蛋白質精氨酸甲基轉移酶與腫瘤干預治療

麻苗苗(綜述)，曹仁賢(審校)

(南華大學附屬第一醫院內分泌科，湖南 衡陽 421001)

?

腫瘤醫學書

蛋白質精氨酸甲基轉移酶與腫瘤干預治療

麻苗苗(綜述)，曹仁賢※(審校)

(南華大學附屬第一醫院內分泌科，湖南 衡陽 421001)

摘要：尋找有效的腫瘤干預靶點對腫瘤患者具有重要意義。蛋白質精氨酸甲基轉移酶(PRMTs)是催化蛋白質底物精氨酸殘基甲基化的唯一關鍵酶，參與多種重要的基礎細胞代謝過程。近年來的研究發現，異常表達的PRMTs可以通過促進催化精氨酸殘基甲基化的過程參與腫瘤的發生與發展；PRMTs表達的高低可以作為判斷腫瘤預后的因子。這些結果提示，如果針對性干預PRMTs或許可以給腫瘤患者帶來臨床獲益。

關鍵詞：蛋白質精氨酸甲基轉移酶；精氨酸甲基化；腫瘤；干預治療

腫瘤是導致人類死亡的主要疾病之一，仍然缺乏有效的治療手段，在現有的治療基礎上尋找新的潛在治療靶點對腫瘤患者具有重要的現實意義。深刻理解腫瘤的生物學特性、選擇具有關鍵作用的調控分子作為干預對象是尋找潛在治療靶點的核心[1]。精氨酸甲基化是一種普遍存在的翻譯后修飾方式，涉及DNA修復、RNA加工、轉錄調控以及信號轉導等多種細胞過程，蛋白質精氨酸甲基轉移酶家族(protein arginine methyltransferases, PRMTs)是催化精氨酸甲基化完成的唯一酶[2-3]。大量研究證實，精氨酸甲基化在多種腫瘤的發生、發展及侵襲過程中起著重要的作用；同時研究發現PRMTs在肺癌、乳腺癌、結腸直腸癌、膀胱癌以及白血病等多種腫瘤中表達異常[4-11]。現就近年來有關PRMTs與腫瘤的研究進行綜述，推測其或許是一個潛在的腫瘤干預治療新靶點。

1PRMTs

目前在哺乳動物中共發現9種PRMT，每種PRMT都擁有一段共同的保守轉甲基酶結構域，主要包括甲基供體的子域、S-腺苷-甲硫氨酸和底物蛋白[12]。PRMTs以S-腺苷-甲硫氨酸作為甲基供體，甲基化修飾蛋白精氨酸的胍基氮，生成S-腺苷同型半胱氨酸和甲基精氨酸。富含甘氨酸和精氨酸結構域的蛋白質是公認的PRTMs作用底物，但隨著有關PRMTs研究的進展，研究發現PRMTs還可以甲基化單個精氨酸[3]以及脯氨酸、甘氨酸、蛋氨酸共有序列[13]等。目前已經發現超過120種包括組蛋白和非組蛋白在內的精氨酸甲基化蛋白[14-15]，并且仍繼續有新的精氨酸甲基化蛋白被發現，更多有關PRMTs的功能以及其在信號通路調控中的作用不斷被發掘[14]。

根據PRMTs催化精氨酸殘基生成的產物不同可以將其分為3型(表1)[2,16]。Ⅰ型PRMT[PRMT1、3、4/共激活相關的精氨酸甲基轉移酶(coactivator-associated arginine methyltransferase, CARM)1、6和8]催化生成非對稱性二甲基精氨酸；Ⅱ型PRMT(PRMT5)可以催化生成對稱性二甲基精氨酸；Ⅲ型PRMT(PRMT7)催化生成單甲基精氨酸；PRMT 9目前暫未歸類，推測其可能可以歸類為Ⅱ型[17]。PRMTs催化精氨酸甲基化的過程是一種普遍存在的翻譯后修飾方式，其涉及DNA修復、RNA加工、轉錄調控以及信號轉導等多種重要的細胞生理過程(表1)，如PRMTs通過甲基化RNA結合蛋白上的精氨酸參與轉錄后的基因調控[18]；PRMTs能甲基化修飾組蛋白、共激活子環磷腺苷效應元件結合蛋白綁定蛋白 (cAMP-response element binding protein-binding protein,CBP)/p300以及轉錄因子，調節基因的轉錄、協助組蛋白的編碼和促進信使核糖核蛋白的包裝[19]等。在所有的PRMTs中以PRMT 1和PRMT5最為重要，缺失兩者之中任何一種將導致機體生命活動障礙[20-21]。

