【摘要】 生長抑制因子(inhibitor of growth,ING)家族成員是候選的抑癌基因。ING蛋白能夠與組蛋白乙?;D(zhuǎn)移酶、去乙?;傅认嗷ソY(jié)合并形成復(fù)合物,該類復(fù)合物具有識別組蛋白密碼、參與染色體重構(gòu)、調(diào)節(jié)特定基因的表達(dá)、與p53協(xié)同作用、誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡等作用。本文就生長抑制因子家族參與組蛋白修飾的作用做一綜述。
【關(guān)鍵詞】 生長抑制因子; 組蛋白乙?;D(zhuǎn)移酶; 組蛋白去乙?;?/p>
生長抑制因子(inhibitor of growth,ING)家族成員是一組重要的候選腫瘤抑制因子,包含5個成員:ING1~I(xiàn)NG5。生長抑制因子家族蛋白的C端具有鋅指結(jié)構(gòu)的高度保守的植物同源結(jié)構(gòu)域(plant homedomain,PHD)和核定位信號區(qū)(nuclear localization signal,NLS)。PHD-finger結(jié)構(gòu)域在核小體組蛋白的甲基化、乙酰化、磷酸化等修飾的過程中起到了橋梁的作用。同時與不同的機(jī)體生理過程密切相關(guān),如生長調(diào)節(jié)、細(xì)胞成熟、DNA修復(fù)、致瘤性轉(zhuǎn)化和凋亡等[1]。雖然生長抑制因子家族被定義為候選抑癌基因家族已經(jīng)有十幾年,但是最近有研究表明它們不僅有癌基因或抑癌基因的作用,而且可以通過與有些蛋白如H3K4me3或者組蛋白乙?;D(zhuǎn)移酶相互作用來影響基因的轉(zhuǎn)錄與翻譯[2]。最近越來越多的證據(jù)顯示生長抑制因子家族大多與組蛋白乙?;笜?gòu)成復(fù)合體,可識別組蛋白密碼,繼而影響組蛋白乙?;瘉碚{(diào)節(jié)一些癌基因或抑癌基因的表達(dá)[3],從而對腫瘤的發(fā)生發(fā)展密切相關(guān)。
組蛋白乙?;墙獬诵◇w抑制作用的主要機(jī)制,受組蛋白乙酰基轉(zhuǎn)移酶(histone acetyltransferases,HATs)和組蛋白去乙?;福╤istone deacetylases,HDACs)的調(diào)控。HAT包括核內(nèi)的A型與胞質(zhì)的B型,其中A型包括酵母菌的GCN5、脊椎動物的p300/CBP、P/CAF(p300/CBP相關(guān)因子)、TAFl1 250、HBO1、SRC-1(steroid receptor coactivator-1)、MYST家族(包括人單核細(xì)胞性白血病鋅指蛋白MOZ,單核細(xì)胞性白血病鋅指蛋白相關(guān)因子MORF)、hTFⅢC90、p160蛋白家族(NCOA1-3)、Tat相互作用蛋白(Tip60)等。目前已知的B型HATs有酵母菌的HAT1和HAT2。而HDACs則分成四類Ⅰ類包括HDAC1、2、3、8;Ⅱ類包括HDAC4、5、6、7、9、10;Ⅲ類HDAC即沉默信息調(diào)節(jié)因子2(Sir2)-相關(guān)酶類;IV類是HDAC11[4]。HATs能把乙酰輔酶A的乙?;D(zhuǎn)移到組蛋白N端特定賴氨酸殘基的一個氨基上,中和它所帶的正電荷,增加其疏水性,降低組蛋白與DNA的親和性,使染色質(zhì)疏松,轉(zhuǎn)錄因子易于結(jié)合DNA鏈,故組蛋白高乙?;欣诨蜣D(zhuǎn)錄[5]。HDACs能水解乙?;嚢彼幔蛊涿撘阴;謴?fù)所帶的正電荷,因此與帶負(fù)電荷的DNA緊密結(jié)合,抑制基因轉(zhuǎn)錄,組蛋白去乙?;J谷旧|(zhì)失去轉(zhuǎn)錄活性[6]。組蛋白乙?;腿ヒ阴;Ш馀c腫瘤發(fā)生發(fā)展密切相關(guān),ING家族因其獨(dú)特的作用而影響到其在腫瘤發(fā)生發(fā)展中的作用?,F(xiàn)對生長抑制因子家族成員參與組蛋白乙酰化修飾的作用做一總結(jié)。
1 生長抑制因子家族參與組蛋白去乙酰化作用
許多研究顯示各種HDACs的生物功能是必要且不同的。HDACs底物包括參與基因調(diào)控、細(xì)胞周期演進(jìn)和細(xì)胞死亡的組蛋白以及非組蛋白,HDACs不直接結(jié)合DNA,而是通過參與構(gòu)成多種蛋白復(fù)合物與DNA作用,其中ING家族發(fā)揮了重要的作用[3]。
