组蛋白甲基化/去甲基化与脂肪形成

姚俊鹏 张林

1成都中医药大学 610075; 2成都中医药大学第三附属医院内科，四川省糖尿病防治中心 610041

肥胖是能量摄入和消耗失衡的结果，肥胖者体内白色脂肪含量增加，脂肪细胞的体积和数目是决定其含量的主要因素。表观遗传修饰包括DNA修饰、组蛋白修饰等，越来越多的证据表明组蛋白修饰参与了脂肪细胞的分化和形成[1-2]。本文从组蛋白甲基化修饰角度对其与成脂的关系进行综述。

1 组蛋白甲基化概述

组蛋白八面体由H2A、H2B、H3、H4组成，是形成核小体的亚基，其末端存在赖氨酸和精氨酸等氨基酸残基，可以发生共价修饰，包括甲基化、乙酰化、磷酸化、泛素化等形式，其中甲基化是组蛋白修饰的主要形式之一，这些修饰可通过改变组蛋白与DNA的亲和力，从而改变染色质的结构状态，也可以影响转录因子与DNA序列的结合，对相应基因表达进行调控。

组蛋白甲基化主要发生在H3和H4组蛋白N端赖氨酸(K)和精氨酸(R)残基上。赖氨酸甲基化修饰常发生在组蛋白H3赖氨酸残基的4位、9位、27位、36位和组蛋白H4 20位赖氨酸残基上。H3K4、H3K36的甲基化修饰主要与基因转录活化有关，而H3K9、H3K27、H4K20的甲基化修饰介导转录抑制。精氨酸甲基化修饰通常发生在组蛋白H3精氨酸 2位、8位、17位、26位残基, 及组蛋白H4 精氨酸3位残基上。根据残基上甲基化基团数量的不同，又可分为一甲基化、二甲基化、三甲基化修饰。

2 组蛋白甲基化转移酶(HMT)/去甲基化酶与脂肪形成

组蛋白的甲基化由HMT催化，去甲基化则由组蛋白去甲基化酶催化。HMT主要包括两个家族：赖氨酸特异性和精氨酸特异性甲基化转移酶，二者均以S-腺苷甲硫氨酸(SAM)作为底物。常染色质组蛋白赖氨酸N-甲基转移酶1(EHMT1)、G9a和混合性白血病蛋白3(MLL3)、混合性白血病蛋白4(MLL4)属于赖氨酸特异性甲基化转移酶家族。

组蛋白去甲基化酶分为两个家族。第一个家族是组蛋白赖氨酸去甲基化酶(KDM)1，包括两个成员：赖氨酸特异性组蛋白去甲基化酶1(LSD1)和赖氨酸特异性组蛋白去甲基化酶2(LSD2)，二者均是黄素腺嘌呤二核苷酸依赖性氨基酸氧化酶，主要作用于组蛋白H3的4、9位氨基酸。LSD1作用于H3K4和H3K9，LSD2仅作用于H3K4。第二个家族称作Jumonji型组蛋白去甲基化酶，包括KDM2到KDM7，其特征是含有一个保守的Jumonji C催化结构域。

2.1 HMT与脂肪形成

2.1.1 MLL3、MLL4 MLL3、MLL4是H3K4甲基化转移酶，二者均含有具有天然组蛋白赖氨酸特异性甲基化转移酶活性的SET结构域[3]。MLL3和MLL4是H3K4一、二甲基化转移酶。

MLL3纯合子(MLL3Δ/Δ)小鼠的白色脂肪组织明显减少，但是棕色脂肪组织的量保持不变。WT MLL3是指被一个MLL3基因突变所取代，其在MLL3 SET结构域内存在61位氨基酸核心催化区的框内缺失。 与野生型小鼠相比，在高脂喂养前后MLL3Δ/Δ小鼠白色脂肪组织的细胞均较小。在MLL3Δ/Δ小鼠的白色脂肪组织中，过氧化物酶体增殖物活化受体γ(PPARγ)表达增加，其两个靶基因aP2和脂联素均明显下调。在脂肪的形成过程中，MLL3和MLL4均被募集到PPARγ激活的aP2基因[4]。MLL4条件性敲除(Mll4f/f)的胚胎棕色脂肪组织含量下降，提示MLL4在成脂过程中的重要作用。MLL4基因敲除可导致脂肪细胞分化障碍，抑制3T3-L1前脂肪细胞形成脂肪细胞。在小鼠胚胎成纤维细胞中，PPARγ刺激的脂肪形成中MLL3和MLL4是必需的。以上研究表明，MLL3、MLL4在PPARγ依赖的脂肪形成中发挥重要作用[5]。

