組蛋白變體macroH2A1 調(diào)控腫瘤增殖的研究進展

張明達，馮海忠

上海交通大學(xué)醫(yī)學(xué)院附屬仁濟醫(yī)院干細胞研究中心，上海200127

核小體是真核生物染色質(zhì)的基本結(jié)構(gòu)，由DNA 環(huán)繞核心組蛋白形成一個八聚體復(fù)合物。組蛋白的成分有常規(guī)組蛋白 H1、H2A、H2B、H3、H4 以及多種組蛋白變體。組蛋白變體呈現(xiàn)獨特的基因組分布，并具有獨特的附著和解離機制，賦予染色質(zhì)獨特的功能[1]。H2A.Z、macroH2A和H3.3 是3 種常見的組蛋白變體，在早期胚胎發(fā)育、干細胞譜系維持、體細胞重編程等方面發(fā)揮重要作用。組蛋白變體的突變、轉(zhuǎn)錄失調(diào)、附著機制改變等均可影響腫瘤發(fā)生，涉及表觀遺傳可塑性、基因組衰老變化機制以及激活相關(guān)基因表達程序等多方面內(nèi)容。

1 組蛋白變體macroH2A1 概述

組蛋白變體macroH2A 最初在大鼠肝臟細胞核小體中被發(fā)現(xiàn)，其相對分子質(zhì)量大小幾乎可達到正常組蛋白的3 倍。macroH2A 由與組蛋白H2A 具有66%同源性的N 末端的組蛋白結(jié)構(gòu)域、非結(jié)構(gòu)化的連接域以及C 末端的macro 域組成[2-3]，是唯一具有3 個結(jié)構(gòu)域的組蛋白。其macro 域的大小約是組蛋白結(jié)構(gòu)域的2 倍，macroH2A的突變可能是核小體水平上發(fā)生的最廣泛的染色質(zhì)改變。macro 域位于核小體對稱軸上方一個容易結(jié)合的位置，并與核小體核心中突出的結(jié)構(gòu)相連接[2]。

macroH2A 至 少 有3 種 亞 型， 包 括macroH2A1.1、macroH2A1.2 和macroH2A2。macroH2A1 和macroH2A2由2 個獨立的基因編碼。macroH2A1 以2 種交替的外顯子剪接亞型存在，即macroH2A1.1 和macroH2A1.2[4]。macroH2A1.1 在體外與由組蛋白脫乙酰酶（sirtuin 1，SIRT1）產(chǎn)生的乙酰核糖（O-acetyl-ADP-ribose）結(jié)合[2]。另外，macroH2A1 與女性X 染色體失活和轉(zhuǎn)錄抑制有關(guān)[5-6]。 有研究[7-9]將macroH2A 蛋白與信號誘導(dǎo)的基因激活聯(lián)系起來，從而挑戰(zhàn)了macroH2A1 作為一種獨特的染色質(zhì)抑制信號的觀點。

2 macroH2A1 通過多種方式調(diào)節(jié)靶基因表達

染色質(zhì)內(nèi)的macroH2A1 可以在特定背景下通過多種方式正向或負向調(diào)節(jié)其靶基因的表達。macro 域的配體結(jié)合結(jié)構(gòu)域直接結(jié)合NAD+的代謝物，包括二磷酸核糖（poly ADP-ribose，PAR）、核糖聚合酶（poly-ADP ribose polymerase，PARP）和乙酰核糖等[10-11]。目前為止，macro域與配體結(jié)合已經(jīng)被證實有2 種功能。一方面，影響配體親和力或活性[12]，例如macroH2A1.1 與聚ADP 核糖聚合酶1（poly-ADP ribose polymerase 1，PARP1）結(jié)合抑制其活性，并減少核內(nèi)NAD+消耗，從而促進DNA 損傷的有效修復(fù)以防止壞死性細胞死亡[13-16]；另一方面，介導(dǎo)募集配體相關(guān)因子到染色質(zhì)，如macroH2A1 將脯氨酸-谷氨酸-亮氨酸富集蛋白1（proline-，glutamic acid-，and leucine-rich protein 1，PELP1）募集到基因組，共同調(diào)節(jié)macroH2A1 靶基因中一個子基因的表達[12]。轉(zhuǎn)錄因子的表達和結(jié)合模式的變化可能會改變與轉(zhuǎn)錄模板上的macroH2A1 亞型的動態(tài)相互作用。

