組蛋白甲基轉(zhuǎn)移酶在腫瘤中的作用研究進展

封慕茵 綜述 羅泊濤 審校

廣東醫(yī)科大學(xué)病理系，廣東 湛江 524023

組蛋白甲基轉(zhuǎn)移酶(histone methyltransferases，HMTs)也稱為蛋白質(zhì)甲基轉(zhuǎn)移酶(protein methyltransferases, PMTs)，是組蛋白修飾的關(guān)鍵酶，主要分為組蛋白精氨酸甲基轉(zhuǎn)移酶(histone arginine methyltransferases，HRMTs)或稱蛋白質(zhì)精氨酸甲基轉(zhuǎn)移酶(protein arginine methyltransferases，PRMTs)與組蛋白賴氨酸甲基轉(zhuǎn)移酶(histone lysine methyltransferases，HKMTs)或稱蛋白質(zhì)賴氨酸甲基轉(zhuǎn)移酶(protein lysine methyltransferases，PKMTs)。PRMTs 與PKMTs 以S-腺苷甲硫氨酸為共同底物轉(zhuǎn)移甲基。組蛋白甲基化過程可發(fā)生在賴氨酸或精氨酸殘基上，如組蛋白H3的K4、K9、K27、K36、K79和組蛋白H4的K20，并由組蛋白甲基轉(zhuǎn)移酶催化。組蛋白甲基化調(diào)節(jié)細(xì)胞轉(zhuǎn)錄和基因組穩(wěn)定性，即便賴氨酸或精氨酸甲基化不改變電荷狀態(tài)，甲基化殘基的體積和疏水性增加也會影響蛋白質(zhì)—蛋白質(zhì)相互作用和蛋白質(zhì)識別，從而影響基因表達和轉(zhuǎn)錄調(diào)控[1]。

自LIN等[2]發(fā)現(xiàn)了第一個PRMTs和REA等[3]發(fā)現(xiàn)了第一個PKMTs以來，越來越多的研究表明表觀遺傳異常在癌癥和某些遺傳性疾病的發(fā)病機制中起著重要作用。此外，PRMTs催化精氨酸胍基的單甲基和/或不對稱或?qū)ΨQ二甲基化，以及PKMTs催化賴氨酸殘基的單甲基化、二甲基化和三甲基化，進一步增加了表觀遺傳組蛋白修飾系統(tǒng)的復(fù)雜性。隨著近年來對多種甲基轉(zhuǎn)移酶的深入研究和分子技術(shù)的迅速發(fā)展，表觀遺傳靶點已成為熱門的抗癌靶點。在人類基因組中，大約有150 種潛在的甲基賴氨酸或甲基精氨酸結(jié)合蛋白，而且其數(shù)量還在不斷增加。本文闡述幾類代表性HMTs 在腫瘤中作用的研究進展，旨在為表觀遺傳修飾酶在腫瘤中作用的研究提供前沿信息。

1 PKMTs與腫瘤

組蛋白修飾最重要的形式之一是尾部賴氨酸殘基的甲基化，由廣泛存在的SET 蛋白家族的成員執(zhí)行，其共同特征之一是有一個高度保守的SET 結(jié)構(gòu)域，該結(jié)構(gòu)域存在于果蠅三個調(diào)節(jié)因子Su(var)3～9、Enhancer of Zeste [E(Z)]與Trithorax (Trx)羧基末端的一段共同序列，其內(nèi)含催化活性位點，并與S-腺苷-L-蛋氨酸輔因子結(jié)合。基于SET結(jié)構(gòu)域周圍的序列，將含有該結(jié)構(gòu)域的蛋白質(zhì)分為主要的7 個亞家族，即SUV、Ash、Trx、E(Z)、PRDM、SMITH 和SETD。PKMTs 包括SETD (含SET 結(jié)構(gòu)域的賴氨酸甲基轉(zhuǎn)移酶)、常染色質(zhì)組蛋白甲基轉(zhuǎn)移酶(euchromatin histone lysine methyltransferases，EHMTs)和H3K79 甲基化的組蛋白賴氨酸甲基轉(zhuǎn)移酶DOT1L (disruptor of telomeric silencing 1-like)等，參與腫瘤的增殖、分化、侵襲和轉(zhuǎn)移的過程。

