组蛋白甲基酶EZH2的研究进展

陈薪宇，张红胜，吴同超

北京工业大学 生命科学与生物工程学院，北京 100124

人体的生长发育过程十分复杂，从微观角度来看，细胞的增殖、分化会受到多种物质的调节。PcG（polycomb group）蛋白就是这众多具有调节作用的物质中的一员，它可以与TrxG蛋白共同作用于Hox基因，两者之间发生拮抗作用，维持细胞内部转录模式稳定运行[1]。多梳抑制复合物2（PRC2）是PcG蛋白家族成员，是PcG蛋白行使沉默功能的起始复合物。PRC2复合物以基因启动子为标靶，催化组蛋白H3K27的甲基化，从而导致染色质凝结，造成基因表达沉默。PRC2复合物的核心组分包括SUZ12、EED和EZH2，其中SUZ12和EED主要起稳定复合物的作用，而EZH2作为PRC2的催化亚基，直接参与对H3K27甲基化的催化作用[2]。EZH2（enhancer of zeste homolog 2）是果蝇zeste基因增强子的人类同源物，它是PRC2的核心组分，具有组蛋白赖氨酸甲基转移酶活性，主要功能是参与催化H3K27的二甲基化和三甲基化，在细胞的生长周期中起调节作用，通过抑制相关的靶基因来调节细胞的增殖、分化。同时，该基因的超表达会导致细胞进入S期，从而加速细胞的分裂[3]。EZH2可介导许多重要目的基因，如细胞命运的决定、细胞周期调节、细胞分化、衰老、肿瘤发生等基因的表达沉默[4]。我们就EZH2的最新研究进展做简要综述。

1 EZH2简介

人类的EZH2基因定位于染色体7q35位置上，包含20个外显子，在基因组中约占40 kb，编码746个氨基酸残基构成的蛋白，包含4个保守区域，即区域Ⅰ、区域Ⅱ、半胱氨酸富集区、C端的SET区域[5]。其中，SET区域进化高度保守的结构域在EZH2介导的转录抑制中有至关重要的作用，PRC2复合物就是通过这段结构域对核小体组蛋白H3的第9位和第27位残基进行甲基化的，从而触发PRC1复合物成分在特定基因位点聚集，最终沉默靶基因[6]。EZH2最早是由Hobert等在酵母双杂交实验中发现的，当时将其命名为ENX-1[7]；后来，Chen等在研究唐氏综合征致病基因位点附近的基因时，发现EZH2基因位于染色体21q22.2位置[8]；但在2000年，Cardoso等在染色体7q35处发现了EZH2的功能基因，并证实染色体21q22.2位置上的序列是一个假基因[9]。

由于具有核定位信号，EZH2主要位于细胞核中，但也可以出现在细胞质中[10]。自从发现EZH2是一种具有染色体修饰的酶以来，有关EZH2表达水平和多种肿瘤相关性的报道越来越多，在前列腺癌、乳腺癌、淋巴瘤、骨髓瘤、膀胱癌、结肠癌、肝癌、肺癌、胃癌等肿瘤组织中都发现EZH2的过度表达，EZH2也被定义为癌基因，并且与肿瘤的进展程度和不良预后有关[11]。另外，EZH2通过调节染色质结构和基因的表达谱在干细胞的自我更新、保持和分化成特定的细胞群等方面发挥了关键作用[12]。

2 EZH2的作用机制

EZH2作为转录抑制子，导致包括抑癌基因在内的一系列靶基因高度失活的机制可能有[13]：①EZH2与DNA甲基转移酶（DNMT）存在物理上和功能上的联系。PRC2的亚单位（EZH2和EED）可与人类3种DNMT发生免疫共沉淀，且某些基因的表达沉默需要EZH2和DNMT的共同参与。②人类细胞中，EZH2与组蛋白去乙酰化酶（HDAC）1、2存在功能和物理上的联系，HDAC的抑制剂曲古霉素A（TSA）可以减弱PRC2介导的转录抑制，尽管HDAC并不是PRC2的核心组分，但短暂的相互作用仍然很可能介导了二者的协同效应。③当PRC2募集到染色质时，EZH2发挥组蛋白H3K27甲基转移酶活性，在H3K27上留下三甲基化标志，这导致了随后RRC1复合物的募集并且单泛素化H2AK119，阻止RNA聚合酶Ⅱ依赖的转录延伸。

3 EZH2介导的信号通路

目前，随着越来越深入的研究，得出的数据指明EZH2在癌症中通过转录抑制来控制的关键信号通路中有重要的调控功能。PI3K-AKT信号途径参与了细胞的许多重要功能，如存活、增殖、生长、运动等，而AKT可以磷酸化EZH2的第21位Ser，这种磷酸化没有改变EZH2的亚细胞定位或它与其他PcG蛋白，如Suz12、EED的相互作用，但改变了EZH2和组蛋白H3的亲和力，进而可导致H3K27me3的减少和沉默基因的去抑制，可能有助于肿瘤的发生[14]。

