正性調(diào)節(jié)區(qū)鋅指蛋白8的研究進(jìn)展

路兆寧，顏景斌

·綜述·

正性調(diào)節(jié)區(qū)鋅指蛋白8的研究進(jìn)展

路兆寧，顏景斌

正性調(diào)節(jié)區(qū)鋅指蛋白8（PR domain zinc finger protein 8，PRDM8）是PRDM家族中非常具有代表性的蛋白，它擁有典型的PR結(jié)構(gòu)域和鋅指結(jié)構(gòu)，是神經(jīng)系統(tǒng)發(fā)育和睪丸發(fā)育中重要的調(diào)控因子。

PRDM名稱來源于N端保守的結(jié)構(gòu)域——PR結(jié)構(gòu)域（PR domain）［1］。PR結(jié)構(gòu)域最初是在正性調(diào)節(jié)區(qū)I-結(jié)合因子1（positive regulatory domain I-binding factor 1，PRDI-BF1）和視網(wǎng)膜母細(xì)胞瘤蛋白質(zhì)結(jié)合的鋅指蛋白1（retinoblastoma protein-interacting zinc finger protein 1，RIZ1）兩個(gè)蛋白（現(xiàn)在常分別稱為PRDM1、PRDM2）中發(fā)現(xiàn)，從而被命名為PR（PRDI-BF1-RIZ1 homologous）domain［2］。

PRDM家族在進(jìn)化過程中行使的功能逐漸專業(yè)化。PRDM基因最初出現(xiàn)在多細(xì)胞動物中，在脊椎動物中其家族成員不斷擴(kuò)大，在人類基因組中共有17個(gè)基因編碼該家族蛋白［3］。該家族在基因表達(dá)調(diào)控和信號轉(zhuǎn)導(dǎo)等過程中起著非常重要的作用，與細(xì)胞的增殖調(diào)控、分化、發(fā)育等密切相關(guān)，癌癥以及一些其他疾病也與其家族中某些成員的異常有關(guān)［1，4］。

1 PRDM蛋白概述

1.1 PRDM蛋白的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

PRDM蛋白家族具有兩個(gè)顯著的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)——PR結(jié)構(gòu)域和不等數(shù)量的鋅指結(jié)構(gòu)（zinc fingers），此外有些成員還具有鋅關(guān)節(jié)（zinc knuckle）［1］（圖1）。

⑴PR結(jié)構(gòu)域。PR結(jié)構(gòu)域是一段長約130個(gè)氨基酸的同源域，大多數(shù)位于蛋白質(zhì)的N端。該結(jié)構(gòu)域的氨基酸有20%～30%與SET［Su（var）3-9，E（z）and trithorax］結(jié)構(gòu)域一致［5-6］。大部分SET結(jié)構(gòu)域蛋白都具有組蛋白甲基轉(zhuǎn)移酶（histone methyltransferase，HMT）活性［7］。然而只有PRDM2、PRDM8和PRDM9的PR結(jié)構(gòu)域具有HMT活性［8-10］。

⑵鋅指結(jié)構(gòu)域。除了PRDM11外，其他所有的PRDM家族成員都具有數(shù)量不等的鋅指結(jié)構(gòu)［11］。鋅指結(jié)構(gòu)介導(dǎo)PRDM與DNA和蛋白相互作用：已證實(shí)PRDM1、3、4、5、9、14和16能夠通過鋅指結(jié)構(gòu)進(jìn)行序列特異性的DNA結(jié)合；一些成員通過鋅指結(jié)構(gòu)募集組蛋白修飾酶［12-13］。

⑶鋅關(guān)節(jié)。鋅關(guān)節(jié)是一段長約20個(gè)氨基酸的基序，因含有半胱氨酸和組氨酸，所以能結(jié)合鋅離子。鋅關(guān)節(jié)位于PR結(jié)構(gòu)域之前，存在于PRDM4、6、7、9、10、11和15中，很可能參與蛋白-蛋白相互作用［14］。

圖1 人類PRDM蛋白結(jié)構(gòu)示意圖［1］

1.2 PRDM蛋白的作用方式

目前的研究顯示，PRDM蛋白家族主要通過以下三種方式來行使功能。

⑴內(nèi)在的HMT活性。具有HMT活性的PRDM成員直接對靶基因的染色質(zhì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行修飾，從而調(diào)控基因的表達(dá)［4］。PRDM2和PRDM8通過催化組蛋白H3K9的二甲基化（H3K9me2）來抑制基因的表達(dá)，而PRDM9通過催化H3K4me3來激活基因的表達(dá)［8-10］。PRDM3和PRDM16催化的H3K9me1對于維持哺乳動物異染色質(zhì)的完整性是必需的［15］。

