H3K27me3在腫瘤中的研究進(jìn)展

徐靜純，王 聰

南京醫(yī)科大學(xué)第一附屬醫(yī)院病理科，江蘇 南京 210029

十多年來(lái)，腫瘤表觀遺傳修飾的研究處于腫瘤研究的前沿，其通過(guò)調(diào)節(jié)基因表達(dá)在腫瘤發(fā)生中發(fā)揮著重要作用［1］。表觀遺傳修飾主要包括DNA甲基化修飾、組蛋白修飾和微小RNA（miRNA）調(diào)節(jié)［2-3］。組蛋白H3 第27 位賴(lài)氨酸三甲基化（trimethylated histone H3 at lysine 27，H3K27me3）是最常見(jiàn)的組蛋白修飾之一，由多梳抑制復(fù)合物2（polycombrepressive com?plex 2，PRC2）產(chǎn)生，而PRC2 組成部分的改變，如zeste 基因增強(qiáng)子人類(lèi)同源物2（enhancer of zeste?homolog ? 2，F(xiàn)ZH2）功能改變或過(guò)表達(dá)會(huì)使H3K27me3表達(dá)失衡，細(xì)胞增殖分化失控，導(dǎo)致腫瘤發(fā)生［4-5］。FZH2 是多梳蛋白家族（polycomb groups，PcG）的核心催化亞基，通過(guò)組蛋白甲基的一個(gè)高度保守區(qū)域SFT催化組蛋白H3K27發(fā)生甲基化，從而使抑癌基因表達(dá)下調(diào)［6-7］。H3K27 的甲基化是抑制基因轉(zhuǎn)錄的關(guān)鍵介質(zhì)，參與多個(gè)重要的生物學(xué)過(guò)程，包括X 染色體失活、干細(xì)胞維持以及腫瘤發(fā)生等［8-9］。H3K27me3 表達(dá)水平的調(diào)節(jié)主要由H3K27甲基轉(zhuǎn)移酶PRC2 和H3K27me3 去甲基化酶UTX 和jmjd3 介導(dǎo)。既往研究結(jié)果表明，在不同腫瘤中H3K27me3 的表達(dá)及對(duì)預(yù)后的作用存在異質(zhì)性［10］。本文總結(jié)并探討了H3K27me3 在不同腫瘤中的表達(dá)、生物學(xué)功能及其對(duì)腫瘤的診斷、治療及預(yù)后的價(jià)值，為腫瘤相關(guān)研究提供理論基礎(chǔ)及新思路。

1 組蛋白甲基化修飾

在真核生物細(xì)胞核中，DNA鏈纏繞在核心組蛋白外，形成染色質(zhì)的基本單位——核小體。由于組蛋白富含精氨酸和賴(lài)氨酸，帶有正電荷，因此能與帶負(fù)電荷的DNA 密切結(jié)合。組蛋白主要由H1、H2A、H2B、H3 和H4 等5 種類(lèi)型蛋白質(zhì)亞基組成。組蛋白修飾是最重要、最復(fù)雜的表觀遺傳調(diào)控機(jī)制之一，包括組蛋白乙?；?、甲基化、磷酸化和泛素化等［11］。

1964 年，Murray在鼠傷寒沙門(mén)菌鞭毛蛋白中發(fā)現(xiàn)了N?甲基化賴(lài)氨酸，這是最早發(fā)現(xiàn)的組蛋白甲基化修飾。組蛋白甲基化是指蛋白側(cè)鏈氨基酸在各甲基化酶的催化下，以S?腺苷甲硫氨酸作為甲基供體，獲得不同數(shù)目甲基的一種翻譯后修飾［12-13］。組蛋白甲基化主要發(fā)生在精氨酸、賴(lài)氨酸和組氨酸的殘基上。根據(jù)修飾的氨基酸殘基不同，組蛋白甲基化酶可分為精氨酸甲基轉(zhuǎn)移酶和賴(lài)氨酸甲基轉(zhuǎn)移酶。其中組蛋白精氨酸甲基化是一種常見(jiàn)的翻譯后修飾，異常的組蛋白精氨酸甲基化與癌變和轉(zhuǎn)移密切相關(guān)［14］。組蛋白H3 是發(fā)生修飾最多的亞基，其第4、9、27、36 和79 位賴(lài)氨酸殘基是甲基化修飾的位點(diǎn)，對(duì)基因表達(dá)發(fā)揮著重要的調(diào)控作用。一般來(lái)說(shuō)，組蛋白H3 不同位點(diǎn)的賴(lài)氨酸甲基化修飾能夠調(diào)節(jié)染色質(zhì)結(jié)構(gòu)，使染色質(zhì)處于疏松或緊密狀態(tài)，從而對(duì)基因轉(zhuǎn)錄活性進(jìn)行調(diào)控［15］。

