综述：脑内透明质酸相关基因的表观遗传调控：关键调控位点的识别

《Epigenomes》：Epigenetic Regulation of Hyaluronan-Associated Genes in the Brain: Identifying Key Regulatory Sites Rosalyn E. Acevedo, Esther Walton and Karen R. Mifsud

　　

透明质酸（Hyaluronan, HA）是一种普遍存在的细胞外基质（ECM）成分，因其在细胞信号传导和疾病中的多种作用而日益受到关注。HA的生物学功能取决于其分子量（Mw）：低Mw多糖链驱动炎症和血管生成等刺激过程，而高MwHA则具有稳定作用且具有抗炎性。越来越多的证据表明，HA是脑功能不可或缺的组成部分。脑内HA的组成受酶促合成与降解平衡的调控，分别由不同亚型的透明质酸合酶（HAS）和透明质酸酶（HYAL）介导。编码HAS和HYAL酶的基因表达的波动已被证实与神经病理学和衰老有关，部分研究提供了这些基因受表观遗传调控的证据。脑内的调控环境赋予了其在增强保护的同时兼具最大灵活性的独特平衡。本范围综述侧重于总结当前关于神经背景下HAS和HYAL基因表观遗传调控的知识，并确定知识缺口，以指导未来的研究方向。理解这些基因如何被调控，特别是通过表观遗传机制，有助于深入了解脑内HA的调控方式，从而促进对脑健康和疾病中HA功能的理解。

1. 引言

1.1. 脑内透明质酸的生物化学、分布与功能

透明质酸（HA）是一种非硫酸化糖胺聚糖（GAG），由重复的N-葡萄糖醛酸和N-乙酰葡糖胺二糖单元组成。HA由透明质酸合酶（HAS）在细胞膜上合成，哺乳动物拥有三个合酶基因：Has1、Has2和Has3，它们分别产生不同长度的HA链，其中HAS2合成最高分子量（M_w）的HA。HA的降解机制包括透明质酸酶（HYAL）的酶切消化、活性氧（ROS）的氧化断裂以及机械剪切力。在脑内，HA分布于弥漫性间质基质、血脑屏障（BBB）的内皮糖萼以及包围特定神经元的“独特晶格样结构”——即神经元周围网（PNNs）中。HA的含量随发育、衰老、小胶质细胞耗竭、损伤和疾病而变化。HA在神经发生、神经可塑性、神经炎症以及PNNs的形成和维持中发挥功能作用。例如，通过CD44信号传导的高M_wHA可减少海马区神经干细胞（NSCs）的增殖，而注射透明质酸酶降解HA则可增加NSCs的增殖。此外，HA的降解或合成抑制会影响空间行为、长时程增强（LTP）以及恐惧条件反射，表明HA生物活性在调节神经可塑性和认知功能中具有重要作用。同时，HA介导的炎症反应具有分子量依赖性，高M_wHA具有抗炎特性，而较小的HA片段则具有促炎性。PNNs作为稳定和保护的神经结构，其形成依赖于HAS3与软骨连接蛋白-1（CRTL1）及聚集蛋白聚糖的协同作用，且HAS2和HAS3在PNNs周围的神经元中均有表达。

1.2. 脑内透明质酸的调控

HA的调控可分为直接改变其分子量的过程（如机械力、酶、ROS）和影响HA相关酶表达或活性的过程（如细胞信号通路、细胞因子、生长因子）。有趣的是，HA本身可通过反馈机制调节其自身的表达。尽管HA遍布全身，但其浓度和M_w存在显著的 regional 差异。脑ECM在组成上不同于外周组织，富含GAGs（包括HA）和凝集素（lecticans），但缺乏广泛的纤维蛋白网络，这构成了大脑柔软且高度动态的力学环境。此外，血脑屏障（BBB）建立了独特的微环境，限制了激素、免疫介质和代谢物的进入，缓冲了神经组织免受系统性变化的影响。鉴于ECM组成的组织特异性，控制HA代谢的调控机制可能也具有脑特异性。人类蛋白质图谱（HPA）数据显示，除SPAM1外，其余HAS和HYAL亚型在脑中均显示出显著的RNA表达，但蛋白表达数据较少。表观遗传修饰是细胞在不改变DNA序列的情况下影响基因表达的一种方式。

1.3. 表观遗传调控及其对HA的相关性

表观遗传修饰主要包括DNA甲基化（通常位于CpG岛）、组蛋白修饰（如乙酰化、甲基化、磷酸化等）以及微小RNA（miRNA）的调控。由于外周组织与脑组织之间的表观遗传相关性较低（估计仅为8-20%），且成年神经元多为有丝分裂后期细胞，DNA甲基化（DNAm）模式相对稳定且持久，因此脑内HA相关基因的表观遗传调控应独立于外周进行研究。本综述旨在确定哺乳动物神经背景下HA代谢相关基因（HAS1–3, HYAL1–4, SPAM1）的表观遗传修饰。

2. 结果

2.1. HYAL3在注意力缺陷多动障碍中的表观遗传调控

一项针对注意力缺陷多动障碍（ADHD）的多组学研究发现，HYAL3是14种脑组织中13种的潜在相关基因。研究表明，DNA甲基化（DNAm）可能是调节HYAL3表达的机制，并确定了五个潜在的DNAm位点（cg0365530, cg22973319, cg02490920, cg16913124, cg06980053），提示DNAm介导的转录变化可能促成ADHD的发生。

