摘 要：对组蛋白甲基化修饰认识已有相当长的时间， 但直到最近几年由于组蛋白甲基化修饰酶的发现才使人们逐渐认识到组蛋白甲基化修饰有广泛的生物学功能，像异染色质形成、X 染色体失活、转录调节、干细胞的维持和分化等，组蛋白甲基化修饰的改变与某些人类疾病和肿瘤也有一定关系。组蛋白修饰是可逆性的， 这为某些疾病的治疗提供了新的可能。
关键词：组蛋白赖氨酸; 甲基化; 肿瘤
Histone lysine methylation and cancer
ZHENG Jie (Department of Pathology and Pathophysiology, School of Basic Medical Science, Southeast University, Nanjing 210009, China)
Abstract: It has been known for a considerable time that histone protein can be modified by methylation. However, its functions remained elusive until the histone modifying enzymes were recently identified. With the advances on the biology of histone methylation, it is becoming clear that histone methylation plays widely biological functions such as heterochromatin formation, X inactivation, transcriptional regulation, stem cell maintenance and differentiation. Alterations in histone methylation are associated with human disease and cancer. Owing to the reversible nature of these epigenentic modifications, molecular studies of histone methylation may offer therapeutic possibilities for a wide spectrum of disease.
Key words: histone lysine; methylation; cancer
甲基化不仅发生在DNA，RNA 和蛋白质也存在甲基化修饰。RNA 的甲基化研究的比较少，但是却很有可能在信息的稳定遗传中起到一定的作用。最近，核组蛋白甲基化得到广泛的研究，随着更多的组蛋白赖氨酸甲基化相关酶的发现，组蛋白赖氨酸甲基化修饰在基因表达调控中的作用正在成为表观遗传学研究的热点。本文就组蛋白赖氨酸甲基化修饰及与肿瘤关系的最新进展作一简要介绍。
1 组蛋白的结构
在真核细胞的细胞核中，核小体是染色质的主要结构元件。核小体主要由四种组蛋白（H2A、 H2B、H3 和H4）构成。这四种组蛋白和缠绕于组蛋白的DNA共同组成了核小体。每个组蛋白都有进化上保守的N 端拖尾伸出核小体外。这些拖尾是许多信号传导通路的靶位点，从而导致转录后修饰。该类修饰包括组蛋白磷酸化、乙酰化、甲基化、泛素化、SUMO 化、ADP- 核糖基化等过程。在这些组蛋白修饰中， 研究较早和较详细的是组蛋白乙酰化，近年来对组蛋白甲基化修饰的研究也进展迅速。组蛋白甲基化修饰比乙酰化修饰复杂得多。一般来说，组蛋白乙酰化修饰是暂时的， 能选择性地第3 期郑 杰：组蛋白赖氨酸甲基化修饰与肿瘤443 使某些染色质区域的结构从紧密变得松散，开放某些基因的转录，增强其表达水平；而组蛋白甲基化修饰比较稳固， 特别是三甲基化修饰，它被认为影响长期表观遗传学记忆（long-term epigenetic memory）。组蛋白甲基化修饰既可抑制也可增强基因表达。 乙酰化修饰和甲基化修饰往往是相互排斥的。
现将组蛋白修饰分3 类， 将能使组蛋白特异性修饰的酶比喻为“写手（wr iter s）”，将能除去组蛋白修饰的酶比喻为“擦皮（eraser s）”，将能识别组蛋白特异性修饰并与其结合的蛋白比喻为“读者（readers）”，这样就构成了“书写（writing）”， “阅读（reading）”和“涂去（erasing）”的环路，调节局部染色质的生物学活性和基因表达[1]。
