蛋白质精氨酸甲基化转移酶的研究进展

高 锐，刘凌霄

(济南护理职业学院，济南250102)

在哺乳动物中，目前发现的组蛋白精氨酸甲基化位点包括 H3-Arg2、H3-Arg8、H3-Arg17、H3-Arg26和H4-Arg3。精氨酸甲基化由组蛋白精氨酸甲基化转移酶(PRMTs)催化完成;与赖氨酸甲基化类似，精氨酸甲基化也可激活或抑制染色质的相关功能。精氨酸甲基化存在单甲基化、对称双甲基化和非对称双甲基化三种状态。现结合文献对PRMTs的研究进展综述如下。

1PRMTs的分类

蛋白质精氨酸甲基化是一种存在于真核生物中常见的翻译后修饰过程，主要由PRMTs催化，将甲基基团从S-腺苷甲硫氨酸(AdoMet)上转移到精氨酸的胍基上［1］。PRMTs分为两类，它们都可催化精氨酸上胍基的单甲基化，同时第1类PRMTs还能产生不对称的精氨酸双甲基化。第2类PRMTs能产生对称的精氨酸双甲基化［2］。在已知的PRMTs中，只有PRMT5/JBP1是第2类PRMTs，它使一类蛋白的特定精氨酸发生对称性双甲基化，其中包括髓磷脂碱性蛋白、剪接体蛋白及组蛋白 H3和 H4［3］。PRMT5被鉴定为Jak激酶结合蛋白(JBP1)，其可与多种蛋白同时存在组成复合物。

在真菌、植物到动物等真核生物中，已经报道了多个 PRMTs基因，如 PRMT1、PRMT2、PRMT3、PRMT4/CARM1、PRMT5/JBP1、PRMT6 及 PRMT7。在果蝇、酵母、拟南芥和线虫的整个基因组中，有9个PRMTs基因被确定。另外，在斑马鱼、海胆、鼠及西红柿中，也具有高度同源的序列。因此，PRMTs是一个在真核生物中高度保守的蛋白家族。

2PRMT1和PRMT4/CARM1

目前，对PRMT1和PRMT4/CARM1的研究较深入，它们可对组蛋白H3、H4和H2B进行甲基化修饰，也可作用于其他蛋白。组蛋白精氨酸甲基化可指导组蛋白参与染色体的折叠［4，5］，如 PRMT1对组蛋白H4-Arg3的甲基化可推动H4的乙酰化作用，引发由核激素受体介导的转录活动，而CARM1在此过程中起激活作用。在体外，3个激活因子PRMT1、CARM1和p300(无论先后加入还是一起加入)都存在的情况下，p53介导的转录会达到最大激活;将染色体模板和p53及PRMT1混合孵育可显著增强p300的组蛋白乙酰转移酶活性;将染色体模板与p53、p300预孵化，也可诱导CARM1对H3的精氨酸甲基化作用。

PRMT1是一种在哺乳动物细胞中占绝对多数的第1类PRMT，其活性占细胞中PRMT总活性的85%。PRMT1在所有被检测的组织中都有表达，而它在胚胎神经发育组织中的表达最高［6］。删除PRMT1基因可致小鼠胚胎死亡，由此可推断PRMT1对胚胎早期着床后的发育十分重要。有实验表明，PRMT1还可能参与到神经分化中［7］。PRMT1至少有6个可变的转录本产生不同的蛋白，这些蛋白可能具有不同的底物特异性［8］。

所有真核生物中都具有PRMT1基因，无论在哺乳动物、斑马鱼或蛙中，它们的序列同源性均超过90%，甚至人和酿酒酵母的PRMT1也有50%的同源性。在拟南芥中也存在一个蛋白PRMT1＇，它和人源的PRMT1具有80%的同源性，这两个蛋白除N端外均具有同样的序列结构，但有关PRMT1＇的功能尚未见报道。PRMT1最熟知的底物是与RNA编辑(即在mRNA水平上改变遗传信息的过程)或RNA转运相关的RNA结合蛋白，如hnRNPs、fibrillarin、nuleolin及polyA结合蛋白Ⅱ等。最近，越来越多的蛋白作为PRMT1的底物被发现，其中包括高分子量纤维原细胞生长因子2、可被胞外信号激活的转录因子STAT1、转录延伸的调节因子SPT5，以及组蛋白 H4、H2B。PRMT4、精氨酸甲基转移酶(CARM1)均与转录相关，协同促进转录。CARM1和p160、乙酰基转移酶p300/CBP共同作用，可提高基因的转录活性［9］。

