組蛋白H3的甲基化修飾與脂肪細(xì)胞分化關(guān)系的研究進(jìn)展

武曉慧，楊 帆，陳佳琪，劉婉瑩，周秋安，魏婉麗※

(西安醫(yī)學(xué)院 a.肥胖與代謝病研究所，b.臨床醫(yī)學(xué)院，西安 710021)

肥胖是當(dāng)今世界最嚴(yán)重的公共衛(wèi)生問題之一，是導(dǎo)致目前主要慢性非傳染性疾病發(fā)展的獨(dú)立危險(xiǎn)因素，心腦血管疾病、糖尿病、脂肪肝[1]、部分惡性腫瘤(子宮內(nèi)膜癌、卵巢癌、乳腺癌、前列腺癌、大腸癌等)[2-3]以及抑郁癥和焦慮癥[4]的發(fā)生均與其有關(guān)，由此造成巨大的醫(yī)療負(fù)擔(dān)[5]。最新的數(shù)據(jù)顯示，全球18歲以上人群中超重人數(shù)已超過19億，其中有6億人達(dá)到肥胖水平[6]，我國是全球肥胖人數(shù)最多的國家[7]。

肥胖主要表現(xiàn)為能量在脂肪細(xì)胞內(nèi)過度蓄積，常伴有脂肪細(xì)胞分化異常。深入研究脂肪細(xì)胞的分化有助于了解肥胖的形成機(jī)制并尋找新的治療途徑。脂肪細(xì)胞根據(jù)其形態(tài)、分布及功能的不同可分為白色脂肪細(xì)胞、棕色脂肪細(xì)胞和米色脂肪細(xì)胞3類。其中棕色和米色脂肪細(xì)胞因可以通過產(chǎn)熱消耗大量的能量，是肥胖治療研究的新靶點(diǎn)。脂肪細(xì)胞的分化研究已不再局限于對單個(gè)基因功能的探索，在調(diào)控多個(gè)基因表達(dá)的表觀遺傳領(lǐng)域也有大量研究，并取得了較大進(jìn)展。目前已發(fā)現(xiàn)大約50個(gè)轉(zhuǎn)錄和表觀遺傳調(diào)節(jié)物正向或負(fù)向調(diào)節(jié)棕色和米色脂肪細(xì)胞的分化[8]?，F(xiàn)對這3類脂肪細(xì)胞的形態(tài)特點(diǎn)與組織分布、脂肪細(xì)胞的分化起源，及組蛋白H3的甲基化修飾對脂肪細(xì)胞分化調(diào)控作用的研究進(jìn)展進(jìn)行綜述。

1 脂肪細(xì)胞的分類和組織分布

1.1白色脂肪細(xì)胞 白色脂肪細(xì)胞內(nèi)含有單個(gè)大脂滴，細(xì)胞質(zhì)和細(xì)胞核被擠壓到邊緣(圖1a)，線粒體等細(xì)胞器不發(fā)達(dá)。白色脂肪細(xì)胞的主要功能是以三酰甘油的形式將多余的能量儲存在細(xì)胞內(nèi)，以備不時(shí)之需。

白色脂肪遍布全身皮下和內(nèi)臟周圍。其分布形式在個(gè)體間差異較大，并可因遺傳、年齡、糖皮質(zhì)激素的使用等發(fā)生分布的變化。在營養(yǎng)條件良好時(shí)，白色脂肪可以持續(xù)積累，尤其在內(nèi)臟周圍如大網(wǎng)膜、腸系膜等部位更為明顯，與代謝性疾病(胰島素抵抗、2型糖尿病、血脂異常、高血壓等)、動(dòng)脈粥樣硬化、肝臟脂肪變性和癌癥的發(fā)生密切相關(guān)，而皮下脂肪的積聚則與改善的胰島素敏感性和2型糖尿病低風(fēng)險(xiǎn)有關(guān)[9-13]。但皮下脂肪增加導(dǎo)致的超重仍與骨性關(guān)節(jié)炎等密切相關(guān)[14]。

