SUV39H1的生物學(xué)功能研究進(jìn)展

簡俊綜述 劉修恒，王磊審校

SUV39H1是第一個人類組蛋白賴氨酸甲基轉(zhuǎn)移酶(human histone lysine methyltransferase，HMT)，是果蠅位置效應(yīng)變異因子Su(var)3-9和裂殖酵母沉默因子Clr4的人類同源物，于2000年首次被發(fā)現(xiàn)[1]。它由1個催化活性的SET結(jié)構(gòu)域和1個染色質(zhì)結(jié)構(gòu)域組成，在進(jìn)化上較為保守，可以特異性催化H3K9甲基化，產(chǎn)生H3K9me3，招募異染色質(zhì)蛋白1(HP1)，通過N端與HP1相互作用，在異染色質(zhì)形成和基因轉(zhuǎn)錄抑制中發(fā)揮重要作用[2]。而且SUV39H1可以甲基化不同的非組蛋白底物蛋白，調(diào)節(jié)蛋白活性、穩(wěn)定性及蛋白—蛋白相互作用。此外，以往的研究發(fā)現(xiàn)，SUV39H1在小鼠生殖細(xì)胞的發(fā)育和細(xì)胞周期的調(diào)控中有著重要作用[3]。通常認(rèn)為，SUV39H1可能是一種腫瘤抑制因子，通過促進(jìn)細(xì)胞衰老和抑制細(xì)胞增殖所需基因，參與各種類型腫瘤的發(fā)生發(fā)展[4]。越來越多的研究表明，在部分類型的腫瘤中，SUV39H1可能也發(fā)揮致癌作用。與癌旁正常組織比較，其在肝癌、結(jié)腸癌、膀胱癌等腫瘤組織中被發(fā)現(xiàn)表達(dá)上調(diào)[5-7]。隨著研究的不斷深入，SUV39H1在生長發(fā)育、糖尿病、白血病、免疫防御、血管內(nèi)皮功能障礙等諸多領(lǐng)域的調(diào)控作用被發(fā)現(xiàn)，有望為相關(guān)疾病的診斷及治療提供一個新的靶點(diǎn)。

1 SUV39H1的基本結(jié)構(gòu)

SUV39H1由1個C端的SET結(jié)構(gòu)域和1個N端的染色質(zhì)結(jié)構(gòu)域組成，其氨基酸序列高度保守。SET結(jié)構(gòu)域具有催化活性，大約由130個氨基酸組成，能夠與甲基提供體S-腺苷-L-甲硫氨酸結(jié)合并將其甲基轉(zhuǎn)移到賴氨酸殘基上使其甲基化[8]。SUV39H1的染色質(zhì)結(jié)構(gòu)域是1個包含大約50個氨基酸的保守模塊，與其他染色質(zhì)結(jié)構(gòu)域具有約30%的同源性序列和約40%的相似性序列，N端由3個反向平行鏈組成1個β折疊，C端為1個長α螺旋。作為甲基化賴氨酸相互作用結(jié)構(gòu)域，它能夠特異性識別H3K9me2/3并與之結(jié)合，但結(jié)合親和力比其他染色質(zhì)結(jié)構(gòu)域弱[9-10]。此外，在SET結(jié)構(gòu)域完整存在的情況下，SUV39H1的染色質(zhì)結(jié)構(gòu)域的突變或者缺失同樣會導(dǎo)致酶活性降低，這提示染色質(zhì)結(jié)構(gòu)域?qū)UV39H1的催化活性至關(guān)重要[11]。有研究利用設(shè)計(jì)的染色質(zhì)模板發(fā)現(xiàn)了SUV39H1的兩步作用激活開關(guān)。首先，染色質(zhì)結(jié)構(gòu)域識別H3K9me3導(dǎo)致酶錨定在染色質(zhì)上。其次，與H3K9me3相互作用使SET結(jié)構(gòu)域的甲基化活性激活。這一過程為H3K9me2/3擴(kuò)散到擴(kuò)展的異染色質(zhì)區(qū)域建立了一個正反饋回路[12]。

