薛偉麗，孫瑜，鄭凌

（武漢大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，武漢430072）

引言

組蛋白修飾指發(fā)生在組蛋白氨基酸殘基上的一系列化學(xué)修飾，包括乙?；?、甲基化、磷酸化、泛素化和ADP核糖基化等[1,2]。組蛋白修飾是表觀遺傳學(xué)的一種主要機(jī)制，在多種生命過(guò)程中扮演著重要的角色[1,2]。其中，組蛋白甲基化因其參與了異染色質(zhì)形成、基因印記、X染色體失活和基因的轉(zhuǎn)錄調(diào)控等過(guò)程，而日益受到大家重視[3]。

組蛋白甲基化轉(zhuǎn)移酶（Histone methyltransfereases,HMTs）是一類(lèi)催化1～3個(gè)甲基基團(tuán)轉(zhuǎn)移到組蛋白賴(lài)氨酸或精氨酸上的酶[4]，分成組蛋白-賴(lài)氨酸N-甲基轉(zhuǎn)移酶（Histone lysine methyltransfereses, HKMTs）和組蛋白-精氨酸N-甲基轉(zhuǎn)移酶（Histone arginine methyltransferases , HRMTs）。其中，HKMTs可細(xì)分為含SET結(jié)構(gòu)域和不含SET結(jié)構(gòu)域的兩個(gè)亞類(lèi)[5]。SET結(jié)構(gòu)域由最早發(fā)現(xiàn)含有該結(jié)構(gòu)域的3個(gè)基因，Su(var)3-9, Enhancer of zeste和Trithorax來(lái)命名。該結(jié)構(gòu)域含約110個(gè)氨基酸，序列高度保守，具有獨(dú)特的折疊結(jié)構(gòu)[6,7]。以酵母組蛋白甲基化轉(zhuǎn)移酶Clr4為例，其HMT催化區(qū)域含Pre-SET 序列、SET結(jié)構(gòu)域和Post-SET序列（圖1）。研究發(fā)現(xiàn)，含有SET結(jié)構(gòu)域的蛋白質(zhì)多具有HMT活性。但并非所有含有SET結(jié)構(gòu)域的蛋白質(zhì)都能甲基化組蛋白，如甲基轉(zhuǎn)移酶Rubisco LSMT（Rubisco large subunit methyltransferase），雖然含有SET結(jié)構(gòu)域，但不能甲基化組蛋白, 只能對(duì)一些非組蛋白進(jìn)行甲基化修飾[8]。同樣也存在一些不含SET結(jié)構(gòu)域的HMTs，如Dot1是首個(gè)被發(fā)現(xiàn)的無(wú)SET結(jié)構(gòu)域的HKMT，可以催化H3K79甲基化[9,10]，在一定程度上擴(kuò)展了HMT的研究領(lǐng)域。此外，不少HMTs除了能甲基化組蛋白，還能甲基化非組蛋白，并通過(guò)這種修飾來(lái)調(diào)控這些蛋白的功能[11,12]。藍(lán)色、紅色、灰色和綠色分別表示N端、Pre-SET 序列、SET結(jié)構(gòu)域和Post-SET序列；圓柱形表示α螺旋、箭頭表示β折疊、線(xiàn)段表示無(wú)規(guī)則卷曲結(jié)構(gòu)；N、C分別表示氨基酸序列的氨基端和羧基端。

圖1酵母Clr4中HMT催化結(jié)構(gòu)域的模式結(jié)構(gòu)圖（根據(jù)[13]進(jìn)行一定修改）Fig. 1The structure of HMTase domain of histone methyltransferase Clr4 from Schizosaccharomyces pombe

G9a屬于含SET結(jié)構(gòu)域的Suv39h蛋白家族的成員之一，是一種重要的常染色質(zhì)HMT[14]。由于各種敲除或過(guò)表達(dá)G9a細(xì)胞系的獲得，以及全身性和多種組織特異性G9a敲除小鼠的研發(fā)，使得近年對(duì)G9a的研究進(jìn)展十分迅速。本文對(duì)G9a結(jié)構(gòu)和功能上的最新研究進(jìn)展做一綜述，并就其在多種疾病的預(yù)防與治療中的作用進(jìn)行相關(guān)展望。

2 G9a的發(fā)現(xiàn)與結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

G9a，又稱(chēng)常染色質(zhì)組蛋白賴(lài)氨酸N-甲基轉(zhuǎn)移酶2 （euchromatic histone-lysine N-methyltransferase 2,EHMT2），在Homo sapiens中由EHMT2基因編碼[15]。研究發(fā)現(xiàn)其C端含有SET結(jié)構(gòu)域，并且與兩個(gè)富含半胱氨酸的區(qū)域相鄰，具有HMT活性[16]。

G9a在哺乳動(dòng)物中序列十分保守[17]，人源、牛源、大鼠與小鼠的G9a同源性高達(dá)95.0%。小鼠G9a的N端含富含谷氨酸和半胱氨酸區(qū)域，可能參與G9a自身的甲基化[18]，并含有核定位信號(hào)（NLS）；中間區(qū)域是G9a的功能核心區(qū)域，由具有錨定功能的六組Ankyrin（ANK）重復(fù)序列組成，形成α螺旋-β轉(zhuǎn)角-α螺旋-β轉(zhuǎn)角的空間結(jié)構(gòu)，用于對(duì)底物的甲基化位點(diǎn)識(shí)別[19]；C端區(qū)域主要是SET結(jié)構(gòu)域，行使蛋白甲基化功能[20]。在SET結(jié)構(gòu)域的前后分別有Pre-SET和Post-SET序列，分別起著穩(wěn)定G9a蛋白結(jié)構(gòu)和促進(jìn)甲基化酶活性中心形成的作用[21]（圖2）。一般說(shuō)來(lái)，G9a有兩種不同長(zhǎng)短的異構(gòu)體。長(zhǎng)異構(gòu)體（L-G9a）表達(dá)全長(zhǎng)的G9a氨基酸序列，而短異構(gòu)體（S-G9a）在N端存在一段氨基酸的缺失[22](圖2)。但這兩種異構(gòu)體在功能上的差異還有待進(jìn)一步研究。

