組蛋白甲基化/去甲基化與脂肪形成

姚俊鵬 張林

1成都中醫(yī)藥大學(xué) 610075; 2成都中醫(yī)藥大學(xué)第三附屬醫(yī)院內(nèi)科，四川省糖尿病防治中心 610041

肥胖是能量攝入和消耗失衡的結(jié)果，肥胖者體內(nèi)白色脂肪含量增加，脂肪細(xì)胞的體積和數(shù)目是決定其含量的主要因素。表觀遺傳修飾包括DNA修飾、組蛋白修飾等，越來越多的證據(jù)表明組蛋白修飾參與了脂肪細(xì)胞的分化和形成[1-2]。本文從組蛋白甲基化修飾角度對其與成脂的關(guān)系進行綜述。

1 組蛋白甲基化概述

組蛋白八面體由H2A、H2B、H3、H4組成，是形成核小體的亞基，其末端存在賴氨酸和精氨酸等氨基酸殘基，可以發(fā)生共價修飾，包括甲基化、乙?；⒘姿峄?、泛素化等形式，其中甲基化是組蛋白修飾的主要形式之一，這些修飾可通過改變組蛋白與DNA的親和力，從而改變?nèi)旧|(zhì)的結(jié)構(gòu)狀態(tài)，也可以影響轉(zhuǎn)錄因子與DNA序列的結(jié)合，對相應(yīng)基因表達進行調(diào)控。

組蛋白甲基化主要發(fā)生在H3和H4組蛋白N端賴氨酸(K)和精氨酸(R)殘基上。賴氨酸甲基化修飾常發(fā)生在組蛋白H3賴氨酸殘基的4位、9位、27位、36位和組蛋白H4 20位賴氨酸殘基上。H3K4、H3K36的甲基化修飾主要與基因轉(zhuǎn)錄活化有關(guān)，而H3K9、H3K27、H4K20的甲基化修飾介導(dǎo)轉(zhuǎn)錄抑制。精氨酸甲基化修飾通常發(fā)生在組蛋白H3精氨酸 2位、8位、17位、26位殘基, 及組蛋白H4 精氨酸3位殘基上。根據(jù)殘基上甲基化基團數(shù)量的不同，又可分為一甲基化、二甲基化、三甲基化修飾。

2 組蛋白甲基化轉(zhuǎn)移酶(HMT)/去甲基化酶與脂肪形成

組蛋白的甲基化由HMT催化，去甲基化則由組蛋白去甲基化酶催化。HMT主要包括兩個家族：賴氨酸特異性和精氨酸特異性甲基化轉(zhuǎn)移酶，二者均以S-腺苷甲硫氨酸(SAM)作為底物。常染色質(zhì)組蛋白賴氨酸N-甲基轉(zhuǎn)移酶1(EHMT1)、G9a和混合性白血病蛋白3(MLL3)、混合性白血病蛋白4(MLL4)屬于賴氨酸特異性甲基化轉(zhuǎn)移酶家族。

組蛋白去甲基化酶分為兩個家族。第一個家族是組蛋白賴氨酸去甲基化酶(KDM)1，包括兩個成員：賴氨酸特異性組蛋白去甲基化酶1(LSD1)和賴氨酸特異性組蛋白去甲基化酶2(LSD2)，二者均是黃素腺嘌呤二核苷酸依賴性氨基酸氧化酶，主要作用于組蛋白H3的4、9位氨基酸。LSD1作用于H3K4和H3K9，LSD2僅作用于H3K4。第二個家族稱作Jumonji型組蛋白去甲基化酶，包括KDM2到KDM7，其特征是含有一個保守的Jumonji C催化結(jié)構(gòu)域。

2.1 HMT與脂肪形成

2.1.1 MLL3、MLL4 MLL3、MLL4是H3K4甲基化轉(zhuǎn)移酶，二者均含有具有天然組蛋白賴氨酸特異性甲基化轉(zhuǎn)移酶活性的SET結(jié)構(gòu)域[3]。MLL3和MLL4是H3K4一、二甲基化轉(zhuǎn)移酶。

