組蛋白賴氨酸甲基轉(zhuǎn)移酶2B的研究進展

王飛 馬長林

1 濟寧醫(yī)學院臨床醫(yī)學院，濟寧 272000；2 濟寧市第一人民醫(yī)院肝膽外科，濟寧 272000

表觀遺傳學通常而言是指在不改變?nèi)魏位蚱蔚腄NA遺傳序列結構的情況下，基因的位置分布、轉(zhuǎn)錄表達水平發(fā)生改變，且產(chǎn)生可相對穩(wěn)定遺傳的表型［1-2］。在腫瘤疾病的發(fā)生、發(fā)展過程中，表觀遺傳修飾異常也普遍存在［3］，比如DNA 甲基化、組蛋白體修飾、染色質(zhì)重塑等，其表觀特征上的異常可導致細胞中染色體上癌基因或者抑癌基因表達異常，進而可能參與了腫瘤的發(fā)生及進一步發(fā)展。其中組蛋白修飾在表觀遺傳學和基因表達的調(diào)節(jié)中起重要作用，雖然它們不能識別靶基因中的特定DNA 序列，但能通過與能特異性識別DNA 序列的轉(zhuǎn)錄因子或長非編碼RNA的相互作用在特定的組蛋白附近招募，從而發(fā)揮作用［4］。其中作用最為突出、最為廣泛的組蛋白修飾是H3 的Lys 和Asp殘基上的甲基化，可在基因強化子和某些特定基因啟動子區(qū)域檢測到，與基因表達受到抑制或激活有關聯(lián)，取決于它們被特異性修飾的位點和程度。

組蛋白H3K4me3 是一種從酵母到哺乳動物的進化保守的染色質(zhì)標記。研究表明其參與許多生物學過程［5］，如核小體重塑、轉(zhuǎn)錄起始、組蛋白乙?；?、前mRNA 剪接以及通過與不同的效應蛋白結合來進行DNA 損傷反應。 在某些哺乳動物中，催化組蛋白H3 賴氨酸4（H3K4）位點的甲基化轉(zhuǎn)移COMPASS（與 Set1 相關）蛋白復合物主要有以下幾種蛋白質(zhì)賴氨酸殘基甲基轉(zhuǎn)移酶，比如SET1 樣甲基轉(zhuǎn)移酶［混合譜系白血?。∕LL）1-4/KMT2A-D家族蛋白和Set1A/KMT2F和Set1B/KMT2G］［6］。其中，KMT2D 是哺乳動物中主要的組蛋白H3K4 單甲基轉(zhuǎn)移酶和二甲基轉(zhuǎn)移酶，而組蛋白賴氨酸甲基轉(zhuǎn)移酶（KMT2B）主要介導H3K4me3 在啟動子區(qū)域招募富集，并發(fā)揮著一定程度上的基因表達及其調(diào)控能力［7］。最近越來越多研究顯示，KMT2B 對于基因調(diào)控、細胞分化、胚胎發(fā)育、腫瘤疾病等都可能存在著重要的影響。

KMT2B的生物學特征

1、KMT2B基因及其編碼蛋白質(zhì)結構與功能

人 類 KMT2B 基 因（又 稱 CXXC10、HRX2、MLL1B、MLL2、TRX2、WBP7），位于第 19 號染色體長臂的 1 區(qū) 3 帶上，是一個跨越20 kb 的基因組DNA，其構成的轉(zhuǎn)錄本大小為8.5～9.0 kb［6］。在人體組織中廣泛表達，與存在于染色體11q23 中的KMT2A 基因具有相似的基因結構，也是KMT2A蛋白的旁系同源物［8-9］。該基因編碼的含有多個結構域的KMT2B 蛋白是一個擁有2 715 個氨基酸殘基構成的蛋白質(zhì)，其結構組織包括催化活性C端SET結構域、AT鉤、CXXC結構域和N端區(qū)域中的2個PHD鋅指。

KMT2B 蛋白C 端SET 結構域主要是由近150 個氨基酸殘基共同構成，是目前發(fā)現(xiàn)的大部分組蛋白甲基轉(zhuǎn)移酶所共有的保守的具有催化活性的主要區(qū)域［6］。跟其他MLL 家族蛋白類型相似的是該類蛋白功能活性的發(fā)揮依賴于核心蛋白復合體和轉(zhuǎn)錄因子的協(xié)同作用，催化組蛋白H3K4甲基化以及激活KMT2B 相關功能。SET 結構域形成一個口袋，與甲基轉(zhuǎn)移酶輔因子S-腺苷甲硫氨酸和組蛋白H3 的N 末端尾部結合，催化甲基化反應［10］。

