組蛋白甲基轉移酶SUV4-20H的研究進展

趙丹洋，姜紅，姜紅堃

（中國醫(yī)科大學附屬第一醫(yī)院兒科，沈陽 110001）

表觀遺傳學是指不涉及DNA序列改變，但在某些機制作用下基因活性和表達發(fā)生改變的染色質活動，主要包含組蛋白修飾、DNA甲基化及非編碼RNA 3種修飾方式［1-2］。近年來隨著表觀遺傳研究的迅速發(fā)展，染色質修飾相關酶類在腫瘤、免疫、干細胞分化等領域的研究日益深入，已鑒定出多類重大疾病的分子標記物及靶向治療分子，在疾病的診斷與治療領域發(fā)揮重要作用。

組蛋白修飾多發(fā)生于伸出核小體的N-末端殘基，包括甲基化、乙酰化、磷酸化、泛素化及ADP-核糖化等，其中組蛋白甲基化是表觀遺傳機制中的關鍵調控步驟，該過程失調與人類多種疾病的發(fā)生發(fā)展密切相關［3-5］。組蛋白甲基轉移酶 （suppressor of variegation 4-20 homolog，SUV4-20H） 由SCHOTTA等［6］于2004年首次在哺乳動物中發(fā)現(xiàn)，越來越多的研究［7-8］顯示，SUV4-20H基因及其編碼蛋白參與DNA損傷修復、DNA復制、基因表達及沉默等表觀遺傳調控過程，在神經(jīng)系統(tǒng)疾病、骨骼肌肉系統(tǒng)疾病、腫瘤、代謝及營養(yǎng)疾病、先天性心臟病等多種疾病的發(fā)生發(fā)展中扮演重要角色。本文就其最新研究進展進行綜述。

1 SUV4-20H基因及其編碼蛋白質的生物學特征

1.1 SUV4-20H基因及其編碼蛋白質結構

人類SUV4-20H基因包括SUV4-20H1（又稱KMT5B）基因及SUV4-20H2（又稱KMT5C）基因。SUV4-20H1基因位于第11號染色體長臂1區(qū)3帶 （11q13.2），含13個外顯子；SUV4-20H2基因位于第19染色體長臂1區(qū)3帶 （19q13.42），含11個外顯子［9］。所編碼蛋白SUV4-20H包含相同的催化結構域、N端結構域及鋅結合后結構域，以一腺苷甲硫胺酸 （s-adenosyl-l-methionine，SAM） 作為甲基供體進行甲基化，包括SUV4-20H1（含885個氨基酸殘基） 及SUV4-20H2 （含462個氨基酸殘基） 2個亞型，兩者高度同源，分子量分別為99×103，52×103［10］。

1.2 SUV4-20H基因及其編碼蛋白質功能

組蛋白甲基化修飾可發(fā)生于精氨酸和賴氨酸殘基，其中賴氨酸甲基化最為常見。在組蛋白H4前5個賴氨酸中，僅K20位點在哺乳動物中被甲基化，從酵母到人類，H4K20位點甲基化在進化上高度保守。組蛋白甲基化具有位點特異性，不同的甲基化位點對基因轉錄具有不同的調節(jié)作用，H4K20通常富集于基因異染色質中，參與轉錄抑制［7-8］。

SUV4-20H屬于組蛋白賴氨酸甲基轉移酶（histone lysine methyltransferases，HKMTs），是核小體特異性HKMTs。SUV4-20H在核小體組裝后，在組蛋白H4賴氨酸20 （H4K20） 位點，催化底物單甲基化組蛋白H4K20 （H4K20me1） 二甲基化與三甲基化，生成產(chǎn)物H4K20me2與H4K20me3。