⑵結(jié)合染色質(zhì)編輯器。一部分成員通過與染色質(zhì)編輯器（能夠修飾染色質(zhì)結(jié)構(gòu)進(jìn)而控制基因表達(dá)的蛋白［16］）結(jié)合，完成對染色質(zhì)的修飾，實(shí)現(xiàn)基因表達(dá)調(diào)控（表1）［1，13］。PRDM家族募集的染色質(zhì)修飾酶包括HMT、組蛋白去乙?；浮⒔M蛋白乙酰轉(zhuǎn)移酶等，大部分通過對染色質(zhì)的修飾而抑制轉(zhuǎn)錄［13］。

表1 PRDM酶活性和結(jié)合蛋白［12］

⑶與其他蛋白結(jié)合。除了與染色質(zhì)編輯器結(jié)合外，PRDM蛋白還能與許多蛋白相互作用（表1），從而調(diào)控基因表達(dá)，參與信號轉(zhuǎn)導(dǎo)等［12］。

2 PRDM8

2.1 PRDM8基因的結(jié)構(gòu)

人PRDM8基因位于4q21，全長19 060 bp，包含10個(gè)外顯子和9個(gè)內(nèi)含子。PRDM8具有兩個(gè)轉(zhuǎn)錄本：轉(zhuǎn)錄本1包括所有的外顯子；轉(zhuǎn)錄本2包括內(nèi)含子6的一部分及之后的外顯子。兩個(gè)轉(zhuǎn)錄本表達(dá)同一個(gè)全長689個(gè)氨基酸的蛋白。PRDM8中PR結(jié)構(gòu)域位于蛋白的N端，一個(gè)鋅指結(jié)構(gòu)緊隨PR結(jié)構(gòu)域之后，另兩個(gè)位于蛋白的C端（圖1）。

小鼠的PRDM8基因位于5號染色體，全長6580 bp，包含4個(gè)外顯子和3個(gè)內(nèi)含子。只有一個(gè)轉(zhuǎn)錄本，表達(dá)的蛋白全長688個(gè)氨基酸。該基因在脊椎動物中是保守的，人類與小鼠的DNA序列一致性達(dá)86.2%；而氨基酸序列一致性更是高達(dá)90.4%。因此常以小鼠為工具，對PRDM8的功能進(jìn)行研究。

2.2 PRDM8蛋白的表達(dá)

PRDM8的表達(dá)具有組織特異性和時(shí)空特異性。蛋白主要在成熟和發(fā)育的神經(jīng)系統(tǒng)中表達(dá)，此外在肺、睪丸、骨骼肌等組織中也有表達(dá)［9，25-26］。PRDM8蛋白的時(shí)空特異性表達(dá)主要在發(fā)育的中樞神經(jīng)系統(tǒng)中體現(xiàn)。

⑴在視網(wǎng)膜中，PRDM8在內(nèi)核層和神經(jīng)節(jié)細(xì)胞層的有絲分裂后神經(jīng)元中表達(dá)，當(dāng)視網(wǎng)膜發(fā)育完成后，主要限制在視桿雙極細(xì)胞中表達(dá)；

⑵在脊髓中，起初PRDM8在腹側(cè)中間神經(jīng)元和運(yùn)動神經(jīng)元的祖先細(xì)胞中表達(dá)，后來在腹側(cè)中間神經(jīng)元（包括V2a）中表達(dá)；

⑶在胎腦中，PRDM8在大腦皮層中間區(qū)和皮質(zhì)板中的有絲分裂后神經(jīng)元中表達(dá)；

⑷在出生后的腦中，PRDM8主要在大腦皮層的第四層神經(jīng)元中表達(dá)。

這些結(jié)果表明，在神經(jīng)發(fā)育過程中，PRDM8的表達(dá)受嚴(yán)格的時(shí)空特異性調(diào)控，除脊髓外，主要限制在有絲分裂后神經(jīng)元［26］。PRDM8的組織特異性和時(shí)空特異性表達(dá)表明它在特定組織和特定發(fā)育時(shí)期發(fā)揮著重要作用。

2.3 PRDM8的生物學(xué)功能

PRDM8在多種組織中都有表達(dá)，目前發(fā)現(xiàn)它主要是在神經(jīng)系統(tǒng)發(fā)育和睪丸發(fā)育中起重要的作用，主要體現(xiàn)在以下四個(gè)方面。

⑴以轉(zhuǎn)錄抑制因子的形式參與神經(jīng)回路的裝配。Bhlhb5同源二聚體結(jié)合在序列特異性的DNA調(diào)控元件上，然后募集PRDM8，形成轉(zhuǎn)錄抑制復(fù)合物，抑制靶基因的表達(dá)，從而保證神經(jīng)回路的正確形成（圖2）。

