组蛋白甲基转移酶在肿瘤中的作用研究进展

封慕茵 综述 罗泊涛 审校

广东医科大学病理系，广东 湛江 524023

组蛋白甲基转移酶(histone methyltransferases，HMTs)也称为蛋白质甲基转移酶(protein methyltransferases, PMTs)，是组蛋白修饰的关键酶，主要分为组蛋白精氨酸甲基转移酶(histone arginine methyltransferases，HRMTs)或称蛋白质精氨酸甲基转移酶(protein arginine methyltransferases，PRMTs)与组蛋白赖氨酸甲基转移酶(histone lysine methyltransferases，HKMTs)或称蛋白质赖氨酸甲基转移酶(protein lysine methyltransferases，PKMTs)。PRMTs 与PKMTs 以S-腺苷甲硫氨酸为共同底物转移甲基。组蛋白甲基化过程可发生在赖氨酸或精氨酸残基上，如组蛋白H3的K4、K9、K27、K36、K79和组蛋白H4的K20，并由组蛋白甲基转移酶催化。组蛋白甲基化调节细胞转录和基因组稳定性，即便赖氨酸或精氨酸甲基化不改变电荷状态，甲基化残基的体积和疏水性增加也会影响蛋白质—蛋白质相互作用和蛋白质识别，从而影响基因表达和转录调控[1]。

自LIN等[2]发现了第一个PRMTs和REA等[3]发现了第一个PKMTs以来，越来越多的研究表明表观遗传异常在癌症和某些遗传性疾病的发病机制中起着重要作用。此外，PRMTs催化精氨酸胍基的单甲基和/或不对称或对称二甲基化，以及PKMTs催化赖氨酸残基的单甲基化、二甲基化和三甲基化，进一步增加了表观遗传组蛋白修饰系统的复杂性。随着近年来对多种甲基转移酶的深入研究和分子技术的迅速发展，表观遗传靶点已成为热门的抗癌靶点。在人类基因组中，大约有150 种潜在的甲基赖氨酸或甲基精氨酸结合蛋白，而且其数量还在不断增加。本文阐述几类代表性HMTs 在肿瘤中作用的研究进展，旨在为表观遗传修饰酶在肿瘤中作用的研究提供前沿信息。

1 PKMTs与肿瘤

组蛋白修饰最重要的形式之一是尾部赖氨酸残基的甲基化，由广泛存在的SET 蛋白家族的成员执行，其共同特征之一是有一个高度保守的SET 结构域，该结构域存在于果蝇三个调节因子Su(var)3～9、Enhancer of Zeste [E(Z)]与Trithorax (Trx)羧基末端的一段共同序列，其内含催化活性位点，并与S-腺苷-L-蛋氨酸辅因子结合。基于SET结构域周围的序列，将含有该结构域的蛋白质分为主要的7 个亚家族，即SUV、Ash、Trx、E(Z)、PRDM、SMITH 和SETD。PKMTs 包括SETD (含SET 结构域的赖氨酸甲基转移酶)、常染色质组蛋白甲基转移酶(euchromatin histone lysine methyltransferases，EHMTs)和H3K79 甲基化的组蛋白赖氨酸甲基转移酶DOT1L (disruptor of telomeric silencing 1-like)等，参与肿瘤的增殖、分化、侵袭和转移的过程。

