蛋白質(zhì)精氨酸甲基轉(zhuǎn)移酶與腫瘤干預(yù)治療

麻苗苗(綜述)，曹仁賢(審校)

(南華大學附屬第一醫(yī)院內(nèi)分泌科，湖南 衡陽 421001)

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腫瘤醫(yī)學書

蛋白質(zhì)精氨酸甲基轉(zhuǎn)移酶與腫瘤干預(yù)治療

麻苗苗(綜述)，曹仁賢※(審校)

(南華大學附屬第一醫(yī)院內(nèi)分泌科，湖南 衡陽 421001)

摘要：尋找有效的腫瘤干預(yù)靶點對腫瘤患者具有重要意義。蛋白質(zhì)精氨酸甲基轉(zhuǎn)移酶(PRMTs)是催化蛋白質(zhì)底物精氨酸殘基甲基化的唯一關(guān)鍵酶，參與多種重要的基礎(chǔ)細胞代謝過程。近年來的研究發(fā)現(xiàn)，異常表達的PRMTs可以通過促進催化精氨酸殘基甲基化的過程參與腫瘤的發(fā)生與發(fā)展；PRMTs表達的高低可以作為判斷腫瘤預(yù)后的因子。這些結(jié)果提示，如果針對性干預(yù)PRMTs或許可以給腫瘤患者帶來臨床獲益。

關(guān)鍵詞：蛋白質(zhì)精氨酸甲基轉(zhuǎn)移酶；精氨酸甲基化；腫瘤；干預(yù)治療

腫瘤是導致人類死亡的主要疾病之一，仍然缺乏有效的治療手段，在現(xiàn)有的治療基礎(chǔ)上尋找新的潛在治療靶點對腫瘤患者具有重要的現(xiàn)實意義。深刻理解腫瘤的生物學特性、選擇具有關(guān)鍵作用的調(diào)控分子作為干預(yù)對象是尋找潛在治療靶點的核心[1]。精氨酸甲基化是一種普遍存在的翻譯后修飾方式，涉及DNA修復、RNA加工、轉(zhuǎn)錄調(diào)控以及信號轉(zhuǎn)導等多種細胞過程，蛋白質(zhì)精氨酸甲基轉(zhuǎn)移酶家族(protein arginine methyltransferases, PRMTs)是催化精氨酸甲基化完成的唯一酶[2-3]。大量研究證實，精氨酸甲基化在多種腫瘤的發(fā)生、發(fā)展及侵襲過程中起著重要的作用；同時研究發(fā)現(xiàn)PRMTs在肺癌、乳腺癌、結(jié)腸直腸癌、膀胱癌以及白血病等多種腫瘤中表達異常[4-11]?，F(xiàn)就近年來有關(guān)PRMTs與腫瘤的研究進行綜述，推測其或許是一個潛在的腫瘤干預(yù)治療新靶點。

1PRMTs

目前在哺乳動物中共發(fā)現(xiàn)9種PRMT，每種PRMT都擁有一段共同的保守轉(zhuǎn)甲基酶結(jié)構(gòu)域，主要包括甲基供體的子域、S-腺苷-甲硫氨酸和底物蛋白[12]。PRMTs以S-腺苷-甲硫氨酸作為甲基供體，甲基化修飾蛋白精氨酸的胍基氮，生成S-腺苷同型半胱氨酸和甲基精氨酸。富含甘氨酸和精氨酸結(jié)構(gòu)域的蛋白質(zhì)是公認的PRTMs作用底物，但隨著有關(guān)PRMTs研究的進展，研究發(fā)現(xiàn)PRMTs還可以甲基化單個精氨酸[3]以及脯氨酸、甘氨酸、蛋氨酸共有序列[13]等。目前已經(jīng)發(fā)現(xiàn)超過120種包括組蛋白和非組蛋白在內(nèi)的精氨酸甲基化蛋白[14-15]，并且仍繼續(xù)有新的精氨酸甲基化蛋白被發(fā)現(xiàn)，更多有關(guān)PRMTs的功能以及其在信號通路調(diào)控中的作用不斷被發(fā)掘[14]。