有研究報(bào)道,Sap30與ING1相結(jié)合可能是HDAC1的靶點(diǎn),它們將HDAC1募集形成ING1-Sap30-HDAC1復(fù)合物,而該復(fù)合物的存在會降低其作用位點(diǎn)的組蛋白乙酰化的水平[6]。ING1分子中的PHD結(jié)構(gòu)域讓其可以與特定修飾的組蛋白相互作用是這一分子模式發(fā)揮作用的基礎(chǔ)。有研究表明ING1的主要存在形式是構(gòu)成mSin3-HDAC復(fù)合物的一部分[6]。在實(shí)驗(yàn)中ING1-mSin3-HDAC復(fù)合物通常有四種作用,一是重建異染色質(zhì)臂間的區(qū)域,二是促進(jìn)DNA甲基化,三是促進(jìn)組蛋白的去乙?;?,四是促進(jìn)H3K9組蛋白的甲基化,同時該復(fù)合物也是轉(zhuǎn)錄抑制的標(biāo)志物[7]。此外,ING1能夠識別修飾過的組蛋白殘基如H3K4me3與H3K9me3,ING1還有募集其他組蛋白或修飾基因的能力,但這需要依賴像轉(zhuǎn)錄因子這樣的復(fù)合物或者局部水平的組蛋白密碼、DNA甲基化和染色質(zhì)結(jié)構(gòu)來完成募集及修飾的能力。因此,ING1有活化與抑制靶基因的雙重作用。
有實(shí)驗(yàn)證明人體中ING2蛋白與多肽類相互作用,這個多肽與在哺乳動物中發(fā)現(xiàn)的Sin3-HDAC復(fù)合物非常相似,包括染色體結(jié)構(gòu)域(chromodomain-containing)RBP1及其同源蛋白[2]。ING2是mSin3A-HDAC復(fù)合物中的組成部分,mSin3A-HDAC復(fù)合物中包含了BRMS1(breast cancer metastasis suppressor-1)蛋白。BRMS1抑制了多種人類及鼠類的癌癥細(xì)胞的轉(zhuǎn)移,并且在mSin3 HDAC復(fù)合物中發(fā)現(xiàn)它與RBP1相互作用[8]。故推測ING2可以在mSin3A HDAC復(fù)合物中通過與RBP1之間的作用進(jìn)而影響B(tài)RMS1的功能。除此之外,ING2-HDAC1-mSin3A復(fù)合物在體外通過加強(qiáng)MMP13的表達(dá)來增加癌細(xì)胞的侵襲能力。由于MMP13可以降解基底膜[9]與細(xì)胞外基質(zhì)[10],故其在癌細(xì)胞侵襲過程中扮演了重要的角色,除此之外,以 siRNA下調(diào) ING2能夠抑制MMP13的表達(dá)。因?yàn)镠DAC-mSin3A復(fù)合物主要抑制基因的轉(zhuǎn)錄,所以MMP13的誘導(dǎo)形成可能是該復(fù)合物間接作用的結(jié)果。然而,ING2可能通過與SIRT1作用間接抑制HDAC-mSin3A的活性,對于此,另一種解釋ING1和ING2蛋白募集SIRT1,并且SIRT1抑制了RBP1-相關(guān)的mSin3A-HDAC1轉(zhuǎn)錄抑制活性[11]。ING2可能將RBP1-mSin3A-HDAC復(fù)合物與MMP13啟動子相結(jié)合,并募集SIRT1抑制RBP1-相關(guān)mSin3A-HDAC轉(zhuǎn)錄抑制活性,進(jìn)而上調(diào)MMP13。這個結(jié)果意味著ING2在癌癥進(jìn)程中起推進(jìn)作用。
2 生長抑制因子家族參與組蛋白乙?;饔?/p>
組蛋白乙?;c轉(zhuǎn)錄活性有密切關(guān)系:高乙?;M蛋白特異地聚集于活性染色質(zhì)功能區(qū);低乙?;M蛋白聚集在無轉(zhuǎn)錄活性的非功能區(qū)。體外將核心顆粒中H2A·H2B 二聚體乙?;痆12]或(H3·H4)2四聚體乙?;痆13]后,組蛋白對轉(zhuǎn)錄的抑制作用大大減弱,RNA合成效率提高。
ING3是NuA4-Tip60 HAT復(fù)合物的一員,該復(fù)合物可將H4和H2AN端的組蛋白乙?;?,并同其他生長抑制因子家族成員一樣與H3K4me3結(jié)合[2-14]。由于組蛋白乙?;虷3K4me3與轉(zhuǎn)錄的啟動相關(guān)聯(lián),所以ING3可能是轉(zhuǎn)錄的活化因子。除此之外,Tip60及其相關(guān)的蛋白是轉(zhuǎn)錄因子p53、NF-κB、Myc、E2F1發(fā)揮作用的輔因子[15],并且在核受體依賴的轉(zhuǎn)錄活性調(diào)節(jié)、細(xì)胞內(nèi)DNA損傷、細(xì)胞凋亡和腫瘤轉(zhuǎn)移中發(fā)揮著作用[14-16]。筆者猜測ING3在上述過程中同樣扮演了重要的角色,但其如何通過復(fù)合物的形式在轉(zhuǎn)錄和抑癌的過程中發(fā)揮的作用還需要進(jìn)一步的研究。