G9a在多種組織中廣泛表達(dá)。我們檢測(cè)了正常小鼠不同組織中G9a的表達(dá)情況（圖3A）。結(jié)果表明，G9a在肌肉、心臟、腦等組織中高表達(dá)，而在白色脂肪、脾臟及肺等組織中表達(dá)較低。即使在同一種組織的不同類(lèi)型細(xì)胞中，G9a的表達(dá)量也有較大差異。我們發(fā)現(xiàn)在體外培養(yǎng)的大鼠視網(wǎng)膜不同細(xì)胞系中，G9a在神經(jīng)節(jié)細(xì)胞系RGC-5中的表達(dá)量明顯高于其在神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞系rMC-1中的表達(dá)量（圖3B）。我們進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)G9a在人神經(jīng)母細(xì)胞瘤細(xì)胞系SH-SY5Y中表達(dá)量也較高（圖3B）。

3 G9a調(diào)控基因轉(zhuǎn)錄的功能

3.1 G9a通過(guò)甲基化組蛋白來(lái)抑制基因轉(zhuǎn)錄

G9a是繼Suv39h1后發(fā)現(xiàn)的第二個(gè)哺乳動(dòng)物中甲基化賴(lài)氨酸的HMT，主要催化組蛋白H3K9和K27位點(diǎn)。G9a 將甲基從SAM（S-adenosyl-l-methionine）上轉(zhuǎn)移到目的賴(lài)氨酸殘基的ε—氨基上[16]。Suv39h1/h2和G9a都可以催化H3K9位點(diǎn)的單、雙以及三甲基化反應(yīng)[23,24]，其中Suv39h1/h2催化組蛋白H3K9異染色質(zhì)區(qū)域的甲基化，而G9a則催化其在常染色質(zhì)區(qū)域的甲基化[14, 25, 26]。

圖2鼠源G9a的兩種異構(gòu)體結(jié)構(gòu)示意圖[22]Fig. 2Schematic information about different domains of mouse G9aNLS：核定位信號(hào)；E：谷氨酸富集區(qū)；Cys：半胱氨酸富集區(qū)；ANK：ANK重復(fù)序列；Pre-SET：Pre-SET序列；SET：SET結(jié)構(gòu)域；Post-SET：Post-SET序列；數(shù)字表示氨基酸殘基

圖3不同組織和細(xì)胞中G9a的表達(dá)情況Fig. 3The expression pattern of G9a in different mouse tissues and cultured cell linesA. 雄性C57BL/6小鼠（3個(gè)月大）不同組織中G9a的表達(dá)情況（上圖）和相應(yīng)樣本中考馬斯亮藍(lán)的染色結(jié)果（下圖）。B. 不同類(lèi)型的細(xì)胞中G9a的表達(dá)情況（上圖）和相應(yīng)樣本中β-actin的表達(dá)情況（下圖）。

G9a與GLP（G9a-like protein）關(guān)系密切，人源G9a與GLP的相似度達(dá)到45%，主要在N端存在較大差異[27]，兩者結(jié)構(gòu)也極其相似[28]。體外實(shí)驗(yàn)表明，兩者都有H3K9甲基化酶活性，可以單獨(dú)行使HMT功能[16,23,29]。但體內(nèi)研究卻發(fā)現(xiàn)，兩者通常通過(guò)SET結(jié)構(gòu)域形成異二聚體，共同行使HMT功能。在細(xì)胞內(nèi)單獨(dú)敲除任何一個(gè)，都會(huì)造成H3K9me1和 H3K9me2水平顯著性下降；但兩者的雙敲除不會(huì)進(jìn)一步降低H3K9me1和H3K9me2水平[20]，表明兩者不能補(bǔ)償對(duì)方的甲基化酶功能的缺失。

化合物BIX01294和UNC0638特異性抑制負(fù)責(zé)甲基化H3K9位點(diǎn)的HMTs活性，構(gòu)象研究發(fā)現(xiàn)它們通過(guò)占據(jù)HMTs中與底物結(jié)合的部位，從而抑制甲基化反應(yīng)[30]，用它們處理細(xì)胞都可以顯著性降低H3K9me2的水平[24,31]。 BIX01294被認(rèn)為是G9a的特異性抑制劑，UNC0638是G9a及GLP的甲基化酶活性抑制劑，比BIX01294具有更強(qiáng)的抑制作用[32]。

由于H3K9位點(diǎn)的單/雙甲基化（H3K9me1/2）和H3K27位點(diǎn)甲基化（H3K27me）會(huì)募集抑制子，如HP1家族成員，導(dǎo)致DNA和組蛋白結(jié)合更加緊密，從而抑制基因轉(zhuǎn)錄[33]。因此，G9a可以通過(guò)其HMT活性對(duì)一些基因的啟動(dòng)子區(qū)域上的組蛋白進(jìn)行H3K9和H3K27位點(diǎn)的甲基化修飾，從而調(diào)控基因的轉(zhuǎn)錄沉默[34]。同時(shí)，生物芯片結(jié)果顯示，胚胎干細(xì)胞中G9a的缺失可以激活一系列啟動(dòng)子區(qū)域富含H3K9me2的基因的表達(dá)[35]，表明G9a抑制基因轉(zhuǎn)錄是廣泛存在的。

