組蛋白H3K27去甲基化酶UTX在腫瘤研究中的作用

楊　贇　黃　艷

(上海市第一人民醫(yī)院分院內(nèi)科，上海　200081)

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組蛋白H3K27去甲基化酶UTX在腫瘤研究中的作用

楊贇黃艷1

(上海市第一人民醫(yī)院分院內(nèi)科，上海200081)

〔關(guān)鍵詞〕腫瘤；組蛋白H3K27；去甲基化酶；UTX

組蛋白去甲基化酶在腫瘤的發(fā)生、發(fā)展中扮演重要的角色。到目前為止，發(fā)現(xiàn)2類(lèi)，一類(lèi)是單胺氧化酶，如組蛋白賴(lài)氨酸特異性去甲基化酶(LSD)1〔1〕；另一類(lèi)是需要鐵離子和α-酮戊二酸參與反應(yīng)的JmjC結(jié)構(gòu)域，如UTX和JMJD3，其標(biāo)準(zhǔn)名稱(chēng)分別為KDM6A和KDM6B，能特異性靶向組蛋白H3賴(lài)氨酸27位點(diǎn)二、三甲基化(H3K27me2/3)，使組蛋白去甲基化，參與介導(dǎo)H3K27 去甲基化的生理功能，包括生長(zhǎng)發(fā)育及代謝調(diào)節(jié)〔2～4〕。H3K27me2/3的組蛋白去甲基酶UTX與人類(lèi)腫瘤的關(guān)系被研究，UTX缺失與人類(lèi)多種癌癥的發(fā)生與發(fā)展密切相關(guān)〔5〕。本文就組蛋白H3K27去甲基化酶UTX的在腫瘤研究中的進(jìn)展簡(jiǎn)要綜述。

1組蛋白H3K27 me2/3去甲基化酶UTX

組蛋白甲基化修飾廣泛參與細(xì)胞分化、早期胚胎發(fā)育過(guò)程，甲基化調(diào)節(jié)酶發(fā)揮重要作用，其甲基化水平主要由組蛋白甲基轉(zhuǎn)移酶和去甲基化酶來(lái)調(diào)節(jié)，具有可逆性。H3K27甲基化是一個(gè)抑制基因轉(zhuǎn)錄的關(guān)鍵介質(zhì)，能引發(fā)重要的生物學(xué)功能；H3K27去甲基化酶可通過(guò)減少其靶基因啟動(dòng)子區(qū)域H3K27me2/3的甲基化水平，解除對(duì)基因的抑制進(jìn)而增強(qiáng)基因的表達(dá)〔6〕。細(xì)胞H3K27三甲基化(me3)水平的調(diào)節(jié)主要受Polycomb抑制復(fù)合物(PRC)2和H3K27me2/3去甲基化酶UTX和JMJD3調(diào)控〔7〕。UTX和JMJD3可通過(guò)其去甲基化酶活性先使H3K27去me3，再去me2，其去甲基化酶的活性依賴(lài)于JmjC結(jié)構(gòu)域，取決于與在JmjC結(jié)構(gòu)域結(jié)合鐵離子和α-酮戊二酸的能力，該過(guò)程需維生素C的輔助作用。JMJD3蛋白缺乏TPRs，這可能就是UTX和JMJD3在H3K27去甲基化作用中的重要區(qū)別〔8〕?？傊?，H3K27甲基化水平隨著細(xì)胞分化而變化，受去甲基化酶UTX的影響，其me3水平逐漸下降。

1.1組蛋白H3K27 me2/3去甲基化酶UTX的催化活性人的UTX基因，在X染色體上，位于Xp11.2，編碼的蛋白質(zhì)包含1 401個(gè)氨基酸殘基〔9〕。含有UTX的復(fù)合物參與H3K4me3甲基化繼而激活基因的表達(dá)，在基因轉(zhuǎn)錄中有H3K27me2/3去甲基化和H3K4甲基化之間的動(dòng)態(tài)平衡作用〔10〕。SWI/SNF重塑復(fù)合物可與H3K27me2/3去甲基化酶UTX、Jmjd3之間相互作用，促進(jìn)了潛在的不依賴(lài)于H3K27me2/3去乙?；傅娜旧|(zhì)重塑〔11〕。此外，UTX和JMJD3在功能上需要轉(zhuǎn)錄激活相關(guān)的轉(zhuǎn)錄因子T-box來(lái)轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)著細(xì)胞早期命運(yùn)、分化和器官的形成〔8〕。發(fā)育缺陷和疾病常伴有HOX基因表達(dá)異?！?2〕。在動(dòng)物細(xì)胞的分化中，HOX基因表達(dá)會(huì)受相反活性的物質(zhì)有序調(diào)節(jié)，即PRC2和UTX的調(diào)節(jié)〔13〕。除此之外，UTX 50%以上的富集在另一個(gè)組蛋白上，即H3K4me2，能激活基因的轉(zhuǎn)錄活性。UTX結(jié)合富集H3K4me2的基因網(wǎng)絡(luò)中，視網(wǎng)膜母細(xì)胞瘤(RB)基因網(wǎng)絡(luò)RB1、HBP1和RBBP4/5/6/9最為重要〔13〕。人類(lèi)成纖維細(xì)胞和小鼠胚胎成纖維細(xì)胞中UTX缺失，證明了來(lái)自RB基因網(wǎng)絡(luò)的基因啟動(dòng)子區(qū)域H3K27me3水平增高，導(dǎo)致RB網(wǎng)絡(luò)依賴(lài)的細(xì)胞周期的調(diào)控失衡，引起異位的細(xì)胞增殖，引起細(xì)胞周期停，最終引起腫瘤的發(fā)生〔13〕。