1.2棕色脂肪細(xì)胞 棕色脂肪細(xì)胞內(nèi)含有多個(gè)小脂滴(圖1b)，并富含線粒體。棕色脂肪細(xì)胞的線粒體體積較大，嵴豐富，使得內(nèi)膜面積增大，這種結(jié)構(gòu)特點(diǎn)與低溫環(huán)境下快速產(chǎn)熱的需求相適應(yīng)。線粒體內(nèi)膜上分布有解偶聯(lián)蛋白1(uncoupling protein 1，UCP1)，可以解偶聯(lián)氧化磷酸化反應(yīng)而產(chǎn)熱。

棕色脂肪產(chǎn)熱時(shí)首先消耗自身脂滴內(nèi)儲存的三酰甘油，還可從外周血中主動(dòng)吸收葡萄糖和脂肪酸，維持氧化和產(chǎn)熱過程，消耗大量的能量。棕色脂肪主要分布在人類的肩胛間區(qū)、腎周圍、頸部、縱隔等區(qū)域，嚙齒類動(dòng)物主要分布在肩胛間區(qū)和腎臟周圍。多種嚙齒類動(dòng)物在成年后仍保留較多的棕色脂肪組織，以幫助其適應(yīng)寒冷環(huán)境。以往觀點(diǎn)認(rèn)為，嬰兒肩胛間的棕色脂肪隨著生長發(fā)育逐漸減少乃至消失[15-16]。近年來一些針對人體開展的研究采用正電子發(fā)射計(jì)算機(jī)斷層成像掃描顯示，成人體內(nèi)有棕色脂肪組織的存在，且其含量與受試者的體質(zhì)指數(shù)、體脂含量及空腹血糖水平呈負(fù)相關(guān)[17-20]。另外慢性冷刺激可以在之前未能檢測出棕色脂肪庫的受試者中誘導(dǎo)出棕色脂肪，這可能是源于新的產(chǎn)熱脂肪細(xì)胞的分化，從而導(dǎo)致非戰(zhàn)栗產(chǎn)熱的增加和胰島素敏感性的改善[21-24]。

1.3米色脂肪細(xì)胞 米色脂肪細(xì)胞散在分布于白色脂肪組織中，形態(tài)上具有與棕色脂肪細(xì)胞類似的多泡狀脂滴并富含線粒體(圖1c)，也可以通過UCP1解偶聯(lián)氧化磷酸化產(chǎn)熱來消耗能量，但米色脂肪可以表達(dá)一些特異的標(biāo)志基因，如腫瘤壞死因子受體超家族成員9(又稱CD137)、穿膜蛋白26及T-盒蛋白1等[25-28]。米色脂肪細(xì)胞被稱為“誘導(dǎo)型棕色脂肪細(xì)胞”或“白色脂肪中的棕色脂肪細(xì)胞”，其可被誘導(dǎo)的現(xiàn)象又被稱為“白色脂肪棕色化”或“褐變”。研究表明，成人頸深部脂肪組織顯示出經(jīng)典棕色脂肪的表型特征[16,29]，鎖骨上區(qū)棕色和米色脂肪均有分布[30]，因而認(rèn)為成年人體內(nèi)米色脂肪細(xì)胞和棕色脂肪細(xì)胞共同存在[31-32]。

米色脂肪細(xì)胞可以被許多環(huán)境因素或化學(xué)物質(zhì)所誘導(dǎo)，如寒冷、去甲腎上腺素、鳶尾素、過氧化物酶體增殖物激活受體γ(peroxisome proliferator activated receptor γ，PPARγ)激動(dòng)劑羅格列酮等。米色脂肪在應(yīng)對寒冷刺激時(shí)可以發(fā)生高效產(chǎn)熱，幾乎與棕色脂肪相等[24]。如果能誘導(dǎo)人體內(nèi)的米色脂肪細(xì)胞分化增加，則能利用其產(chǎn)熱耗能作用治療肥胖和2型糖尿病，特別是體內(nèi)棕色脂肪含量較少的老年肥胖人群[33-34]。