3.2 G9a通過(guò)維持啟動(dòng)子區(qū)域DNA甲基化來(lái)抑制基因轉(zhuǎn)錄

G9a不僅能調(diào)控組蛋白的甲基化，而且也能調(diào)控DNA甲基化程度。與組蛋白修飾相同，DNA甲基化也是一種表觀遺傳修飾，是指在DNA甲基轉(zhuǎn)移酶（DNA methylation transferase，DNMT）的作用下，DNA鏈上CG中的胞嘧啶接受一個(gè)甲基形成5'-mCG-3'[36]。因此，DNA甲基化多發(fā)生在5'-CG-3'富集區(qū)域。DNMTs主要分為兩大類(lèi)，DNA甲基化維持酶DNMT1和DNA從頭甲基化酶DNMT3a、DNMT3b及DNMT3L等[37]。DNA甲基化通常與基因轉(zhuǎn)錄抑制相關(guān)，在哺乳動(dòng)物的胚胎發(fā)育和細(xì)胞分化過(guò)程中起著不可或缺的作用，其異常也與多種疾病如腫瘤的發(fā)生發(fā)展密切相關(guān)[38]。

研究表明，在胚胎干細(xì)胞中敲低G9a會(huì)引起下游靶基因Mage-a2啟動(dòng)子和Wfdc15a的5'UTR區(qū)域甲基化程度下調(diào)[39]。對(duì)該種細(xì)胞整個(gè)基因組的DNA甲基化水平進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)，G9a缺失會(huì)造成大部分CpG島中CG位點(diǎn)的低甲基化狀態(tài)，特別是逆轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)座子和衛(wèi)星DNA區(qū)域的甲基化顯著減少[40,41]。

G9a一方面可通過(guò)其甲基化酶活性來(lái)調(diào)控DNA的甲基化。研究發(fā)現(xiàn)在粗糙脈孢菌和植物中，H3K9的甲基化可以調(diào)控DNA甲基化水平[42,43]。在小鼠胚胎干細(xì)胞DNA復(fù)制過(guò)程中，半甲基化DNA和復(fù)制叉處的H3K9me2/3可先招募UHRF1（Ubiquitin-like, containing PHD and RING finger domains,1），定位于復(fù)制叉上的UHRF1進(jìn)而招募DNMT1完成DNA全甲基化[44]，從而實(shí)現(xiàn)DNA甲基化在細(xì)胞增殖過(guò)程中的延續(xù)。另一方面，G9a還能直接通過(guò)DNMTs來(lái)調(diào)控DNA甲基化水平。多種細(xì)胞實(shí)驗(yàn)表明，在DNA復(fù)制過(guò)程中，DNMT1和G9a相互結(jié)合來(lái)維持DNA復(fù)制過(guò)程中甲基化信息的傳遞[45]。除了DNMT1之外，G9a還通過(guò)ANK結(jié)構(gòu)域募集DNMT3a和DNMT3b，來(lái)維持基因啟動(dòng)子上DNA甲基化，從而調(diào)控基因沉默[46]。這種G9a調(diào)控DNA甲基化的方式并不依賴(lài)其甲基化酶活性，因?yàn)樵贕9a敲除的胚胎干細(xì)胞中過(guò)表達(dá)SET結(jié)構(gòu)域缺失的G9a，仍然可以改善由于G9a敲除引發(fā)的逆轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)座子低甲基化狀態(tài)[40]。此外，G9a 的SET結(jié)構(gòu)域點(diǎn)突變也不影響G9a和DNMT3a/3b的相互作用[46]。因此，在G9a通過(guò)DNMTs來(lái)調(diào)控DNA甲基化的過(guò)程中，G9a一般扮演著腳手架蛋白的作用，與DNMTs共同調(diào)控基因沉默。

3.3 G9a作為腳手架蛋白募集轉(zhuǎn)錄激活子從而激活基因轉(zhuǎn)錄

Bittencourt等在對(duì)敲低G9a的人肺癌A549細(xì)胞進(jìn)行基因表達(dá)譜分析中，發(fā)現(xiàn)在200個(gè)差異表達(dá)的基因中，有約25%的基因表達(dá)顯著降低[47]，這與G9a的轉(zhuǎn)錄抑制作用不符。不僅在肺癌細(xì)胞中，在乳腺癌細(xì)胞中，G9a的敲低可以正調(diào)控一部分雌激素誘導(dǎo)的靶基因表達(dá)，同時(shí)抑制另一部分靶基因表達(dá)[48]。同樣的，在神經(jīng)母細(xì)胞瘤細(xì)胞和骨肉瘤細(xì)胞中，過(guò)表達(dá)G9a可以促進(jìn)細(xì)胞周期相關(guān)基因的表達(dá)。這些數(shù)據(jù)都表明在某些特定條件下，G9a對(duì)基因轉(zhuǎn)錄有激活作用。