2 组蛋白甲基化酶和去甲基化酶
2.1 组蛋白甲基化酶 组蛋白甲基化是由组蛋白甲基化转移酶（histone methyltransferases，HMTs）完成的，甲基化可发生在赖氨酸和精氨酸残基上，赖氨酸残基能分别被单甲基化(me1) 、双甲基化 (me2)和三甲基化(me3)，而精氨酸残基能够单、双甲基化，这就极大的增加了组蛋白修饰调节基因表达的复杂性。当前的证据表明，组蛋白精氨酸甲基化是一种相对动态的标记，精氨酸甲基化与基因激活相关，而H3 和H4 靶精氨酸的甲基化丢失与基因沉默相关。相反，赖氨酸甲基化似乎是基因表达调控较为稳定的修饰， 作用也较复杂，例如，H3-K4 （组蛋白H3 中的第4 位赖氨酸）和H3-K36 甲基化与基因激活相关，而H3-K9 和H3-K27 甲基化则与基因沉默相关(表1)[2-4]。
摘 要：对组蛋白甲基化修饰认识已有相当长的时间， 但直到最近几年由于组蛋白甲基化修饰酶的发现才使人们逐渐认识到组蛋白甲基化修饰有广泛的生物学功能，像异染色质形成、X 染色体失活、转录调节、干细胞的维持和分化等，组蛋白甲基化修饰的改变与某些人类疾病和肿瘤也有一定关系。组蛋白修饰是可逆性的， 这为某些疾病的治疗提供了新的可能。
关键词：组蛋白赖氨酸; 甲基化; 肿瘤
Histone lysine methylation and cancer
ZHENG Jie (Department of Pathology and Pathophysiology, School of Basic Medical Science, Southeast University, Nanjing 210009, China)
Abstract: It has been known for a considerable time that histone protein can be modified by methylation. However, its functions remained elusive until the histone modifying enzymes were recently identified. With the advances on the biology of histone methylation, it is becoming clear that histone methylation plays widely biological functions such as heterochromatin formation, X inactivation, transcriptional regulation, stem cell maintenance and differentiation. Alterations in histone methylation are associated with human disease and cancer. Owing to the reversible nature of these epigenentic modifications, molecular studies of histone methylation may offer therapeutic possibilities for a wide spectrum of disease.
Key words: histone lysine; methylation; cancer
甲基化不仅发生在DNA，RNA 和蛋白质也存在甲基化修饰。RNA 的甲基化研究的比较少，但是却很有可能在信息的稳定遗传中起到一定的作用。最近，核组蛋白甲基化得到广泛的研究，随着更多的组蛋白赖氨酸甲基化相关酶的发现，组蛋白赖氨酸甲基化修饰在基因表达调控中的作用正在成为表观遗传学研究的热点。本文就组蛋白赖氨酸甲基化修饰及与肿瘤关系的最新进展作一简要介绍。
1 组蛋白的结构
在真核细胞的细胞核中，核小体是染色质的主要结构元件。核小体主要由四种组蛋白（H2A、 H2B、H3 和H4）构成。这四种组蛋白和缠绕于组蛋白的DNA共同组成了核小体。每个组蛋白都有进化上保守的N 端拖尾伸出核小体外。这些拖尾是许多信号传导通路的靶位点，从而导致转录后修饰。该类修饰包括组蛋白磷酸化、乙酰化、甲基化、泛素化、SUMO 化、ADP- 核糖基化等过程。在这些组蛋白修饰中， 研究较早和较详细的是组蛋白乙酰化，近年来对组蛋白甲基化修饰的研究也进展迅速。组蛋白甲基化修饰比乙酰化修饰复杂得多。一般来说，组蛋白乙酰化修饰是暂时的， 能选择性地第3 期郑 杰：组蛋白赖氨酸甲基化修饰与肿瘤443 使某些染色质区域的结构从紧密变得松散，开放某些基因的转录，增强其表达水平；而组蛋白甲基化修饰比较稳固， 特别是三甲基化修饰，它被认为影响长期表观遗传学记忆（long-term epigenetic memory）。组蛋白甲基化修饰既可抑制也可增强基因表达。 乙酰化修饰和甲基化修饰往往是相互排斥的。
