组蛋白赖氨酸甲基化修饰与病理性心肌肥厚关系的研究进展▲

王 颖 张诗琴 居 昊 冯高科,3,4 易 欣,3,4

(1 武汉大学人民医院妇产科，湖北省武汉市 430060，电子邮箱：wying.pri@whu.edu.cn；2 武汉大学人民医院心内科，湖北省武汉市 430060； 3 武汉大学心血管病研究所，湖北省武汉市 430060；4 心血管病湖北省重点实验室，湖北省武汉市430060)

【提要】 心肌肥厚是多种心血管疾病发展的病理表现之一，可加速各类心血管疾病进展，导致恶性心律失常或心力衰竭的发生。现有的心肌肥厚防治手段尚不能完全解决临床问题，亟须发掘更有效的心肌肥厚干预靶点。组蛋白赖氨酸甲基化修饰是表观遗传调控的重要方式之一，其在心肌肥厚的病理生理过程中发挥关键作用。因此，本文概述组蛋白赖氨酸甲基化修饰与病理性心肌肥厚的关系，并分析其在临床心肌肥厚防治中的潜在价值。

心血管疾病是威胁全球人类健康和生存的重要因素，严重的心血管疾病患者晚期往往死于难治性心力衰竭和恶性心律失常。心肌肥厚是诸多心血管疾病(如心脏瓣膜病、心肌梗死、慢性高血压等)的共同病理特征，可加速疾病进展，导致恶性心律失常和心力衰竭的发生[1]。研究表明，心肌细胞中许多关键改变(如心肌肥厚标志物心钠肽等合成增加、胚胎基因重新激活等)与心肌肥厚的发生密切相关，这些改变受到表观遗传信号的调控[2]。表观遗传调控是指在不改变DNA序列的基础上，通过组蛋白翻译后修饰、DNA甲基化和非编码RNA调控等方式，使基因表达的频率、速度和程度等发生可遗传的改变，从而广泛影响各种生物过程。组蛋白赖氨酸甲基化修饰是组蛋白翻译后修饰的一种常见形式，其在病理性心肌肥厚中发挥重要作用[3],探究其作用特点及调控方式可能为心肌肥厚的防治提供更多新的靶点和策略。

1 心肌肥厚概述

1.1 分类与特征 心肌细胞为适应各种生理或病理刺激，常通过增大细胞体积来降低室壁压力，以满足周围组织器官所需的灌注量，这种改变被称为心肌肥厚[4]。心肌肥厚分为生理性和病理性，两者都是心脏对应激作出的适应性反应，但其表型、潜在分子机制和预后存在很大差异[5-6]。

耐力运动、妊娠等生理性因素可引起心肌负荷增加，进而导致生理性心肌肥厚的发生。这种心肌肥厚主要表现为心肌细胞长度、宽度增加，心室体积增加10%～20%[5,7]。除产后心肌肥厚之外，其他生理性心肌肥厚在刺激因素消除后心脏体积和心脏收缩功能可以逆转[1,5]。而病理性心肌肥厚是在高血压、心肌缺血、瓣膜病及某些代谢性疾病的作用下，持续压力/容量负荷过大、神经体液因子过度刺激导致的结果。其主要表现为心肌细胞的厚度增加且幅度超过长度，心室腔缩小，心脏重量增加，通常伴随心肌细胞死亡、心脏成纤维细胞转化为肌成纤维细胞、胶原蛋白合成增加、心肌间质纤维化、增生毛细血管网营养氧合不良[1]。此外，疾病的持续刺激可激活体内胚胎基因再表达及一系列信号通路开放，导致心肌细胞内代谢异常、细胞活性改变和心肌收缩力降低，最终引起心脏重构，从而出现恶性心律失常、心力衰竭甚至心源性死亡[1,6]。

