JMJD1A在表观遗传学中的生物学功能研究进展

林楚昇，赵敏，王明,2

(1.南方医科大学珠江医院中医科，广州 510280; 2.南方医科大学中医药学院，广州 510515)

组蛋白是真核细胞染色质中的一种碱性蛋白质，与DNA共同组成核小体结构，它们是染色质的主要蛋白质组分，作为DNA缠绕的线轴，并在基因调控中发挥作用。组蛋白存在广泛多样的翻译后修饰，包括磷酸化、泛素化、瓜氨酸化、小分子泛素相关修饰物蛋白(small ubiquitin-related modifier protein,SUMO)修饰、ADP核糖基化、乙酰化和甲基化等[1]，这些修饰作用使细胞的基因表达发生可遗传性变化，是表观遗传学的主要调控机制之一。翻译后的组蛋白修饰用于存储表观遗传信息，并控制核小体装配和非组蛋白的募集。组蛋白在基因表达调控中起着积极和消极的双重作用，主要由特定氨基酸残基的翻译后修饰决定[2]。常见的氨基酸残基修饰位点是精氨酸和赖氨酸，可去甲基化，且该过程可逆。Jumonji结构域的蛋白(Jumonji domain-containing protein，JMJD)1A是近年研究较为深入的一种组蛋白去甲基化酶和表观遗传调节因子，是一类含有JMJD家族的成员之一，属于赖氨酸去甲基化酶3家族，也称为赖氨酸去甲基化酶3A，该类酶主要通过去甲基化改变组蛋白的表观结构，从而调节基因活性、染色质结构、损伤修复及表观记忆等。JMJD1A通过对组蛋白去甲基化的修饰作用调控细胞基因的表达，在影响生物体表观性状方面发挥重要的生物学作用。组蛋白的甲基化修饰参与基因转录的调控，是通过组蛋白甲基转移酶和新近发现的组蛋白去甲基酶对组蛋白的这些修饰进行动态控制[3]。现对JMJD1A在表观遗传学中的生物学功能进行综述。

1 JMJD1A与表观遗传学

表观遗传学是在基因核苷酸序列不发生改变的情况下，研究基因表达的可遗传变化的一门遗传学分支学科，主要通过调控基因转录或翻译过程影响其功能和特性。表观遗传的现象包括DNA甲基化、基因组印记、母体效应、基因沉默、核仁显性、休眠转座子激活和RNA编辑等。表观遗传的主要机制包括DNA甲基化、核染色质修饰、印记基因丢失及非编码微RNA(microRNA，miRNA/miR)的变化。组蛋白甲基化是表观遗传学的重要类型之一，该修饰与异染色体形成、X染色体失活、特定基因转录调节、基因组完整性及细胞发育等均密切联系[4]。细胞环境的变化导致染色质结构的改变，进而调节基因表达。组蛋白甲基化通过影响基因表达、染色体重塑等参与细胞增殖、凋亡等过程。而JMJD1A通过作用于特定的赖氨酸使其脱甲基化，从而影响基因表达，改变生物体的表观性状。因此，JMJD1A与表观遗传学密切相关。

2 JMJD1A的生物学功能

2.1JMJD1A在早期胚胎发生及胚胎干细胞(embryo-nic stem cell，ESC)分化中的作用 ESC是一种具有无限期自我更新能力的多能干细胞，受遗传因素和染色质结构调控。JMJD1A对早期胚胎的发生以及ESC生存能力的维持起重要作用。Kuroki等[5]通过实验发现，JMJD1A和JMJD1B优先靶向染色体基因密集区域的组蛋白H3第9位赖氨酸(H3K9)去甲基化，从而在常染色质中建立H3K9低甲基化状态。缺乏JMJD1A的胚胎在植入后不久即死亡，并伴有外胚层细胞死亡。这些结果表明，JMJD1A介导的H3K9去甲基化在早期胚胎的发生和ESC活性维持中具有关键作用。JMJD1A和JMJD1B可通过建立正确的H3K9甲基化表观基因组来确保早期胚胎发生和ESC生存能力。Loh等[6]的实验发现，JMJD1A和JMJD2C受ESC转录因子Oct4的正向调控，而JMJD1A或JMJD2C缺失导致ESC分化。而其他实验发现，JMJD1A和JMJD2C能够调节ESC的自我更新[7]。