2013年WU等［11］在人體SUV4-20H1及SUV4-20H2蛋白與SAM復合物的高分辨率晶體結構的研究中發(fā)現(xiàn)，SUV4-20H蛋白含有獨特的N端結構域和鋅結合后SET結構域，具有底物特異性。2016年WEIRICH等［12］采用SPOT肽陣列方法來檢測2種甲基轉移酶的底物序列識別基序，結果顯示SUV4-20H1蛋白識別 （RY） -kme1-（IVLM） -（LFI） -x-序列；SUV4-20H2蛋白識別X-Kme1-（IVLMK） -（LVFI） -x -（DEV） 序列，且特異性比SUV4-20H1蛋白差。目前在動物體內(nèi)實驗顯示，SUV4-20H1蛋白主要負責催化H4K20me1生成H4K20me2，SUV4-20H2蛋白負責H4K20me3的產(chǎn)生。而在體外研究發(fā)現(xiàn)，SUV4-20H蛋白可以直接將未修飾的H4K20三甲基化，不需要以H4K20me1為底物，且SUV4-20H1/H2蛋白對未修飾的H4K20的催化活性是H4K20me1的3倍［8-10］。QIAN等［13］研究發(fā)現(xiàn)K20me3的減少可能只是因為K20me2的減少，特別是在K20me3完全由K20me2生成的情況下，意味著SUV4-20H2蛋白可能僅催化H4K20me1生 成H4K20me2。WANG等［14］的研究雖未明 確H4K20me3的生成是否需要SUV4-20H1/H2蛋白，但研究結果表明，SUV4-20H1/H2蛋白可能不會直接介導活細胞中的K20me3，或者其動態(tài)程度遠不如K20me2。

2016年，EID等［15］研究發(fā)現(xiàn)，SUV4-20H1/H2蛋白可在小鼠胚胎著床前大部分缺失，H4K20me3的表達水平從雙細胞階段起開始迅速下降，而H4K20me3重構在受精后可促進DNA復制。意大利學者PEDROTTI等［16］在動物實驗中證實，SUV4-20H1基因敲除的小鼠整體生長發(fā)育遲緩，在圍生期死亡；而小鼠缺乏SUV4-20H2基因可導致胚胎成纖維細胞在端粒維持方面存在缺陷，但仍能存活。2017年，BROMBERG等［17］在遺傳學研究中發(fā)現(xiàn)，SUV4-20H蛋白可通過催化H4K20me1的二甲基化及三甲基化，促進非同源末端連接 （non-homologous end joining，NHEJ） 定向修復DNA。同年，西班牙學者在實驗研究后提出，在設定的類別轉換重組 （class switch recombination，CSR） 位點的表觀遺傳狀態(tài)時，SUV4-20H蛋白表達水平下降可導致活性誘導的胞苷脫氨酶 （activation-induced cytidine deaminase，AID） 缺乏癥［18］。

綜合國內(nèi)外學者大量的實驗研究發(fā)現(xiàn)，SUV4-20H蛋白作用于H4K20可出現(xiàn)不同程度的甲基化水平，從而產(chǎn)生不同的生物學過程。當SUV4-20H蛋白的表達水平未能使底物甲基化時，可參與DNA雙鏈斷裂 （dna double-stranded break，DSB） 的修復過程和DNA轉錄激活［19-20］。當使底物高水平甲基化時，可在復制前及復制后的染色質中區(qū)分DSBs，并參與DNA修復的正確路徑；亦可選擇異染色質區(qū)域復制起始位點等［21-22］。

2 SUV4-20H基因及其編碼蛋白質在疾病中的作用

2.1 SUV4-20H基因及其編碼蛋白質與神經(jīng)系統(tǒng)疾病

近年的研究［21-22］顯示，組蛋白賴氨酸甲基化相關基因是智力發(fā)育相關基因，準確控制組蛋白甲基化在神經(jīng)發(fā)育的過程發(fā)揮重要作用，并提出SUV4-20H基因及其編碼蛋白質在大腦發(fā)育中具有病理意義。研究［23-24］發(fā)現(xiàn)，SUV4-20H1蛋白在胚胎與成人大腦中均呈現(xiàn)高表達水平，SUV4-20H1基因缺失可使小鼠在胚胎期死亡，體長及體質量下降；SUV4-20H1基因突變則會導致智力障礙的過度生長綜合征。從大規(guī)模的人類DNA測序研究發(fā)現(xiàn)，SUV4-20H1基因可能是神經(jīng)發(fā)育表觀遺傳修飾的關鍵基因，如EHMT1 ARID1B，分別與Kleefstra綜合征及Coffin-Siris綜合征相關。2017年，STUDY等［25］發(fā)現(xiàn)SUV4-20H1基因突變可導致在生長發(fā)育障礙；在同年，美國學者STESSMAN等［26］對11 730余例神經(jīng)發(fā)育障礙患者與2 867例對照組的208種基因進行測序表明，SUV4-20H1基因變異的患者普遍具有相同特征，如智力障礙/發(fā)育遲緩、孤獨癥譜系障礙診斷、語言延遲、運動延遲及發(fā)熱性癲癇發(fā)作。2016年，RHODES等［27］對成年狒狒腦人室管膜下區(qū)分離的神經(jīng)干祖細 胞 （neural stem/progenitor cells，NSPCs） 進行研究發(fā)現(xiàn)，SUV4-20H1/ H4K20me3可能是一種保護機制，通過減少基因異常表達及調節(jié)細胞增殖，防止成人NSPCs異常細胞周期的產(chǎn)生。