1.2 诱发机制 生理性或病理性心肌肥厚的诱发由不同性质的上游刺激信号介导[8]。受到生理性刺激时，心肌通过启动抗氧化系统、加强线粒体质量控制、增加细胞产能效率、新生血管生成与心室壁呈正比增长等途径，使心脏收缩功能得以保留甚至略微提高，从而适应生理性心肌肥厚的发生[1]。病理性心肌肥厚主要由机械性刺激因素(主要包括压力、容量超负荷)和神经体液因素(主要包括血管紧张素Ⅱ、内皮素、儿茶酚胺、利钠肽)诱导，这两方面因素通过激活钙调神经磷酸酶/活化T细胞核因子通路、有丝分裂原激活的蛋白激酶通路、磷脂酰肌醇3-激酶/蛋白激酶B通路和核因子κB通路等诱发心肌细胞死亡、线粒体功能障碍、胚胎基因再表达、血管生成不足等，促进心肌细胞肥大和心肌纤维化，引起不可逆性的心脏重构，最终导致心律失常和心功能障碍[1,5]。

2 组蛋白赖氨酸甲基化修饰概述

2.1 常见位点 染色质主要由DNA及组蛋白等构成，其基本结构单位核小体由组蛋白八聚体(由H2A、H2B、H3、H4各两个单位组成)和缠绕在外的147bp的DNA超螺旋构成[9]。当组蛋白中某些氨基酸位点发生甲基化、乙酰化、磷酸化、泛素化或ADP核糖基化的翻译后修饰时，基因可被激活或沉默。组蛋白中赖氨酸残基含量丰富，且存在高度的甲基化修饰。研究显示，组蛋白H3的第4、9、27、36和79位，以及H4的第20位赖氨酸残基是甲基化的常见位点；甲基化状态主要包括单甲基化(monomethylation,me1)、二甲基化(dimethylation,me2)和三甲基化(trimethylation,me3)[10]。其中，组蛋白H3第4位赖氨酸(histone H3 lysine 4，H3K4)的me2或me3、组蛋白H3第36位赖氨酸(histone H3 lysine 36，H3K36)的me1或me3、组蛋白H3第79位赖氨酸(histone H3 lysine 79，H3K79)的me1或me2、组蛋白H4第20位赖氨酸(histone H4 lysine 20，H4K20)的me1通常引起该位点所在基因激活，而H3K9的me2或me3、组蛋白H3的第27位赖氨酸(histone H3 lysine 27，H3K27)的me2或me3、H3K79的me3和H4K20的me3往往与所在基因的沉默有关[3,10]。

2.2 修饰酶类 组蛋白赖氨酸甲基化修饰水平主要由组蛋白赖氨酸甲基转移酶(protein lysine methyltransferases，PKMTs)和组蛋白赖氨酸特异性去甲基化酶(protein lysine demethyltransferases，PKDMs)二者动态调控[11]。HKMT主要以S-腺苷-L-蛋氨酸依赖的方式催化组蛋白游离N-端的赖氨酸ε-基团发生甲基化[12]。绝大多数HKMT都含有一个高度保守的SET结构域，SET结构域的命名由最早发现的三个可表达SET结构域的基因的首字母组成，即Suppressor of Variegation 3-9(SUV39)、Enhancer of Zeste[E(z)]和Trithorax(Trx)[13]。目前，根据是否含有SET结构域将HKMT分为两类：含SET结构域的组蛋白赖氨酸甲基转移酶(SET domain-containing,histone lysine methyltransferase,SETD)和不含SET结构域的组蛋白HKMT[14]。SETD家族主要包含SETD1～SETD9、常染色质组蛋白赖氨酸N-甲基转移酶(euchromatic histone-lysine N-methyltransferase，EHMT)2(又称为G9a)、SUV39H1等，活性位点残基的大小和结合模式决定不同家族成员对底物赖氨酸残基进行me1、me2或me3修饰[12]。而具有HKMT活性且不含SET结构域的类端粒沉默干扰体1通过赖氨酸去质子化的独特机制特异性催化H3K79发生me1/2/3[15]。