根據(jù)PRMTs催化精氨酸殘基生成的產(chǎn)物不同可以將其分為3型(表1)[2,16]。Ⅰ型PRMT[PRMT1、3、4/共激活相關(guān)的精氨酸甲基轉(zhuǎn)移酶(coactivator-associated arginine methyltransferase, CARM)1、6和8]催化生成非對稱性二甲基精氨酸；Ⅱ型PRMT(PRMT5)可以催化生成對稱性二甲基精氨酸；Ⅲ型PRMT(PRMT7)催化生成單甲基精氨酸；PRMT 9目前暫未歸類，推測其可能可以歸類為Ⅱ型[17]。PRMTs催化精氨酸甲基化的過程是一種普遍存在的翻譯后修飾方式，其涉及DNA修復、RNA加工、轉(zhuǎn)錄調(diào)控以及信號轉(zhuǎn)導等多種重要的細胞生理過程(表1)，如PRMTs通過甲基化RNA結(jié)合蛋白上的精氨酸參與轉(zhuǎn)錄后的基因調(diào)控[18]；PRMTs能甲基化修飾組蛋白、共激活子環(huán)磷腺苷效應(yīng)元件結(jié)合蛋白綁定蛋白 (cAMP-response element binding protein-binding protein,CBP)/p300以及轉(zhuǎn)錄因子，調(diào)節(jié)基因的轉(zhuǎn)錄、協(xié)助組蛋白的編碼和促進信使核糖核蛋白的包裝[19]等。在所有的PRMTs中以PRMT 1和PRMT5最為重要，缺失兩者之中任何一種將導致機體生命活動障礙[20-21]。

2PRMTs與腫瘤

PRMTs通過精氨酸甲基化修飾參與多種細胞過程，在此基礎(chǔ)上近年來的研究令人值得關(guān)注和進一步探索，即在多種腫瘤細胞中可以發(fā)現(xiàn)PRMTs異常表達(表2)，并在這些腫瘤的發(fā)生、發(fā)展以及侵襲過程中起重要作用，提示通過干預(yù)PRMTs或許可能可以有效控制腫瘤的發(fā)展。目前在哺乳動物中發(fā)現(xiàn)了9種PRMTs，其中PRMT1、PRMT2、PRMT4/CARM1和PRMT7已經(jīng)得到確認并且特征性的表達。

2.1PRMT 1PRMT1是最為重要的Ⅰ型PRMTs，在細胞質(zhì)和細胞核中廣泛表達，哺乳動物體內(nèi)85%以上的精氨酸甲基化由其催化完成[17]。以前認為PRMT1只有一種形態(tài)，但目前的研究發(fā)現(xiàn)PRMT1有7種亞型，即PRMT1v1~v7[22]。隨著對PRMT1深入的了解，近年來大量的研究發(fā)現(xiàn)PRMT 1在多種腫瘤疾病中異常表達，且大多數(shù)以表達增加為主[5,7-9,11]。在乳腺癌中，PRMT1基因以及蛋白的表達水平均明顯上調(diào)，這一現(xiàn)象不僅在乳腺癌細胞系中存在，在乳腺癌腫瘤中同樣存在[22]，進一步通過免疫組織化學發(fā)現(xiàn)PRMT1的表達主要在細胞質(zhì)中，而僅有小部分在細胞核中表達。臨床研究發(fā)現(xiàn)乳腺癌患者高表達PRMT1v1基因預(yù)后不佳，且無病生存時間明顯縮短[8]。

表1　蛋白質(zhì)精氨酸甲基轉(zhuǎn)移酶家族[16]

PRMTs:蛋白質(zhì)精氨酸甲基轉(zhuǎn)移酶；CARM1:共激活相關(guān)精氨酸甲基化轉(zhuǎn)移酶1；H4R3：組蛋白H4第3位精氨酸；MRE11：染色體不穩(wěn)定性相關(guān)基因MRE11，DNA損傷關(guān)鍵蛋白；53BP1：P53綁定蛋白1；SAM68：SRC相關(guān)的有絲分裂68×103蛋白；H3R8：組蛋白H3第8位精氨酸；RBS2：40S核糖體蛋白S2；p53：抑癌基因P53；H3R17：組蛋白H3第17位精氨酸；AIB1：乳腺癌擴增因子1；p300：組蛋白乙酰轉(zhuǎn)移酶P300；CBP：CREP綁定蛋白；RNA pol ⅡCTD：RNA聚合酶ⅡC端結(jié)構(gòu)域；piRNA：PIWI相互作用RNA；H4R3：組蛋白H4第3位精氨酸；E2F1：腺病毒E2啟動子結(jié)合因子1；EGFR：表皮生長因子受體；CRAF：原癌基因絲蘇氨酸蛋白激酶；H3R2：組蛋白H3第2位精氨酸； H2AR29：組蛋白H2A第29位精氨酸；H2AR3：組蛋白H2A第3位精氨酸

