EZH2與哺乳動物生殖研究新進展

馬妮，張昌軍，3，刁紅錄，3*

(湖北醫(yī)藥學院 1.附屬人民醫(yī)院生殖醫(yī)學中心，十堰 442000；2.生物醫(yī)學工程學院，十堰 442000；3.胚胎干細胞湖北省重點實驗室，十堰442000)

組蛋白甲基化轉移酶同源序列增強子(enhancer of zeste homolog，EZH)是由EZH基因編碼的一種組蛋白賴氨酸甲基化轉移酶，屬于多梳家族(Polycomb Group，PcG)蛋白成員，有EZH1和EZH2兩種亞型。PcG家族的成員相互結合形成的多聚蛋白復合物參與基因轉錄調控、DNA甲基化，促進異染色質的形成從而發(fā)揮沉默基因的功能、維持胚胎細胞的正常增殖與分化[1-2]。EZH2主要是通過表觀遺傳學發(fā)揮作用，在不改變核苷酸序列的情況下，使基因表達功能發(fā)生改變，并且可以穩(wěn)定地遺傳給下一代，其中主要作用機制有非編碼RNA調控、DNA甲基化、組蛋白修飾、染色體重塑、基因組印記等[3]。EZH2最初是通過研究腫瘤細胞中的甲基化而被大家所知，近年來關于EZH2在哺乳動物生殖方面的研究越來越受到人們的關注，它主要參與到哺乳動物生殖發(fā)育的配子形成、胚胎發(fā)育、胚胎著床和器官分化發(fā)育等過程及與生殖發(fā)育的相關疾病中。本文主要介紹EZH2的基本功能及其在哺乳動物生殖和相關疾病中的作用。

一、概述

PcG蛋白由三種亞型多梳抑制復合體1(Polycomb repressive complex 1，PRC1)、多梳抑制復合體2(PRC2)和PhoRC組成[4]。其中，PRC2在轉錄起始階段發(fā)揮作用，它有EZH2、EZH1兩個亞基，它們都具有組蛋白賴氨酸甲基化和抑制基因轉錄的功能，但是具有空間和時間特異性[4]。目前關于EZH2基本功能的研究比較透徹，而關于EZH1的研究還有待進一步的探討。

EZH2是由EZH2基因編碼的一種組蛋白賴氨酸甲基轉移酶。EZH最初是在果蠅屬中被發(fā)現，隨后又在哺乳動物的同源序列中發(fā)現并被命名為EZH1和EZH2[5]。EZH2基因定位于染色體7q35位置上，包含20個外顯子，在基因組中約占40 kb，編碼由746個氨基酸殘基構成的蛋白，其有4個保守區(qū)域：區(qū)域I、區(qū)域II、半胱氨酸富集區(qū)、C端的SET區(qū)域，其中SET區(qū)域是高度保守的序列結構，在EZH2介導的轉錄抑制中有至關重要的作用[6-7]。EZH2基因和它的同源染色體在植物、哺乳動物、魚類、昆蟲的發(fā)育、細胞分化、細胞分裂等過程中均發(fā)揮重要作用[8]，它是維持胚胎健康發(fā)育、控制細胞分化、參與基因調控的關鍵調控因子，可以使DNA甲基化和X染色體失活[9]，促進異染色質的形成從而發(fā)揮沉默基因的功能[10]。