组蛋白PKDMs家族主要包括两个家族，即组蛋白LSD家族和含Jumonji C结构域的组蛋白去甲基化酶(Jumonji C-domain-containing,histone demethylase，JMJD)家族[16]。Shi等[17]在2004年率先发现了LSD1(也称为KDM1A)，可去甲基化修饰H3K4和H3K9。Fang等[18]发现人类LSD1的同源物LSD2(也称为KDM1B)，也可催化H3K4去甲基化，二甲基化的H3K4是其首选底物。全基因组图谱显示，LSD2主要与主动转录基因的基因体相关，而在启动子中明显缺失。内源性LSD2缺失可使其结合位点处H3K4的me2增强和H3K9的me2减弱，导致靶基因转录异常。另外，由于去甲基化反应所需要的孤对电子仅存在于单甲基和二甲基赖氨酸残基上，LSD家族的胺氧化酶本质决定其只能对单甲基和二甲基赖氨酸残基去甲基化，不能对三甲基赖氨酸残基去甲基化。随后，Tsukada等[19]利用生化分析和色谱分析相结合，纯化了一种新的含Jumonji C结构域的蛋白，其可特异性去甲基化修饰H3K36以生成甲醛和琥珀酸，是最早被发现的JMJD。目前，人类JMJD家族主要包括JMJD1、JMJD2和JMJD3。不同于LSD家族，JMJD家族发挥去甲基化催化作用时不依赖于孤对电子，故可对三甲基赖氨酸残基去甲基化[16]。

3 组蛋白赖氨酸甲基化修饰与病理性心肌肥厚

研究显示，H3K4、H3K9、H3K27的甲基化修饰参与了压力负荷诱导心肌肥厚过程中基因表达的调控[3]。笔者查阅近年来与心肌肥厚相关的组蛋白赖氨酸甲基化修饰研究，发现针对H3K9研究最为广泛，H3K4次之，另外H3K36和H3K27也参与了病理性心肌肥厚的调控。

3.1 H3K9甲基化修饰与病理性心肌肥厚 在心肌细胞成熟过程中，H3K9的me2水平显著升高，从而使胚胎基因沉默，从而保护心脏避免因胚胎基因的重新激活而发生心肌肥厚[20]。Thienpont 等[20]对主动脉缩窄术诱导的病理性心肌肥厚小鼠进行研究，发现EHMT1(又称为GLP)和EHMT2(G9a)的表达被抑制，H3K9的me2水平降低，胚胎基因重表达，心肌细胞处于低分化状态，促进了病理性心肌肥厚的发生发展。Papait等[21]对2月龄野生型小鼠注射他莫昔芬诱导G9a基因缺失，注射4周后小鼠心脏体积增大、心肌间质发生纤维化、心肌收缩力降低，且肥厚标志物肌球蛋白重链7、心钠肽和肌动蛋白α1表达上调，H3K9的me2水平降低。该研究还评估了主动脉缩窄术诱导小鼠心肌肥厚过程中G9a的表达变化，发现G9a在主动脉缩窄术后1周(即心肌肥厚初始阶段)表达上调，而在术后4、8周表达下调；另外，术前给予G9a抑制剂BIX-01294可加重主动脉缩窄术诱导的心肌肥厚。以上提示G9a催化的H3K9me2对维持心脏正常功能必不可少，G9a可能通过调控H3K9me2水平来抑制肥厚相关基因的转录活性，发挥抗心肌肥厚作用[21]。

