综述：囊性纤维化气道中的表观遗传调控与染色质组织

《Journal of Cystic Fibrosis》：Epigenetic regulation and chromatin organization in cystic fibrosis airways

　　

• •
  表观遗传机制调控气道上皮中的CFTR、黏蛋白和炎症。
• •
  囊性纤维化患者炎症基因存在差异化的DNA甲基化。
• •
  CFTR增强子具有组蛋白修饰，并与CFTR启动子形成环状结构。
• •
  MUC5B和MUC5AC属于具有复杂三维染色质结构的基因簇的一部分。
• •
  表观遗传编辑已被用于扩增CFTR并下调MUC5AC。

引言

囊性纤维化（CF）是一种由人类第7号染色体上囊性纤维化跨膜电导调节因子（CFTR）基因的致病性变异所致的致死性常染色体隐性遗传病。目前已鉴定出超过2000种该基因的变异；最常见的致病变异导致CFTR蛋白第508位苯丙氨酸缺失（记为F508del蛋白变异）[[1[, [2], [3]]。该基因编码一种cAMP调控的氯离子和碳酸氢根通道，对上皮稳态至关重要[4,5]。在生理气道条件下，CFTR蛋白介导氯离子和碳酸氢根跨上皮转运至细胞外，并负向调控上皮钠通道（ENaC），后者促进钠离子吸收。CFTR功能异常导致氯离子等阴离子分泌减少，造成黏液中钠离子的相对过度吸收。随钠离子流动被动移动的后续水分随之减少，导致黏液浓度过高，影响黏液纤毛清除功能[[6], [7], [8]]。黏液纤毛清除功能障碍引发慢性炎症循环和肺功能的进行性恶化，可导致慢性气道阻塞和中性粒细胞浸润，这是CF肺病患者发病率和死亡率的主要驱动因素[9,10]。临床上，CF表现为持续咳嗽、咳痰、反复感染、外分泌性胰腺功能不全和肝脏疾病[10]。新生儿筛查和高效CFTR调节剂的使用已大幅改善早期诊断和临床预后，将CF从一种致命性儿童疾病转变为可治疗的疾病[[11], [12], [13]]。CFTR基因由27个外显子组成，跨越约189千碱基（kb），编码一种1480个氨基酸的蛋白，属于ATP结合盒转运体家族。CFTR在多个器官中表达，且丰度具有组织依赖性，其功能障碍的下游病理后果同样具有异质性。在气道上皮中，分泌细胞是CFTR转录本的主要来源，尽管罕见的肺离子细胞表现出最高的单细胞CFTR水平[[14], [15], [16]]。CFTR的转录调控涉及多个顺式调控元件（CRE）[[17], [18], [19]]，包括活化蛋白-1结合位点、特异性蛋白1结合位点、cAMP反应元件结合蛋白结合位点、一个反转的CCAAT元件和一个类CArG基序[19,20]。炎症和环境信号进一步通过NF-κB结合位点调节CFTR表达，该结合位点位于CFTR5'侧翼区域中的类iκβ应答元件内；同时还涉及缺氧抑制相关的HIF-1应答元件[[21], [22], [23]]。然而，仅这些调控序列和序列变异可能无法完全解释CF的表型变异，提示存在额外的、尚未阐明的表观遗传和染色质调控层次[17,24,25]。

本综述讨论了转录调控的几个关键组成部分：DNA甲基化、组蛋白修饰和三维（3D）染色质结构。虽然非编码RNA（包括微小RNA、长链非编码RNA和增强子RNA）也是转录调控的重要组成，但本文侧重于基于DNA和染色质的机制。DNA甲基化是在DNA本身添加甲基基团的过程，而组蛋白修饰是在DNA缠绕的组蛋白蛋白上添加化学修饰（如甲基和乙酰基）的过程。三维染色质结构指的是染色质的高阶空间构象。我们指出，这些特征是相互交织的；DNA甲基化和组蛋白修饰是染色质的局部化学变化，会改变局部核小体包装，从而影响染色质结构。我们对三维染色质结构的描述聚焦于数十至数百千碱基对范围内的染色质空间构象。具体而言，我们描述了在此尺度上由黏着蛋白和CTCF等结构性蛋白介导的染色质环，而非局部核小体水平的结构。

