封慕茵 綜述 羅泊濤 審校

廣東醫(yī)科大學(xué)病理系，廣東 湛江 524023

組蛋白甲基轉(zhuǎn)移酶(histone methyltransferases，HMTs)也稱(chēng)為蛋白質(zhì)甲基轉(zhuǎn)移酶(protein methyltransferases, PMTs)，是組蛋白修飾的關(guān)鍵酶，主要分為組蛋白精氨酸甲基轉(zhuǎn)移酶(histone arginine methyltransferases，HRMTs)或稱(chēng)蛋白質(zhì)精氨酸甲基轉(zhuǎn)移酶(protein arginine methyltransferases，PRMTs)與組蛋白賴(lài)氨酸甲基轉(zhuǎn)移酶(histone lysine methyltransferases，HKMTs)或稱(chēng)蛋白質(zhì)賴(lài)氨酸甲基轉(zhuǎn)移酶(protein lysine methyltransferases，PKMTs)。PRMTs 與PKMTs 以S-腺苷甲硫氨酸為共同底物轉(zhuǎn)移甲基。組蛋白甲基化過(guò)程可發(fā)生在賴(lài)氨酸或精氨酸殘基上，如組蛋白H3的K4、K9、K27、K36、K79和組蛋白H4的K20，并由組蛋白甲基轉(zhuǎn)移酶催化。組蛋白甲基化調(diào)節(jié)細(xì)胞轉(zhuǎn)錄和基因組穩(wěn)定性，即便賴(lài)氨酸或精氨酸甲基化不改變電荷狀態(tài)，甲基化殘基的體積和疏水性增加也會(huì)影響蛋白質(zhì)—蛋白質(zhì)相互作用和蛋白質(zhì)識(shí)別，從而影響基因表達(dá)和轉(zhuǎn)錄調(diào)控[1]。

自L(fǎng)IN等[2]發(fā)現(xiàn)了第一個(gè)PRMTs和REA等[3]發(fā)現(xiàn)了第一個(gè)PKMTs以來(lái)，越來(lái)越多的研究表明表觀遺傳異常在癌癥和某些遺傳性疾病的發(fā)病機(jī)制中起著重要作用。此外，PRMTs催化精氨酸胍基的單甲基和/或不對(duì)稱(chēng)或?qū)ΨQ(chēng)二甲基化，以及PKMTs催化賴(lài)氨酸殘基的單甲基化、二甲基化和三甲基化，進(jìn)一步增加了表觀遺傳組蛋白修飾系統(tǒng)的復(fù)雜性。隨著近年來(lái)對(duì)多種甲基轉(zhuǎn)移酶的深入研究和分子技術(shù)的迅速發(fā)展，表觀遺傳靶點(diǎn)已成為熱門(mén)的抗癌靶點(diǎn)。在人類(lèi)基因組中，大約有150 種潛在的甲基賴(lài)氨酸或甲基精氨酸結(jié)合蛋白，而且其數(shù)量還在不斷增加。本文闡述幾類(lèi)代表性HMTs 在腫瘤中作用的研究進(jìn)展，旨在為表觀遺傳修飾酶在腫瘤中作用的研究提供前沿信息。

1 PKMTs與腫瘤

組蛋白修飾最重要的形式之一是尾部賴(lài)氨酸殘基的甲基化，由廣泛存在的SET 蛋白家族的成員執(zhí)行，其共同特征之一是有一個(gè)高度保守的SET 結(jié)構(gòu)域，該結(jié)構(gòu)域存在于果蠅三個(gè)調(diào)節(jié)因子Su(var)3～9、Enhancer of Zeste [E(Z)]與Trithorax (Trx)羧基末端的一段共同序列，其內(nèi)含催化活性位點(diǎn)，并與S-腺苷-L-蛋氨酸輔因子結(jié)合?；赟ET結(jié)構(gòu)域周?chē)男蛄?，將含有該結(jié)構(gòu)域的蛋白質(zhì)分為主要的7 個(gè)亞家族，即SUV、Ash、Trx、E(Z)、PRDM、SMITH 和SETD。PKMTs 包括SETD (含SET 結(jié)構(gòu)域的賴(lài)氨酸甲基轉(zhuǎn)移酶)、常染色質(zhì)組蛋白甲基轉(zhuǎn)移酶(euchromatin histone lysine methyltransferases，EHMTs)和H3K79 甲基化的組蛋白賴(lài)氨酸甲基轉(zhuǎn)移酶DOT1L (disruptor of telomeric silencing 1-like)等，參與腫瘤的增殖、分化、侵襲和轉(zhuǎn)移的過(guò)程。