JMJD1C可以去除H3K9me1、H3K9me2和H3K9me3的甲基化基序。Yu等[22]研究发现在人类和小鼠肥厚性心脏中，JMJD1C的表达增加，而H3K9的甲基化水平降低；敲低JMJD1C可抑制血管紧张素Ⅱ诱导的心肌细胞肥大及与肥厚相关基因的表达，而过表达JMJD1C可促进心肌细胞肥大。病理条件诱导的JMJD1C表达升高可降低钙调蛋白依赖性蛋白激酶激酶2(calmodulin-dependent protein kinase kinase 2,CaMKK2)启动子处H3K9的me1/2/3水平，从而激活CaMKK2；而给予CaMKK2抑制剂STO-609可抑制JMJD1C对有丝分裂原激活的蛋白激酶通路的激活作用。以上表明JMJD1C通过调控CaMKK2而激活腺苷酸活化蛋白激酶通路，干扰心肌能量代谢，促进血管紧张素Ⅱ诱导的心肌肥厚[22]。JMJD2是组蛋白赖氨酸特异性三甲基去甲基化酶，主要催化三甲基化H3K9和三甲基化H3K36的去甲基化[23]。Rosales等[23]发现人诱导多能干细胞来源的心肌细胞经血管紧张素Ⅱ或内皮素处理后，细胞体积增大，且经内皮素处理后JMJD2A表达明显增加，而JMJD2C表达下降，肥厚标志物脑钠肽、心钠肽和β-肌球蛋白重链水平增加，而经血管紧张素Ⅱ处理后JMJD2A表达水平和脑钠肽表达增加，但β-肌球蛋白重链表达降低；进一步研究发现过表达JMJD2A可增加多能干细胞来源的心肌细胞中脑钠肽的表达，而给予内皮素后脑钠肽的增加更为显著，干扰JMJD2A表达后可抑制内皮素诱导脑钠肽表达增加的效应。以上研究表明JMJD2A可能通过调控脑钠肽的表达而影响病理刺激下的心肌细胞肥大。Zhang等[24]发现JMJD2A在肥厚型心肌病患者中表达上调；其进一步构建特异性敲除心脏JMJD2A基因和JMJD2A基因小鼠，发现在敲除JMJD2A基因的小鼠中由压力负荷诱导的心肌肥厚反应减轻，而过表达JMJD2A基因可加重压力负荷诱导的心肌肥厚，表明JMJD2A可促进压力负荷所诱导的心肌肥厚；机制研究结果显示JMJD2A可被血清反应因子和心肌抑素招募到编码含有4个半LIM结构域的蛋白1(four-and-a-half-LIM domain 1，FHL1)的基因启动子上，使三甲基化的H3K9去甲基化，并上调FHL1表达，激活丝裂原活化蛋白激酶编码心钠的通路并诱导胚胎基因再表达。Hohl等[25]发现在正常状态下，组蛋白去乙酰化酶4(histone deacetylase 4，HDAC4)与组蛋白甲基转移酶SUV39H1以及转录因子MEF2形成一个复合体，SUV39H1可以使H3K9甲基化，从而导致染色质压缩，编码心钠肽的基因表达沉默；当心脏受到超负荷诱导时，HDAC4被磷酸化而出核，从而导致HDAC4、SUV39H1、MEF2复合体解体，复合体解体以后去甲基化酶JMJD1/2便与H3K9结合导致H3K9的去甲基化，进而引起染色质开放，转录因子MEF2结合至开放的染色质上，启动胚胎基因的再表达，最终促进心力衰竭的发生。Qi等[26]进一步发现整合素相互作用蛋白Kindlin-2能与SUV39H1相互作用，并将SUV39H1招募到转录因子GATA4的启动子区，催化H3K9的me2、H3K9的me3，以沉默GATA4，并抑制肥厚相关基因的激活与表达，从而发挥抑制心肌肥厚的作用。

综上可见，H3K9的me1/2/3水平均与病理性心肌肥厚密切相关，不同H3K9甲基转移酶与去甲基化酶对病理性心肌肥厚的调控作用以及调节机制均不同。因此，以调控H3K9甲基化修饰的甲基转移酶或去甲基化酶为核心，探讨病理性心肌肥厚的发病机制可以为心肌肥厚的病理生理提供新的理论依据，并为病理性心肌肥厚的防治策略提供新思路。

3.2 H3K4甲基化修饰与病理性心肌肥厚 成年心肌细胞中，H3K4 甲基化复合物(Ash2/Wdr5)可催化H3K4的me3，激活基因转录。Pax转录激活域相互作用蛋白(Pax transactivation domain interacting protein，PTIP)负责连接转录因子和Ash2/Wdr5复合物，其缺失使Ash2/Wdr5不能定位到DNA特定区域催化H3K4发生me3，导致该位点所在基因表达受阻[27]。Stein等[28]研究发现PTIP基因缺失可降低H3K4的me3水平，主动脉缩窄术后心脏中激活蛋白1、三磷酸腺苷酶Na+/K+转运亚基α2和钠离子通道β4-亚基的表达降低，提示PTIP通过调控H3K4的me3水平在心脏重构和心功能衰竭中发挥作用。Weng等[29]发现在血管紧张素Ⅱ诱导的大鼠心肌肥厚中，心肌蛋白相关转录因子A可介导染色质重构的核心组件复合物Brg1/Brm与内皮素启动子区的Ash2/Wdr5串联，催化H3K4发生me3，促进内皮素表达而加重心肌肥厚；特异性干扰血管内皮中Brg1/Brm或Ash2/Wdr5的表达后可抑制心肌肥厚。