1.2組蛋白H3K27 me2/3去甲基化酶UTX的其他特性雌性有2條X染色體，其中一條因劑量補(bǔ)償效應(yīng)而沉默。劑量補(bǔ)償效應(yīng)是指X連鎖基因的表達(dá)水平在兩性間達(dá)到平衡，女性中的一條X染色體失活，是表觀遺傳機(jī)制之一。PRC2復(fù)合物受XIST的引導(dǎo)致X染色體失活，此處H3K27甲基化導(dǎo)致異染色質(zhì)形成和基因沉默〔14〕。UTX在雌性腦組織、肝臟組織、神經(jīng)和性器官中呈高表達(dá)，在這一系列的研究中，UTX調(diào)節(jié)X相關(guān)的同源基因Rhox6和Rhox9的表達(dá)，在雌性細(xì)胞中UTX介導(dǎo)更深層次的H3K27me3的去甲基化和轉(zhuǎn)錄這些同源基因的激活〔15〕。UTX控制干細(xì)胞自我更新和胚胎干細(xì)胞的分化，對(duì)胚胎的發(fā)育至關(guān)重要。多能是胚胎干細(xì)胞獨(dú)特的特點(diǎn)，早期發(fā)育階段胚胎誘導(dǎo)產(chǎn)生內(nèi)胚層、中胚層和外胚層，最終構(gòu)成成年生物體所有組織〔16〕。組蛋白H3K27 me3的去甲基化酶Utx在體外有效誘導(dǎo)或重新建立iPSC的多能性有著至關(guān)重要的作用，但是對(duì)維持其多能性是沒(méi)有作用的。UTX與H3K4甲基化和H3K27去甲基化之間的串?dāng)_交互作用相關(guān)，UTX在細(xì)胞分化中的起關(guān)鍵作用〔17〕。

