组蛋白赖氨酸甲基转移酶2B的研究进展

王飞 马长林

1 济宁医学院临床医学院，济宁 272000；2 济宁市第一人民医院肝胆外科，济宁 272000

表观遗传学通常而言是指在不改变任何基因片段的DNA遗传序列结构的情况下，基因的位置分布、转录表达水平发生改变，且产生可相对稳定遗传的表型［1-2］。在肿瘤疾病的发生、发展过程中，表观遗传修饰异常也普遍存在［3］，比如DNA 甲基化、组蛋白体修饰、染色质重塑等，其表观特征上的异常可导致细胞中染色体上癌基因或者抑癌基因表达异常，进而可能参与了肿瘤的发生及进一步发展。其中组蛋白修饰在表观遗传学和基因表达的调节中起重要作用，虽然它们不能识别靶基因中的特定DNA 序列，但能通过与能特异性识别DNA 序列的转录因子或长非编码RNA的相互作用在特定的组蛋白附近招募，从而发挥作用［4］。其中作用最为突出、最为广泛的组蛋白修饰是H3 的Lys 和Asp残基上的甲基化，可在基因强化子和某些特定基因启动子区域检测到，与基因表达受到抑制或激活有关联，取决于它们被特异性修饰的位点和程度。

组蛋白H3K4me3 是一种从酵母到哺乳动物的进化保守的染色质标记。研究表明其参与许多生物学过程［5］，如核小体重塑、转录起始、组蛋白乙酰化、前mRNA 剪接以及通过与不同的效应蛋白结合来进行DNA 损伤反应。 在某些哺乳动物中，催化组蛋白H3 赖氨酸4（H3K4）位点的甲基化转移COMPASS（与 Set1 相关）蛋白复合物主要有以下几种蛋白质赖氨酸残基甲基转移酶，比如SET1 样甲基转移酶［混合谱系白血病（MLL）1-4/KMT2A-D家族蛋白和Set1A/KMT2F和Set1B/KMT2G］［6］。其中，KMT2D 是哺乳动物中主要的组蛋白H3K4 单甲基转移酶和二甲基转移酶，而组蛋白赖氨酸甲基转移酶（KMT2B）主要介导H3K4me3 在启动子区域招募富集，并发挥着一定程度上的基因表达及其调控能力［7］。最近越来越多研究显示，KMT2B 对于基因调控、细胞分化、胚胎发育、肿瘤疾病等都可能存在着重要的影响。

KMT2B的生物学特征

1、KMT2B基因及其编码蛋白质结构与功能

人 类 KMT2B 基 因（又 称 CXXC10、HRX2、MLL1B、MLL2、TRX2、WBP7），位于第 19 号染色体长臂的 1 区 3 带上，是一个跨越20 kb 的基因组DNA，其构成的转录本大小为8.5～9.0 kb［6］。在人体组织中广泛表达，与存在于染色体11q23 中的KMT2A 基因具有相似的基因结构，也是KMT2A蛋白的旁系同源物［8-9］。该基因编码的含有多个结构域的KMT2B 蛋白是一个拥有2 715 个氨基酸残基构成的蛋白质，其结构组织包括催化活性C端SET结构域、AT钩、CXXC结构域和N端区域中的2个PHD锌指。

KMT2B 蛋白C 端SET 结构域主要是由近150 个氨基酸残基共同构成，是目前发现的大部分组蛋白甲基转移酶所共有的保守的具有催化活性的主要区域［6］。跟其他MLL 家族蛋白类型相似的是该类蛋白功能活性的发挥依赖于核心蛋白复合体和转录因子的协同作用，催化组蛋白H3K4甲基化以及激活KMT2B 相关功能。SET 结构域形成一个口袋，与甲基转移酶辅因子S-腺苷甲硫氨酸和组蛋白H3 的N 末端尾部结合，催化甲基化反应［10］。

2、KMT2B及其蛋白复合物的功能

组蛋白H3K4 甲基化转移酶家族中KMT2B 和KMT2A蛋白同属于黑腹果蝇同源甲基化酶Trx 分支。两者在功能特点上有相似性，但各自也具有特异性，比如：都主要催化靶基因启动子区域H3K4me 的表达，激活启动子对细胞特异性基因功能的特异调控，调控细胞生长、分化。Kerimoglu等［11］发现，Kmt2a 和 Kmt2b 高度同源，它们形成相似的 KMT复合体，两者都是精确调控基因表达和卵母细胞发育所必需的。