2.2. 神经退行性疾病中HAS和HYAL的表观遗传调控

在阿尔茨海默病（AD）患者死后（PM）海马组织中，观察到HAS2基因下游约180 kb处的CpG位点（cg06688910）显著低甲基化。另一项针对超过1000名AD患者前额叶皮层样本的分析发现，HAS3上游区域（cg07855319）呈持续低甲基化，而HYAL2的5'非翻译区（UTR）/TSS1500区域的CpG位点（cg13341668, cg05118960）则呈高甲基化。在多发性硬化症（MS）的小鼠模型——实验性自身免疫性脑脊髓炎（EAE）中，脑部DNAm水平发生改变，其中Has1基因呈现高甲基化，这与异常的免疫细胞反应相关。

2.3. 衰老过程中HAS和HYAL的表观遗传调控

脑内HA水平随生命周期显著变化。在新生小鼠与成年小鼠的基因组DNA比较中发现，Hyal2基因的5'UTR区域在成年小鼠中出现甲基化，这与蛋白表达从新生到成年的缺失相符。另一项针对大鼠视网膜的研究发现，Has2的表达与let-7 miRNA家族成员呈负相关。由于let-7可靶向Has2的3'UTR区域，这表明let-7可能通过抑制Has2表达参与神经组织中HA合成的miRNA调控机制。

2.4. HAS/HYAL基因内组蛋白修饰的关键调控位点

利用ENCODE数据库对神经谱系的人类细胞系及人脑组织进行分析，结果显示HAS和HYAL基因座上存在广泛的组蛋白修饰富集。研究发现，HAS2、HAS3和HYAL2表现出最广泛的组蛋白修饰谱（共21/22种标记），而SPAM1的修饰范围最窄。总体而言，细胞系数据集比脑组织数据集显示出更多的组蛋白标记，且HAS基因似乎比HYAL基因受到更广泛的调控，这可能反映了HAS在HA合成中的关键作用需要更精细的表观遗传微调。

3. 讨论

3.1. HA动力学表观遗传调控的潜在影响

本综述强调，HA相关基因内的DNA甲基化与特定神经病理状态稳定相关，且可在多个脑区和不同队列中重复检测到，表明DNAm可能通过调节HAS和HYAL的表达诱导HA稳态的长期变化。相比之下，microRNA的活性可诱导基因转录的动态变化。虽然未发现研究组蛋白修饰对HA相关基因功能的实验论文，但通过ENCODE项目发现的组蛋白修饰富集区域表明，这些位点可能通过表观遗传机制控制基因转录，从而影响脑内HA动态。HAS基因比HYAL基因表现出更广泛的调控，可能是因为HAS是HA合成的限速步骤，需要通过表观遗传机制确保其产生的HA具有正确的M_w分布。此外，表观遗传过程并非孤立运作，例如HYAL1的表达既需要DNA去甲基化，也需要组蛋白乙酰化的协同作用。

3.2. 局限性与建议

本研究的局限性在于通过文献检索确定的相关文章数量有限，且部分研究存在年龄匹配不足等问题。此外，对ENCODE数据集的探索仅限于常见的细胞系和组织样本，可能遗漏了更多相关的组蛋白修饰。未来的研究应关注神经特异性的DNAm变化，并探索表观遗传修饰在时空动态上的相互作用。

4. 材料与方法

4.1. 检索策略

本研究采用范围综述的方法，结合系统评价的原则，在Scopus和Web of Science数据库中进行了高级文献检索。检索策略结合了“hyaluron”、“brain/neur”以及“epigenetic/histone/DNA methylation/microRNA”等关键词，并根据预设的纳入/排除标准对文献进行了筛选。由于初步检索结果有限，作者还根据先验知识纳入了三篇相关文献。

4.2. 选择标准

纳入的研究必须确定并提供证据支持在内源性基因（HAS1–3, HYAL1–4, SPAM1）上存在调控性的表观遗传位点，且实验证据需来源于哺乳动物来源。排除机制不属于DNA甲基化、组蛋白修饰或microRNA调控的研究，以及使用基因修饰或癌性生物材料的研究。

4.3. 交互式基因组浏览器搜索

鉴于文献检索未能确定任何关于组蛋白修饰调控HA相关基因的文章，研究人员利用ENCODE数据库和Integrative Genome Viewer (IGV)手动探测了公共数据。分析仅限于中枢神经系统来源的细胞系和人脑组织，以识别HAS/HYAL基因内具有组蛋白修饰调控潜力的区域。研究人员记录了转录起始位点（TSS）和转录终止位点（TES）上下游2 kb范围内的峰值信息。

5. 结论

上述研究表明，HA合成和降解所必需的基因可受到DNA甲基化、多种组蛋白修饰和microRNA活性的表观遗传调控。表观遗传修饰提供的额外调控层可能促进HA环境的微调，从而协调神经发生、神经元可塑性和神经免疫功能的神经反应。本研究确定了人和啮齿动物组织以及人源细胞系中HA相关基因内具有表观遗传调控潜力的关键位点，这将有助于未来更集中地研究HA相关基因的表观遗传调控可能性，从而阐明HA在脑生理和病理中功能作用的潜在调控机制。此外，本综述强调了迫切需要额外的研究来建立表观遗传修饰与神经背景下HA生物活性之间的因果机制关系。