遗传学论文范文三：

题目：表观遗传学调控nk细胞分化及功能的研究进展

表观遗传学 (epigenetics) 是指在基因核苷酸序列不发生变化的情况下, 通过对转录表达的调控和转录后的调控使基因表达发生变化, 包括dna甲基化、组蛋白共价修饰、染色质重塑、基因印记、及非编码rna、微小rna (mirna) 、反义rna转录后调控等[1]。环境、年龄改变、压力、疾病状态等, 均可以引起免疫细胞表观遗传学改变, 造成免疫系统功能紊乱, 导致疾病的发生与进展。因此, 表观遗传学逐渐成为免疫学研究的热点。

自然杀伤细胞 (natural killer cell, nk) 是天然免疫细胞, 主要来源于造血干细胞, 全身广泛分布。nk细胞通过一系列细胞生物学过程获得激活信号, 包括胞外钙离子内流、细胞骨架重排以及与靶细胞接触部位免疫突触形成, 最终通过分泌细胞因子、趋化因子及释放毒性颗粒执行清除病毒、肿瘤细胞以及发挥免疫调节功能。nk细胞功能异常导致多种疾病发生, 包括感染、肿瘤及自身免疫疾病[2,3]。近年来, 有很多学者先后报道了表观遗传学改变对nk细胞增殖、分化及功能的影响, 为nk细胞研究提供了新思路, 为新药的临床应用奠定了理论基础。本文对nk细胞的表观遗传学研究进展作一综述。

1 表观遗传学对nk细胞分化的影响

人类nk细胞表面特异性表达cd56或cd16分子, 根据其表达水平将nk细胞分为cd3-cd56bright cd16- (cd56bright) 、cd3-cd56dimcd16+ (cd56dim) 、cd3-cd56-cd16+3个亚群[4]。其中cd56bright亚群为调节性nk细胞, 可以参与适应性免疫调节, 通过分泌细胞因子和趋化因子 (ifn-、tnf-、il-10、il-13和gm-csf) 对树突状细胞 (dcs) 、调节性t细胞 (tregs) 、辅助性t细胞 (ths) 及细胞毒性t细胞 (ctls) 等进行免疫调控[5]。在类风湿关节炎中, nk细胞可以通过分泌ifn-诱导b细胞活化, 促进dc细胞成熟, 并可抑制t细胞向th17细胞分化[6]。nk细胞分泌ifn-可以促进dc细胞分泌il-27, 而il-27可促进ifn-分泌, 这种正反馈参与抑制th17介导的自身免疫疾病[7]。人和小鼠nk细胞均可通过分泌ifn-可以抑制cd4+t细胞向tregs分化[8]。cd56dim为功能性nk细胞, 通过穿孔素/颗粒酶途径、fas/fasl途径、tnf-а/tnfr-1途径、以及抗体依赖的细胞介导的细胞毒性作用 (adcc) 完成对靶细胞的直接杀伤。近期也有研究者发现, 功能性nk细胞参与适应性免疫的调节, 直接杀伤适应性免疫细胞, 如th17及滤泡辅助性t细胞 (tfh) [9]。而cd3-cd56-cd16+亚群目前研究较少, 目前认为主要发挥adcc作用。

表观遗传学修饰在nk细胞的分化、成熟中发挥了重要作用。早期的研究显示, il-15受体信号通路对nk细胞的分化成熟至关重要, e4bp4 (nfil3) 在其中发挥调节作用, 促进了造血干细胞 (hsc) 向nk细胞分化。动物实验显示, e4bp4基因缺陷小鼠nk细胞减少、功能下降, 而过表达e4bp4可增加id2和gata3的转录, 从而促进hsc向nk细胞分化增加[10]。在nk细胞发育中, 组蛋白甲基化也具有重要调控作用。yin等[11]研究了zeste基因增强子同源物2 (ezh2) 对早期nk细胞分化的影响。ezh2作为重要的表观遗传修饰酶, 是pcg (polycomb group) 蛋白家族的重要成员, 在调控基因表达的过程中起关键作用[12]。ezh2主要对组蛋白h3k27进行甲基化, 从而沉默下游基因, 在细胞增殖、分化及肿瘤形成方面都有重要作用[13]。研究者[11]发现, 在小鼠及人中, 选择性失活ezh2或用小分子抑制其活性后, 可以增加il-15受体 (cd122+) 阳性的nk祖细胞数量, 并促进成熟nk细胞增殖。nk细胞的扩增及杀伤作用还与cd122及nkg2d有关, nkg2d缺失可降低ezh2抑制剂对促进nk细胞增殖及分化的作用。另外, tsuyama等[14]研究报道, nkt细胞淋巴瘤患者存在组蛋白去甲基化酶kdm6a基因突变, 此基因与血液肿瘤关系密切, 可能影响nk细胞的增殖。