6周齡C57BL/6J小鼠組織切片蘇木素-伊紅染色照片 a：白色脂肪細(xì)胞；b：棕色脂肪細(xì)胞；c：米色脂肪細(xì)胞；黃色箭頭所指處為白色脂肪細(xì)胞，藍(lán)色箭頭所指處為米色脂肪細(xì)胞(Scale bar=75 μm)

圖1 三種脂肪細(xì)胞的形態(tài)特點(diǎn)

2 脂肪細(xì)胞的起源及分化

脂肪組織在全身能量平衡中處于中心地位。白色脂肪以三酰甘油的形式儲存過剩的能量，而棕色和米色脂肪以產(chǎn)熱的形式耗散能量。由此看來，機(jī)體具有一定的調(diào)控能量存儲穩(wěn)態(tài)的能力。而肥胖的產(chǎn)生可能是由于耗能能力相對處于弱勢。大規(guī)模的臨床調(diào)查研究發(fā)現(xiàn)，棕色脂肪或米色脂肪的增加與體重和葡萄糖耐量、高脂血癥的改善密切相關(guān)[35-37]，因而明確脂肪細(xì)胞的分化調(diào)控，尤其是這兩類產(chǎn)熱性脂肪細(xì)胞的分化調(diào)控機(jī)制，對于肥胖及其并發(fā)癥的治療具有重要意義。

三種類型的脂肪細(xì)胞均來源于間充質(zhì)干細(xì)胞是目前的普遍認(rèn)識。體內(nèi)的譜系追蹤研究表明，表達(dá)早期肌源性因子-肌生成因子5(myogenic factor 5，MYF5+)的細(xì)胞可以分化為骨骼肌細(xì)胞及肩胛間區(qū)和腎周的棕色脂肪細(xì)胞[38-39]，而白色脂肪細(xì)胞主要由MYF5-的前體細(xì)胞分化而來。此外，可被β3腎上腺素受體激動(dòng)劑或冷刺激誘導(dǎo)的白色脂肪中出現(xiàn)的米色脂肪細(xì)胞為MYF5-，表明經(jīng)典棕色脂肪細(xì)胞的起源與米色脂肪細(xì)胞的來源不同，而白色和米色脂肪細(xì)胞可能有共同的起源[40]。經(jīng)典的棕色脂肪前體細(xì)胞除MYF5外，還有其他的標(biāo)志物，如配對盒蛋白7[41]。

3 組蛋白H3甲基化修飾對脂肪細(xì)胞分化的調(diào)控

表觀遺傳是一種遺傳調(diào)控機(jī)制，影響基因轉(zhuǎn)錄而不改變DNA序列。表觀遺傳調(diào)控包括DNA甲基化、組蛋白修飾及非編碼RNA的調(diào)控等多種形式[41]。表觀遺傳調(diào)控機(jī)制可能通過激活或沉默脂肪細(xì)胞分化關(guān)鍵基因的表達(dá)來實(shí)現(xiàn)調(diào)控脂肪細(xì)胞分化的作用。其中許多調(diào)控因子通過影響PPARγ、CCAAT增強(qiáng)子結(jié)合蛋白家族(CCAAT enhancer binding proteins，C/EBPs)和含PR同源結(jié)構(gòu)域的蛋白16發(fā)揮作用。

3.1組蛋白修飾的分類與組蛋白修飾酶 組蛋白H2A、H2B、H3和H4各2個(gè)單位組成八聚體，145～147個(gè)DNA堿基對盤繞其上，構(gòu)成核小體的核心顆粒，每個(gè)核心顆粒之間由含60個(gè)堿基對的DNA鏈及1個(gè)組蛋白H1的連接區(qū)相連接。組蛋白除作為骨架提供DNA盤繞的支撐結(jié)構(gòu)外，氨基酸鏈上的殘基位點(diǎn)也可被修飾，如發(fā)生甲基化、乙酰化、磷酸化、泛素化等修飾，影響基因的轉(zhuǎn)錄[42]。這些修飾與染色體失活、異染色質(zhì)形成、沉默或激活基因的表達(dá)、細(xì)胞及個(gè)體發(fā)育等聯(lián)系密切。