除了與轉(zhuǎn)錄因子的相互作用外，翻譯后修飾（posttranslational modification，PTM）是macroH2A1 亞型對基因表達進行表觀遺傳調(diào)控的關(guān)鍵機制。組蛋白基因翻譯成蛋白后經(jīng)常會發(fā)生位于多肽鏈羧基末端的共價修飾（包括甲基化、乙?；⒎核鼗土姿峄龋?。組蛋白的翻譯后修飾，或組蛋白在核小體的位置發(fā)生改變，以及組蛋白變體替換常規(guī)組蛋白等變化，可以通過改變?nèi)旧|(zhì)結(jié)構(gòu)調(diào)節(jié)染色體行為和功能[17-18]。macroH2A1 可以與對應(yīng)的常規(guī)組蛋白H2A 一樣，通過多種共價修飾組合進行調(diào)節(jié)。通過與PARP-1 結(jié)合，macroH2A1.1 促進Src 羧基端激酶結(jié)合蛋白（Csk-binding protein，CBP）介導(dǎo)的H2B乙酰化，正向或負向調(diào)節(jié)macroH2A1 靶基因的表達[19]。研究[20]證明，H2BK20ac 作為一種重要的PTM，通過調(diào)控macroH2A1 在H2B 乙酰化染色質(zhì)中的定位，影響macroH2A1 在轉(zhuǎn)錄過程中的功能。

3 macroH2A1 通過調(diào)控細胞衰老抑制腫瘤增殖

衰老表型最早被描述為一種以細胞分裂停止為特征的現(xiàn)象?，F(xiàn)在人們認識到衰老在腫瘤發(fā)生中起重要作用，并且對于胚胎發(fā)生和組織穩(wěn)態(tài)的維持是必不可少的。在衰老細胞中，有一些轉(zhuǎn)錄沉默的特殊區(qū)域，含有異染色質(zhì)蛋白（如HP1），稱為衰老相關(guān)異染色質(zhì)聚集（senescenceassociated heterochromatic foci，SAHF），被 認 為 具 有 抑制細胞增殖基因表達的作用。關(guān)于SAHF 的組成和組裝模式及其對退出細胞周期的作用的研究[21]證實，其含有豐富的macroH2A1。染色質(zhì)調(diào)節(jié)因子中的組蛋白調(diào)節(jié)同系物（histone regulatory homologue，HIRA）和逆沉默功能因子1a（anti-silencing function 1a，ASF1a）能促進含有macroH2A1 的SAHF 的形成和退出衰老相關(guān)的細胞周期[22]。細胞衰老是一種腫瘤抑制機制，可以永久阻止具有癌變風(fēng)險的細胞繼續(xù)增殖。然而，未分裂的衰老細胞可能對組織微環(huán)境產(chǎn)生有害影響。這些影響中最重要的是獲得衰老相關(guān)的分泌表型（senescence-associated secretory phenotype，SASP），將誘導(dǎo)腫瘤細胞及周圍正常細胞轉(zhuǎn)變?yōu)榇傺装Y細胞。促炎癥細胞又能夠進一步誘導(dǎo)鄰近癌細胞的腫瘤發(fā)生。Chen 等[23]的研究表明，在通過觸發(fā)旁分泌衰老來維持由癌基因誘導(dǎo)衰老（oncogene-induced senescence，OIS）的正反饋通路中，macroH2A1 作為腫瘤抑制因子構(gòu)成了關(guān)鍵部分。macroH2A1 在OIS 期間經(jīng)歷了全基因組范圍的重新定位，并從編碼SASP基因的染色質(zhì)位點中移除。將macroH2A1 從SASP基因中移除引起內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激、氧化應(yīng)激和DNA 損傷等變化，通過正反饋通路進一步導(dǎo)致macroH2A1 的移除增加。共濟失調(diào)毛細血管擴張突變蛋白（ATMP）的活性對于從SASP基因中移除macroH2A1 并抑制其表達至關(guān)重要[24]。因此，macroH2A1 被認為是調(diào)節(jié)旁分泌衰老的關(guān)鍵控 制點。

4 在特定腫瘤中macroH2A1 通過調(diào)控代謝抑制腫瘤增殖

大量研究已經(jīng)證實了macroH2A1 的腫瘤抑制功能，而macroH2A1.2 的功能則取決于特定的腫瘤環(huán)境。此外，macroH2A1 調(diào)節(jié)細胞代謝和營養(yǎng)與腫瘤發(fā)病機制之間的聯(lián)系越來越受到人們的關(guān)注。下面以肝細胞癌為例，簡述macroH2A1 在抑制腫瘤生長和協(xié)同藥物治療等方面的相關(guān)研究進展。

