组蛋白变体macroH2A1 调控肿瘤增殖的研究进展

张明达，冯海忠

上海交通大学医学院附属仁济医院干细胞研究中心，上海200127

核小体是真核生物染色质的基本结构，由DNA 环绕核心组蛋白形成一个八聚体复合物。组蛋白的成分有常规组蛋白 H1、H2A、H2B、H3、H4 以及多种组蛋白变体。组蛋白变体呈现独特的基因组分布，并具有独特的附着和解离机制，赋予染色质独特的功能[1]。H2A.Z、macroH2A和H3.3 是3 种常见的组蛋白变体，在早期胚胎发育、干细胞谱系维持、体细胞重编程等方面发挥重要作用。组蛋白变体的突变、转录失调、附着机制改变等均可影响肿瘤发生，涉及表观遗传可塑性、基因组衰老变化机制以及激活相关基因表达程序等多方面内容。

1 组蛋白变体macroH2A1 概述

组蛋白变体macroH2A 最初在大鼠肝脏细胞核小体中被发现，其相对分子质量大小几乎可达到正常组蛋白的3 倍。macroH2A 由与组蛋白H2A 具有66%同源性的N 末端的组蛋白结构域、非结构化的连接域以及C 末端的macro 域组成[2-3]，是唯一具有3 个结构域的组蛋白。其macro 域的大小约是组蛋白结构域的2 倍，macroH2A的突变可能是核小体水平上发生的最广泛的染色质改变。macro 域位于核小体对称轴上方一个容易结合的位置，并与核小体核心中突出的结构相连接[2]。

macroH2A 至 少 有3 种 亚 型， 包 括macroH2A1.1、macroH2A1.2 和macroH2A2。macroH2A1 和macroH2A2由2 个独立的基因编码。macroH2A1 以2 种交替的外显子剪接亚型存在，即macroH2A1.1 和macroH2A1.2[4]。macroH2A1.1 在体外与由组蛋白脱乙酰酶（sirtuin 1，SIRT1）产生的乙酰核糖（O-acetyl-ADP-ribose）结合[2]。另外，macroH2A1 与女性X 染色体失活和转录抑制有关[5-6]。 有研究[7-9]将macroH2A 蛋白与信号诱导的基因激活联系起来，从而挑战了macroH2A1 作为一种独特的染色质抑制信号的观点。

2 macroH2A1 通过多种方式调节靶基因表达

染色质内的macroH2A1 可以在特定背景下通过多种方式正向或负向调节其靶基因的表达。macro 域的配体结合结构域直接结合NAD+的代谢物，包括二磷酸核糖（poly ADP-ribose，PAR）、核糖聚合酶（poly-ADP ribose polymerase，PARP）和乙酰核糖等[10-11]。目前为止，macro域与配体结合已经被证实有2 种功能。一方面，影响配体亲和力或活性[12]，例如macroH2A1.1 与聚ADP 核糖聚合酶1（poly-ADP ribose polymerase 1，PARP1）结合抑制其活性，并减少核内NAD+消耗，从而促进DNA 损伤的有效修复以防止坏死性细胞死亡[13-16]；另一方面，介导募集配体相关因子到染色质，如macroH2A1 将脯氨酸-谷氨酸-亮氨酸富集蛋白1（proline-，glutamic acid-，and leucine-rich protein 1，PELP1）募集到基因组，共同调节macroH2A1 靶基因中一个子基因的表达[12]。转录因子的表达和结合模式的变化可能会改变与转录模板上的macroH2A1 亚型的动态相互作用。

