPKD患者中的安全性。[100]

代谢-表观遗传轴在囊肿扩张过程中起着关键作用。能够调控表观遗传过程的代谢物，如乙酰辅酶A、S-腺苷甲硫氨酸和NAD+，会促进囊性细胞的增殖。在ADPKD中，乙酰辅酶A、蛋氨酸和S-腺苷甲硫氨酸的水平升高，表明它们在囊肿形成过程中具有调控作用。含溴结构域蛋白4（Brd4）属于BET溴结构域蛋白，它能识别组蛋白尾部的乙酰化赖氨酸残基，进而调控基因表达。Zhou等人发现，用JQ1抑制Brd4可减少囊性上皮细胞的增殖。[101]使用2-DG等葡萄糖类似物抑制糖酵解，或用BPTES抑制谷氨酰胺分解，都能降低PKD1突变细胞中与囊肿形成相关基因的增强子上的H3K27ac水平。[33]此外，低蛋氨酸饮食可通过减少S-腺苷甲硫氨酸的生成来降低mRNA甲基化程度，进而抑制囊肿生长。[19]综合这些研究结果可知，通过代谢物或小分子直接调控囊性细胞的表观基因组，有望实现对囊肿形成的调控[表1]。值得注意的是，从谷氨酰胺中提取的膳食α-酮戊二酸可在体内诱导H3K4me3低甲基化，从而抑制表观遗传激活的信号通路。[102]不过，一些特定的饮食干预措施，如热量限制、[103,104]间歇性禁食、生酮饮食，[105]或补充酮体β-羟基丁酸，[106]也被证明能延缓ADPKD的进展。事实上，多项研究都表明，通过调控表观遗传修饰所需的关键代谢物的供应，饮食干预有望减缓囊肿的发展。

**表1 针对ADPKD治疗的代谢-表观遗传轴调控目标**

| 治疗靶点 | 干预/治疗方法 | 临床前模型 | NCT编号 | 参考文献 |
| --- | --- | --- | --- | --- |
| 表观遗传调节因子调控 | CDK7 | 小鼠 | NA16 | |
| | BRD4 | 小鼠 | NA94 | |
| | SIRT1 | | NCT02140814 | |
| | | | NCT02558595 | |
| | 55-EX-527 | 小鼠 | NA62 | |
| | HDAC | 小鼠 | NA64 | |
| | SMYD2 | 小鼠 | NA78 | |
| | KAT2A和KAT2B | 小鼠 | NA79 | |
| 线粒体功能调控 | PPAα | 小鼠 | NA48 | |
| | PPARγ | 大鼠 | NA91, 92 | |
| | | | NCT02697617 | |
| | KEAP1 | 小鼠 | NA30 | |
| | GSK-3β | 小鼠 | NA30 | |
| 代谢途径调控 | SAM | 小鼠 | NA15 | |
| | 葡萄糖 | 小鼠 | NA29 | |
| | GLS1 | 小鼠 | NA29 | |

其中SAM指S-腺苷甲硫氨酸；SFN指硫代葡萄糖苷；2-DG指2-脱氧葡萄糖；PPARγ指过氧化物酶体增殖物激活受体；CDK7指周期素依赖性激酶7；SIRT1指sirtuin 1；GLS1指谷氨酰胺酶1；SMYD指SET和MYND结构域蛋白；Brd4指含溴结构域蛋白4；HDAC指组蛋白去乙酰化酶；KAT2A指K-乙酰转移酶2A；KEAP1指kelch样ECH相关蛋白1；GSK-3β指糖原合成酶激酶-3β；ADPKD指常染色体显性多囊肾病。

