正性調(diào)節(jié)區(qū)鋅指蛋白14的研究進展

韓玉棟 林強

PRDM源于N端保守的結(jié)構(gòu)域，即PR結(jié)構(gòu)域。PR結(jié)構(gòu)域最初是在視網(wǎng)膜母細胞瘤蛋白質(zhì)結(jié)合的鋅指蛋白1（retinoblastoma protein-interacting zinc finger protein 1, RIZ1）和正性調(diào)節(jié)區(qū)I-結(jié)合因子1（positive regulatory domain I-binding factor 1, PRDI-BF1）兩個蛋白中發(fā)現(xiàn)，因而被命名為 PR（PRDI-BF1-RIZ1 homologous）domain[1]。PRDM基因家族大多數(shù)是抑癌基因，PRDM基因家族與人類許多疾病的發(fā)生發(fā)展密切相關(guān)[2]。PRDM基因源于多細胞動物，首先在脊椎動物中進行擴展，然后在靈長類動物中進一步復(fù)制[3]。到目前為止，已經(jīng)在人體組織細胞中發(fā)現(xiàn)17個PRDM基因家族成員，分別命名為PRDM1-17[3]，PRDM家族的已知基因基本定位在腫瘤細胞中缺失的染色體區(qū)域。PRDM蛋白是Ca2+依賴磷脂結(jié)合蛋白，在許多生理和病理過程中都發(fā)揮著重要作用。這些蛋白的C-末端包含四個由氨基酸殘基組成的重復(fù)序列，N-末端是蛋白修飾位點和作用位點。

1 PRDM簡述

1.1 PRDM蛋白的結(jié)構(gòu)特點 PR結(jié)構(gòu)域和不等數(shù)量的鋅指結(jié)構(gòu)是PRDM家族的兩個顯著特點，鋅關(guān)節(jié)也出現(xiàn)在部分PRDM蛋白中。

PR結(jié)構(gòu)域是一段同源域，長約130個氨基酸，基本上位于蛋白質(zhì)的N端。該結(jié)構(gòu)域中有20%-30%的氨基酸與SET（Su(var)3-9,E(z) and trithorax）結(jié)構(gòu)域一致[4]。在大多數(shù)SET結(jié)構(gòu)域蛋白中已經(jīng)檢測到組蛋白甲基轉(zhuǎn)移酶（histone methyltransferase, HMT）活性[5]，但是PR結(jié)構(gòu)域具有組蛋白甲基轉(zhuǎn)移酶活性的只有PRDM2、PRDM8和PRDM9[6]，有些PRDM蛋白（不具有HMT活性）可與一些酶作用，這些酶能夠催化組蛋白甲基化，有些PRDM蛋白催化染色體翻譯后修飾，在基因表達的表觀遺傳調(diào)控中發(fā)揮了重要作用。

基本上所有的PRDM家族成員都具有數(shù)量不等的鋅指結(jié)構(gòu)（除PRDM11外）[7]。PRDM與脫氧核糖核酸（deoxyribonucleic acid, DNA）和蛋白相互作用主要由鋅指結(jié)構(gòu)介導(dǎo)，已證實PRDM1、PRDM3、PRDM4、PRDM5、PRDM9、PRDM14和PRDM16能夠利用鋅指結(jié)構(gòu)與DNA進行序列特異性的結(jié)合，組蛋白修飾酶的募集也可以通過鋅指結(jié)構(gòu)實現(xiàn)[8,9]。

鋅關(guān)節(jié)是一段長約20個氨基酸基序，鋅關(guān)節(jié)能結(jié)合鋅離子主要是因為含有半胱氨酸和組氨酸。PRDM4、PRDM6、PRDM7、PRDM9、PRDM10、PRDM11和PRDM15中都存在鋅關(guān)節(jié)，鋅關(guān)節(jié)可能參與蛋白-蛋白相互作用，位于PR 結(jié)構(gòu)域之前[10]。

1.2 PRDM蛋白的作用特點 國內(nèi)外研究證實，PRDM蛋白家族行使功能的方式主要有以下三種。有些PRDM蛋白有內(nèi)在的組蛋白甲基轉(zhuǎn)移酶（histone methyltransferase,HMT）活性，這些PRDM蛋白可以對靶基因的染色質(zhì)結(jié)構(gòu)進行直接修飾，以此來實現(xiàn)基因的表達調(diào)控[11]。PRDM2和PRDM8主要是通過催化組蛋白H3K9的二甲基化（H3K9me2）來抑制基因表達，而基因表達的激活主要通過PRDM9催化H3K4的三甲基化（H3K4me3）來實現(xiàn)[12]。哺乳動物異染色質(zhì)完整性的維持則依靠PRDM3和PRDM16催化的H3K9me1來實現(xiàn)[13]。