ING4被提出作為腫瘤抑制物是因?yàn)樵谌祟惏┌Y中ING4表達(dá)降低,并且隨不同癌癥ING4的基因有突變的現(xiàn)象。ING4乙?;瘡?fù)合物包括HBO1[17]。HBO1是HAT酶MYST家族中的一員,在人類和蠅類中高度保守,它在DNA復(fù)制和轉(zhuǎn)錄的過程中發(fā)揮了重要的作用[18],同時HBO1所形成的HBO1-JADE-ING4-HEAF6四聚物在高等真核生物中組蛋白H4乙?;倪^程中是必不可少的成分,且在體外實(shí)驗(yàn)中,JADE1的過度表達(dá)增加了組蛋白H4的乙酰化水平[19]。ING4-HBO1復(fù)合物使組蛋白H4K16乙?;鳷ip60-ING3復(fù)合物并不會使該組蛋白殘基乙?;?,這意味著每一個生長抑制因子家族成員在轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)的過程中通過擁有不同的組蛋白密碼來發(fā)揮不同的精細(xì)調(diào)節(jié)作用。但是ING4需要經(jīng)過正常的S期使體內(nèi)大部分組蛋白H4乙酰化才可與HBO1-HAT相結(jié)合。生物化學(xué)分析得出ING4與甲基化的組蛋白H3相互作用[20],與此同時ING4也與HB01-JADE-hEAF6組蛋白乙?;D(zhuǎn)移酶相互作用[2]。上述四聚體復(fù)合物中起到了活化作用,但同時也具有類似p53的作用,可以下調(diào)HBO1-HAT復(fù)合物的活性,這就需要進(jìn)一步的分子和遺傳學(xué)的研究來解釋這一矛盾。
有兩種不同的HAT復(fù)合物包含ING5,一種復(fù)合物是ING5-MOZ/MORF-EAF6與BRPF相互作用從而結(jié)合于組蛋白H3[2]。BRPF蛋白是ING5-MOZ/MORF-EAF6四聚體之間作用的橋梁,但是由于ING5的存在會增加EAF6與BRPF之間的親和力,使得BRPF不僅擁有促進(jìn)核內(nèi)組蛋白H3乙?;哪芰?,同時還能夠促進(jìn)處于游離體的H3與H4乙?;?,這樣的組蛋白異常乙?;赡軙?dǎo)致白血病的發(fā)生。另一種是通過ING5、HBO1和JADE相互作用結(jié)合于組蛋白H4,與ING4相似[2];HBO1-JADE-ING5 HAT復(fù)合物與MCM復(fù)合物相互作用的期間發(fā)揮著重要的作用,MCM復(fù)合物是組成DNA復(fù)制前體復(fù)合物的重要部分,在DNA的復(fù)制過程中發(fā)揮了重要的作用。然而將MCM復(fù)合物組裝到的染色質(zhì)發(fā)揮作用需要HBO1的存在,這是DNA復(fù)制前體復(fù)合物組裝和DNA復(fù)制標(biāo)志形成的關(guān)鍵步驟。據(jù)此,筆者推斷ING5可能通過促進(jìn)DNA的復(fù)制來達(dá)到致癌的作用。綜上所述,ING5在癌癥過程中的雙面作用及機(jī)制還需要進(jìn)一步的證實(shí)。
3 結(jié)語
腫瘤的發(fā)生是一個復(fù)雜的、多階段、多步驟的過程,眾多的癌基因和抑癌基因參與了腫瘤發(fā)生過程,其間涉及復(fù)雜的分子調(diào)控機(jī)制,其中可逆性的組蛋白乙酰化平衡維持染色質(zhì)結(jié)構(gòu)、調(diào)節(jié)基因表達(dá)和細(xì)胞增殖分化的能力正受到越來越多的重視。對染色質(zhì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行修飾已成為腫瘤治療的一種新思路。已經(jīng)有大量的文獻(xiàn)明確了生長抑制因子與組蛋白乙?;杆纬傻膹?fù)合物對某些類型的癌癥的作用,利用這些作用作為進(jìn)行基因治療的理論基礎(chǔ)已顯示出了極為誘人的前景,與傳統(tǒng)化療藥相比有著巨大的優(yōu)勢。如能進(jìn)一步闡明生長抑制因子、組蛋白乙?;c癌癥三者之間的作用關(guān)系,將為有效治療腫瘤提供新的靶點(diǎn)。
參考文獻(xiàn)
[1] He G H,Helbing C C,Wagner M J,et al.Phylogenetic analysis of the ING family of PHD finger proteins[J].Mol Biol Evol,2005,22(1):104-116.