2、KMT2B及其蛋白復合物的功能

組蛋白H3K4 甲基化轉(zhuǎn)移酶家族中KMT2B 和KMT2A蛋白同屬于黑腹果蠅同源甲基化酶Trx 分支。兩者在功能特點上有相似性，但各自也具有特異性，比如：都主要催化靶基因啟動子區(qū)域H3K4me 的表達，激活啟動子對細胞特異性基因功能的特異調(diào)控，調(diào)控細胞生長、分化。Kerimoglu等［11］發(fā)現(xiàn)，Kmt2a 和 Kmt2b 高度同源，它們形成相似的 KMT復合體，兩者都是精確調(diào)控基因表達和卵母細胞發(fā)育所必需的。

近些年來研究表明，KMT2B 蛋白與核心蛋白復合體、宿主細胞因子 1/2（HCF 1/2）或 Menin 形成KMT2B/COMPASS 蛋白質(zhì)復合物［12］，該組分被募集至靶標基因，負責特定基因啟動子、增強子或附近順式調(diào)節(jié)位點上的H3K4me3，從而調(diào)節(jié)靶標基因影響生長、發(fā)育。核心蛋白復合體通常指由 RbBP5、WDR5、ASH2L 和 DPY30 共同構成，也曾稱為 WRAD 蛋白，具有催化 H3 甲基化的功能［3］。Pang等［13］研究發(fā)現(xiàn)，WRAD蛋白與細胞周期的調(diào)控有關，可能影響S 期和M 期的轉(zhuǎn)變。哺乳動物MLL 蛋白家族中WDR5 在染色質(zhì)重塑、維持蛋白穩(wěn)定性、維持胚胎干細胞活性等方面有著重要作用，此外，它還參與干細胞自主更新以及對LncRNA 介導基因的轉(zhuǎn)錄［14］。已證明Menin 與雌激素受體-α 相互作用，并使MLL2能夠募集到基因位點［15］，此外與MLL 復合物相關的其他常見轉(zhuǎn)錄因子有MYC、NANOG、PAX7、NF-E2、p53、USF1、E2Fs和NF-Y（核轉(zhuǎn)錄因子Y）。

3、KMT2B參與轉(zhuǎn)錄調(diào)控、細胞分化及胚胎組織發(fā)育

組蛋白H3K4me3和H3K27me3通常分別與激活和抑制基因相關。Hu 等［16］通過免疫印跡和染色質(zhì)免疫沉淀結合高通量DNA 測序在缺失MLL2 的小鼠胚胎干細胞中研究了H3K4（H3K4me1、H3K4me2 和 H3K4me3）的整體水平和全基因組H3K4me3的占據(jù)，確定KMT2b是在胚胎干細胞中催化H3K4 三甲基化的雙價標記啟動子的酶。Fellous 等［17］觀察到h3k4me3 和h3k27me3 信號之間的反相關性，即h3k27me3 信號在顯示h3k4me3 減少的區(qū)域中富集；在胚胎發(fā)育過程中調(diào)節(jié)細胞命運決定的基因通常是雙重h3k4me3 和h3k27me3 標記，二價標記表明在譜系規(guī)范期間可以被激活或抑制的“平衡”狀態(tài)。Hanna 等［18］發(fā)現(xiàn)，KMT2B 蛋白在不同的生物過程中有著重要作用，例如染色質(zhì)信號、轉(zhuǎn)錄、調(diào)控、RNA 剪接和DNA 復制等，也進一步證實了KMT2A 在包括造血發(fā)育在內(nèi)的中晚期發(fā)育過程中是必需的，而KMT2B 的表達在非常早期的階段就被檢測到，功能缺失突變會導致嚴重的發(fā)育遲緩。綜上所述，KMT2B基因以及它編碼產(chǎn)生的蛋白質(zhì)與整個胚胎組織發(fā)育階段聯(lián)系較為密切，在不同的生物過程調(diào)節(jié)中同樣有著很重要的作用，但是有關其具體的遺傳調(diào)控作用機制以及上下游調(diào)控信號通路還有待人們進一步去研究探索。

KMT2B基因及其編碼蛋白質(zhì)在疾病中的作用

1、KMT2B基因及其編碼蛋白質(zhì)缺陷導致先天性疾病

KMT2B 單倍體不足與早發(fā)性全身性兒童肌張力障礙有關。KMT2B 相關性肌張力障礙是常染色體顯性遺傳，迄今為止，已經(jīng)報道了66種不同的突變位點［19］。攜帶KMT2B突變的患者的基因表達譜表明，某些與肌張力障礙相關的蛋白質(zhì)如torsin 家族1 成員A、含有THAP 結構域的凋亡相關蛋白1 和多巴胺受體D2 在腦脊液和成纖維細胞中減少［20］，表明KMT2B 在疾病發(fā)病機制中的意義需要進一步研究。Kerimoglu 等［11］比較了Kmt2a或Kmt2b基因敲除后小鼠海馬神經(jīng)元中H3K4甲基化水平的降低和基因表達的失控，發(fā)現(xiàn)Kmt2a 和Kmt2b 在很大程度上控制著不同的基因組區(qū)域和與神經(jīng)元可塑性相關的不同分子途徑；證實了相關的組蛋白甲基轉(zhuǎn)移酶Kmt2a 和Kmt2b 都是記憶功能所必需的，但它們控制著不同的神經(jīng)元基因表達程序。雖然目前仍不能將KMT2B 基因變異、KMT2B 蛋白表達以及H3K4me3 修飾作為臨床肌張力障礙、學習記憶障礙等神經(jīng)系統(tǒng)疾病早期的診斷標志物，但以上研究結果表明KMT2B能夠調(diào)控自主運動相關基因的表達，在早期發(fā)育以及先天性疾病發(fā)生、發(fā)展中發(fā)揮著重要作用。

