蛋白質精氨酸甲基化轉移酶的研究進展

高 銳，劉凌霄

(濟南護理職業學院，濟南250102)

在哺乳動物中，目前發現的組蛋白精氨酸甲基化位點包括 H3-Arg2、H3-Arg8、H3-Arg17、H3-Arg26和H4-Arg3。精氨酸甲基化由組蛋白精氨酸甲基化轉移酶(PRMTs)催化完成;與賴氨酸甲基化類似，精氨酸甲基化也可激活或抑制染色質的相關功能。精氨酸甲基化存在單甲基化、對稱雙甲基化和非對稱雙甲基化三種狀態。現結合文獻對PRMTs的研究進展綜述如下。

1PRMTs的分類

蛋白質精氨酸甲基化是一種存在于真核生物中常見的翻譯后修飾過程，主要由PRMTs催化，將甲基基團從S-腺苷甲硫氨酸(AdoMet)上轉移到精氨酸的胍基上［1］。PRMTs分為兩類，它們都可催化精氨酸上胍基的單甲基化，同時第1類PRMTs還能產生不對稱的精氨酸雙甲基化。第2類PRMTs能產生對稱的精氨酸雙甲基化［2］。在已知的PRMTs中，只有PRMT5/JBP1是第2類PRMTs，它使一類蛋白的特定精氨酸發生對稱性雙甲基化，其中包括髓磷脂堿性蛋白、剪接體蛋白及組蛋白 H3和 H4［3］。PRMT5被鑒定為Jak激酶結合蛋白(JBP1)，其可與多種蛋白同時存在組成復合物。

在真菌、植物到動物等真核生物中，已經報道了多個 PRMTs基因，如 PRMT1、PRMT2、PRMT3、PRMT4/CARM1、PRMT5/JBP1、PRMT6 及 PRMT7。在果蠅、酵母、擬南芥和線蟲的整個基因組中，有9個PRMTs基因被確定。另外，在斑馬魚、海膽、鼠及西紅柿中，也具有高度同源的序列。因此，PRMTs是一個在真核生物中高度保守的蛋白家族。

2PRMT1和PRMT4/CARM1

目前，對PRMT1和PRMT4/CARM1的研究較深入，它們可對組蛋白H3、H4和H2B進行甲基化修飾，也可作用于其他蛋白。組蛋白精氨酸甲基化可指導組蛋白參與染色體的折疊［4，5］，如 PRMT1對組蛋白H4-Arg3的甲基化可推動H4的乙酰化作用，引發由核激素受體介導的轉錄活動，而CARM1在此過程中起激活作用。在體外，3個激活因子PRMT1、CARM1和p300(無論先后加入還是一起加入)都存在的情況下，p53介導的轉錄會達到最大激活;將染色體模板和p53及PRMT1混合孵育可顯著增強p300的組蛋白乙酰轉移酶活性;將染色體模板與p53、p300預孵化，也可誘導CARM1對H3的精氨酸甲基化作用。

PRMT1是一種在哺乳動物細胞中占絕對多數的第1類PRMT，其活性占細胞中PRMT總活性的85%。PRMT1在所有被檢測的組織中都有表達，而它在胚胎神經發育組織中的表達最高［6］。刪除PRMT1基因可致小鼠胚胎死亡，由此可推斷PRMT1對胚胎早期著床后的發育十分重要。有實驗表明，PRMT1還可能參與到神經分化中［7］。PRMT1至少有6個可變的轉錄本產生不同的蛋白，這些蛋白可能具有不同的底物特異性［8］。

所有真核生物中都具有PRMT1基因，無論在哺乳動物、斑馬魚或蛙中，它們的序列同源性均超過90%，甚至人和釀酒酵母的PRMT1也有50%的同源性。在擬南芥中也存在一個蛋白PRMT1＇，它和人源的PRMT1具有80%的同源性，這兩個蛋白除N端外均具有同樣的序列結構，但有關PRMT1＇的功能尚未見報道。PRMT1最熟知的底物是與RNA編輯(即在mRNA水平上改變遺傳信息的過程)或RNA轉運相關的RNA結合蛋白，如hnRNPs、fibrillarin、nuleolin及polyA結合蛋白Ⅱ等。最近，越來越多的蛋白作為PRMT1的底物被發現，其中包括高分子量纖維原細胞生長因子2、可被胞外信號激活的轉錄因子STAT1、轉錄延伸的調節因子SPT5，以及組蛋白 H4、H2B。PRMT4、精氨酸甲基轉移酶(CARM1)均與轉錄相關，協同促進轉錄。CARM1和p160、乙酰基轉移酶p300/CBP共同作用，可提高基因的轉錄活性［9］。