3.2組蛋白的甲基化和去甲基化修飾 組蛋白甲基化常發(fā)生在H3和H4的N端的精氨酸或賴氨酸殘基上，甲基化后通用的表示方法：如組蛋白H3的27位賴氨酸甲基化，則表示為H3K27me[43]。根據(jù)該位點(diǎn)甲基化程度的不同，組蛋白甲基化包括一、二和三甲基化，分別表示為H3K27me1、H3K27me2和H3K27me3。組蛋白甲基化酶(或稱甲基轉(zhuǎn)移酶)或去甲基化酶的表達(dá)、活性和招募都通過影響組蛋白狀態(tài)、染色體的結(jié)構(gòu)及基因轉(zhuǎn)錄在機(jī)體發(fā)育和生理活動(dòng)中發(fā)揮作用。

3.3常見組蛋白H3甲基化和去甲基化位點(diǎn)修飾酶與脂肪細(xì)胞分化的關(guān)系 組蛋白H3賴氨酸殘基位點(diǎn)的甲基化修飾是最常見的翻譯后修飾之一，如H3K4、H3K9、H3K27等位點(diǎn)的甲基化。甲基化后，根據(jù)位點(diǎn)的不同發(fā)生基因的轉(zhuǎn)錄激活或沉默[44-45]。幾種組蛋白甲基化酶和去甲基化酶，通過調(diào)節(jié)組蛋白甲基化修飾狀態(tài)在棕色脂肪的發(fā)育和產(chǎn)熱基因的表達(dá)方面發(fā)揮重要作用[46]。

3.3.1H3K4 組蛋白賴氨酸甲基轉(zhuǎn)移酶2C(lysine methyltransferase 2C，KMT2C，又稱MLL3)及其同源物賴氨酸甲基轉(zhuǎn)移酶2D(lysine methyltransferase 2D，KMT2D，又稱MLL4)通過催化H3K4甲基化在細(xì)胞種類特異性基因的增強(qiáng)子區(qū)域起作用。敲除Mll3的小鼠白色脂肪和棕色脂肪均發(fā)生基因表達(dá)改變。尤其是在棕色脂肪組織中，超過500個(gè)基因的表達(dá)發(fā)生改變，其中46%與代謝相關(guān)。此外，敲除該基因的小鼠有較瘦的表型、血糖水平降低以及胰島素敏感性升高。這些結(jié)果提示Mll3在調(diào)節(jié)棕色脂肪功能中的作用[47]。

組蛋白甲基化的調(diào)控因子-Pax蛋白相互作用的反式激活域是MLL4的組分之一，Cho等[48]報(bào)道此因子對于Pparγ和C/ebpα的基因表達(dá)是必須存在的，在小鼠胚胎成纖維細(xì)胞和前脂肪細(xì)胞的分化中也必須存在。脂聯(lián)素基因驅(qū)動(dòng)cre條件性敲除Pax蛋白相互作用的反式激活域的小鼠，雖然體重與對照組相似，但棕色脂肪組織含量減少了50%，白色脂肪和棕色脂肪共同的基因及棕色脂肪特有的基因以及線粒體基因在棕色脂肪組織中的表達(dá)也減少[49]。由于棕色脂肪組織通過線粒體進(jìn)行產(chǎn)熱，這些小鼠在冷刺激實(shí)驗(yàn)中體溫下降更為顯著，提示Mll4對棕色脂肪細(xì)胞分化和功能有重要作用。

3.3.2H3K9 賴氨酸去甲基化酶3a(lysine deme-thylase 3a，KDM3a，又稱JHDM2a)可特異地催化H3K9的去甲基化。研究發(fā)現(xiàn)，Jhdm2a基因敲除的小鼠表現(xiàn)出肥胖表型[50]且能量消耗明顯下降[51]，同時(shí)棕色脂肪功能也發(fā)生變化，表現(xiàn)為線粒體基因表達(dá)減少及氧耗量下降。此外，在β腎上腺素刺激下，Jhdm2a在絲氨酸265(S265)位點(diǎn)上被蛋白激酶A磷酸化，增加與SWI/SNF染色質(zhì)重塑復(fù)合物及與Pparγ的相互作用，除H3K9去甲基化外，發(fā)揮其他附加作用[52]。