2PRMTs與腫瘤

PRMTs通過精氨酸甲基化修飾參與多種細胞過程，在此基礎上近年來的研究令人值得關注和進一步探索，即在多種腫瘤細胞中可以發現PRMTs異常表達(表2)，并在這些腫瘤的發生、發展以及侵襲過程中起重要作用，提示通過干預PRMTs或許可能可以有效控制腫瘤的發展。目前在哺乳動物中發現了9種PRMTs，其中PRMT1、PRMT2、PRMT4/CARM1和PRMT7已經得到確認并且特征性的表達。

2.1PRMT 1PRMT1是最為重要的Ⅰ型PRMTs，在細胞質和細胞核中廣泛表達，哺乳動物體內85%以上的精氨酸甲基化由其催化完成[17]。以前認為PRMT1只有一種形態，但目前的研究發現PRMT1有7種亞型，即PRMT1v1~v7[22]。隨著對PRMT1深入的了解，近年來大量的研究發現PRMT 1在多種腫瘤疾病中異常表達，且大多數以表達增加為主[5,7-9,11]。在乳腺癌中，PRMT1基因以及蛋白的表達水平均明顯上調，這一現象不僅在乳腺癌細胞系中存在，在乳腺癌腫瘤中同樣存在[22]，進一步通過免疫組織化學發現PRMT1的表達主要在細胞質中，而僅有小部分在細胞核中表達。臨床研究發現乳腺癌患者高表達PRMT1v1基因預后不佳，且無病生存時間明顯縮短[8]。

表1　蛋白質精氨酸甲基轉移酶家族[16]

PRMTs:蛋白質精氨酸甲基轉移酶；CARM1:共激活相關精氨酸甲基化轉移酶1；H4R3：組蛋白H4第3位精氨酸；MRE11：染色體不穩定性相關基因MRE11，DNA損傷關鍵蛋白；53BP1：P53綁定蛋白1；SAM68：SRC相關的有絲分裂68×103蛋白；H3R8：組蛋白H3第8位精氨酸；RBS2：40S核糖體蛋白S2；p53：抑癌基因P53；H3R17：組蛋白H3第17位精氨酸；AIB1：乳腺癌擴增因子1；p300：組蛋白乙酰轉移酶P300；CBP：CREP綁定蛋白；RNA pol ⅡCTD：RNA聚合酶ⅡC端結構域；piRNA：PIWI相互作用RNA；H4R3：組蛋白H4第3位精氨酸；E2F1：腺病毒E2啟動子結合因子1；EGFR：表皮生長因子受體；CRAF：原癌基因絲蘇氨酸蛋白激酶；H3R2：組蛋白H3第2位精氨酸； H2AR29：組蛋白H2A第29位精氨酸；H2AR3：組蛋白H2A第3位精氨酸

表2　PRMTs在不同腫瘤中的作用[17]

PRMTs:蛋白質精氨酸甲基轉移酶;CARM1:共激活相關精氨酸甲基化轉移酶1

在細胞核中，PRMT1可以甲基化組蛋白H4中的第3位精氨酸，而這一特異性的甲基化修飾是轉錄激活的標志[23]。研究發現，前列腺癌細胞核內組蛋白H4第3位精氨酸甲基化水平與其發生率呈正相關，并且還可以用來預測前列腺癌的復發風險[24]。盡管目前尚不清楚組蛋白H4第3位精氨酸甲基化后如何激活染色質的狀態，但發現精氨酸甲基化的效應分子tudor結構域結合蛋白3與之相互作用，而tudor結構域結合蛋白3高表達提示乳腺癌患者預后不佳。

研究發現，降解PRMT1可以顯著抑制乳腺癌、肺癌以及膀胱癌細胞系的增殖，其原因與降解PRMT1后細胞停滯在G0/G1期有關[9]。RNA干擾后沉默PRMT1v2基因可以明顯降低乳腺癌細胞的生存能力[25]。