MLL3純合子(MLL3Δ/Δ)小鼠的白色脂肪組織明顯減少，但是棕色脂肪組織的量保持不變。WT MLL3是指被一個MLL3基因突變所取代，其在MLL3 SET結(jié)構(gòu)域內(nèi)存在61位氨基酸核心催化區(qū)的框內(nèi)缺失。 與野生型小鼠相比，在高脂喂養(yǎng)前后MLL3Δ/Δ小鼠白色脂肪組織的細(xì)胞均較小。在MLL3Δ/Δ小鼠的白色脂肪組織中，過氧化物酶體增殖物活化受體γ(PPARγ)表達增加，其兩個靶基因aP2和脂聯(lián)素均明顯下調(diào)。在脂肪的形成過程中，MLL3和MLL4均被募集到PPARγ激活的aP2基因[4]。MLL4條件性敲除(Mll4f/f)的胚胎棕色脂肪組織含量下降，提示MLL4在成脂過程中的重要作用。MLL4基因敲除可導(dǎo)致脂肪細(xì)胞分化障礙，抑制3T3-L1前脂肪細(xì)胞形成脂肪細(xì)胞。在小鼠胚胎成纖維細(xì)胞中，PPARγ刺激的脂肪形成中MLL3和MLL4是必需的。以上研究表明，MLL3、MLL4在PPARγ依賴的脂肪形成中發(fā)揮重要作用[5]。

2.1.2 G9a 組蛋白甲基化轉(zhuǎn)移酶G9a可使H3K9發(fā)生二甲基化(H3K9me2)，研究發(fā)現(xiàn)，G9a介導(dǎo)的H3K9me2主要是使基因轉(zhuǎn)錄沉默[6]。在與脂肪形成密切相關(guān)的PPARγ基因位點上，H3K9me2高水平表達。在編碼其他成脂轉(zhuǎn)錄因子如轉(zhuǎn)錄因子CCAAT/增強子結(jié)合蛋白(C/EBP)α、C/EBPβ、C/EBPδ的基因位點H3K9me2低表達。在成脂負(fù)調(diào)控基因位點，Wnt6-Wnt10a H3K9me2呈低表達，提示H3K9me2在PPARγ基因位點富集，參與了在前脂肪細(xì)胞中抑制PPARγ的表達。3T3-L1前脂肪細(xì)胞成脂分化后，H3K9me2在整個PPARγ位點的表達顯著下降。PPARγ基因位點H3K9me2的低表達與成脂過程中PPARγ的高表達呈負(fù)相關(guān)，G9a在蛋白質(zhì)水平的表達也明顯下降，相應(yīng)的，H3K9me2在整個3T3-L1前脂肪細(xì)胞成脂過程中表達下調(diào)。在白色脂肪組織脂肪細(xì)胞中G9a蛋白水平顯著低于前脂肪細(xì)胞。以上研究提示，G9a和H3K9me2負(fù)調(diào)控PPARγ和脂肪生成。使用G9a抑制劑BIX01294處理前脂肪細(xì)胞，可以使PPARγ表達上調(diào)，提示G9a抑制PPARγ的活性主要通過H3K9me2。脂肪組織G9a基因特異性敲除小鼠表現(xiàn)為白色脂肪組織成脂明顯增加，PPARγ表達增加。以上研究提示，組蛋白H3K9甲基化轉(zhuǎn)移酶G9a可抑制PPARγ表達和脂肪形成[7]。另有關(guān)于3T3-L1前脂肪細(xì)胞分化的研究也得到相似的結(jié)論[8]。

2.1.3 EHMT1 EHMT1具有使H3K9一、二甲基化的酶活性。EHMT1基因突變患者有40% ～50%發(fā)展為肥胖。PR結(jié)構(gòu)域蛋白16(PRDM16)在棕色脂肪組織的發(fā)育過程中起必需作用。EHMT1和PRDM16可以直接相互作用，在棕色脂肪細(xì)胞中，EHMT1的缺失可導(dǎo)致PRDM16復(fù)合體HMT活性降低，表明EHMT1是PRDM16復(fù)合體的主要甲基化轉(zhuǎn)移酶。棕色脂肪細(xì)胞EHMT1基因缺失可通過H3K9me2/3去甲基化導(dǎo)致嚴(yán)重的棕色脂肪特征的丟失。相反，EHMT1表達可通過PRDM16蛋白調(diào)控棕色脂肪組織的產(chǎn)熱效應(yīng)。脂肪組織特異性EHMT1基因缺失可引起棕色脂肪組織產(chǎn)熱明顯下降、肥胖和胰島素抵抗。研究表明，EHMT1是控制棕色脂肪細(xì)胞命運和能量平衡的必需酶[9]。另有研究也提示，成人腎周棕色脂肪細(xì)胞的活化與PRDM16-EHMT1復(fù)合體密切相關(guān)[10]。