现将组蛋白修饰分3 类， 将能使组蛋白特异性修饰的酶比喻为“写手（wr iter s）”，将能除去组蛋白修饰的酶比喻为“擦皮（eraser s）”，将能识别组蛋白特异性修饰并与其结合的蛋白比喻为“读者（readers）”，这样就构成了“书写（writing）”， “阅读（reading）”和“涂去（erasing）”的环路，调节局部染色质的生物学活性和基因表达[1]。
2 组蛋白甲基化酶和去甲基化酶
2.1 组蛋白甲基化酶 组蛋白甲基化是由组蛋白甲基化转移酶（histone methyltransferases，HMTs）完成的，甲基化可发生在赖氨酸和精氨酸残基上，赖氨酸残基能分别被单甲基化(me1) 、双甲基化 (me2)和三甲基化(me3)，而精氨酸残基能够单、双甲基化，这就极大的增加了组蛋白修饰调节基因表达的复杂性。当前的证据表明，组蛋白精氨酸甲基化是一种相对动态的标记，精氨酸甲基化与基因激活相关，而H3 和H4 靶精氨酸的甲基化丢失与基因沉默相关。相反，赖氨酸甲基化似乎是基因表达调控较为稳定的修饰， 作用也较复杂，例如，H3-K4 （组蛋白H3 中的第4 位赖氨酸）和H3-K36 甲基化与基因激活相关，而H3-K9 和H3-K27 甲基化则与基因沉默相关(表1)[2-4]。
组蛋白赖氨酸甲基化主要发生在组蛋白H3 和 H4 上。目前研究较多的有6 个位点，分别为H3-K4、 H3-K9、H3-K27、H3-K36、H3-K79 和H4-K20[2-4]。这些位点的甲基化由不同的特异性组蛋白赖氨酸甲基转移酶(histone lysine methyltransferases, HKMTs)催化完成。比较有代表性的有H3-K4 甲基转移酶和5 个 H3-K9 甲基转移酶（Suv39h1、Suv39h2、G9a、 ESET/SETDB1 和Eu-HMTase1）。
HKMTs催化基序由相对保守的大约130个氨基酸残基组成，含有SET(Suv(var)3-9，enhancer of zeste，trithrorax)结构域。目前已发现人类150 余种含有SET 结构域的蛋白质，分为SUV39、SETl、 SET2、RIZ、SMYD、EZ 和5LN4-20 等7 大家族，但并不是所有这些蛋白质都具有HKMTs 活性。 DotlL 是目前唯一不含SET 区域的HKMTs，能特异性催化H3-K79 甲基化。
2.2 组蛋白去甲基化酶 长期以来一直都认为特异组蛋白赖氨酸残基的甲基化是稳定修饰，但是组蛋白去甲基化酶（histone demethylases）的发现证明这种表观遗传标记也是可逆的。目前发现的组蛋白去甲基化酶有两类：LSD1/BHC110 类和jumonji 类[5, 6]。首先发现的组蛋白去甲基化酶是赖氨酸特异性去甲基酶1 （lysine-specific demethylase 1，LSD1），它是一氨基酸氧化酶，能够移去H3-K4 上的甲基，抑制基因表达。LSD1 的去甲基功能显示有一定的选择性，它能够移去H3-K4me2 和H3-K4me1 上的甲基，但不能移去H3-K4me3 上的甲基［6］。
随后研究人员又发现了一类含JmjC结构域的组蛋白去甲基化酶[ jumonj i C ( JmjC) - doma i ncontaining histone demethylase，JHDM]，它能够特异性地移去组蛋白上的甲基[6]。JHDM蛋白现有三个亚家族， JHDM1、JHDM2 和 JHDM3。JHDM1 能去除H3-K36m2 和H3-K36m1 上的甲基；JHDM2 能特异性地将组蛋白H3-K9m2和H3-K9m1上的甲基去除；JHDM3（也称为JMJD2）能够移去H3-K9me3、 H3-K9me2、H3-K36me3 和H3-K36me2 上甲基。现在又发现JARID能够移去H3-K4me3和H3-K4me2上甲基[6]，JMJD3 和UTX 是H3-K27 的组蛋白去甲基化酶[7]。通过在数据库中搜索发现了超过100 种含有 JmjC 结构域的蛋白，这些蛋白从整体上来看并没有很高的相似度，并且广泛分布在从细菌到人类各种物种上。这意味着这些蛋白有可能都行使着对组蛋白或其他蛋白进行去甲基化作用。