**中医在ADPKD治疗中的潜在应用**

草药因其在治疗多种人类疾病方面的潜力而备受关注，包括ADPKD。根据中医的诊断标准，相当比例的ADPKD患者存在脾虚、肾虚、血瘀等症状。越来越多的证据表明，中医在治疗多囊肾病方面具有潜在疗效，多种天然化合物在临床前和临床研究中显示出良好前景，例如灵芝三萜、 gambogic酸、姜黄素、甜菊醇以及白藜芦醇提取物。[107,108]例如，gambogic酸是从 Garcinia hanburyi 树的棕橙色树脂中分离出的一种黄酮类化合物，具有多种生物活性，包括抗炎、抗氧化、抗增殖和抗癌作用，已被证明能减轻MDCK细胞的囊肿增大，并抑制细胞增殖相关通路。[109]此外，大量研究表明，草药可通过调控基因表达来抑制囊肿形成。例如，从冬虫夏草中提取的芬戈莫德能够抑制促炎细胞因子的表达，从而减缓囊肿生长。[111]传统的中医方剂也因其治疗多囊肾病的潜力而被研究。临床前研究显示，阴囊方中的17种草药成分可协同起到滋养肾脏和脾脏、消除血瘀的作用。最近还有研究指出，该方剂对ADPKD可能具有较好的治疗效果。这些发现表明，草药能够调控与囊肿形成和进展相关的关键分子通路。

中医在代谢性疾病治疗中的潜在应用进一步凸显了其在ADPKD治疗中的重要性。多项研究表明，小檗碱是一种存在于黄连中的苯基异喹啉类生物碱，具有多种药理活性，包括止泻、抗菌和降糖作用，它对ADPKD及其他肾脏疾病具有显著的肾脏保护作用。研究表明，小檗碱能激活腺苷单磷酸活化蛋白激酶，而这种酶是葡萄糖代谢的关键调节因子。

尽管已有这些令人鼓舞的发现，但仍需进一步研究来彻底阐明这些天然化合物的作用机制，并优化其治疗潜力。要将这些草药开发成有效的ADPKD治疗药物，就需要进行严格的临床前和临床研究，以确保其安全性、有效性，并能用于个性化治疗方案中。此外，将中医与现代医学方法相结合，有望为ADPKD的治疗带来新的进展，进而改善患者预后。

**结论与未来展望**

近年来，细胞代谢和表观遗传重编程逐渐被视为ADPKD的病理特征。代谢紊乱，尤其是与线粒体代谢相关的紊乱，不仅为囊肿生长提供条件，还为表观遗传修饰提供原料。反过来，表观遗传调控则通过控制参与代谢途径的基因表达，深刻影响着囊性细胞的代谢。这两种调控机制相互交织，形成了代谢-表观遗传交互作用，这不仅揭示了囊肿形成的新机制，也为ADPKD的治疗提供了新的方向。

虽然我们在理解这一代谢-表观遗传轴方面已取得显著进展，但其在囊肿形成过程中的动态变化仍不清楚。目前针对代谢或表观遗传状态的短期研究可能无法完全反映复杂的代谢流动情况。不过，近期已经出现了能够具备空间和时间特异性地检测代谢-表观遗传变化的新技术。[112,113]运用这些创新技术，将有助于我们了解在囊肿形成过程中，代谢-表观遗传轴在特定病理细胞群体中的作用。

另一个值得研究的有趣领域是多囊蛋白的缺失如何影响细胞代谢和表观遗传，这是该领域的一个基础性问题。已有研究指出，多囊蛋白会直接影响线粒体功能。[48,50]需要进一步的研究来弄清这一调控机制在代谢-表观遗传轴中的作用。未来，深入理解代谢与表观遗传之间的关系，对于发现新的治疗靶点至关重要。这种方法有望带来更多治疗策略，包括基于代谢的治疗手段，如代谢酶的竞争性类似物、抑制剂和激动剂，以及针对ADPKD代谢紊乱特点设计的特定饮食干预方案。随着机制研究的不断深入，我们对中医如何通过多靶点作用调节ADPKD的代谢紊乱有了更深入的了解。未来的研究应重点在于鉴定中药中的活性成分，并阐明其分子机制，这将有助于为ADPKD开发出新的治疗方法。

**资金支持与赞助**

本研究得到了中国国家自然科学基金的支持（项目编号82300785，资助人：曹XY）。

**作者贡献**

曹XY：撰写——初稿撰写与编辑。陈YP和张LR：撰写——审阅与编辑。陈YP：概念构思与监督。张LR：项目管理。所有作者均已阅读并批准了手稿内容。

**伦理审批与知情同意**

不适用。

**利益冲突**

作者声明没有利益冲突。

**大型语言模型、人工智能及机器学习工具的使用情况**

无相关声明。

**数据可用性说明**

不适用。