國 銘，李學(xué)亮，王立強，曾文先

（西北農(nóng)林科技大學(xué) 動物科技學(xué)院，陜西 楊凌712100）

黃體在雌性哺乳動物生殖過程中發(fā)揮著關(guān)鍵作用，是維持妊娠所必需的。黃體化在濾泡破裂前已開始，過程受著多種因素的控制，也伴隨多種激素和基因的變化。文章就黃體化過程中主要激素（孕酮）的變化可能涉及的分子機制進行闡述。

1 組蛋白甲基轉(zhuǎn)移酶（SETDB1）結(jié)構(gòu)及其甲基化修飾

1.1 SETDB1的結(jié)構(gòu)

組蛋白甲基轉(zhuǎn)移酶SETDB1（SET domain bifureated 1）也稱KMT1E或ESET，其蛋白含有1 291個氨基酸［1］，能夠催化組蛋白H3K9發(fā)生甲基化修飾。SETDB1蛋白主要含有三個結(jié)構(gòu)域：N末端兩個串聯(lián)的Tudor結(jié)構(gòu)域、MBD 結(jié)構(gòu)域（methyl-CpG-binding domain）和C末端保守的SET結(jié)構(gòu)域。

SETDB1的Tudor結(jié)構(gòu)域能夠?qū)ETDB1錨定到組蛋白或非組蛋白甲基化賴氨酸或精氨酸殘基上［2］。Tudor結(jié)構(gòu)域主要負責(zé)與其他染色質(zhì)修飾酶相互作用，同時也能夠?qū)⒉煌霓D(zhuǎn)錄產(chǎn)物以及各種RNA 加工因子轉(zhuǎn)運至卡哈爾體中（cajal bodies）。MBD結(jié)構(gòu)域包含2個與DNA結(jié)合的精氨酸殘基，使其可以與DNA結(jié)合。MBD結(jié)構(gòu)域主要為DNA甲基化沉默相關(guān)蛋白提供識別原件。SETDB1的C端結(jié)構(gòu)域包括進化上保守的SET結(jié)構(gòu)域、pre-SET和post-SET結(jié)構(gòu)域。SET結(jié)構(gòu)域負責(zé)催化形成H3K9甲基化，pre-SET和post-SET結(jié)構(gòu)域則協(xié)助SET結(jié)構(gòu)域的催化活性［3］。

1.2 SETDB1與甲基化修飾

1.2.1 SETDB1與組蛋白H3K9甲基化修飾 基因的表達受到多層次和多途徑的調(diào)控，而組蛋白修飾則在轉(zhuǎn)錄水平上調(diào)控基因表達。組蛋白修飾對基因表達的調(diào)控模式取決于組蛋白修飾位點及修飾程度，其中H3K4和H3K36甲基化修飾與基因的轉(zhuǎn)錄激活有關(guān)，H3K9、H3K27和H4K20甲基化修飾與基因的轉(zhuǎn)錄抑制有關(guān)。組蛋白甲基化修飾是一個動態(tài)可逆的狀態(tài)，甲基轉(zhuǎn)移酶將甲基添加上；相反，組蛋白去甲基化酶則將甲基擦除［4］。組蛋白甲基轉(zhuǎn)移酶SETDB1催化組蛋白H3上第9位賴氨酸殘基發(fā)生一甲基化、二甲基化或三甲基化修飾，調(diào)控染色質(zhì)開放程度和異染色質(zhì)的形成，從而抑制基因的表達［5］。

1.2.2 SETDB1與DNA甲基化修飾 基因轉(zhuǎn)錄抑制往往是由多種抑制相關(guān)修飾共同作用的結(jié)果。DNA甲基化修飾也是一種與轉(zhuǎn)錄抑制有關(guān)的修飾。除催化H3K9甲基化外，SETDB1還與DNA甲基化修飾相關(guān)。據(jù)報道，SETDB1通過其N端結(jié)構(gòu)域與DNMT3A的PHD（Plant Homeodomain）結(jié)構(gòu)域結(jié)合，并定位于基因的啟動子區(qū)域，從而協(xié)同發(fā)揮轉(zhuǎn)錄抑制作用［6］。同時，在神經(jīng)干細胞和原始生殖細胞特異性敲除Setdb1，導(dǎo)致基因組部分DNA甲基化修飾水平降低［7-8］。因此，SETDB1能夠協(xié)同參與DNA甲基化修飾。

