組蛋白密碼與膠質母細胞瘤關系的研究進展

孫紅軍 綜述 荔志云 審校

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組蛋白密碼與膠質母細胞瘤關系的研究進展

孫紅軍 綜述 荔志云 審校

組蛋白密碼由組蛋白中被修飾氨基酸的種類、位置和修飾類型構成。目前研究發現組蛋白密碼與膠質母細胞瘤（glioblastoma，GBM）密切相關。GBM細胞中各種效應蛋白與組蛋白修飾后相應靶位點的結合效應控制著染色質的狀態，進一步影響GBM細胞DNA復制及基因表達調控等表觀遺傳現象。GBM組蛋白密碼信息存在于包括組蛋白乙酰化、甲基化、磷酸化、泛素化等翻譯修飾過程中。組蛋白密碼與GBM關系的研究為GBM的發生發展、臨床診斷和治療研究提供了更多分子靶點。

膠質母細胞瘤 組蛋白密碼 組蛋白修飾 表觀遺傳學

膠質母細胞瘤（glioblastoma，GBM）是人類最常見的惡性腦腫瘤，約占原發性腦腫瘤的16%［1］，其中位生存期為9～12個月［2］。患者經標準的GBM治療包括最大程度手術切除聯合放療和烷化劑輔助化療，然而其5年生存率仍低于10%［3］，總體中位生存期為14.6個月［4］。有研究通過全基因組的序列分析發現，GBM復發、耐藥與其表觀遺傳機制和途徑密切相關［5］。組蛋白密碼是一種重要的染色體和基因表達的表觀遺傳調節機制［6］。因此組蛋白密碼的變換在GBM的發生、發展中起關鍵性作用；其相關分子標志物可為GBM的診斷提供重要信息；另外，組蛋白密碼變換的可逆性使得對應的靶向治療成為可能。本研究對組蛋白密碼與GBM關系的研究進展進行綜述。

1 組蛋白及組蛋白密碼

1.1組蛋白

組蛋白是核小體的重要組成結構，核小體是構成染色質的基本單位。每個核小體由147 bp的DNA纏繞八聚體核心組蛋白1.65圈形成，其中核心組蛋白包括H2A、H2B、H3和H4各兩個分子［7］。核小體之間由H1及DNA連接。每個組蛋白約有20個氨基酸N-端末尾伸出核小體之外，由于其性質不穩定，可發生各種翻譯后修飾，使其成為許多信號傳導通路的靶位點。

1.2組蛋白密碼

組蛋白非結構化的N-末端尾巴通過各種不同翻譯后靶向修飾，如乙酰化、甲基化、磷酸化或ADP核糖基化等，這些修飾結構具有類似DNA遺傳密碼的功能，故又稱作“組蛋白密碼”［8］。組蛋白修飾狀態改變后，使其與DNA結合區由緊變松，靶基因暴露并與轉錄復合物相互作用，從而調控基因轉錄進程及染色體相關聯事件［9］。組蛋白密碼的變換影響整個基因組的結構和完整性，進而改變細胞核基因表達的微環境，參與腫瘤發生的過程［10］。

2 組蛋白密碼與GBM

特定的組蛋白修飾標記使GBM組蛋白密碼發生變換，反應GBM相應的生物學過程。汪炎等［11］通過研究53例不同級別膠質瘤組織樣本，發現組蛋白修飾水平與WHO級別呈正相關，結合WHO病理診斷