2 H3K27me3及其生物學(xué)功能

H3K27me3是最為常見(jiàn)的組蛋白甲基化修飾之一，由PRC2的FZH2亞基介導(dǎo)。H3K27的甲基化是抑制基因轉(zhuǎn)錄的關(guān)鍵介質(zhì)，參與多個(gè)重要的生物學(xué)過(guò)程。研究發(fā)現(xiàn)H3K27me3通過(guò)3種方式抑制基因的表達(dá)：①FZH2催化組蛋白H3K27me3，由PRC1的色素框結(jié)構(gòu)域蛋白亞基識(shí)別并進(jìn)一步募集PRC1復(fù)合物，其RING1 亞基將組蛋白H2A 亞基第119 位賴(lài)氨酸單泛素化，使染色質(zhì)結(jié)構(gòu)更加致密，基因轉(zhuǎn)錄起始位點(diǎn)無(wú)法與轉(zhuǎn)錄酶RNA 聚合酶Ⅱ結(jié)合［8，16］，這是H3K27me3 經(jīng)典的調(diào)控方式；②H3K27me3 募集其他抑制性調(diào)控因子，如DNA 甲基化轉(zhuǎn)移酶（DNA methyltransferase，DNMT），使與之結(jié)合的DNA 序列甲基化；③H3K27me3 在受精卵中特異結(jié)合于印記基因的母源等位基因，以不依賴(lài)DNA甲基化的形式對(duì)不同親本來(lái)源的等位基因（主要為母本來(lái)源）進(jìn)行印記［17］。

3 H3K27me3在實(shí)體腫瘤中的表達(dá)及其機(jī)制

研究發(fā)現(xiàn)H3K27me3 可通過(guò)影響DNA 損傷的修復(fù)，特別是通過(guò)同源重組修復(fù)雙鏈DNA 斷裂，在腫瘤發(fā)生中發(fā)揮重要作用。近來(lái)研究表明，H3K27me3 的表達(dá)在不同腫瘤中預(yù)后不同［10，18-19］。因此探究H3K27me3在腫瘤中的作用機(jī)制對(duì)不同腫瘤的診療和預(yù)后有重要意義。

3.1 H3K27me3與乳腺癌

乳腺癌是女性最為常見(jiàn)的惡性腫瘤之一，發(fā)病率呈逐年上升趨勢(shì)且異質(zhì)性較大。探索乳腺癌表觀遺傳改變與腫瘤亞型之間的關(guān)系可能有助于臨床分類(lèi)和治療［20］。

Wei 等［10］通過(guò)免疫組化方法分析了142 例乳腺癌患者的H3K27me3 表達(dá)情況，發(fā)現(xiàn)H3K27me3 低表達(dá)與乳腺癌不良預(yù)后有關(guān)，其中43例為雌激素受體（estrogen receptor，F(xiàn)R）陽(yáng)性。Fontes?Sousa等［21］研究結(jié)果與Wei等［10］一致，均發(fā)現(xiàn)FR陽(yáng)性乳腺癌患者H3K27me3低表達(dá)時(shí)其預(yù)后較差。此外，Healey等［22］研究發(fā)現(xiàn)H3K27me3高表達(dá)與較低級(jí)別和luminal A型乳腺癌相關(guān)。