3 PRMT核心

酿酒酵母中的PRMT蛋白长度变化很大，但其有一个保守的约含310个氨基酸的核心区。此核心区外的序列都是N末端的附加区域;此外，CARM1还有一个C末端的附加区。在酿酒酵母中，N端的附加区域从PRMT1的20个氨基酸到PRMT3的200多个氨基酸，通过这些多变的N末端可将PRMT家族归类。研究发现，PRMT7和PRMT8包含两个保守的核心区域，且分别有一个推测的AdoMet结合位点。最近，有3个PRMT的晶体结构被解析，即鼠的 PRMT1(41-353aa)［10］及 PRMT3 催化中心(208-528aa)［11］，以及酵母的 RMT1/Hmt1(30-348aa)［12］，这些结构都具有一个严格保守的PRMT催化核心。单体PRMT核心结构分为3部分，即甲基转移酶结构域、β桶和双体手臂结构。甲基转移酶结构域包含1个AdoMet结合位点，它属于Ⅰ型甲基转移酶的保守折叠类型;而 β桶结构域是 PRMT家族特有的。

4PRMT二体

在PRMT1、PRMT3核心区及酵母RMT1/Hmt1的晶体结构中都发现了1个疏水的二体接合面，它们的晶体生长条件和晶型各异，表明PRMT的二体形式是其家族的一个保守特征［10～12］。如将酵母RMT1/Hmt1的二体手臂突变成丙氨酸，PRMT1将失去二体的形式和甲基化的活性。缺少二体手臂的PRMT1在分子筛上也以单体形式被洗脱，且完全失去活性，这种酶活力丧失可能是因为无法结合AdoMet。在晶体结构中，二体的相互作用面由两个手臂和AdoMet结合位点的外表面形成。可以想象，二体状态的PRMT与AdoMet结合PRMT二体的另一个潜在功能可能是产生最终甲基化产物——非对称二甲基化精氨酸。从细胞内分离PRMT的底物发现，它们都完全或几乎完全被双甲基化。

5 PRMT多底物结合凹槽

多数PRMT1底物包含甘氨酸和精氨酸富集的序列，所以精氨酸以精氨酸—甘氨酸—甘氨酸(RGG)的形式存在。用含有3个RGG重复序列的小肽(R3:GGRGGFGGRGGFGGRGGFG)和 PRMT1共结晶，通过三维结构鉴定了3个小肽结合凹槽，且可能代表R3小肽的混合结合模式。R3小肽的3、9和15号位置的精氨酸可能是潜在的甲基化位点。其余与P3位置平行的酸性凹槽也被鉴定，这些凹槽可能构成具有更多RGG重复的底物结合位点。

6 精氨酸的非对称和对称双甲基化

作为底物的精氨酸位于甲基转移酶结构域和β桶结构域中间的酸性氨基酸构成的活性位点深处。PRMT中组成这个活性位点的残基是保守的，一个“双E”发卡loop包含了几乎所有这些氨基酸。两个不变的谷氨酸(PRMT1中的 E144、E153和PRMT3中的E326、E335)用于压制底物中胍基的正电荷:相互作用于PRMT1的E153分配了胍基上的正电荷，产生一个未成对电子对，该电子对攻击带负电的AdoMet的甲磺基基团［12］。相应的 CARM1/PRMT4突变体实验证明，CARM1的甲基转移酶活性是核受体共促进作用所需要的。

鼠的PRMT1、PRMT3和酵母的RMT1都是第1类精氨酸甲基化酶，除PRMT5(酵母中的Hsl 7)外，所有PRMTs都包含一个甲硫氨酸活性位点。“双E”发卡loop的最后一个残基(PRMT1中的155位氨基酸，PRMT3中的337位氨基酸，酵母RMT1中的143位氨基酸)很可能阻碍单甲基化精氨酸，形成对称性双甲基化精氨酸。对应于PRMT1中的M155、PRMT5和Hsl 7相应的氨基酸(PRMT5:446位;Hs17:474位)都是丝氨酸，这个残基的侧链具有更小的体积，可能允许属于第2类精氨酸甲基化酶的PRMT5和Hsl 7催化产生对称性的甲基化精氨酸。

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