2.2PRMT2最初認為PRMT2可能不存在精氨酸甲基轉移酶的活性，但近期的研究顯示PRMT2擁有Ⅰ型精氨酸甲基轉移酶活性，能對其底物組蛋白H4進行甲基化，盡管與PRMT1相比其甲基化的活性要弱很多[26]，另外研究發現β聯蛋白可以招募PRMT2到組蛋白H3上甲基化第8位精氨酸然后啟動目的基因的轉錄[27]。現有的研究已經證實，PRMT2可以通過配體-受體方式與相應的轉錄激活因子(雌激素受體α、孕酮受體、雄激素受體、過氧化物酶體增殖激活物受體γ以及視黃酸受體α)結合后發揮其生物學功能[28]，而激活雌激素受體α、孕酮受體和雄激素受體與腫瘤細胞的生長與發展有關。

研究發現雌激素受體、孕激素受體陽性的細胞株(MCF7、T47D、BT474和ZR-75-1)中PRMT2基因和蛋白表達的水平是受體陰性細胞株(MDA-MB-231、MDA-MB-453和SK-BR-3)的2倍左右；另外還發現乳腺癌組織中PRMT2基因的表達明顯高于癌旁組織，同時雌激素受體陽性的乳腺癌組織PRMT2基因的表達較陰性癌組織要高，免疫組織化學也提示同樣的結果[29]。這一研究結果提示在乳腺癌中PRMT2基因的表達與雌激素受體α相關，這也與PRMT2發揮其生物學功能的方式相一致。

2.3PRMT4/CARM1在哺乳動物細胞中PRMT4參與了包括翻譯、前體信使RNA剪接、細胞周期調控以及DNA修復在內的多種細胞內過程，而在腫瘤細胞內PRMT4通過與腫瘤相關蛋白相互作用或協同作用在調控細胞增殖和存活中起重要作用。PRMT4可以被招募到細胞周期蛋白 E1基因的啟動子區域，作為一種翻譯共激活因子的方式調控細胞周期蛋白 E1基因的表達；在雌激素的刺激作用下，PRMT4甲基化組蛋白H3的第17位精氨酸引起腺病毒E2啟動子結合因子1(adenovirus E2 factor 1，E2F1)表達增加進而調控乳腺癌細胞的增殖[30]；另外，近期的研究發現PRMT4可以通過甲基化BAF155促進乳腺癌細胞的遷移和轉移[31]。

臨床研究發現，PRMT4的表達在前列腺癌、結直腸癌以及乳腺癌中明顯異常[4,6-7]。在結直腸癌組織中，PRMT4的表達顯著增加[6]。PRMT4不僅在前列腺癌組織中高表達，同時在前列腺上皮內瘤中同樣可以發現PRMT4表達增加，而前列腺上皮內瘤是前列腺癌的癌前病變[4,7]。同樣在乳腺癌中也發現PRMT4表達異常增高[7]，近期Cheng等[32]的研究發現在浸潤性乳腺癌中PRMT4表達顯著上調，且上調的水平與腫瘤分期以及人類表皮生長因子受體2、抑癌基因p53和增殖細胞核抗原Ki-67的表達呈正相關，提示PRMT4可能可以作為乳腺癌的一個判斷預后的因子。

2.4PRMT7PRMT7最初是在中國倉鼠細胞中被發現，其有2個亞型，PRMT7α和PRMT7β，PRMT7α在細胞質和細胞核中均有表達，而PRMT7β僅在細胞質中表達[17]。在人腫瘤細胞系中，僅HeLa和HuH7細胞株中發現一種PRMT7的表達，表達的PRMT7與PRMT7β同源。PRMT7具有Ⅱ型和Ⅲ型精氨酸甲基轉移酶的活性，PRMT7催化生成的單甲基精氨酸推測可能作為其他PRMTs的反應中產物。盡管目前對PRMT7準確的生物學功能認識有限，但研究顯示PRMT7與腫瘤相關，降解PRMT7可以增強HeLa細胞對喜樹堿(一種抗癌藥物)的敏感性[33]；目前唯一識別出的可以與PRMT7相互作用的蛋白11-鋅指蛋白是一種典型的致癌基因[34]。