1.1 SETD 賴(lài)氨酸甲基轉(zhuǎn)移酶SET 家族包含SETD1～SETD9、G9a、MLL、SUV39H1 等50 多種人源相關(guān)蛋白。上述SETD家族成員含有一個(gè)100～300個(gè)殘基和C 末端Rubisco LSMT 底物結(jié)合的結(jié)構(gòu)域(rubis-subs-bind)，該結(jié)構(gòu)域?qū)τ赟ETD 蛋白與組蛋白H3 和H4的N端尾結(jié)合至關(guān)重要。SETD和SMYD兩個(gè)亞家族在SET結(jié)構(gòu)域中具有較低水平的動(dòng)、植物同源序列，同一亞家族內(nèi)的成員具有相同的結(jié)構(gòu)域，支持了SETD和SMYD亞家族分別起源于動(dòng)、植物分化之前的同一祖先的假設(shè)[4]。近年來(lái)，表觀遺傳修飾酶在腫瘤發(fā)生發(fā)展中所起的作用引起了廣泛關(guān)注；SETD家族作為組蛋白甲基轉(zhuǎn)移酶中的重要成員，而其明確的功能及作用機(jī)制卻知之甚少。SETD 家族蛋白不僅能調(diào)節(jié)組蛋白的功能，同樣可對(duì)多種非組蛋白進(jìn)行甲基化，包括NF-κβ[5]。人SETD1A 蛋白在原發(fā)性肝癌中表達(dá)明顯增高，且對(duì)控制基因轉(zhuǎn)錄的H3K4 的三甲基化富集和表達(dá)有顯著影響，提示了SETD1A 高表達(dá)可能是肝細(xì)胞癌的預(yù)后不良因素[6]。SETDB2 過(guò)表達(dá)可能促進(jìn)胃癌進(jìn)展[7]。SETD2 由2 564 個(gè)氨基酸組成，可催化H3K36三甲基化，在乳腺癌、腎細(xì)胞癌[8]、高級(jí)別神經(jīng)膠質(zhì)瘤[9]、胃癌[10]和急性髓系白血病[11]等多種腫瘤中都發(fā)現(xiàn)有SETD2基因突變，其突變促進(jìn)腫瘤的發(fā)生發(fā)展且提示預(yù)后不良。敲除SETD4 基因能顯著抑制乳腺癌的細(xì)胞增殖[12]，提高HepG2 人肝癌細(xì)胞對(duì)索拉菲尼的敏感性[13]，并可從表觀遺傳學(xué)上來(lái)控制乳腺癌干細(xì)胞靜止[14]。SETD6 可調(diào)控Wnt/β-catenin 信號(hào)通路的活化，介導(dǎo)p21 活化激酶4(p21-activated kinase 4，PAK4)甲基化，從而調(diào)控β-catenin 信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)并引起β-catenin 靶基因的轉(zhuǎn)錄增加[15]。SETD7 在肝細(xì)胞癌的細(xì)胞周期調(diào)控中起關(guān)鍵性作用，且與預(yù)后相關(guān)[16]。SETD8促進(jìn)子宮頸癌進(jìn)展，尤其在轉(zhuǎn)移中起著重要的作用[17]。研究表明SETD7 是治療Ⅱ型糖尿病、艾滋病、激素依賴(lài)性乳腺癌和前列腺癌等疾病的潛在藥物靶點(diǎn)[18]。SETD 家族中各成員之間既有分工合作，又有相互協(xié)同作用。對(duì)于SETD家族的具體功能及作用機(jī)制尚未完全闡明，但它們?cè)诎邢蛩幬镩_(kāi)發(fā)中的重要性已經(jīng)愈發(fā)凸顯。目前針對(duì)SETD家族成員的特異性靶向藥物未見(jiàn)報(bào)道。