Hsieh 等［23］通過(guò)功能研究和轉(zhuǎn)錄組測(cè)序技術(shù)（RNA?seq）和染色質(zhì)免疫共沉淀測(cè)序（ChIP?seq）數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，H3K27me3 高表達(dá)可促使誘導(dǎo)細(xì)胞轉(zhuǎn)移的透明質(zhì)酸結(jié)合蛋白（cell migration?inducing and hyal?uronan?binding protein，CFMIP）失活繼而使乳腺癌腫瘤細(xì)胞生長(zhǎng)和轉(zhuǎn)移減少，表明H3K27me3 的表達(dá)水平對(duì)乳腺癌診斷具有一定特異性，可能是一種較可靠的預(yù)后預(yù)測(cè)標(biāo)志物。作為Hippo∕YAP信號(hào)通路的重要上游組分，wwc1 基因具有抑癌作用，能抑制FMT、侵襲和轉(zhuǎn)移［24-25］。Liu 等［26］研究發(fā)現(xiàn)FZH2、H3K27me3 和DNMT1 協(xié)同編碼表觀遺傳修飾的wwc1 基因啟動(dòng)子，導(dǎo)致其轉(zhuǎn)錄沉默，從而促進(jìn)乳腺癌的進(jìn)展。綜上，H3K27me3 可能是乳腺癌的一種潛在的預(yù)后生物標(biāo)志物和治療靶點(diǎn)，且H3K27me3低表達(dá)與FR陽(yáng)性乳腺癌的較差預(yù)后相關(guān)。

3.2 H3K27me3與卵巢癌

卵巢癌是女性生殖系統(tǒng)中高度惡性的腫瘤［27］。雖然目前血清糖類(lèi)抗原CA125 和超聲檢查是常規(guī)診斷方法，但它們的敏感性和特異性較低，不能識(shí)別早期卵巢癌。因此，迫切需要發(fā)現(xiàn)和鑒定更加準(zhǔn)確和敏感的卵巢癌特異性的生物標(biāo)志物。

He等［28］通過(guò)免疫組化方法分析了168例原發(fā)性卵巢癌H3K27me3的表達(dá)情況，發(fā)現(xiàn)腫瘤組織的表達(dá)水平較低，進(jìn)一步的相關(guān)性分析表明，H3K27me3低表達(dá)患者易發(fā)生遠(yuǎn)處轉(zhuǎn)移，且其FIGO 分期較晚，提示H3K27me3表達(dá)下調(diào)可促進(jìn)卵巢癌的進(jìn)展。

FZH2通過(guò)H3K27me3參與基因表達(dá)沉默，在卵巢癌中通常表達(dá)上調(diào)。FZH2的高表達(dá)刺激卵巢癌細(xì)胞的增殖和侵襲，并通過(guò)促進(jìn)腫瘤血管生成來(lái)調(diào)節(jié)卵巢癌微環(huán)境［29］。另一方面，F(xiàn)ZH2 的消耗會(huì)抑制細(xì)胞周期進(jìn)程并觸發(fā)細(xì)胞凋亡［30］。miR?212 和miR?132 在卵巢癌中通常表達(dá)下調(diào)并充當(dāng)腫瘤抑制因子，Lin 等［31］通過(guò)CHIP 實(shí)驗(yàn)表明SOX4、FZH2 和H3K27me3 之間存在相互作用，研究發(fā)現(xiàn)miR?212∕132 啟動(dòng)子區(qū)FZH2 和H3K27me3 顯著富集。此外，蛋白質(zhì)印跡和雙熒光素酶測(cè)定實(shí)驗(yàn)證實(shí)miR?212和miR?132 可以靶向SOX4 mRNA 3'UTR 中的相同位點(diǎn)并抑制其在卵巢癌細(xì)胞中的表達(dá)，從而在卵巢癌細(xì)胞中形成了miR?132∕212?SOX4∕FZH2?H3K27me3反饋通路。Sun等［32］研究了FZH2的經(jīng)典途徑FZH2∕H3K27me3 和非經(jīng)典途徑pAkt1∕pS21FZH2 在卵巢癌中的預(yù)后價(jià)值，發(fā)現(xiàn)FZH2∕H3K27me3 低表達(dá)組合與更好的化療反應(yīng)、更長(zhǎng)的總體生存期（overall survival，OS）和無(wú)進(jìn)展生存期（progression free survival，PFS）相關(guān)，而pS21FZH2 低表達(dá)與較差的化療反應(yīng)和更短的PFS 相關(guān)。綜上研究，H3K27me3表達(dá)水平可以用來(lái)區(qū)分卵巢癌腫瘤組織和正常組織，且可為卵巢癌患者提供一個(gè)預(yù)后標(biāo)志，進(jìn)一步了解H3K27me3生物學(xué)功能和臨床意義，可能有助于卵巢癌的診斷和治療。