1.1 SETD 賴氨酸甲基轉(zhuǎn)移酶SET 家族包含SETD1～SETD9、G9a、MLL、SUV39H1 等50 多種人源相關(guān)蛋白。上述SETD家族成員含有一個100～300個殘基和C 末端Rubisco LSMT 底物結(jié)合的結(jié)構(gòu)域(rubis-subs-bind)，該結(jié)構(gòu)域?qū)τ赟ETD 蛋白與組蛋白H3 和H4的N端尾結(jié)合至關(guān)重要。SETD和SMYD兩個亞家族在SET結(jié)構(gòu)域中具有較低水平的動、植物同源序列，同一亞家族內(nèi)的成員具有相同的結(jié)構(gòu)域，支持了SETD和SMYD亞家族分別起源于動、植物分化之前的同一祖先的假設(shè)[4]。近年來，表觀遺傳修飾酶在腫瘤發(fā)生發(fā)展中所起的作用引起了廣泛關(guān)注；SETD家族作為組蛋白甲基轉(zhuǎn)移酶中的重要成員，而其明確的功能及作用機制卻知之甚少。SETD 家族蛋白不僅能調(diào)節(jié)組蛋白的功能，同樣可對多種非組蛋白進行甲基化，包括NF-κβ[5]。人SETD1A 蛋白在原發(fā)性肝癌中表達明顯增高，且對控制基因轉(zhuǎn)錄的H3K4 的三甲基化富集和表達有顯著影響，提示了SETD1A 高表達可能是肝細(xì)胞癌的預(yù)后不良因素[6]。SETDB2 過表達可能促進胃癌進展[7]。SETD2 由2 564 個氨基酸組成，可催化H3K36三甲基化，在乳腺癌、腎細(xì)胞癌[8]、高級別神經(jīng)膠質(zhì)瘤[9]、胃癌[10]和急性髓系白血病[11]等多種腫瘤中都發(fā)現(xiàn)有SETD2基因突變，其突變促進腫瘤的發(fā)生發(fā)展且提示預(yù)后不良。敲除SETD4 基因能顯著抑制乳腺癌的細(xì)胞增殖[12]，提高HepG2 人肝癌細(xì)胞對索拉菲尼的敏感性[13]，并可從表觀遺傳學(xué)上來控制乳腺癌干細(xì)胞靜止[14]。SETD6 可調(diào)控Wnt/β-catenin 信號通路的活化，介導(dǎo)p21 活化激酶4(p21-activated kinase 4，PAK4)甲基化，從而調(diào)控β-catenin 信號轉(zhuǎn)導(dǎo)并引起β-catenin 靶基因的轉(zhuǎn)錄增加[15]。SETD7 在肝細(xì)胞癌的細(xì)胞周期調(diào)控中起關(guān)鍵性作用，且與預(yù)后相關(guān)[16]。SETD8促進子宮頸癌進展，尤其在轉(zhuǎn)移中起著重要的作用[17]。研究表明SETD7 是治療Ⅱ型糖尿病、艾滋病、激素依賴性乳腺癌和前列腺癌等疾病的潛在藥物靶點[18]。SETD 家族中各成員之間既有分工合作，又有相互協(xié)同作用。對于SETD家族的具體功能及作用機制尚未完全闡明，但它們在靶向藥物開發(fā)中的重要性已經(jīng)愈發(fā)凸顯。目前針對SETD家族成員的特異性靶向藥物未見報道。

1.2 EHMT2(又稱G9a) 常染色質(zhì)組蛋白甲基轉(zhuǎn)移酶(EHMTs)是一種含有SET結(jié)構(gòu)域的組蛋白甲基轉(zhuǎn)移酶，參與H3K9甲基化。體外實驗中發(fā)現(xiàn)EHMT2不僅能將甲基轉(zhuǎn)移到H3中的賴氨酸9上，而且還能轉(zhuǎn)移到賴氨酸27上。缺氧微環(huán)境中EHMT2由于蛋白質(zhì)穩(wěn)定性的增加而積累。EHMT2 介導(dǎo)的H3K9 甲基化導(dǎo)致特定基因的抑制，而這些基因?qū)τ诘脱鯒l件下的腫瘤抑制是必不可少的[19]。研究表明，盡管重組EHMT2或GLP(G9a like protein)可以在體外獨立甲基化H3K9，但EHMT2/GLP 異構(gòu)體復(fù)合物是H3K9 在體內(nèi)整體甲基化的唯一功能形式。EHMT2 與多種腫瘤的發(fā)生發(fā)展具有相關(guān)性，可能是一個癌基因。肝癌組織EHMT2 表達明顯高于正常肝組織，表明其可能參與了肝癌的發(fā)生[20]；敲除前列腺癌細(xì)胞中EHMT2基因后，瘤細(xì)胞生長受抑制且細(xì)胞形態(tài)發(fā)生明顯變化，端粒酶活性喪失，端粒變短[21]；抑制EHMT2 表達來誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡可能是治療肺癌的潛在靶點[22]；EHMT2在乳腺癌組織中過表達，且觀察到EHMT2通過調(diào)控MSK1的激活和表達來調(diào)控癌轉(zhuǎn)移[23]，提示靶向EHMT2可能是干預(yù)乳腺癌轉(zhuǎn)移的一種有效的治療策略。近年來，從生化和生理水平上對EHMT2 進行了廣泛的研究，并開發(fā)出了一些特異性抑制劑，如BIX-01294 是第一個被報道的有效和選擇性抑制劑，可降低瘤細(xì)胞中H3K9 的二甲基水平[24]；A-366 是EHMT2 的有效的選擇性抑制劑，其抑制效果是其他21 種甲基轉(zhuǎn)移酶的1 000倍以上[25]。

