正性調節區鋅指蛋白8的研究進展

路兆寧，顏景斌

·綜述·

正性調節區鋅指蛋白8的研究進展

路兆寧，顏景斌

正性調節區鋅指蛋白8（PR domain zinc finger protein 8，PRDM8）是PRDM家族中非常具有代表性的蛋白，它擁有典型的PR結構域和鋅指結構，是神經系統發育和睪丸發育中重要的調控因子。

PRDM名稱來源于N端保守的結構域——PR結構域（PR domain）［1］。PR結構域最初是在正性調節區I-結合因子1（positive regulatory domain I-binding factor 1，PRDI-BF1）和視網膜母細胞瘤蛋白質結合的鋅指蛋白1（retinoblastoma protein-interacting zinc finger protein 1，RIZ1）兩個蛋白（現在常分別稱為PRDM1、PRDM2）中發現，從而被命名為PR（PRDI-BF1-RIZ1 homologous）domain［2］。

PRDM家族在進化過程中行使的功能逐漸專業化。PRDM基因最初出現在多細胞動物中，在脊椎動物中其家族成員不斷擴大，在人類基因組中共有17個基因編碼該家族蛋白［3］。該家族在基因表達調控和信號轉導等過程中起著非常重要的作用，與細胞的增殖調控、分化、發育等密切相關，癌癥以及一些其他疾病也與其家族中某些成員的異常有關［1，4］。

1 PRDM蛋白概述

1.1 PRDM蛋白的結構特點

PRDM蛋白家族具有兩個顯著的結構特點——PR結構域和不等數量的鋅指結構（zinc fingers），此外有些成員還具有鋅關節（zinc knuckle）［1］（圖1）。

⑴PR結構域。PR結構域是一段長約130個氨基酸的同源域，大多數位于蛋白質的N端。該結構域的氨基酸有20%～30%與SET［Su（var）3-9，E（z）and trithorax］結構域一致［5-6］。大部分SET結構域蛋白都具有組蛋白甲基轉移酶（histone methyltransferase，HMT）活性［7］。然而只有PRDM2、PRDM8和PRDM9的PR結構域具有HMT活性［8-10］。

⑵鋅指結構域。除了PRDM11外，其他所有的PRDM家族成員都具有數量不等的鋅指結構［11］。鋅指結構介導PRDM與DNA和蛋白相互作用：已證實PRDM1、3、4、5、9、14和16能夠通過鋅指結構進行序列特異性的DNA結合；一些成員通過鋅指結構募集組蛋白修飾酶［12-13］。

⑶鋅關節。鋅關節是一段長約20個氨基酸的基序，因含有半胱氨酸和組氨酸，所以能結合鋅離子。鋅關節位于PR結構域之前，存在于PRDM4、6、7、9、10、11和15中，很可能參與蛋白-蛋白相互作用［14］。

圖1 人類PRDM蛋白結構示意圖［1］

1.2 PRDM蛋白的作用方式

目前的研究顯示，PRDM蛋白家族主要通過以下三種方式來行使功能。

⑴內在的HMT活性。具有HMT活性的PRDM成員直接對靶基因的染色質結構進行修飾，從而調控基因的表達［4］。PRDM2和PRDM8通過催化組蛋白H3K9的二甲基化（H3K9me2）來抑制基因的表達，而PRDM9通過催化H3K4me3來激活基因的表達［8-10］。PRDM3和PRDM16催化的H3K9me1對于維持哺乳動物異染色質的完整性是必需的［15］。

⑵結合染色質編輯器。一部分成員通過與染色質編輯器（能夠修飾染色質結構進而控制基因表達的蛋白［16］）結合，完成對染色質的修飾，實現基因表達調控（表1）［1，13］。PRDM家族募集的染色質修飾酶包括HMT、組蛋白去乙?；?、組蛋白乙酰轉移酶等，大部分通過對染色質的修飾而抑制轉錄［13］。