表2　PRMTs在不同腫瘤中的作用[17]

PRMTs:蛋白質(zhì)精氨酸甲基轉(zhuǎn)移酶;CARM1:共激活相關(guān)精氨酸甲基化轉(zhuǎn)移酶1

在細胞核中，PRMT1可以甲基化組蛋白H4中的第3位精氨酸，而這一特異性的甲基化修飾是轉(zhuǎn)錄激活的標志[23]。研究發(fā)現(xiàn)，前列腺癌細胞核內(nèi)組蛋白H4第3位精氨酸甲基化水平與其發(fā)生率呈正相關(guān)，并且還可以用來預(yù)測前列腺癌的復發(fā)風險[24]。盡管目前尚不清楚組蛋白H4第3位精氨酸甲基化后如何激活染色質(zhì)的狀態(tài)，但發(fā)現(xiàn)精氨酸甲基化的效應(yīng)分子tudor結(jié)構(gòu)域結(jié)合蛋白3與之相互作用，而tudor結(jié)構(gòu)域結(jié)合蛋白3高表達提示乳腺癌患者預(yù)后不佳。

研究發(fā)現(xiàn)，降解PRMT1可以顯著抑制乳腺癌、肺癌以及膀胱癌細胞系的增殖，其原因與降解PRMT1后細胞停滯在G0/G1期有關(guān)[9]。RNA干擾后沉默PRMT1v2基因可以明顯降低乳腺癌細胞的生存能力[25]。

2.2PRMT2最初認為PRMT2可能不存在精氨酸甲基轉(zhuǎn)移酶的活性，但近期的研究顯示PRMT2擁有Ⅰ型精氨酸甲基轉(zhuǎn)移酶活性，能對其底物組蛋白H4進行甲基化，盡管與PRMT1相比其甲基化的活性要弱很多[26]，另外研究發(fā)現(xiàn)β聯(lián)蛋白可以招募PRMT2到組蛋白H3上甲基化第8位精氨酸然后啟動目的基因的轉(zhuǎn)錄[27]?，F(xiàn)有的研究已經(jīng)證實，PRMT2可以通過配體-受體方式與相應(yīng)的轉(zhuǎn)錄激活因子(雌激素受體α、孕酮受體、雄激素受體、過氧化物酶體增殖激活物受體γ以及視黃酸受體α)結(jié)合后發(fā)揮其生物學功能[28]，而激活雌激素受體α、孕酮受體和雄激素受體與腫瘤細胞的生長與發(fā)展有關(guān)。

研究發(fā)現(xiàn)雌激素受體、孕激素受體陽性的細胞株(MCF7、T47D、BT474和ZR-75-1)中PRMT2基因和蛋白表達的水平是受體陰性細胞株(MDA-MB-231、MDA-MB-453和SK-BR-3)的2倍左右；另外還發(fā)現(xiàn)乳腺癌組織中PRMT2基因的表達明顯高于癌旁組織，同時雌激素受體陽性的乳腺癌組織PRMT2基因的表達較陰性癌組織要高，免疫組織化學也提示同樣的結(jié)果[29]。這一研究結(jié)果提示在乳腺癌中PRMT2基因的表達與雌激素受體α相關(guān)，這也與PRMT2發(fā)揮其生物學功能的方式相一致。

2.3PRMT4/CARM1在哺乳動物細胞中PRMT4參與了包括翻譯、前體信使RNA剪接、細胞周期調(diào)控以及DNA修復在內(nèi)的多種細胞內(nèi)過程，而在腫瘤細胞內(nèi)PRMT4通過與腫瘤相關(guān)蛋白相互作用或協(xié)同作用在調(diào)控細胞增殖和存活中起重要作用。PRMT4可以被招募到細胞周期蛋白 E1基因的啟動子區(qū)域，作為一種翻譯共激活因子的方式調(diào)控細胞周期蛋白 E1基因的表達；在雌激素的刺激作用下，PRMT4甲基化組蛋白H3的第17位精氨酸引起腺病毒E2啟動子結(jié)合因子1(adenovirus E2 factor 1，E2F1)表達增加進而調(diào)控乳腺癌細胞的增殖[30]；另外，近期的研究發(fā)現(xiàn)PRMT4可以通過甲基化BAF155促進乳腺癌細胞的遷移和轉(zhuǎn)移[31]。

