組蛋白甲基轉移酶SETDB1在生殖細胞及早期胚胎發(fā)育的研究進展

國 銘，李學亮，王立強，曾文先

（西北農林科技大學 動物科技學院，陜西 楊凌712100）

黃體在雌性哺乳動物生殖過程中發(fā)揮著關鍵作用，是維持妊娠所必需的。黃體化在濾泡破裂前已開始，過程受著多種因素的控制，也伴隨多種激素和基因的變化。文章就黃體化過程中主要激素（孕酮）的變化可能涉及的分子機制進行闡述。

1 組蛋白甲基轉移酶（SETDB1）結構及其甲基化修飾

1.1 SETDB1的結構

組蛋白甲基轉移酶SETDB1（SET domain bifureated 1）也稱KMT1E或ESET，其蛋白含有1 291個氨基酸［1］，能夠催化組蛋白H3K9發(fā)生甲基化修飾。SETDB1蛋白主要含有三個結構域：N末端兩個串聯的Tudor結構域、MBD 結構域（methyl-CpG-binding domain）和C末端保守的SET結構域。

SETDB1的Tudor結構域能夠將SETDB1錨定到組蛋白或非組蛋白甲基化賴氨酸或精氨酸殘基上［2］。Tudor結構域主要負責與其他染色質修飾酶相互作用，同時也能夠將不同的轉錄產物以及各種RNA 加工因子轉運至卡哈爾體中（cajal bodies）。MBD結構域包含2個與DNA結合的精氨酸殘基，使其可以與DNA結合。MBD結構域主要為DNA甲基化沉默相關蛋白提供識別原件。SETDB1的C端結構域包括進化上保守的SET結構域、pre-SET和post-SET結構域。SET結構域負責催化形成H3K9甲基化，pre-SET和post-SET結構域則協助SET結構域的催化活性［3］。

1.2 SETDB1與甲基化修飾

1.2.1 SETDB1與組蛋白H3K9甲基化修飾 基因的表達受到多層次和多途徑的調控，而組蛋白修飾則在轉錄水平上調控基因表達。組蛋白修飾對基因表達的調控模式取決于組蛋白修飾位點及修飾程度，其中H3K4和H3K36甲基化修飾與基因的轉錄激活有關，H3K9、H3K27和H4K20甲基化修飾與基因的轉錄抑制有關。組蛋白甲基化修飾是一個動態(tài)可逆的狀態(tài)，甲基轉移酶將甲基添加上；相反，組蛋白去甲基化酶則將甲基擦除［4］。組蛋白甲基轉移酶SETDB1催化組蛋白H3上第9位賴氨酸殘基發(fā)生一甲基化、二甲基化或三甲基化修飾，調控染色質開放程度和異染色質的形成，從而抑制基因的表達［5］。

1.2.2 SETDB1與DNA甲基化修飾 基因轉錄抑制往往是由多種抑制相關修飾共同作用的結果。DNA甲基化修飾也是一種與轉錄抑制有關的修飾。除催化H3K9甲基化外，SETDB1還與DNA甲基化修飾相關。據報道，SETDB1通過其N端結構域與DNMT3A的PHD（Plant Homeodomain）結構域結合，并定位于基因的啟動子區(qū)域，從而協同發(fā)揮轉錄抑制作用［6］。同時，在神經干細胞和原始生殖細胞特異性敲除Setdb1，導致基因組部分DNA甲基化修飾水平降低［7-8］。因此，SETDB1能夠協同參與DNA甲基化修飾。

1.2.3 SETDB1與非組蛋白甲基化修飾 組蛋白甲基轉移酶不僅可以催化組蛋白發(fā)生甲基化修飾，同時還能夠催化非組蛋白發(fā)生甲基化修飾。Zhang J.等［9］發(fā)現，組蛋白甲基轉移酶G9a能夠催化p53蛋白第373位賴氨酸發(fā)生甲基化修飾。2019年Guo J.等［10］報道，SETDB1能夠催化AKT發(fā)生甲基化修飾，引起AKT的活性增強。而且AKT的這種甲基化修飾能夠被去甲基化酶KDM4B所頡頏［10］。由此說明SETDB1對非組蛋白的這種甲基化修飾也是動態(tài)可逆的。同時Wang G.等［11］證明SETDB1對AKT的甲基化修飾發(fā)生在K64位點，并由此調控AKT的定位與活性。