在小鼠實驗研究中，發(fā)現有EZH1和EZH2兩種蛋白，它們可形成多聚抑制復合物EZH1-PcG和EZH2-PcG，兩者都可使組蛋白甲基化并發(fā)揮其生物學功能，但是EZH1甲基化能力比EZH2弱，壓縮和抑制染色體的機制不完全相同[4，11]；EZH2編碼的蛋白(EZH2)屬于多梳家族(PcG)成員，PcG家族成員相互結合形成多聚蛋白復合物，這種復合物涉及到在細胞世代間維持基因的轉錄抑制狀態(tài)，參與細胞的增殖與分化的調控[4，12]，其主要機制是EZH2使H3K27甲基化并與分化相關基因的啟動子區(qū)域結合而阻止其轉錄[13]。EZH1是EZH2的同源物，也具有催化組蛋白3賴氨酸27位甲基化功能，但是甲基化的機制不同，EZH1主要是通過抑制轉錄模板和壓縮染色體來抑制轉錄，而EZH2主要是通過甲基化H3K27來抑制轉錄；EZH1主要是在成年非增生組織中高表達，而EZH2則主要在增生組織中高表達；它們扮演的角色也不同，在沒有甲基供體的情況下可以壓制染色體發(fā)揮抑制轉錄功能[4，14]。已經有研究證明在成體組織發(fā)育過程中EZH1對于EZH2的丟失具有補償作用[12]。

二、EZH2與腫瘤的發(fā)生/發(fā)展

EZH2最初的研究主要集中于腫瘤細胞，EZH2可以使H3K27甲基化，這種能力在腫瘤細胞中表現突出，由此可以認為EZH2可以促進癌細胞的增長與增殖。在胚胎早期發(fā)育過程中，各種細胞也呈現為一個高度增殖分裂的過程，所以腫瘤組織中的許多蛋白將會應用于哺乳動物生殖發(fā)育中[15]。

在大量癌組織中發(fā)現EZH2高表達，包括乳腺癌、前列腺癌、大腸癌、子宮內膜癌、腎癌以及黑色素瘤和淋巴瘤[16-17]。當EZH2過度表達時，腫瘤抑制性基因被抑制就可以導致腫瘤的發(fā)生，在一些臨床病例中使用EZH2抑制劑可以使惡性腫瘤縮小或者改善腫瘤癥狀，就是因為EZH2抑制劑解除了EZH2對腫瘤抑制性基因的沉默[18]。EZH2可以與PAF通過Wnt/Β-catenin信號通路共同激活調節(jié)基因c-myc 和細胞周期蛋白D1(cyclin D1)最終導致癌癥的發(fā)生[19]。EZH2還可以激活Ras和NF-κB的信號途徑，從而導致腫瘤的發(fā)生，有研究表明減少PcG蛋白或使H3K27去甲基化可以激活抑癌基因INK4a/ARF影響癌基因RAS的功能從而抑制腫瘤的發(fā)生[20]。約57%的卵巢透明細胞癌中發(fā)現ARID1A(染色質重塑復合物)基因缺失而EZH2的表達上升，ARID1A和EZH2共同調節(jié)PIK3IP1(促進細胞凋亡)的表達，在卵巢癌中ARID1A和EZH2表達失衡就會使PIK3IP1的表達降低，從而誘發(fā)癌癥的發(fā)生[21]。所以，研究EZH2抑制劑對于一些腫瘤的發(fā)展與轉歸具有積極的作用，對于臨床靶向治療腫瘤具有極大的意義。

三、EZH2與生殖發(fā)育

哺乳動物生殖發(fā)育就是指配子成熟，受精卵結合后在母體子宮發(fā)育成胎兒并從母體分娩的連續(xù)復雜的動態(tài)生物學過程。EZH2在此過程的各個階段都發(fā)揮重要的作用，任何一個環(huán)節(jié)的表達異常都會導致相應的癥狀，包括配子發(fā)育、胚胎發(fā)育、母體子宮內膜的變化、子宮內膜與胚胎之間的相互對話等過程。