圖2 PRDM8與Bhlhb5作用機(jī)制示意圖［27］

Bhlhb5屬于bHLH（basic helix-loop-helix）轉(zhuǎn)錄因子，可以與八核苷酸保守基序——CATATGNTNT結(jié)合。PRDM8與Bhlhb5的相互作用對于抑制復(fù)合物的功能是至關(guān)重要的。當(dāng)小鼠缺少其中任何一種蛋白，都會出現(xiàn)極為類似的表型，包括腦端背側(cè)神經(jīng)元軸突的錯誤定位和非正常的類癢行為。

鈣黏著蛋白Cdh11是一種細(xì)胞-細(xì)胞黏著分子，參與神經(jīng)回路的裝配，是PRDM8/Bhlhb5抑制復(fù)合物重要的靶基因之一。當(dāng)Bhlhb5缺陷小鼠缺少Cdh11時(shí)，上面提到的兩種表型會得到明顯的改善，這一結(jié)果表明Cdh11是抑制復(fù)合物的靶基因。由此可見，PRDM8作為Bhlhb5必需的伴侶共同形成抑制復(fù)合物，通過對Cdh11的精確調(diào)控，在某種程度上指導(dǎo)神經(jīng)回路的裝配［27］。

⑵在端腦發(fā)育時(shí)受Notch-Hes信號通路的調(diào)控。Notch-Hes信號通路對于調(diào)控哺乳動物的神經(jīng)發(fā)育是一個(gè)至關(guān)重要的機(jī)制。在哺乳動物皮質(zhì)神經(jīng)形成時(shí)，高水平的Notch-Hes信號通路通過上調(diào)bHLH效應(yīng)器Hes1和Hes5來維持神經(jīng)前體細(xì)胞。尤其是Hes1，不僅維持神經(jīng)前體細(xì)胞的一致性而且會抑制以Ngn2（neurogenin2）為代表的原神經(jīng)基因表達(dá)。這些前神經(jīng)因子驅(qū)使前體細(xì)胞離開細(xì)胞周期，開始神經(jīng)分化。因此，Hes活性的缺失會導(dǎo)致原神經(jīng)基因表達(dá)的上調(diào)，從而導(dǎo)致神經(jīng)過早地形成。

通過分析Hes（Hes1、2和5）cTKO突變體小鼠的端腦發(fā)現(xiàn)：與野生型相比，PRDM8和Ngn2的表達(dá)大幅增加。這說明，與Ngn2一樣，PRDM8的表達(dá)水平也會受到Hes抑制，而且PRDM8可能也會在短暫的神經(jīng)發(fā)育過程中得到激活［11］。

⑶在大腦新皮層發(fā)育過程中，調(diào)控神經(jīng)元多極階段的形態(tài)轉(zhuǎn)變。在神經(jīng)元多級階段的晚期和末期，PRDM8主要在大腦皮層中間區(qū)的中間和上方表達(dá)，其表達(dá)幾乎與一個(gè)晚期多極階段的標(biāo)記物Unc5D一致，只是Unc5D的表達(dá)逐漸下調(diào)而PRDM8的表達(dá)逐漸上調(diào)，該表達(dá)模式預(yù)示著PRDM8可能參與晚期和末期神經(jīng)元多極階段的調(diào)控，即控制形態(tài)轉(zhuǎn)變的時(shí)間。

通過對大腦新皮層發(fā)育的功能獲得和缺失分析發(fā)現(xiàn)，PRDM8敲除導(dǎo)致神經(jīng)元多極形態(tài)過早地向雙極形態(tài)轉(zhuǎn)變，而過表達(dá)PRDM8則維持多極形態(tài)。此外，出生后分析顯示，PRDM8敲除會增加早期新生神經(jīng)元的數(shù)量，使得已分化神經(jīng)元位于大腦新皮層的更深處，而且這些細(xì)胞中的大多數(shù)沒有獲得與層狀位置相應(yīng)的分子特點(diǎn)。通過對表達(dá)的分析得到，過表達(dá)PRDM8會上調(diào)或下調(diào)一些主要在神經(jīng)元多級階段的晚期和末期表達(dá)的基因。這些結(jié)果表明，PRDM8通過調(diào)控一些基因的表達(dá)實(shí)現(xiàn)對神經(jīng)元從多極形態(tài)到雙極形態(tài)轉(zhuǎn)變的控制［28］。

⑷以組蛋白甲基轉(zhuǎn)移酶（H3K9）活性調(diào)控小鼠睪丸類固醇合成。當(dāng)PRDM8過表達(dá)時(shí)，類固醇合成的標(biāo)記基因p450c17（屬于細(xì)胞色素P450家族成員）和促黃體生成激素受體（luteinizing hormone receptor，LHR）的表達(dá)受抑制。