2 SETDB1的生物學功能

2.1 SETDB1調控生殖細胞發(fā)育與分化

原始生殖細胞（primordial germ cells，PGC）重編程過程中，DNA甲基化修飾水平逐漸降低，在E 13.5天時DNA甲基化水平達到最低。這種重編程過程能夠清除親代基因組的印記，從而形成胚胎生殖細胞［12］。在E13.5天時，原始生殖細胞中DNA甲基化水平降到最低點，此時SETDB1對于性腺發(fā)育和帶有H3K9me3甲基化修飾標記的內源性逆轉座元件的沉默均發(fā)揮了重要作用［7］。LIU S.等［7］通過在Tnap-Cre介導的原始生殖細胞中Setdb1敲除發(fā)現，Setdb1-KO導致逆轉錄轉座子上H3K9me3修飾水平降低。對E 9.5天的原始生殖細胞特異性敲除Setdb1，導致生殖細胞發(fā)育受損和成年小鼠性腺發(fā)育受阻?？梢?，SETDB1對雄性生殖細胞發(fā)育的早期階段是必需的。

精原干細胞是睪丸中能夠自我更新、維持和分化的一類成體干細胞，是精子發(fā)生的基礎，其穩(wěn)態(tài)受到嚴格內源性及外源性因子的調控。SETDB1表達量隨著小鼠睪丸的發(fā)育（0 d，3 d，5 d，7 d，14 d，21 d和成年）逐漸升高，而且在成年小鼠的組織器官（心臟、肝臟、脾臟、肺臟、腎臟、卵巢和睪丸）中，睪丸組織中表達量最高，預示著SETDB1在小鼠出生后雄性生殖細胞發(fā)育過程中可能扮演著重要的角色。An J.等［13］發(fā)現，Setdb1-KD導致小鼠精原干細胞中大量的基因表達發(fā)生紊亂，其中有2 490個基因（15.0%）表達量上調了2倍以上，2 425個基因（14.6%）表達量下調超過50%；GO分析結果指出，SETDB1參與小鼠精原干細胞代謝和發(fā)育等。通過體外培養(yǎng)及精原干細胞移植試驗發(fā)現，SETDB1對小鼠精原干細胞的維持是必需的。Liu T.等［14］進一步研究發(fā)現，Setdb1-KD的精原干細胞中，促凋亡相關基因p53、Caspase9、Bax和Apaf1表達上調，抑凋亡基因XLAP表達下調。SETDB1通過H3K9me3介導PTEN/AKT/FOXO1信號通路調控凋亡相關基因的表達，從而維系精原干細胞的命運。因此，SETDB1對精原干細胞的命運決定是必需的。

SETDB1也調控豬雄性生殖細胞的命運。在豬睪丸組織中SETDB1與H3K9me3的分布模式存在差異，在7日齡和2月齡豬睪丸組織中，SETDB1分布于性原細胞和精原干細胞的細胞質，然而H3K9me3分布于核周。在成年豬睪丸組織中，SETDB1分布于精原干細胞和分化了的精原細胞的細胞核，但是H3K9me3分布于精原干細胞的核周，在分化的精原細胞中則呈現斑點狀分布［15-16］。Liu T.T.等［17］報道，SETDB1與H3K27組蛋白甲基修飾酶EZH2之間具有相互作用，在豬性原細胞中敲低SETDB1后H3K9me3水平發(fā)生明顯變化，但引起H3K27me3水平降低，表明Setdb1-KD通過調控H3K27me3水平誘導豬性原細胞的命運。因此，SETDB1作為豬雄性生殖細胞表觀遺傳調節(jié)因子，能夠維持豬生殖細胞的生存。