表1 PRDM酶活性和結合蛋白［12］

⑶與其他蛋白結合。除了與染色質編輯器結合外，PRDM蛋白還能與許多蛋白相互作用（表1），從而調控基因表達，參與信號轉導等［12］。

2 PRDM8

2.1 PRDM8基因的結構

人PRDM8基因位于4q21，全長19 060 bp，包含10個外顯子和9個內含子。PRDM8具有兩個轉錄本：轉錄本1包括所有的外顯子；轉錄本2包括內含子6的一部分及之后的外顯子。兩個轉錄本表達同一個全長689個氨基酸的蛋白。PRDM8中PR結構域位于蛋白的N端，一個鋅指結構緊隨PR結構域之后，另兩個位于蛋白的C端（圖1）。

小鼠的PRDM8基因位于5號染色體，全長6580 bp，包含4個外顯子和3個內含子。只有一個轉錄本，表達的蛋白全長688個氨基酸。該基因在脊椎動物中是保守的，人類與小鼠的DNA序列一致性達86.2%；而氨基酸序列一致性更是高達90.4%。因此常以小鼠為工具，對PRDM8的功能進行研究。

2.2 PRDM8蛋白的表達

PRDM8的表達具有組織特異性和時空特異性。蛋白主要在成熟和發育的神經系統中表達，此外在肺、睪丸、骨骼肌等組織中也有表達［9，25-26］。PRDM8蛋白的時空特異性表達主要在發育的中樞神經系統中體現。

⑴在視網膜中，PRDM8在內核層和神經節細胞層的有絲分裂后神經元中表達，當視網膜發育完成后，主要限制在視桿雙極細胞中表達；

⑵在脊髓中，起初PRDM8在腹側中間神經元和運動神經元的祖先細胞中表達，后來在腹側中間神經元（包括V2a）中表達；

⑶在胎腦中，PRDM8在大腦皮層中間區和皮質板中的有絲分裂后神經元中表達；

⑷在出生后的腦中，PRDM8主要在大腦皮層的第四層神經元中表達。

這些結果表明，在神經發育過程中，PRDM8的表達受嚴格的時空特異性調控，除脊髓外，主要限制在有絲分裂后神經元［26］。PRDM8的組織特異性和時空特異性表達表明它在特定組織和特定發育時期發揮著重要作用。

2.3 PRDM8的生物學功能

PRDM8在多種組織中都有表達，目前發現它主要是在神經系統發育和睪丸發育中起重要的作用，主要體現在以下四個方面。

⑴以轉錄抑制因子的形式參與神經回路的裝配。Bhlhb5同源二聚體結合在序列特異性的DNA調控元件上，然后募集PRDM8，形成轉錄抑制復合物，抑制靶基因的表達，從而保證神經回路的正確形成（圖2）。

圖2 PRDM8與Bhlhb5作用機制示意圖［27］

Bhlhb5屬于bHLH（basic helix-loop-helix）轉錄因子，可以與八核苷酸保守基序——CATATGNTNT結合。PRDM8與Bhlhb5的相互作用對于抑制復合物的功能是至關重要的。當小鼠缺少其中任何一種蛋白，都會出現極為類似的表型，包括腦端背側神經元軸突的錯誤定位和非正常的類癢行為。

鈣黏著蛋白Cdh11是一種細胞-細胞黏著分子，參與神經回路的裝配，是PRDM8/Bhlhb5抑制復合物重要的靶基因之一。當Bhlhb5缺陷小鼠缺少Cdh11時，上面提到的兩種表型會得到明顯的改善，這一結果表明Cdh11是抑制復合物的靶基因。由此可見，PRDM8作為Bhlhb5必需的伴侶共同形成抑制復合物，通過對Cdh11的精確調控，在某種程度上指導神經回路的裝配［27］。

