Nat Commun丨严敏/陶元祥团队合作揭示神经病理性疼痛的三维基因组学调控机制

周围神经损伤后，初级感觉神经元中的内在免疫应答对神经性疼痛的发生至关重要。然而，驱动这些应答的关键调控因子仍不明确。

近日，浙江大学严敏教授与新泽西州立大学陶元祥教授团队合作在Nature Communications 发表题为

ZFP612 controls neuropathic pain through epigenetic repression of

Il1rl1

within the silencer–promoter loop in primary sensory neurons of male mice

本研究发现，背根神经节（DRG）神经元中锌指蛋白转录因子612（ZFP612）减少会造成神经元中白细胞介素（IL）信号通路激活并引发神经病理性疼痛，而白细胞介素1 受体样 1（Il1rl1）敲除可显著缓解该表型。机制上，ZFP612与Il1rl1等IL家族相关基因的基因组顺式功能元件—沉默子结合并抑制Il1rl1从多个转录起始位点的转录。敲除该沉默子的小鼠表现出ZFP612对Il1rl1三个可变启动子（P1-P3）转录的抑制作用丧失，且ZFP612介导的抗伤害感受功能被削弱。此外，ZFP612下调会破坏ZFP612/HDAC1/HDAC2/SETDB1表观沉默复合物的形成，并降低沉默子-P3染色质环内的抑制性修饰，从而同时促进Il1rl1从P1/P2启动子的转录延伸和从P3启动子的转录起始。因此，ZFP612借助染色质三位空间构象通过沉默子在损伤感觉神经元中对关键致痛基因Il1rl1进行表观沉默，从而调控痛觉超敏参与神经病理性疼痛。

外周神经损伤诱发的神经病性疼痛表现为DRG中初级感觉神经元的内在免疫反应驱动的过度激活。在神经元免疫反应中，白细胞介素（IL）信号通路发挥着关键作用。促炎因子可激活丝裂原活化蛋白激酶（MAPK）、核因子κB（NF-κB）及多种下游效应分子等内在免疫信号通路，加剧神经炎症并诱发DRG 神经元过度兴奋。尽管免疫细胞中IL信号通路的启动与终止机制已得到广泛研究，但神经损伤后这些静息状态的免疫基因如何在神经元中被激活，目前仍知之甚少。在损伤条件下，哺乳动物细胞选择性表达特定基因，其中许多与内在免疫反应相关。这些免疫相关基因驱动疾病进展，在正常条件下被严格控制以保持沉默或低水平表达。这种沉默通常通过可逆的抑制性表观遗传修饰来维持。含KRAB结构域的锌指蛋白（KZFPs）是高等真核生物中一类保守的反式作用因子，优先结合沉默子元件。其KRAB 结构域可作为组装表观遗传共抑制因子的平台。在多种病理条件下，KZFPs作为关键调控枢纽，精准协调表观遗传共抑制因子与沉默子-启动子染色质环之间的动态相互作用，进而调控免疫原性基因的从头表达。因此，本研究推测KZFPs 介导的三维基因组架构内可逆性表观遗传修饰，可能在神经损伤诱导的 DRG 神经元中的免疫基因异常表达和激活中发挥关键作用。

白介素1样受体1（IL1RL1，ST2）是IL信号传导的中枢调控因子，通过与其配体IL-33的相互作用调控炎症、过敏反应和组织修复。有报道指出，IL1RL1与多种神经系统疾病有关。损伤状态下，IL1RL1呈现高度动态的表达模式，并通过正反馈放大IL信号通路，激活的IL信号反过来上调IL1RL1表达，进一步放大级联反应。IL1RL1的高表达甚至可调控T细胞亚群生成及1型免疫应答。Il1rl1基因包含三个在小鼠和人类中保守的可变启动子，使其能从三个不同的转录起始位点（TSSs）启动转录，产生编码序列（CDS）相同但5'非翻译区（5'UTRs）不同的转录本。每个启动子可通过与细胞类型特异性转录因子（TF）结合，响应不同刺激以启动IL1RL1蛋白表达。事实上，超过50%的哺乳动物基因具有多个启动子和不同的转录起始位点，使细胞能够通过选择性使用启动子灵活响应不同的环境信号。鉴于神经元IL1RL1参与神经炎症相关基因的激活和神经元过度兴奋，Il1rl1的三个启动子是否及如何调控损伤DRG神经元中IL1RL1的表达及其介导的神经损伤后神经性疼痛，在本研究中作者对其展开了深入研究。

