張明達(dá)，馮海忠

上海交通大學(xué)醫(yī)學(xué)院附屬仁濟(jì)醫(yī)院干細(xì)胞研究中心，上海200127

核小體是真核生物染色質(zhì)的基本結(jié)構(gòu)，由DNA 環(huán)繞核心組蛋白形成一個(gè)八聚體復(fù)合物。組蛋白的成分有常規(guī)組蛋白 H1、H2A、H2B、H3、H4 以及多種組蛋白變體。組蛋白變體呈現(xiàn)獨(dú)特的基因組分布，并具有獨(dú)特的附著和解離機(jī)制，賦予染色質(zhì)獨(dú)特的功能[1]。H2A.Z、macroH2A和H3.3 是3 種常見(jiàn)的組蛋白變體，在早期胚胎發(fā)育、干細(xì)胞譜系維持、體細(xì)胞重編程等方面發(fā)揮重要作用。組蛋白變體的突變、轉(zhuǎn)錄失調(diào)、附著機(jī)制改變等均可影響腫瘤發(fā)生，涉及表觀遺傳可塑性、基因組衰老變化機(jī)制以及激活相關(guān)基因表達(dá)程序等多方面內(nèi)容。

1 組蛋白變體macroH2A1 概述

組蛋白變體macroH2A 最初在大鼠肝臟細(xì)胞核小體中被發(fā)現(xiàn)，其相對(duì)分子質(zhì)量大小幾乎可達(dá)到正常組蛋白的3 倍。macroH2A 由與組蛋白H2A 具有66%同源性的N 末端的組蛋白結(jié)構(gòu)域、非結(jié)構(gòu)化的連接域以及C 末端的macro 域組成[2-3]，是唯一具有3 個(gè)結(jié)構(gòu)域的組蛋白。其macro 域的大小約是組蛋白結(jié)構(gòu)域的2 倍，macroH2A的突變可能是核小體水平上發(fā)生的最廣泛的染色質(zhì)改變。macro 域位于核小體對(duì)稱軸上方一個(gè)容易結(jié)合的位置，并與核小體核心中突出的結(jié)構(gòu)相連接[2]。

macroH2A 至 少 有3 種 亞 型， 包 括macroH2A1.1、macroH2A1.2 和macroH2A2。macroH2A1 和macroH2A2由2 個(gè)獨(dú)立的基因編碼。macroH2A1 以2 種交替的外顯子剪接亞型存在，即macroH2A1.1 和macroH2A1.2[4]。macroH2A1.1 在體外與由組蛋白脫乙酰酶（sirtuin 1，SIRT1）產(chǎn)生的乙酰核糖（O-acetyl-ADP-ribose）結(jié)合[2]。另外，macroH2A1 與女性X 染色體失活和轉(zhuǎn)錄抑制有關(guān)[5-6]。 有研究[7-9]將macroH2A 蛋白與信號(hào)誘導(dǎo)的基因激活聯(lián)系起來(lái)，從而挑戰(zhàn)了macroH2A1 作為一種獨(dú)特的染色質(zhì)抑制信號(hào)的觀點(diǎn)。

2 macroH2A1 通過(guò)多種方式調(diào)節(jié)靶基因表達(dá)

染色質(zhì)內(nèi)的macroH2A1 可以在特定背景下通過(guò)多種方式正向或負(fù)向調(diào)節(jié)其靶基因的表達(dá)。macro 域的配體結(jié)合結(jié)構(gòu)域直接結(jié)合NAD+的代謝物，包括二磷酸核糖（poly ADP-ribose，PAR）、核糖聚合酶（poly-ADP ribose polymerase，PARP）和乙酰核糖等[10-11]。目前為止，macro域與配體結(jié)合已經(jīng)被證實(shí)有2 種功能。一方面，影響配體親和力或活性[12]，例如macroH2A1.1 與聚ADP 核糖聚合酶1（poly-ADP ribose polymerase 1，PARP1）結(jié)合抑制其活性，并減少核內(nèi)NAD+消耗，從而促進(jìn)DNA 損傷的有效修復(fù)以防止壞死性細(xì)胞死亡[13-16]；另一方面，介導(dǎo)募集配體相關(guān)因子到染色質(zhì)，如macroH2A1 將脯氨酸-谷氨酸-亮氨酸富集蛋白1（proline-，glutamic acid-，and leucine-rich protein 1，PELP1）募集到基因組，共同調(diào)節(jié)macroH2A1 靶基因中一個(gè)子基因的表達(dá)[12]。轉(zhuǎn)錄因子的表達(dá)和結(jié)合模式的變化可能會(huì)改變與轉(zhuǎn)錄模板上的macroH2A1 亞型的動(dòng)態(tài)相互作用。