2.1.2 G9a 组蛋白甲基化转移酶G9a可使H3K9发生二甲基化(H3K9me2)，研究发现，G9a介导的H3K9me2主要是使基因转录沉默[6]。在与脂肪形成密切相关的PPARγ基因位点上，H3K9me2高水平表达。在编码其他成脂转录因子如转录因子CCAAT/增强子结合蛋白(C/EBP)α、C/EBPβ、C/EBPδ的基因位点H3K9me2低表达。在成脂负调控基因位点，Wnt6-Wnt10a H3K9me2呈低表达，提示H3K9me2在PPARγ基因位点富集，参与了在前脂肪细胞中抑制PPARγ的表达。3T3-L1前脂肪细胞成脂分化后，H3K9me2在整个PPARγ位点的表达显著下降。PPARγ基因位点H3K9me2的低表达与成脂过程中PPARγ的高表达呈负相关，G9a在蛋白质水平的表达也明显下降，相应的，H3K9me2在整个3T3-L1前脂肪细胞成脂过程中表达下调。在白色脂肪组织脂肪细胞中G9a蛋白水平显著低于前脂肪细胞。以上研究提示，G9a和H3K9me2负调控PPARγ和脂肪生成。使用G9a抑制剂BIX01294处理前脂肪细胞，可以使PPARγ表达上调，提示G9a抑制PPARγ的活性主要通过H3K9me2。脂肪组织G9a基因特异性敲除小鼠表现为白色脂肪组织成脂明显增加，PPARγ表达增加。以上研究提示，组蛋白H3K9甲基化转移酶G9a可抑制PPARγ表达和脂肪形成[7]。另有关于3T3-L1前脂肪细胞分化的研究也得到相似的结论[8]。

2.1.3 EHMT1 EHMT1具有使H3K9一、二甲基化的酶活性。EHMT1基因突变患者有40% ～50%发展为肥胖。PR结构域蛋白16(PRDM16)在棕色脂肪组织的发育过程中起必需作用。EHMT1和PRDM16可以直接相互作用，在棕色脂肪细胞中，EHMT1的缺失可导致PRDM16复合体HMT活性降低，表明EHMT1是PRDM16复合体的主要甲基化转移酶。棕色脂肪细胞EHMT1基因缺失可通过H3K9me2/3去甲基化导致严重的棕色脂肪特征的丢失。相反，EHMT1表达可通过PRDM16蛋白调控棕色脂肪组织的产热效应。脂肪组织特异性EHMT1基因缺失可引起棕色脂肪组织产热明显下降、肥胖和胰岛素抵抗。研究表明，EHMT1是控制棕色脂肪细胞命运和能量平衡的必需酶[9]。另有研究也提示，成人肾周棕色脂肪细胞的活化与PRDM16-EHMT1复合体密切相关[10]。

2.1.4 Zeste基因增强子同源物2(Ezh2) Ezh2是Polycomb抑制复合体的核心亚单位，H3K27甲基转移酶，其富集在抑制脂肪形成的Wnt基因区。在脂肪形成过程中，Ezh2直接抑制前脂肪细胞中的Wnt-1、-6、-10a及-10b基因表达。敲除Ezh2基因可消除Wnt启动子区的H3K27三甲基化(H3K27me3)，解除对Wnt表达的抑制，导致Wnt/β-catenin信号通路的激活，抑制脂肪形成。在Ezh2(-/-)前脂肪细胞异位表达野生型Ezh2，可阻止H3K27me3的丢失和脂肪形成的减少。Ezh2(-/-)前脂肪细胞的成脂障碍可通过具有成脂活性的转录因子PPARγ、C/EBPα或抑制Wnt/β-catenin信号来补救。研究表明，H3K27甲基化转移酶Ezh2可直接抑制Wnt基因活性来促进脂肪形成[11]。

2.1.5 蛋白质精氨酸甲基转移酶(PRMT) 哺乳动物PRMT有9种，PRMT5是脂肪细胞分化必需的。染色质免疫沉淀实验表明，PRMT5结合并使组蛋白发生二甲基化的部位位于成脂启动子区。PRMT5促进了ATP依赖的染色质重塑酶的结合，并且是PPARγ2和PPARγ2调节启动子所必须[12]。在脂肪形成、分化过程中，PRMT7并不是必需的，敲低或过表达该基因对脂质沉积和脂肪形成的基因表达均无影响[13]。