可對膠質瘤惡性程度進行更準確分級，對腦膠質瘤患者預后判斷具有重要的意義；另外，可對膠質瘤化療患者的化療敏感性進行評估，為個體化治療方案的選擇提供依據。

2.1組蛋白乙酰化與GBM

組蛋白乙酰化是一個可逆的動態過程，穩定平衡此修飾作用的酶包括組蛋白乙酰轉移酶（histone acetyltransferase，HAT）和組蛋白脫乙酰酶（histone deacetylase，HDAC）。三羧酸循環中間代謝物乙酰輔酶A的動態平衡連接著轉錄調控的表觀遺傳機制，組蛋白乙酰化修飾精確地調控基因轉錄活性，發揮重要生物學功能［12］。HAT將乙酰輔酶A的乙酰基部分轉移至核心組蛋白氨基末端上特定賴氨酸殘基的氨基基團，這些賴氨酸的乙酰化導致電荷的中和及DNA與組蛋白的分離，使核小體DNA易于接近轉錄因子，在此種情況下，其他因子可結合于DNA上［13］。HDAC則移去組蛋白賴氨酸殘基上的乙酰基，恢復組蛋白的正電性，帶正電荷的賴氨酸殘基與DNA之間的相互作用可限制核小體在DNA上的移動，使啟動子不易接近轉錄調控元件，抑制轉錄［13］。組蛋白乙酰化程度與轉錄活性密切相關，一般是轉錄活躍區的核小體組蛋白呈高度乙酰化，而不活躍區則呈低乙酰化狀態。各種腫瘤的發生過程常伴隨著乙酰化紊亂，干預組蛋白乙酰化可影響腫瘤進程。有研究發現GBM的異質性和多條信號通路紊亂是組蛋白乙酰化失調所致，HDAC抑制劑可誘導GBM細胞凋亡和促進GBM細胞死亡［14］。金絲桃素誘導GBM細胞HDAC低表達導致核心組蛋白尤其H3和H4乙酰化升高，從而使染色質結構松弛和有利于細胞分化相關基因的表達與轉錄，最終促進GBM細胞分化，穩定患者病情［15］。Kitange等［16］研究發現組蛋白H3賴氨酸9乙酰化（H3K9-AC）升高和二甲基化（H3K9-ME2）降低是GBM對替莫唑胺（TMZ）產生耐藥的重要機制，并且TMZ聯合HDAC抑制劑可逆轉這種表觀遺傳學驅動性的耐藥機制，因此表觀遺傳學靶向治療是GBM潛在的新療法。

2.2組蛋白甲基化與GBM

組蛋白甲基化是由組蛋白甲基化轉移酶介導催化H3和H4組蛋白N末端精氨酸或賴氨酸殘基上發生的甲基化［10］：組蛋白H3賴氨酸甲基化位點主要在K4、K9、K27、K36、K79，組蛋白H4甲基化位點在K20，組蛋白H1甲基化位點在K26，賴氨酸殘基可以是單、二或三甲基化的組合；組蛋白H3和H4的尾部精氨酸側鏈甲基化位點包括R2、R8、R17以及組蛋白H3的R26和組蛋白H4的R3，精氨酸側鏈可以單甲基或二甲基化。組蛋白甲基轉移酶主要包括精氨酸甲基轉移酶家族和賴氨酸甲基轉移酶。精氨酸甲基化激活基因表達，而不同位點賴氨酸甲基化發揮轉錄激活或抑制功能。小兒GBM已經確定了兩種編碼組蛋白H3（H3F3A的H3.3和HIST1H3B為H3.1）的突變（K27M和G34R/v）；H3.3K27M突變體可降低內源性H3K27me2和H3K27me3的表達；H3K4、H3K9、H3K79、H4K20位點的甲基化抑制轉錄［17］。GBM常發生H3K4R或K9R突變，其中以賴氨酸突變為精氨酸為主，且腫瘤特異性丙酮酸激酶M2（PKM2）調節基因轉錄依賴于EGFR激活組蛋白H3K9的乙酰化［18］。最近研究已經確定了等位基因H3F3A賴氨酸27至蛋氨酸（K27M）突變，其中一個基因編碼組蛋白H3變體H3.3，出現在小兒60%的高級別腦膠質瘤患者中［19］。H3K27me3和EZH2（H3K27甲基的催化亞基）可顯著增加H3.3K27M細胞在染色質中的基因位點，而且基因啟動子區H3K27me3和EZH2的增加可改變各種癌癥相關聯基因表達途徑［19］。小兒腦膠質瘤組蛋白H3.3K27M突變重新編程H3K27甲基化和基因表達，與驅動GBM發生密切相關［19］。H3.3G34R突變常見于GBM，而且在GBM中G34R突變似乎與K27M互相排斥［20］。

