EZH2与哺乳动物生殖研究新进展

马妮，张昌军，3，刁红录，3*

(湖北医药学院 1.附属人民医院生殖医学中心，十堰 442000；2.生物医学工程学院，十堰 442000；3.胚胎干细胞湖北省重点实验室，十堰442000)

组蛋白甲基化转移酶同源序列增强子(enhancer of zeste homolog，EZH)是由EZH基因编码的一种组蛋白赖氨酸甲基化转移酶，属于多梳家族(Polycomb Group，PcG)蛋白成员，有EZH1和EZH2两种亚型。PcG家族的成员相互结合形成的多聚蛋白复合物参与基因转录调控、DNA甲基化，促进异染色质的形成从而发挥沉默基因的功能、维持胚胎细胞的正常增殖与分化[1-2]。EZH2主要是通过表观遗传学发挥作用，在不改变核苷酸序列的情况下，使基因表达功能发生改变，并且可以稳定地遗传给下一代，其中主要作用机制有非编码RNA调控、DNA甲基化、组蛋白修饰、染色体重塑、基因组印记等[3]。EZH2最初是通过研究肿瘤细胞中的甲基化而被大家所知，近年来关于EZH2在哺乳动物生殖方面的研究越来越受到人们的关注，它主要参与到哺乳动物生殖发育的配子形成、胚胎发育、胚胎着床和器官分化发育等过程及与生殖发育的相关疾病中。本文主要介绍EZH2的基本功能及其在哺乳动物生殖和相关疾病中的作用。

一、概述

PcG蛋白由三种亚型多梳抑制复合体1(Polycomb repressive complex 1，PRC1)、多梳抑制复合体2(PRC2)和PhoRC组成[4]。其中，PRC2在转录起始阶段发挥作用，它有EZH2、EZH1两个亚基，它们都具有组蛋白赖氨酸甲基化和抑制基因转录的功能，但是具有空间和时间特异性[4]。目前关于EZH2基本功能的研究比较透彻，而关于EZH1的研究还有待进一步的探讨。

EZH2是由EZH2基因编码的一种组蛋白赖氨酸甲基转移酶。EZH最初是在果蝇属中被发现，随后又在哺乳动物的同源序列中发现并被命名为EZH1和EZH2[5]。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，编码由746个氨基酸残基构成的蛋白，其有4个保守区域：区域I、区域II、半胱氨酸富集区、C端的SET区域，其中SET区域是高度保守的序列结构，在EZH2介导的转录抑制中有至关重要的作用[6-7]。EZH2基因和它的同源染色体在植物、哺乳动物、鱼类、昆虫的发育、细胞分化、细胞分裂等过程中均发挥重要作用[8]，它是维持胚胎健康发育、控制细胞分化、参与基因调控的关键调控因子，可以使DNA甲基化和X染色体失活[9]，促进异染色质的形成从而发挥沉默基因的功能[10]。

在小鼠实验研究中，发现有EZH1和EZH2两种蛋白，它们可形成多聚抑制复合物EZH1-PcG和EZH2-PcG，两者都可使组蛋白甲基化并发挥其生物学功能，但是EZH1甲基化能力比EZH2弱，压缩和抑制染色体的机制不完全相同[4，11]；EZH2编码的蛋白(EZH2)属于多梳家族(PcG)成员，PcG家族成员相互结合形成多聚蛋白复合物，这种复合物涉及到在细胞世代间维持基因的转录抑制状态，参与细胞的增殖与分化的调控[4，12]，其主要机制是EZH2使H3K27甲基化并与分化相关基因的启动子区域结合而阻止其转录[13]。EZH1是EZH2的同源物，也具有催化组蛋白3赖氨酸27位甲基化功能，但是甲基化的机制不同，EZH1主要是通过抑制转录模板和压缩染色体来抑制转录，而EZH2主要是通过甲基化H3K27来抑制转录；EZH1主要是在成年非增生组织中高表达，而EZH2则主要在增生组织中高表达；它们扮演的角色也不同，在没有甲基供体的情况下可以压制染色体发挥抑制转录功能[4，14]。已经有研究证明在成体组织发育过程中EZH1对于EZH2的丢失具有补偿作用[12]。

二、EZH2与肿瘤的发生/发展

EZH2最初的研究主要集中于肿瘤细胞，EZH2可以使H3K27甲基化，这种能力在肿瘤细胞中表现突出，由此可以认为EZH2可以促进癌细胞的增长与增殖。在胚胎早期发育过程中，各种细胞也呈现为一个高度增殖分裂的过程，所以肿瘤组织中的许多蛋白将会应用于哺乳动物生殖发育中[15]。