1.2.3 SETDB1與非組蛋白甲基化修飾 組蛋白甲基轉(zhuǎn)移酶不僅可以催化組蛋白發(fā)生甲基化修飾，同時還能夠催化非組蛋白發(fā)生甲基化修飾。Zhang J.等［9］發(fā)現(xiàn)，組蛋白甲基轉(zhuǎn)移酶G9a能夠催化p53蛋白第373位賴氨酸發(fā)生甲基化修飾。2019年Guo J.等［10］報道，SETDB1能夠催化AKT發(fā)生甲基化修飾，引起AKT的活性增強。而且AKT的這種甲基化修飾能夠被去甲基化酶KDM4B所頡頏［10］。由此說明SETDB1對非組蛋白的這種甲基化修飾也是動態(tài)可逆的。同時Wang G.等［11］證明SETDB1對AKT的甲基化修飾發(fā)生在K64位點，并由此調(diào)控AKT的定位與活性。

2 SETDB1的生物學(xué)功能

2.1 SETDB1調(diào)控生殖細胞發(fā)育與分化

原始生殖細胞（primordial germ cells，PGC）重編程過程中，DNA甲基化修飾水平逐漸降低，在E 13.5天時DNA甲基化水平達到最低。這種重編程過程能夠清除親代基因組的印記，從而形成胚胎生殖細胞［12］。在E13.5天時，原始生殖細胞中DNA甲基化水平降到最低點，此時SETDB1對于性腺發(fā)育和帶有H3K9me3甲基化修飾標(biāo)記的內(nèi)源性逆轉(zhuǎn)座元件的沉默均發(fā)揮了重要作用［7］。LIU S.等［7］通過在Tnap-Cre介導(dǎo)的原始生殖細胞中Setdb1敲除發(fā)現(xiàn)，Setdb1-KO導(dǎo)致逆轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)座子上H3K9me3修飾水平降低。對E 9.5天的原始生殖細胞特異性敲除Setdb1，導(dǎo)致生殖細胞發(fā)育受損和成年小鼠性腺發(fā)育受阻?？梢姡琒ETDB1對雄性生殖細胞發(fā)育的早期階段是必需的。

精原干細胞是睪丸中能夠自我更新、維持和分化的一類成體干細胞，是精子發(fā)生的基礎(chǔ)，其穩(wěn)態(tài)受到嚴格內(nèi)源性及外源性因子的調(diào)控。SETDB1表達量隨著小鼠睪丸的發(fā)育（0 d，3 d，5 d，7 d，14 d，21 d和成年）逐漸升高，而且在成年小鼠的組織器官（心臟、肝臟、脾臟、肺臟、腎臟、卵巢和睪丸）中，睪丸組織中表達量最高，預(yù)示著SETDB1在小鼠出生后雄性生殖細胞發(fā)育過程中可能扮演著重要的角色。An J.等［13］發(fā)現(xiàn)，Setdb1-KD導(dǎo)致小鼠精原干細胞中大量的基因表達發(fā)生紊亂，其中有2 490個基因（15.0%）表達量上調(diào)了2倍以上，2 425個基因（14.6%）表達量下調(diào)超過50%；GO分析結(jié)果指出，SETDB1參與小鼠精原干細胞代謝和發(fā)育等。通過體外培養(yǎng)及精原干細胞移植試驗發(fā)現(xiàn)，SETDB1對小鼠精原干細胞的維持是必需的。Liu T.等［14］進一步研究發(fā)現(xiàn)，Setdb1-KD的精原干細胞中，促凋亡相關(guān)基因p53、Caspase9、Bax和Apaf1表達上調(diào)，抑凋亡基因XLAP表達下調(diào)。SETDB1通過H3K9me3介導(dǎo)PTEN/AKT/FOXO1信號通路調(diào)控凋亡相關(guān)基因的表達，從而維系精原干細胞的命運。因此，SETDB1對精原干細胞的命運決定是必需的。

SETDB1也調(diào)控豬雄性生殖細胞的命運。在豬睪丸組織中SETDB1與H3K9me3的分布模式存在差異，在7日齡和2月齡豬睪丸組織中，SETDB1分布于性原細胞和精原干細胞的細胞質(zhì)，然而H3K9me3分布于核周。在成年豬睪丸組織中，SETDB1分布于精原干細胞和分化了的精原細胞的細胞核，但是H3K9me3分布于精原干細胞的核周，在分化的精原細胞中則呈現(xiàn)斑點狀分布［15-16］。Liu T.T.等［17］報道，SETDB1與H3K27組蛋白甲基修飾酶EZH2之間具有相互作用，在豬性原細胞中敲低SETDB1后H3K9me3水平發(fā)生明顯變化，但引起H3K27me3水平降低，表明Setdb1-KD通過調(diào)控H3K27me3水平誘導(dǎo)豬性原細胞的命運。因此，SETDB1作為豬雄性生殖細胞表觀遺傳調(diào)節(jié)因子，能夠維持豬生殖細胞的生存。