臨床研究發(fā)現(xiàn)，PRMT4的表達在前列腺癌、結(jié)直腸癌以及乳腺癌中明顯異常[4,6-7]。在結(jié)直腸癌組織中，PRMT4的表達顯著增加[6]。PRMT4不僅在前列腺癌組織中高表達，同時在前列腺上皮內(nèi)瘤中同樣可以發(fā)現(xiàn)PRMT4表達增加，而前列腺上皮內(nèi)瘤是前列腺癌的癌前病變[4,7]。同樣在乳腺癌中也發(fā)現(xiàn)PRMT4表達異常增高[7]，近期Cheng等[32]的研究發(fā)現(xiàn)在浸潤性乳腺癌中PRMT4表達顯著上調(diào)，且上調(diào)的水平與腫瘤分期以及人類表皮生長因子受體2、抑癌基因p53和增殖細胞核抗原Ki-67的表達呈正相關(guān)，提示PRMT4可能可以作為乳腺癌的一個判斷預(yù)后的因子。

2.4PRMT7PRMT7最初是在中國倉鼠細胞中被發(fā)現(xiàn)，其有2個亞型，PRMT7α和PRMT7β，PRMT7α在細胞質(zhì)和細胞核中均有表達，而PRMT7β僅在細胞質(zhì)中表達[17]。在人腫瘤細胞系中，僅HeLa和HuH7細胞株中發(fā)現(xiàn)一種PRMT7的表達，表達的PRMT7與PRMT7β同源。PRMT7具有Ⅱ型和Ⅲ型精氨酸甲基轉(zhuǎn)移酶的活性，PRMT7催化生成的單甲基精氨酸推測可能作為其他PRMTs的反應(yīng)中產(chǎn)物。盡管目前對PRMT7準確的生物學功能認識有限，但研究顯示PRMT7與腫瘤相關(guān)，降解PRMT7可以增強HeLa細胞對喜樹堿(一種抗癌藥物)的敏感性[33]；目前唯一識別出的可以與PRMT7相互作用的蛋白11-鋅指蛋白是一種典型的致癌基因[34]。

3展望

腫瘤是除心、腦血管疾病之外人類死亡的又一主要原因，同時對于某些腫瘤而言目前仍然缺乏有效的治療手段，因此迫切需要尋找新的、重要的干預(yù)靶點。大量研究顯示，PRMTs不僅在生物體內(nèi)發(fā)揮多種基礎(chǔ)的生理作用，而且在腫瘤發(fā)生、發(fā)展及侵襲過程中同樣起重要作用，這使PRMTs在未來極有希望成為腫瘤干預(yù)治療的一個新靶點。盡管目前尚無針對性的藥物開發(fā)，且存在諸多困難，但相信隨著更多有關(guān)PRTMs在腫瘤中的作用、機制以及針對性藥物研究的開展，PRMTs治療腫瘤可以成為現(xiàn)實。

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Protein Arginine Methyltransferases and Cancer Interventional TherapyMAMiao-miao,CHAORen-xian. (DepartmentofEndocrinology,theFirstAffiliatedHospital,UniversityofSouthChina,Hengyang421001,China)

Abstract:Finding an effective intervention cancer target is important for the patients.Protein arginine methyltransferases(PRMTs) are the unique and critical enzymes which catalyze the methylation of protein substrates arginine residues,participate in a variety of important basic cell metabolic processes.Recent studies have found that PRMTs take part in the occurrence and development of cancer via promoting catalyzing the methylation of arginine residues, and the expression level of PRMTs can serve as a prognosis evaluating factor for cancer.These results indicate that it may bring clinical benefits to the tumor patients through targeted intervention of PRMTs.

Key words:Protein arginine methyltransferases; Arginine methylation; Cancer; Interventional therapy

收稿日期：2015-01-04修回日期：2015-03-06編輯：相丹峰

基金項目：國家自然科學基金(81372824)

doi：10.3969/j.issn.1006-2084.2015.09.020

中圖分類號:R730.22

文獻標識碼：A

文章編號：1006-2084(2015)09-1589-03