组蛋白甲基转移酶ASH1L的研究进展

崔立欣，田雅晴，郝海生，赵学明，庞云渭，朱化彬，杜卫华

（中国农业科学院北京畜牧兽医研究所，家畜胚胎工程与繁殖创新团队，北京 100193）

组蛋白甲基化修饰作为表观遗传中的关键调控机制之一，在基因表达及沉默、异染色质形成、细胞分化和基因印迹等方面发挥着重要作用。缺失的、小的、同源异形 1（Absent,Small,or Homeotic 1，ASH1）是组蛋白赖氨酸N-甲基转移酶，也称为huASH1、ASH1L（ASH1-like）、KMT2H，由位于染色体带1q22 的Ash1L基因编码。ASH1 首先在果蝇中被鉴定[1]，因其基因突变导致的同源异形的表现与三胸腔结构蛋白（Trithorax，Trx）的突变体相似而被归类于TrxG 蛋白家族[2-3]。ASH1L 是含有SET（Su[var]3-9，Enhancerof-zeste，Trithorax）结构域的组蛋白甲基转移酶，不仅可催化组蛋白H3K4 和H3K36 的甲基化[4]，而且参与细胞分化、胚胎发育及自身免疫应答反应等过程。本文就ASH1L 蛋白酶的组成、功能和调控机制等方面的研究进展进行综述，旨在为进一步探索ASH1L 蛋白酶在疾病发生和治疗方面的调控机制及其大家畜快速扩繁研究提供参考。

1 组蛋白修饰

组蛋白是真核生物染色体的基本结构蛋白，有2 个活性末端——羧基端和氨基端。组蛋白修饰包括甲基化、乙酰化、磷酸化、泛素化、苏素化等，其中，组蛋白甲基化是研究的热点之一，不同位点的赖氨酸或精氨酸的乙酰化和甲基化可使染色体构象发生改变，调控基因的表达与沉默[5]。组蛋白不同残基、不同水平的甲基化修饰具有不同的生物学功能，组蛋白H3 第4 位、第36 位、第79 位赖氨酸（Histone H3 Lysine 4,36,79，H3K4、H3K36、H3K79）的甲基化与基因激活有关；组蛋白H3 第9 位、第27 位、（Histone H3 Lysine 9,27,H3K9、H3K27）及组蛋白H4 第20 位赖氨酸（Histone H4 Lysine 20，H4K20）的甲基化与基因沉默或异染色质形成有关[6]。

早期胚胎的表观重编程可有效地将父方和母方的表观基因组转换为合子的表观基因组，重编程异常则导致早期胚胎死亡或疾病[7]。作为体细胞核移植（Somatic Cell Nuclear Transfer，SCNT）胚胎EGA 的重要表观调控因子，赖氨酸特异性去甲基化酶4E（Lysine-Specific Demethylase 4E，KDM4E）在SCNT 胚胎中的低表达造成持续性的H3K9me3去甲基化障碍和基因组的异常重编程[8]。供体细胞基因组的H3K9me3 是SCNT 胚胎有效重编程的主要表观遗传障碍，在EGA 阶段的小鼠和人SCNT 胚胎中富集于重编程抗性区（Reprogramming Resistance Regions）[9-10]。在卵母细胞生长过程中，少数基因的CpG 岛在卵母细胞成熟的后期变为甲基化，这与H3K36me3 的增加和H3K4me2/3 的减少有关[11]。Mu等[12]制备了多梳抑制复合体2（Polycomb Repressive Complex 2，PRC2）的2 个亚基Zeste 同源物增强子1（Enhancer of Zeste Homologue 1，EZH1）和Zeste 同源物增强子2（EZH2）的基因敲除小鼠模型，结果发现EZH1 和EZH2 的切除导致精母细胞减数分裂的停滞；且即使没有EZH2-PRC2 存在，EZH1 的表达水平仍能单独决定H3K27 甲基化的恢复。