3 PRMT核心

釀酒酵母中的PRMT蛋白長度變化很大，但其有一個保守的約含310個氨基酸的核心區。此核心區外的序列都是N末端的附加區域;此外，CARM1還有一個C末端的附加區。在釀酒酵母中，N端的附加區域從PRMT1的20個氨基酸到PRMT3的200多個氨基酸，通過這些多變的N末端可將PRMT家族歸類。研究發現，PRMT7和PRMT8包含兩個保守的核心區域，且分別有一個推測的AdoMet結合位點。最近，有3個PRMT的晶體結構被解析，即鼠的 PRMT1(41-353aa)［10］及 PRMT3 催化中心(208-528aa)［11］，以及酵母的 RMT1/Hmt1(30-348aa)［12］，這些結構都具有一個嚴格保守的PRMT催化核心。單體PRMT核心結構分為3部分，即甲基轉移酶結構域、β桶和雙體手臂結構。甲基轉移酶結構域包含1個AdoMet結合位點，它屬于Ⅰ型甲基轉移酶的保守折疊類型;而 β桶結構域是 PRMT家族特有的。

4PRMT二體

在PRMT1、PRMT3核心區及酵母RMT1/Hmt1的晶體結構中都發現了1個疏水的二體接合面，它們的晶體生長條件和晶型各異，表明PRMT的二體形式是其家族的一個保守特征［10～12］。如將酵母RMT1/Hmt1的二體手臂突變成丙氨酸，PRMT1將失去二體的形式和甲基化的活性。缺少二體手臂的PRMT1在分子篩上也以單體形式被洗脫，且完全失去活性，這種酶活力喪失可能是因為無法結合AdoMet。在晶體結構中，二體的相互作用面由兩個手臂和AdoMet結合位點的外表面形成。可以想象，二體狀態的PRMT與AdoMet結合PRMT二體的另一個潛在功能可能是產生最終甲基化產物——非對稱二甲基化精氨酸。從細胞內分離PRMT的底物發現，它們都完全或幾乎完全被雙甲基化。

5 PRMT多底物結合凹槽

多數PRMT1底物包含甘氨酸和精氨酸富集的序列，所以精氨酸以精氨酸—甘氨酸—甘氨酸(RGG)的形式存在。用含有3個RGG重復序列的小肽(R3:GGRGGFGGRGGFGGRGGFG)和 PRMT1共結晶，通過三維結構鑒定了3個小肽結合凹槽，且可能代表R3小肽的混合結合模式。R3小肽的3、9和15號位置的精氨酸可能是潛在的甲基化位點。其余與P3位置平行的酸性凹槽也被鑒定，這些凹槽可能構成具有更多RGG重復的底物結合位點。

6 精氨酸的非對稱和對稱雙甲基化

作為底物的精氨酸位于甲基轉移酶結構域和β桶結構域中間的酸性氨基酸構成的活性位點深處。PRMT中組成這個活性位點的殘基是保守的，一個“雙E”發卡loop包含了幾乎所有這些氨基酸。兩個不變的谷氨酸(PRMT1中的 E144、E153和PRMT3中的E326、E335)用于壓制底物中胍基的正電荷:相互作用于PRMT1的E153分配了胍基上的正電荷，產生一個未成對電子對，該電子對攻擊帶負電的AdoMet的甲磺基基團［12］。相應的 CARM1/PRMT4突變體實驗證明，CARM1的甲基轉移酶活性是核受體共促進作用所需要的。

鼠的PRMT1、PRMT3和酵母的RMT1都是第1類精氨酸甲基化酶，除PRMT5(酵母中的Hsl 7)外，所有PRMTs都包含一個甲硫氨酸活性位點。“雙E”發卡loop的最后一個殘基(PRMT1中的155位氨基酸，PRMT3中的337位氨基酸，酵母RMT1中的143位氨基酸)很可能阻礙單甲基化精氨酸，形成對稱性雙甲基化精氨酸。對應于PRMT1中的M155、PRMT5和Hsl 7相應的氨基酸(PRMT5:446位;Hs17:474位)都是絲氨酸，這個殘基的側鏈具有更小的體積，可能允許屬于第2類精氨酸甲基化酶的PRMT5和Hsl 7催化產生對稱性的甲基化精氨酸。

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