组蛋白甲基转移酶SETDB1在生殖细胞及早期胚胎发育的研究进展

国 铭，李学亮，王立强，曾文先

（西北农林科技大学 动物科技学院，陕西 杨凌712100）

黄体在雌性哺乳动物生殖过程中发挥着关键作用，是维持妊娠所必需的。黄体化在滤泡破裂前已开始，过程受着多种因素的控制，也伴随多种激素和基因的变化。文章就黄体化过程中主要激素（孕酮）的变化可能涉及的分子机制进行阐述。

1 组蛋白甲基转移酶（SETDB1）结构及其甲基化修饰

1.1 SETDB1的结构

组蛋白甲基转移酶SETDB1（SET domain bifureated 1）也称KMT1E或ESET，其蛋白含有1 291个氨基酸［1］，能够催化组蛋白H3K9发生甲基化修饰。SETDB1蛋白主要含有三个结构域：N末端两个串联的Tudor结构域、MBD 结构域（methyl-CpG-binding domain）和C末端保守的SET结构域。

SETDB1的Tudor结构域能够将SETDB1锚定到组蛋白或非组蛋白甲基化赖氨酸或精氨酸残基上［2］。Tudor结构域主要负责与其他染色质修饰酶相互作用，同时也能够将不同的转录产物以及各种RNA 加工因子转运至卡哈尔体中（cajal bodies）。MBD结构域包含2个与DNA结合的精氨酸残基，使其可以与DNA结合。MBD结构域主要为DNA甲基化沉默相关蛋白提供识别原件。SETDB1的C端结构域包括进化上保守的SET结构域、pre-SET和post-SET结构域。SET结构域负责催化形成H3K9甲基化，pre-SET和post-SET结构域则协助SET结构域的催化活性［3］。

1.2 SETDB1与甲基化修饰

1.2.1 SETDB1与组蛋白H3K9甲基化修饰 基因的表达受到多层次和多途径的调控，而组蛋白修饰则在转录水平上调控基因表达。组蛋白修饰对基因表达的调控模式取决于组蛋白修饰位点及修饰程度，其中H3K4和H3K36甲基化修饰与基因的转录激活有关，H3K9、H3K27和H4K20甲基化修饰与基因的转录抑制有关。组蛋白甲基化修饰是一个动态可逆的状态，甲基转移酶将甲基添加上；相反，组蛋白去甲基化酶则将甲基擦除［4］。组蛋白甲基转移酶SETDB1催化组蛋白H3上第9位赖氨酸残基发生一甲基化、二甲基化或三甲基化修饰，调控染色质开放程度和异染色质的形成，从而抑制基因的表达［5］。

1.2.2 SETDB1与DNA甲基化修饰 基因转录抑制往往是由多种抑制相关修饰共同作用的结果。DNA甲基化修饰也是一种与转录抑制有关的修饰。除催化H3K9甲基化外，SETDB1还与DNA甲基化修饰相关。据报道，SETDB1通过其N端结构域与DNMT3A的PHD（Plant Homeodomain）结构域结合，并定位于基因的启动子区域，从而协同发挥转录抑制作用［6］。同时，在神经干细胞和原始生殖细胞特异性敲除Setdb1，导致基因组部分DNA甲基化修饰水平降低［7-8］。因此，SETDB1能够协同参与DNA甲基化修饰。

1.2.3 SETDB1与非组蛋白甲基化修饰 组蛋白甲基转移酶不仅可以催化组蛋白发生甲基化修饰，同时还能够催化非组蛋白发生甲基化修饰。Zhang J.等［9］发现，组蛋白甲基转移酶G9a能够催化p53蛋白第373位赖氨酸发生甲基化修饰。2019年Guo J.等［10］报道，SETDB1能够催化AKT发生甲基化修饰，引起AKT的活性增强。而且AKT的这种甲基化修饰能够被去甲基化酶KDM4B所颉颃［10］。由此说明SETDB1对非组蛋白的这种甲基化修饰也是动态可逆的。同时Wang G.等［11］证明SETDB1对AKT的甲基化修饰发生在K64位点，并由此调控AKT的定位与活性。

2 SETDB1的生物学功能

2.1 SETDB1调控生殖细胞发育与分化

原始生殖细胞（primordial germ cells，PGC）重编程过程中，DNA甲基化修饰水平逐渐降低，在E 13.5天时DNA甲基化水平达到最低。这种重编程过程能够清除亲代基因组的印记，从而形成胚胎生殖细胞［12］。在E13.5天时，原始生殖细胞中DNA甲基化水平降到最低点，此时SETDB1对于性腺发育和带有H3K9me3甲基化修饰标记的内源性逆转座元件的沉默均发挥了重要作用［7］。LIU S.等［7］通过在Tnap-Cre介导的原始生殖细胞中Setdb1敲除发现，Setdb1-KO导致逆转录转座子上H3K9me3修饰水平降低。对E 9.5天的原始生殖细胞特异性敲除Setdb1，导致生殖细胞发育受损和成年小鼠性腺发育受阻。可见，SETDB1对雄性生殖细胞发育的早期阶段是必需的。