2 三胸腔结构蛋白质组（TrxG）

TrxG 是多种蛋白质的集合，最早在果蝇中作为维持同源异形基因（Homeobox Gene，Hox）表达模式的调控因子而被分离出来[13-14]。根据其分子功能，TrxG蛋白可分为组蛋白修饰、染色质重塑、DNA 结合蛋白和其他TrxG 蛋白[15]。TrxG 蛋白普遍存在于哺乳动物和植物等多细胞生物体内，主要作用是维持基因表达；在进化上保持高度保守；其甲基化与转录激活相关，是生物体内重要的调控因子。

TrxG 相关的组蛋白修饰复合物包括SET1SET1 相关的蛋白复合物（COMplex of Proteins Associated SET1with SET1，COMPASS）、类COMPASS（COMPASS-like）、Trx 乙酰化复合物1（Trx Acetylation Complex 1，TAC1）和ASH1 复合物，具有组蛋白甲基转移酶（Histone Methyltransferase，HMT）活性的SET 结构域是这些复合物的共同组分（表1）。值得注意的是，COMPASS 和类COMPASS 复合物的HMT 亚基均能甲基化H3K4，属于细胞中具有非冗余功能的亚基；另外，COMPASS复合物的Set1 亚基负责全局基因激活，而类COMPASS复合物的Trx 及其相关的亚基（Trx related，Trr）则靶向特定的基因[16-17]。可见，TrxG 复合物的组成决定其功能，例如在果蝇中，以Trx 和Menin（Mnn1）为特征的类COMPASS 复合物靶向Hox基因，而由Trr 和Utx 组成的类COMPASS 则靶向某些激素应答基因[16]，Trx 在哺乳动物中的同源物、混合谱系白血病1（Mixed Linkage Leukemia，MLL1）对Hox基因具有调控作用[18]，且对维持干细胞的多能性起保守作用[19]。在多梳家族蛋白（Polycomb Group，PcG）调控基因转录沉默的过程中，TAC1 和ASH1L 复合物发挥更重要的拮抗作用[20]，且其通过环磷腺苷效应元件结合蛋白（cAMP-Response Element Binding Protein，CREB）与组蛋白乙酰转移酶（Histone Acetyltransferase，HAT）活性偶联[21]。TAC1 酶的活性由Trx 和CREB 结合蛋白（CREB Binding Protein，CBP）调节，以偶联H3K4甲基化和H3K27 乙酰化；Trx 过表达可与CBP 相互作用而引起PcG 沉默[22]。

表1 TrxG 复合物成分[23]

3 ASH1L 蛋白的调控功能

3.1 ASH1L 调控Hox基因的表达 ASH1L 组蛋白甲基转移酶在果蝇和哺乳动物中可甲基化H3K4[24]和H3K36[25]，两者可调控Hox基因的表达[26]，因此ASH1L 是基因激活所必需的[27]。ASH1L 蛋白位于核内斑点和紧密连接处[28]，ChIP 分析证明其与活跃转录基因的5´转录区结合，是调节Hox基因表达的转录激活因子，分布在Hox基因的整个转录区域，是Hoxa6和Hoxa10全局表达及H3K4 甲基化所必需的[29]。在小鼠子宫发育过程中，ASH1L 通过组蛋白甲基化进行染色质重塑而激活Hoxa10及其他基因的表达；在其突变体中，Hoxa10的表达显著降低[30]，其他多个Hox基因的表达缺失。此外，类似于果蝇PRC2 的单突变体，PRC2 和ASH1 的双突变体中，Hox基因表达恢复到正常水平[31]。说明在Hox基因处，Ash1 本身不需要转录激活，但需要拮抗PcG 蛋白来发挥作用[32]。