染色質(zhì)編輯器是能夠修飾染色質(zhì)結(jié)構(gòu)進而控制基因表達的蛋白[14]，其主要作用是通過與部分PRDM蛋白的結(jié)合來修飾染色質(zhì)，實現(xiàn)基因表達調(diào)控[2,9]。PRDM家族募集的染色質(zhì)修飾酶能夠抑制基因轉(zhuǎn)錄，該功能主要通過修飾酶對染色質(zhì)的修飾來實現(xiàn)，這些修飾酶主要包括組蛋白去乙?；?、組蛋白乙酰轉(zhuǎn)移酶及組蛋白甲基轉(zhuǎn)移酶等。

除了上面兩種作用方式以外，許多其他蛋白也能與PRDM蛋白相互作用[8]，如CtBP、Gata1、Jnk、Runx1、Smad1/Smad2、Smad3、Pu1、Pax2、Yy1、Fos、C/EBP β等，主要參與了信號轉(zhuǎn)導(dǎo)及基因表達的調(diào)控。

2 PRDM14在干細胞中的作用

具有1個PR結(jié)構(gòu)域和6個鋅指結(jié)構(gòu)的PRDM14蛋白是PRDM家族中重要的成員，PRDM14定位于染色體8q13.3上。通過對基因芯片的鑒定顯示在未分化的人類胚胎干細胞中有PRDM14的表達[15]，PRDM14通過調(diào)節(jié)表觀遺傳學(xué)重編程和潛在全能性的獲得來影響生殖細胞的特化及發(fā)育[16]。

多項研究[16-19]發(fā)現(xiàn)PRDM14是在生殖相關(guān)細胞系中最早特異性表達的基因，主要在原始生殖細胞和某些多能性干細胞中表達，在進化過程中高度保守，該基因的主要作用是維持生殖細胞的發(fā)育及多能性。PRDM14在成體組織中不表達，僅在胚胎干細胞（embryonic stem cell, ESC）和胚胎生殖細胞（embryonic germ cell, EGC）中低表達[19]。

在生殖細胞發(fā)育過程中PRDM14有特異性表達。在小鼠囊胚原始細胞團（胚胎期第3.5天）中PRDM14有暫時而微弱的表達，大約在第5.5天PRDM14表達消失。之后在第6.5天PRDM14又在PRDM14陽性前體細胞中表達，一直在原始生殖細胞中持續(xù)表達至13.5天-14.5天，表達模式在雄性和雌性中沒有差異[20,21]。將小鼠的PRDM14敲除后小鼠胚胎生長沒有異常，成體器官也正常，但是雌性和雄性均喪失生育能力，導(dǎo)致在卵巢和睪丸內(nèi)沒有發(fā)現(xiàn)生殖細胞[22]。PRDM14敲除小鼠的Sox2表達也受到影響，而Sox2是維持細胞多能性的重要轉(zhuǎn)錄因子；發(fā)育多能性相關(guān)蛋白3（也稱為Stella）是原始生殖細胞特異性表達的基因，PRDM14敲除后該基因的表達也不能上調(diào)。PRDM14的缺失導(dǎo)致全能性恢復(fù)的關(guān)鍵蛋白不能表達[23]。

PRDM14能夠影響早期生殖細胞的重編程。隨著原始生殖細胞的發(fā)育，DNA甲基轉(zhuǎn)移酶（DNA methyltransferase, DNMT）的活性下降，引起了DNA的去甲基化[24]。相反，在PRDM14缺失的原始生殖細胞中，參與合成DNMT的基因的表達開始上調(diào)，如Dnmt3b。在PRDM14缺失的原始生殖細胞中Uhrf1（ubiquitin-like, containing PHD and RING finger domains 1）基因表達升高，該基因是維持Dnmt3b甲基轉(zhuǎn)移酶活性的重要因子[25]。有研究[26]表明，為了確保生殖系基因的表達和PGC體細胞程序的抑制，PRDM14抑制了DNA甲基化和細胞外信號調(diào)節(jié)激酶（extracellular regulated kinase, ERK）的活性，下調(diào)了成纖維細胞生長因子受體2（fibroblast growth factor receptor 2, FGFR2）的表達。PRDM14缺失的原始生殖細胞不能抑制組蛋白賴氨酸甲基轉(zhuǎn)移酶Glp的活性，導(dǎo)致H3K9me2高水平表達，而H3K9me2在正常生殖細胞的第8.5天開始下調(diào)。這種表觀遺傳重編程對于生殖細胞保持潛在的全能性是非常重要的[27]。

在原始生殖細胞形成胚胎生殖細胞過程中，PRDM14發(fā)揮了重要作用，細胞多能性會隨PRDM14缺失而喪失。原始生殖細胞在一定的培養(yǎng)條件下可去分化成為多能性胚胎生殖細胞。PRDM14陽性的小鼠胚胎原始生殖細胞能形成胚胎生殖細胞樣克隆，而PRDM14陰性的小鼠胚胎原始生殖細胞則不能形成胚胎生殖細胞樣克隆[28]。