除了上述H3-K4、H3-K9、H3-K27 和H3-K36 的去甲基化酶外， 目前尚未发现H3-K79 和H4-K20 的特异性去甲基化酶。
3 组蛋白赖氨酸甲基化的功能
组蛋白赖氨酸甲基化修饰有广泛的生物学功能，像干细胞的维持和分化、X 染色体失活、转录调节和DNA损伤反应等。 与组蛋白赖氨酸乙酰化促进基因表达不同，组蛋白赖氨酸甲基化对基因表达的影响比较复杂，它既可以促进基因表达也可以抑制基因表达，取决于它所位于的残基情况，如 H3-K9、H3-K27 和H4-K20 三甲基化常见于异染色质，而H3-K4、H3-K36 和H3-K79 甲基化则常见于常染色质。虽然每次只有一个乙酰基团添加到赖氨酸残基，但是每个赖氨酸残基可以出现3 个甲基团。重要的是，在位于常染色质基因中的沉默区发现单和双甲基化的H3-K9，而三甲基化的H3-K9 则集中于中心体周围的异染色质中，提示不同的甲基化状态标示明显不同的异染色质区。虽然组蛋白赖氨酸甲基化有促进基因表达功能，但总的来说与 DNA甲基化类似，组蛋白赖氨酸甲基化主要与染色质浓缩，抑制基因表达有关，如在急性淋巴母细胞性白血病，能调节H3-K4 甲基化，H3-K4 甲基化后会激活基因的表达。H3-K79甲基化也与转录表达有关。而Suv39h1 和G9a 调节H3-K9 甲基化，这一甲基化位点可被异染色质蛋白质1(heterochromatin protein 1，HP l)识别， EZH2 调节H3-K27 甲基化，这一甲基化位点可被PCG(polycomb group)家族的蛋白识别，这两种复合物的形成都能导致染色质重塑和基因表达抑制(表1)。H3-K4 和H3-K9 可能存在相互抑制关系。
另外组蛋白甲基化与组蛋白乙酰化密切相关，如H3-K9的去乙酰化后， 在组蛋白甲基化转移酶催化下可在相同的位置甲基化，这样便创造了一个 HP 1 或其他转录抑制蛋白的结合位点[8]。
4 组蛋白赖氨酸甲基化与DNA甲基化的关系
组蛋白赖氨酸甲基化与DNA 甲基化是有关联的。 组蛋白的甲基化可引导DNA 的甲基化，反过来甲基化的DNA也可能影响组蛋白修饰，两者之间有相互促进作用。
在哺乳动物， 中心粒周围重复DNA 序列CpG 岛的甲基化是由组蛋白甲基化介导[9]。这一过程的顺序是先H3-K9 去乙酰化，留出位子供甲基化修饰，甲基化的H3-K9 可募集DNA 甲基化酶到染色质，引发DNA甲基化。因此，H3-K9 甲基化对DNA 甲基化是必需的。反过来，有时由于DNA 甲基化结合蛋白2(methyl-CpG-binding protein 2，MeCP2) 招募组蛋白去乙酰化酶和组蛋白甲基化酶，DNA甲基化可能先于组蛋白甲基化[10]。DNA甲基化和组蛋白甲基化之间的互相作用是使得基因转录处于抑制状态，如MeCP2 可募集SUV39h1 到靶基因，引起 H3-K9 甲基化，导致基因的表达沉默[10]。总的来说，组蛋白的低乙酰化和高甲基化是甲基化DNA的特点。
虽然对DNA甲基化及DNA甲基化异常与肿瘤的关系已有了广泛的研究，但肿瘤中DNA甲基化异常并不是孤立事件，它的发生受到更复杂的表观遗传调节， 这其中包括组蛋白甲基化修饰的影响。最近，有大量报道表明组蛋白甲基化的改变对于DNA 甲基化相关的基因沉默也很关键。肿瘤中的基因沉默伴随着H3-K4 的低甲基化和H3-K9 的高甲基化。 H3-K4 低甲基化的机制尚不清楚，最近有报道显示 LSD1(H3-K4 去甲基化酶)很有可能是甲基结合蛋白 (methyl-CpG-bindind domain，MBDs)的目标蛋白。 MBDs是将DNA甲基化和组蛋白密码联系在一起的蛋白复合物，包括MeCP2、MBD1-4 和KAISO。 MBD s 能介导募集组蛋白去乙酰酶( h i s t o n e deacetylases，HDACs)，能抑制基因转录。研究表明MBDs 能够招募组蛋白甲基转移酶，而招募甲基转移酶被认为能够调节H3-K9 位点的高甲基化。
5 组蛋白赖氨酸甲基化异常与肿瘤
组蛋白的甲基化状态与基因表达有关， 因此肿瘤细胞也存在组蛋白甲基化的异常，检测肿瘤细胞的组蛋白的甲基化状态有助于肿瘤的诊断、预后判断及治疗(表2)。
MLL1(mixed linkage leukemia 1)是急性淋巴母细胞白血病致病基因, 具有H3-K4 甲基转移酶的功能，通过与染色质重塑复合体SWI/SNF 中的I N I 1 (integrase integrator 1)相互作用，激活基因表达，引起白血病和其他恶性肿瘤[11]。