除了与转录因子的相互作用外，翻译后修饰（posttranslational modification，PTM）是macroH2A1 亚型对基因表达进行表观遗传调控的关键机制。组蛋白基因翻译成蛋白后经常会发生位于多肽链羧基末端的共价修饰（包括甲基化、乙酰化、泛素化和磷酸化等）。组蛋白的翻译后修饰，或组蛋白在核小体的位置发生改变，以及组蛋白变体替换常规组蛋白等变化，可以通过改变染色质结构调节染色体行为和功能[17-18]。macroH2A1 可以与对应的常规组蛋白H2A 一样，通过多种共价修饰组合进行调节。通过与PARP-1 结合，macroH2A1.1 促进Src 羧基端激酶结合蛋白（Csk-binding protein，CBP）介导的H2B乙酰化，正向或负向调节macroH2A1 靶基因的表达[19]。研究[20]证明，H2BK20ac 作为一种重要的PTM，通过调控macroH2A1 在H2B 乙酰化染色质中的定位，影响macroH2A1 在转录过程中的功能。

3 macroH2A1 通过调控细胞衰老抑制肿瘤增殖

衰老表型最早被描述为一种以细胞分裂停止为特征的现象。现在人们认识到衰老在肿瘤发生中起重要作用，并且对于胚胎发生和组织稳态的维持是必不可少的。在衰老细胞中，有一些转录沉默的特殊区域，含有异染色质蛋白（如HP1），称为衰老相关异染色质聚集（senescenceassociated heterochromatic foci，SAHF），被 认 为 具 有 抑制细胞增殖基因表达的作用。关于SAHF 的组成和组装模式及其对退出细胞周期的作用的研究[21]证实，其含有丰富的macroH2A1。染色质调节因子中的组蛋白调节同系物（histone regulatory homologue，HIRA）和逆沉默功能因子1a（anti-silencing function 1a，ASF1a）能促进含有macroH2A1 的SAHF 的形成和退出衰老相关的细胞周期[22]。细胞衰老是一种肿瘤抑制机制，可以永久阻止具有癌变风险的细胞继续增殖。然而，未分裂的衰老细胞可能对组织微环境产生有害影响。这些影响中最重要的是获得衰老相关的分泌表型（senescence-associated secretory phenotype，SASP），将诱导肿瘤细胞及周围正常细胞转变为促炎症细胞。促炎症细胞又能够进一步诱导邻近癌细胞的肿瘤发生。Chen 等[23]的研究表明，在通过触发旁分泌衰老来维持由癌基因诱导衰老（oncogene-induced senescence，OIS）的正反馈通路中，macroH2A1 作为肿瘤抑制因子构成了关键部分。macroH2A1 在OIS 期间经历了全基因组范围的重新定位，并从编码SASP基因的染色质位点中移除。将macroH2A1 从SASP基因中移除引起内质网应激、氧化应激和DNA 损伤等变化，通过正反馈通路进一步导致macroH2A1 的移除增加。共济失调毛细血管扩张突变蛋白（ATMP）的活性对于从SASP基因中移除macroH2A1 并抑制其表达至关重要[24]。因此，macroH2A1 被认为是调节旁分泌衰老的关键控 制点。

4 在特定肿瘤中macroH2A1 通过调控代谢抑制肿瘤增殖

大量研究已经证实了macroH2A1 的肿瘤抑制功能，而macroH2A1.2 的功能则取决于特定的肿瘤环境。此外，macroH2A1 调节细胞代谢和营养与肿瘤发病机制之间的联系越来越受到人们的关注。下面以肝细胞癌为例，简述macroH2A1 在抑制肿瘤生长和协同药物治疗等方面的相关研究进展。