该研究发现，ZFP612是一种DRG高表达的KZFP，仅在小鼠、猴子和人类受损伤的DRG神经元中被下调。这种下调会激活DRG神经元中的IL信号，并诱导神经病理性疼痛，并且ZFP612下调诱导的痛觉超敏表型在很大程度上依赖于Il1rl1。进一步作者在Il1rl1的内含子区域鉴定出ZFP612结合的沉默子顺式调控功能元件，该沉默子缺失会削弱ZFP612介导的Il1rl1转录抑制和镇痛作用。神经损伤诱导的ZFP612下调会导致与沉默子的结合减少，从而无法形成ZFP612/HDAC1/HDAC2/SETDB1表观沉默复合物，抹去沉默子–启动子环内的抑制性表观遗传修饰作用，进而增强Il1rl1的P1、P2和P3启动子活性。巧妙的是，ZFP612介导的沉默子–启动子环内抑制性修饰消失可以同时增强P1和P2启动子的转录延伸过程以及P3启动子的转录起始过程，最终响应外周神经损伤使IL1RL1蛋白大量异常表达，最终促进神经性疼痛的发生和维持。

本研究通过多组学技术手段揭示了一种此前未被报道的表观遗传学底层调控模式：在KZFP的精准调控下，内在免疫基因如Il1rl1等的多个启动子可在损伤感觉神经元的三维基因组中协同发挥作用。在沉默子–启动子环中ZFP612 通过维持Il1rl1的表观遗传修饰，充当限制炎症信号激活的分子守门人，凸显疼痛调控中表观遗传机制的多层次性，既包括分子本身的调控，也涉及染色质空间构象。此外本研究同时强调了在疾病条件下具有多个启动子的哺乳动物基因可以选择性使用启动子以灵活响应不同的环境信号，并为多启动子如何协同工作提供了一种可能普遍适用的染色质三维调控模型。

基于 ZFP612 或沉默子–启动子环的靶向干预，有望为神经病理性疼痛带来全新的治疗策略。相较于现有镇痛药可能面临的疗效与副作用限制，调控表观遗传因子的基因治疗或小分子药物有望提供更精准、更根源性的解决方案。ZFP612 的关键作用为未来恢复疼痛相关基因正常表观遗传控制的药物研发奠定了基础。这项工作也进一步表明，初级感觉神经元并非被动传递疼痛信号的通道，而是能够通过表观遗传机制主动调控基因表达、适应损伤的动态中心。理解这些机制将有助于开发阻断疼痛从急性转向慢性的全新干预途径。

SCIENCE NEWS专题报道认为该发现是表观遗传学领域的全新底层机制，通过调整表观遗传学空间构象或许可以实现对疾病的重塑过程，进一步建议这一思路推广至其它慢性疾病。

浙江大学严敏教授、新泽西州立大学陶元祥教授、浙江大学姜保春研究员、郁丽娜主任为该论文通讯作者，该团队长期合作致力于揭示神经病理性疼痛的三维基因组学机制研究（既往工作曾以封面文章发表于免疫学顶级期刊JEM【1】 ）。浙江大学医学院附属第二医院麻醉科马龙飞副研究员、黄杨宇鑫博士后、韩美玲博士、新泽西州立大学王兵研究员、广州市妇女儿童医疗中心郭欣莹副研究员并列第一作者。西湖大学马秋富教授、浙江大学刘冲教授、厦门大学张杰教授为文章提供了大量建设性的意见和建议，以及南京医科大学陈晓军教授和浙江大学徐贞仲教授提供了转基因小鼠的支持。

原文链接：https://doi.org/10.1038/s41467-025-65935-1

制版人： 十一

参考文献

1. Ma L, Yu L, Jiang BC, et al. ZNF382 controls mouse neuropathic pain via silencer-based epigenetic inhibition of Cxcl13 in DRG neurons.J Exp Med. 2021;218(12):e20210920. doi:10.1084/jem.20210920

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