1.1 SETD 赖氨酸甲基转移酶SET 家族包含SETD1～SETD9、G9a、MLL、SUV39H1 等50 多种人源相关蛋白。上述SETD家族成员含有一个100～300个残基和C 末端Rubisco LSMT 底物结合的结构域(rubis-subs-bind)，该结构域对于SETD 蛋白与组蛋白H3 和H4的N端尾结合至关重要。SETD和SMYD两个亚家族在SET结构域中具有较低水平的动、植物同源序列，同一亚家族内的成员具有相同的结构域，支持了SETD和SMYD亚家族分别起源于动、植物分化之前的同一祖先的假设[4]。近年来，表观遗传修饰酶在肿瘤发生发展中所起的作用引起了广泛关注；SETD家族作为组蛋白甲基转移酶中的重要成员，而其明确的功能及作用机制却知之甚少。SETD 家族蛋白不仅能调节组蛋白的功能，同样可对多种非组蛋白进行甲基化，包括NF-κβ[5]。人SETD1A 蛋白在原发性肝癌中表达明显增高，且对控制基因转录的H3K4 的三甲基化富集和表达有显著影响，提示了SETD1A 高表达可能是肝细胞癌的预后不良因素[6]。SETDB2 过表达可能促进胃癌进展[7]。SETD2 由2 564 个氨基酸组成，可催化H3K36三甲基化，在乳腺癌、肾细胞癌[8]、高级别神经胶质瘤[9]、胃癌[10]和急性髓系白血病[11]等多种肿瘤中都发现有SETD2基因突变，其突变促进肿瘤的发生发展且提示预后不良。敲除SETD4 基因能显著抑制乳腺癌的细胞增殖[12]，提高HepG2 人肝癌细胞对索拉菲尼的敏感性[13]，并可从表观遗传学上来控制乳腺癌干细胞静止[14]。SETD6 可调控Wnt/β-catenin 信号通路的活化，介导p21 活化激酶4(p21-activated kinase 4，PAK4)甲基化，从而调控β-catenin 信号转导并引起β-catenin 靶基因的转录增加[15]。SETD7 在肝细胞癌的细胞周期调控中起关键性作用，且与预后相关[16]。SETD8促进子宫颈癌进展，尤其在转移中起着重要的作用[17]。研究表明SETD7 是治疗Ⅱ型糖尿病、艾滋病、激素依赖性乳腺癌和前列腺癌等疾病的潜在药物靶点[18]。SETD 家族中各成员之间既有分工合作，又有相互协同作用。对于SETD家族的具体功能及作用机制尚未完全阐明，但它们在靶向药物开发中的重要性已经愈发凸显。目前针对SETD家族成员的特异性靶向药物未见报道。

1.2 EHMT2(又称G9a) 常染色质组蛋白甲基转移酶(EHMTs)是一种含有SET结构域的组蛋白甲基转移酶，参与H3K9甲基化。体外实验中发现EHMT2不仅能将甲基转移到H3中的赖氨酸9上，而且还能转移到赖氨酸27上。缺氧微环境中EHMT2由于蛋白质稳定性的增加而积累。EHMT2 介导的H3K9 甲基化导致特定基因的抑制，而这些基因对于低氧条件下的肿瘤抑制是必不可少的[19]。研究表明，尽管重组EHMT2或GLP(G9a like protein)可以在体外独立甲基化H3K9，但EHMT2/GLP 异构体复合物是H3K9 在体内整体甲基化的唯一功能形式。EHMT2 与多种肿瘤的发生发展具有相关性，可能是一个癌基因。肝癌组织EHMT2 表达明显高于正常肝组织，表明其可能参与了肝癌的发生[20]；敲除前列腺癌细胞中EHMT2基因后，瘤细胞生长受抑制且细胞形态发生明显变化，端粒酶活性丧失，端粒变短[21]；抑制EHMT2 表达来诱导细胞凋亡可能是治疗肺癌的潜在靶点[22]；EHMT2在乳腺癌组织中过表达，且观察到EHMT2通过调控MSK1的激活和表达来调控癌转移[23]，提示靶向EHMT2可能是干预乳腺癌转移的一种有效的治疗策略。近年来，从生化和生理水平上对EHMT2 进行了广泛的研究，并开发出了一些特异性抑制剂，如BIX-01294 是第一个被报道的有效和选择性抑制剂，可降低瘤细胞中H3K9 的二甲基水平[24]；A-366 是EHMT2 的有效的选择性抑制剂，其抑制效果是其他21 种甲基转移酶的1 000倍以上[25]。

