組蛋白甲基轉(zhuǎn)移酶和去甲基化酶在膀胱癌發(fā)生發(fā)展中的作用研究進(jìn)展

邢基，朱少明，趙勝，林方優(yōu)，程帆

武漢大學(xué)人民醫(yī)院泌尿外科，武漢 430000

膀胱癌是最常見的泌尿系統(tǒng)腫瘤，最新研究顯示，2020 年全球膀胱癌新發(fā)病例超過57 萬［1］。目前對于膀胱癌的綜合治療雖然取得了顯著成果，但其預(yù)后仍不理想，其中非肌層浸潤性膀胱癌的復(fù)發(fā)率高達(dá)50%～80%。膀胱癌發(fā)病機(jī)制復(fù)雜，同時(shí)又是基因突變最頻繁的人類癌癥之一，表觀遺傳學(xué)在膀胱癌發(fā)生發(fā)展中起重要作用。表觀遺傳調(diào)控紊亂可能導(dǎo)致膀胱癌進(jìn)展，而其中組蛋白甲基化的改變使膀胱癌具有更高的惡性特征［2］。核小體作為染色質(zhì)的基本構(gòu)件，由四種核心組蛋白H3、H4、H2A、H2B組成，每個(gè)組蛋白的側(cè)鏈上密集分布著堿性賴氨酸（K）和精氨酸（R）殘基，組蛋白甲基化通常發(fā)生在賴氨酸和精氨酸殘基上。通常甲基化位點(diǎn)（K 或R）和程度（單甲基化、二甲基化或三甲基化）用簡寫表示，如H3K27me3 表示H3 上的第27 位賴氨酸三甲基化。不同位點(diǎn)和不同程度甲基化對組蛋白功能的影響不同，研究顯示，H3K4、H3K36、H3K79 的甲基化修飾誘導(dǎo)轉(zhuǎn)錄活化，而H3K9、H3K27、H4K20的甲基化修飾介導(dǎo)轉(zhuǎn)錄抑制。組蛋白甲基化修飾由組蛋白甲基轉(zhuǎn)移酶與組蛋白去甲基化酶協(xié)同調(diào)控，直接參與膀胱癌的發(fā)生發(fā)展過程，對膀胱癌的增殖、遷移和侵襲等惡性生物學(xué)行為產(chǎn)生影響。此外，在膀胱癌發(fā)生發(fā)展過程中起關(guān)鍵作用的蛋白如磷酸酶和張力蛋白同源物（PTEN）、腫瘤蛋白p53 等，均受到組蛋白甲基化修飾的調(diào)控［3］。為進(jìn)一步探究膀胱癌的發(fā)生發(fā)展機(jī)制并尋找新的治療靶點(diǎn)，現(xiàn)將組蛋白甲基轉(zhuǎn)移酶和去甲基化酶在膀胱癌發(fā)生發(fā)展中的作用綜述如下。

1 組蛋白甲基轉(zhuǎn)移酶在膀胱癌發(fā)生發(fā)展中的作用

組蛋白甲基化是由組蛋白甲基轉(zhuǎn)移酶催化完成的，組蛋白甲基轉(zhuǎn)移酶分為組蛋白精氨酸甲基轉(zhuǎn)移酶（HRMT）和組蛋白賴氨酸甲基轉(zhuǎn)移酶（HKMT），二者都是以S-腺苷甲硫氨酸（SAM）為底物催化組蛋白甲基化。組蛋白甲基化改變了核小體的原子結(jié)構(gòu)，以促進(jìn)或抑制各種效應(yīng)蛋白募集。H3K27、H3K4、H3K9 甲基化是保證機(jī)體發(fā)育和維持細(xì)胞基因表達(dá)模式的基本條件，分別由多梳抑制復(fù)合物2（PRC2）、組蛋白賴氨酸甲基轉(zhuǎn)移酶2（KMT2）和組蛋白甲基轉(zhuǎn)移酶G9a 催化完成。在膀胱癌中，這幾種基因不同程度的發(fā)生突變或失調(diào)，使染色質(zhì)特定區(qū)域的H3K27、H3K4 和H3K9 甲基化發(fā)生沉淀差異，導(dǎo)致細(xì)胞原本的轉(zhuǎn)錄模式發(fā)生改變。