植物同源結(jié)構(gòu)域指蛋白2是一種H3K9me2的去甲基化酶，含有JmjC結(jié)構(gòu)域。植物同源結(jié)構(gòu)域指蛋白2可以促進(jìn)小鼠脂肪積累[53]，在3T3-L1細(xì)胞敲除植物同源結(jié)構(gòu)域指蛋白2后，Pparγ和C/ebpα的表達(dá)均明顯減少[54]。

賴氨酸特異性去甲基化酶1a(lysine specific demethylase 1a，KDM1a，又稱LSD1)是特異性介導(dǎo)H3K9me1/2去甲基化的另一種酶，通過與鋅指蛋白516的直接相互作用，將LSD1募集到產(chǎn)熱基因附近的H3K9位點(diǎn)，催化甲基移除，從而激活這些基因并促進(jìn)體內(nèi)產(chǎn)熱脂肪的功能[55]。在小鼠中使用Ucp1驅(qū)動(dòng)Cre敲除Lsd1將損傷棕色脂肪細(xì)胞分化和功能，導(dǎo)致棕色脂肪“白色化”，即形成含單個(gè)脂滴的棕色脂肪細(xì)胞[56]。

常染色質(zhì)組蛋白賴氨酸N-甲基轉(zhuǎn)移酶1(euchromatic histone-lysine N-methyltransferase 1，EHMT1)，催化H3K9二或三甲基化(H3K9me2/3)。在小鼠中由脂聯(lián)素驅(qū)動(dòng)的Cre脂肪特異性敲除Ehmt1，導(dǎo)致小鼠背部棕色脂肪組織體積小、含量少，棕色脂肪細(xì)胞喪失多泡狀小脂滴的特征，表現(xiàn)為單個(gè)脂滴，棕色脂肪的適應(yīng)性產(chǎn)熱及氧耗量減少。白色脂肪脂滴增大，小鼠出現(xiàn)肥胖、脂肪肝和全身胰島素抵抗，提示Ehmt1是控制棕色脂肪細(xì)胞分化和能量代謝的重要開關(guān)[57]。

常染色質(zhì)組蛋白賴氨酸N-甲基轉(zhuǎn)移酶2(euchromatic histone-lysine N-methyltransferase 1，EHMT2，又稱G9a)，可以催化H3K9me2的形成[58]，與基因沉默有關(guān)。當(dāng)使用G9a抑制劑或用小干擾RNA抑制mRNA時(shí)，可以通過增加Pparγ和C/ebpα的表達(dá)，并抑制Wnt10a的表達(dá)，最終使脂肪形成增多[59]。

3.3.3H3K27 多梳族基因是重要的表觀遺傳修飾基因家族，包括兩個(gè)重要的復(fù)合物類型：多梳蛋白抑制性復(fù)合物1和多梳蛋白抑制性復(fù)合物2。復(fù)合物2由果蠅zeste基因抑制因子12、胚胎外胚層發(fā)育因子等蛋白基團(tuán)與果蠅zeste基因增強(qiáng)子的人類同源物2(enhancer of zeste homolog 2，EZH2)聚合而成[60]，EZH2是復(fù)合物2中唯一具有酶活性的催化亞基，含有SET結(jié)構(gòu)域。多梳蛋白抑制性復(fù)合物2通過EZH2催化H3第27位賴氨酸(K)位點(diǎn)的一、二和三甲基化，H3K27甲基化后常導(dǎo)致基因的沉默[61-62]。H3K27me3形成后，多梳蛋白抑制性復(fù)合物1通過其亞基Chromobox同源物(CBX)識別H3的甲基化位點(diǎn)并與之結(jié)合，通過另一個(gè)催化亞基環(huán)指蛋白1催化組蛋白H2AK119發(fā)生單泛素化，抑制由RNA聚合酶Ⅱ催化的轉(zhuǎn)錄延伸反應(yīng)，最終造成靶基因的轉(zhuǎn)錄沉默[63-64]。