進(jìn)一步研究表明，G9a可與多種轉(zhuǎn)錄激活子相互結(jié)合，來(lái)協(xié)同激活基因轉(zhuǎn)錄。例如，在類(lèi)固醇激素受體調(diào)控其靶基因轉(zhuǎn)錄的過(guò)程中，類(lèi)固醇激素的刺激可以誘導(dǎo) G9a募集該受體，并通過(guò)G9a結(jié)構(gòu)域進(jìn)一步募集，如谷氨酸受體相互作用蛋白（Glutamate receptor interacting protein1, GRIP1）、精氨酸甲基化酶（Coactivator-associated arginine methylthrasferase,CARM1）和組蛋白乙?；竝300（E1A binding protein p300,p300）等轉(zhuǎn)錄激活子，形成巨大的轉(zhuǎn)錄復(fù)合體，協(xié)同促進(jìn)下游靶基因的轉(zhuǎn)錄[49]。在糖皮質(zhì)激素受體誘導(dǎo)下游基因表達(dá)的過(guò)程中，也存在著相似的G9a激活基因轉(zhuǎn)錄的作用。在人肺癌細(xì)胞中，G9a在糖皮質(zhì)激素刺激下，能夠募集CARM1和p300到糖皮質(zhì)激素受體調(diào)控的靶基因ENaCα和CDH16的啟動(dòng)子上，促進(jìn)這些基因的轉(zhuǎn)錄[47]。在這些過(guò)程中，G9a與激活子協(xié)同激活基因轉(zhuǎn)錄的作用并不依賴(lài)其甲基化酶活性，而是通過(guò)其相關(guān)結(jié)構(gòu)域來(lái)募集其它轉(zhuǎn)錄激活子[47,49]。

4 G9a參與多種生物反應(yīng)過(guò)程

由于其在基因轉(zhuǎn)錄上的重要調(diào)控作用，所以G9a對(duì)機(jī)體的生長(zhǎng)和發(fā)育是至關(guān)重要的。最直接的證據(jù)是全身性G9a敲除小鼠胚胎致死[14,20]。通過(guò)對(duì)G9a全身性和條件性敲除小鼠的研究，發(fā)現(xiàn)該蛋白與胚胎發(fā)育、生殖細(xì)胞的發(fā)育及減數(shù)分裂、腫瘤細(xì)胞的生長(zhǎng)及轉(zhuǎn)移、認(rèn)知及適應(yīng)性行為和脂肪細(xì)胞分化等生物過(guò)程都有著密切聯(lián)系。

4.1 G9a 與胚胎發(fā)育

G9a全身敲除小鼠由于嚴(yán)重的發(fā)育缺陷，在胚胎9.5天（ED9.5）左右死亡[14,20]。由于G9a SET結(jié)構(gòu)域突變的小鼠也像全身敲除小鼠一樣，具有胚胎致死的表型[14,20]，因此胚胎的正常發(fā)育需要G9a的HMT活性。缺乏G9a或其HMT活性使得小鼠胚胎中H3K9me2水平顯著下降，同時(shí)H3K4甲基化水平顯著升高[14,20]，因此推測(cè)這兩種組蛋白甲基化修飾的改變，共同抑制了發(fā)育過(guò)程中某些關(guān)鍵基因的表達(dá)，從而引發(fā)胚胎致死。進(jìn)一步研究表明，G9a全身敲除小鼠的胚胎中，細(xì)胞凋亡的數(shù)目明顯增多[50]，這和細(xì)胞水平上G9a敲除能引發(fā)自噬，從而引起細(xì)胞死亡是相符的[51,52]，但遺憾的是，論文作者并沒(méi)有對(duì)這一方面進(jìn)行深入研究，因此，G9a調(diào)控胚胎發(fā)育的具體機(jī)制仍需進(jìn)一步研究。

在生殖細(xì)胞中特異性敲除G9a，導(dǎo)致生殖細(xì)胞無(wú)法進(jìn)行減數(shù)分裂，從而引發(fā)生殖細(xì)胞發(fā)育缺陷[50]。在該品系小鼠的生殖細(xì)胞中，H3K9me1/2水平下降，但H3K9me3的水平不變。由于H3K9me1/2在常染色質(zhì)結(jié)合相關(guān)蛋白的過(guò)程中充當(dāng)腳手架作用，而這些結(jié)合的蛋白在同源染色體聯(lián)會(huì)階段幫助同源染色體正確配對(duì)[53]，因此，G9a的敲除通過(guò)降低H3K9甲基化修飾影響常染色質(zhì)相關(guān)結(jié)合蛋白的募集，使得減數(shù)第一次分裂時(shí)同源染色體不能完成聯(lián)會(huì)，從而無(wú)法進(jìn)行正常減數(shù)分裂[50]。

4.2 G9a與腫瘤

在多種癌癥患者，如肝癌、膀胱癌、骨髓癌、結(jié)腸癌和前列腺癌等癌變組織中都發(fā)現(xiàn)G9a高表達(dá)[54]。與此同時(shí)，在各種人癌細(xì)胞系中，例如乳腺癌、結(jié)腸癌、膀胱癌和肺癌等細(xì)胞系中，G9a也出現(xiàn)高表達(dá)[54,55]。肺癌患者尸檢結(jié)果顯示肺組織中G9a的表達(dá)水平與病情進(jìn)展以及愈后性呈正相關(guān)[56]，但具體機(jī)制并不清楚。在一些腫瘤細(xì)胞系中，G9a異常表達(dá)可以顯著地促進(jìn)細(xì)胞增殖，并促進(jìn)與細(xì)胞周期相關(guān)的基因如Cyclin A2和Cyclin B1的表達(dá)，也可以顯著地增強(qiáng)腫瘤細(xì)胞的非貼壁性生長(zhǎng)[52]。相反的，在體外敲低G9a可以顯著抑制癌細(xì)胞的生長(zhǎng)[57]。裸鼠致瘤實(shí)驗(yàn)也表明，敲低G9a可以顯著抑制癌細(xì)胞的侵襲轉(zhuǎn)移[56]。這些都表明G9a與癌癥的發(fā)生和發(fā)展有著密切關(guān)系，抑制G9a也許是治療癌癥的有效措施。