在大量癌组织中发现EZH2高表达，包括乳腺癌、前列腺癌、大肠癌、子宫内膜癌、肾癌以及黑色素瘤和淋巴瘤[16-17]。当EZH2过度表达时，肿瘤抑制性基因被抑制就可以导致肿瘤的发生，在一些临床病例中使用EZH2抑制剂可以使恶性肿瘤缩小或者改善肿瘤症状，就是因为EZH2抑制剂解除了EZH2对肿瘤抑制性基因的沉默[18]。EZH2可以与PAF通过Wnt/Β-catenin信号通路共同激活调节基因c-myc 和细胞周期蛋白D1(cyclin D1)最终导致癌症的发生[19]。EZH2还可以激活Ras和NF-κB的信号途径，从而导致肿瘤的发生，有研究表明减少PcG蛋白或使H3K27去甲基化可以激活抑癌基因INK4a/ARF影响癌基因RAS的功能从而抑制肿瘤的发生[20]。约57%的卵巢透明细胞癌中发现ARID1A(染色质重塑复合物)基因缺失而EZH2的表达上升，ARID1A和EZH2共同调节PIK3IP1(促进细胞凋亡)的表达，在卵巢癌中ARID1A和EZH2表达失衡就会使PIK3IP1的表达降低，从而诱发癌症的发生[21]。所以，研究EZH2抑制剂对于一些肿瘤的发展与转归具有积极的作用，对于临床靶向治疗肿瘤具有极大的意义。

三、EZH2与生殖发育

哺乳动物生殖发育就是指配子成熟，受精卵结合后在母体子宫发育成胎儿并从母体分娩的连续复杂的动态生物学过程。EZH2在此过程的各个阶段都发挥重要的作用，任何一个环节的表达异常都会导致相应的症状，包括配子发育、胚胎发育、母体子宫内膜的变化、子宫内膜与胚胎之间的相互对话等过程。

1.EZH2与配子发育：雌雄配子生成的过程即配子发生，是指原始的生殖细胞经过减数分裂形成精子和卵母细胞的过程。在精子发生过程中的主要特点是细胞具有高度增殖分化的能力，在缺乏经典PRC2-EZH2的情况下，EZH1可能补充EZH2的某些功能来维持精原干细胞的增殖分化能力和减数分裂过程中H3K27的甲基化状态[22]。有研究表明EZH2蛋白参与精原干细胞的自我更新并维持其多能性，可以认为是精原干细胞的一种分子标志[23]。5氮杂2脱氧胞苷(5-Aza-2′ -deoxycitidine，5-Aza)对男性生殖系统有重大毒性，它可以降低睾酮的表达进而导致精子质量下降。有研究证明5-Aza作用于睾丸后可以通过影响EZH2而降低H3K27me3的表达最终影响男性精子的质量[24]。精子的发生是一个复杂的细胞分化过程，包括减数分裂、单倍体基因表达、顶体和鞭毛的形成，最终分化成为精子[25]。在精子发生染色质重构过程中生殖细胞要经历大量的表观遗传过程，圆形精子细胞头部是表观遗传发生的主要位置，有关研究认为EZH2参与大鼠圆形精子的表观调控过程，使染色质发生重塑[26-27]。有研究认为在正常睾丸组织中EZH2的表达较高，但在生精障碍的组织中表达会降低，由此可以认为它的表达水平与生精障碍严重程度呈负相关[28]。

在卵细胞减数分裂的GVBD期到MII期，EZH2的表达上升，如果缺乏EZH2，就会导致染色体错位、异常纺锤体、非整倍体形成并加速第一极体的排出；如果增加EZH2的表达水平，同样会导致染色体错位、非整倍体的形成和第一极体的排出[29]。有研究认为EZH2可以和BubR1(调节纺锤体形成的一个蛋白)、PCAF(p300/cAMP应答元件结合蛋白关联因子)形成复合物，共同调节卵母细胞的减数分裂过程[29-30]。

在小鼠有关研究中发现，EZH2-EED结合形成的复合物首先表达在受精卵的母原核中，如果母原核缺乏EZH2，就会干扰EZH2-EED复合物的结合及受精卵中亲本组蛋白的甲基化，从而影响胚胎发育[31]。尽管在胚胎基因激活的时候EZH2可以恢复正常，但是如果敲除卵细胞中的EZH2就会影响胚胎的正常发育，说明EZH2对早期染色质重塑有重要的意义[32]。总而言之，卵母细胞中EZH2的表达量会影响卵母细胞和胚胎的正常发育。