[2] Doyon Y,Cayrou C,Ullah M,et al.ING tumor suppressor proteins are critical regulators of chromatin acetylation required for genome expression and perpetuation[J].Mol Cell,2006,21(1):51-64.
[3] Soliman M A,Riabowol K.After a decade of study-ING,a PHD for a versatile family of proteins[J].Trends Biochem Sci,2007,32(11):509-519.
[4] Blander G,Guarente L.The Sir2 family of protein deacetylases[J].Annu Rev Biochem,2004,73(5):417-435.
[5] Grant P A,Berger S L.Histone acetyltransferase complexes.Semin Cell Dev Biol,1999,10:169-177
[6] Kuzmichev A, Zhang Y, Erdjument-Bromage H,et al.Role of the Sin3-histone deacetylase complex in growth regulation by the candidate tumor suppressor p33 (ING1)[J].Mol Cell Biol,2002,22(1):835-848.
[7]Xin H,Yoon H G, Singh P B,et al.Components of a pathway maintaining histone modification and heterochromatin protein 1 binding at the pericentric heterochromatin in mammalian cells[J].J Biol Chem,2004,279(1):9539-9546.
[8] Meehan W J,Samant R S,Hopper J E,et al.Breast cancer metastasis suppressor 1 (BRMS1) forms complexes with retinoblastoma-binding protein 1 (RBP1) and the mSin3 histone deacetylase complex and represses transcription[J].J Biol Chem,2004,279(1):1562-1569.
[9] Kumamoto K, Fujita K, Kurotani R,et al. ING2 is up-regulated in colon cancer and increases invasion by enhanced MMP13 expression[J]. Int J Can,2009,8(1):456-458.
[10] Leeman M F, Curran S, Murray G I.The structure, regulation, and function of human matrix metalloproteinase-13[J].Crit Rev Biochem Mol Biol,2002,37(1):149-166.
[11] Binda O, Nassif C, Branton P E.SIRT1 negatively regulates HDAC1-dependent transcriptional repression by the RBP1 family of proteins[J].Oncogene,2008,27(1):3384-3392.
[12] Puerta C,Hernandez F,Alarcon L,et al.Acetylationof histone H2A·H2B dimers facilitates transcription[J].Biochem Biophys Res Commun,1995,210(2):409-416.
[13] Hernandez F.Transcriptional properties of oligonucleosomaltemplates containing acetylated ( H3·H4 ) tetramers[J].Biochem Biophys Res Commun,1995,213(1):232-238.
[14] Doyon Y, Selleck W, Lane W S,et al.Structural and functional conservation of the NuA4 histone acetyltransferase complex from yeast to humans[J].Mol Cell Biol,2004,24(1):1884-1896.
[15] Berns K,Hijmans E M,Mullenders J, et al.A large-scale RNAi screen in human cells identifies new components of the p53 pathway[J].Nature,2004,428(1):431-437.
[16] Kim J H,Kim B,Cai L,et al.Transcriptional regulation of a metastasis suppressor gene by Tip60 and betacatenin complexes[J].Nature,2005,434(1):921-926.
[17] Hung T,Binda O,Champagne K S, et al.ING4 mediates crosstalk between histone H3 K4 trimethylation and H3 acetylation to attenuate cellular transformation[J].Mol Cell,2009,33(1):248-256.
[18] Panchenko M V,Zhou M I,Cohen H T.Von Hippel- Lindau partner Jade-1 is a transcriptional co-activator associated with histone acetyltransferase activity[J].J Biol Chem,2000,279(1):56032-56041.
[19] Shi X.ING2 PHD domain links histone H3 lysine 4 methylation to active gene repression[J].Nature,2006,442(1):96-99.
[20] Palacios A.Molecular basis of histone H3K4me3 recognition by ING4[J].J Biol Chem,2008,283(1):15956-15964.
(收稿日期:2013-01-23) (本文編輯:連勝利)