SUV39H1的生物学功能研究进展

简俊综述 刘修恒，王磊审校

SUV39H1是第一个人类组蛋白赖氨酸甲基转移酶(human histone lysine methyltransferase，HMT)，是果蝇位置效应变异因子Su(var)3-9和裂殖酵母沉默因子Clr4的人类同源物，于2000年首次被发现[1]。它由1个催化活性的SET结构域和1个染色质结构域组成，在进化上较为保守，可以特异性催化H3K9甲基化，产生H3K9me3，招募异染色质蛋白1(HP1)，通过N端与HP1相互作用，在异染色质形成和基因转录抑制中发挥重要作用[2]。而且SUV39H1可以甲基化不同的非组蛋白底物蛋白，调节蛋白活性、稳定性及蛋白—蛋白相互作用。此外，以往的研究发现，SUV39H1在小鼠生殖细胞的发育和细胞周期的调控中有着重要作用[3]。通常认为，SUV39H1可能是一种肿瘤抑制因子，通过促进细胞衰老和抑制细胞增殖所需基因，参与各种类型肿瘤的发生发展[4]。越来越多的研究表明，在部分类型的肿瘤中，SUV39H1可能也发挥致癌作用。与癌旁正常组织比较，其在肝癌、结肠癌、膀胱癌等肿瘤组织中被发现表达上调[5-7]。随着研究的不断深入，SUV39H1在生长发育、糖尿病、白血病、免疫防御、血管内皮功能障碍等诸多领域的调控作用被发现，有望为相关疾病的诊断及治疗提供一个新的靶点。

1 SUV39H1的基本结构

SUV39H1由1个C端的SET结构域和1个N端的染色质结构域组成，其氨基酸序列高度保守。SET结构域具有催化活性，大约由130个氨基酸组成，能够与甲基提供体S-腺苷-L-甲硫氨酸结合并将其甲基转移到赖氨酸残基上使其甲基化[8]。SUV39H1的染色质结构域是1个包含大约50个氨基酸的保守模块，与其他染色质结构域具有约30%的同源性序列和约40%的相似性序列，N端由3个反向平行链组成1个β折叠，C端为1个长α螺旋。作为甲基化赖氨酸相互作用结构域，它能够特异性识别H3K9me2/3并与之结合，但结合亲和力比其他染色质结构域弱[9-10]。此外，在SET结构域完整存在的情况下，SUV39H1的染色质结构域的突变或者缺失同样会导致酶活性降低，这提示染色质结构域对SUV39H1的催化活性至关重要[11]。有研究利用设计的染色质模板发现了SUV39H1的两步作用激活开关。首先，染色质结构域识别H3K9me3导致酶锚定在染色质上。其次，与H3K9me3相互作用使SET结构域的甲基化活性激活。这一过程为H3K9me2/3扩散到扩展的异染色质区域建立了一个正反馈回路[12]。

2 SUV39H1功能

2.1 SUV39H1在肿瘤发生发展中的调控作用 目前，各种肿瘤的治疗面临巨大挑战，急需新的治疗靶点的开发应用。SUV39H1与肿瘤的联系日益受到关注，过去的研究倾向于认为SUV39H1发挥肿瘤抑制因子的作用，近年的研究发现SUV39H1可能也发挥致癌作用。