2.2JMJD1A在缺氧条件下的调控作用 在缺氧条件下，JMJD1A的表达发生变化。对大多数细胞来说，缺氧可以促进JMJD1A的表达。Wellmann等[8]的研究发现，常压缺氧(8%氧气)条件下大鼠不同器官中JMJD1A信使RNA的水平较正常条件下升高。在人体细胞中，当缺氧诱导因子(hypoxia-indu-cible factor，HIF)-1的信号被干扰小RNA阻断时，体外暴露于低氧或铁清除剂的人细胞中JMJD1A信使RNA和蛋白质的上调消除，表明缺氧在体内和体外均可刺激JMJD1A，包括将HIF-1与JMJD1A启动子中特定的缺氧反应元件结合。在缺氧的刺激下，JMJD1A的表达上调，且Sar等[9]的研究结果与上述研究类似。

促红细胞生成素(erythropoietin，EPO)是一种分泌激素，可刺激红细胞产生，且在缺氧条件下，EPO水平升高。Tian等[10]研究发现，EPO的表达不仅受HIF的调节，且部分受表观遗传修饰的影响，包括组蛋白乙酰化和甲基化。JMJD1A可与HIF-2α相互作用形成共激活物复合物，该复合物与EPO的缺氧反应元件结合并通过催化转录抑制标记组蛋白H3第9位赖氨酸二甲基化的去甲基化，从而增加EPO表达，表明JMJD1A是缺氧条件下EPO表达的共激活因子。

2.3JMJD1A在精子发生与成熟中的作用 JMJD1A是睾丸中表达的关键表观遗传调控因子，精子发生是男性生殖系统的基本过程，从精原细胞到精子发育过程中需要一系列严格控制的表观遗传和遗传事件。Kuroki等[3]的研究发现，在小鼠生殖细胞的转化过程中，胚胎生殖系中JMJD1A和JMJD1B的缺失导致青春期后雄性生殖细胞的完全丧失；此外，JMJD1A/JMJD1B缺失的生殖细胞不能分化为功能性精原细胞，表明JMJD1A对雄性生殖系正常功能的维持至关重要。

最初形成的精子并没有完全成熟，需要经过一系列的分裂增殖、分化变形，才能最终发育为成熟精子。JMJD1A作为重要的表观遗传调节因子，可激活精子染色质包装基因，该基因编码精蛋白和精子细胞伸长和浓缩所需的过渡蛋白。在圆形精子的成熟过程中，JMJD1A表达不足可能导致圆形精子细胞成熟的停滞[11]。

JMJD1A不仅在精子的发生与成熟过程中发挥重要的生物学作用，还可用于预测精子的存在。Eelaminejad等[12]研究发现，非阻塞性无精子症患者JMJD1A的表达与精子恢复结果之间存在显著关联，表明睾丸活检中的JMJD1A表达量可能具有一定的生物标志物价值，可用于预测精子的存在。

2.4JMJD1A在肿瘤中的作用 肿瘤的发生是正常细胞发生基因突变，导致细胞转化，最终出现恶性增殖的过程，该过程涉及遗传和表观遗传(DNA甲基化、miRNA和组蛋白修饰等)等的紊乱和异常。表观遗传变化是癌症发展的根本原因之一，通常由修饰DNA或组蛋白的酶失调所致，这些变化在癌症发生和进化过程中起重要作用，也是调节癌症生理学和病理生理学所必需的[13]。大量研究表明，JMJD1A和JMJD1C在各种肿瘤中均过表达，可刺激癌细胞的增殖和侵袭，并促进肿瘤的有效生长[14-17]。此外，JMJD1A还可抑制肿瘤的形成。Ning等[18]发现，JMJD1A可通过上调靶基因Runt相关转录因子3抑制胃癌的增殖和发展。