那么G9a對(duì)癌細(xì)胞生長(zhǎng)的調(diào)控是否需要其HMT活性呢？現(xiàn)有的研究并沒(méi)有得出一致的結(jié)論。Ding研究組表明G9a可以通過(guò)單甲基化PHGDH、SHMT2等基因的H3K9位點(diǎn)，從而激活絲氨酸-甘氨酸合成途徑，而該途徑是氨基酸、核苷酸和脂類(lèi)等大分子生物合成的前體以及輔酶的重要來(lái)源，在促進(jìn)癌細(xì)胞增殖和存活的過(guò)程中發(fā)揮關(guān)鍵作用[52]。Huang等人也證實(shí)，在乳腺癌細(xì)胞中，G9a可以雙甲基化p53，一種非常重要的抑癌基因，從而造成p53抑癌功能的失活；而敲低G9a后，p53恢復(fù)活性，造成凋亡細(xì)胞的數(shù)目明顯增多[54]。Chen等人在研究中雖然發(fā)現(xiàn)G9a可以沉默上皮細(xì)胞粘附分子Ep-CAM，從而促進(jìn)肺癌細(xì)胞的入侵和轉(zhuǎn)移，但在肺癌細(xì)胞中H3K9me2的水平與G9a的表達(dá)水平并不對(duì)應(yīng)，因此，G9a對(duì)該基因表達(dá)的抑制很可能不依賴(lài)其甲基化酶活性，而是通過(guò)調(diào)控DNA甲基化水平實(shí)現(xiàn)的[56]。

近年來(lái)，多個(gè)實(shí)驗(yàn)室在多種不同組織來(lái)源的癌細(xì)胞系以及一些癌癥患者的原代細(xì)胞中發(fā)現(xiàn)，利用siRNA技術(shù)或者特異小分子抑制劑來(lái)降低G9a水平或其HMT活性，可以造成細(xì)胞自噬的過(guò)度激活，引起關(guān)鍵細(xì)胞組分的過(guò)度消耗，進(jìn)而造成細(xì)胞自噬性死亡[51,52]。這種細(xì)胞死亡是caspase非依賴(lài)性的，有別于經(jīng)典的細(xì)胞凋亡[51]。抑制G9a引發(fā)細(xì)胞自噬性死亡的分子機(jī)制現(xiàn)有兩種解釋?zhuān)阂环N是抑制G9a可以引起細(xì)胞內(nèi)活性氧基團(tuán)（ROS）的積累[51]，持續(xù)的 ROS可以引發(fā)自噬，從而引起癌細(xì)胞的自噬性死亡。然而，G9a的下調(diào)是如何造成細(xì)胞內(nèi)ROS的積累還需要進(jìn)一步闡明。另一種是抑制G9a可以顯著抑制絲氨酸-甘氨酸合成途徑，造成細(xì)胞內(nèi)能量缺失，繼而引發(fā)癌細(xì)胞的自噬性死亡[52]。雖然抑制G9a引發(fā)細(xì)胞自噬性死亡的分子機(jī)制并沒(méi)有完全研究清楚，但是兩個(gè)研究共同表明G9a的抑制劑可以作為癌細(xì)胞自噬的誘導(dǎo)劑，為癌癥治療提供新思路。

4.3 G9a 與神經(jīng)系統(tǒng)疾病

對(duì)前腦神經(jīng)元特異性G9a敲除小鼠的研究發(fā)現(xiàn)，該品系小鼠雖然沒(méi)有明顯的神經(jīng)元發(fā)育缺陷，但由于神經(jīng)細(xì)胞內(nèi)H3K9me2水平下降，造成大量基因表達(dá)上調(diào)，特別是重新激活了Dach2，一個(gè)只在胚胎期表達(dá)的轉(zhuǎn)錄因子[58]。人類(lèi)的DACH2基因位于X染色體中與多種智力發(fā)育遲滯有關(guān)的區(qū)域上[59]。因此，該品系小鼠成年后表現(xiàn)出認(rèn)知水平和適應(yīng)環(huán)境的能力下降，這種表型類(lèi)似于人類(lèi)第9號(hào)染色體缺陷引發(fā)的智力發(fā)育遲滯綜合征[58]。這種G9a在神經(jīng)元中的作用在進(jìn)化上是保守的，因?yàn)镚9a缺陷的果蠅在學(xué)習(xí)和記憶方面也出現(xiàn)明顯缺陷[60]。