2.1.1 SUV39H1抑制肿瘤的发生发展：转移性进展是宫颈癌导致死亡的主要原因，在迁移的宫颈癌细胞中，SUV39H1的水平较低，而SUV39H1的敲除则会增强宫颈癌细胞的迁移能力[13]，这提示SUV39H1可以作为宫颈癌预后的预测因子。SMAD3是参与多种免疫信号通路激活的关键胞内介质，SUV39H1通过催化生成H3K9me3与DNMT1的启动子区域直接作用降低其表达，上调SMAD3的表达，抑制宫颈癌的发展[14]。另一研究发现，SUV39H1通过SUV39H1-DNMT3A-Tim-3/galectin-9轴，降低Tim-3和galectin-9的表达，稳定肿瘤微环境，抑制宫颈癌的发展[15]。表观遗传调控在白血病的发生发展中起重要作用，SUV39H1在多种白血病中均下调，敲低SUV39H1导致白血病干细胞(LSCs)数量增加，加速疾病进展。过表达SUV39H1则导致Hoxb13和Six1失活，以及Hoxa9/Meis1下游靶基因逆转，延长白血病的潜伏期并降低LSCs的数量，减缓白血病的进展[16]。miR-125a-5p在胃癌中表达较低，SUV39H1可以诱导miR-125a-5p去甲基化，导致其重新激活，在体外抑制细胞增殖、侵袭和迁移，在体内抑制肿瘤的进展[17]。

2.1.2 SUV39H1促进肿瘤的发生发展：在上皮性卵巢癌(EOC)组织中，miR-520a-3p过表达能抑制肿瘤细胞的生长和转移，过表达SUV39H1则可以逆转miR-520a-3p的作用，促进EOC的发展。SUV39H1亦被证实与卵巢癌的预后相关，高表达的SUV39H1能够促进癌细胞的增殖，并导致卵巢癌患者预后不良[18]。在肾透明细胞癌中(ccRCC)，敲低或者药物抑制SUV39H1可以诱导铁聚集和脂质过氧化，引发铁死亡，进而导致ccRCC细胞破坏。SUV39H1缺失亦可上调二肽基肽酶-4(DPP4)的表达，诱导铁死亡，发挥上述作用[2]。乙肝病毒感染后，相当一部分患者会进展为肝癌，而SUV39H1也被认为参与肝癌的发生[5]。为了研究两者在肝癌发展过程中是否存在相互作用，有研究使用HBV复制模型，通过构建乙肝病毒X蛋白(HBx)和SUV39H1表达质粒，发现HBx的共激活域与SUV39H1的PostSET和SET结构域相互作用，表现出协同效应，促进肝癌的发生[19]。Fas及其配体FasL诱导的凋亡途径，是细胞毒性T淋巴细胞诱导肿瘤细胞凋亡进而抑制肿瘤发展的主要机制之一，而H3K9me3在Fas的启动子处沉积则能抑制其表达。在人类结肠癌(CRC)中，抑制SUV39H1可以显著增加颗粒酶B、穿孔素、FasL和IFN的表达，通过增强免疫监测和CTL的杀伤作用，诱导肿瘤细胞的凋亡[7]。SUV39H1的选择性抑制剂F5446通过降低Fas启动子处的H3K9me3沉积，增加Fas的表达，促进CTL诱导的肿瘤细胞的凋亡[20]。前列腺癌在男性癌症相关死因中位居第二，其高致死率很大程度上与转移相关。有研究发现，二甲双胍能够通过抑制SUV39H1表达，降低整合素αV和β1蛋白，及其下游磷酸化的黏附激酶(FAK)水平，进而抑制前列腺癌细胞的迁移[21]。在鼻咽癌组织中SUV39H1表达显著升高，枸杞皂苷能降低其表达，通过SUV39H1/JAK2/STAT3通路抑制鼻咽癌细胞的增殖和侵袭，增加凋亡[22]。黑色素瘤是最具侵袭性和最难治疗的肿瘤之一，SUV39H1通过与DNA甲基转移酶3A相互作用促进视网膜母细胞瘤基因(RB)1启动子CpG岛甲基化，降低RB mRNA和蛋白的含量。RB数量的减少反过来减轻E2F1的转录抑制，使PIN1水平增加，使人角质形成细胞向肿瘤细胞转化，并通过RAF1-MEK-ERK信号通路激活黑色素瘤的发生[23]。