1.2 EHMT2(又稱(chēng)G9a) 常染色質(zhì)組蛋白甲基轉(zhuǎn)移酶(EHMTs)是一種含有SET結(jié)構(gòu)域的組蛋白甲基轉(zhuǎn)移酶，參與H3K9甲基化。體外實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)EHMT2不僅能將甲基轉(zhuǎn)移到H3中的賴(lài)氨酸9上，而且還能轉(zhuǎn)移到賴(lài)氨酸27上。缺氧微環(huán)境中EHMT2由于蛋白質(zhì)穩(wěn)定性的增加而積累。EHMT2 介導(dǎo)的H3K9 甲基化導(dǎo)致特定基因的抑制，而這些基因?qū)τ诘脱鯒l件下的腫瘤抑制是必不可少的[19]。研究表明，盡管重組EHMT2或GLP(G9a like protein)可以在體外獨(dú)立甲基化H3K9，但EHMT2/GLP 異構(gòu)體復(fù)合物是H3K9 在體內(nèi)整體甲基化的唯一功能形式。EHMT2 與多種腫瘤的發(fā)生發(fā)展具有相關(guān)性，可能是一個(gè)癌基因。肝癌組織EHMT2 表達(dá)明顯高于正常肝組織，表明其可能參與了肝癌的發(fā)生[20]；敲除前列腺癌細(xì)胞中EHMT2基因后，瘤細(xì)胞生長(zhǎng)受抑制且細(xì)胞形態(tài)發(fā)生明顯變化，端粒酶活性喪失，端粒變短[21]；抑制EHMT2 表達(dá)來(lái)誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡可能是治療肺癌的潛在靶點(diǎn)[22]；EHMT2在乳腺癌組織中過(guò)表達(dá)，且觀察到EHMT2通過(guò)調(diào)控MSK1的激活和表達(dá)來(lái)調(diào)控癌轉(zhuǎn)移[23]，提示靶向EHMT2可能是干預(yù)乳腺癌轉(zhuǎn)移的一種有效的治療策略。近年來(lái)，從生化和生理水平上對(duì)EHMT2 進(jìn)行了廣泛的研究，并開(kāi)發(fā)出了一些特異性抑制劑，如BIX-01294 是第一個(gè)被報(bào)道的有效和選擇性抑制劑，可降低瘤細(xì)胞中H3K9 的二甲基水平[24]；A-366 是EHMT2 的有效的選擇性抑制劑，其抑制效果是其他21 種甲基轉(zhuǎn)移酶的1 000倍以上[25]。