3.3 H3K27me3與胰腺癌

胰腺癌起病隱匿、發(fā)展迅速、預(yù)后極差且不易早期診斷［27］。超過(guò)80%的胰腺癌患者被確診時(shí)已為晚期，且治療效果不佳［33-34］。探索新的治療方法對(duì)進(jìn)一步提高胰腺癌的療效具有重要意義。

Chen等［35］對(duì)80例胰腺癌標(biāo)本的組織芯片進(jìn)行免疫組化分析，評(píng)估腫瘤組織中H3K27me3 的表達(dá)水平，發(fā)現(xiàn)大于一半的腫瘤患者病理組織H3K27me3為低表達(dá)，進(jìn)一步統(tǒng)計(jì)分析發(fā)現(xiàn)H3K27me3 與腫瘤大小、分化程度和淋巴結(jié)轉(zhuǎn)移呈負(fù)相關(guān)，結(jié)果有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。Zhou等［36］研究發(fā)現(xiàn)干擾細(xì)胞核中的長(zhǎng)鏈非編碼RNA（long non?coding RNA，lncRNA）BLACAT1 可以通過(guò)阻斷FZH2的募集來(lái)促進(jìn)細(xì)胞周期蛋白依賴(lài)激酶抑制因子F1（cyclin F1，CCNF1）的表達(dá)，從而抑制胰腺癌的增殖和轉(zhuǎn)移，進(jìn)而抑制H3K27me3，并促進(jìn)線粒體氧化磷酸化的恢復(fù)。上述研究結(jié)果表明，H3K27me3 和FZH2可以通過(guò)LncRNA分子途徑影響胰腺癌的腫瘤進(jìn)展，為胰腺癌的治療及預(yù)后相關(guān)研究提供新的方向。

3.4 H3K27me3與前列腺癌

與許多惡性腫瘤類(lèi)似，前列腺癌的發(fā)生和進(jìn)展與遺傳和表觀遺傳作用密切相關(guān)［37］。Ngollo等［38］通過(guò)染色質(zhì)免疫共沉淀PCR（ChIP?qPCR）和實(shí)時(shí)熒光定量PCR（RT?qPCR）評(píng)估前列腺癌和正常組織之間的H3K27me3 表達(dá)水平，發(fā)現(xiàn)與正常組織相比，H3K27me3表達(dá)水平在腫瘤組織中相對(duì)高表達(dá)。通過(guò)臨床病理參數(shù)分層后，發(fā)現(xiàn)H3K27me3 水平與Gleason 評(píng)分、前列腺特異性抗原（prostate specific antigen，PSA）水平呈正相關(guān)。Cao 等［39］研究發(fā)現(xiàn)賴(lài)氨酸特異性去甲基化酶6B 與細(xì)胞周期蛋白D1（cy?clin D1，CCND1）的啟動(dòng)子區(qū)域結(jié)合，降低了H3K27me3 的占有率，并增加了CCND1 的表達(dá)，抑制前列腺癌的進(jìn)展。大部分研究提示，H3K27me3的高表達(dá)與前列腺癌高侵襲性相關(guān)。因此，通過(guò)表觀遺傳藥物（如組蛋白甲基轉(zhuǎn)移酶抑制劑）促使組蛋白去甲基化可能是前列腺癌可行的治療策略。

