帕金森病(Parkinson′s disease, PD)是多发于中老年人的锥体外系疾病中的一种, 又称震颤麻痹, 是目前仅次于阿尔兹海默症的第二大神经系统疾病, 病程为慢性进展性, 尚无有效预防办法, 且会随着年龄的增长, 患病率成倍升高^[1]。虽因病患者个体差异不同而出现首发症状的差异, 其主要症状多表现为震颤、运动困难、肌强直、平衡或姿势异常等, 其中部分病患者后期还会出现认知障碍。PD发病的主要原因是脑内黑质纹状体病变造成多巴胺能神经元中多巴胺含量降低^[2], 因此, 当前多会用左旋多巴、吡贝地尔或抗胆碱药等药物进行治疗, 或通过中脑移植进行干预, 但这些药物仅仅能够延缓病症, 或者仅适用于早期轻症患者的治疗, 医疗干预手段同样也出现了一定的弊端, 都无法达到根治效果, 且多会出现各种各样的毒副反应^[3]。研究表明, 小胶质细胞的激活能够加重神经元的损伤^[4], 而JMJD3则可以抑制其活化所致的炎症反应, 以减少多巴胺水平的降低, 从而抑制多巴胺能神经元的死亡, 来抑制或减缓神经退行性疾病的发生与发展。因此, JMJD3与PD之间的联系可以作为治疗帕金森病的一个新的思路展开更多后续的研究。

JMJD的家族成员由锌指结构、Fe²⁺离子结合位点和一个含有JmjC的酮戊二酸依赖性的去甲基化酶活性结构域组成^[5]。JmjC结构域与Fe²⁺、α-酮戊二酸以及O₂共同参与催化组蛋白, 进而生成羟基化中间体, 随后生成不稳定的半氨醛, 并进一步分解, 产生去甲基化赖氨酸^[6]。尽管JMJD家族成员都可以催化组蛋白的去甲基化修饰, 但它们对于催化底物的选择依然存在着一定的差异。

JMJD3 (jumonji domain-containing protein 3), 又称之为KDM6B (lysine (K) -specific demethylase 6B), 属于JMJD家族成员, 是一种含JmjC结构域的组蛋白H3第27位赖氨酸二甲基和三甲基化的去甲基化酶, 能够特异性催化组蛋白H3K27去甲基化^[7]。在人体内, JMJD3基因位于17p13.1上, JMJD3蛋白含有1 641个氨基酸, 且只包含了1个可识别的保守结构域, 即去甲基化酶活性JmjC结构域的C-末端结构片段。

研究发现, JMJD3在巨噬细胞、内皮细胞和神经系统的分化、细胞的异常癌变等方面都起到了一定的调控作用。JMJD3的功能主要可以分为3类: 一是作为组蛋白去甲基化酶影响基因的表达。由于组蛋白的甲基化通常发生在精氨酸或赖氨酸残基上, 而这些残基能够影响其他组蛋白的修饰, 并且可以影响染色质结构改变和基因的表达, 而JMJD3能够通过组蛋白去甲基化消除对于某些基因的抑制, 以上调基因的表达。如H3K27的三甲基化(trimethylation of Lys27 of histone H3, H3K27me3)是基因转录抑制的标志^[8], 而H3K27me3是维持多能干细胞的标志之一, 通常与不活跃的基因启动子相关, H3K27去甲基化后可以激活基因的表达, 如JMJD3能够通过对p16INK4a启动子上进行H3K27me3去甲基化, 改变其转录的修饰状态, 促进p16基因的表达, 从而促使细胞衰老。大量体外研究表明, 在细胞进行生命活动, 如分化的过程中, JMJD3的表达呈现出上升的趋势, 同时, H3K27me3的水平在与发育基因相关的区域呈现明显减少, 从而能够促进细胞分化; 相反, 若JMJD3的表达被抑制, 则H3K27me3的含量增加, 便会造成器官发育缺陷。因而得出JMJD3可能具有H3K27me2/3去甲基化酶活性^[9]。二是能够催化非组蛋白的甲基化, 影响细胞分化, 促进细胞衰老。三是JMJD3具有非依赖甲基化酶活性, 例如不需要JmjC结构域催化活性的参与, 可以通过调控下游蛋白来发挥生物活性^[10]。此外, JMJD3还可以作为转录因子直接调控靶细胞基因的转录^[5], 同时还在调控基因表观遗传、细胞记忆以及细胞生长和凋亡的调控等方面也都发挥着重要作用。具体来说, JMJD3能够影响多种细胞过程, 如细胞的增殖、分化、衰老和凋亡^[11-13]。并且, JMJD3的调控具有高度特异性, 对基因和环境反应十分敏感, 也涉及到多种组织反应, 如脊椎动物的生长发育、炎症性疾病、癌症病变和神经退行性疾病等^[9]。