2.2 SUV39H1对糖尿病并发症的影响 全球有数亿糖尿病患者，糖尿病的各种并发症严重损害人体各组织器官，其中心血管并发症发病率及病死率均位居前列。有研究表明，SUV39H1可以保护糖尿病患者血糖控制后的血管平滑肌细胞免受代谢记忆和促炎表型的影响，而SUV39H1通过补体C3和PIN3调控ERK1/2磷酸化促进糖尿病大鼠动脉损伤后的血管平滑肌细胞的迁徙和增殖及新生内膜的形成[24]。这为糖尿病血管损伤提供了新的治疗靶点。大约有40%的糖尿病患者会进展为糖尿病肾病(DN)，甚至发展为终末期肾病(ESRD)。DN机制复杂，多种治疗方案的疗效不佳。而SUV39H1在DN患者的肾小管细胞中表达增高，高糖环境下过表达SUV39H1使H3K9me水平升高，炎性因子表达减少，细胞凋亡减少。提示SUV39H1可以通过表观遗传调控减少肾脏的炎性反应及肾脏细胞的凋亡，从而在DN中发挥保护作用[25]。

2.3 SUV39H1参与生长发育过程 在牙的发育过程中，Lhx8通过作用于SUV39H1，识别成牙本质分化相关基因，并通过甲基化其启动子上的H3K9抑制基因表达，维持细胞的未分化状态并促进细胞增殖[26]。有研究发现，SUV39H1在猪体细胞核移植(SCNT)胚胎中的水平高于体外受精胚胎[27]。抑制SUV39H1的表达可以促进德保猪胚胎成纤维细胞(PFFs)增殖，使PFFs中CyclinA2、CyclinB和PCNA的表达显著增加，同时显著提高德保猪SCNT胚胎的卵裂率、囊胚率和囊胚总细胞数[28]。使用毛壳素特异性抑制SUV39H1可降低核移植胚胎中H3K9me3的表达，激发其发育潜能[29]。H3K9me3是SCNT有效重编程的主要障碍[30]，CRL4 E3泛素连接酶在卵母细胞中的表达对生育能力至关重要，DCAF13是CRL4的衔接子，能够靶向SUV39H1的多泛素化和蛋白酶体降解，降低H3K9me3的生成并促进合子基因的表达，促进SCNT胚胎的重编程[31]。

2.4 SUV39H1促进血管内膜增生 血管损伤后，血管内膜的增生是血管修复的重要过程，而病理性的内膜增生是许多增生性血管疾病的病理基础。有研究通过构建下调SUV39H1的慢病毒载体和过表达SUV39H1的腺病毒载体，并在体外转染培养的血管平滑肌细胞(VSMCs)和颈动脉球囊损伤的大鼠，发现在血管紧张素Ⅱ(AngⅡ)刺激后，SUV39H1和DNA抑制剂3(Id3)的表达明显增加。SUV39H1下调抑制AngⅡ刺激的VSMCs的迁移和增殖，拮抗Id3的产生，促进p21和p27Kip1的表达，进而抑制内膜增生，而过表达SUV39H1则促进血管内膜的增生[32]。

2.5 SUV39H1促进特发性脊柱侧凸患者小关节软骨细胞增殖 特发性脊柱侧凸(IS)是一种病因不明的复杂疾病。有研究发现，IS患者的SUV39H1水平显著升高，它通过增加H3K9me3，增加Ⅱ型胶原(COL2A1)和B细胞淋巴瘤(Bcl2)基因，降低miR-15a的表达，促进软骨细胞增殖。这种软骨细胞增殖失调可以导致脊柱生长异常，参与IS的发生发展[33]。

2.6 SUV39H1对心肌肥厚的抑制作用 肥厚型心肌病表现为左心室肥厚并伴有舒张功能障碍，导致进行性心力衰竭。Kindlin-2可以与SUV39H1相互作用，将其招募到GATA4启动子上，通过H3K9me3抑制其表达，保护心肌免受病理性肥大同时也能避免异丙肾上腺素(ISO)处理引起的心肌肥大。而敲除Kindlin-2与SUV39H1的小鼠心肌则较早出现病理性肥厚，且ISO处理加速肥厚过程[34]。