1.1 PRC2 和ZAST2 增強(qiáng)子（EZH2）與膀胱癌的關(guān)系 PRC2 屬于多梳家族蛋白，作為關(guān)鍵的HKMT，其主要核心部分由EZH2、胚胎外胚層發(fā)育蛋白和ZAST12 抑制子（SUZ12）構(gòu)成。EZH2 是其催化核心，通過SET 結(jié)構(gòu)域催化H3K27 單甲基化、二甲基化和三甲基化；EZH2 在轉(zhuǎn)錄激活中具有獨(dú)立于PRC2 復(fù)合物的作用，并且能以非組蛋白為催化底物。

H3K27 存在三種不同程度的甲基化，即H3K27me1、H3K27me2和H3K27me3，其中H3K27me 1覆蓋5%～10%的組蛋白H3，在轉(zhuǎn)錄活躍的基因組內(nèi)富集；H3K27me2覆蓋50%～70%的組蛋白H3，抑制相關(guān)啟動子或增強(qiáng)子的活性；H3K27me3 覆蓋5%～10%的組蛋白H3，在PRC2結(jié)合位點(diǎn)處高度富集。目前大多數(shù)研究集中在H3K27me3 上，它被認(rèn)為是PRC2 抑制基因表達(dá)的標(biāo)志。H3K27me3 及EZH2 在膀胱癌中的表達(dá)明顯異常，與膀胱癌分期和病理分級呈正相關(guān)，尤其在非肌層浸潤性膀胱癌中，EZH2高表達(dá)預(yù)示著高復(fù)發(fā)的可能［4-5］。

EZH2 通過影響廣泛的下游信號通路調(diào)控膀胱癌細(xì)胞生物學(xué)特性。微小RNA（miRNA）是一種小分子非編碼RNA，參與細(xì)胞凋亡、分化和增殖等生物學(xué)過程。EZH2 通過miR-200 家族進(jìn)行轉(zhuǎn)錄后調(diào)節(jié)來促進(jìn)上皮間充質(zhì)轉(zhuǎn)化（EMT）和賦予干細(xì)胞表型［6］。轉(zhuǎn)錄激活因子3（STAT3）在促進(jìn)癌細(xì)胞增殖和侵襲及介導(dǎo)藥物抗性方面具有重要作用，體外和體內(nèi)實(shí)驗(yàn)證明，EZH2 通過促進(jìn)JAK2/STAT3 通路與膀胱癌細(xì)胞的增殖和侵襲性有關(guān)［7］。

EZH2 的調(diào)節(jié)極其復(fù)雜，幾種在膀胱癌中起關(guān)鍵作用的基因及長鏈非編碼RNA（lncRNA）和miRNA 均參與了EZH2 的調(diào)節(jié)過程。研究顯示，視網(wǎng)膜母細(xì)胞瘤家族基因的失活導(dǎo)致轉(zhuǎn)錄因子E2F家族激活，促使EZH2表達(dá)升高［8］；進(jìn)一步研究表明，轉(zhuǎn)錄因子E2F家族成員E2F1結(jié)合EZH2和SUZ12啟動子區(qū)域，以激活EZH2 和SUZ12 轉(zhuǎn)錄，促進(jìn)膀胱癌細(xì)胞的增殖、遷移和侵襲，而轉(zhuǎn)錄因子E2F4 被lncRNA GAS5 募集到EZH2 啟動 子 來 抑制EZH2 轉(zhuǎn)錄［9-10］。Bromodomain-4蛋白作為重要的表觀遺傳學(xué)讀取器，通過上調(diào)C-MYC 向EZH2 啟動子的募集，促使膀胱癌細(xì)胞增殖并減少其凋亡［11］。lncRNA H19 和miR-144 有助于EZH2 和上皮鈣黏素啟動子上的H3K27me3 結(jié)合，并且通過結(jié)合EZH2 激活Wnt/β-catenin 信號通路，從而增強(qiáng)細(xì)胞遷移能力［12-13］；lncRNA SPRY4-IT1 通過直接結(jié)合miR-101-3p，上調(diào)EZH2 表達(dá)，促進(jìn)細(xì)胞增殖、遷移和侵襲能力［14］。茉莉酸甲酯可通過下調(diào)miR-101降低EZH2表達(dá)，增加膀胱癌細(xì)胞對藤黃酸的敏感性，這有希望成為膀胱癌治療的潛在靶點(diǎn)［15］。