1.3 DOT1L DOT1L是唯一導(dǎo)致H3K79甲基化的組蛋白賴氨酸甲基轉(zhuǎn)移酶，也是唯一缺少SET結(jié)構(gòu)域的組蛋白甲基轉(zhuǎn)移酶。DOT1L 位于19p13.3 染色體，約68.5 kb 的一個基因編碼，編碼7.5 kb mRNA(NM_032482，其中4.6 kb 為編碼序列)，翻譯后在人體內(nèi)產(chǎn)生1 537 個氨基酸殘基的蛋白質(zhì)(NP_115871.1)，該蛋白在十二烷基硫酸鈉聚丙烯酰胺凝膠上可分解為約164.9 kDa 的條帶。與其他已知的蛋白質(zhì)賴氨酸甲基轉(zhuǎn)移酶不同的是Dot1在體內(nèi)、外都是一種非加工性甲基轉(zhuǎn)移酶，這種動力學(xué)機制直接影響組蛋白H3K79 不同甲基化狀態(tài)的調(diào)節(jié)和功能。DOT1L 參與了H3K79單甲基化(H3K79me)、雙甲基化(H3K79me2)和三甲基化(H3K79me3)，然而，它們的具體功能尚未完全闡明。DOT1L對于胚胎發(fā)育十分重要，參與紅細(xì)胞生成和分化調(diào)控，DOT1L缺失會導(dǎo)致小鼠胚胎細(xì)胞中H3K79甲基化缺失，導(dǎo)致紅細(xì)胞發(fā)育顯著缺陷甚至致死[26]。DOT1L 的活性和H3K79 甲基化維持基因組穩(wěn)定所需的基因轉(zhuǎn)錄和活化、細(xì)胞周期進展以及DNA損傷反應(yīng)等關(guān)鍵的細(xì)胞過程。在基因篩選中首次發(fā)現(xiàn)Dot1 基因(端粒沉默干擾物)，其過度表達破壞了釀酒酵母的端粒沉默，在進化上具有高度的保守性。DOT1L 異常表達和H3K79 甲基化模式改變被預(yù)測會影響基因組穩(wěn)定性并驅(qū)動癌癥發(fā)生發(fā)展。DOT1L 與AF4、AF9 或ENL 等不同蛋白融合導(dǎo)致DOT1L 的募集，會使H3K79甲基化異常，引起MLL靶基因的過度表達，最終導(dǎo)致白血病發(fā)生[27]，DOT1L 抑制劑已被建議用于阻斷MLL 白血病增殖和逆轉(zhuǎn)其進展。下調(diào)肺癌細(xì)胞中高度修飾的H3K79甲基化，將是通過衰老程序消除癌細(xì)胞的一種新方法[28]；抑制DOT1L/H3K79甲基化選擇性地抑制了DOT1L 相對高水平的乳腺癌細(xì)胞增殖、分化，降低遷移和侵襲力[29]，表明DOT1L是治療DOT1L+乳腺癌的一種新的藥物靶點。對直腸癌患者H3K79me3 水平的檢測表明，H3K79me3 水平越低，預(yù)后越差；DOT1L 的小分子抑制劑與用于治療結(jié)直腸癌的化療藥物聯(lián)合使用顯示出相加效應(yīng)[30]。DAIGLE 等[31]開發(fā)出一種有效的DOT1L 選擇性抑制劑EPZ004777，可選擇性地殺死攜帶MLL易位基因的白血病細(xì)胞，為MLL靶向治療提供了方向。DAIGLE等[32]又開發(fā)出一種DOT1L 組蛋白甲基轉(zhuǎn)移酶活性的更高效的和選擇性的氨基核苷抑制劑EPZ-5676，目前正處于臨床研究階段。M?BITZ 等[33]采用片段連接的方法開發(fā)出結(jié)構(gòu)新穎的DOT1L 選擇性抑制劑。然而，抑制DOT1L 也會導(dǎo)致正常細(xì)胞衰老，由于存在潛在的副作用，將DOT1L 作為癌癥治療靶點仍需進一步探討。