fcriiia (cd16a) 由fcgr3a编码, 为nk细胞在成熟过程中获得。研究发现, 在cd16a+细胞中, fcgr3a启动子中转录起始位点的甲基化水平较cd16a-细胞和中性粒细胞明显降低。此外, 研究者还发现mir-218是nk细胞cd16a转录后的负调控因子。在nk细胞中过度表达mir-218可降低cd16a的mrna和蛋白表达水平, mir-218在cd16a-细胞中水平明显高于cd16a+细胞。因此, 研究者推断, fcgr3a的转录起始位点甲基化及转录后mir-218的调控作用可以通过改变cd16a的表达来调节nk细胞的分化成熟[15]。

记忆性nk细胞的概念由sun等[16]最早提出。这类nk细胞可以长期存活, 具有免疫记忆功能, 当再次接触到记忆抗原时被激活。多种病毒可以诱导记忆性nk细胞产生, 目前报道的有巨细胞病毒, 单纯疱疹病毒、人类免疫缺陷病毒等[17,18]。记忆性nk细胞表达cd57和nkg2c, 不表达fcr、syk、dab2、eta-2、plzf和ilzf2。fcr、eta-2、syk的缺乏均有表观遗传学机制的参与[19,20]。il-12信号通路通过其下游转录因子信号和转录因子4 (stat4) 的激活影响记忆性nk细胞的扩增。rapp等[21]发现runx1和runx3的启动子区域是stat4的结合位点, 在nk细胞活化过程中, stat4的结合会诱导runx基因位点的表观遗传学修饰, 从而导致表达增加。在病毒感染中, runx1和runx3或它们的伴侣分子表达减低是影响nk细胞扩增及记忆nk细胞形成障碍的原因。该研究证明, stat4介导的runx转录因子表观遗传学修饰可以调节nk细胞对病毒的适应行为。

2 表观遗传学对nk细胞功能的影响

nk细胞的功能主要包括杀伤及免疫调节作用。有研究显示, 在nk细胞活化过程中, 81%的主要位点出现cpg去甲基化, 生物学分析显示差异甲基化位点主要集中在免疫调节功能中 (如tnfa、lta、il-13、csf2等) [22], 这提示表观遗传学修饰参与了nk细胞的活化, 并与nk细胞功能关系密切。

2.1 表观遗传学修饰对nk细胞表面受体的调节作用

nk细胞表面激活性受体与抑制性受体的相互平衡, 在nk细胞功能中发挥了重要调节作用。如激活性受体表达占优, 则nk细胞活化, 反之, nk细胞处于静止状态。

有学者[23,24,25]检测了nk细胞免疫球蛋白样受体 (kir) 启动子的甲基化水平, 结果发现, 处于静息状态的人nk细胞92细胞系中kir2dl1、kir2dl2/l3高甲基化, 同时, 细胞表面的kir表达降低。当应用5-氮杂胞苷进行去甲基化处理后, kir启动子去甲基化, nk细胞表面kir表达明显增加。另外, kir的表达受mirna调节。piwi样rna可以诱导kir双向启动子kir3dl1产生kir反义转录本, 影响双链dna的合成, 可减少90%的kir表达[25]。

nkg2d是nk细胞激活性受体, 其表达增加可增强nk细胞功能。nkg2d通过识别不同的配体家族 (mica、micb、ulbps 1-6等) 参与激活效应细胞、溶解靶细胞。nkg2d基因在nkg2d+nk细胞中去甲基化, 并与组蛋白h3赖氨酸9乙酰化 (h3k9ac) 相关。用组蛋白乙酰转移酶 (hat) 抑制剂 (姜黄素) 可以明显下调nkg2d基因h3k9乙酰化水平, 进而下调nkg2d的转录, 导致nkg2d表达减低, nk细胞杀伤功能下降。此研究提示nkg2d在nk细胞表面表达差异是由表观遗传学机制调节的, 并可以通过表观遗传治疗改善[26]。组蛋白去乙酰化酶抑制剂丙戊酸 (vpa) 通过激活基因启动子中组蛋白k9的高甲基化和dna甲基化, 从而下调nkg2d的表达[27]。同样, mirna也可发挥对nkg2d的调节作用。在hcv感染患者的nk细胞中, mir-182与对照组相比过表达, mir-182表达升高可降低nkg2d的mrna水平, 而mir-182抑制剂能降低抑制性受体nkg2a的mrna水平[28]。