精原干细胞是睾丸中能够自我更新、维持和分化的一类成体干细胞，是精子发生的基础，其稳态受到严格内源性及外源性因子的调控。SETDB1表达量随着小鼠睾丸的发育（0 d，3 d，5 d，7 d，14 d，21 d和成年）逐渐升高，而且在成年小鼠的组织器官（心脏、肝脏、脾脏、肺脏、肾脏、卵巢和睾丸）中，睾丸组织中表达量最高，预示着SETDB1在小鼠出生后雄性生殖细胞发育过程中可能扮演着重要的角色。An J.等［13］发现，Setdb1-KD导致小鼠精原干细胞中大量的基因表达发生紊乱，其中有2 490个基因（15.0%）表达量上调了2倍以上，2 425个基因（14.6%）表达量下调超过50%；GO分析结果指出，SETDB1参与小鼠精原干细胞代谢和发育等。通过体外培养及精原干细胞移植试验发现，SETDB1对小鼠精原干细胞的维持是必需的。Liu T.等［14］进一步研究发现，Setdb1-KD的精原干细胞中，促凋亡相关基因p53、Caspase9、Bax和Apaf1表达上调，抑凋亡基因XLAP表达下调。SETDB1通过H3K9me3介导PTEN/AKT/FOXO1信号通路调控凋亡相关基因的表达，从而维系精原干细胞的命运。因此，SETDB1对精原干细胞的命运决定是必需的。

SETDB1也调控猪雄性生殖细胞的命运。在猪睾丸组织中SETDB1与H3K9me3的分布模式存在差异，在7日龄和2月龄猪睾丸组织中，SETDB1分布于性原细胞和精原干细胞的细胞质，然而H3K9me3分布于核周。在成年猪睾丸组织中，SETDB1分布于精原干细胞和分化了的精原细胞的细胞核，但是H3K9me3分布于精原干细胞的核周，在分化的精原细胞中则呈现斑点状分布［15-16］。Liu T.T.等［17］报道，SETDB1与H3K27组蛋白甲基修饰酶EZH2之间具有相互作用，在猪性原细胞中敲低SETDB1后H3K9me3水平发生明显变化，但引起H3K27me3水平降低，表明Setdb1-KD通过调控H3K27me3水平诱导猪性原细胞的命运。因此，SETDB1作为猪雄性生殖细胞表观遗传调节因子，能够维持猪生殖细胞的生存。

生殖细胞减数分裂过程中染色体联会紊乱，导致基因突变或者非整倍性的出现。为了防止这种现象的出现，小鼠进化出两种检测机制清除有缺陷的生殖细胞［18］。第一，持续性的DNA损失激活CHK2/p53/p63通路，从而清除生殖细胞；第二，减数分裂过程的粗线期阶段，同源染色体不发生联会导致数百个基因失活［19-20］。此外，在雄性生殖细胞减数分裂过程中，未联会的X、Y染色体受抑制，最终浓缩形成X、Y小体。其中，X、Y小体的形成与DNA损伤应答途径和表观修饰相关［21］。T.Hirota等［18］通过Ngn3-cre介导敲除精原细胞Setdb1，发现减数分裂过程中SETDB1通过TRIM28连接到DNA损伤应答途径，从而引起X、Y染色体浓缩。

同时，SETDB1也调控雌性生殖细胞发育。2016年J.Kim等［22］报道，SETDB1对卵母细胞减数分裂和植入前的胚胎发育是必需的。敲除Setdb1引起卵母细胞中H3K9me2水平降低，导致DNA双链断裂增加和减数分裂过程受阻。虽然部分Setdb1-KO的卵母细胞能够与精子完成受精过程并发育形成胚胎，但难以发育至囊胚期阶段。进一步研究发现，Setdb1敲除导致卵母细胞减数分裂过程中着丝粒与微管的结合以及纺锤体组装受损［23］。

因此，SETDB1作为一种组蛋白甲基转移酶，在雄性和雌性生殖细胞发育中均发挥着重要作用。

2.2 SETDB1在早期胚胎发育过程中的功能

在小鼠中，SETDB1缺失导致胚胎发育至E 4.5天时致死［24］，而敲除组蛋白甲基转移酶G9a导致胚胎发育至E9.5天时致死［25］，因此，SETDB1对于小鼠早期胚胎发育至关重要。精子与卵子结合后，SETDB1更多地富集在雄原核，说明SETDB1可能与精子来源的染色质重构有关。在这一阶段，SETDB1以点状形式分布在核周区域，这些区域大多为组成型异染色质区域和卫星DNA序列。SETDB1的这种独特的核周分布模式可能是与HP1蛋白相互作用导致的。随着胚胎发育，SETDB1从点状分布逐渐转变为弥散分布，这种弥散分布模式可持续到8细胞阶段，经过短暂的消失之后在囊胚期又呈现点状分布。囊胚期SETDB1的点状分布与PML-NB复合物有关［26］。SETDB1在早期胚胎发育的不同分布模式可能与其功能发挥相关。

3 小结

SETDB1对生殖细胞发育及早期胚胎发育均至关重要的。在小鼠和猪睾丸发育过程中，SETDB1表达水平随着睾丸发育逐渐升高；受精之后SETDB1逐渐开始表达，且SETDB1在雄原核中的信号比在雌原核中强。SETDB1除了通过H3K9甲基转移酶活性直接调控基因表达之外，还能与其他表观修饰酶相互协同作用和催化非组蛋白甲基化，发挥多种生物学功能。近年来研究表明，SETDB1通过RNA结合蛋白hnRNPK与lincRNA相互作用影响体细胞重编程。尽管SETDB1在生殖细胞发育和早期胚胎发育领域取得了一定的进展，但是SETDB1与其他的修饰（如SUMO修饰、磷酸化修饰、泛素化修饰）之间是否存在联系，以及SETDB1是否与这些修饰之间相互协同，从而在生殖细胞和胚胎发育中发挥作用，这些都有待于进一步探究。