2 PRMTs與腫瘤

在哺乳動物中普遍表達的PRMTs參與信號轉(zhuǎn)導(dǎo)、基因轉(zhuǎn)錄、DNA 修復(fù)和mRNA 剪接等重要的細(xì)胞過程，從而影響細(xì)胞生長、增殖和分化。在PRMTs催化過程中，將SAM 或AdoMet的甲基被轉(zhuǎn)移到蛋白質(zhì)底物上，取代精氨酸ω-NG上的氫原子，生成甲基化精氨酸作為最終產(chǎn)物，并產(chǎn)生副產(chǎn)物SAH或AdoHcy。根據(jù)產(chǎn)物的不同將PRMTs 分為3 種類型：Ⅰ型包括PRMT1、PRMT2、PRMT3、PRMT4(CARM1)、PRMT6、PRMT8，主要催化形成單甲基精氨酸和非對稱二甲基精氨酸；Ⅱ型包括PRMT5、PRMT9，主要催化形成單甲基精氨酸和對稱性二甲基精氨酸；Ⅲ型PRMT7 只催化形成單甲基精氨酸。PRMTs 在多種病理條件下特別是癌癥，存在著錯誤調(diào)控和異常表達的現(xiàn)象。一些精氨酸修飾酶的活性在癌癥、炎癥性疾病、神經(jīng)退行性疾病和其他疾病中起著關(guān)鍵作用。

2.1 PRMT1 PRMT1是一種重要的Ⅰ型蛋白質(zhì)精氨酸甲基轉(zhuǎn)移酶，是人類細(xì)胞中主要的甲基轉(zhuǎn)移酶，廣泛表達于胞質(zhì)和胞核。PRMT1在體內(nèi)外特異性甲基化H4的精氨酸3(Arg3)，Arg3甲基化修飾在轉(zhuǎn)錄調(diào)控中起著重要作用[34]。PRMT1 對蛋白質(zhì)精氨酸殘基進行翻譯后甲基化合成不對稱二甲基精氨酸(asymmetric dimethylarginine，ADMA)，而血漿ADMA 水平可預(yù)測1型糖尿病合并糖尿病腎病患者心血管并發(fā)癥和死亡率[35]。PRMT1 還可調(diào)控EGFR 功能，有可能在臨床結(jié)直腸癌治療中作為西妥昔單抗耐藥的預(yù)測標(biāo)志物[36]。PRMT1對體內(nèi)淋巴細(xì)胞發(fā)育、增殖和分化中起重要作用。PRMT1 的過表達可能與前列腺癌[37]和乳腺癌[38]有關(guān)。因此，開發(fā)PRMT1選擇性抑制劑不僅有助于PRMT1 功能和生物學(xué)作用的研究，而且為疾病提供治療策略。

2.2 PRMT5 PRMT5最初在哺乳動物中被鑒定為Janus 激酶2 結(jié)合蛋白，因此，PRMT5 也稱為JBP1。PRMT5是一種Ⅱ型精氨酸甲基轉(zhuǎn)移酶，可以甲基化組蛋白H2A、H3 和H4。PRMT5 普遍存在于胞質(zhì)和胞核，位于體內(nèi)cyclin E1 的啟動子上，作為cyclin E1 轉(zhuǎn)錄的輔助抑制因子而發(fā)揮作用。PRMT5 是一個關(guān)鍵的染色質(zhì)調(diào)節(jié)因子，其異常表達影響H3R8和H4R3甲基化，有助于腫瘤抑制基因的沉默。PRMT5表達下調(diào)會干擾轉(zhuǎn)化B 細(xì)胞增殖[39]。PRMT5 在胰腺癌中表達上調(diào)，并促進胰腺癌細(xì)胞增殖、遷移和轉(zhuǎn)移[40]。PRMT5-KLF4 軸對維持乳腺癌干細(xì)胞和基因組完整性起關(guān)鍵作用[41]。PRMT5 與腦星形細(xì)胞瘤的分級相關(guān)，其可能是通過調(diào)節(jié)ERK1/2 通路促進膠質(zhì)瘤細(xì)胞的惡性表型[42]；PRMT5是MYCN癌蛋白的關(guān)鍵翻譯后調(diào)節(jié)因子，并且與神經(jīng)母細(xì)胞瘤的預(yù)后不良有關(guān)[43]。近年來由于PRMT5 與癌癥的密切相關(guān)性，使得靶向PRMT5成為抗癌藥物開發(fā)的熱點。