2.2 表观遗传学修饰对nk细胞细胞因子分泌水平的调节作用

nk细胞分泌细胞因子同样受到表观遗传学修饰的调节。luetke-eversloh等[29]报道, nk细胞受到刺激后, ifn-及t-bet位点转录增加, 并发生去甲基化, 从而增加ifn-的分泌。li等[30]发现, 在nk细胞激活过程中, 组蛋白去甲基化酶及甲基转移酶发生明显变化。在nk92细胞系中, 与nk细胞激活密切相关的pi3kca, 、nfatc1及tnfsf9等基因, 经pma和依诺霉素刺激可出现h3k4me3和h3k27甲基化修饰, 从而调控上述基因表达。采用h3k4和h3k37的特异性抑制剂可以增加nk细胞脱颗粒及ifn-、tnf-的分泌[22,30]。cribbs等[31]用染色质甲基化及乙酰化的小分子抑制剂进行筛选, 并通过基因敲除方法确定了jumonli型组蛋白h3k27脱甲基酶是nk细胞分泌细胞因子的关键调节因子。jmjd3/utx (含有jumonji结构域的蛋白3) h3k27去甲基化酶抑制剂gsk-j4可引发细胞因子转录起始位点h3k27甲基化, 并造成nk细胞ifn-、tnf-、gm-csf、il-10分泌下降。gsk-j4可以明显抑制类风湿性关节炎患者外周血或组织中分离出的nk细胞的细胞因子分泌, 抑制破骨细胞形成及骨破坏。除甲基化外, 组蛋白乙酰化修饰也对nk细胞细胞因子分泌起调节作用。vpa可抑制nk细胞对白血病细胞的溶解, 并且有剂量依赖性。vpa预处理可降低nk细胞ifn-分泌, 破坏cd107a脱颗粒, 并通过激活pd-1/pd-l1途径诱导细胞凋亡[27]。

h3k4me3脱甲基酶kdm5a调节基因转录并参与肿瘤的发生。zhao等[32]研究证明kdm5a缺陷使ifn-产生减少, 并损害nk细胞的活化。kdm5a (-/-) 小鼠对单核细胞增生李斯特氏菌 (lm) 感染高度敏感。在nk细胞活化过程中, kdm5a的缺失影响stat4磷酸化和核定位, 并增加了细胞因子信号转导抑制因子1 (socs1) 的表达。进一步研究揭示其机制为kdm5a与p50结合, 并与静止nk细胞中的socs1启动子区结合, 抑制染色质重塑, 导致在socs1启动子中h3k4me3修饰显著减少。

另外, lee等[19]在研究记忆性nk细胞时发现, 人巨细胞病毒感染后, nk细胞syk转录起始位点甲基化, syk基因沉默, 可引起表达ifn-水平升高。bhlhe40为转录调节因子, 在活化的nk细胞中去甲基化, 诱导细胞因子分泌 (如il-2、il-12、il-15、ifn、tnfa等) , 增强nk细胞功能。nfat转录因子家族通过与启动子及增强子区域结合来增加nk细胞因子的表达。在活化的nk细胞中, nfatc1内含子9明显去甲基化, 可调节nk细胞分泌细胞因子[22]。

3 引起nk细胞表观遗传学变化的因素

多种疾病状态下, nk细胞的表观遗传学修饰会发生变化, 如巨细胞病毒感染会激活nk细胞, 引起81%的位点发生dna去甲基化[22]。在儿童哮喘患者中, nk细胞dna去甲基化, 引起nk细胞活性升高[33]。在类风湿关节炎及强制性脊柱炎中, nk细胞均存在表观遗传学改变[31,32,33,34]。

一些药物可以引起nk细胞的表观遗传修饰变化。misale等[35]报道, 糖皮质激素可以通过影响h3k27me3来降低ifn-的表达, 从而抑制nk细胞的免疫功能。5-氮杂胞苷可引起nk细胞dna去甲基化, 诱导相关基因激活, 促进nk细胞活化[36]。