由此可見，EZH2 作為催化H3K27me3 的組蛋白甲基轉(zhuǎn)移酶，參與多個(gè)信號通路中，并與膀胱癌細(xì)胞的增殖、遷移、侵襲和凋亡密切相關(guān)，其表達(dá)水平與膀胱癌分期和病理分級呈正相關(guān)，影響膀胱癌的多種生物學(xué)特性，干預(yù)EZH2 表達(dá)能夠有效抑制膀胱癌細(xì)胞的增殖、侵襲和遷移，并促進(jìn)其凋亡。

1.2 KMT2 與膀胱癌的關(guān)系 KMT2 主要催化H3K4 甲 基 化，包 括KMT2A、KMT2B、KMT2C、KMT2D、KMT2F 和KMT2G 6 種主要成員，其家族成員都含有在進(jìn)化上保守的SET 結(jié)構(gòu)域，負(fù)責(zé)H3K4甲基化。H3K4 存在三種不同程度的甲基化，即H3K4me1、H3K4me2 和H3K4me3，它們在轉(zhuǎn)錄活躍的基因啟動子和增強(qiáng)子的不同位置沉淀。H3K4me1和H3K4me2 與增強(qiáng)子元件和基因轉(zhuǎn)錄活性相關(guān)；H3K4me3 通常被認(rèn)為是基因激活的標(biāo)記，它選擇性地定位在基因的啟動子區(qū)域及轉(zhuǎn)錄起始位點(diǎn)，從而調(diào)節(jié)基因轉(zhuǎn)錄。

KMT2 是生物發(fā)育的關(guān)鍵基因，在胚胎期敲除KMT2 可導(dǎo)致嚴(yán)重發(fā)育缺陷。KMT2 家族成員也是各種癌癥中最常發(fā)生突變的基因之一，其在腫瘤最初的發(fā)生階段可能具有重要作用。目前KMT2 在膀胱癌中的研究較少，主要集中在KMT2B 及KMT2D中，二者與膀胱癌的干細(xì)胞特性相關(guān)。膀胱癌的發(fā)生可能是多種因素共同導(dǎo)致的結(jié)果，膀胱癌單細(xì)胞測序顯示，膀胱癌干細(xì)胞中的KMT2B、ARID1A、GPRC5A 突變頻率極高，在膀胱癌非干細(xì)胞中表達(dá)突變型KMT2B 可增強(qiáng)膀胱癌非干細(xì)胞自我更新和引發(fā)腫瘤的能力，同時(shí)表達(dá)突變型KMT2B、突變型GPRC5A 和突變型ARID1A 使自我更新和引發(fā)腫瘤的效應(yīng)更為顯著［16］。KMT2D催化H3K4me1，在膀胱癌中的突變頻率很高，但相較于正常膀胱上皮，KMT2D 在膀胱癌細(xì)胞中的表達(dá)降低，KMT2D 低表達(dá)可誘導(dǎo)PTEN、p53 表達(dá)降低，并促進(jìn)膀胱癌細(xì)胞增殖、遷移和侵襲［3］。