⑵在端腦發育時受Notch-Hes信號通路的調控。Notch-Hes信號通路對于調控哺乳動物的神經發育是一個至關重要的機制。在哺乳動物皮質神經形成時，高水平的Notch-Hes信號通路通過上調bHLH效應器Hes1和Hes5來維持神經前體細胞。尤其是Hes1，不僅維持神經前體細胞的一致性而且會抑制以Ngn2（neurogenin2）為代表的原神經基因表達。這些前神經因子驅使前體細胞離開細胞周期，開始神經分化。因此，Hes活性的缺失會導致原神經基因表達的上調，從而導致神經過早地形成。

通過分析Hes（Hes1、2和5）cTKO突變體小鼠的端腦發現：與野生型相比，PRDM8和Ngn2的表達大幅增加。這說明，與Ngn2一樣，PRDM8的表達水平也會受到Hes抑制，而且PRDM8可能也會在短暫的神經發育過程中得到激活［11］。

⑶在大腦新皮層發育過程中，調控神經元多極階段的形態轉變。在神經元多級階段的晚期和末期，PRDM8主要在大腦皮層中間區的中間和上方表達，其表達幾乎與一個晚期多極階段的標記物Unc5D一致，只是Unc5D的表達逐漸下調而PRDM8的表達逐漸上調，該表達模式預示著PRDM8可能參與晚期和末期神經元多極階段的調控，即控制形態轉變的時間。

通過對大腦新皮層發育的功能獲得和缺失分析發現，PRDM8敲除導致神經元多極形態過早地向雙極形態轉變，而過表達PRDM8則維持多極形態。此外，出生后分析顯示，PRDM8敲除會增加早期新生神經元的數量，使得已分化神經元位于大腦新皮層的更深處，而且這些細胞中的大多數沒有獲得與層狀位置相應的分子特點。通過對表達的分析得到，過表達PRDM8會上調或下調一些主要在神經元多級階段的晚期和末期表達的基因。這些結果表明，PRDM8通過調控一些基因的表達實現對神經元從多極形態到雙極形態轉變的控制［28］。

⑷以組蛋白甲基轉移酶（H3K9）活性調控小鼠睪丸類固醇合成。當PRDM8過表達時，類固醇合成的標記基因p450c17（屬于細胞色素P450家族成員）和促黃體生成激素受體（luteinizing hormone receptor，LHR）的表達受抑制。

睪丸發育和精子形成是由內分泌激素控制，例如促性腺激素中的促黃體生成激素（LH）促進間質細胞類固醇的合成。間質細胞中類固醇合成起始于膽固醇向線粒體的轉移，該過程受類固醇合成快速調節蛋白、細胞色素P450家族、3β-羥基類固醇脫氫酶等類固醇合成酶和LHR的調控。

體外組蛋白甲基轉移酶實驗發現，PRDM8具有H3K9甲基轉移酶活性，其活性主要由PR結構域產生，會起到轉錄抑制的作用。當用LH處理小鼠間質細胞（TM3細胞系）刺激類固醇合成時，PRDM8的過表達導致p450c17和LHR的表達大幅度下調；而過表達失去甲基轉移酶活性的PRDM8缺失突變體，抑制程度就沒有那么明顯。這說明在LH信號通路中，PRDM8利用組蛋白甲基轉移酶活性，通過抑制類固醇合成標記基因p450c17和LHR的轉錄，對睪丸的發育進行調控［9］。

2.4 PRDM8與疾病發生的關系

2.4.1 PRDM8與早發型Lafora小體病有文獻報道PRDM8與早發型Lafora小體?。╡arly-onset lafora body disease）有關。PRDM8蛋白通過與磷酸酶laforin和泛素連接酶malin相互作用，引起這兩種蛋白向核內轉移。而這兩種蛋白是在細胞質中行使功能，調控糖原的構建，當糖原構建出現問題產生沉淀時就形成lafora小體。早發型Lafora小體病患者的PRDM8發生突變——c.781T＞C（Phe261Leu），導致laforin和malin過度地集中于核內，而細胞質中的含量明顯不足，會導致該病的發生［29］。