3.2 ASH1L 抑制PcG 蛋白的表达 PcG 蛋白是一种表观遗传修饰系统，其介导的组蛋白H3K27me3 在基因沉默和发育调控中起着至关重要的作用；PcG 分为多梳抑制复合体1（Polycomb Repressive Complex 1，PRC1）和PRC2 2 个核心蛋白复合体，其中PRC2 具有组蛋白甲基转移酶活性[33]。PRC2 包含EZH2、ESC（Extrasex Combs）、SU(Z)12（Suppressor of Zeste 12）及Nurf55（Nucleosome Remodeling Factor 55）4 个亚基，后两者是PRC2 与核小体结合所必需的。在HeLa 细胞中，ASH1L 催化的H3K36me2/3 标记很少与PRC2 催化的H3K27me3 共存于组蛋白的同一条多肽上[34]。在果蝇的活性基因中，由于ASH1L 的存在PRC2 不能使染色质的H3K27 三甲基化；而在ASH1L 突变的多线染色体中，多个基因的启动子和编码区存在H3K27me3 免疫荧光信号的增强[35]，所以ASH1L 特异性催化H3K36甲基化，并通过干扰核小体上PRC2 的活性而抑制H3K27 甲基化[34]，可见ASH1L 通过在靶基因的转录区二甲基化/三甲基化H3K36 来防止H3K27me3 沉积[36]。TrxG 家族的Kismet（KIS）蛋白也可通过促进ASH1催化的H3K36me2 来拮抗PcG 的抑制功能[23,34]。15 号染色体上的转录因子MORF4 相关基因（Morf4-Related Gene on Chromosome 15，Mrg15）为ASH1L 复合体的一个亚基，与ASH1L 形成的复合物可增强H3K36me1/2的活性，拮抗PcG 介导的基因沉默，并维持靶基因的转录“ON”状态；而在ASH1L 突变体中，Nurf55 与Mrg15 形成的融合蛋白可部分恢复ASH1L 的激活机制和抗沉默功能[37]。

3.3 ASH1L 与非编码RNA 协同促进基因转录 TrxG 蛋白也可与长链非编码RNA（Long Noncoding RNA，lncRNA）结合以调节基因表达[38-39]。从脊椎动物Hoxa基因座5' 端转录而来的基因间lncRNA HOTTIP，结合WD 重复蛋白5（WD Repeat-Containing Protein 5，WDR5）而促进活性转录[40]；敲降HOTTIP 后，最接近HOTTIP 基因座的基因表达量下降，而Hoxa 基因座远端基因的表达量不变，说明HOTTIP 对活性转录基因的调控与两者之间的距离有关[41]。同时，敲降HOTTIP也导致TrxG 复合物中MLL1 和WDR5 的募集减少、5'端Hoxa 结构域处的H3K4me3 减少，可见该lncRNA对TrxG 复合物募集的重要性[40-41]。ASH1 与lncRNA互相作用，其可与灵长类特有的D4Z4 重复序列结合元件转录本（D4Z4 Binding Element-Transcript，DBE-T）结合；lncRNA DBE-T 能招募D4Z4 和ASHIL 至4 号染色体长臂第35 区（4q35），催化H3K36me2，导致染色体重塑，4q35 区基因转录，最终导致肌营养不良症的发生。DBE-T 在体内与ASH1L 结合，在体外则直接与ASH1L 的SET 结构域结合；敲低DBE-T 会导致ASH1L 募集受阻，H3K36me2 水平降低[38]。