2、KMT2B基因及其編碼蛋白質(zhì)與腫瘤相關

KMT2B表現(xiàn)出與KMT2A的結構相似性，但它與染色體重排、易位無關，并且對未甲基化序列的DNA 結合的親和力比較低，使得無法替代白血病癌蛋白中的KMT2A 的作用［21］。這表示兩種基因染色體結構改變均可能會導致人體腫瘤性疾病的形成，但兩者的突變位點和突變后所結合的功能蛋白不全相同。KMT2B 在食管肉瘤樣癌、乳腺癌、子宮內(nèi)膜癌和胃癌、肺癌的突變率較高。此外，還在神經(jīng)纖維瘤病中檢測到KMT2B 的體細胞突變導致KMT2B 蛋白截短，并與早期膠質(zhì)瘤形成有關［22-23］。Xu等［24］研究發(fā)現(xiàn)，在結直腸癌中，KMT2B 通過β-連環(huán)蛋白依賴的過程被招募到c-Myc 強化子附近，使H3K4me3 甲基化而促進了c-Myc 轉(zhuǎn)錄。在野生型和KMT2B 缺失的哺乳動物結腸癌細胞中分析KMT2B 靶基因，發(fā)現(xiàn)KMT2B 促進視黃酸反應性基因轉(zhuǎn)錄［25］。其他受 KMT2B 調(diào)節(jié)的轉(zhuǎn)錄因子包括 E2F1、p53、NR3C1，這解釋了KMT2B 在癌癥發(fā)生、進展中的潛在機制意 義［26］。 KMT2B 通 過 影 響 FYN 蛋 白 的 穩(wěn) 定 性 ，促 進SHPRH 表達，調(diào)節(jié)甲狀腺癌細胞對 I 的敏感性。Chen 等［27］通過實時定量聚合酶鏈反應（RT-qPCR）、免疫組織化學和免疫印跡顯示KMT2B 在THCA 細胞中低表達，細胞對碘的抗性導致KMT2B 表達進一步降低，證實了KMT2B 通過影響FYN 蛋白的穩(wěn)定性，促進SHPRH 表達，調(diào)節(jié)甲狀腺癌細胞對I 的敏感性。此外，在基因組研究中KMT2B 已被揭示為整合到肝細胞癌組織的致癌病毒上的經(jīng)常性靶標，這表明KMT2B 表達升高與肝癌進展的潛在關系需要進一步研究［28］。Leng 等［5］證實了非小細胞肺癌細胞（non-small cell lung cancer cell，NSCLC）中 β-catenin 和 LEF1/Tcf 家族的失活以及c-Myc 增強子區(qū)域H3K4me3 的顯著抑制水平，表明組蛋白3 賴氨酸-27 去甲基化酶與KMT2B 通過調(diào)節(jié)相關基因轉(zhuǎn)錄程序促進NSCLC 的致瘤表型?？傊甂MT2B 基因以及編碼的相關蛋白質(zhì)與人類腫瘤疾病聯(lián)系密切，圍繞其開展進一步深入研究，將有利于加深人們對自身腫瘤疾病發(fā)病機理變化的認識。

總結與展望

綜上所述，在疾病的發(fā)生、發(fā)展過程中，表觀遺傳修飾異常普遍存在著。近年來在理解組蛋白修飾及其在基因調(diào)控中的作用方面被證明是尤其重要的。KMT2B 通過對靶基因H3K4甲基化修飾，以及與其他組蛋白修飾的協(xié)同作用改變?nèi)旧|(zhì)的結構或功能，以調(diào)控靶基因的轉(zhuǎn)錄與表達，參與細胞分化、組織發(fā)育以及各類疾病等過程。KMT2B 在介導發(fā)育相關基因的特定啟動子中的H3K4me3 以及在調(diào)節(jié)生理自主運動中發(fā)揮著重要的作用；此外，它與兒童肌張力障礙和幾種惡性腫瘤（肝細胞癌、白血病、肺癌、結腸直腸癌和神經(jīng)膠質(zhì)瘤等）的發(fā)病機制有關。雖然目前對在不同環(huán)境中KMT2B 是如何啟動對H3K4 甲基化的修飾、如何實現(xiàn)基因的轉(zhuǎn)錄調(diào)控、如何介導相關的信號轉(zhuǎn)導通路的作用及機制還未完全清楚，但我們相信隨著研究的不斷深入，這些都將進一步明確，為未來臨床醫(yī)學應用和藥物開發(fā)提供潛在靶點和新思路。