2.1.4 Zeste基因增強子同源物2(Ezh2) Ezh2是Polycomb抑制復(fù)合體的核心亞單位，H3K27甲基轉(zhuǎn)移酶，其富集在抑制脂肪形成的Wnt基因區(qū)。在脂肪形成過程中，Ezh2直接抑制前脂肪細(xì)胞中的Wnt-1、-6、-10a及-10b基因表達。敲除Ezh2基因可消除Wnt啟動子區(qū)的H3K27三甲基化(H3K27me3)，解除對Wnt表達的抑制，導(dǎo)致Wnt/β-catenin信號通路的激活，抑制脂肪形成。在Ezh2(-/-)前脂肪細(xì)胞異位表達野生型Ezh2，可阻止H3K27me3的丟失和脂肪形成的減少。Ezh2(-/-)前脂肪細(xì)胞的成脂障礙可通過具有成脂活性的轉(zhuǎn)錄因子PPARγ、C/EBPα或抑制Wnt/β-catenin信號來補救。研究表明，H3K27甲基化轉(zhuǎn)移酶Ezh2可直接抑制Wnt基因活性來促進脂肪形成[11]。

2.1.5 蛋白質(zhì)精氨酸甲基轉(zhuǎn)移酶(PRMT) 哺乳動物PRMT有9種，PRMT5是脂肪細(xì)胞分化必需的。染色質(zhì)免疫沉淀實驗表明，PRMT5結(jié)合并使組蛋白發(fā)生二甲基化的部位位于成脂啟動子區(qū)。PRMT5促進了ATP依賴的染色質(zhì)重塑酶的結(jié)合，并且是PPARγ2和PPARγ2調(diào)節(jié)啟動子所必須[12]。在脂肪形成、分化過程中，PRMT7并不是必需的，敲低或過表達該基因?qū)χ|(zhì)沉積和脂肪形成的基因表達均無影響[13]。

2.2 組蛋白去甲基化酶與脂肪形成

2.2.1 LSD1 LSD1是一種胺氧化酶，通過FAD依賴的氧化反應(yīng)調(diào)節(jié)組蛋白去甲基化。LSD1可使H3K4發(fā)生一、二去甲基化，并且通過作用于目標(biāo)啟動子維持H3K4的去甲基化狀態(tài)以抑制基因的表達。3T3-L1前脂肪細(xì)胞LSD1基因敲除可導(dǎo)致其成脂分化顯著下降，該結(jié)果與H3K4二甲基化水平的下調(diào)和H3K9二甲基化上調(diào)有關(guān)。敲除H3K9甲基化轉(zhuǎn)移酶SETDB1基因可使與C/EBPα啟動子區(qū)結(jié)合的H3K9二甲基化增加、H3K4二甲基化下降，利于成脂[14]。人間充質(zhì)干細(xì)胞(hESCs)可被定向誘導(dǎo)分化為脂肪細(xì)胞，然而在培養(yǎng)液中加入LSD1抑制劑CBB1007后可促進hESCs成脂分化，PPARγ2和C/EBPα的表達隨著抑制劑濃度而增加，在該過程中H3K4二甲基化水平上調(diào)，提示LSD1參與了hESCs的成脂分化[15]。