运动也可以引起nk细胞表观遗传学修饰发生改变。zimmer等[37]选取30例非霍奇金淋巴瘤患者及10名健康人, 干预组每人每天骑车运动30min。运动组的患者血清巨噬细胞游走抑制因子 (mif) 及il-6水平升高, nk细胞组蛋白h3、h4乙酰化水平降低。近期, 研究者再次证明运动可以通过升高组蛋白乙酰化水平及nkg2d的表达, 改善正常人nk细胞活化状态[38]。

压力及年龄的增长对nk细胞的表观遗传学也有明显影响。创伤后应激综合征可以加速nk细胞由年龄造成的甲基化水平升高, 从而影响机体免疫状态[39]。

综上所述, 表观遗传学修饰影响着nk细胞的增殖、分化、杀伤、免疫调节等, 在nk细胞调控中, 扮演重要角色。但目前, nk细胞表观遗传学研究多集中在基础实验阶段, 在临床疾病中的应用很少。nk细胞参与肿瘤、自身免疫疾病及感染的发病, 其异常是否与表观遗传学修饰有关?进一步研究nk细胞表观遗传学异常在疾病发生中的作用, 将基础研究向临床应用转化, 开拓疾病中nk细胞功能异常的新思路, 并为新型药物在临床中的应用提供研究基础, 将是本课题组今后努力的方向。

参考文献

[1]allis c d, jenuwein t, reinberg d.epigenetics[m].usa:cold spring harbor laboratory press, 2007:25-56.

[2]张彩, 田志刚.nk细胞受体群谱偏移与肿瘤免疫逃逸及逆转[j].中国免疫学杂志, 2016, 32 (5) :609-614.

[3]crouse j, bedenikovic g, wiesel m, et al.type i interferons protect t cells against nk cell attack mediated by the activating receptor ncr1[j].immunity, 2014, 40 (6) :961-973.

[4]王学富, 田志刚.nk细胞发育分化及其相关疾病研究进展[j].中国免疫学杂志, 2015 (5) :577-584.

[5]周静, 彭慧, 田志刚.nk细胞负向调控适应性免疫应答研究进展[j].中国免疫学杂志, 2016, 32 (6) :769-776.

[6]ahem d j, brennan f m.the role of natural killer cells in the pathogenesis of rheumatoid arthritis:major contributors or essential homeostatic modulators[j].immunol lett, 2011, 136 (2) :115-121.

[7]chong w p, van panhuys n, chen j, et al.nk-dc crosstalk controls the autopathogenic th17response through an innate ifn--il-27axis[j].j exp med, 2015, 212 (10) :1739-1752.

[8]woodman i.rheumatoid arthritis:tnf disables tregcell function through foxp3modification[j].nat rev rheumatol, 2013, 9 (4) :197.

[9]leavenworth j w, wang x, wenander c s, et al.mobilization of natural killer cells inhibits development of collagen-induced arthritis[j].proc natl acad sci u s a, 2011, 108 (35) :14584-14589.

[10]gascoyne dm, long e, veiga-femandes h, et al.the basic leucine zipper transcription factor e4bp4is essential for natural killer cell development[j].nat immunol, 2009, 10 (10) :1118-1124.

[11]yin j, leavenworth j w, li y, et al.ezh2regulates differentiation and function of natural killer cells through histone methyltransferase activity[j].proc natl acad sci u s a, 2015, 112 (52) :15988-15993.

[12]chou r h, yu y l, hung m c.the roles of ezh2in cell lineage commitment[j].am j transl res, 2011, 3 (3) :243-250.

[13]surface l e, thornton s r, boyer l a.polycomb group proteins set the stage for early lineage commitment[j].cell stem cell, 2010, 7 (3) :288-298.

[14]tsuyama n, asaka r, dobashi a, et al.epsteinbarr virus-negative extranodaltruenatural killer-cell lymphoma harbouring a kdm6a mutation[j].hematol oncol, 2018, 36 (1) :328-335.

[15]victor a r, weigel c, scoville s d, et al.epigenetic and posttranscriptional regulation of cd16expression during human nk cell development[j].j immunol, 2018, 200 (2) :565-572.

[16]sun j c, beike j n, lanier l l.adaptive immune features of natural killer cells[j].nature, 2009, 457 (7233) :1168.

[17]李婷婷, 彭慧, 孙沬, 田志刚.记忆性nk细胞的最新研究进展[j].中国免疫学杂志, 2016, 32 (4) :449-459.

[18]della-chiesa m, pesce s, muccio l, et al.features of memory-like and pd-1 (+) human nk cell subsets[j].front immunol, 2016 (7) :351.