2 SUV39H1功能

2.1 SUV39H1在腫瘤發(fā)生發(fā)展中的調(diào)控作用 目前，各種腫瘤的治療面臨巨大挑戰(zhàn)，急需新的治療靶點(diǎn)的開發(fā)應(yīng)用。SUV39H1與腫瘤的聯(lián)系日益受到關(guān)注，過去的研究傾向于認(rèn)為SUV39H1發(fā)揮腫瘤抑制因子的作用，近年的研究發(fā)現(xiàn)SUV39H1可能也發(fā)揮致癌作用。

2.1.1 SUV39H1抑制腫瘤的發(fā)生發(fā)展：轉(zhuǎn)移性進(jìn)展是宮頸癌導(dǎo)致死亡的主要原因，在遷移的宮頸癌細(xì)胞中，SUV39H1的水平較低，而SUV39H1的敲除則會增強(qiáng)宮頸癌細(xì)胞的遷移能力[13]，這提示SUV39H1可以作為宮頸癌預(yù)后的預(yù)測因子。SMAD3是參與多種免疫信號通路激活的關(guān)鍵胞內(nèi)介質(zhì)，SUV39H1通過催化生成H3K9me3與DNMT1的啟動子區(qū)域直接作用降低其表達(dá)，上調(diào)SMAD3的表達(dá)，抑制宮頸癌的發(fā)展[14]。另一研究發(fā)現(xiàn)，SUV39H1通過SUV39H1-DNMT3A-Tim-3/galectin-9軸，降低Tim-3和galectin-9的表達(dá)，穩(wěn)定腫瘤微環(huán)境，抑制宮頸癌的發(fā)展[15]。表觀遺傳調(diào)控在白血病的發(fā)生發(fā)展中起重要作用，SUV39H1在多種白血病中均下調(diào)，敲低SUV39H1導(dǎo)致白血病干細(xì)胞(LSCs)數(shù)量增加，加速疾病進(jìn)展。過表達(dá)SUV39H1則導(dǎo)致Hoxb13和Six1失活，以及Hoxa9/Meis1下游靶基因逆轉(zhuǎn)，延長白血病的潛伏期并降低LSCs的數(shù)量，減緩白血病的進(jìn)展[16]。miR-125a-5p在胃癌中表達(dá)較低，SUV39H1可以誘導(dǎo)miR-125a-5p去甲基化，導(dǎo)致其重新激活，在體外抑制細(xì)胞增殖、侵襲和遷移，在體內(nèi)抑制腫瘤的進(jìn)展[17]。