2.2 SUV4-20H基因及其編碼蛋白質與骨骼肌肉系統(tǒng)疾病

2017年，KHANI等［28］研究發(fā)現(xiàn)，SUV4-20H2蛋白可控制成骨細胞的H4K20甲基化作用，并參與了成骨細胞分化中的基質礦化過程，對成骨細胞生長至關重要。2019年，SILES等［29］研究發(fā)現(xiàn)，SUV4-20H1蛋白通過促進兼性異染色質的形成和對肌肉轉錄調節(jié)因子 （myogenic determination factor，MyoD）位點的控制，調控骨骼肌干細胞的沉默，進而保護和保存骨骼肌干細胞池。SUV4-20H1基因的缺失可降低fHC的合成，誘導MyoD的轉錄激活及重新定位，遠離異色核外圍，進而促進肌鈣蛋白的活化，導致干細胞衰竭和肌肉再生受損。動物實驗研究發(fā)現(xiàn)，哺乳動物與果蠅的面肩肱型肌營養(yǎng)不良區(qū)域基因1（fascioscapulohumeral muscular dystrophy-1，F(xiàn)RG1） 過表達，可與SUV4-20H1蛋白結合，并干擾細胞SUV4-20H1蛋白的活性。同時發(fā)現(xiàn)，敲除SUV4-20H1或FRG1過表達均會抑制肌肉生成［30-31］。近來實驗發(fā)現(xiàn)，盡管SUV4-20H1_i2蛋白與SUV4-20H2蛋白都可導致H4K20me3升高及H4K20me1降低，但卻參與了不同的肌肉生成過程。SUV4-20H1_i2蛋白是肌源性分化的早期標志物，SUV4-20H2蛋白在整個肌肉分化的過程中均富集于肌電陽性細胞。研究［32］發(fā)現(xiàn)，復制復合體的起源1 （origin recognition complex 1，ORC1） 能夠特異性識別H4K20me2，當SUV4-20H蛋白表達水平降低時，ORC1-H4K20me2相互作用的取消可使細胞周期進展延遲及細胞增殖不足，繼而導致比例性低細胞性侏儒癥，如Meier-Gorlin 綜合征。以上研究表明，SUV4-20H蛋白可調控骨骼、肌肉早期發(fā)育過程，SUV4-20H基因及其編碼蛋白質異?？稍诠趋兰∪庀到y(tǒng)疾病中發(fā)揮重要作用。

2.3 SUV4-20H基因及其編碼蛋白質與腫瘤

2018年，VINCI等［33］對142個腫瘤序列進行分析發(fā)現(xiàn)，兒童膠質母細胞瘤中SUV4-20H1基因突變失活 （存在于<1%的細胞） 后通過趨化因子信號傳導及整合素調節(jié)，使DNA修復失效，并在體內(nèi)與體外增加對鄰近細胞的侵襲及轉移。2017年，VELEZCRUZ等［34］研究表明，SUV4-20H2蛋白過表達可糾正視網(wǎng)膜母細胞瘤 （retinoblastoma，RB） 基因缺失時染色質致密化、凝集和染色體分離。H4K20me3是RB缺失時染色體不穩(wěn)定 （chromosomal instability，CIN） 的主要原因，這一發(fā)現(xiàn)可能為逆轉或減少某些癌癥CIN提供治療機會。在癌癥的發(fā)生發(fā)展過程中，SUV4-20H1基因及/或SUV4-20H2缺失可使端粒延長；H4K20me3缺失與端粒伸長及端粒重組減壓有關，可誘導促癌基因的表達，從而促進腫瘤進展。2015年，SHINCHI等［35］研究顯示，SUV4-20H1/H2蛋白在乳腺癌細胞中異位表達可抑制細胞侵襲，而SUV4-20H2下調則能激活正常乳腺上皮細胞的侵襲。2018年，VIOTTI等［36］研究表明，SUV4-20H2蛋白表達水平過高與進行性侵襲性癌癥上皮特征的喪失有關，同時顯示，SUV4-20H2蛋白可用于胰腺癌細胞系間質識別，亦可作為上皮/間質狀態(tài)調控的上游表觀遺傳學調控因子。綜上可知，SUV4-20H基因及其編碼蛋白質與腫瘤疾病聯(lián)系緊密，對其進行深入研究，將有助于進一步理解腫瘤疾病的發(fā)病機制，可以更好地為臨床應用和治療提供新思路。