2.3組蛋白磷酸化與GBM

組蛋白磷酸化主要發生于H3、H4、H2A、H2B及H1的N端尾部絲氨酸和蘇氨酸殘基，一般與基因活化相關。組蛋白絲氨酸和蘇氨酸不同位點磷酸化表現出不同的生物學過程［21］：H3 S10和T11主要控制基因表達，H3 S10和S28與有絲分裂有關，H2B S10主要與細胞凋亡調控相關，H4 S1和H2A.X S139主要與減數分裂和DNA損傷修復相關；另外發現H3 Y41位點酪氨酸磷酸化與腫瘤的發生密切相關。有研究表明PKM2相關的組蛋白H3修飾有助于EGF誘導細胞周期蛋白D1和c-Myc基因的表達，促進腫瘤細胞增殖和誘導腦腫瘤的發生，且PKM2依賴性H3-T11的磷酸化有助于EGFR-促進GBM的發展［22］；此外，EGFRvⅢ酪氨酸激酶受體磷酸化和下游信號傳導途徑的活化在GBM進展中起重要作用［23-25］。Anderson等［26］研究發現，組蛋白H2AX磷酸化與DNA損傷修復及維持基因組穩定密切相關，并且通過抑制H2AX上游激酶阻止H2AX被磷酸化，可以延長電離輻射后γ-H2AX的持續時間，增加DNA損傷數量，從而促進GBM放療的敏感性，因此組蛋白H2AX可以作為腫瘤放療潛在的分子靶點。

2.4組蛋白泛素化與GBM

組蛋白泛素化是指組蛋白N末端賴氨酸殘基位點與泛素分子羧基末端的結合，其中泛素是真核細胞中高度保守的76個氨基酸，分子量約8.5 kDa的蛋

白質。組蛋白泛素化主要啟動基因表達。目前發現哺乳動物組蛋白泛素化位點主要發生于H2A氨基末端賴氨酸殘基和H2B羧基末端賴氨酸殘基。組蛋白H2B泛素化定向干擾染色質的完整性，H2A K119、H2B K120泛素化促使H3 K4、H3 K79甲基化，且H3 K4和H3K79甲基化阻止蛋白質與常染色質活躍的區域結合，從而限制蛋白質對染色質作用來維持基因沉默［27］。H2A的K120位點單泛素化后可促進GBM細胞增殖，白藜蘆醇通過靶向破壞RNF20而抑制H2A單泛素化并誘導GBM細胞衰老［28］。神經系統中，多梳蛋白NSPc1與BMI1屬同源多梳蛋白；GBM中，多梳蛋白NSPc1介導H2A泛素化和DNA甲基化，共同控制靶基因HOXA沉默，NSPc1敲除導致H2A泛素化顯著減少和DNA去甲基化，以及DNA甲基化轉移酶在HOXA7上離解［29-30］。

2.5組蛋白的其他修飾

目前研究發現組蛋白修飾方式還包括SUMO化、ADP核糖基化、羰基化等。SUMO是一類廣泛存在于真核生物的高度保守的泛素樣分子，其與靶蛋白結合后，使靶蛋白更穩定，參與靶蛋白的定位和功能調節過程。此外，SUMO結合蛋白可穩定基因組，新合成的蛋白質質量控制，蛋白質和DNA損傷修復的蛋白酶體降解等。GBM中高度活化SUMO偶聯通路通過使DNA-PK依賴的H2AX磷酸化，從而修復DNA損傷，并且在GBM中通過阻斷SUMO1-3偶聯，沉默其表達，可抑制DNA合成、細胞生長和細胞克隆［31］。組蛋白的ADP糖基化、羰基化等主要與腫瘤細胞增殖以及遷移密切相關，現階段相關研究較少。組蛋白的乙酰化、甲基化、磷酸化及泛素化等修飾之間既存在協同和級聯效應，又互相拮抗，形成了一個復雜的調節網絡，對于多層面調控基因表達具有重要意義［32-33］。