2.4.2 PRDM8與唐氏綜合征唐氏綜合征又稱21三體綜合征，是由于多了一整條或大部分21號染色體引起的。可能的致病機制包括特定劑量敏感基因的過表達、非編碼調控元件的失控、非21號染色體基因的異常表達和表觀遺傳影響等［30］。我們利用DNA甲基化芯片對唐氏綜合征患者的甲基化修飾進行研究時發現，唐氏綜合征患者的PRDM8甲基化程度明顯高于正常對照，并可能對其轉錄產生影響。神經系統異常引起的智力低下是唐氏綜合征患者最主要的癥狀，部分男性患者還存在生育障礙，這些癥狀均與PRDM8的生物學功能存在一定關聯，兩者之間的相關性還需要我們進一步的研究。

3 結語

PRDM蛋白家族的結構特點決定了其行使功能的方式，令人感興趣的是，盡管PR結構域與SET甲基轉移酶結構域類似，但是到目前為止只確認3個成員的PR結構域具有組蛋白甲基轉移酶活性，或許其他成員中的PR結構域主要在蛋白結合上發揮重要作用。PRDM8主要在神經系統中表達，其功能主要通過組蛋白甲基轉移酶活性或者與其他蛋白相互作用產生。PRDM8蛋白實現時空特異性表達的分子機制及在神經發育和睪丸發育中所起的作用還有待探索，是否還有其他的功能仍需要人們進一步研究與發現。

［1］Fog CK，Galli GG，Lund AH.PRDM proteins：important players in differentiation and disease.Bioessays，2012，34（1）：50-60.

［2］Huang S，Shao G，Liu L.The PR domain of the Rb-binding zinc finger protein RIZ1 is a protein binding interface and is related to the SET domain functioning in chromatin-mediated gene expression.J Biol Chem，1998，273（26）：15933-15939.

［3］Fumasoni I，Meani N，Rambaldi D，et al.Family expansion and gene rearrangements contributed to the functional specialization of PRDM genes in vertebrates.BMC Evol Biol，2007，7：187.

［4］Di Zazzo E，De Rosa C，Abbondanza C，et al.PRDM proteins：molecular mechanisms in signal transduction and transcriptional regulation.Biology（Basel），2013，2（1）：107-141.

［5］Huang S.Histone methyltransferases，diet nutrients and tumour suppressors.Nat Rev Cancer，2002，2（6）：469-476.

［6］Alvarez-Venegas R，Avramova Z.SET-domain proteins of the Su（var）3-9，E（z）and trithorax families.Gene，2002，285（1-2）：25-37.

［7］XiaoB，Wilson JR，GamblinSJ.SET domainsandhistone methylation.Curr Opin Struct Biol，2003，13（6）：699-705.

［8］Derunes C，Briknarova K，Geng L，et al.Characterization of the PR domain of RIZ1 histone methyltransferase.Biochem Biophys Res Commun，2005，333（3）：925-934.

［9］Eom GH，Kim K，Kim SM，et al.Histone methyltransferase PRDM8 regulatesmousetestissteroidogenesis.BiochemBiophysRes Commun，2009，388（1）：131-136.

［10］Hayashi K，Yoshida K，Matsui Y.A histone H3 methyltransferase controls epigenetic events required for meiotic prophase.Nature，2005，438（7066）：374-378.

［11］KinameriE，InoueT，ArugaJ，etal.Prdmproto-oncogene transcription factor family expression and interaction with the Notch-Hes pathway in mouse neurogenesis.PLoS One，2008，3（12）：e3859.

［12］Hohenauer T，Moore AW.The Prdm family：expanding roles in stem cells and development.Development，2012，139（13）：2267-2282.

［13］Bogani D，Morgan MA，Nelson AC，et al.The PR/SET domain zinc finger protein Prdm4 regulates gene expression in embryonic stem cells but plays a nonessential role in the developing mouse embryo. Mol Cell Biol，2013，33（19）：3936-3950.