除了與轉(zhuǎn)錄因子的相互作用外，翻譯后修飾（posttranslational modification，PTM）是macroH2A1 亞型對(duì)基因表達(dá)進(jìn)行表觀遺傳調(diào)控的關(guān)鍵機(jī)制。組蛋白基因翻譯成蛋白后經(jīng)常會(huì)發(fā)生位于多肽鏈羧基末端的共價(jià)修飾（包括甲基化、乙?；?、泛素化和磷酸化等）。組蛋白的翻譯后修飾，或組蛋白在核小體的位置發(fā)生改變，以及組蛋白變體替換常規(guī)組蛋白等變化，可以通過(guò)改變?nèi)旧|(zhì)結(jié)構(gòu)調(diào)節(jié)染色體行為和功能[17-18]。macroH2A1 可以與對(duì)應(yīng)的常規(guī)組蛋白H2A 一樣，通過(guò)多種共價(jià)修飾組合進(jìn)行調(diào)節(jié)。通過(guò)與PARP-1 結(jié)合，macroH2A1.1 促進(jìn)Src 羧基端激酶結(jié)合蛋白（Csk-binding protein，CBP）介導(dǎo)的H2B乙?；?，正向或負(fù)向調(diào)節(jié)macroH2A1 靶基因的表達(dá)[19]。研究[20]證明，H2BK20ac 作為一種重要的PTM，通過(guò)調(diào)控macroH2A1 在H2B 乙酰化染色質(zhì)中的定位，影響macroH2A1 在轉(zhuǎn)錄過(guò)程中的功能。

3 macroH2A1 通過(guò)調(diào)控細(xì)胞衰老抑制腫瘤增殖

衰老表型最早被描述為一種以細(xì)胞分裂停止為特征的現(xiàn)象。現(xiàn)在人們認(rèn)識(shí)到衰老在腫瘤發(fā)生中起重要作用，并且對(duì)于胚胎發(fā)生和組織穩(wěn)態(tài)的維持是必不可少的。在衰老細(xì)胞中，有一些轉(zhuǎn)錄沉默的特殊區(qū)域，含有異染色質(zhì)蛋白（如HP1），稱為衰老相關(guān)異染色質(zhì)聚集（senescenceassociated heterochromatic foci，SAHF），被 認(rèn) 為 具 有 抑制細(xì)胞增殖基因表達(dá)的作用。關(guān)于SAHF 的組成和組裝模式及其對(duì)退出細(xì)胞周期的作用的研究[21]證實(shí)，其含有豐富的macroH2A1。染色質(zhì)調(diào)節(jié)因子中的組蛋白調(diào)節(jié)同系物（histone regulatory homologue，HIRA）和逆沉默功能因子1a（anti-silencing function 1a，ASF1a）能促進(jìn)含有macroH2A1 的SAHF 的形成和退出衰老相關(guān)的細(xì)胞周期[22]。細(xì)胞衰老是一種腫瘤抑制機(jī)制，可以永久阻止具有癌變風(fēng)險(xiǎn)的細(xì)胞繼續(xù)增殖。然而，未分裂的衰老細(xì)胞可能對(duì)組織微環(huán)境產(chǎn)生有害影響。這些影響中最重要的是獲得衰老相關(guān)的分泌表型（senescence-associated secretory phenotype，SASP），將誘導(dǎo)腫瘤細(xì)胞及周?chē)＜?xì)胞轉(zhuǎn)變?yōu)榇傺装Y細(xì)胞。促炎癥細(xì)胞又能夠進(jìn)一步誘導(dǎo)鄰近癌細(xì)胞的腫瘤發(fā)生。Chen 等[23]的研究表明，在通過(guò)觸發(fā)旁分泌衰老來(lái)維持由癌基因誘導(dǎo)衰老（oncogene-induced senescence，OIS）的正反饋通路中，macroH2A1 作為腫瘤抑制因子構(gòu)成了關(guān)鍵部分。macroH2A1 在OIS 期間經(jīng)歷了全基因組范圍的重新定位，并從編碼SASP基因的染色質(zhì)位點(diǎn)中移除。將macroH2A1 從SASP基因中移除引起內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激、氧化應(yīng)激和DNA 損傷等變化，通過(guò)正反饋通路進(jìn)一步導(dǎo)致macroH2A1 的移除增加。共濟(jì)失調(diào)毛細(xì)血管擴(kuò)張突變蛋白（ATMP）的活性對(duì)于從SASP基因中移除macroH2A1 并抑制其表達(dá)至關(guān)重要[24]。因此，macroH2A1 被認(rèn)為是調(diào)節(jié)旁分泌衰老的關(guān)鍵控 制點(diǎn)。