以Ras和NF-κB信号通路为例，Ras效应物通路（ERK和AKT激酶通路）的超活化可以促进致癌作用包括前列腺癌。然而编码磷酸酶和张力蛋白同系物（PTEN）基因的缺失可以激活AKT，称为ERK活化，其机理目前还不清楚。最近已鉴定了RasGAP家族的DAB2IP是前列腺肿瘤中新的肿瘤抑制基因，该RasGAP家族由Ras信号的负调节器构成，DAB2IP通过抑制ERK和AKT通路起作用。而且，DAB2IP通过它的周期性区域对NF-κB信号进行负调节，DAB2IP的缺失激活NF-κB通路，导致前列腺癌侵入。研究表明，EZH2在表观遗传上沉默DAB2IP并活化Ras、ERK、AKT和NF-κB，而DAB2IP的重构本质上抑制了活化作用。这一研究提供了体外和体内可靠的数据，证明在2条突出的致癌通路中协同的表观遗传中的调节EZH2的成因，因此要建立一个在前列腺癌中促进其生长和转移的由致癌基因造成的肿瘤抑制基因通路的串联[15]。

4 EZH2与组蛋白脱乙酰酶的相互关系

研究证明组蛋白的去乙酰化与转录抑制有关。已发现的组蛋白去乙酰酶大致可分为4类：①与酵母 Rpd3 同 源 ，包 括 HDAC1、HDAC2、HDAC3、HDAC8；②与酵母Hda1同源，包括HDAC4、HDAC5、HDAC6、HDAC7、HDAC9、HDAC10；③与酵母Sir2同源，与前2类有诸多不同，在去乙酰化反应中不受前2类酶的抑制剂的影响，主要依赖NAD+进行反应，在哺乳动物中主要发现了7种这类蛋白，命名为SIRT1～7；④HDAC11，其结构与Ⅰ、Ⅱ型脱乙酰酶有同源性，但功能还不甚了解。以上脱乙酰酶在体内参与了多条信号通路的信号传导，并存在于多种染色质抑制复合物中。组蛋白脱乙酰酶一般都缺少底物特异性，但也有例外情况，如酵母Hda1偏好于H3和H2B，Hos2更易与H3和H2B反应，人类SIR蛋白家族的SIRT2也有特定的反应偏好[16]。

在细胞内，PRC2能够与Ⅰ型组蛋白脱乙酰酶反应，直接参与一些沉默机制。人类细胞中，PRC2与HDAC1、HDAC2存在一定关联，研究表明HDAC抑制剂TSA可以抑制PRC2所介导的转录沉默。虽然大量生化研究证明HDAC不是组成PRC2的核心元件，但两者之间短暂的相互作用可作用于相关的转录酶，但目前的研究还不够深入，未能阐明这种作用的具体机制。HDAC能够脱去H3K27的乙酰基，使ε位氨基酸残基可以被PRC2复合物甲基化。同时，HDAC也可以对其他组蛋白氨基酸进行脱乙酰基作用，从而调整沉默的局部组蛋白成分，如H3K9、H3K14、H3K8等[17]。

大量研究证明SIRT1有十分重要的生理功能。在神经系统疾病中，若神经元轴突从胞体上断开，而SIRT1的活性又有所提高的话，该轴突的生存时间就会大大延长[18]。多种多酚类物质包括白藜芦醇等都可以激活SIRT1，这也可能阐释了葡萄酒对心血管系统的保护作用[19]。在细胞周期中，SIRT1可以对p53、Ku70、Fox03A、NBS1等发生去乙酰化作用，使细胞在应激状态下减少凋亡，从而增加了细胞存活和自身修复的机会。这也表明SIRT1可能是人类的长寿基因之一。同时，SIRT1可以去乙酰化NF-κB P65亚基，不仅参与细胞凋亡的调节，也可能调节一些炎症反应。SIRT1可以通过调节FOXO家族成员及PPARy、PGC-1α等来调节糖类和脂类代谢，SIRT1还在胰岛β细胞中参与胰岛素释放的调节[20]。

也有研究发现EZH2可以和去乙酰化酶SIRT1间接作用。体外实验表明，EZH2和SIRT1之间的相互作用可能是通过SIRT1与Suz12之间的相互作用实现的。在细胞内过表达的EZH2会与SIRT1形成一种新的复合物PRC4，该复合物中EED2会取代EED。目前的研究表明，EED2仅存在于癌细胞和未分化的干细胞中，在平常的体细胞中基本没有表达。而PRC2复合物的这种改变使得EZH2的性质也发生了一定的改变，它更倾向于对组蛋白H1进行甲基化作用，而且这种作用会强于对组蛋白H3的作用。这种底物偏好性的改变，可能与SIRT1本身对组蛋白H1的去乙酰化作用有关[21]。