2.4.1与miRNA相关调控癌细胞增殖 癌细胞的分裂增殖与JMJD1A的调控相关，由于一些miRNA的影响，JMJD1A的表达减少，进而抑制癌细胞的增殖及生理功能。

miR-155的作用与几种恶性肿瘤的发生有关。Du等[19]研究发现，潜伏膜蛋白1和潜伏膜蛋白2A可驱动鼻咽癌中miR-155的上调，抑制阴性预后标志物JMJD1A的表达。miR-155的表达可以减少JMJD1A，而去甲基化程度的下降可抑制癌细胞的基因表达，造成癌细胞增殖及其生理功能受阻。Padi等[20]的实验发现，miR-627的过表达可抑制培养的结直肠癌细胞系的增殖和小鼠异种移植瘤的生长。

透明细胞肾细胞癌(clear cell renal cell carcinoma，ccRCC)是最常见的肾癌类型，miRNA在ccRCC的进展中起着至关重要的调节作用。Zhang等[21]研究发现，miR-335可下调并抑制肿瘤组织中ccRCC细胞的增殖、侵袭和迁移，进一步证实了组蛋白去甲基化酶JMJD1A是一个新的miR-335调节基因。此外，JMJD1A在ccRCC中过表达，其上调可促进ccRCC的癌变和转移。

2.4.2与缺氧相关调控癌细胞增殖 缺氧是肿瘤微环境的常见现象，是肿瘤细胞表型转变的重要驱动因素，肿瘤生长过程中发生的缺氧可触发复杂的适应性反应。JMJD1A可能是某些癌细胞的增殖调节剂[22]。在肾癌细胞中，组蛋白去甲基化酶表达增加，肾癌细胞甲基化程度降低，进而促进了肾癌细胞基因的表达，有利于癌细胞的增殖[23]。在缺氧条件下，JMJD1A在前列腺癌细胞的生长增殖中起重要作用。前列腺癌组织中的氧气浓度较低，缺氧可导致JMJD1A的表达增加。组蛋白脱甲基酶JMJD1A可通过与HIF-1α共激活增强糖酵解，促进前列腺癌细胞的基因表达[24]。

但并非缺氧条件下的JMJD1A表达均上调，不同条件实验的结果存在差异。Qian等[25]的研究发现，过氧化物酶体增殖物激活受体γ共激活因子1α(peroxisome proliferator-activated receptor γ coactivator 1α，PGC-1α)在线粒体生物发生和氧化代谢中起关键作用。低氧刺激抑制JMJD1A的表达，并增强PGC-1α K224单甲基化，该修饰作用可降低PGC-1α的活性，减少线粒体生物发生。此外，Ueda等[26]对缺氧诱导型表观遗传调控因子JMJD1A和缺氧调节致癌组蛋白H3赖氨酸9甲基转移酶G9a之间联系的研究发现，缺氧诱导的H3K9脱甲基酶JMJD1A的水平显著下调。

2.4.3与金属离子相关调控癌细胞增殖 钨能够通过影响细胞中JMJD1A水平调控癌细胞生长。Laulicht-Glick等[27]的实验证实，钨暴露导致组蛋白去甲基酶蛋白的选择性损失，JMJD1A减少导致细胞呈高甲基化，基因的表达受到抑制，对癌细胞的生长增殖起到调控作用。

此外，镍离子还能通过不同作用机制对细胞的生长增殖进行调控。镍离子通过替换催化中心的亚铁，抑制组蛋白去甲基酶JMJD1A和DNA修复酶ABH2的表达[28]。实验条件不同，相同研究的研究结果亦不同。Guo等[29]的研究发现，镍离子可诱导人肾透明细胞腺癌细胞、人胚肾细胞和人肾癌细胞中JMJD1A表达上调，并证实抗坏血酸通过拮抗镍离子调节肾癌细胞中JMJD1A的表达，由此可见，镍离子和抗坏血酸均可调节组蛋白去甲基酶JMJD1A的表达，这对于癌症的发展或抑制十分重要。