2.3 PRMT7 PRMT7在PRMT家族中是獨一無二的，其特殊之處在于其不能甲基化常見的PRMT底物GST-GAR、MBP 和組蛋白H2A。PRMT7 是一種Ⅲ型精氨酸甲基轉(zhuǎn)移酶，具有獨特的底物特異性。PRMT7 能夠甲基化兩個含精氨酸的多肽，催化形成β-NG-單甲基精氨酸殘基。然而，PRMT7 催化的反應(yīng)類型和底物特異性仍存在爭議。哺乳動物中PRMT7參與DNA損傷修復(fù)、RNA剪接、轉(zhuǎn)錄調(diào)控和細(xì)胞分化等。通過與睪丸特異性因子CTCFL 協(xié)同作用，PRMT7 能使H4R3 二甲基化，并在男性生殖系印記基因甲基化中起決定性作用[44]?；虮磉_薈萃分析了PRMT7 在促進乳腺癌轉(zhuǎn)移中的可能作用[45]。PRMT7通過其啟動子上的組蛋白H4R3 位點的甲基化來調(diào)控bcl-6 表達，從而控制淋巴濾泡生發(fā)中心形成[46]。研究表明PRMT7通過精氨酸殘基70位的p38MAPKα甲基化促進MyoD 介導(dǎo)成肌細(xì)胞分化[47]。PRMT7 表達下調(diào)可能會使細(xì)胞對DNA 的損傷劑產(chǎn)生更強的抵抗力，抑制PRMT7 的作用是復(fù)雜的，可能會影響腫瘤對某些化療藥物的耐藥性。研究發(fā)現(xiàn)PRMT7基因敲除后瘤細(xì)胞對順鉑、氯苯丁腈和絲裂霉素C的抗性更強，而DNA 聚合酶δ催化亞基基因(DNA polymerase delta catalytic subunit gene 1，POLD1)是唯一能使PRMT7 基因敲除細(xì)胞對DNA 損傷恢復(fù)敏感性[48]。目前為止還沒有發(fā)現(xiàn)針對PRMT7 特異性高的抑制劑。

3 結(jié)語

越來越多的證據(jù)支持表觀遺傳異常在癌癥的發(fā)病機制中扮演重要的角色。隨著表觀遺傳學(xué)的作用越來越清晰，染色質(zhì)組分之間的相互關(guān)系也越來越清楚。在人類基因組中，大約有150 種潛在的甲基賴氨酸或甲基精氨酸結(jié)合蛋白，而且其數(shù)量還在不斷增加。今后在以下幾個方面有待加強研究：(1)深化對組蛋白甲基轉(zhuǎn)移酶的結(jié)構(gòu)和生物學(xué)功能的基礎(chǔ)研究。可以通過特異性模式細(xì)胞及模式動物闡明這些蛋白質(zhì)的基本功能。對組蛋白甲基化在正常生理和疾病狀態(tài)下的生物學(xué)功能的研究，也為將基礎(chǔ)表觀遺傳學(xué)研究轉(zhuǎn)化為臨床診斷和治療應(yīng)用提供了有力的支持，促進新技術(shù)新方法在這一領(lǐng)域的應(yīng)用。目前各種新方法和新技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用極大地活躍了組蛋白甲基化領(lǐng)域。在過去的10 年中，許多甲基-賴氨酸/精氨酸結(jié)合蛋白在結(jié)合特異性和三維結(jié)構(gòu)方面被研究發(fā)現(xiàn)，這為開發(fā)靶向選擇性拮抗劑提供了豐富的信息和試劑來源。(2)開發(fā)特異性靶向抑制劑。盡管還沒有足夠的研究來保證通過藥物分子靶向這類酶是否有益或沒有任何副作用，但考慮到組蛋白甲基轉(zhuǎn)移酶作為抗癌分子靶點類別的成員，可以為不斷進化的抗癌斗爭中提供了新的靶點選擇。