生殖細胞減數分裂過程中染色體聯會紊亂，導致基因突變或者非整倍性的出現。為了防止這種現象的出現，小鼠進化出兩種檢測機制清除有缺陷的生殖細胞［18］。第一，持續(xù)性的DNA損失激活CHK2/p53/p63通路，從而清除生殖細胞；第二，減數分裂過程的粗線期階段，同源染色體不發(fā)生聯會導致數百個基因失活［19-20］。此外，在雄性生殖細胞減數分裂過程中，未聯會的X、Y染色體受抑制，最終濃縮形成X、Y小體。其中，X、Y小體的形成與DNA損傷應答途徑和表觀修飾相關［21］。T.Hirota等［18］通過Ngn3-cre介導敲除精原細胞Setdb1，發(fā)現減數分裂過程中SETDB1通過TRIM28連接到DNA損傷應答途徑，從而引起X、Y染色體濃縮。

同時，SETDB1也調控雌性生殖細胞發(fā)育。2016年J.Kim等［22］報道，SETDB1對卵母細胞減數分裂和植入前的胚胎發(fā)育是必需的。敲除Setdb1引起卵母細胞中H3K9me2水平降低，導致DNA雙鏈斷裂增加和減數分裂過程受阻。雖然部分Setdb1-KO的卵母細胞能夠與精子完成受精過程并發(fā)育形成胚胎，但難以發(fā)育至囊胚期階段。進一步研究發(fā)現，Setdb1敲除導致卵母細胞減數分裂過程中著絲粒與微管的結合以及紡錘體組裝受損［23］。

因此，SETDB1作為一種組蛋白甲基轉移酶，在雄性和雌性生殖細胞發(fā)育中均發(fā)揮著重要作用。

2.2 SETDB1在早期胚胎發(fā)育過程中的功能

在小鼠中，SETDB1缺失導致胚胎發(fā)育至E 4.5天時致死［24］，而敲除組蛋白甲基轉移酶G9a導致胚胎發(fā)育至E9.5天時致死［25］，因此，SETDB1對于小鼠早期胚胎發(fā)育至關重要。精子與卵子結合后，SETDB1更多地富集在雄原核，說明SETDB1可能與精子來源的染色質重構有關。在這一階段，SETDB1以點狀形式分布在核周區(qū)域，這些區(qū)域大多為組成型異染色質區(qū)域和衛(wèi)星DNA序列。SETDB1的這種獨特的核周分布模式可能是與HP1蛋白相互作用導致的。隨著胚胎發(fā)育，SETDB1從點狀分布逐漸轉變?yōu)閺浬⒎植?，這種彌散分布模式可持續(xù)到8細胞階段，經過短暫的消失之后在囊胚期又呈現點狀分布。囊胚期SETDB1的點狀分布與PML-NB復合物有關［26］。SETDB1在早期胚胎發(fā)育的不同分布模式可能與其功能發(fā)揮相關。

3 小結

SETDB1對生殖細胞發(fā)育及早期胚胎發(fā)育均至關重要的。在小鼠和豬睪丸發(fā)育過程中，SETDB1表達水平隨著睪丸發(fā)育逐漸升高；受精之后SETDB1逐漸開始表達，且SETDB1在雄原核中的信號比在雌原核中強。SETDB1除了通過H3K9甲基轉移酶活性直接調控基因表達之外，還能與其他表觀修飾酶相互協同作用和催化非組蛋白甲基化，發(fā)揮多種生物學功能。近年來研究表明，SETDB1通過RNA結合蛋白hnRNPK與lincRNA相互作用影響體細胞重編程。盡管SETDB1在生殖細胞發(fā)育和早期胚胎發(fā)育領域取得了一定的進展，但是SETDB1與其他的修飾（如SUMO修飾、磷酸化修飾、泛素化修飾）之間是否存在聯系，以及SETDB1是否與這些修飾之間相互協同，從而在生殖細胞和胚胎發(fā)育中發(fā)揮作用，這些都有待于進一步探究。