2.1.2 SUV39H1促進(jìn)腫瘤的發(fā)生發(fā)展：在上皮性卵巢癌(EOC)組織中，miR-520a-3p過表達(dá)能抑制腫瘤細(xì)胞的生長和轉(zhuǎn)移，過表達(dá)SUV39H1則可以逆轉(zhuǎn)miR-520a-3p的作用，促進(jìn)EOC的發(fā)展。SUV39H1亦被證實(shí)與卵巢癌的預(yù)后相關(guān)，高表達(dá)的SUV39H1能夠促進(jìn)癌細(xì)胞的增殖，并導(dǎo)致卵巢癌患者預(yù)后不良[18]。在腎透明細(xì)胞癌中(ccRCC)，敲低或者藥物抑制SUV39H1可以誘導(dǎo)鐵聚集和脂質(zhì)過氧化，引發(fā)鐵死亡，進(jìn)而導(dǎo)致ccRCC細(xì)胞破壞。SUV39H1缺失亦可上調(diào)二肽基肽酶-4(DPP4)的表達(dá)，誘導(dǎo)鐵死亡，發(fā)揮上述作用[2]。乙肝病毒感染后，相當(dāng)一部分患者會進(jìn)展為肝癌，而SUV39H1也被認(rèn)為參與肝癌的發(fā)生[5]。為了研究兩者在肝癌發(fā)展過程中是否存在相互作用，有研究使用HBV復(fù)制模型，通過構(gòu)建乙肝病毒X蛋白(HBx)和SUV39H1表達(dá)質(zhì)粒，發(fā)現(xiàn)HBx的共激活域與SUV39H1的PostSET和SET結(jié)構(gòu)域相互作用，表現(xiàn)出協(xié)同效應(yīng)，促進(jìn)肝癌的發(fā)生[19]。Fas及其配體FasL誘導(dǎo)的凋亡途徑，是細(xì)胞毒性T淋巴細(xì)胞誘導(dǎo)腫瘤細(xì)胞凋亡進(jìn)而抑制腫瘤發(fā)展的主要機(jī)制之一，而H3K9me3在Fas的啟動子處沉積則能抑制其表達(dá)。在人類結(jié)腸癌(CRC)中，抑制SUV39H1可以顯著增加顆粒酶B、穿孔素、FasL和IFN的表達(dá)，通過增強(qiáng)免疫監(jiān)測和CTL的殺傷作用，誘導(dǎo)腫瘤細(xì)胞的凋亡[7]。SUV39H1的選擇性抑制劑F5446通過降低Fas啟動子處的H3K9me3沉積，增加Fas的表達(dá)，促進(jìn)CTL誘導(dǎo)的腫瘤細(xì)胞的凋亡[20]。前列腺癌在男性癌癥相關(guān)死因中位居第二，其高致死率很大程度上與轉(zhuǎn)移相關(guān)。有研究發(fā)現(xiàn)，二甲雙胍能夠通過抑制SUV39H1表達(dá)，降低整合素αV和β1蛋白，及其下游磷酸化的黏附激酶(FAK)水平，進(jìn)而抑制前列腺癌細(xì)胞的遷移[21]。在鼻咽癌組織中SUV39H1表達(dá)顯著升高，枸杞皂苷能降低其表達(dá)，通過SUV39H1/JAK2/STAT3通路抑制鼻咽癌細(xì)胞的增殖和侵襲，增加凋亡[22]。黑色素瘤是最具侵襲性和最難治療的腫瘤之一，SUV39H1通過與DNA甲基轉(zhuǎn)移酶3A相互作用促進(jìn)視網(wǎng)膜母細(xì)胞瘤基因(RB)1啟動子CpG島甲基化，降低RB mRNA和蛋白的含量。RB數(shù)量的減少反過來減輕E2F1的轉(zhuǎn)錄抑制，使PIN1水平增加，使人角質(zhì)形成細(xì)胞向腫瘤細(xì)胞轉(zhuǎn)化，并通過RAF1-MEK-ERK信號通路激活黑色素瘤的發(fā)生[23]。

2.2 SUV39H1對糖尿病并發(fā)癥的影響 全球有數(shù)億糖尿病患者，糖尿病的各種并發(fā)癥嚴(yán)重?fù)p害人體各組織器官，其中心血管并發(fā)癥發(fā)病率及病死率均位居前列。有研究表明，SUV39H1可以保護(hù)糖尿病患者血糖控制后的血管平滑肌細(xì)胞免受代謝記憶和促炎表型的影響，而SUV39H1通過補(bǔ)體C3和PIN3調(diào)控ERK1/2磷酸化促進(jìn)糖尿病大鼠動脈損傷后的血管平滑肌細(xì)胞的遷徙和增殖及新生內(nèi)膜的形成[24]。這為糖尿病血管損傷提供了新的治療靶點(diǎn)。大約有40%的糖尿病患者會進(jìn)展為糖尿病腎病(DN)，甚至發(fā)展為終末期腎病(ESRD)。DN機(jī)制復(fù)雜，多種治療方案的療效不佳。而SUV39H1在DN患者的腎小管細(xì)胞中表達(dá)增高，高糖環(huán)境下過表達(dá)SUV39H1使H3K9me水平升高，炎性因子表達(dá)減少，細(xì)胞凋亡減少。提示SUV39H1可以通過表觀遺傳調(diào)控減少腎臟的炎性反應(yīng)及腎臟細(xì)胞的凋亡，從而在DN中發(fā)揮保護(hù)作用[25]。