含SET和MYND结构域蛋白1(SET and MYND domain-containing protein 1，SMYD1)是一种肌肉特异性H3K4甲基转移酶，SMYD1基因缺失可导致成年小鼠心肌肥厚和严重的心力衰竭[30]。在敲除SMYD1基因的小鼠中，线粒体能量相关基因过氧化物酶体增殖物激活受体γ共激活因子1(peroxisome proliferator-activated receptor-gamma coactivator 1，PGC-1)的H3K4me3水平显著降低，且PGC-1表达下调；过表达SMYD1可增强线粒体呼吸功能，且PGC-1的转录被激活；而过表达PGC-1可改善SMYD1基因沉默导致的线粒体呼吸功能障碍，说明SMYD1可能通过PGC-1的激活而抑制心肌肥厚[31]。 SETD1A是一种哺乳动物组蛋白H3K4三甲基转移酶，Yu等[32]报告，血管紧张素Ⅱ能上调SETD1A的表达，SETD1A随之被激活蛋白1招募到内皮素Ⅰ启动子，并与激活蛋白1协同激活内皮素Ⅰ转录。下调内皮细胞中的SETD1A可阻断血管紧张素Ⅱ诱导的内皮素Ⅰ合成，抑制心肌纤维化和心肌肥厚，同时伴随内皮素Ⅰ启动子区H3K4me3水平降低。可见，SETD1A可能通过催化H3K4me3上调内皮素Ⅰ表达来促进血管紧张素Ⅱ诱导的心肌肥厚。因此，筛选对SET1结构域具有抑制作用的小分子化合物可能有助于研发抵抗心肌肥厚的新药物。

综上，H3K4me3的水平在病理性心肌肥厚的调控中发挥重要作用。此外，H3K4的me1/2与病理性心肌肥厚的作用尚需进一步探索与挖掘。

3.3 H3K27和H3K36甲基化修饰与病理性心肌肥厚 JMJD3是一种H3K27去甲基化酶，可对H3K27进行单去甲基化、二去甲基化，从而促进基因转录激活。Guo等[33]发现在异丙肾上腺素诱导的体内外心肌肥厚模型中，JMJD3的表达显著上调。过表达JMJD3会促进心肌肥厚的发生，而JMJD3基因缺失或给予JMJD3抑制剂GSK-J4可减弱异丙肾上腺素诱导的心肌肥厚表型，表明JMJD3促进心肌肥厚；机制研究结果显示，异丙肾上腺素可使JMJD3招募到β-肌球蛋白重链的启动子处，引起三甲基化的H3K27发生去甲基化，促进β-肌球蛋白重链的表达，最终促进心肌肥厚，说明JMJD3可能是心肌细胞中β-肌球蛋白重链表达的关键表观遗传调控因子，也是防治心肌肥厚的潜在靶点。

Zhou等[34]发现在心肌肥厚小鼠心肌组织中，甲基转移酶核受体结合SET结构域蛋白2 (nuclear receptor-binding SET domain-protein 2，NSD2)表达显著上调， 二甲基化H3K27和二甲基化H3K36的表达增加；而特异性敲除心脏NSD2基因可抑制压力负荷诱导的心肌肥厚，心功能明显改善，二甲基化H3K36的表达下调，而二甲基化H3K27的表达不下调，说明NSD2可能是通过调节H3K36发生me2而促进心肌肥厚。

4 总结与展望

组蛋白赖氨酸甲基化修饰在病理性心肌肥厚中发挥重要作用。正常情况下，PKDMs和PKDMs维持组蛋白赖氨酸甲基化水平的动态平衡。病理刺激下，PKDMs和/或PKDMs的表达发生改变，影响下游相关基因的甲基化水平，从而调控肥厚相关基因尤其是胚胎基因的重新激活和代谢重编程。因此，以PKDMs和PKDMs为靶点，深入探究组蛋白赖氨酸甲基化参与心肌肥厚病理生理过程的具体分子机制，可能是未来研发抗心肌肥厚药物或基因干预手段的重要方向。然而，如何评估表观遗传靶向药物对正常细胞的长期影响，如何将基础研究成果转化为临床可实施的治疗手段，以及如何规避表观遗传靶向药物治疗过程中的个体化差异问题等，均是探究抗心肌肥厚新药物的重点所在。