2UTX在腫瘤中的作用

組蛋白甲基化水平異?？赡軐?dǎo)致癌基因激活，出現(xiàn)細(xì)胞癌變，組蛋白甲基化失調(diào)成為一個(gè)癌癥生物學(xué)研究的主要方向，包括H3K27甲基化的平衡。通過(guò)外顯子和全基因組測(cè)序的方式證實(shí)幾個(gè)白血病和實(shí)體瘤中失活的UTX突變和缺失。全外顯子組測(cè)序的癌癥基因圖譜提示在12種不同的腫瘤類(lèi)型的3281腫瘤組織中發(fā)現(xiàn)，127個(gè)重要的突變基因，其中就包括抑癌基因UTX。其中膀胱癌UTX突變率最高，主要發(fā)生在UTX的功能區(qū)域JmjC結(jié)構(gòu)域〔18〕。超過(guò)50%的膀胱癌患者的染色質(zhì)重塑基因表達(dá)異常，如UTX、CREBBP、EP300、ARID1A、CHD6、MLL1、MLL3和NCOR1。多發(fā)性骨髓瘤患者中也存在UTX突變，Trithorax復(fù)合物成分MLL1、MLL2和MLL3突變與HOXA9高表達(dá)相關(guān)聯(lián)，證實(shí)了UTX在HOX基因中的調(diào)節(jié)作用。UTX在腎癌組織過(guò)表達(dá)，癌旁組織表達(dá)量相對(duì)較低，其表達(dá)僅與病理分級(jí)相關(guān)〔19〕。慢性骨髓性白血病(CMML)的一項(xiàng)研究發(fā)現(xiàn)，盡管UTX和EZH2在H3K27me3調(diào)節(jié)中的作用相反，但是兩者在CMML中均功能喪失發(fā)生基因突變，在CMML患者樣品中這些突變以相互排斥的方式存在，UTX和EZH2缺陷分別與ASXL1和TET2缺失和突變相關(guān)，而這兩種基因也涉及基因表達(dá)的表觀遺傳調(diào)節(jié)，在同一疾病急性淋巴細(xì)胞白血病的背景下，UTX和JMJD3兩種蛋白質(zhì)具有相似的酶的功能可具有相反的作用〔20〕。雄性急性T淋巴細(xì)胞白血病具有較高的發(fā)病率，H3K27me3去甲基化轉(zhuǎn)移酶UTX是急性T淋巴細(xì)胞白血病中的抑癌基因，具有性別特異性與X染色體密切相關(guān)〔21〕。在膀胱癌組織中UTX的表達(dá)明顯減少，在體外具有增強(qiáng)癌細(xì)胞增殖的作用；而在體內(nèi)具有促進(jìn)腫瘤生長(zhǎng)及癌細(xì)胞遷徙的作用〔18〕。在乳腺癌細(xì)胞中，H3K27去甲基化酶UTX可激活細(xì)胞增殖相關(guān)基因的表達(dá)，與H3K4甲基轉(zhuǎn)移酶MLL4的C末端區(qū)域結(jié)合共同調(diào)節(jié)癌基因和促轉(zhuǎn)移基因；體外乳腺癌細(xì)胞中敲除UTX后癌細(xì)胞增殖和侵襲能力明顯降低。臨床乳腺癌患者UTX或MLL4高表達(dá)表明預(yù)后不良〔22〕。MLL2和UTX基因作為組蛋白修飾的重要基因被報(bào)道與癌腫的病理密切相關(guān)。到目前，6個(gè)歌舞伎綜合征被報(bào)道發(fā)展成不同類(lèi)型的腫瘤，如治療前B細(xì)胞、肝母細(xì)胞瘤、神經(jīng)母細(xì)胞瘤、伯基特淋巴瘤和纖維黏液肉瘤，被認(rèn)為是一種癌癥易感綜合征。更特異性的PRC2的抑制劑可用來(lái)治療因UTX突變引起的造血系統(tǒng)的腫瘤〔23〕。采用全外顯子和全基因組二代測(cè)序研究髓母細(xì)胞瘤發(fā)現(xiàn)，UTX、MLL2、MLL3等不同的染色質(zhì)調(diào)節(jié)子突變〔24〕。H3K27甲基轉(zhuǎn)移酶EZH2在髓母細(xì)胞瘤中高表達(dá)，H3K4me3調(diào)節(jié)子CHD7和ZMYM3失活也發(fā)生突變。在髓母細(xì)胞瘤中H3K27和H3K4甲基化異常是關(guān)鍵點(diǎn)〔22〕。在UTX突變的癌細(xì)胞系中UTX蛋白的表達(dá)降低，當(dāng)重新表達(dá)UTX后，在靶基因啟動(dòng)子區(qū)域H3K27me3水平降低，同時(shí)癌細(xì)胞的增殖被抑制〔25〕。以上研究表明，目前染色質(zhì)調(diào)節(jié)機(jī)制發(fā)生在一個(gè)經(jīng)常性的突變靶向在廣泛的癌癥類(lèi)型中，強(qiáng)調(diào)在正常組織中正確調(diào)節(jié)染色質(zhì)重塑動(dòng)態(tài)平衡的重要性。

3展望

腫瘤相關(guān)的UTX基因突變機(jī)制研究尚未完全闡明。UTX在腫瘤發(fā)生發(fā)展過(guò)程中不僅僅發(fā)揮去甲基化酶的作用，可能還參與其他更加廣泛的調(diào)節(jié)網(wǎng)絡(luò)，還有待進(jìn)一步的深入研究。組蛋白H3K27 去甲基化酶與腫瘤發(fā)生的研究對(duì)癌癥發(fā)展過(guò)程有了更好的理解，組蛋白其他修飾作用或參與去甲基化酶UTX的調(diào)節(jié)，基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)可以為機(jī)制研究的深入提供可能，但臨床上腫瘤發(fā)生、發(fā)展和預(yù)后等潛在的表觀遺傳機(jī)制更有價(jià)值和意義，今后的研究可以從臨床入手，多中心，多樣本的隨機(jī)對(duì)照研究，借助高通量測(cè)序技術(shù)研究H3K27去甲基化酶UTX，結(jié)合生物信息學(xué)分析和已有的臨床樣本信息庫(kù)，或能從“精準(zhǔn)醫(yī)學(xué)”方面為癌癥診斷和治療提供新的思路。

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〔2015-08-10修回〕

(編輯袁左鳴)

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然基金青年科學(xué)基金項(xiàng)目(No.81503659)；中國(guó)博士后科學(xué)基金面上項(xiàng)目(No.2015M570380)

通訊作者：黃艷(1976-)，女，博士，主治醫(yī)師，主要從事中醫(yī)藥表觀遺傳學(xué)機(jī)制研究。

〔中圖分類(lèi)號(hào)〕R73

〔文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼〕A

〔文章編號(hào)〕1005-9202(2016)09-2278-03；

doi：10.3969/j.issn.1005-9202.2016.09.109

1上海中醫(yī)藥大學(xué)上海市針灸經(jīng)絡(luò)研究所

第一作者：楊贇(1973-)，男，主治醫(yī)師，主要從事心血管疾病研究。