1.3 DOT1L DOT1L是唯一導(dǎo)致H3K79甲基化的組蛋白賴(lài)氨酸甲基轉(zhuǎn)移酶，也是唯一缺少SET結(jié)構(gòu)域的組蛋白甲基轉(zhuǎn)移酶。DOT1L 位于19p13.3 染色體，約68.5 kb 的一個(gè)基因編碼，編碼7.5 kb mRNA(NM_032482，其中4.6 kb 為編碼序列)，翻譯后在人體內(nèi)產(chǎn)生1 537 個(gè)氨基酸殘基的蛋白質(zhì)(NP_115871.1)，該蛋白在十二烷基硫酸鈉聚丙烯酰胺凝膠上可分解為約164.9 kDa 的條帶。與其他已知的蛋白質(zhì)賴(lài)氨酸甲基轉(zhuǎn)移酶不同的是Dot1在體內(nèi)、外都是一種非加工性甲基轉(zhuǎn)移酶，這種動(dòng)力學(xué)機(jī)制直接影響組蛋白H3K79 不同甲基化狀態(tài)的調(diào)節(jié)和功能。DOT1L 參與了H3K79單甲基化(H3K79me)、雙甲基化(H3K79me2)和三甲基化(H3K79me3)，然而，它們的具體功能尚未完全闡明。DOT1L對(duì)于胚胎發(fā)育十分重要，參與紅細(xì)胞生成和分化調(diào)控，DOT1L缺失會(huì)導(dǎo)致小鼠胚胎細(xì)胞中H3K79甲基化缺失，導(dǎo)致紅細(xì)胞發(fā)育顯著缺陷甚至致死[26]。DOT1L 的活性和H3K79 甲基化維持基因組穩(wěn)定所需的基因轉(zhuǎn)錄和活化、細(xì)胞周期進(jìn)展以及DNA損傷反應(yīng)等關(guān)鍵的細(xì)胞過(guò)程。在基因篩選中首次發(fā)現(xiàn)Dot1 基因(端粒沉默干擾物)，其過(guò)度表達(dá)破壞了釀酒酵母的端粒沉默，在進(jìn)化上具有高度的保守性。DOT1L 異常表達(dá)和H3K79 甲基化模式改變被預(yù)測(cè)會(huì)影響基因組穩(wěn)定性并驅(qū)動(dòng)癌癥發(fā)生發(fā)展。DOT1L 與AF4、AF9 或ENL 等不同蛋白融合導(dǎo)致DOT1L 的募集，會(huì)使H3K79甲基化異常，引起MLL靶基因的過(guò)度表達(dá)，最終導(dǎo)致白血病發(fā)生[27]，DOT1L 抑制劑已被建議用于阻斷MLL 白血病增殖和逆轉(zhuǎn)其進(jìn)展。下調(diào)肺癌細(xì)胞中高度修飾的H3K79甲基化，將是通過(guò)衰老程序消除癌細(xì)胞的一種新方法[28]；抑制DOT1L/H3K79甲基化選擇性地抑制了DOT1L 相對(duì)高水平的乳腺癌細(xì)胞增殖、分化，降低遷移和侵襲力[29]，表明DOT1L是治療DOT1L+乳腺癌的一種新的藥物靶點(diǎn)。對(duì)直腸癌患者H3K79me3 水平的檢測(cè)表明，H3K79me3 水平越低，預(yù)后越差；DOT1L 的小分子抑制劑與用于治療結(jié)直腸癌的化療藥物聯(lián)合使用顯示出相加效應(yīng)[30]。DAIGLE 等[31]開(kāi)發(fā)出一種有效的DOT1L 選擇性抑制劑EPZ004777，可選擇性地殺死攜帶MLL易位基因的白血病細(xì)胞，為MLL靶向治療提供了方向。DAIGLE等[32]又開(kāi)發(fā)出一種DOT1L 組蛋白甲基轉(zhuǎn)移酶活性的更高效的和選擇性的氨基核苷抑制劑EPZ-5676，目前正處于臨床研究階段。M?BITZ 等[33]采用片段連接的方法開(kāi)發(fā)出結(jié)構(gòu)新穎的DOT1L 選擇性抑制劑。然而，抑制DOT1L 也會(huì)導(dǎo)致正常細(xì)胞衰老，由于存在潛在的副作用，將DOT1L 作為癌癥治療靶點(diǎn)仍需進(jìn)一步探討。

2 PRMTs與腫瘤

在哺乳動(dòng)物中普遍表達(dá)的PRMTs參與信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)、基因轉(zhuǎn)錄、DNA 修復(fù)和mRNA 剪接等重要的細(xì)胞過(guò)程，從而影響細(xì)胞生長(zhǎng)、增殖和分化。在PRMTs催化過(guò)程中，將SAM 或AdoMet的甲基被轉(zhuǎn)移到蛋白質(zhì)底物上，取代精氨酸ω-NG上的氫原子，生成甲基化精氨酸作為最終產(chǎn)物，并產(chǎn)生副產(chǎn)物SAH或AdoHcy。根據(jù)產(chǎn)物的不同將PRMTs 分為3 種類(lèi)型：Ⅰ型包括PRMT1、PRMT2、PRMT3、PRMT4(CARM1)、PRMT6、PRMT8，主要催化形成單甲基精氨酸和非對(duì)稱(chēng)二甲基精氨酸；Ⅱ型包括PRMT5、PRMT9，主要催化形成單甲基精氨酸和對(duì)稱(chēng)性二甲基精氨酸；Ⅲ型PRMT7 只催化形成單甲基精氨酸。PRMTs 在多種病理?xiàng)l件下特別是癌癥，存在著錯(cuò)誤調(diào)控和異常表達(dá)的現(xiàn)象。一些精氨酸修飾酶的活性在癌癥、炎癥性疾病、神經(jīng)退行性疾病和其他疾病中起著關(guān)鍵作用。