1.3 DOT1L DOT1L是唯一导致H3K79甲基化的组蛋白赖氨酸甲基转移酶，也是唯一缺少SET结构域的组蛋白甲基转移酶。DOT1L 位于19p13.3 染色体，约68.5 kb 的一个基因编码，编码7.5 kb mRNA(NM_032482，其中4.6 kb 为编码序列)，翻译后在人体内产生1 537 个氨基酸残基的蛋白质(NP_115871.1)，该蛋白在十二烷基硫酸钠聚丙烯酰胺凝胶上可分解为约164.9 kDa 的条带。与其他已知的蛋白质赖氨酸甲基转移酶不同的是Dot1在体内、外都是一种非加工性甲基转移酶，这种动力学机制直接影响组蛋白H3K79 不同甲基化状态的调节和功能。DOT1L 参与了H3K79单甲基化(H3K79me)、双甲基化(H3K79me2)和三甲基化(H3K79me3)，然而，它们的具体功能尚未完全阐明。DOT1L对于胚胎发育十分重要，参与红细胞生成和分化调控，DOT1L缺失会导致小鼠胚胎细胞中H3K79甲基化缺失，导致红细胞发育显著缺陷甚至致死[26]。DOT1L 的活性和H3K79 甲基化维持基因组稳定所需的基因转录和活化、细胞周期进展以及DNA损伤反应等关键的细胞过程。在基因筛选中首次发现Dot1 基因(端粒沉默干扰物)，其过度表达破坏了酿酒酵母的端粒沉默，在进化上具有高度的保守性。DOT1L 异常表达和H3K79 甲基化模式改变被预测会影响基因组稳定性并驱动癌症发生发展。DOT1L 与AF4、AF9 或ENL 等不同蛋白融合导致DOT1L 的募集，会使H3K79甲基化异常，引起MLL靶基因的过度表达，最终导致白血病发生[27]，DOT1L 抑制剂已被建议用于阻断MLL 白血病增殖和逆转其进展。下调肺癌细胞中高度修饰的H3K79甲基化，将是通过衰老程序消除癌细胞的一种新方法[28]；抑制DOT1L/H3K79甲基化选择性地抑制了DOT1L 相对高水平的乳腺癌细胞增殖、分化，降低迁移和侵袭力[29]，表明DOT1L是治疗DOT1L+乳腺癌的一种新的药物靶点。对直肠癌患者H3K79me3 水平的检测表明，H3K79me3 水平越低，预后越差；DOT1L 的小分子抑制剂与用于治疗结直肠癌的化疗药物联合使用显示出相加效应[30]。DAIGLE 等[31]开发出一种有效的DOT1L 选择性抑制剂EPZ004777，可选择性地杀死携带MLL易位基因的白血病细胞，为MLL靶向治疗提供了方向。DAIGLE等[32]又开发出一种DOT1L 组蛋白甲基转移酶活性的更高效的和选择性的氨基核苷抑制剂EPZ-5676，目前正处于临床研究阶段。MÖBITZ 等[33]采用片段连接的方法开发出结构新颖的DOT1L 选择性抑制剂。然而，抑制DOT1L 也会导致正常细胞衰老，由于存在潜在的副作用，将DOT1L 作为癌症治疗靶点仍需进一步探讨。

2 PRMTs与肿瘤

在哺乳动物中普遍表达的PRMTs参与信号转导、基因转录、DNA 修复和mRNA 剪接等重要的细胞过程，从而影响细胞生长、增殖和分化。在PRMTs催化过程中，将SAM 或AdoMet的甲基被转移到蛋白质底物上，取代精氨酸ω-NG上的氢原子，生成甲基化精氨酸作为最终产物，并产生副产物SAH或AdoHcy。根据产物的不同将PRMTs 分为3 种类型：Ⅰ型包括PRMT1、PRMT2、PRMT3、PRMT4(CARM1)、PRMT6、PRMT8，主要催化形成单甲基精氨酸和非对称二甲基精氨酸；Ⅱ型包括PRMT5、PRMT9，主要催化形成单甲基精氨酸和对称性二甲基精氨酸；Ⅲ型PRMT7 只催化形成单甲基精氨酸。PRMTs 在多种病理条件下特别是癌症，存在着错误调控和异常表达的现象。一些精氨酸修饰酶的活性在癌症、炎症性疾病、神经退行性疾病和其他疾病中起着关键作用。

2.1 PRMT1 PRMT1是一种重要的Ⅰ型蛋白质精氨酸甲基转移酶，是人类细胞中主要的甲基转移酶，广泛表达于胞质和胞核。PRMT1在体内外特异性甲基化H4的精氨酸3(Arg3)，Arg3甲基化修饰在转录调控中起着重要作用[34]。PRMT1 对蛋白质精氨酸残基进行翻译后甲基化合成不对称二甲基精氨酸(asymmetric dimethylarginine，ADMA)，而血浆ADMA 水平可预测1型糖尿病合并糖尿病肾病患者心血管并发症和死亡率[35]。PRMT1 还可调控EGFR 功能，有可能在临床结直肠癌治疗中作为西妥昔单抗耐药的预测标志物[36]。PRMT1对体内淋巴细胞发育、增殖和分化中起重要作用。PRMT1 的过表达可能与前列腺癌[37]和乳腺癌[38]有关。因此，开发PRMT1选择性抑制剂不仅有助于PRMT1 功能和生物学作用的研究，而且为疾病提供治疗策略。

