JEM | 严敏/陶元祥团队合作揭示神经病理性疼痛的三维调控分子机制

神经损伤引起的神经病理性疼痛是一种慢性难治性疾病，仅在美国每年就有超过600万人长期受神经病理性疼痛的折磨。由于目前的药物（如阿片类药物和非甾体类抗炎药）在大多数神经病理性疼痛患者中疗效不佳，因此探索新的发病机制和研发新型治疗方法成为当务之急。周围神经损伤引起背根神经节（DRG）中初级感觉神经元内与疼痛相关基因在转录水平上发生表达改变，这些改变被证实与神经病理性疼痛的发展和维持相关。深入研究周围神经损伤如何导致DRG中这些疼痛相关基因的表达改变可能为神经病理性疼痛治疗提供新的途径。

基因组功能元件增强子（enhancer）和沉默子（silencer）可以条件特异性地在时空上精准调控转录的激活或抑制【1-3】。沉默子元件在哺乳类动物中广泛存在【1】。它可以依赖抑制性转录因子和抑制性表观调控蛋白发挥对靶基因的转录抑制作用【4-6】。

2021年11月11日，在美国罗格斯大学新泽西州立医学院陶元祥课题组、南加州大学洛杉矶分校Keck医学院Zilkha神经发生研究所、南通大学疼痛医学研究所等多学科协作下，浙江大学医学院附属第二医院严敏课题组在Journal of Experimental Medicine 杂志在线发表题为ZNF382 controls mouse neuropathic pain via silencer-based epigenetic inhibition of Cxcl13 in DRG neurons的研究，该研究运用多种技术手段首次阐明在染色质构象环基础上，锌指蛋白转录因子ZNF382与靶基因功能元件—沉默子结合，同时招募多种表观调控蛋白共同发挥对神经病理性疼痛的调控作用。

研究首先观察到在正常的DRG神经元中，ZNF382表达相对较高。周围神经损伤后，DRG中ZNF382表达显著减少。在外周神经损伤后损伤侧DRG特异性过表达ZNF382可以显著缓解小鼠的神经病理性疼痛症状。通过Microarray analysis发现，DRG中ZNF382过表达可以显著抑制细胞因子受体结合、趋化因子活动等信号通路，在一系列受抑制的致痛基因中，以趋化因子CXCL13表达抑制最为显著。CXCL13作为一个重要的致痛基因，作者发现它在外周神经损伤后的DRG神经元中显著升高，并且可以引起明显的神经病理性疼痛症状。通过进一步的染色质免疫共沉淀测序（ChIP-seq）和染色质免疫共沉淀PCR（ChIP-PCR）实验发现，ZNF382与CXCL13基因启动子上游大约29555bp远处的intergenic片段结合，如果用decoy DNA阻断ZNF382与intergenic片段结合，或者用CRISPR-Cas9系统将该片段切除，可以破坏ZNF382对CXCL13的转录抑制作用，同时可以削弱ZNF382的镇痛效果。结合上述证据，这段243bp大小的intergenic片段很可能是DRG中CXCL13基因的沉默子元件。那么转录因子ZNF382与CXCL13的沉默子结合以后，是怎么样远距离调控CXCL13启动子活性的呢？作者进一步通过染色质构象捕获实验（3-C）证实，CXCL13沉默子片段与其启动子片段在空间上相互靠近，这提示了沉默子-启动子构象环的存在。另外，一系列的蛋白质免疫共沉淀（Co-IP）结果表明，ZNF382可以招募两种表观调控蛋白，分别是组蛋白去乙酰化酶HDAC1和组蛋白甲基化酶SETDB1，并且ZNF382/HDAC1/SETDB1复合物在外周神经损伤以后的DRG中形成明显减少。研究进一步发现HDAC1、SETDB1同时和CXCL13启动子区域的特定片段结合，介导CXCL13启动子区域的ac-H3和H3K9me3修饰。由于DRG中ZNF382表达降低，这引起ZNF382/HDAC1/SETDB1复合物形成减少，后者进一步导致了HDAC1/SETDB1在CXCL13启动子区域结合减少，相对应地，结合减少的HDAC1引起CXCL13启动子区域组蛋白乙酰化水平明显升高、结合减少的SETDB1引起CXCL13启动子区域组蛋白甲基化水平显著降低，组蛋白乙酰化水平升高和甲基化水平降低，两者的协同作用最终导致CXCL13启动子区转录活性增强，从而激活CXCL13的转录过程。外周神经损伤引起的ZNF382表达下调最终使CXCL13处于去抑制状态，由此引起的DRG神经元CXCL13表达上调最终介导了神经病理性疼痛的发生和维持。

该文从基因组功能元件、染色质空间构象和表观遗传学调控的角度阐述了锌指蛋白转录因子ZNF382在神经损伤引起的神经病理性疼痛发病机理中的作用及其机制，首次在疼痛领域探索了致痛基因的三维调控方式，为开发神经病理性疼痛药物提供了全新思路。

浙江大学医学院严敏教授、罗格斯大学新泽西州立医学院陶元祥教授为论文共同通讯作者，本文主要团队成员浙江大学医学院附属第二医院麻醉科马龙飞博士、郁丽娜博士、南通大学疼痛医学研究所姜保春研究员以及浙江大学骨科研究所汪竞凯博士后为文章的并列第一作者。

原文链接：

https://doi.org/10.1084/jem.20210920

制版人：十一

参考文献

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