除了對(duì)學(xué)習(xí)和記憶有影響外，G9a在可卡因成癮方面也起著關(guān)鍵的作用。反復(fù)的可卡因刺激會(huì)改變小鼠伏隔核神經(jīng)元中部分基因的表達(dá)，進(jìn)而改變神經(jīng)元的形態(tài)，表現(xiàn)出明顯的可卡因成癮。進(jìn)一步檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，G9a 和 GLP 在這種小鼠的伏隔核神經(jīng)元中表達(dá)水平明顯下降，相應(yīng)的，H3K9me2水平也顯著性下降[61]。利用伏隔核神經(jīng)元特異性的G9a轉(zhuǎn)基因和敲除小鼠進(jìn)一步研究，證明G9a及其介導(dǎo)的H3K9me2在可卡因誘導(dǎo)的神經(jīng)反應(yīng)中起著關(guān)鍵作用[61]。因此，調(diào)控G9a水平或其HMT活性有可能成為治療可卡因成癮的新靶標(biāo)。但該文章并沒(méi)有進(jìn)一步研究GLP，是否調(diào)控GLP水平也能達(dá)到調(diào)控H3K9me2水平，從而影響小鼠的可卡因成癮性呢？還需要設(shè)計(jì)相關(guān)實(shí)驗(yàn)來(lái)進(jìn)一步證明G9a對(duì)可卡因成癮調(diào)控的特異性。

4.4 G9a與脂肪形成

在脂肪細(xì)胞分化過(guò)程中有兩類(lèi)重要的轉(zhuǎn)錄因子，PPARγ（Peroxisome proliferator-activated receptors γ，過(guò)氧化物酶體增殖激活受體γ）會(huì)促進(jìn)脂肪分化，而Wnts會(huì)抑制脂肪分化[62～64]。研究發(fā)現(xiàn)，在3T3-L1前脂肪細(xì)胞中PPAR γ的整個(gè)基因富含H3K9me2，并在脂肪分化過(guò)程中該基因上的H3K9me2水平和G9a水平明顯下降[65]。在棕色前脂肪細(xì)胞和3T3-L1細(xì)胞中敲低G9a，引發(fā)H3K9me2整體水平下降，可以促進(jìn)PPARγ的表達(dá)和脂肪細(xì)胞分化[65]。與之對(duì)應(yīng)的是，在3T3-L1細(xì)胞中過(guò)表達(dá)G9a可以抑制脂肪細(xì)胞分化。有趣的是，在脂肪分化過(guò)程中，G9a對(duì)PPARγ的調(diào)控依賴(lài)其HMT活性，而對(duì)Wnt10a的表達(dá)調(diào)控不依賴(lài)其HMT活性[65]。更重要的是，在正常食物喂養(yǎng)條件下，脂肪組織特異性G9a敲除小鼠的脂肪重量明顯增加[65]， 進(jìn)一步證實(shí)了G9a抑制脂肪分化和累積。

5 結(jié)語(yǔ)

傳統(tǒng)上認(rèn)為，G9a的主要作用是對(duì)常染色體上的組蛋白進(jìn)行甲基化，進(jìn)而抑制相關(guān)基因轉(zhuǎn)錄。但最新研究表明G9a也可以作為腳手架蛋白來(lái)募集轉(zhuǎn)錄激活子，從而激活特定基因轉(zhuǎn)錄。近些年越來(lái)越多的科學(xué)家致力于研究G9a在基因轉(zhuǎn)錄調(diào)控中的雙重作用，并闡明其生物學(xué)意義。因此，進(jìn)一步篩選出與G9a有相互作用的蛋白，闡明G9a調(diào)控基因轉(zhuǎn)錄的具體機(jī)制，以及G9a在生理和病理?xiàng)l件下對(duì)信號(hào)通路的影響，都將有望更加全面地了解G9a的功能，并為相關(guān)疾病的預(yù)防和治療提供新思路、新靶點(diǎn)。

[1] Pinney S E, Simmons R A. Epigenetic mechanisms in the development of type 2 diabetes. Trends Endocrinol Metab, 2010,21(4): 223-229.

[2] Portela A, Esteller M. Epigenetic modi fi cations and human disease.Nat Biotechnol, 2010, 28(10): 1057-1068.

[3] Greer E L, Shi Y. Histone methylation: a dynamic mark in health,disease and inheritance . Nat Rev Genet, 2012, 13(5): 343-57.

[4] Albert M, Helin K. Histone methyltransferases in cancer. Semin Cell Dev Biol, 2010, 21(2): 209-220.

[5] Wood A, Shilatifard A. Posttranslational modi fi cations of histones by methylation. Adv Protein Chem, 2004, 67: 201-222.

[6] Wilson J R, Jing C, Walker P A,et al.Crystal structure and functional analysis of the histone methyltransferase SET7/9. Cell,2002, 111(1): 105-15.

[7] Trievel R C, Beach B M, Dirk L M,et al.Structure and catalytic mechanism of a SET domain protein methyltransferase. Cell, 2002,111(1): 91-103.

[8] Trievel R C, Flynn E M, Houtz R L,et al.Mechanism of multiple lysine methylation by the SET domain enzyme Rubisco LSMT. Nat Struct Biol, 2003, 10(7): 545-552.

[9] Martin C, Zhang Y. The diverse functions of histone lysine methylation. Nat Rev Mol Cell Biol, 2005, 6(11): 838-849.

[10] Min J, Feng Q, Li Z,et al.Structure of the catalytic domain of human DOT1L, a non-SET domain nucleosomal histone methyltransferase. Cell, 2003, 112(5): 711-723.

[11] Kouskouti A, Scheer E, Staub A,et al.Gene-speci fi c modulation of TAF10 function by SET9-mediated methylation. Mol Cell, 2004,14(2): 175-182.

[12] Huang J, Perez B L, Placek B J,et al.Repression of p53 activity by Smyd2-mediated methylation. Nature, 2006, 444(7119): 629-632.

[13] Min J, Zhang X, Cheng X,et al.Structure of the SET domain histone lysine methyltransferase Clr4. Nat Struct Biol, 2002, 9(11):828-832.