目前所了解的H3K27去甲基化酶主要有賴氨酸特異性去甲基化酶6a[lysine(K)specific demethylase 6a，Kdm6a，因位于X染色體上，又稱UTX]和Kdm6b(又稱JMJD3)[65-66]。H3K27me2/3的甲基化平衡主要是由EZH2和JMJD3/UTX維持。UTX和 JMJD3均為含有JMJC結(jié)構(gòu)域的蛋白，可以催化H3K27me2和H3K27me3的去甲基化。除含有 JMJC 結(jié)構(gòu)域外，UTX還含有四肽重復(fù)基序，介導(dǎo)蛋白質(zhì)-蛋白質(zhì)相互作用。H3K27由JMJD3/UTX催化的去甲基化過程是在Fe2+、O2和α-酮戊二酸的輔助下，JMJD3的JMJC結(jié)構(gòu)域催化H3K27me3中賴氨酸殘基的氨基發(fā)生羥基化，而后賴氨酸殘基脫下甲醛，形成去甲基化的賴氨酸殘基[67]。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在大部分胚胎干細(xì)胞中，Ezh2和H3K27me3修飾多聚集在生長和分化相關(guān)基因的轉(zhuǎn)錄調(diào)控區(qū)域[68]。研究表明，抑制Ezh2可以避免間充質(zhì)干細(xì)胞向骨的分化，Ezh2介導(dǎo)間充質(zhì)干細(xì)胞向骨或脂肪細(xì)胞分化方向的轉(zhuǎn)換[69]。在小鼠前脂肪細(xì)胞中，Ezh2和H3K27me3在多個(gè)Wnt基因(如Wnt1、Wnt6、Wnt10a)位點(diǎn)處聚集，通過抑制Wnt信號通路促進(jìn)脂肪細(xì)胞生成，在小鼠白色和棕色前脂肪細(xì)胞的分化中發(fā)揮重要作用[70]。用Ezh2特異性酶活性抑制劑GSK126處理高脂飲食誘導(dǎo)的肥胖小鼠，可以通過增加米色脂肪細(xì)胞的分化并促進(jìn)棕色脂肪細(xì)胞的功能，減輕小鼠體重，這些證據(jù)都表明Ezh2和H3K27me3對棕色和米色脂肪的分化具有潛在的重要作用[71]。

Utx在棕色脂肪細(xì)胞分化過程中發(fā)揮重要作用[72]。在β腎上腺素能神經(jīng)遞質(zhì)刺激下，Utx被招募到Ucp1和Pparγ共激活因子α啟動(dòng)子區(qū)，降低H3K27me3水平，從而誘導(dǎo)產(chǎn)熱基因從抑制狀態(tài)到激活狀態(tài)的轉(zhuǎn)換。Jmjd3也可以促進(jìn)棕色脂肪細(xì)胞的分化。過表達(dá)Jmjd3的小鼠體重減輕，而Jmjd3的敲除則降低了小鼠的寒冷耐受能力。Jmjd3還可以促進(jìn)白色脂肪棕色化[73]。

4 小 結(jié)

對脂肪細(xì)胞，尤其是棕色和米色脂肪細(xì)胞分化調(diào)控的深入研究給肥胖等代謝性疾病的治療帶來了新的希望，然而利用棕色和米色脂肪的耗能治療肥胖仍處于研究階段，有大量的問題尚未解決。例如表觀遺傳調(diào)控因子可否作為棕色和米色脂肪細(xì)胞的分化和治療肥胖的靶點(diǎn)并開發(fā)安全、有效和具有特異性的藥物等。探索表觀遺傳調(diào)控因子對于小鼠脂肪細(xì)胞分化的影響，將為人類深入了解脂肪細(xì)胞分化和肥胖及其相關(guān)疾病的治療提供新的理論基礎(chǔ)。