3 PRDM14與腫瘤的關(guān)系

3.1 PRDM14與肺癌 肺癌的發(fā)生是多步驟的過程，涉及癌基因的激活和抑癌基因的失活。除了基因水平上的突變、缺失等，表觀遺傳學(xué)的改變，特別是DNA啟動子區(qū)和CpG島區(qū)域的異常甲基化是導(dǎo)致抑癌基因失活和癌基因激活的重要原因。由于表觀遺傳學(xué)的改變常發(fā)生于遺傳學(xué)改變之前，因此在肺癌發(fā)生的早期就可能檢測到抑癌基因和癌基因的異常甲基化，這對于肺癌的早期診斷具有重要意義。

PRDM14通過啟動子區(qū)甲基化水平的改變參與肺癌形成[2]，甲基化通常發(fā)生在基因的啟動子區(qū)和CpG島，能夠引起染色質(zhì)結(jié)構(gòu)、DNA構(gòu)象及DNA與蛋白質(zhì)作用方式的改變，使基因的轉(zhuǎn)錄和表達受抑制[29]。DNA的異常甲基化是癌基因和抑癌基因表達異常的重要機制，也是真核細胞基因組常見的表觀遺傳修飾。腫瘤發(fā)生相關(guān)基因啟動子CpG島異常甲基化是腫瘤發(fā)生早期的重要分子事件[30]。

PRDM14參與組氨酸的去乙?；图谆^程，這可能是PRDM14參與肺癌發(fā)生發(fā)展的機制之一。研究證實PRDM14的表達水平隨著肺癌分化程度的升高而升高，推測該基因可能在肺癌發(fā)生的早期起作用，促進細胞增殖。隨著肺癌進展和分化不良，PRDM14蛋白表達下調(diào)，可能是由于PR結(jié)構(gòu)域的CpG島發(fā)生了甲基化進而抑制了PRDM14 mRNA的表達。研究顯示PRDM14是致癌基因，轉(zhuǎn)染PRDM14基因到A549細胞中明顯促進細胞克隆形成及體內(nèi)致瘤性，細胞增殖和遷移能力都得到了增強。甲基化焦磷酸測序顯示PRDM14在早期肺癌組織中甲基化水平降低，mRNA表達量升高，而在癌旁組織甲基化水平升高，mRNA表達量降低，這與PRDM14在早期肺癌標(biāo)本中的免疫組化結(jié)果吻合：癌組織高表達，癌旁組織低表達。說明PRDM14異常甲基化在早期肺癌的發(fā)生中起了關(guān)鍵作用，具體機制尚需進一步的研究。

國內(nèi)學(xué)者[31]分析了非小細胞肺癌患者癌組織中PRDM14的表達水平，結(jié)果顯示PRDM14在原發(fā)腫瘤樣本和伴有淋巴轉(zhuǎn)移的樣本中表達量增加，腫瘤分化程度越高，PRDM14的表達量越高。最新一項研究顯示，PRDM14通過細胞外基質(zhì)降解促進肺癌細胞轉(zhuǎn)移。在這項研究中，PRDM14感染的A549細胞遷移能力明顯增強?；|(zhì)金屬蛋白酶（matrix metalloproteinases,MMPs）的功能受其組織抑制因子（tissue inhibitor of metalloproteinases, TIMPs）的調(diào)控，研究發(fā)現(xiàn)受PRDM14-shRNA轉(zhuǎn)染的A549細胞MMP1表達上調(diào)，而TIMP1和TIMP2表達下調(diào)。MMP1上調(diào)和TIMP1/2的下調(diào)促進了細胞外基質(zhì)的降解，間接促進了腫瘤細胞的遷移[32]。

3.2 PRDM14與乳腺癌 Nishikawa等[33]研究發(fā)現(xiàn)乳腺癌組織中PRDM14往往過表達，而PRDM14在正常乳腺組織里幾乎沒有表達。這些異常表達的PRDM14促進了腫瘤細胞的侵襲生長，降低了乳腺癌細胞對化療藥物的敏感性。有研究發(fā)現(xiàn)PRDM14的第二內(nèi)含子DNA甲基化水平升高。抑制PRDM14的表達能誘導(dǎo)乳腺癌細胞凋亡，并增加其對化療藥物的敏感性，提示PRDM14可能是乳腺癌治療的有效靶點。

PRDM14除與肺癌和乳腺癌有關(guān)外，還和宮頸癌等有關(guān)，且作用機制和甲基化相關(guān)[34]。

4 總結(jié)

PRDM14作為PRDM家族的重要成員，在調(diào)節(jié)胚胎干細胞潛在全能性的獲得及表觀遺傳學(xué)重編程、影響生殖細胞特化和發(fā)育中發(fā)揮了重要作用[35]。PRDM14在腫瘤中的功能研究尚處于起步階段，該基因異常甲基化與腫瘤發(fā)生、發(fā)展及轉(zhuǎn)移的分子機制相關(guān)研究還不夠深入，PRDM14在腫瘤干細胞及腫瘤耐藥方面的研究尚少，尤其要深入研究其中的分子機制。PRDM14的表達和甲基化狀態(tài)與腫瘤的臨床病理、分期與轉(zhuǎn)移復(fù)發(fā)的相關(guān)性還需要大樣本前瞻性研究來闡明。