[14] Tachibana M, Sugimoto K, Nozaki M,et al.G9a histone methyltransferase plays a dominant role in euchromatic histone H3 lysine 9 methylation and is essential for early embryogenesis. Genes Dev, 2002, 16(14): 1779-1791.

[15] Dunham I, Sargent C A, Kendall E,et al.Characterization of the class III region in different MHC haplotypes by pulsed-field gel electrophoresis. Immunogenetics, 1990, 32(3): 175-182.

[16] Tachibana M, Sugimoto K, Fukushima T,et al.Set domaincontaining protein, G9a, is a novel lysine-preferring mammalian histone methyltransferase with hyperactivity and speci fi c selectivity to lysines 9 and 27 of histone H3. J Biol Chem, 2001, 276(27):25309-25317.

[17] Brown S E, Campbel R D, Sanderson C M. Novel NG36/G9a gene products encoded within the human and mouse MHC class III regions. Mamm Genome, 2001, 12(12): 916-924.

[18] Rathert P, Dhayalan A, Murakami M,et al.Protein lysine methyltransferase G9a acts on non-histone targets. Nat Chem Biol,2008, 4(6): 344-346.

[19] Collins R E, Northrop J P, Horton J R,et al.The ankyrin repeats of G9a and GLP histone methyltransferases are mono- and dimethyllysine binding modules. Nat Struct Mol Biol, 2008, 15(3):245-250.

[20] Tachibana M, Ueda J, Fukuda M,et al.Histone methyltransferases G9a and GLP form heteromeric complexes and are both crucial for methylation of euchromatin at H3-K9. Genes Dev, 2005, 19(7): 815-826.

[21] Zhang X, Tamaru H, Khan S I,et al.Structure of the Neurospora SET domain protein DIM-5, a histone H3 lysine methyltransferase.Cell, 2002, 111(1): 117-127.

[22] Shankar S R, Bahirvani A G, Rao V K,et al.G9a, a multipotent regulator of gene expression. Epigenetics, 2013, 8(1): 16-22.

[23] Collins R E, Tachibana M, Tamaru H,et al.In vitro and in vivo analyses of a Phe/Tyr switch controlling product specificity of histone lysine methyltransferases. J Biol Chem, 2005, 280(7): 5563-5570.

[24] Kubicek S, O'sulliban R J, August E M,et al.Reversal of H3K9me2 by a small-molecule inhibitor for the G9a histone methyltransferase.Mol Cell, 2007, 25(3): 473-481.

[25] Peters A H, Kubicek S, Mechtler K,et al.Partitioning and plasticity of repressive histone methylation states in mammalian chromatin.Mol Cell, 2003, 12(6): 1577-1589.

[26] Rice J C, Briggs S D, Ueberheide B,et al.Histone methyltransferases direct different degrees of methylation to de fi ne distinct chromatin domains. Mol Cell, 2003, 12(6): 1591-1598.

[27] Dillon S C, Zhang X, Trievel R C,et al.The SET-domain protein superfamily: protein lysine methyltransferases. Genome Biol, 2005,6(8): 227.

[28] Ogawa M, Ohkuma K. Good laboratory practice (GLP) and ISO9002 Registration of Quality Management System in the fi eld of food hygiene. Shokuhin eiseigaku zasshi Journal of the Food Hygienic Society of Japan, 2002, 43(1): J16-21.

[29] Ogawa H, Ishiguro K, Gaubatz S,et al.A complex with chromatin modi fi ers that occupies E2F- and Myc-responsive genes in G0 cells[J]. Science, 2002, 296(5570): 1132-1136.

[30] Chang Y, Ganesh T, Horton J R,et al.Adding a lysine mimic in the design of potent inhibitors of histone lysine methyltransferases. J Mol Biol, 2010, 400(1): 1-7.

[31] Fu L, Yan F X, An X R,et al.Effects of the histone methyltransferase inhibitor UNC0638 on histone H3K9 dimethylation of cultured ovine somatic cells and development of resulting early cloned embryos. Reprod Domest Anim, 2014, 49(2):e21-25.

[32] Vedadi M, Barsyte L Y D, Liu F,et al.A chemical probe selectively inhibits G9a and GLP methyltransferase activity in cells. Nat Chem Biol, 2011, 7(8): 566-574.

[33] Fang T C, Schaefer U, Mecklenbrauker I,et al.Histone H3 lysine 9 di-methylation as an epigenetic signature of the interferon response.J Exp Med, 2012, 209(4): 661-669.

[34] Son H J, Kim J Y, Hahn Y,et al.Negative regulation of JAK2 by H3K9 methyltransferase G9a in leukemia. Mol Cell Biol, 2012,32(18): 3681-3694.

[35] Yokochi T, Poduch K, Ryba T,et al.G9a selectively represses a class of late-replicating genes at the nuclear periphery. Proc Natl Acad Sci U S A, 2009, 106(46): 19363-19368.

[36] Smith Z D, Meissner A. DNA methylation: roles in mammalian development. Nat Rev Genet, 2013, 14(3): 204-220.

[37] Margot J B, Cardoso M C, Leonhardt H. Mammalian DNA methyltransferases show different subnuclear distributions. J Cell Biochem, 2001, 83(3): 373-379.

[38] Robertson K D. DNA methylation and human disease. Nat Rev Genet, 2005, 6(8): 597-610.

[39] Tachibana M, Matsumura Y, Fukuda M,et al.G9a/GLP complexes independently mediate H3K9 and DNA methylation to silence transcription. EMBO J, 2008, 27(20): 2681-2690.