1.EZH2與配子發(fā)育：雌雄配子生成的過程即配子發(fā)生，是指原始的生殖細胞經過減數分裂形成精子和卵母細胞的過程。在精子發(fā)生過程中的主要特點是細胞具有高度增殖分化的能力，在缺乏經典PRC2-EZH2的情況下，EZH1可能補充EZH2的某些功能來維持精原干細胞的增殖分化能力和減數分裂過程中H3K27的甲基化狀態(tài)[22]。有研究表明EZH2蛋白參與精原干細胞的自我更新并維持其多能性，可以認為是精原干細胞的一種分子標志[23]。5氮雜2脫氧胞苷(5-Aza-2′ -deoxycitidine，5-Aza)對男性生殖系統(tǒng)有重大毒性，它可以降低睪酮的表達進而導致精子質量下降。有研究證明5-Aza作用于睪丸后可以通過影響EZH2而降低H3K27me3的表達最終影響男性精子的質量[24]。精子的發(fā)生是一個復雜的細胞分化過程，包括減數分裂、單倍體基因表達、頂體和鞭毛的形成，最終分化成為精子[25]。在精子發(fā)生染色質重構過程中生殖細胞要經歷大量的表觀遺傳過程，圓形精子細胞頭部是表觀遺傳發(fā)生的主要位置，有關研究認為EZH2參與大鼠圓形精子的表觀調控過程，使染色質發(fā)生重塑[26-27]。有研究認為在正常睪丸組織中EZH2的表達較高，但在生精障礙的組織中表達會降低，由此可以認為它的表達水平與生精障礙嚴重程度呈負相關[28]。

在卵細胞減數分裂的GVBD期到MII期，EZH2的表達上升，如果缺乏EZH2，就會導致染色體錯位、異常紡錘體、非整倍體形成并加速第一極體的排出；如果增加EZH2的表達水平，同樣會導致染色體錯位、非整倍體的形成和第一極體的排出[29]。有研究認為EZH2可以和BubR1(調節(jié)紡錘體形成的一個蛋白)、PCAF(p300/cAMP應答元件結合蛋白關聯因子)形成復合物，共同調節(jié)卵母細胞的減數分裂過程[29-30]。

在小鼠有關研究中發(fā)現，EZH2-EED結合形成的復合物首先表達在受精卵的母原核中，如果母原核缺乏EZH2，就會干擾EZH2-EED復合物的結合及受精卵中親本組蛋白的甲基化，從而影響胚胎發(fā)育[31]。盡管在胚胎基因激活的時候EZH2可以恢復正常，但是如果敲除卵細胞中的EZH2就會影響胚胎的正常發(fā)育，說明EZH2對早期染色質重塑有重要的意義[32]。總而言之，卵母細胞中EZH2的表達量會影響卵母細胞和胚胎的正常發(fā)育。

2.EZH2與胚胎發(fā)育：胚胎發(fā)育是指從受精卵分裂分化發(fā)育為完整個體的生物學過程。PRC2復合物影響早期胚胎發(fā)育過程。缺乏EZH2則無法完成原腸胚的形成，缺乏SUZ12(EZH2活化所需要的蛋白)的后果與缺乏EZH2一致，而缺乏EED的胚胎將會導致原腸胚的中胚層發(fā)育障礙[31]。有研究表明，在小鼠胚胎圍著床期，受精卵中EZH2表達最高，分裂為2細胞胚胎時EZH2表達下降，之后胚胎從2細胞分裂到8細胞過程中EZH2表達一直上升，從囊胚以后EZH2的表達下降，在胚胎的分裂分化過程中EZH2呈現出不同的變化規(guī)律，說明在不同時期它所發(fā)揮的作用不同[32]。相關研究表明，在胚胎分裂1細胞到4細胞為胚胎基因激活階段，該階段H3K4me3的表達呈下降趨勢，但是總體表達較高，可以認為H3K4me3與胚胎基因激活的過程有關；而H3K27me3表達從4細胞時開始上升直至囊胚期，與H3K27me3相關的因子如EZH2、EED、SUZ12的表達均升高，但是在外胚層H3K27me3的表達下降，說明EZH2主要對細胞的增殖發(fā)揮作用[33]。H3K27me3存在于正常細胞囊胚的內細胞團和克隆細胞囊胚的內細胞團，尤其表達于正常囊胚的內細胞團，克隆胚胎在植入子宮不久后就死亡，可能是缺乏EZH2的表達，使H3K27me3的表達降低，從而干擾胚胎的正常發(fā)育[34]。