2.7 SUV39H1对病原体侵袭的抵抗作用 宿主对病原体入侵的防御机制复杂多样，随着研究的不断深入，越来越多的新的防御机制被发现，有望为未来的抗感染治疗提供更多的策略。有研究发现，SUV39H1能够与分枝杆菌结合，使分枝杆菌组蛋白样蛋白HupB三甲基化，降低分枝杆菌的黏附能力。同时使分枝杆菌形成生物膜的能力显著降低，并降低分枝杆菌在宿主细胞内的存活能力[35]。SUV39H1在亚洲鲈鱼的鳃、脾脏和肾脏中高表达，用虹彩病毒感染亚洲鲈鱼后，SUV39H1基因的表达发生改变，在其基因的3’UTR检测到3个SNPs和1个indel，而该indel被证明与对虹彩病毒的抗性显著相关，该DNA标记可用于选择对虹彩病毒有抗性的鱼苗[3]。

2.8 SUV39H1促进HPV感染 固有免疫对病原体侵袭的防御至关重要，肿瘤相关病毒对固有免疫的破坏有利于癌变发生，高危人乳头瘤病毒(HPV)能同时触发固有免疫的多个效应体的表观遗传沉默促进病毒感染及癌症的发生。HPV E7癌蛋白能上调SUV39H1的表达，使宿主细胞RIG-I、cGAS和STING基因的表观遗传沉默，阻止干扰素分泌，破坏固有免疫，促进病毒感染及癌变的发生。而药物抑制或者敲除SUV39H1则可以恢复固有免疫，抵御病毒侵袭[36]。

2.9 SUV39H1对结肠炎的促进作用 肠道上皮屏障的损伤是胃肠道炎性反应的关键病理生理过程。山姜素(Alpinetin)能够改善结肠炎时的肠道屏障稳态。其机制为山姜素激活芳香烃受体(AhR)，降低SUV39H1的表达，促进TSC2的表达，抑制mTORC1信号通路的激活，抑制肠上皮细胞(IECs)的凋亡，保护肠上皮屏障，改善结肠炎[37]。

2.10 SUV39H1对内皮细胞功能的影响 一氧化氮(NO)在内皮细胞内通过内皮一氧化氮合成酶(eNOS)催化合成，具有松弛平滑肌、抑制炎性反应等作用。过表达的Ⅱ类反式激活因子(CⅡTA)可以与SUV39H1相互作用并将其招募到eNOS启动子，通过产生大量H3K9me3抑制eNOS转录，使NO生成减少。而SUV39H1沉默则可以消除eNOS的抑制，增加NO的生成[38]。

3 总结与展望

组蛋白作为染色质的重要组成部分，其N端从核小体核心突出，易发生各种翻译后修饰。而赖氨酸甲基化则是组蛋白共价修饰的重要环节，在基因表达的调控过程中发挥重要作用。组蛋白赖氨酸甲基转移酶SUV39H1通过调控H3K9的三甲基化，抑制基因转录，调控基因的表达在生长发育、免疫防御、疾病调控等方面发挥重要作用。本文综述的一系列研究揭示了SUV39H1与各类疾病发生发展的联系，阐述了SUV39H1作为疾病诊断及治疗新靶点的潜在价值。但由于现阶段对疾病机制及SUV39H1认识的不足，以及实验方法和技术的局限性，仍有许多问题亟待解决。如SUV39H1能够通过多个途径限制宫颈癌细胞的迁移，抑制其发展，但SUV39H1同时能促进HPV的感染及癌变的发生；SUV39H1在不同疾病的调控过程中可能发挥相反的作用；由于SUV39H1分布的广泛性，调控其表达可能带来众多无法预料的目标靶点以外的影响。这为未来的研究提示了新的方向，相信随着研究的不断深入，SUV39H1的功能作用将被更深入地理解。