4 在特定腫瘤中macroH2A1 通過(guò)調(diào)控代謝抑制腫瘤增殖

大量研究已經(jīng)證實(shí)了macroH2A1 的腫瘤抑制功能，而macroH2A1.2 的功能則取決于特定的腫瘤環(huán)境。此外，macroH2A1 調(diào)節(jié)細(xì)胞代謝和營(yíng)養(yǎng)與腫瘤發(fā)病機(jī)制之間的聯(lián)系越來(lái)越受到人們的關(guān)注。下面以肝細(xì)胞癌為例，簡(jiǎn)述macroH2A1 在抑制腫瘤生長(zhǎng)和協(xié)同藥物治療等方面的相關(guān)研究進(jìn)展。

肝細(xì)胞癌（hepatocellular carcinoma，HCC）發(fā)病率和病死率高，患者預(yù)后很差，只有10%～20%的患者適合手術(shù)治療，沒(méi)有手術(shù)機(jī)會(huì)的患者預(yù)期生存壽命＜6 個(gè)月[25]。衰老是肝癌的主要危險(xiǎn)因素，通常由代謝綜合征和非酒精性脂肪肝疾?。╪onalcoholic fatty liver disease，NAFLD）誘發(fā)，并伴有肝硬化的發(fā)生[26]。在人類(lèi)衰老的肝臟細(xì)胞和HCC 細(xì)胞中，2 種macroH2A1 亞型的含量均增加。因此，肝臟中macroH2A1 亞型表達(dá)的增加可能被用作HCC 診斷和判斷預(yù)后的標(biāo)志物。地西他濱通過(guò)減少DNA 的甲基化抑制腫瘤細(xì)胞增殖，還可以通過(guò)誘導(dǎo)細(xì)胞衰老在HCC 中發(fā)揮抗腫瘤作用[7]。macroH2A1 的缺乏賦予HCC 細(xì)胞腫瘤干細(xì)胞樣表型，這種現(xiàn)象受核因子κB p65 的磷酸化調(diào)節(jié)[27]。macroH2A1 缺乏可以抑制地西他濱的失活，增強(qiáng)其抑制腫瘤細(xì)胞增殖的功能[28]。macroH2A1亞型在HCC 細(xì)胞系中的表達(dá)阻止衰老表型的出現(xiàn)并誘導(dǎo)全DNA 的低甲基化。SASP 和全轉(zhuǎn)錄組分析結(jié)果表明macroH2A1 能通過(guò)p38 MAPK/IL-8 通路介導(dǎo)HCC 細(xì)胞從化學(xué)治療誘導(dǎo)的衰老過(guò)程中逃逸[7]。組蛋白變體，尤其是macroH2A1 與核小體結(jié)合是調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)錄和細(xì)胞代謝的主要方式[29]。肝細(xì)胞中macroH2A1.1 過(guò)表達(dá)可以改善葡萄糖代謝，降低生脂基因的表達(dá)和脂肪酸含量，從而減少肝細(xì)胞內(nèi)甘油和膽固醇的積累?；蚪M和轉(zhuǎn)錄組學(xué)研究[30-31]表明macroH2A1 在NAFLD 和脂肪誘導(dǎo)的肥胖癥的發(fā)病機(jī)制中起作用。