近些年来研究表明，KMT2B 蛋白与核心蛋白复合体、宿主细胞因子 1/2（HCF 1/2）或 Menin 形成KMT2B/COMPASS 蛋白质复合物［12］，该组分被募集至靶标基因，负责特定基因启动子、增强子或附近顺式调节位点上的H3K4me3，从而调节靶标基因影响生长、发育。核心蛋白复合体通常指由 RbBP5、WDR5、ASH2L 和 DPY30 共同构成，也曾称为 WRAD 蛋白，具有催化 H3 甲基化的功能［3］。Pang等［13］研究发现，WRAD蛋白与细胞周期的调控有关，可能影响S 期和M 期的转变。哺乳动物MLL 蛋白家族中WDR5 在染色质重塑、维持蛋白稳定性、维持胚胎干细胞活性等方面有着重要作用，此外，它还参与干细胞自主更新以及对LncRNA 介导基因的转录［14］。已证明Menin 与雌激素受体-α 相互作用，并使MLL2能够募集到基因位点［15］，此外与MLL 复合物相关的其他常见转录因子有MYC、NANOG、PAX7、NF-E2、p53、USF1、E2Fs和NF-Y（核转录因子Y）。

3、KMT2B参与转录调控、细胞分化及胚胎组织发育

组蛋白H3K4me3和H3K27me3通常分别与激活和抑制基因相关。Hu 等［16］通过免疫印迹和染色质免疫沉淀结合高通量DNA 测序在缺失MLL2 的小鼠胚胎干细胞中研究了H3K4（H3K4me1、H3K4me2 和 H3K4me3）的整体水平和全基因组H3K4me3的占据，确定KMT2b是在胚胎干细胞中催化H3K4 三甲基化的双价标记启动子的酶。Fellous 等［17］观察到h3k4me3 和h3k27me3 信号之间的反相关性，即h3k27me3 信号在显示h3k4me3 减少的区域中富集；在胚胎发育过程中调节细胞命运决定的基因通常是双重h3k4me3 和h3k27me3 标记，二价标记表明在谱系规范期间可以被激活或抑制的“平衡”状态。Hanna 等［18］发现，KMT2B 蛋白在不同的生物过程中有着重要作用，例如染色质信号、转录、调控、RNA 剪接和DNA 复制等，也进一步证实了KMT2A 在包括造血发育在内的中晚期发育过程中是必需的，而KMT2B 的表达在非常早期的阶段就被检测到，功能缺失突变会导致严重的发育迟缓。综上所述，KMT2B基因以及它编码产生的蛋白质与整个胚胎组织发育阶段联系较为密切，在不同的生物过程调节中同样有着很重要的作用，但是有关其具体的遗传调控作用机制以及上下游调控信号通路还有待人们进一步去研究探索。

KMT2B基因及其编码蛋白质在疾病中的作用

1、KMT2B基因及其编码蛋白质缺陷导致先天性疾病

KMT2B 单倍体不足与早发性全身性儿童肌张力障碍有关。KMT2B 相关性肌张力障碍是常染色体显性遗传，迄今为止，已经报道了66种不同的突变位点［19］。携带KMT2B突变的患者的基因表达谱表明，某些与肌张力障碍相关的蛋白质如torsin 家族1 成员A、含有THAP 结构域的凋亡相关蛋白1 和多巴胺受体D2 在脑脊液和成纤维细胞中减少［20］，表明KMT2B 在疾病发病机制中的意义需要进一步研究。Kerimoglu 等［11］比较了Kmt2a或Kmt2b基因敲除后小鼠海马神经元中H3K4甲基化水平的降低和基因表达的失控，发现Kmt2a 和Kmt2b 在很大程度上控制着不同的基因组区域和与神经元可塑性相关的不同分子途径；证实了相关的组蛋白甲基转移酶Kmt2a 和Kmt2b 都是记忆功能所必需的，但它们控制着不同的神经元基因表达程序。虽然目前仍不能将KMT2B 基因变异、KMT2B 蛋白表达以及H3K4me3 修饰作为临床肌张力障碍、学习记忆障碍等神经系统疾病早期的诊断标志物，但以上研究结果表明KMT2B能够调控自主运动相关基因的表达，在早期发育以及先天性疾病发生、发展中发挥着重要作用。