小胶质细胞是巨噬细胞的一种, 通常存在于大脑和脊髓中, 在中枢神经系统中起着免疫防御、炎症调理以及识别吞噬等作用。小胶质细胞能够通过各种感染性物质的相互作用被激活, 产生活化并迅速发生反应^[14]。小胶质细胞的活化可分为经典活化(M1表型或过活化表型)和替代活化(M2表型)两大类^[15]。小胶质细胞的M1为神经毒性型, 主要承担抗原呈递、吞噬和促炎的作用, 其激活与许多促炎介质的产生和释放相关, 这些促炎介质包括活性氧(reactive oxygen species, ROS)、一氧化氮(nitric oxide, NO)、细胞因子等^[16]。但长期或过度的小胶质细胞M1表型的激活可能会促成病理性炎症, 这些炎症便可导致PD的发病和发展。

与M1表型相反的是, M2型小胶质细胞为神经营养和神经保护型, 具有一定的抗炎作用, 能够促进伤口愈合和组织的修复, 其中白介素(IL-4、IL-13、IL-10)以及转化生长因子(transforming growth factor, TGF)-β等为主要的抗炎细胞因子^[17], 都对机体具有一定的保护作用。

Zhao等^[13]的研究发现, 小胶质细胞介导的神经炎症在PD发病过程中发挥了重要的作用。前期有学者在PD患者的中脑黑质区致密带中发现了活化的小胶质细胞, 并提出小胶质细胞活化可能会导致多巴胺能神经元的变性, 进而造成神经元死亡, 引起相关神经退行性疾病发生^[18-19]。

有研究在PD患者的脑脊液中发现了肿瘤坏死因子α (tumor necrosis factor, TNF)-α、白细胞介素6(interleukin- 6, IL-6)等和M1型细胞相关的炎症因子的表达呈现升高, 且伴随着一过性的M2炎症反应以及少量以精氨酸酶1(arginase 1)和CD206为标志的M2型小胶质细胞的出现。且M2型小胶质细胞数量下降, 损伤范围呈现扩大趋势。此外, 有研究发现小胶质细胞不同功能的M1型和M2型两种极化表型受组蛋白H3K27me3去甲基化酶JMJD3的调控。其中, arginase1是JMJD3介导的M2极化的作用靶点, 抑制JMJD3能够抑制arginase1的表达增加。因此, 当小胶质细胞中JMJD3水平降低时, M2型小胶质细胞的表达受到抑制, 导致小胶质细胞中促炎因子的表达水平大大提高, M1型的表达水平相应上升, 即M1小胶质细胞的炎症反应增强, 将会导致神经元出现大量死亡。若下调脑内黑质区中的JMJD3水平, 则会造成多巴胺能神经元死亡明显加剧^[9], 并且, M2型小胶质细胞无法阻止M1型诱导所致的神经元死亡, 说明通过治疗M2型活化表达不能拮抗M1型小胶质细胞所造成的炎症反应。同时, 越来越多的证据表明, 表观遗传机制能够参与调节衰老相关的细胞行为^[20], 而细胞衰老会导致中脑内H3K27me3水平升高, JMJD3水平下调, 这也将可能会促使小胶质细胞表型从M2向M1转变^[21], 从而加速神经元的死亡, 促进PD的发展。

研究结果共同表明JMJD3对小胶质细胞的活化是重要的、不可缺少的。因此, 调节JMJD3的arginase1靶点可能会成为治疗PD的一种有效途径^[23]。通过JMJD3的调控来维持小胶质细胞中M1和M2型组蛋白的活化平衡状态对于阻止PD的发生和发展有一定作用。

多巴胺能神经元是一种能够合成和释放多巴胺能作为神经递质的神经元, 通过合成和分泌多巴胺来调控运动机制, 并参与情绪的调节。Jayaraj、Isingrini等^[22-23]的研究表明, PD的特征是中脑黑质区多巴胺能神经元变性丢失, 纹状体内多巴胺水平降低。因此可见多巴胺能神经元的生理状态可以直接影响着PD的发生和发展。

越来越多的证据表明, 通过去除相关基因启动子区域的DNA甲基化和抑制组蛋白编码, 上调一系列多巴胺能神经元特异性发育和表型基因可以治疗PD。表观遗传修饰参与调控DA神经元的发育, 而H3K27me3是具有转录抑制作用的表观遗传修饰, 在DA神经元的生长分化、成熟等一系列重要的细胞生命活动过程中都发挥着重要调控作用。有研究发现, 与中脑早期发育过程中H3K27me3水平变化对于DA神经元的影响不同的是, 若敲减成年大鼠组蛋白去甲基化酶JMJD3使H3K27me3的水平上调, 则会出现M1型小胶质细胞数量的增加, 并且炎症反应增强, 能够加速神经元的死亡, 增加PD的发病率。Tang等^[21]通过抗酪氨酸羟化酶的免疫染色以及免疫印迹试验也证实了敲除JMJD3基因能够导致更多的DA神经元的死亡。此外, 有研究表明去甲基化酶JMJD3能够抑制体外培养的中脑源神经干细胞(ventral midbrain derived neural stem cells, VM-NSCs)在分化过程中的H3K27me3表达水平的上升, 使得VM-NSCs向DA神经元分化, 从而抑制PD的发生与发展。