2.2 组蛋白去甲基化酶与脂肪形成

2.2.1 LSD1 LSD1是一种胺氧化酶，通过FAD依赖的氧化反应调节组蛋白去甲基化。LSD1可使H3K4发生一、二去甲基化，并且通过作用于目标启动子维持H3K4的去甲基化状态以抑制基因的表达。3T3-L1前脂肪细胞LSD1基因敲除可导致其成脂分化显著下降，该结果与H3K4二甲基化水平的下调和H3K9二甲基化上调有关。敲除H3K9甲基化转移酶SETDB1基因可使与C/EBPα启动子区结合的H3K9二甲基化增加、H3K4二甲基化下降，利于成脂[14]。人间充质干细胞(hESCs)可被定向诱导分化为脂肪细胞，然而在培养液中加入LSD1抑制剂CBB1007后可促进hESCs成脂分化，PPARγ2和C/EBPα的表达随着抑制剂浓度而增加，在该过程中H3K4二甲基化水平上调，提示LSD1参与了hESCs的成脂分化[15]。

2.2.2 X染色体上转录结构域重复序列(UTX) UTX是H3K27特异性去甲基化酶，主要作用是抑制基因表达的H3K27me3，在棕色脂肪细胞分化过程中UTX表达增加。棕色脂肪细胞UTX基因敲除可下调棕色脂肪基因如解耦联蛋白1(UCP1)、PPARγ协同刺激因子-1α(PGC-1α)的表达，相反，棕色脂肪细胞过表达UTX后可促进UCP1、PGC-1α基因的表达。使用β肾上腺素干预棕色脂肪细胞可促使UTX与UCP1、PGC-1α启动子转录起始位点结合，抑制H3K27me3的水平，使用过表达UTX的棕色脂肪细胞也得到了相似的结果[16]。UTX基因缺失的小鼠间充质干细胞分化为脂肪细胞的能力受到抑制，UTX基因缺失的3T3-L1前脂肪细胞成脂增加，提示UTX可负调控前脂肪细胞分化为脂肪细胞[17]。

2.2.3 包含Jumonji结构域的蛋白2B(JMJD2B) JMJD2家族包括JMJD2A(KDM4A)、JMJD2B(KDM4B)和JMJD2C(KDM4C)，可使H3K9、H3K36二甲基、三甲基脱甲基[18-19]。JMJD2B是H3K9me3/me2的去甲基化酶，JMJD2B 基因沉默的3T3-L1前脂肪细胞成脂分化受抑制，与成脂密切相关的PPARγ和C/EBPα的mRNA和蛋白水平表达下降，该基因过表达可促进脂肪细胞的形成，PPARγ和C/EBPα表达增加，提示JMJD2B通过上调PPARγ和C/EBPα促进3T3-L1细胞形成脂肪细胞，该过程是通过降低H3K9me3、H3K9me2与PPARγ、C/EBPα启动子的富集结合而实现的[20]。

2.2.4 Jumonji结构域1c(Jmjd1c) Jmjd1c通过H3K9me2去甲基化调控目标基因的转录活性。3T3-L1细胞成脂分化的早期过程中Jmjd1c mRNA的表达增加，沉默该基因可使3T3-L1细胞的成脂能力下降，并且在C/EBPα、C/EBPβ、C/EBPδ和PPARγ启动子区H3K9me2高表达[21]。

2.2.5 含组蛋白去甲基化酶2a的JMJC结构域(Jhdm2a) Jhdm2a是H3K9特异性去甲基化酶，在调控代谢基因表达方面发挥重要作用，敲除Jhdm2a基因的小鼠会产生肥胖和高脂血症，在棕色脂肪细胞中可导致β肾上腺素刺激的葡萄糖释放和棕色脂肪组织中氧消耗的紊乱[22]。

2.2.6 KDM5 KDM5含有去甲基化酶的Jumonji C结构域，可促进H3K4发生去二甲基化、三甲基化[23]。该家族共有KDM5A、KDM5B、KDM5C和KDM5D 4个成员。在白色和棕色前脂肪细胞中敲除KDM5家族基因可下调成脂基因表达，抑制脂肪细胞分化成熟，并且引起H3K4me3在启动子区大量聚集，但是H3K4me3的变化对基因表达的影响有限。全基因组分析显示，KDM5A在KDM5激活的启动子区大量富集，该区域存在高水平的H3K4me3。KDM5对于3T3-L1前脂肪细胞的有丝分裂扩增是必须的[24]。

以上研究显示，组蛋白甲基化酶/去甲基化酶通过调节组蛋白的甲基化修饰，从而调控脂肪细胞的分化和形成，组蛋白甲基化修饰是甲基转移酶和去甲基化酶的动态协调催化过程。然而，在脂肪细胞的分化、形成过程中，不同组蛋白甲基化形式之间、组蛋白其他修饰形式之间及与表观遗传修饰的其他形式的相互调控有待深入探讨研究。