2.EZH2与胚胎发育：胚胎发育是指从受精卵分裂分化发育为完整个体的生物学过程。PRC2复合物影响早期胚胎发育过程。缺乏EZH2则无法完成原肠胚的形成，缺乏SUZ12(EZH2活化所需要的蛋白)的后果与缺乏EZH2一致，而缺乏EED的胚胎将会导致原肠胚的中胚层发育障碍[31]。有研究表明，在小鼠胚胎围着床期，受精卵中EZH2表达最高，分裂为2细胞胚胎时EZH2表达下降，之后胚胎从2细胞分裂到8细胞过程中EZH2表达一直上升，从囊胚以后EZH2的表达下降，在胚胎的分裂分化过程中EZH2呈现出不同的变化规律，说明在不同时期它所发挥的作用不同[32]。相关研究表明，在胚胎分裂1细胞到4细胞为胚胎基因激活阶段，该阶段H3K4me3的表达呈下降趋势，但是总体表达较高，可以认为H3K4me3与胚胎基因激活的过程有关；而H3K27me3表达从4细胞时开始上升直至囊胚期，与H3K27me3相关的因子如EZH2、EED、SUZ12的表达均升高，但是在外胚层H3K27me3的表达下降，说明EZH2主要对细胞的增殖发挥作用[33]。H3K27me3存在于正常细胞囊胚的内细胞团和克隆细胞囊胚的内细胞团，尤其表达于正常囊胚的内细胞团，克隆胚胎在植入子宫不久后就死亡，可能是缺乏EZH2的表达，使H3K27me3的表达降低，从而干扰胚胎的正常发育[34]。

在胚胎细胞增殖分化过程中，多能性基因的表达随着细胞的增殖分化也呈现出一个先上升后下降的表达规律，这种规律的变化与EZH2的表达密切相关。在胚胎细胞增殖期多能性基因表达较高，在囊胚细胞分化期多能性基因表达下降，整个过程的变化可能是随着OCT4和SOX2表达的增多而提高EZH2使H3K27甲基化的能力，这样就会使OCT4和SOX2启动子处甲基化增多后抑制多能性基因的转录，促进细胞的分化[35]。

综上所述，在胚胎发育过程中EZH2可以调节多能性标志基因OCT4、SOX2、Nanog的转录状况，影响胚胎的分化发育[36]。

3. EZH2与子宫内膜变化的关系：有研究表明在人类子宫内膜中，各种分子都随月经周期性的变化而变化。在人类子宫内膜增生期EZH2 mRNA表达比分泌期高，在分泌期EZH2 mRNA的表达在分泌前期表达最高在分泌中期表达最低；同样，用Western Blot技术检测出EZH2在增生期的表达是分泌期的1倍多，用实时定量PCR检测分泌期EZH2的表达在分泌中期下降最多，约为分泌早期的1/3，说明EZH2在蜕膜化细胞中呈现低表达模式，可能的机制是在孕激素和cAMP的作用下蜕膜化组织中EZH2的表达迅速下降，位于PRL和IGFBP1启动子区的H3K27me3表达下降，H3K27乙酰化水平上升，从而有助于蜕膜化分子PRL和IGFBP1的转录[37-38]。EZH2发挥作用主要是通过甲基化H3K27，在蜕膜化组织中EZH2的表达发生明显的下降，使在两种蜕膜化标志基因启动子区域的H3K27me3表达下降，这样两种蜕膜化因子得以表达，但是H3K27me3表达总量没有变化[37]，说明在蜕膜化细胞中存在其他途径激活H3K27甲基化并且不影响蜕膜化的表达。

综上所述，在子宫蜕膜化组织中，有可能存在这样的途径促进子宫内膜基质蜕膜化：孕激素通过cAMP途径使EZH2表达水平下降，而使位于PRL和IGFBP1启动子区的H3K27的甲基能力下降、乙酰化能力上升，使蜕膜化标志PRL和IGFBP1因子表达上调，从而促进基因的转录与细胞的分化[37，39]。

四、展望

通过以上研究我们可以发现EZH2与配子发生、胚胎发育、胚胎着床和子宫内膜周期性变化有密切的关系，我们推测EZH2可能对哺乳动物生殖发育具有指导作用。现在关于EZH2的研究主要集中于肿瘤的形成和针对该基因的治疗，关于EZH2基因控制哺乳动物生殖发育方面的机理及相互关系还值得进一步深入探索。现有的EZH研究尚未阐述胚胎着床及胚胎发育的具体机制，从该方面入手研究EZH是与哪些分子相互作用影响配子的发生，就可以指导临床夫妇的备孕；研究EZH在胚胎着床中主要是在哪个环节发挥作用，就可以为临床辅助生殖技术提供理论知识；研究EZH在哺乳动物胚胎发育并形成个体过程中的表达变化规律，可以了解胎儿发育过程中疾病的发生发展规律。研究该基因在哺乳动物生殖发育过程中的作用及机制，可以为人类成功妊娠提供理论基础，为不孕不育患者带来福音。

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