3.5 H3K27me3與食管鱗癌

鱗癌是食管癌最常見(jiàn)的組織學(xué)類(lèi)型，尤其是在發(fā)展中國(guó)家。盡管在診斷和治療方面取得了巨大進(jìn)步，但食管鱗癌患者的5 年總生存率仍然不佳。Lin和Liu等［18?19］均通過(guò)免疫組化方法發(fā)現(xiàn)與正常食管黏膜相比，腫瘤組織中H3K27me3 高表達(dá)，且H3K27me3 高表達(dá)與較差的預(yù)后相關(guān)。提示H3K27me3有望成為預(yù)測(cè)食管鱗癌患者生存和轉(zhuǎn)移的生物標(biāo)志物。

3.6 H3K27me3與結(jié)直腸癌

結(jié)直腸癌是消化系統(tǒng)常見(jiàn)的腫瘤，發(fā)病率在男性惡性腫瘤中居第3位，女性中居第2位，總死亡率在所有惡性腫瘤中排名第3［27］。結(jié)直腸癌發(fā)病隱匿，早期無(wú)明顯癥狀，約50%～60%的患者發(fā)病時(shí)存在遠(yuǎn)處轉(zhuǎn)移。盡管隨著新的診療技術(shù)的發(fā)展，結(jié)直腸癌的總死亡率已顯著降低，但發(fā)生淋巴結(jié)轉(zhuǎn)移和遠(yuǎn)處轉(zhuǎn)移的患者預(yù)后仍然很差，因此有必要發(fā)現(xiàn)和鑒定新的可以用于早期診斷的生物標(biāo)志物。由于表觀遺傳機(jī)制在腫瘤發(fā)生中發(fā)揮著關(guān)鍵作用，因此它們逐漸成為生物標(biāo)志物研究的熱點(diǎn)。

Wang 等［40］利用免疫組化方法分析了結(jié)直腸癌腫瘤組織及其正常組織樣本H3K27me3 的表達(dá)情況，發(fā)現(xiàn)H3K27me3 在腫瘤組織中的表達(dá)水平更高（P＜0.001），進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)H3K27me3高表達(dá)與較好的預(yù)后相關(guān)。此外，Wang 等［40］還發(fā)現(xiàn)H3K27me3低表達(dá)維持了結(jié)直腸癌干細(xì)胞的干性，從而增強(qiáng)了結(jié)直腸癌細(xì)胞對(duì)化療藥物的抵抗力，表明H3K27me3可能是克服結(jié)直腸癌化療耐藥性的潛在分子靶標(biāo)。

上皮源性惡性腫瘤細(xì)胞侵襲和轉(zhuǎn)移的形態(tài)學(xué)基礎(chǔ)是上皮間質(zhì)轉(zhuǎn)化（epithelial?mesenchymal transi?tion，F(xiàn)MT）過(guò)程［41］。既往研究表明，在不同類(lèi)型的高度侵襲性惡性腫瘤中，組蛋白甲基轉(zhuǎn)移酶可以催化F?鈣黏蛋白（F?cadherin）基因啟動(dòng)子區(qū)H3K27 或組蛋白H3 第9 位賴(lài)氨酸（H3K9）的甲基化，從而促進(jìn)腫瘤細(xì)胞的FMT 過(guò)程［41-42］。此外，也有研究發(fā)現(xiàn)lncRNA可以與PRC2結(jié)合，通過(guò)H3K27me3來(lái)影響下游基因的表達(dá)，從而抑制靶基因的轉(zhuǎn)錄［43］。He等［44］研究結(jié)果表明lncRNA DUXAP8可以通過(guò)與FZH2和H3K27me3結(jié)合在表觀遺傳上沉默F(xiàn)?cadherin轉(zhuǎn)錄，從而促進(jìn)結(jié)直腸癌細(xì)胞的FMT 過(guò)程，但與Wang等［40］研究結(jié)果相左，還需要進(jìn)一步深入探討H3K27me3在結(jié)直腸癌中的進(jìn)展及治療中的具體機(jī)制，進(jìn)而為結(jié)直腸癌的治療帶來(lái)幫助。

