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氢气效应机制:表观遗传调节基因表达

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  氢气医学建立以来,大量生物医学研究发现,氢气对150多种疾病和损伤具有治疗作用,但是氢气作用的具体分子机制并不够明确,这限制了氢气医学研究和临床推广的有效进行。因此,开展氢气医学机制研究是当前氢气医学研究的核心任务之一。

  日本中部大学生命和健康科学学院市原正智(Masatoshi Ichihara)教授小组最近在BBRC发表论文,利用基因表达组学研究结果,提出氢气生物学效应的新机制,是通过组蛋白修饰诱导线粒体蛋白未折叠反应。这一研究也暗示,氢气医学机制研究向更深更广方向发展,相信这些新的研究对我们理解和认识神奇的氢气医学有很大帮助。

  氢气具有疾病治疗作用,氢气发挥疾病治疗作用主要是通过减少氧化损伤和炎症反应,研究发现氢气对许多细胞内基因表达有调节作用,基因表达调节可能与细胞内信号分子和代谢同路有关。但氢气医学学术上目前的最大问题正是对氢气作用的分子本质过程不了解,具体到氢气基因表达调节,就是不确定氢气调节通过直接作用,还是通过氢气保护细胞后的间接表现。间接效应的本质是说,细胞损伤被氢气保护,基因表达发生改变只不过是氢气有保护效果的分子标志而已,并不是氢气产生作用的分子代理。其实这就是典型的“谁是因谁是果”争论在氢气医学上的体现。

  本研究针对这个问题,采用基因表达芯片对大鼠肝脏和肺内基因表达的情况进行整体分析,并与饮食压力进行对比。结果发现,氢气能激活的一组基因属于组蛋白H3K27甲基化调节目标基因,同时也能调节许多信号相关基因。定量PCR验证结果显示氢气上调Kcnc3基因表达,该基因属于H3K27在肝、肺、肾和脑内的目标基因。利用免疫组织化学和Western免疫分析方法,发现氢气可以影响小鼠和大鼠肝脏H3K27甲基化状态。研究还发现氢气也可以诱导H3K27去甲基化酶Jmjd3和线粒体未折叠蛋白反应(mtUPR)相关基因。

  H3K27去甲基化酶是一种表观遗传性修饰,这种表观遗传性修饰可调节组蛋白包裹DNA的紧密程度,从而能影响基因表达的速度。未折叠蛋白反应是由于缺氧、氧化应激等因素导致内质网中未折叠或错误折叠蛋白增多,应激信号通过内质网膜传递到细胞核中,继而引起一系列特定的靶基因转录和蛋白质翻译水平下调,以维持细胞正常功能的一种自我保护机制。线粒体未折叠蛋白反应则是和线粒体相关蛋白的类似反应。最近研究发现,线粒体未折叠蛋白反应可以改变H3K27或H3K9甲基化状态和染色体结构重建,改变线粒体功能。

  该研究系列结果提示,氢气能通过线粒体未折叠蛋白反应通路,影响表观遗传学修饰组蛋白功能,调节相关基因表达,产生有利于细胞的效应。

  研究模式图

  研究说明,氢气可能存在更本质更深层的生物学效应。当然从生物学基本逻辑上考虑,氢气这种生命起源相关物质,在原始生命形式作为能量代谢枢纽的气体,影响和调节基因表达并不让人感到突然。但是问题仍然存在,氢气这种表观遗传学调节的方式具体的分子位点是什么,仍然是一个重要的科学难题。当然科学不怕而是欢迎问题,没有问题就没有了科学。所以,氢气医学科学革命仍在路上,科学家仍然需要继续努力。

  科学研究需要继续,氢气医学应用则不需要等待,作为一种安全有效的医学气体,氢气已经在许多疾病治疗中显现出价值,众多学者和企业已经努力于氢气医学产业化和实用化。相信将来氢气医学的学术和产业将会相映辉煌,永载史册。


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