1.3 組蛋白甲基轉(zhuǎn)移酶G9a 與膀胱癌的關(guān)系 組蛋白甲基轉(zhuǎn)移酶G9a 作為組蛋白H3K9me2 的甲基化酶，在膀胱癌中的作用目前尚不明確，部分研究結(jié)論仍存在爭議。組蛋白甲基轉(zhuǎn)移酶G9a在膀胱癌中的表達(dá)異常升高，與膀胱癌的惡性程度有關(guān)，還可能與腫瘤免疫應(yīng)答有關(guān)，使用組蛋白甲基轉(zhuǎn)移酶G9a/DNA 甲基轉(zhuǎn)移酶雙抑制劑可抑制膀胱癌細(xì)胞增殖并誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡，單獨(dú)應(yīng)用組蛋白甲基轉(zhuǎn)移酶G9a抑制劑顯示出同樣的效果，但雙抑制劑會導(dǎo)致干擾素α、干擾素γ 及腫瘤壞死因子α 啟動子區(qū)域的H3K9me2 減少，并且富集與腫瘤免疫相關(guān)的相關(guān)信號通路，上調(diào)鈣網(wǎng)蛋白、β2微球蛋白和自然殺傷細(xì)胞配體，增加高遷移率族蛋白B1 的表達(dá)，這表明組蛋白甲基化不止有單獨(dú)的作用，在表觀遺傳中還存在復(fù)雜的相互調(diào)控［17-18］。同時(shí)有研究表明，抑制組蛋白甲基轉(zhuǎn)移酶G9a 并不會誘導(dǎo)凋亡，但可上調(diào)腺嘌呤磷酸核糖基轉(zhuǎn)移酶（AMP）活化水平，從而抑制mTOR磷酸化，通過自噬導(dǎo)致細(xì)胞自噬性死亡［19］。

2 組蛋白去甲基化酶在膀胱癌發(fā)生發(fā)展中的作用

組蛋白去甲基化酶可以去除核小體組蛋白尾部的甲基化標(biāo)記，調(diào)節(jié)促癌基因和抑癌基因的表達(dá)，根據(jù)靶向的組蛋白殘基不同，其對基因轉(zhuǎn)錄的影響可以是激活也可以是抑制。根據(jù)組蛋白去甲基化酶功能的不同，可分為賴氨酸特異性組蛋白去甲基化酶（KDM）和精氨酸組蛋白去甲基化酶兩類。KDM 包括兩大家族，一是黃素腺嘌呤二核苷酸依賴的氨基氧化酶家族KDM1；二是以Jumonji C 結(jié)構(gòu)域?yàn)樘卣鞯腇e2+和二氧戊二酸依賴酶的家族，包括KDM2、KDM3、KDM4、KDM5、KDM6、KDM7、KDM8。目前對于精氨酸組蛋白去甲基化酶的報(bào)道較少，有研究指出KDM 家族的部分成員如KDM3A 和KDM6B 也存在精氨酸組蛋白去甲基化酶的功能，而精氨酸組蛋白去甲基化酶JMJD6 可催化H3R2、H4R3 去甲基化，同時(shí)它還具有賴氨酸羥化酶的作用［20］。但精氨酸組蛋白去甲基化酶在膀胱癌中的作用還未見報(bào)道，所知甚少。

KDM1A 屬于KDM1 家族成員，含有黃素腺嘌呤二核苷酸依賴性胺氧化酶結(jié)構(gòu)域，可以消除H3K9單甲基化和二甲基化標(biāo)記，但不能使H3K9me3去甲基化。KDM1A在各種癌癥中表達(dá)升高，其作用主要是平衡干細(xì)胞的自我更新和分化。KDM1A 在膀胱癌中的表達(dá)升高，其表達(dá)水平與膀胱癌分級、轉(zhuǎn)移和預(yù)后高度相關(guān)。KDM1A 是EMT 的關(guān)鍵正向調(diào)節(jié)因子，抑制KDM1A表達(dá)可顯著抑制膀胱癌的進(jìn)展［21］。