2.3 SUV39H1參與生長發(fā)育過程 在牙的發(fā)育過程中，Lhx8通過作用于SUV39H1，識別成牙本質(zhì)分化相關(guān)基因，并通過甲基化其啟動子上的H3K9抑制基因表達(dá)，維持細(xì)胞的未分化狀態(tài)并促進(jìn)細(xì)胞增殖[26]。有研究發(fā)現(xiàn)，SUV39H1在豬體細(xì)胞核移植(SCNT)胚胎中的水平高于體外受精胚胎[27]。抑制SUV39H1的表達(dá)可以促進(jìn)德保豬胚胎成纖維細(xì)胞(PFFs)增殖，使PFFs中CyclinA2、CyclinB和PCNA的表達(dá)顯著增加，同時顯著提高德保豬SCNT胚胎的卵裂率、囊胚率和囊胚總細(xì)胞數(shù)[28]。使用毛殼素特異性抑制SUV39H1可降低核移植胚胎中H3K9me3的表達(dá)，激發(fā)其發(fā)育潛能[29]。H3K9me3是SCNT有效重編程的主要障礙[30]，CRL4 E3泛素連接酶在卵母細(xì)胞中的表達(dá)對生育能力至關(guān)重要，DCAF13是CRL4的銜接子，能夠靶向SUV39H1的多泛素化和蛋白酶體降解，降低H3K9me3的生成并促進(jìn)合子基因的表達(dá)，促進(jìn)SCNT胚胎的重編程[31]。

2.4 SUV39H1促進(jìn)血管內(nèi)膜增生 血管損傷后，血管內(nèi)膜的增生是血管修復(fù)的重要過程，而病理性的內(nèi)膜增生是許多增生性血管疾病的病理基礎(chǔ)。有研究通過構(gòu)建下調(diào)SUV39H1的慢病毒載體和過表達(dá)SUV39H1的腺病毒載體，并在體外轉(zhuǎn)染培養(yǎng)的血管平滑肌細(xì)胞(VSMCs)和頸動脈球囊損傷的大鼠，發(fā)現(xiàn)在血管緊張素Ⅱ(AngⅡ)刺激后，SUV39H1和DNA抑制劑3(Id3)的表達(dá)明顯增加。SUV39H1下調(diào)抑制AngⅡ刺激的VSMCs的遷移和增殖，拮抗Id3的產(chǎn)生，促進(jìn)p21和p27Kip1的表達(dá)，進(jìn)而抑制內(nèi)膜增生，而過表達(dá)SUV39H1則促進(jìn)血管內(nèi)膜的增生[32]。

2.5 SUV39H1促進(jìn)特發(fā)性脊柱側(cè)凸患者小關(guān)節(jié)軟骨細(xì)胞增殖 特發(fā)性脊柱側(cè)凸(IS)是一種病因不明的復(fù)雜疾病。有研究發(fā)現(xiàn)，IS患者的SUV39H1水平顯著升高，它通過增加H3K9me3，增加Ⅱ型膠原(COL2A1)和B細(xì)胞淋巴瘤(Bcl2)基因，降低miR-15a的表達(dá)，促進(jìn)軟骨細(xì)胞增殖。這種軟骨細(xì)胞增殖失調(diào)可以導(dǎo)致脊柱生長異常，參與IS的發(fā)生發(fā)展[33]。

2.6 SUV39H1對心肌肥厚的抑制作用 肥厚型心肌病表現(xiàn)為左心室肥厚并伴有舒張功能障礙，導(dǎo)致進(jìn)行性心力衰竭。Kindlin-2可以與SUV39H1相互作用，將其招募到GATA4啟動子上，通過H3K9me3抑制其表達(dá)，保護(hù)心肌免受病理性肥大同時也能避免異丙腎上腺素(ISO)處理引起的心肌肥大。而敲除Kindlin-2與SUV39H1的小鼠心肌則較早出現(xiàn)病理性肥厚，且ISO處理加速肥厚過程[34]。

2.7 SUV39H1對病原體侵襲的抵抗作用 宿主對病原體入侵的防御機(jī)制復(fù)雜多樣，隨著研究的不斷深入，越來越多的新的防御機(jī)制被發(fā)現(xiàn)，有望為未來的抗感染治療提供更多的策略。有研究發(fā)現(xiàn)，SUV39H1能夠與分枝桿菌結(jié)合，使分枝桿菌組蛋白樣蛋白HupB三甲基化，降低分枝桿菌的黏附能力。同時使分枝桿菌形成生物膜的能力顯著降低，并降低分枝桿菌在宿主細(xì)胞內(nèi)的存活能力[35]。SUV39H1在亞洲鱸魚的鰓、脾臟和腎臟中高表達(dá)，用虹彩病毒感染亞洲鱸魚后，SUV39H1基因的表達(dá)發(fā)生改變，在其基因的3’UTR檢測到3個SNPs和1個indel，而該indel被證明與對虹彩病毒的抗性顯著相關(guān)，該DNA標(biāo)記可用于選擇對虹彩病毒有抗性的魚苗[3]。