[19]lee j, zhang t, hwang i, et al.epigenetic modification and antibody-dependent expansion of memory-like nk cells in human cytomegalovirus-infected individuals[j].immunity, 2015, 42 (3) :431-442.

[20]schlums h, cichocki f, tesi b, et al.cytomegalovirus infection drives adaptive epigenetic diversification of nk cells with altered signaling and effector function[j].immunity, 2015, 42 (3) :443-456.

[21]rapp m, lau c m, adams n m, et al.corebinding factorand runx transcription factors promote adaptive natural killer cell responses[j].sci immunol, 2017, 2 (18) :3796.

[22]wiencke j k, butler r, hsuang g, et al.the dna methylation profile of activated human natural killer cells[j].epigenetics, 2016, 11 (5) :363-380.

[23]gao x n, lin j, wang l l, et al.demethylating treatment suppresses natural killer cell cytolytic activity[j].mol immunol, 2009, 46 (10) :2064-2070.

[24]santourlidis s, trompeter h i, weinhold s, et al.crucial role of dna methylation in determination of clonally distributed killer cell ig-like receptor expression patterns in nk cells[j].j immunol, 2002, 169 (8) :4253-4261.

[25]cichocki f, lenvik t, sharma n, et al.cutting edge:kir antisense transcripts are processed into a 28-base piwi-like rna in human nk cells[j].j immunol, 2010, 185 (4) :2009-2012.

[26]fernandez-sanchez a, baragano-raneros a, carvajal-palao r, et al.dna demethylation and histone h3k9acetylation determine the active transcription of the nkg2dgene in human cd8+t and nk cells[j].epigenetics, 2013, 8 (1) :66-78.

[27]shi x, li m, cui m, et al.epigenetic suppression of the antitumor cytotoxicity of nk cells by histone deacetylase inhibitor valproic acid[j].am j cancer res, 2016, 6 (3) :600-614.

[28]el-sobky s a, el-ekiaby n m, mekky r y, et al.contradicting roles of mir-182in both nk cells and their host target hepatocytes in hcv[j].immunol lett, 2016 (169) :52-60.

[29]luetke-eversloh m, cicek b b, siracusa f, et al.nk cells gain higher ifn-competence during terminal differentiation[j].eur j immunol, 2014, 44 (7) :2074-2084.

[30]li y, wang j, yin j, et al.chromatin state dynamics during nk cell activation[j].oncotarget, 2017, 8 (26) :41854-41865.

[31]cribbs a, hookway e s, wells g, et al.inhibition of histone h3k27demethylases selectively modulates inflammatory phenotypes of natural killer cells[j].j biol chem, 2018, 293 (7) :2422-2437.

[32]zhao d, zhang q, liu y, et al.h3k4me3demethylase kdm5ais required for nk cell activation by associating with p50to suppress socs1[j].cell rep, 2016, 15 (2) :288-299.

[33]xu c j, soderhall c, bustamante m, et al.dna methylation in childhood asthma:an epigenome-wide meta-analysis[j].lancet respir med, 2018, 6 (5) :379-388.

[34]li z, haynes k, pennisi d j, et al.epigenetic and gene expression analysis of ankylosing spondylitis-associated loci implicate immune cells and the gut in the disease pathogenesis[j].genes immun, 2017, 18 (3) :135-143.

[35]misale m s, witek janusek l, tell d, et al.chromatin organization as an indicator of glucocorticoid induced natural killer cell dysfunction[j].brain behav immun, 2018 (67) :279-289.

[36]costello r t, leclercq a, treut t l, et al.effects of 5-azacytidine on natural killer cell activating receptor expression in patients with refractory anemia with excess of blasts[j].leuk res rep, 2015, 4 (1) :15-17.

[37]zimmer p, bloch w, schenk a, et al.exerciseinduced natural killer cell activation is driven by epigenetic modifications[j].int j sports med, 2015, 36 (6) :510-515.

[38]zimmer p, baumann ft, bloch w, et al.impact of exercise on pro inflammatory cytokine levels and epigenetic modulations of tumor-competitive lymphocytes in nonhodgkin-lymphoma patients-randomized controlled trial[j].eur j haematol, 2014, 93 (6) :527-532.

[39]wolf e j, maniates h, nugent n, et al.traumatic stress and accelerated dna methylation age:a meta-analysis[j].psychoneuroendocrinology, 2018 (92) :123-134.