KDM3A 的作用是催化H3K9me1、H3K9me2 去甲基化。雖然H3K9me1、H3K9me2是異染色質(zhì)和非活性基因的標(biāo)記，但研究表明KDM3A 催化的H3K9去甲基化對基因轉(zhuǎn)錄的影響取決于位點(diǎn)、細(xì)胞類型和細(xì)胞狀態(tài)。KDM3A在膀胱癌中表達(dá)上調(diào)，協(xié)同缺氧誘導(dǎo)因子1α促進(jìn)膀胱癌細(xì)胞增殖、集落形成和異種移植腫瘤生長，同時(shí)KDM3A 催化H3K9me2 去甲基化可激活同源盒蛋白Hox-A1基因表達(dá)，進(jìn)而激活周期蛋白D1 轉(zhuǎn)錄，促進(jìn)膀胱癌細(xì)胞的G1/S 期轉(zhuǎn)變［22］。

KDM4 的作用是識別并催化H3K9me2、H3K9me3、H3K36me2、H3K36me3 去甲基化，調(diào)控抑制基因的H3K9me2、H3K9me3 標(biāo)記和激活基因的H3K36me2、H3K36me3 標(biāo)記可能是KDM4 最主要的功能。其家族成員KDM4A 在膀胱癌組織中的表達(dá)顯著上調(diào)，并與患者的預(yù)后相關(guān)；KDM4A 通過調(diào)節(jié)EMT 和膀胱癌細(xì)胞的G1/S 期轉(zhuǎn)變，促進(jìn)細(xì)胞遷移、侵襲和調(diào)節(jié)細(xì)胞周期［23］。KDM4B 是H3K9 脫甲基酶，通過調(diào)控細(xì)胞周期蛋白依賴性激酶6 啟動子區(qū)域組蛋白甲基化，促進(jìn)膀胱癌細(xì)胞周期進(jìn)程［24］。

KDM5B 是H3K4 去甲基化酶，在膀胱癌中表達(dá)明顯升高，通過抑制連接蛋白26表達(dá)促進(jìn)膀胱癌的發(fā)展［25］。

KDM6A 是H3K27 脫 甲基 酶，與 含有EZH2 的PRC2 具有拮抗作用，其突變直接導(dǎo)致膀胱癌細(xì)胞H3K27me3增加，促使膀胱癌細(xì)胞產(chǎn)生EZH2依賴性增殖，并且與成纖維細(xì)胞生長因子受體3 為拮抗關(guān)系［26］。KDM7A與膀胱癌的耐藥性相關(guān)，在耐順鉑的膀胱癌細(xì)胞系中，KDM7A 通過H3K27me2 修飾調(diào)控雄激素受體與下游基因啟動子的結(jié)合，促進(jìn)膀胱癌細(xì)胞在順鉑作用下的存活［27］。

近年來，隨著測序技術(shù)的興起和對膀胱癌基因突變及基因表達(dá)的進(jìn)一步深入研究，揭示了組蛋白甲基化與膀胱癌的發(fā)生和進(jìn)展高度相關(guān)，膀胱癌存在全組蛋白甲基化修飾水平的改變，影響相關(guān)基因轉(zhuǎn)錄活性直接或間接影響膀胱癌的細(xì)胞周期及細(xì)胞增殖、遷移、凋亡等生物學(xué)進(jìn)程。組蛋白甲基化作為潛在的治療靶點(diǎn)，同時(shí)具有成為膀胱癌生物標(biāo)志物的潛力，這為提高膀胱癌治療效果和更加精確的早期診斷和預(yù)測復(fù)發(fā)提供了新的思路。