[40] Dong K B, Maksakova I A, Mohn F,et al.DNA methylation in ES cells requires the lysine methyltransferase G9a but not its catalytic activity. EMBO J, 2008, 27(20): 2691-2701.

[41] Ikegami K, Iwatani M, Suzuki M, et al. Genome-wide and locusspeci fi c DNA hypomethylation in G9a de fi cient mouse embryonic stem cells. Genes Cells, 2007, 12(1): 1-11.

[42] Jackson J P, Lindroth A M, Cao X,et al.Control of CpNpG DNA methylation by the KRYPTONITE histone H3 methyltransferase.Nature, 2002, 416(6880): 556-560.

[43] Tamaru H, Selker E U. A histone H3 methyltransferase controls DNA methylation in Neurospora crassa. Nature, 2001, 414(6861):277-283.

[44] Liu X, Gao Q, Li P,et al.UHRF1 targets DNMT1 for DNA methylation through cooperative binding of hemi-methylated DNA and methylated H3K9. Nat Commun, 2013, 4: 1563.

[45] Esteve P O, Chin H G, Smallwood A,et al.Direct interaction between DNMT1 and G9a coordinates DNA and histone methylation during replication. Genes Dev, 2006, 20(22): 3089-3103.

[46] Epsztejn L S, Feldman N, Abu R M,et al.De novo DNA methylation promoted by G9a prevents reprogramming of embryonically silenced genes. Nat Struct Mol Biol, 2008, 15(11):1176-1183.

[47] Bittencourt D, Wu D Y, Jeong K W,et al.G9a functions as a molecular scaffold for assembly of transcriptional coactivators on a subset of glucocorticoid receptor target genes. Proc Natl Acad Sci U S A, 2012, 109(48): 19673-19678.

[48] Purcel D J, Jeong K W, Bittencourt D,et al.A distinct mechanism for coactivator versus corepressor function by histone methyltransferase G9a in transcriptional regulation. J Biol Chem,2011, 286(49): 41963-41971.

[49] Lee D Y, Northrop J P, Kuo M H,et al.Histone H3 lysine 9 methyltransferase G9a is a transcriptional coactivator for nuclear receptors. J Biol Chem, 2006, 281(13): 8476-8475.

[50] Tachibana M, Nozaki M, Takeda N,et al.Functional dynamics of H3K9 methylation during meiotic prophase progressio. EMBO J,2007, 26(14): 3346-3359.

[51] Kim Y, Kim Y S, Kim D E,et al.BIX-01294 induces autophagyassociated cell death via EHMT2/G9a dysfunction and intracellular reactive oxygen species production. Autophagy, 2013, 9(12):212621-212639.

[52] Ding J, Li T, Wang X,et al.The histone H3 methyltransferase G9A epigenetically activates the serine-glycine synthesis pathway to sustain cancer cell survival and proliferation. Cell Metab, 2013,18(6): 896-907.

[53] Kim J, Daniel J, Espejo A,et al.Tudor, MBT and chromo domains gauge the degree of lysine methylation. EMBO Rep, 2006, 7(4):397-403.

[54] Huang J, Dorsey J, Chuikov S,et al.G9a and Glp methylate lysine 373 in the tumor suppressor p53. J Biol Chem, 2010, 285(13): 9636-9641.

[55] Mund C, Lyko F. Epigenetic cancer therapy: Proof of concept and remaining challenges. Bioessays, 2010, 32(11): 949-957.

[56] Chen M W, Hua K T, Kao H J, et al. H3K9 histone methyltransferase G9a promotes lung cancer invasion and metastasis by silencing the cell adhesion molecule Ep-CAM. Cancer Res, 2010, 70(20): 7830-7840.

[57] Kondo Y, Shen L, Ahmed S,et al.Downregulation of histone H3 lysine 9 methyltransferase G9a induces centrosome disruption and chromosome instability in cancer cells. PLoS One, 2008, 3(4):e2037.

[58] Schaefer A, Sampath S C, Inerator A,et al.Control of cognition and adaptive behavior by the GLP/G9a epigenetic suppressor complex.Neuron, 2009, 64(5): 678-691.

[59] Davis R J, Shen W, Sandler Y I,et al.Characterization of mouse Dach2, a homologue of Drosophila dachshund. Mechanisms of development, 2001, 102(1-2): 169-179.

[60] Kramer J M, Kochinke K, Ooortveld M A,et al.Epigenetic regulation of learning and memory by Drosophila EHMT/G9a.PLoS Biol, 2011, 9(1): e1000569.

[61] Maze I, Covington H E, Dietz D M,et al.Essential role of the histone methyltransferase G9a in cocaine-induced plasticity.Science, 2010, 327(5962): 213-216.

[62] Rosen E D, Spiegelman B M. PPARgamma : a nuclear regulator of metabolism, differentiation, and cell growth. J Biol Chem, 2001,276(41): 37731-37734.

[63] Rosen E D, Macdougald O A. Adipocyte differentiation from the inside out. Nat Rev Mol Cell Biol, 2006, 7(12): 885-896.

[64] Prestwich T C, Macdougald O A. Wnt/beta-catenin signaling in adipogenesis and metabolism. Curr Opin Cell Biol, 2007, 19(6):612-617.

[65] Wang L, Xu S, Lee J E,et al.Histone H3K9 methyltransferase G9a represses PPARgamma expression and adipogenesi. EMBO J, 2013,32(1): 45-59.