SMYD3(SET- and MYND-domain-containing protein 3)是另外一个H3-K4甲基转移酶,它通过与RNA 解螺旋酶HELZ和RNA聚合酶II相互作用， 进而影响靶基因表达，包括癌基因。 它被发现在结直肠癌和肝癌表达上调[12]。SMYD3 过表达可刺激细胞生长，促进细胞转化，抑制SMYD3 表达则可抑制细胞生长。
表2 组蛋白甲基化异常与癌［1］
Suv39h1 和Suv39h2 是果蝇SU(VAR)3-9 的同源体，它们的作用是使H3-K9 甲基化，甲基化H3-K9 可与HP1 蛋白结合，从而形成异染色质，与转录抑制有关。尽管目前认为Suv39h 蛋白的角色与染色体的分离和稳定性有关，但现在认为它也能影响肿瘤抑制蛋白Rb。Rb 蛋白可结合到Suv39h1 和HP1 引起靶基因沉默，Rb 突变可发这种结合的紊乱，引发 Suv39h1 错位，导致肿瘤产[13]。尽管有一些研究报道，Suv39h1 在人癌发生中的确切作用尚不清楚，因为尚没有含有Suv39h1 突变的人癌报道[1]。
EZH2(enhance of zeste homolog 2)是PCG 基因家族的一员，具有H3-K27 甲基转移酶的功能， 研究显示EZH2 表达增高与前列腺癌、乳腺癌、淋巴瘤等恶性肿瘤的浸润和转移有关[14,15]。
NSD1(nuclear receptor binding SET domain containing 1)属于SET 2 亚家族成员，具有H3-K36/H4- K20 甲基转移酶的活性。在Sotos 综合征(表现为组织过度增生、白血病、Wilms 瘤），NSD1 通常表现为突变形式[16]。
人生长抑制因子(inhibitor of growth， ING)有5 个类型，ING1 － 5。ING 被认为是肿瘤抑制因子，它与p53 合作可介导生长抑制，细胞老化和凋亡。乳癌、胃癌、黑色素瘤、头颈癌等肿瘤已被观察到存在ING 表达下调[1]。所有ING 蛋白都含有PHD 结构域，能识别H3-K4me3 并与之结合，突变的ING 丧失了与H3-K4me3结合的能力， 这种情况可见于肿瘤[17]，提示在肿瘤发生过程中存在对H3-K4“阅读” 紊乱。
HP1 蛋白(HP1α， HP1β 和HP1γ)可识别H3-K9 甲基化部位，并与之结合。现已发现HP1α 和HP1β 蛋白表达水平在转移性乳癌比原发癌低，增加 HP1α蛋白的表达水平可降低肿瘤细胞的浸润和转移能力，但并不影响肿瘤细胞生长，提示HP1α 是肿瘤浸润和转移抑制基因。HP1α 表达水平下调也见于晚期甲状腺癌和髓母细胞瘤[18]。
JMJD2(jumonji-domain-containing protein)是一种组蛋白去甲基化酶，早期被命名为GASC1， 它经常在食管癌和肺癌过表达[1]。JMJD2/GASC1 可去除 H3-K9 上的甲基， JMJD2/GASC1 的过表达， 可使 H3-K9 上的甲基化程度降低和HP1 错位， 这可能有助于肿瘤的发生[19]。 Klose 等[6]发现，JHDM3A(也是一种JMJD2 型的酶)的过度表达破坏异染色质的结构。它可能在常染色质中发挥功能，对转录进行调控。像JMJD2/GASC1 和SMYD3 有可能成为一个新的抗肿瘤治疗靶标。组蛋白去甲基化酶JHDMlB 被认为是一个肿瘤抑制因子，JHDM1B 的水平降低也许有助于肿瘤发育[20]。
H4-K20me3 甲基和H4-K16 乙酰基丢失是恶性肿瘤细胞的共同特[21]， 虽然对H4-K20me3甲基丧失的机制尚未明确， 但不外有两种可能， 要么与缺乏组蛋白甲基转移酶的活性有关， 要么与去甲基转移酶的活性增高有关，虽然至今尚未发现特异性H4- K20me3 去甲基化酶。目前已证实组蛋白甲基化与去甲基化失平衡与肿瘤发生相关，例如MLL(H3-K4 甲基化酶)、hDOT1L(H3-K79甲基化酶)和NSD1(H3-K36 甲基化酶)的失调与人造血肿瘤的发生有关[5]。
6 小结
组蛋白甲基化修饰是近年来迅速发展的研究领域，这是因为现在逐渐认识到它涉及许多人体基本生物过程，包括遗传和非遗传的现象。许多人体疾病，特别是肿瘤也被认为是与组蛋白甲基化修饰异常有关。随着研究的深入，组蛋白甲基化修饰异常将会有助于疾病的诊断和预后判断。由于组蛋白甲基化修饰的可逆性质，它也为某些人体疾病的治疗提供了新的选择机会。