2.2.2 X染色體上轉(zhuǎn)錄結(jié)構(gòu)域重復(fù)序列(UTX) UTX是H3K27特異性去甲基化酶，主要作用是抑制基因表達的H3K27me3，在棕色脂肪細(xì)胞分化過程中UTX表達增加。棕色脂肪細(xì)胞UTX基因敲除可下調(diào)棕色脂肪基因如解耦聯(lián)蛋白1(UCP1)、PPARγ協(xié)同刺激因子-1α(PGC-1α)的表達，相反，棕色脂肪細(xì)胞過表達UTX后可促進UCP1、PGC-1α基因的表達。使用β腎上腺素干預(yù)棕色脂肪細(xì)胞可促使UTX與UCP1、PGC-1α啟動子轉(zhuǎn)錄起始位點結(jié)合，抑制H3K27me3的水平，使用過表達UTX的棕色脂肪細(xì)胞也得到了相似的結(jié)果[16]。UTX基因缺失的小鼠間充質(zhì)干細(xì)胞分化為脂肪細(xì)胞的能力受到抑制，UTX基因缺失的3T3-L1前脂肪細(xì)胞成脂增加，提示UTX可負(fù)調(diào)控前脂肪細(xì)胞分化為脂肪細(xì)胞[17]。

2.2.3 包含Jumonji結(jié)構(gòu)域的蛋白2B(JMJD2B) JMJD2家族包括JMJD2A(KDM4A)、JMJD2B(KDM4B)和JMJD2C(KDM4C)，可使H3K9、H3K36二甲基、三甲基脫甲基[18-19]。JMJD2B是H3K9me3/me2的去甲基化酶，JMJD2B 基因沉默的3T3-L1前脂肪細(xì)胞成脂分化受抑制，與成脂密切相關(guān)的PPARγ和C/EBPα的mRNA和蛋白水平表達下降，該基因過表達可促進脂肪細(xì)胞的形成，PPARγ和C/EBPα表達增加，提示JMJD2B通過上調(diào)PPARγ和C/EBPα促進3T3-L1細(xì)胞形成脂肪細(xì)胞，該過程是通過降低H3K9me3、H3K9me2與PPARγ、C/EBPα啟動子的富集結(jié)合而實現(xiàn)的[20]。

2.2.4 Jumonji結(jié)構(gòu)域1c(Jmjd1c) Jmjd1c通過H3K9me2去甲基化調(diào)控目標(biāo)基因的轉(zhuǎn)錄活性。3T3-L1細(xì)胞成脂分化的早期過程中Jmjd1c mRNA的表達增加，沉默該基因可使3T3-L1細(xì)胞的成脂能力下降，并且在C/EBPα、C/EBPβ、C/EBPδ和PPARγ啟動子區(qū)H3K9me2高表達[21]。

2.2.5 含組蛋白去甲基化酶2a的JMJC結(jié)構(gòu)域(Jhdm2a) Jhdm2a是H3K9特異性去甲基化酶，在調(diào)控代謝基因表達方面發(fā)揮重要作用，敲除Jhdm2a基因的小鼠會產(chǎn)生肥胖和高脂血癥，在棕色脂肪細(xì)胞中可導(dǎo)致β腎上腺素刺激的葡萄糖釋放和棕色脂肪組織中氧消耗的紊亂[22]。

2.2.6 KDM5 KDM5含有去甲基化酶的Jumonji C結(jié)構(gòu)域，可促進H3K4發(fā)生去二甲基化、三甲基化[23]。該家族共有KDM5A、KDM5B、KDM5C和KDM5D 4個成員。在白色和棕色前脂肪細(xì)胞中敲除KDM5家族基因可下調(diào)成脂基因表達，抑制脂肪細(xì)胞分化成熟，并且引起H3K4me3在啟動子區(qū)大量聚集，但是H3K4me3的變化對基因表達的影響有限。全基因組分析顯示，KDM5A在KDM5激活的啟動子區(qū)大量富集，該區(qū)域存在高水平的H3K4me3。KDM5對于3T3-L1前脂肪細(xì)胞的有絲分裂擴增是必須的[24]。

以上研究顯示，組蛋白甲基化酶/去甲基化酶通過調(diào)節(jié)組蛋白的甲基化修飾，從而調(diào)控脂肪細(xì)胞的分化和形成，組蛋白甲基化修飾是甲基轉(zhuǎn)移酶和去甲基化酶的動態(tài)協(xié)調(diào)催化過程。然而，在脂肪細(xì)胞的分化、形成過程中，不同組蛋白甲基化形式之間、組蛋白其他修飾形式之間及與表觀遺傳修飾的其他形式的相互調(diào)控有待深入探討研究。