5 EZH2在干细胞中的作用

胚胎干细胞具有分化成多种组织细胞的潜能性，其分化潜能性的维持及细胞分化的决定方向都与PcG蛋白有很大关联[22]。PcG蛋白在内细胞群、胚胎干细胞和成体干细胞中的表达都很丰富，但在干细胞分化过程中的表达水平有所降低。EZH2作为PcG蛋白家族的重要组成部分，通过调节与细胞分化相关的作用因子，使细胞分化成特定的细胞系。同时，EZH2是多能上胚层细胞H3K27发生甲基化所必需的[23]。2006年，Bracken等在人类胚胎成纤维细胞中发现了1000多种PcG蛋白的沉默靶基因，这些基因在胚胎发育和细胞决定分化方向方面都起着重要作用，包括 Notch、Hox、Hedehog、Wnt、TGF 和FGF信号通路[24-25]。

大量研究证明，包括EZH2在内的PcG蛋白家族可以沉默多种与分化有关的因子，如Gate、Sox、Fox、Pou和Pax转录因子家族，以及Wnt、TGF-β、Notch、FGF和维甲酸信号通路的组成元件[26]。同时，三大转录因子Oct4、Sox2、Nanog的靶基因也与PRC2复合物存在结合位点。这三大转录因子在程序性控制胚胎干细胞的基因表达及保持干细胞的多潜能性过程中有重要作用。因此，PRC2是胚胎干细胞发育过程中重要的协同抑制因子[27]。与此同时，EZH1作为EZH2的同源物，被证实在EZH2对胚胎干细胞的分化和自我更新过程的作用中有代偿作用[28]。更多研究证明，通过转染小干扰RNA（siRNA）或小发夹RNA（shRNA）可以抑制EZH2的表达，会使细胞周期停滞在G1、G2和G2/M期，从而说明EZH2在细胞增殖过程中发挥了至关重要的作用[29-32]。

6 EZH2在癌症中的作用

近年来越来越多的研究发现多种恶性肿瘤中常伴随着EZH2的过量表达，但在良性肿瘤中却没有这种现象，而这其中以前列腺癌、乳腺癌最为典型。因此，EZH2的异常表达可以作为区分良性肿瘤和恶性肿瘤的标记，对EZH2表达的调控也可以作为今后肿瘤治疗的一个新的方向[4]。

Varambally等在基因水平上第一次在前列腺癌中发现EZH2 mRNA的明显增加，进一步通过RNA干扰特异性沉默EZH2基因，从而下调EZH2蛋白表达后，细胞的增殖明显受到抑制；用流式细胞仪进行分析，发现EZH2 siRNA可使前列腺癌细胞G2/M期阻滞。因此证明，在前列腺癌中EZH2表达的上调可以抑制基因转录并促进细胞增殖[33]。蔡干慧等通过免疫组化分析发现，EZH2可能与胃腺上皮的增殖活动有关，可以促进细胞的增殖，这种能力可能参与胃癌的发生与发展；EZH2的表达水平与肿瘤大小、浸润深度、淋巴结转移和TNM分期相关，可能会促进胃癌细胞的转移[34]。EZH2可以控制免疫球蛋白重链的重排，其高表达量参与了淋巴瘤的形成[35]。

在EZH2的致癌机制方面也进行了大量研究。一组与细胞增殖和侵略有关的基因受EZH2调控，这些基因中的RAD51、RUNX3、CDKN1C调控细胞增殖，FOXC1和CDH1与转移有关。EZH2水平的提高与一些基因（RAD51、RUNX3、CDKN,C、FOXC1和CDH1）启动子区域的H3K27的三甲基化有关，这些基因的表达量将会降低。RAD51水平降低会导致Raf/ERK信号通路的激活。RUNX3控制的CDKNIA基因的转录和更低的RUNX3浓度造成了p21水平的降低，这未能彻底阻碍细胞周期。CDKNIC基因编码CDK抑制物p57，这是一个细胞周期蛋白E1和CDK2复合物的很强的抑制剂。CDKNIC基因的表达是通过其启动子的H3K27的三甲基化调控的。p57的减少导致细胞由G1期向S期转变的加快，这有利于乳癌的进程。FOXCI和CDHI（编码E-钙黏着蛋白）基因启动子中H3K27me3的积累已经在乳癌细胞系中被发现。这2种基因编码的蛋白的降低，将会加强细胞的侵略和转移[36]。

研究EZH2与疾病的相关性，进一步明确EZH2在癌症等疾病发病、防治过程中的分子作用机理，可为临床上开发新药提供新的靶点，也将为今后进一步探究疾病治疗方法提供新的思路。另外，由于基础研究和临床应用之间还存在一定距离，更多的与EZH2相关的转化医学研究将有助于使其作为预防和治疗疾病的潜在靶点变成现实。

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