2.4 SUV4-20H基因及其編碼蛋白質與代謝及營養(yǎng)疾病

2014年，?ST等［37］在對果蠅、小鼠及人類的代謝編程中發(fā)現(xiàn)了SUV4-20H蛋白，其在體內(nèi)及體外研究中均可響應環(huán)境刺激與調節(jié)新陳代謝。2019年，PARIKH等［38］在動物實驗中發(fā)現(xiàn)，SUV4-20H是過氧化物酶增殖體激活受體γ的主要表觀遺傳監(jiān)管機構及響應環(huán)境刺激控制代謝與平衡體質量的重要途徑。2014年，HUNG等［39］研究發(fā)現(xiàn)，SUV4-20H蛋白在肥胖中可發(fā)揮重要作用，SUV4-20H蛋白及H4K20me3主要調控正常棕色脂肪組織生長與脂肪代謝狀態(tài)。研究顯示，因人類SUV4-20H1基因在11q13 （22） 號染色體上可定位到一個400 kb的糖尿病區(qū)域，表明糖尿病可能是與SUV4-20H1突變導致的相關代謝疾病中的一部分。同時，有研究［40］發(fā)現(xiàn)，SUV4-20H蛋白及H4K20me3的增加與糖尿病視網(wǎng)膜病變的發(fā)生發(fā)展有關。由此可知，SUV4-20H基因及其編碼蛋白質在代謝過程中扮演了重要角色，當其發(fā)生變化，機體內(nèi)穩(wěn)態(tài)失衡會導致一系列疾病的發(fā)生發(fā)展。

2.5 SUV4-20H基因及其編碼蛋白質與先天性心臟病

研究［41］發(fā)現(xiàn)，組蛋白甲基化在心肌生長過程中具有調控作用。如H3K4甲基轉移酶、H3K9甲基轉移酶等都可參與心臟的發(fā)育過程，其表達異常能導致先天性心臟病的形成［42］。近來研究發(fā)現(xiàn)一種含有SET域結構的蛋白——NSD1，包含SUV4-20H蛋白活性，其突變或缺失可引起Sotos綜合征，以室間隔缺損、房間隔缺損和動脈導管未閉為特征的冠狀動脈粥樣硬化性心臟病發(fā)病率較高［43］。由此可以推斷，SUV4-20H蛋白可參與先天性心臟病發(fā)生發(fā)展的過程，但其在疾病中的具體作用機制尚未明確，有待進一步研究。

3 結語

組蛋白甲基轉移酶SUV4-20H作為一種重要的表觀遺傳調節(jié)因子，具有廣闊的研究價值與臨床應用前景。其可通過對H4K20不同程度的甲基化修飾，以及與其他組蛋白修飾 （去甲基化、乙酰化、磷酸化、泛素化等） 的協(xié)同作用，調節(jié)基因的轉錄與表達，參與組織器官的形成與抑癌基因表達等過程，在多種疾病的發(fā)生發(fā)展過程中發(fā)揮至關重要的作用［1，5，43］。雖然目前對SUV4-20H的研究已不斷深入，但仍有大量問題亟待解決。如SUV4-20H在細胞環(huán)境與細胞周期不同的情況下，如何啟動對H4K20的甲基化修飾作用；SUV4-20H對基因轉錄調控的具體機制；SUV4-20H1異常表達導致神經(jīng)系統(tǒng)障礙的生物學過程；SUV4-20H與先天性心臟病發(fā)生的作用機制等。相信隨著實驗研究的日益完善，SUV4-20H的作用及其機制將更加明確，其有望作為疾病診斷的生物標志物，成為疾病治療靶點。