［14］Briknarová K，Atwater DZ，Glicken JM，et al.The PR/SET domain in PRDM4 is preceded by a zinc knuckle.Proteins，2011，79（7）：2341-2345.

［15］Pinheiro I，Margueron R，Shukeir N，et al.Prdm3 and Prdm16 are H3K9me1 methyltransferases required for mammalian heterochromatin integrity.Cell，2012，150（5）：948-960.

［16］Buganim Y，Faddah DA，Jaenisch R.Mechanisms and models of somatic cell reprogramming.Nat Rev Genet，2013，14（6）：427-439.

［17］Ishibashi J，Firtina Z，Rajakumari S，et al.An Evi1-C/EBPβ complex controls peroxisome proliferator-activated receptor γ2 gene expression to initiate white fat cell differentiation.Mol Cell Biol，2012，32（12）：2289-2299.

［18］Chittka A.Differential regulation of SC1/PRDM4 and PRMT5 mediated protein arginine methylation by the nerve growth factor and the epidermal growth factor in PC12 cells.Neurosci Lett，2013，550：87-92.

［19］Galli GG，Carrara M，Francavilla C，et al.Genomic and proteomic analyses of Prdm5 reveal interactions with insulator binding proteins in embryonic stem cells.Mol Cell Biol，2013，33（22）：4504-4516.

［20］Eram MS，Bustos SP，Lima-Fernandes E，et al.Trimethylation of histone H3 lysine 36 by human methyltransferase PRDM9 protein. J Biol Chem，2014，289（17）：12177-12188.

［21］Yang CM，Shinkai Y.Prdm12 is induced by retinoic acid and exhibits anti-proliferative properties through the cell cycle modulation of P19 embryonic carcinoma cells.Cell Struct Funct，2013，38（2）：197-206.

［22］Chang JC，Meredith DM，Mayer PR，et al.Prdm13 mediates the balance of inhibitory and excitatory neurons in somatosensory circuits. Dev Cell，2013，25（2）：182-195.

［23］Burton A，Muller J，Tu S，et al.Single-cell profiling of epigenetic modifiers identifies PRDM14 as an inducer of cell fate in the mammalian embryo.Cell Rep，2013，5（3）：687-701.

［24］Harms MJ，Ishibashi J，Wang W，et al.Prdm16 is required for the maintenance of brown adipocyte identity and function in adult mice. Cell Metab，2014，19（4）：593-604.

［25］Singh S，Ganesh S.Lafora progressive myoclonus epilepsy：a meta-analysis of reported mutations in the first decade following the discovery of the EPM2A and NHLRC1 genes.Hum Mutat，2009，30（5）：715-723.

［26］Komai T，Iwanari H，Mochizuki Y，et al.Expression of the mouse PR domain protein Prdm8 in the developing central nervous system.Gene Expr Patterns，2009，9（7）：503-514.

［27］Ross SE，McCord AE，Jung C，et al.Bhlhb5 and Prdm8 form a repressor complex involved in neuronal circuit assembly.Neuron，2012，73（2）：292-303.

［28］InoueM，KurodaT，Honda A，etal.Prdm8regulatesthe morphological transition at multipolar phase during neocortical development.PLoS One，2014，9（1）：e86356.

［29］Turnbull J，Girard JM，Lohi H，et al.Early-onset Lafora body disease. Brain，2012，135（Pt 9）：2684-2698.

［30］Dierssen M.Down syndrome：the brain in trisomic mode.Nat Rev Neurosci，2012，13（12）：844-858.

10.3969/cmba.j.issn.1673-713X.2015.01.014

上海市科委基礎研究重點項目（11JC1411000）

200040上海交通大學附屬兒童醫院/上海市兒童醫院/上海交通大學醫學遺傳研究所

顏景斌，Email：yanjingbin0130@hotmail.com

2014-04-15