2.2 PRMT5 PRMT5最初在哺乳动物中被鉴定为Janus 激酶2 结合蛋白，因此，PRMT5 也称为JBP1。PRMT5是一种Ⅱ型精氨酸甲基转移酶，可以甲基化组蛋白H2A、H3 和H4。PRMT5 普遍存在于胞质和胞核，位于体内cyclin E1 的启动子上，作为cyclin E1 转录的辅助抑制因子而发挥作用。PRMT5 是一个关键的染色质调节因子，其异常表达影响H3R8和H4R3甲基化，有助于肿瘤抑制基因的沉默。PRMT5表达下调会干扰转化B 细胞增殖[39]。PRMT5 在胰腺癌中表达上调，并促进胰腺癌细胞增殖、迁移和转移[40]。PRMT5-KLF4 轴对维持乳腺癌干细胞和基因组完整性起关键作用[41]。PRMT5 与脑星形细胞瘤的分级相关，其可能是通过调节ERK1/2 通路促进胶质瘤细胞的恶性表型[42]；PRMT5是MYCN癌蛋白的关键翻译后调节因子，并且与神经母细胞瘤的预后不良有关[43]。近年来由于PRMT5 与癌症的密切相关性，使得靶向PRMT5成为抗癌药物开发的热点。

2.3 PRMT7 PRMT7在PRMT家族中是独一无二的，其特殊之处在于其不能甲基化常见的PRMT底物GST-GAR、MBP 和组蛋白H2A。PRMT7 是一种Ⅲ型精氨酸甲基转移酶，具有独特的底物特异性。PRMT7 能够甲基化两个含精氨酸的多肽，催化形成β-NG-单甲基精氨酸残基。然而，PRMT7 催化的反应类型和底物特异性仍存在争议。哺乳动物中PRMT7参与DNA损伤修复、RNA剪接、转录调控和细胞分化等。通过与睾丸特异性因子CTCFL 协同作用，PRMT7 能使H4R3 二甲基化，并在男性生殖系印记基因甲基化中起决定性作用[44]。基因表达荟萃分析了PRMT7 在促进乳腺癌转移中的可能作用[45]。PRMT7通过其启动子上的组蛋白H4R3 位点的甲基化来调控bcl-6 表达，从而控制淋巴滤泡生发中心形成[46]。研究表明PRMT7通过精氨酸残基70位的p38MAPKα甲基化促进MyoD 介导成肌细胞分化[47]。PRMT7 表达下调可能会使细胞对DNA 的损伤剂产生更强的抵抗力，抑制PRMT7 的作用是复杂的，可能会影响肿瘤对某些化疗药物的耐药性。研究发现PRMT7基因敲除后瘤细胞对顺铂、氯苯丁腈和丝裂霉素C的抗性更强，而DNA 聚合酶δ催化亚基基因(DNA polymerase delta catalytic subunit gene 1，POLD1)是唯一能使PRMT7 基因敲除细胞对DNA 损伤恢复敏感性[48]。目前为止还没有发现针对PRMT7 特异性高的抑制剂。

3 结语

越来越多的证据支持表观遗传异常在癌症的发病机制中扮演重要的角色。随着表观遗传学的作用越来越清晰，染色质组分之间的相互关系也越来越清楚。在人类基因组中，大约有150 种潜在的甲基赖氨酸或甲基精氨酸结合蛋白，而且其数量还在不断增加。今后在以下几个方面有待加强研究：(1)深化对组蛋白甲基转移酶的结构和生物学功能的基础研究。可以通过特异性模式细胞及模式动物阐明这些蛋白质的基本功能。对组蛋白甲基化在正常生理和疾病状态下的生物学功能的研究，也为将基础表观遗传学研究转化为临床诊断和治疗应用提供了有力的支持，促进新技术新方法在这一领域的应用。目前各种新方法和新技术的发展和应用极大地活跃了组蛋白甲基化领域。在过去的10 年中，许多甲基-赖氨酸/精氨酸结合蛋白在结合特异性和三维结构方面被研究发现，这为开发靶向选择性拮抗剂提供了丰富的信息和试剂来源。(2)开发特异性靶向抑制剂。尽管还没有足够的研究来保证通过药物分子靶向这类酶是否有益或没有任何副作用，但考虑到组蛋白甲基转移酶作为抗癌分子靶点类别的成员，可以为不断进化的抗癌斗争中提供了新的靶点选择。