睪丸發(fā)育和精子形成是由內(nèi)分泌激素控制，例如促性腺激素中的促黃體生成激素（LH）促進(jìn)間質(zhì)細(xì)胞類固醇的合成。間質(zhì)細(xì)胞中類固醇合成起始于膽固醇向線粒體的轉(zhuǎn)移，該過程受類固醇合成快速調(diào)節(jié)蛋白、細(xì)胞色素P450家族、3β-羥基類固醇脫氫酶等類固醇合成酶和LHR的調(diào)控。

體外組蛋白甲基轉(zhuǎn)移酶實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，PRDM8具有H3K9甲基轉(zhuǎn)移酶活性，其活性主要由PR結(jié)構(gòu)域產(chǎn)生，會起到轉(zhuǎn)錄抑制的作用。當(dāng)用LH處理小鼠間質(zhì)細(xì)胞（TM3細(xì)胞系）刺激類固醇合成時(shí)，PRDM8的過表達(dá)導(dǎo)致p450c17和LHR的表達(dá)大幅度下調(diào)；而過表達(dá)失去甲基轉(zhuǎn)移酶活性的PRDM8缺失突變體，抑制程度就沒有那么明顯。這說明在LH信號通路中，PRDM8利用組蛋白甲基轉(zhuǎn)移酶活性，通過抑制類固醇合成標(biāo)記基因p450c17和LHR的轉(zhuǎn)錄，對睪丸的發(fā)育進(jìn)行調(diào)控［9］。

2.4 PRDM8與疾病發(fā)生的關(guān)系

2.4.1 PRDM8與早發(fā)型Lafora小體病有文獻(xiàn)報(bào)道PRDM8與早發(fā)型Lafora小體病（early-onset lafora body disease）有關(guān)。PRDM8蛋白通過與磷酸酶laforin和泛素連接酶malin相互作用，引起這兩種蛋白向核內(nèi)轉(zhuǎn)移。而這兩種蛋白是在細(xì)胞質(zhì)中行使功能，調(diào)控糖原的構(gòu)建，當(dāng)糖原構(gòu)建出現(xiàn)問題產(chǎn)生沉淀時(shí)就形成lafora小體。早發(fā)型Lafora小體病患者的PRDM8發(fā)生突變——c.781T＞C（Phe261Leu），導(dǎo)致laforin和malin過度地集中于核內(nèi)，而細(xì)胞質(zhì)中的含量明顯不足，會導(dǎo)致該病的發(fā)生［29］。

2.4.2 PRDM8與唐氏綜合征唐氏綜合征又稱21三體綜合征，是由于多了一整條或大部分21號染色體引起的?？赡艿闹虏C(jī)制包括特定劑量敏感基因的過表達(dá)、非編碼調(diào)控元件的失控、非21號染色體基因的異常表達(dá)和表觀遺傳影響等［30］。我們利用DNA甲基化芯片對唐氏綜合征患者的甲基化修飾進(jìn)行研究時(shí)發(fā)現(xiàn)，唐氏綜合征患者的PRDM8甲基化程度明顯高于正常對照，并可能對其轉(zhuǎn)錄產(chǎn)生影響。神經(jīng)系統(tǒng)異常引起的智力低下是唐氏綜合征患者最主要的癥狀，部分男性患者還存在生育障礙，這些癥狀均與PRDM8的生物學(xué)功能存在一定關(guān)聯(lián)，兩者之間的相關(guān)性還需要我們進(jìn)一步的研究。

3 結(jié)語

PRDM蛋白家族的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)決定了其行使功能的方式，令人感興趣的是，盡管PR結(jié)構(gòu)域與SET甲基轉(zhuǎn)移酶結(jié)構(gòu)域類似，但是到目前為止只確認(rèn)3個(gè)成員的PR結(jié)構(gòu)域具有組蛋白甲基轉(zhuǎn)移酶活性，或許其他成員中的PR結(jié)構(gòu)域主要在蛋白結(jié)合上發(fā)揮重要作用。PRDM8主要在神經(jīng)系統(tǒng)中表達(dá)，其功能主要通過組蛋白甲基轉(zhuǎn)移酶活性或者與其他蛋白相互作用產(chǎn)生。PRDM8蛋白實(shí)現(xiàn)時(shí)空特異性表達(dá)的分子機(jī)制及在神經(jīng)發(fā)育和睪丸發(fā)育中所起的作用還有待探索，是否還有其他的功能仍需要人們進(jìn)一步研究與發(fā)現(xiàn)。

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10.3969/cmba.j.issn.1673-713X.2015.01.014

上海市科委基礎(chǔ)研究重點(diǎn)項(xiàng)目（11JC1411000）

200040上海交通大學(xué)附屬兒童醫(yī)院/上海市兒童醫(yī)院/上海交通大學(xué)醫(yī)學(xué)遺傳研究所

顏景斌，Email：yanjingbin0130@hotmail.com

2014-04-15