2.1 PRMT1 PRMT1是一種重要的Ⅰ型蛋白質(zhì)精氨酸甲基轉(zhuǎn)移酶，是人類(lèi)細(xì)胞中主要的甲基轉(zhuǎn)移酶，廣泛表達(dá)于胞質(zhì)和胞核。PRMT1在體內(nèi)外特異性甲基化H4的精氨酸3(Arg3)，Arg3甲基化修飾在轉(zhuǎn)錄調(diào)控中起著重要作用[34]。PRMT1 對(duì)蛋白質(zhì)精氨酸殘基進(jìn)行翻譯后甲基化合成不對(duì)稱(chēng)二甲基精氨酸(asymmetric dimethylarginine，ADMA)，而血漿ADMA 水平可預(yù)測(cè)1型糖尿病合并糖尿病腎病患者心血管并發(fā)癥和死亡率[35]。PRMT1 還可調(diào)控EGFR 功能，有可能在臨床結(jié)直腸癌治療中作為西妥昔單抗耐藥的預(yù)測(cè)標(biāo)志物[36]。PRMT1對(duì)體內(nèi)淋巴細(xì)胞發(fā)育、增殖和分化中起重要作用。PRMT1 的過(guò)表達(dá)可能與前列腺癌[37]和乳腺癌[38]有關(guān)。因此，開(kāi)發(fā)PRMT1選擇性抑制劑不僅有助于PRMT1 功能和生物學(xué)作用的研究，而且為疾病提供治療策略。

2.2 PRMT5 PRMT5最初在哺乳動(dòng)物中被鑒定為Janus 激酶2 結(jié)合蛋白，因此，PRMT5 也稱(chēng)為JBP1。PRMT5是一種Ⅱ型精氨酸甲基轉(zhuǎn)移酶，可以甲基化組蛋白H2A、H3 和H4。PRMT5 普遍存在于胞質(zhì)和胞核，位于體內(nèi)cyclin E1 的啟動(dòng)子上，作為cyclin E1 轉(zhuǎn)錄的輔助抑制因子而發(fā)揮作用。PRMT5 是一個(gè)關(guān)鍵的染色質(zhì)調(diào)節(jié)因子，其異常表達(dá)影響H3R8和H4R3甲基化，有助于腫瘤抑制基因的沉默。PRMT5表達(dá)下調(diào)會(huì)干擾轉(zhuǎn)化B 細(xì)胞增殖[39]。PRMT5 在胰腺癌中表達(dá)上調(diào)，并促進(jìn)胰腺癌細(xì)胞增殖、遷移和轉(zhuǎn)移[40]。PRMT5-KLF4 軸對(duì)維持乳腺癌干細(xì)胞和基因組完整性起關(guān)鍵作用[41]。PRMT5 與腦星形細(xì)胞瘤的分級(jí)相關(guān)，其可能是通過(guò)調(diào)節(jié)ERK1/2 通路促進(jìn)膠質(zhì)瘤細(xì)胞的惡性表型[42]；PRMT5是MYCN癌蛋白的關(guān)鍵翻譯后調(diào)節(jié)因子，并且與神經(jīng)母細(xì)胞瘤的預(yù)后不良有關(guān)[43]。近年來(lái)由于PRMT5 與癌癥的密切相關(guān)性，使得靶向PRMT5成為抗癌藥物開(kāi)發(fā)的熱點(diǎn)。