DNA甲基化和组蛋白修饰通常被认为属于表观遗传标记，而三维染色质结构和非编码RNA是否也属于"表观遗传调控"的范畴仍存争议[[26], [27], [28], [29]]。无论术语如何，已知染色质的空间构象和动态变化可以调控基因表达。我们认为，三维染色质结构是表观遗传调控的重要组成部分[26,27]，尽管我们承认这一分类尚未被普遍接受。在本文中，我们综述了当前关于DNA甲基化、组蛋白修饰和三维染色质结构的知识，这些机制不仅调控CFTR蛋白，还调控黏液过度浓缩和持续性炎症，特别是气道中的相关过程。这两方面可能尤为值得关注，因为接受CFTR调节剂治疗的囊性纤维化患者（pwCF）与个体相比，仍表现出黏液过度浓缩和炎症增加的现象[30]。

章节摘要

DNA甲基化

DNA甲基化是指在胞嘧啶-鸟嘌呤二核苷酸（CpG）中胞嘧啶5'位添加甲基基团，这是一种核心的表观遗传修饰，可调节基因表达、染色质结构和细胞身份[[31], [32], [33]]。一般而言，基因启动子区域的DNA甲基化与转录抑制相关（图1.A）。高通量技术的进步，包括全基因组亚硫酸氢盐测序[32]、简化代表性亚硫酸氢盐测序[34]，

组蛋白修饰

组蛋白修饰是关键的表观遗传特征，通过翻译后修饰标记（包括乙酰化、甲基化、磷酸化和泛素化）重新组织染色质并改变基因表达[48]。这些标记改变核小体包装，从而影响染色质压缩和可及性、转录机制的招募以及特定位点的转录（图1.B）[49]。CFTR本身的表达受活性染色质特征和长距离调控

三维染色质结构

增强子和沉默子等调控元件可能位于距其靶基因启动子超过100 kb的位置[57]。长距离染色质环通过使远端调控元件与其靶启动子在空间上靠近，促进有效的基因调控。三维染色质结构通常通过染色体构象捕获实验（如3C [58]、Hi-C [59]及其变体）进行检测。这些技术量化基因组位点之间接触或空间相互作用的频率。

基于表观遗传的CF治疗与调控

已有几项研究明确采用了表观基因组工程技术或修改表观遗传靶点来调控CF，尽管该领域的现有工作较为有限。Kabadi等人[87]利用基于CRISPR/dCas9的表观基因组编辑技术，鉴定并靶向CFTR基因的候选调控元件。他们发现，dCas9-P300激活（促进组蛋白乙酰化）作用于CFTR启动子上游44 kb处的增强子时，可显著增加患者来源的F508del/F508del

总结

尽管囊性纤维化是一种遗传病，但除CFTR的致病性变异外，还有许多现象影响其发病机制。其中三个例子是DNA甲基化、组蛋白修饰和三维染色质结构（表1）。DNA甲基化和组蛋白标记的改变与气道上皮中修饰基因、炎症基因和黏蛋白基因的调控相关。CFTR位于一个单一的拓扑关联结构域中，而编码分泌性气道黏蛋白的基因则位于一个黏蛋白基因簇中，该基因簇散布着

利益冲突声明

作者声明无利益冲突。

致谢

BC和MR感谢美国国立卫生研究院（NIH）资助计划编号P01HL164320的支持。AD、CR和KO感谢NIH/NHLBI资助计划编号R01HL155261（Ribeiro）和R01HL163602（Okuda）的支持。作者感谢Wanda O'Neal博士的有益讨论。

Agustín De Ganzó|Brian Chan|Michael Rubinstein|Kenichi Okuda|Carla M.P. Ribeiro