3展望

腫瘤是除心、腦血管疾病之外人類死亡的又一主要原因，同時對于某些腫瘤而言目前仍然缺乏有效的治療手段，因此迫切需要尋找新的、重要的干預靶點。大量研究顯示，PRMTs不僅在生物體內發揮多種基礎的生理作用，而且在腫瘤發生、發展及侵襲過程中同樣起重要作用，這使PRMTs在未來極有希望成為腫瘤干預治療的一個新靶點。盡管目前尚無針對性的藥物開發，且存在諸多困難，但相信隨著更多有關PRTMs在腫瘤中的作用、機制以及針對性藥物研究的開展，PRMTs治療腫瘤可以成為現實。

參考文獻

[1]Hanahan D,Weinberg RA.Hallmarks of cancer:the next generation[J].Cell,2011,144(5):646-674.

[2]Bedford MT,Clarke SG.Protein arginine methylation in mammals:who,what,and why[J].Mol Cell,2009,33(1):1-13.

[3]Bedford MT,Richard S.Arginine methylation an emerging regulator of protein function[J].Mol cell,2005,18(3):263-272.

[4]Hong H,Kao C,Jeng MH,etal.Aberrant expression of CARM1,a transcriptional coactivator of androgen receptor,in the development of prostate carcinoma and androgen-independent status[J].Cancer,2004,101(1):83-89.

[5]Cheung N,Chan LC,Thompson A,etal.Protein arginine-methyltransferase-dependent oncogenesis[J].Nat Cell Biol,2007,9(10):1208-1215.

[6]Kim YR,Lee BK,Park RY,etal.Differential CARM1 expression in prostate and colorectal cancers[J].BMC Cancer,2010,10:197.

[7]Mathioudaki K,Papadokostopoulou A,Scori las A,etal.The PRMT1 gene expression pattern in colon cancer[J].Br J Cancer,2008,99(12):2094-2099.

[8]Mathioudaki K,Scorilas A,Ardavanis A,etal.Clinical evaluation of PRMT1 gene expression in breast cancer[J].Tumour Biol,2011,32(3):575-582.

[9]Yoshimatsu M,Toyokawa G,Hayami S,etal.Dysregulation of PRMT1 and PRMT6,Type I arginine methyltransferases,is involved in various types of human cancers[J].Int J Cancer,2011,128(3):562-573.

[10]Pal S,Baiocchi RA,Byrd JC,etal.Low levels of miR-92b/96 induce PRMT5 translation and H3R8/H4R3 methylation in mantle cell lymphoma[J].EMBO J,2007,26(15):3558-3569.

[11]Papadokostopoulou A,Mathioudaki K,Scorilas A,etal.Colon cancer and protein arginine methyltransferase 1 gene expression[J].Anticancer Res,2009,29(4):1361-1366.

[12]Bachand F.Protein arginine methyltransferases:from unicellular eukaryotes to humans[J].Eukaryotic Cell,2007,6(6):889-898.

[13]Cheng D,Cate J,Shaaban S,etal.The arginine methyltransferase CARM1 regulates the coupling of transcription and mRNA processing[J].Mol Cell,2007,25(1):71-83.

[14]Boisvert FM,Chénard CA,Richard S.Protein interfaces in signaling regulated by arginine methylation[J].Sci STKE,2005,2005(271):re2.

[15]Guo A,Gu H,Zhou J,etal.Immunoaffinity enrichment and mass spectrometry analysis of protein methylation[J].Mol Cell Proteomics,2014,13(1):372-387.

[16]Yang Y,Bedford MT.Protein arginine methyltransferases and cancer[J].Nat Rev,2013,13(1):37-50.

[17]Baldwin RM,Morettin,Cote J.Role of PRMTs in cancer:could minor isoforms be leaving a mark?[J].Woeld J Biol Chem,2014,5(2):115-129.

[18]Herrmann F,Bossert M,Schwander A,etal.Arginine methylation of scaffold attachment factor A by heterogeneous nuclear ribonucleoprotein particle-associated PRMT1[J].J Biol Chem,2004,279(47):48774-48779.

[19]陳亞軍,文格波.蛋白質精氨酸甲基轉移酶的研究進展[J].國際病理科學與臨床雜志,2008,28(6):535-539.

[20]Yu Z,Chen T,Hébert J,etal.A mouse PRMT1 null allele defines an essential role for arginine methylation in genome maintenance and cell proliferation[J].Mol Cell Biol,2009,29(11):2982-

2996.