2.3 PRMT7 PRMT7在PRMT家族中是獨(dú)一無(wú)二的，其特殊之處在于其不能甲基化常見(jiàn)的PRMT底物GST-GAR、MBP 和組蛋白H2A。PRMT7 是一種Ⅲ型精氨酸甲基轉(zhuǎn)移酶，具有獨(dú)特的底物特異性。PRMT7 能夠甲基化兩個(gè)含精氨酸的多肽，催化形成β-NG-單甲基精氨酸殘基。然而，PRMT7 催化的反應(yīng)類(lèi)型和底物特異性仍存在爭(zhēng)議。哺乳動(dòng)物中PRMT7參與DNA損傷修復(fù)、RNA剪接、轉(zhuǎn)錄調(diào)控和細(xì)胞分化等。通過(guò)與睪丸特異性因子CTCFL 協(xié)同作用，PRMT7 能使H4R3 二甲基化，并在男性生殖系印記基因甲基化中起決定性作用[44]?；虮磉_(dá)薈萃分析了PRMT7 在促進(jìn)乳腺癌轉(zhuǎn)移中的可能作用[45]。PRMT7通過(guò)其啟動(dòng)子上的組蛋白H4R3 位點(diǎn)的甲基化來(lái)調(diào)控bcl-6 表達(dá)，從而控制淋巴濾泡生發(fā)中心形成[46]。研究表明PRMT7通過(guò)精氨酸殘基70位的p38MAPKα甲基化促進(jìn)MyoD 介導(dǎo)成肌細(xì)胞分化[47]。PRMT7 表達(dá)下調(diào)可能會(huì)使細(xì)胞對(duì)DNA 的損傷劑產(chǎn)生更強(qiáng)的抵抗力，抑制PRMT7 的作用是復(fù)雜的，可能會(huì)影響腫瘤對(duì)某些化療藥物的耐藥性。研究發(fā)現(xiàn)PRMT7基因敲除后瘤細(xì)胞對(duì)順鉑、氯苯丁腈和絲裂霉素C的抗性更強(qiáng)，而DNA 聚合酶δ催化亞基基因(DNA polymerase delta catalytic subunit gene 1，POLD1)是唯一能使PRMT7 基因敲除細(xì)胞對(duì)DNA 損傷恢復(fù)敏感性[48]。目前為止還沒(méi)有發(fā)現(xiàn)針對(duì)PRMT7 特異性高的抑制劑。

3 結(jié)語(yǔ)

越來(lái)越多的證據(jù)支持表觀遺傳異常在癌癥的發(fā)病機(jī)制中扮演重要的角色。隨著表觀遺傳學(xué)的作用越來(lái)越清晰，染色質(zhì)組分之間的相互關(guān)系也越來(lái)越清楚。在人類(lèi)基因組中，大約有150 種潛在的甲基賴(lài)氨酸或甲基精氨酸結(jié)合蛋白，而且其數(shù)量還在不斷增加。今后在以下幾個(gè)方面有待加強(qiáng)研究：(1)深化對(duì)組蛋白甲基轉(zhuǎn)移酶的結(jié)構(gòu)和生物學(xué)功能的基礎(chǔ)研究?？梢酝ㄟ^(guò)特異性模式細(xì)胞及模式動(dòng)物闡明這些蛋白質(zhì)的基本功能。對(duì)組蛋白甲基化在正常生理和疾病狀態(tài)下的生物學(xué)功能的研究，也為將基礎(chǔ)表觀遺傳學(xué)研究轉(zhuǎn)化為臨床診斷和治療應(yīng)用提供了有力的支持，促進(jìn)新技術(shù)新方法在這一領(lǐng)域的應(yīng)用。目前各種新方法和新技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用極大地活躍了組蛋白甲基化領(lǐng)域。在過(guò)去的10 年中，許多甲基-賴(lài)氨酸/精氨酸結(jié)合蛋白在結(jié)合特異性和三維結(jié)構(gòu)方面被研究發(fā)現(xiàn)，這為開(kāi)發(fā)靶向選擇性拮抗劑提供了豐富的信息和試劑來(lái)源。(2)開(kāi)發(fā)特異性靶向抑制劑。盡管還沒(méi)有足夠的研究來(lái)保證通過(guò)藥物分子靶向這類(lèi)酶是否有益或沒(méi)有任何副作用，但考慮到組蛋白甲基轉(zhuǎn)移酶作為抗癌分子靶點(diǎn)類(lèi)別的成員，可以為不斷進(jìn)化的抗癌斗爭(zhēng)中提供了新的靶點(diǎn)選擇。