在胚胎細胞增殖分化過程中，多能性基因的表達隨著細胞的增殖分化也呈現出一個先上升后下降的表達規(guī)律，這種規(guī)律的變化與EZH2的表達密切相關。在胚胎細胞增殖期多能性基因表達較高，在囊胚細胞分化期多能性基因表達下降，整個過程的變化可能是隨著OCT4和SOX2表達的增多而提高EZH2使H3K27甲基化的能力，這樣就會使OCT4和SOX2啟動子處甲基化增多后抑制多能性基因的轉錄，促進細胞的分化[35]。

綜上所述，在胚胎發(fā)育過程中EZH2可以調節(jié)多能性標志基因OCT4、SOX2、Nanog的轉錄狀況，影響胚胎的分化發(fā)育[36]。

3. EZH2與子宮內膜變化的關系：有研究表明在人類子宮內膜中，各種分子都隨月經周期性的變化而變化。在人類子宮內膜增生期EZH2 mRNA表達比分泌期高，在分泌期EZH2 mRNA的表達在分泌前期表達最高在分泌中期表達最低；同樣，用Western Blot技術檢測出EZH2在增生期的表達是分泌期的1倍多，用實時定量PCR檢測分泌期EZH2的表達在分泌中期下降最多，約為分泌早期的1/3，說明EZH2在蛻膜化細胞中呈現低表達模式，可能的機制是在孕激素和cAMP的作用下蛻膜化組織中EZH2的表達迅速下降，位于PRL和IGFBP1啟動子區(qū)的H3K27me3表達下降，H3K27乙?；缴仙?，從而有助于蛻膜化分子PRL和IGFBP1的轉錄[37-38]。EZH2發(fā)揮作用主要是通過甲基化H3K27，在蛻膜化組織中EZH2的表達發(fā)生明顯的下降，使在兩種蛻膜化標志基因啟動子區(qū)域的H3K27me3表達下降，這樣兩種蛻膜化因子得以表達，但是H3K27me3表達總量沒有變化[37]，說明在蛻膜化細胞中存在其他途徑激活H3K27甲基化并且不影響蛻膜化的表達。

綜上所述，在子宮蛻膜化組織中，有可能存在這樣的途徑促進子宮內膜基質蛻膜化：孕激素通過cAMP途徑使EZH2表達水平下降，而使位于PRL和IGFBP1啟動子區(qū)的H3K27的甲基能力下降、乙酰化能力上升，使蛻膜化標志PRL和IGFBP1因子表達上調，從而促進基因的轉錄與細胞的分化[37，39]。

四、展望

通過以上研究我們可以發(fā)現EZH2與配子發(fā)生、胚胎發(fā)育、胚胎著床和子宮內膜周期性變化有密切的關系，我們推測EZH2可能對哺乳動物生殖發(fā)育具有指導作用。現在關于EZH2的研究主要集中于腫瘤的形成和針對該基因的治療，關于EZH2基因控制哺乳動物生殖發(fā)育方面的機理及相互關系還值得進一步深入探索?，F有的EZH研究尚未闡述胚胎著床及胚胎發(fā)育的具體機制，從該方面入手研究EZH是與哪些分子相互作用影響配子的發(fā)生，就可以指導臨床夫婦的備孕；研究EZH在胚胎著床中主要是在哪個環(huán)節(jié)發(fā)揮作用，就可以為臨床輔助生殖技術提供理論知識；研究EZH在哺乳動物胚胎發(fā)育并形成個體過程中的表達變化規(guī)律，可以了解胎兒發(fā)育過程中疾病的發(fā)生發(fā)展規(guī)律。研究該基因在哺乳動物生殖發(fā)育過程中的作用及機制，可以為人類成功妊娠提供理論基礎，為不孕不育患者帶來福音。

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