[21]Tee WW,Pardo M,Theunissen TW,etal.Prmt5 is essential for early mouse development and acts in the cytoplasm to maintain ES cell pluripotency[J].Genes Dev,2010,24(24):2772-2777.

[22]Goulet I,Gauvin G,Boisvenue S,etal.Alternative splicing yields protein arginine methyltransferase 1 isoforms with distinct activity,substrate specificity,and subcellular localization[J].J Biol Chem,2007,282(45):33009-33021.

[23]Wang H,Huang ZQ,Xia L,etal.Methylation of histone H4 at arginine 3 facilitating transcriptional activation by nuclear hormone receptor[J].Science,2001,293(5531):853-857.

[24]Seligson DB,Horvath S,Shi T,et al.Global histone modification patterns predict risk of prostate cancer recurrence[J].Nature,2005,435(7046):1262-1266.

[25]Baldwin RM,Morettin A,Paris G,etal.Alternatively spliced protein arginine methyltransferase 1 isoform PRMT1v2 promotes the survival and invasiveness of breast cancer cells[J].Cell Cycle,2012,11(24):4597-4612.

[26]Lakowski TM,Frankel A.Kinetic analysis of human protein arginine N-methyltransferase 2:formation of monomethyl and asymmetric dimethyl-arginine residues on histone H4[J].Biochem J,2009,421(2):253-261.

[27]Blythe SA,Cha SW,Tadjuidje E,etal.Beta-Catenin primes organizer gene expression by recruiting a histone H3 arginine 8 methyltransferase,Prmt2[J].Dev Cell,2010,19(2):220-231.

[28]Qi C,Chang J,Zhu Y,etal.Identification of protein arginine methyltransferase 2 as a coactivator for estrogen receptor alpha[J].J Biol Chem,2002,277(32):28624-28630.

[29]Zhong J,Cao RX,Zu XY,etal.Identification and characterization of novel spliced variants of PRMT2 in breast carcinoma[J].FEBS J,2012,279(2):316-335.

[30]Frietze S,Lupien M,Silver PA,etal.CARM1 regulates estrogen-stimulated breast cancer growth through up-regulation of E2F1[J].Cancer Res,2008,68(1):301-306.

[31]Wang L,Zhao Z,Meyer MB,etal.CARM1 methylates chromatin remodeling factor BAF155 to enhance tumor progression and metastasis[J].Cancer Cell,2014,25(1):21-36.

[32]Cheng H,Qin Y,Fan H,etal.Overexpression of CARM1 in breast cancer is correlated with poorly characterized clinicopathologic parameters and molecular subtypes[J].Diagn Pathol,2013,8:129.

[33]Verbiest V,Montaudon D,Tautu MT,etal.Protein arginine (N)-methyl transferase 7 (PRMT7) as a potential target for the sensitization of tumor cells to camptothecins[J].FEBS Lett,2008,582(10):1483-1489.

[34]Martin-Kleiner I.BORIS in human cancers--a review[J].Eur J Cancer,2012,48(6):929-935.

Protein Arginine Methyltransferases and Cancer Interventional TherapyMAMiao-miao,CHAORen-xian. (DepartmentofEndocrinology,theFirstAffiliatedHospital,UniversityofSouthChina,Hengyang421001,China)

Abstract:Finding an effective intervention cancer target is important for the patients.Protein arginine methyltransferases(PRMTs) are the unique and critical enzymes which catalyze the methylation of protein substrates arginine residues,participate in a variety of important basic cell metabolic processes.Recent studies have found that PRMTs take part in the occurrence and development of cancer via promoting catalyzing the methylation of arginine residues, and the expression level of PRMTs can serve as a prognosis evaluating factor for cancer.These results indicate that it may bring clinical benefits to the tumor patients through targeted intervention of PRMTs.

Key words:Protein arginine methyltransferases; Arginine methylation; Cancer; Interventional therapy

收稿日期：2015-01-04修回日期：2015-03-06編輯：相丹峰

基金項目：國家自然科學基金(81372824)

doi：10.3969/j.issn.1006-2084.2015.09.020

中圖分類號:R730.22

文獻標識碼：A

文章編號：1006-2084(2015)09-1589-03