与此同时, 有研究提到胎儿中脑移植已被临床应用于PD患者, 并取得了一定的治疗效果^[24]。然而, 由于供体组织有限, 治疗结果不完全一致, 并且出现了运动障碍等副作用, 使得这种方法无法广泛应用于PD的治疗。因此, 研究通过体外培养从中脑腹侧区组织中获得的神经干细胞/前体细胞(neural stem cells, NSCs), 以达到能够系统地控制移植DA神经元的质量和数量的水平。然而, 因DA神经元潜能在体外NSCs的扩增中呈现严重下降, 也使其失去了治疗价值^[25]。

He等^[26]的研究表明, 中脑特异性标志物Foxa2、Lmx1A/B和Nurr1的表达对多巴胺能神经元功能、存活和表型维持至关重要。研究通过含有维生素C(vitamin C, VC)的试液处理NSCs后, 观察到Foxa2和Lmx1a启动子区域的H3K27m3水平下降。而参与JMJD3介导H3K27m3去甲基化的是VC诱导的DA神经元分化组蛋白去甲基化酶Fe(II)-2-oxoglutarate依赖的双氧合酶, 其活性被认为受VC调控。这表明H3K27m3的JMJD3依赖性去甲基化是VC诱导多巴胺能神经元分化的另一种表观遗传机制^[26-27]。因此, 通过VC去除相关基因启动子区域的DNA甲基化和抑制组蛋白编码, 上调一系列多巴胺能神经元特异性发育和表型基因, 有治疗PD的可能性; 同时, 若VC诱导JMJD3抑制H3K27me3来调节神经干细胞DA神经元的水平, 能够解决DA神经元潜能在体外NSCs扩增中下降的问题, 为NSCs移植疗法在未来治疗PD中提供可能性。

小胶质细胞和多巴胺能神经元在正常状态下能够构成一个稳定的生理生存环境, 小胶质细胞通过激活活化, 极化形成不同功能的组蛋白表型, 来调控神经元的生存和死亡, 使其达到并能够维持着正常的稳态。但环境毒素、年龄老化、细胞凋亡等都可能打破这种平衡, 从而加剧神经元的损伤、丢失、死亡, 进而引发PD^[21]。因此, 维持这种平衡, 减少神经元的损失与死亡对于降低PD的发病率是十分重要的。

通过调控JMJD3的arginase1靶点维持小胶质细胞组蛋白的活化平衡, 即调控M1型和M2型小胶质细胞的水平, 以控制神经元的死亡, 即当JMJD3表达下调时, H3K27me3的表达会相应呈现上升, 同时M2型小胶质细胞的表达会受到抑制, 使得M1型小胶质细胞的表达相应升高, 炎症反应则大大增强, 打破生理稳态, 进而使得神经元的死亡加剧, 加大了神经退行性疾病的发生率; 若使JMJD3抑制H3K27me3的表达上调, 则DA神经元的数量会相应增加, 从而在一定程度上出现了抑制或减缓PD发生和发展的可能性。可见, 调控JMJD3的表达也能够控制DA神经元数量的增减, 抑制JMJD3会将小胶质细胞M2表型向有害的M1表型转变, 最终加速DA神经元的死亡。因此, JMJD3对于调控H3K27me3的表达以及调控小胶质细胞的活化平衡状态是十分重要的, 而这类调控能够直接影响DA神经元的发育, 控制神经元数量的增减, 进而影响PD的发生发展。

综上所述, JMJD3对于细胞增殖、分化、衰老和胚胎发育等都有着一定的作用。其作为一种组蛋白去甲基酶, 同时也是H3K27me3抑制剂, 能够调控小胶质细胞的活化, 进而影响多巴胺能神经元的生存环境, 影响小胶质细胞和多巴胺能神经元的稳态, 从而对PD的发生和发展造成一定的影响。若抑制JMJD3表达水平或敲除JMJD3, 会造成小胶质细胞的炎症反应以及DA神经元的大量损失、死亡, 进而加剧PD的发生率。因此, 通过调节小胶质细胞JMJD3的水平来维持小胶质细胞的正常活化平衡, 以及JMJD3能够调控H3K27me3表达水平来调控多巴胺能神经元数量的作用, 为疾病的治疗提供靶点, 应该视为治疗PD的关键有效着手点。此外, JMJD3通过VC诱导的表观遗传学修饰也为PD的治疗提供了极大的可能性, 有着十分重要的作用。尽管当前的研究对于JMJD3的一些作用机制仍存在着疑问, 但可以确定, JMJD3的确对小胶质细胞和多巴胺能神经元都有着一定的影响, 并且对于PD的有效治疗有着十分可观的作用。