3.4 ASH1L 调控免疫应答反应 在天然免疫应答反应中，ASH1L 是Toll 样受体（Toll-Like Receptor，TLR）信号中一个全新的负向调控分子，通过控制TLR 触发的NF-kB 和丝裂原活化蛋白激酶（Mitogen-Activated Protein Kinase，MAPK）信号通路，抑制随后的白细胞介素-6（Interleukin-6，IL-6）表达，从而保护机体抵御内毒素休克和自身免疫疾病的发生发展[42]。在哺乳动物子宫中，ASH1L 突变会导致子宫发育异常、雌性不孕、产后致死率高、雄性生育能力下降等问题[30]。ASH1L在骨髓中是一种新的关键调节因子；在胎儿造血干细胞移植到成年小鼠受体的过程中，ASH1L 对胎儿造血干细胞适应骨髓环境起关键作用；其缺失会导致成体中胎儿造血干细胞的消耗，降低移植后受体骨髓中胎儿造血干细胞的再生能力[43]。HeLa 细胞中的Hox 启动子需MLL1 和ASH1L 共同激活，而单独的MLL1 或ASH1L不足以激活转录[44]。在小鼠中，ASH1L 可通过直接激活其启动子上调Smad3（Drosophila Mothers Against Decapentaplegic Protein 3）的表达，进而促进Foxp3（Forkhead Box Protein P3）表达，并在体外诱导调节性T 细胞（Regulatory T，Treg）分化；当ASH1L 沉默时，由于Treg 细胞极化的损伤，小鼠更容易患T 细胞介导的自身免疫性疾病[45]。使用促炎细胞因子肿瘤坏死因子（Tumor Necrosis Factor Alpha，TNF-α）处理人牙髓细胞后，其可通过MAPK 信号通路诱导细胞核和细胞质中ASH1L 的表达，进而抑制基质金属蛋白酶产生，预防牙髓炎的发生[46]。

3.5 ASH1L 调控细胞分化 作为Trx 蛋白家族的一员，ASH1L 蛋白通过其SET 结构域的甲基转移酶活性来激活基因的表达。在细胞的分化过程中，ASH1L 是一个积极的调节因子。在受伤小鼠中，ASH1L 突变导致表皮细胞分化紊乱，角质形成细胞过度增殖，伤口愈合缺陷及皮肤增生[47]。在肝星状细胞（Hepatic Stellate Cells，HSCs）中，ASH1L 通过直接靶向I 型胶原纤维（Type I Collagen Fibers，Col1）和转化生长因子β1（Transforming Growth Factorβ1，TGF-β1）启动子区域中的H3K4me3修饰来促进HSCs 分化为肌成纤维细胞[48]。在小鼠胚胎干细胞中，ASH1L 突变时会下调Wnt（Wingless-Type MMTV Integration Site Family）基因的表达[49]。此外，ASH1L 通过结合Hox和Smad基因的启动子，并改变H3K4me3 的修饰水平来调控这2 个基因的表达[45,50]，而Wnt、Hox、Smad和Col1基因均能调节骨髓间充质干细胞的成骨分化[51-52]。敲除人红白血病细胞系K562细胞中的ASH1L 导致ε-珠蛋白基因的上调、髓细胞标记物血小板膜糖蛋白IIb（Platelet Glycoprotein Iib，GPIIb）和血小板膜糖蛋白IIa（GPIIIa）的下调；且在谱系标志物阴性的造血祖细胞中，敲降ASH1L 使造血干细胞向髓单核细胞分化障碍，向淋巴细胞和红细胞谱系分化增强，表明ASH1L 与MLL1 一样，通过促进造血干细胞向骨髓单核细胞分化，而调节造血干细胞发育[44]。

4 展 望

组蛋白修饰在细胞的基因表达等多种生物过程中具有重要的调控作用，而TrxG 蛋白能特异地甲基化组蛋白残基，激活基因的转录；ASH1L 则是TrxG 蛋白家族的成员。作为一种组蛋白甲基转移酶，ASH1L 通过催化组蛋白尾部赖氨酸的甲基化来调控细胞分化、胚胎发育及自身免疫应答等生物过程。随着组蛋白甲基化修饰在许多重大疾病中的致病机制和临床应用研究的深入，ASH1L 甲基转移酶的功能及其调控机制研究必将受到广泛关注。然而，目前ASH1L 的相关研究主要集中于人、小鼠和果蝇，其在家畜的研究还没有报道。作为人类疾病的动物模型，以猪、牛为对象，将有利于阐明组蛋白甲基化修饰与疾病的关系，以便在治疗过程中寻找潜在的治疗靶向标志物和相关的抑制剂，为疾病的预防与治疗提供新途径。同时该甲基转移酶调控家畜细胞分化和胚胎发育机制的揭示，也将为提高家畜的繁殖效率和实现优质家畜的高效快速扩繁提供实验基础。