生殖細胞減數(shù)分裂過程中染色體聯(lián)會紊亂，導(dǎo)致基因突變或者非整倍性的出現(xiàn)。為了防止這種現(xiàn)象的出現(xiàn)，小鼠進化出兩種檢測機制清除有缺陷的生殖細胞［18］。第一，持續(xù)性的DNA損失激活CHK2/p53/p63通路，從而清除生殖細胞；第二，減數(shù)分裂過程的粗線期階段，同源染色體不發(fā)生聯(lián)會導(dǎo)致數(shù)百個基因失活［19-20］。此外，在雄性生殖細胞減數(shù)分裂過程中，未聯(lián)會的X、Y染色體受抑制，最終濃縮形成X、Y小體。其中，X、Y小體的形成與DNA損傷應(yīng)答途徑和表觀修飾相關(guān)［21］。T.Hirota等［18］通過Ngn3-cre介導(dǎo)敲除精原細胞Setdb1，發(fā)現(xiàn)減數(shù)分裂過程中SETDB1通過TRIM28連接到DNA損傷應(yīng)答途徑，從而引起X、Y染色體濃縮。

同時，SETDB1也調(diào)控雌性生殖細胞發(fā)育。2016年J.Kim等［22］報道，SETDB1對卵母細胞減數(shù)分裂和植入前的胚胎發(fā)育是必需的。敲除Setdb1引起卵母細胞中H3K9me2水平降低，導(dǎo)致DNA雙鏈斷裂增加和減數(shù)分裂過程受阻。雖然部分Setdb1-KO的卵母細胞能夠與精子完成受精過程并發(fā)育形成胚胎，但難以發(fā)育至囊胚期階段。進一步研究發(fā)現(xiàn)，Setdb1敲除導(dǎo)致卵母細胞減數(shù)分裂過程中著絲粒與微管的結(jié)合以及紡錘體組裝受損［23］。

因此，SETDB1作為一種組蛋白甲基轉(zhuǎn)移酶，在雄性和雌性生殖細胞發(fā)育中均發(fā)揮著重要作用。

2.2 SETDB1在早期胚胎發(fā)育過程中的功能

在小鼠中，SETDB1缺失導(dǎo)致胚胎發(fā)育至E 4.5天時致死［24］，而敲除組蛋白甲基轉(zhuǎn)移酶G9a導(dǎo)致胚胎發(fā)育至E9.5天時致死［25］，因此，SETDB1對于小鼠早期胚胎發(fā)育至關(guān)重要。精子與卵子結(jié)合后，SETDB1更多地富集在雄原核，說明SETDB1可能與精子來源的染色質(zhì)重構(gòu)有關(guān)。在這一階段，SETDB1以點狀形式分布在核周區(qū)域，這些區(qū)域大多為組成型異染色質(zhì)區(qū)域和衛(wèi)星DNA序列。SETDB1的這種獨特的核周分布模式可能是與HP1蛋白相互作用導(dǎo)致的。隨著胚胎發(fā)育，SETDB1從點狀分布逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)閺浬⒎植?，這種彌散分布模式可持續(xù)到8細胞階段，經(jīng)過短暫的消失之后在囊胚期又呈現(xiàn)點狀分布。囊胚期SETDB1的點狀分布與PML-NB復(fù)合物有關(guān)［26］。SETDB1在早期胚胎發(fā)育的不同分布模式可能與其功能發(fā)揮相關(guān)。

3 小結(jié)

SETDB1對生殖細胞發(fā)育及早期胚胎發(fā)育均至關(guān)重要的。在小鼠和豬睪丸發(fā)育過程中，SETDB1表達水平隨著睪丸發(fā)育逐漸升高；受精之后SETDB1逐漸開始表達，且SETDB1在雄原核中的信號比在雌原核中強。SETDB1除了通過H3K9甲基轉(zhuǎn)移酶活性直接調(diào)控基因表達之外，還能與其他表觀修飾酶相互協(xié)同作用和催化非組蛋白甲基化，發(fā)揮多種生物學(xué)功能。近年來研究表明，SETDB1通過RNA結(jié)合蛋白hnRNPK與lincRNA相互作用影響體細胞重編程。盡管SETDB1在生殖細胞發(fā)育和早期胚胎發(fā)育領(lǐng)域取得了一定的進展，但是SETDB1與其他的修飾（如SUMO修飾、磷酸化修飾、泛素化修飾）之間是否存在聯(lián)系，以及SETDB1是否與這些修飾之間相互協(xié)同，從而在生殖細胞和胚胎發(fā)育中發(fā)揮作用，這些都有待于進一步探究。