肝細胞癌（hepatocellular carcinoma，HCC）發(fā)病率和病死率高，患者預(yù)后很差，只有10%～20%的患者適合手術(shù)治療，沒有手術(shù)機會的患者預(yù)期生存壽命＜6 個月[25]。衰老是肝癌的主要危險因素，通常由代謝綜合征和非酒精性脂肪肝疾病（nonalcoholic fatty liver disease，NAFLD）誘發(fā)，并伴有肝硬化的發(fā)生[26]。在人類衰老的肝臟細胞和HCC 細胞中，2 種macroH2A1 亞型的含量均增加。因此，肝臟中macroH2A1 亞型表達的增加可能被用作HCC 診斷和判斷預(yù)后的標志物。地西他濱通過減少DNA 的甲基化抑制腫瘤細胞增殖，還可以通過誘導(dǎo)細胞衰老在HCC 中發(fā)揮抗腫瘤作用[7]。macroH2A1 的缺乏賦予HCC 細胞腫瘤干細胞樣表型，這種現(xiàn)象受核因子κB p65 的磷酸化調(diào)節(jié)[27]。macroH2A1 缺乏可以抑制地西他濱的失活，增強其抑制腫瘤細胞增殖的功能[28]。macroH2A1亞型在HCC 細胞系中的表達阻止衰老表型的出現(xiàn)并誘導(dǎo)全DNA 的低甲基化。SASP 和全轉(zhuǎn)錄組分析結(jié)果表明macroH2A1 能通過p38 MAPK/IL-8 通路介導(dǎo)HCC 細胞從化學(xué)治療誘導(dǎo)的衰老過程中逃逸[7]。組蛋白變體，尤其是macroH2A1 與核小體結(jié)合是調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)錄和細胞代謝的主要方式[29]。肝細胞中macroH2A1.1 過表達可以改善葡萄糖代謝，降低生脂基因的表達和脂肪酸含量，從而減少肝細胞內(nèi)甘油和膽固醇的積累。基因組和轉(zhuǎn)錄組學(xué)研究[30-31]表明macroH2A1 在NAFLD 和脂肪誘導(dǎo)的肥胖癥的發(fā)病機制中起作用。

除HCC 外，macroH2A1 在其他相關(guān)的特定腫瘤中的作用，也值得關(guān)注。Kapoor 等[32]實驗證明，降低低度惡性黑色素瘤細胞中macroH2A1 的表達，能明顯促進腫瘤細胞的增殖和遷移性生長，而恢復(fù)macroH2A1 亞型的表達可以抑制這些惡性表型。macroH2A1 的缺失對惡性腫瘤的促進作用是通過上調(diào)CDK8 的表達來介導(dǎo)的，在macroH2A1 失活的細胞中降低CDK8 的表達會消除它們的增殖優(yōu)勢[32]。而在乳腺癌中，Skp2-mH2A1-CDK8 軸通過調(diào)節(jié)細胞周期和腫瘤發(fā)生，成為延緩腫瘤進展的一條重要通路。macroH2A1 作為Skp2 SCF 復(fù)合體的底物，被Skp2 降解可以促進CDK8基因的表達。CDK8 通過促進Skp2 介導(dǎo)的p27 泛素化和降解來調(diào)節(jié)p27 蛋白的表達[33]。研究[34]已經(jīng)證實，表皮生長因子受體激活促進CDK5 與TRIM59 結(jié)合使其磷酸化并發(fā)生核異位，核TRIM59 通過誘導(dǎo)marcoH2A1 的泛素化和降解，增強STAT3 信號通路的活性，并誘導(dǎo)腫瘤發(fā)生。沉默TRIM59可抑制膠質(zhì)母細胞瘤的增殖、遷移和顱內(nèi)原位移植瘤的形成[34-35]。Sporn等[36-37]研究發(fā)現(xiàn)macroH2A1 亞型在經(jīng)歷衰老的細胞中高度表達，提示macroH2A1.1 有可能成為肺癌和結(jié)腸癌等腫瘤中關(guān)于細胞衰老和評估預(yù)后的重要生物標志物。實際上，macroH2A1.1 在多種惡性腫瘤中的表達降低，往往與不良預(yù)后相聯(lián)系。

5 展望

作為一種重要的組蛋白變體，macroH2A1 通過改變細胞衰老表型、調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)錄活性等方式在腫瘤的發(fā)生和發(fā)展中起到關(guān)鍵作用，但具體作用機制尚不明確。迄今為止，尚不清楚是否可以改變macroH2A1 與DNA 結(jié)合的活性來恢復(fù)細胞衰老。關(guān)于macroH2A1 在基因組中的占比是否與衰老逃逸相關(guān)，也有不同的意見[38]；并且，仍然不知道哪種伴侶蛋白和重塑復(fù)合物有助于組裝含有macroH2A亞型的核小體。由于缺乏合適的特異性ChIP 級抗體，無法確定內(nèi)源性macroH2A1.1 和macroH2A1.2 在基因組中分布的差異。組蛋白變體在基因表達、細胞代謝、PTM，以及在新的病理環(huán)境中的作用仍需進一步探索。目前，macroH2A1 已被視為多種惡性腫瘤前期診斷、預(yù)測復(fù)發(fā)風(fēng)險和判斷預(yù)后的重要生物標志物。我們有理由相信，關(guān)于macroH2A1 及其他組蛋白變體的研究可以為臨床中腫瘤的個體化治療提供新的思路。

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