2、KMT2B基因及其编码蛋白质与肿瘤相关

KMT2B表现出与KMT2A的结构相似性，但它与染色体重排、易位无关，并且对未甲基化序列的DNA 结合的亲和力比较低，使得无法替代白血病癌蛋白中的KMT2A 的作用［21］。这表示两种基因染色体结构改变均可能会导致人体肿瘤性疾病的形成，但两者的突变位点和突变后所结合的功能蛋白不全相同。KMT2B 在食管肉瘤样癌、乳腺癌、子宫内膜癌和胃癌、肺癌的突变率较高。此外，还在神经纤维瘤病中检测到KMT2B 的体细胞突变导致KMT2B 蛋白截短，并与早期胶质瘤形成有关［22-23］。Xu等［24］研究发现，在结直肠癌中，KMT2B 通过β-连环蛋白依赖的过程被招募到c-Myc 强化子附近，使H3K4me3 甲基化而促进了c-Myc 转录。在野生型和KMT2B 缺失的哺乳动物结肠癌细胞中分析KMT2B 靶基因，发现KMT2B 促进视黄酸反应性基因转录［25］。其他受 KMT2B 调节的转录因子包括 E2F1、p53、NR3C1，这解释了KMT2B 在癌症发生、进展中的潜在机制意 义［26］。 KMT2B 通 过 影 响 FYN 蛋 白 的 稳 定 性 ，促 进SHPRH 表达，调节甲状腺癌细胞对 I 的敏感性。Chen 等［27］通过实时定量聚合酶链反应（RT-qPCR）、免疫组织化学和免疫印迹显示KMT2B 在THCA 细胞中低表达，细胞对碘的抗性导致KMT2B 表达进一步降低，证实了KMT2B 通过影响FYN 蛋白的稳定性，促进SHPRH 表达，调节甲状腺癌细胞对I 的敏感性。此外，在基因组研究中KMT2B 已被揭示为整合到肝细胞癌组织的致癌病毒上的经常性靶标，这表明KMT2B 表达升高与肝癌进展的潜在关系需要进一步研究［28］。Leng 等［5］证实了非小细胞肺癌细胞（non-small cell lung cancer cell，NSCLC）中 β-catenin 和 LEF1/Tcf 家族的失活以及c-Myc 增强子区域H3K4me3 的显著抑制水平，表明组蛋白3 赖氨酸-27 去甲基化酶与KMT2B 通过调节相关基因转录程序促进NSCLC 的致瘤表型。总之KMT2B 基因以及编码的相关蛋白质与人类肿瘤疾病联系密切，围绕其开展进一步深入研究，将有利于加深人们对自身肿瘤疾病发病机理变化的认识。

总结与展望

综上所述，在疾病的发生、发展过程中，表观遗传修饰异常普遍存在着。近年来在理解组蛋白修饰及其在基因调控中的作用方面被证明是尤其重要的。KMT2B 通过对靶基因H3K4甲基化修饰，以及与其他组蛋白修饰的协同作用改变染色质的结构或功能，以调控靶基因的转录与表达，参与细胞分化、组织发育以及各类疾病等过程。KMT2B 在介导发育相关基因的特定启动子中的H3K4me3 以及在调节生理自主运动中发挥着重要的作用；此外，它与儿童肌张力障碍和几种恶性肿瘤（肝细胞癌、白血病、肺癌、结肠直肠癌和神经胶质瘤等）的发病机制有关。虽然目前对在不同环境中KMT2B 是如何启动对H3K4 甲基化的修饰、如何实现基因的转录调控、如何介导相关的信号转导通路的作用及机制还未完全清楚，但我们相信随着研究的不断深入，这些都将进一步明确，为未来临床医学应用和药物开发提供潜在靶点和新思路。