2.8 SUV39H1促進(jìn)HPV感染 固有免疫對病原體侵襲的防御至關(guān)重要，腫瘤相關(guān)病毒對固有免疫的破壞有利于癌變發(fā)生，高危人乳頭瘤病毒(HPV)能同時觸發(fā)固有免疫的多個效應(yīng)體的表觀遺傳沉默促進(jìn)病毒感染及癌癥的發(fā)生。HPV E7癌蛋白能上調(diào)SUV39H1的表達(dá)，使宿主細(xì)胞RIG-I、cGAS和STING基因的表觀遺傳沉默，阻止干擾素分泌，破壞固有免疫，促進(jìn)病毒感染及癌變的發(fā)生。而藥物抑制或者敲除SUV39H1則可以恢復(fù)固有免疫，抵御病毒侵襲[36]。

2.9 SUV39H1對結(jié)腸炎的促進(jìn)作用 腸道上皮屏障的損傷是胃腸道炎性反應(yīng)的關(guān)鍵病理生理過程。山姜素(Alpinetin)能夠改善結(jié)腸炎時的腸道屏障穩(wěn)態(tài)。其機(jī)制為山姜素激活芳香烴受體(AhR)，降低SUV39H1的表達(dá)，促進(jìn)TSC2的表達(dá)，抑制mTORC1信號通路的激活，抑制腸上皮細(xì)胞(IECs)的凋亡，保護(hù)腸上皮屏障，改善結(jié)腸炎[37]。

2.10 SUV39H1對內(nèi)皮細(xì)胞功能的影響 一氧化氮(NO)在內(nèi)皮細(xì)胞內(nèi)通過內(nèi)皮一氧化氮合成酶(eNOS)催化合成，具有松弛平滑肌、抑制炎性反應(yīng)等作用。過表達(dá)的Ⅱ類反式激活因子(CⅡTA)可以與SUV39H1相互作用并將其招募到eNOS啟動子，通過產(chǎn)生大量H3K9me3抑制eNOS轉(zhuǎn)錄，使NO生成減少。而SUV39H1沉默則可以消除eNOS的抑制，增加NO的生成[38]。

3 總結(jié)與展望

組蛋白作為染色質(zhì)的重要組成部分，其N端從核小體核心突出，易發(fā)生各種翻譯后修飾。而賴氨酸甲基化則是組蛋白共價修飾的重要環(huán)節(jié)，在基因表達(dá)的調(diào)控過程中發(fā)揮重要作用。組蛋白賴氨酸甲基轉(zhuǎn)移酶SUV39H1通過調(diào)控H3K9的三甲基化，抑制基因轉(zhuǎn)錄，調(diào)控基因的表達(dá)在生長發(fā)育、免疫防御、疾病調(diào)控等方面發(fā)揮重要作用。本文綜述的一系列研究揭示了SUV39H1與各類疾病發(fā)生發(fā)展的聯(lián)系，闡述了SUV39H1作為疾病診斷及治療新靶點(diǎn)的潛在價值。但由于現(xiàn)階段對疾病機(jī)制及SUV39H1認(rèn)識的不足，以及實(shí)驗(yàn)方法和技術(shù)的局限性，仍有許多問題亟待解決。如SUV39H1能夠通過多個途徑限制宮頸癌細(xì)胞的遷移，抑制其發(fā)展，但SUV39H1同時能促進(jìn)HPV的感染及癌變的發(fā)生；SUV39H1在不同疾病的調(diào)控過程中可能發(fā)揮相反的作用；由于SUV39H1分布的廣泛性，調(diào)控其表達(dá)可能帶來眾多無法預(yù)料的目標(biāo)靶點(diǎn)以外的影響。這為未來的研究提示了新的方向，相信隨著研究的不斷深入，SUV39H1的功能作用將被更深入地理解。