3 問題及展望

現階段針對腫瘤組蛋白密碼的治療，仍集中于以組蛋白修飾相關酶學為靶標的研究，對于如何逆轉已被修飾的組蛋白的研究相對較少。GBM是一個涉及基因、轉錄、蛋白代謝等水平異常的復雜病理過程。目前已有大量臨床研究證實對膠質瘤的分子病理分型更有益于臨床個體化治療，因此針對GBM特異性組蛋白密碼的研究具有廣闊的發展空間。目前，組學技術的聯合應用更是為GBM組蛋白密碼的研究注入了新生命。然而，GBM組蛋白密碼研究的發展也面臨著嚴峻挑戰：首先，組學技術的高敏感性和高信息量對樣本預處理和數據分析方法提出了更嚴格的要求，要求我們不斷完善現有組學技術和數據分析工具［34］，以獲取更多GBM相關組蛋白密碼特異性分子相關信息；其次，組蛋白修飾還存在協同和級聯效應，甚至互相拮抗作用，形成了一個復雜的調節網絡，如何從大量信息中篩選出GBM特異性的分子標志物仍是未來研究的關鍵所在。

研究GBM組蛋白密碼對研發GBM靶標性治療藥物具有戰略意義，多種組蛋白修飾酶已成為相關腫瘤治療的靶標，如臨床上已應用組蛋白去乙酰酶（HDACs）抑制劑治療多種腫瘤［35-37］，深入探討表觀遺傳調控網絡與不同GBM生物學表型之間的關系，進一步深入理解GBM細胞染色質結構、調控序列以及調控蛋白之間交互作用的內在機制。總之，隨著越來越多組蛋白核心結構區域和修飾方式的確定，組蛋白密碼在GBM基因調控過程中的作用會越來越明確。隨著對GBM組蛋白密碼的深入研究，GBM組蛋白密碼的監測可為其易感或高危人群的篩選、臨床診斷、分子分期、預后評估、復發或轉移預測判斷、療效評價等提供更加有力的證據，尤其可為GBM預防策略的制定和風險評價體系的建立提供新思路。

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（2015-01-12收稿）

（2015-02-25修回）

（編輯：邢穎）

Research progress on relationship between histone code and glioblastoma

Hongjun SUN,Zhiyun LI

Zhiyun LI;E-mail:lizhiyun456@163.com

Histone codes are characterized by the type,location,and modification of amino acids in proteins.Recent research has shown that histone codes are closely related to glioblastoma(GBM).In GBM cells,the combined effects of various effector proteins and histone-modified target sites control the state of chromatins,which further affects the epigenetic phenomena,including GBM cell DNA replication and gene expression and regulation.GBM histone code information exists in histone acetylation,methylation,phosphorylation,ubiquitination,and other post-translational modification processes.Briefly,this study on the relationship between histone code and GBM provides further molecular targets to develop the clinical diagnosis and treatment of GBM.

glioblastoma,histone code,histone modification,Epigenetics

10.3969/j.issn.1000-8179.20142143

蘭州軍區蘭州總醫院神經外科（蘭州市730050）

荔志云lizhiyun456@163.com

Department of Neurosurgery,Lanzhou General Hospital of the PLALanzhou MilitaryArea Command,Lanzhou 730050,China

孫紅軍專業方向為顱內腫瘤與顱腦損傷的基礎與臨床研究。

E-mail：tcmsunhj@163.com