2.4.4与其他信号通路相关调控癌细胞增殖 JMJD1A通过上调c-Myc表达水平来增强c-Myc的转录活性。Fan等[30]研究发现，JMJD1A在转录和翻译后水平上控制c-Myc表达，从而在调节前列腺癌细胞的增殖和存活中起关键作用。此外，JMJD1A主要通过c-Myc调节另一组DNA损伤反应基因的表达。JMJD1A通过H3K9去甲基化提高c-Myc水平并增加染色质募集，从而调节DNA损伤反应基因的表达，抑制前列腺癌细胞的增殖[31]。JMJD1A还可以通过反式激活c-Myc表达促进宫颈癌细胞的生长和进程，预示宫颈癌预后不良[32]。

JMJD1A通过激活Snail促进前列腺癌进展。前列腺癌细胞中JMJD1A的表达促进体外增殖、迁移和侵袭，并促进体内肿瘤发生。JMJD1A通过启用Snail转录激活促进前列腺癌细胞的增殖和进程[31]，可作为晚期前列腺癌的潜在治疗靶点。

JMJD1A通过增强Wnt/β联蛋白(β-catenin)信号转导促进结直肠癌的生长和转移。Peng等[33]的实验发现，JMJD1A可通过与β-catenin的相互作用并促进β-catenin表达，增强其反式激活作用，从而增强Wnt/β-catenin信号转导。此外，缺乏去甲基酶活性的JMJD1AH1120Y变体不能对组蛋白H3第9位赖氨酸二甲基化进行去甲基化，无法协助β-catenin诱导Wnt/β-catenin靶基因的表达，且无法促进结直肠癌进展。可见，JMJD1A的去甲基酶活性是激活Wnt/β-catenin所必需的。

JMJD1A和染色质重塑剂ATRX在促进结肠癌中具有潜在的共同作用。研究发现，JMJD1A蛋白可以激活ATRX基因启动子，但不能催化失活的突变体。与JMJD1A相似，ATRX在人大肠肿瘤中显著过表达，并且与疾病复发和致死率增加相关。因此，ATRX的上调可能是JMJD1A促进结直肠癌的一种机制[34]。

2.5JMJD1A在能量代谢中的作用 JMJD1A是一种信号传感支架，通过调节β肾上腺素诱导全身的代谢反应。JMJD1A在调节激素刺激的染色质动力学中具有双重重要作用：①JMJD1A作为cAMP反应性支架被募集到目标位点，促进长距离的染色质相互作用；②JMJD1A使H3K9二甲基去甲基化[35]。

此外，JMJD1A被磷酸化后，产生对冷应激的急性和慢性适应。在哺乳动物的急性冷应激中，JMJD1A通过褐色脂肪组织中的β肾上腺素信号转导上调热基因表达，还可通过诱导皮下白色脂肪组织褐变应对长期的冷应激。Sakai[36]的实验表明，在慢性寒冷期间，磷酸化的JMJD1A通过调节白色脂肪细胞产热，促进脂肪细胞的代谢，磷酸化的JMJD1A通过与PR结构域蛋白16、PGC-1α和DNA结合的过氧化物酶体增殖物激活受体γ形成复合物被招募到靶基因的调控区；组蛋白H3第9位赖氨酸二甲基化在JMJD1A的作用下脱去甲基，JMJD1A通过上述两种机制调节脂肪细胞的热生成，促进脂肪细胞的代谢。因此，JMJD1A是治疗与肥胖相关疾病(包括代谢综合征和2型糖尿病)的潜在治疗靶标[37]。

3 结 语

JMJD1A是目前研究相对深入的一种组蛋白去甲基化酶，具有广泛的生物学功能，在细胞分化[38]、性别调控[39]、形成同型二聚体[40]、过氧化物酶体相关调控[41]等方面起重要作用。研究癌细胞中JMJD1A的相关调控作用，有助于进一步认识癌症的发病机制，从而开发用于抑制或治疗癌症的临床药物。目前，一些特定组蛋白去甲基化酶抑制剂正在开发中，其可应用于抑制癌细胞的生长增殖，并具有巨大的应用潜力[42]。JMJD1A的高表达使细胞处于低甲基化状态，促进其基因表达并发生可遗传变化。目前，对于JMJD1A的研究尚不充分，相关调控机制尚未完全阐明，仍需进一步研究。