3.7 H3K27me3與其他腫瘤

lncRNA HOX 轉(zhuǎn)錄反義RNA（HOTAIR）是預(yù)測(cè)腫瘤進(jìn)展和總生存期的有效標(biāo)志物。既往研究表明，HOTAIR 通過(guò)降低耐藥小細(xì)胞肺癌中DNA 甲基化轉(zhuǎn)移酶1 和DNA 甲基轉(zhuǎn)移酶3B 的表達(dá)來(lái)調(diào)節(jié)同源異形盒基因（homeobox A1，HOXA1）DNA 甲基化。此外，H3K27me3 由FZH2 催化，并影響小細(xì)胞肺癌的化療敏感性［45］。Fang等［46］發(fā)現(xiàn)H3K27me3通過(guò)HOTAIR 調(diào)節(jié)影響HOXA1 DNA 甲基化，表明H3K27me3可能是小細(xì)胞肺癌化療耐藥的潛在治療靶點(diǎn)。多項(xiàng)研究發(fā)現(xiàn)lncRNA forkhead boxP4 反義RNA1（FOXP4?AS1）參與多種腫瘤的發(fā)生和進(jìn)展，如肝細(xì)胞癌、結(jié)直腸癌、胃癌和前列腺癌等［47-50］。Ye等［51］研究發(fā)現(xiàn)lncRNA FOXP4?AS1 通過(guò)募集FZH2介導(dǎo)H3K27me3抑制具有CCCH 鋅指結(jié)構(gòu)域的蛋白質(zhì)12D（ZC3H12D）表達(dá)，從而促進(jìn)肝細(xì)胞癌的進(jìn)展，提示FOXP4?AS1∕FZH2∕H3K27me3∕ZC3H12D 軸在腫瘤微環(huán)境中起到促進(jìn)癌細(xì)胞增殖、遷移和侵襲的作用，并可能與肝細(xì)胞癌的不良預(yù)后相關(guān)。He等［52］通過(guò)免疫組化分析FZH2 和H3K27me3 蛋白在胃癌及對(duì)應(yīng)癌旁正常組織中的表達(dá)情況，發(fā)現(xiàn)相比癌旁正常組織，F(xiàn)ZH2 和H3K27me3 在胃癌組織中過(guò)表達(dá)，多因素分析發(fā)現(xiàn)H3K27me3、FZH2、腫瘤大小、分化程度和臨床分期均為胃癌患者的獨(dú)立預(yù)后因素。因此，提示H3K27me3和FZH2有望作為預(yù)測(cè)胃癌患者生存的生物標(biāo)志物。崔黎等［53］研究發(fā)現(xiàn)H3K27me3 蛋白在腦膜瘤組織中呈高表達(dá)，隨著腦膜瘤WHO 分級(jí)的升高，其表達(dá)逐漸降低，提示H3K27me3蛋白可以作為腦膜瘤WHO分級(jí)的一個(gè)重要免疫組織化學(xué)指標(biāo)。H3K27me3可能還在其他一些腫瘤中發(fā)揮作用，具體作用機(jī)制亟待進(jìn)一步探索。

4 小結(jié)和展望

H3K27me3 是最常見(jiàn)的組蛋白修飾之一，在多種腫瘤中存在異常表達(dá)，且在不同腫瘤中的表達(dá)、生物學(xué)功能以及對(duì)預(yù)后的影響不盡相同，即H3K27me3 既可以充當(dāng)促癌基因，也可以發(fā)揮抑癌基因的作用，其具體作用與其在不同惡性腫瘤中涉及的靶基因及通路有關(guān)。盡管H3K27me3作為一種潛在的新型臨床靶標(biāo)的研究已取得部分成果，但由于腫瘤發(fā)生是一個(gè)多因素、多步驟、多階段的復(fù)雜過(guò)程，H3K27me3在其中不同階段、不同微環(huán)境中可能有著不同的表達(dá)和作用，許多作用機(jī)制尚未明確。相信隨著研究的深入，H3K27me3 在惡性腫瘤中的作用機(jī)制也會(huì)進(jìn)一步得到闡明，從而為腫瘤治療提供新思路。