肝细胞癌（hepatocellular carcinoma，HCC）发病率和病死率高，患者预后很差，只有10%～20%的患者适合手术治疗，没有手术机会的患者预期生存寿命＜6 个月[25]。衰老是肝癌的主要危险因素，通常由代谢综合征和非酒精性脂肪肝疾病（nonalcoholic fatty liver disease，NAFLD）诱发，并伴有肝硬化的发生[26]。在人类衰老的肝脏细胞和HCC 细胞中，2 种macroH2A1 亚型的含量均增加。因此，肝脏中macroH2A1 亚型表达的增加可能被用作HCC 诊断和判断预后的标志物。地西他滨通过减少DNA 的甲基化抑制肿瘤细胞增殖，还可以通过诱导细胞衰老在HCC 中发挥抗肿瘤作用[7]。macroH2A1 的缺乏赋予HCC 细胞肿瘤干细胞样表型，这种现象受核因子κB p65 的磷酸化调节[27]。macroH2A1 缺乏可以抑制地西他滨的失活，增强其抑制肿瘤细胞增殖的功能[28]。macroH2A1亚型在HCC 细胞系中的表达阻止衰老表型的出现并诱导全DNA 的低甲基化。SASP 和全转录组分析结果表明macroH2A1 能通过p38 MAPK/IL-8 通路介导HCC 细胞从化学治疗诱导的衰老过程中逃逸[7]。组蛋白变体，尤其是macroH2A1 与核小体结合是调节转录和细胞代谢的主要方式[29]。肝细胞中macroH2A1.1 过表达可以改善葡萄糖代谢，降低生脂基因的表达和脂肪酸含量，从而减少肝细胞内甘油和胆固醇的积累。基因组和转录组学研究[30-31]表明macroH2A1 在NAFLD 和脂肪诱导的肥胖症的发病机制中起作用。

除HCC 外，macroH2A1 在其他相关的特定肿瘤中的作用，也值得关注。Kapoor 等[32]实验证明，降低低度恶性黑色素瘤细胞中macroH2A1 的表达，能明显促进肿瘤细胞的增殖和迁移性生长，而恢复macroH2A1 亚型的表达可以抑制这些恶性表型。macroH2A1 的缺失对恶性肿瘤的促进作用是通过上调CDK8 的表达来介导的，在macroH2A1 失活的细胞中降低CDK8 的表达会消除它们的增殖优势[32]。而在乳腺癌中，Skp2-mH2A1-CDK8 轴通过调节细胞周期和肿瘤发生，成为延缓肿瘤进展的一条重要通路。macroH2A1 作为Skp2 SCF 复合体的底物，被Skp2 降解可以促进CDK8基因的表达。CDK8 通过促进Skp2 介导的p27 泛素化和降解来调节p27 蛋白的表达[33]。研究[34]已经证实，表皮生长因子受体激活促进CDK5 与TRIM59 结合使其磷酸化并发生核异位，核TRIM59 通过诱导marcoH2A1 的泛素化和降解，增强STAT3 信号通路的活性，并诱导肿瘤发生。沉默TRIM59可抑制胶质母细胞瘤的增殖、迁移和颅内原位移植瘤的形成[34-35]。Sporn等[36-37]研究发现macroH2A1 亚型在经历衰老的细胞中高度表达，提示macroH2A1.1 有可能成为肺癌和结肠癌等肿瘤中关于细胞衰老和评估预后的重要生物标志物。实际上，macroH2A1.1 在多种恶性肿瘤中的表达降低，往往与不良预后相联系。

5 展望

作为一种重要的组蛋白变体，macroH2A1 通过改变细胞衰老表型、调节转录活性等方式在肿瘤的发生和发展中起到关键作用，但具体作用机制尚不明确。迄今为止，尚不清楚是否可以改变macroH2A1 与DNA 结合的活性来恢复细胞衰老。关于macroH2A1 在基因组中的占比是否与衰老逃逸相关，也有不同的意见[38]；并且，仍然不知道哪种伴侣蛋白和重塑复合物有助于组装含有macroH2A亚型的核小体。由于缺乏合适的特异性ChIP 级抗体，无法确定内源性macroH2A1.1 和macroH2A1.2 在基因组中分布的差异。组蛋白变体在基因表达、细胞代谢、PTM，以及在新的病理环境中的作用仍需进一步探索。目前，macroH2A1 已被视为多种恶性肿瘤前期诊断、预测复发风险和判断预后的重要生物标志物。我们有理由相信，关于macroH2A1 及其他组蛋白变体的研究可以为临床中肿瘤的个体化治疗提供新的思路。

参·考·文·献

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