除HCC 外，macroH2A1 在其他相關(guān)的特定腫瘤中的作用，也值得關(guān)注。Kapoor 等[32]實(shí)驗(yàn)證明，降低低度惡性黑色素瘤細(xì)胞中macroH2A1 的表達(dá)，能明顯促進(jìn)腫瘤細(xì)胞的增殖和遷移性生長(zhǎng)，而恢復(fù)macroH2A1 亞型的表達(dá)可以抑制這些惡性表型。macroH2A1 的缺失對(duì)惡性腫瘤的促進(jìn)作用是通過(guò)上調(diào)CDK8 的表達(dá)來(lái)介導(dǎo)的，在macroH2A1 失活的細(xì)胞中降低CDK8 的表達(dá)會(huì)消除它們的增殖優(yōu)勢(shì)[32]。而在乳腺癌中，Skp2-mH2A1-CDK8 軸通過(guò)調(diào)節(jié)細(xì)胞周期和腫瘤發(fā)生，成為延緩腫瘤進(jìn)展的一條重要通路。macroH2A1 作為Skp2 SCF 復(fù)合體的底物，被Skp2 降解可以促進(jìn)CDK8基因的表達(dá)。CDK8 通過(guò)促進(jìn)Skp2 介導(dǎo)的p27 泛素化和降解來(lái)調(diào)節(jié)p27 蛋白的表達(dá)[33]。研究[34]已經(jīng)證實(shí)，表皮生長(zhǎng)因子受體激活促進(jìn)CDK5 與TRIM59 結(jié)合使其磷酸化并發(fā)生核異位，核TRIM59 通過(guò)誘導(dǎo)marcoH2A1 的泛素化和降解，增強(qiáng)STAT3 信號(hào)通路的活性，并誘導(dǎo)腫瘤發(fā)生。沉默TRIM59可抑制膠質(zhì)母細(xì)胞瘤的增殖、遷移和顱內(nèi)原位移植瘤的形成[34-35]。Sporn等[36-37]研究發(fā)現(xiàn)macroH2A1 亞型在經(jīng)歷衰老的細(xì)胞中高度表達(dá)，提示macroH2A1.1 有可能成為肺癌和結(jié)腸癌等腫瘤中關(guān)于細(xì)胞衰老和評(píng)估預(yù)后的重要生物標(biāo)志物。實(shí)際上，macroH2A1.1 在多種惡性腫瘤中的表達(dá)降低，往往與不良預(yù)后相聯(lián)系。

5 展望

作為一種重要的組蛋白變體，macroH2A1 通過(guò)改變細(xì)胞衰老表型、調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)錄活性等方式在腫瘤的發(fā)生和發(fā)展中起到關(guān)鍵作用，但具體作用機(jī)制尚不明確。迄今為止，尚不清楚是否可以改變macroH2A1 與DNA 結(jié)合的活性來(lái)恢復(fù)細(xì)胞衰老。關(guān)于macroH2A1 在基因組中的占比是否與衰老逃逸相關(guān)，也有不同的意見(jiàn)[38]；并且，仍然不知道哪種伴侶蛋白和重塑復(fù)合物有助于組裝含有macroH2A亞型的核小體。由于缺乏合適的特異性ChIP 級(jí)抗體，無(wú)法確定內(nèi)源性macroH2A1.1 和macroH2A1.2 在基因組中分布的差異。組蛋白變體在基因表達(dá)、細(xì)胞代謝、PTM，以及在新的病理環(huán)境中的作用仍需進(jìn)一步探索。目前，macroH2A1 已被視為多種惡性腫瘤前期診斷、預(yù)測(cè)復(fù)發(fā)風(fēng)險(xiǎn)和判斷預(yù)后的重要生物標(biāo)志物。我們有理由相信，關(guān)于macroH2A1 及其他組蛋白變體的研究可以為臨床中腫瘤的個(gè)體化治療提供新的思路。

參·考·文·獻(xiàn)

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