精氨酸甲基轉移酶與腫瘤關系的研究進展

何 媛， 蔡 慧， 趙洪波， 傅忠星， 杜 琰*

1.復旦大學附屬婦產科醫院臨床流行病學研究室，上海 200011 2.海軍軍醫大學長海醫院普通外科，上海 200433 3.寧國百立德生物科技有限公司，安徽 242300

蛋白質的精氨酸甲基化是真核細胞蛋白質翻譯后修飾的一種常見形式，是表觀遺傳學和信號轉導的核心。在哺乳動物中，精氨酸甲基化由蛋白精氨酸甲基轉移酶(protein arginine methyltransferases, PRMTs)介導[1]。目前已知120種包括組蛋白和非組蛋白在內的精氨酸甲基化蛋白。蛋白質分子中的精氨酸殘基在PRMTs的催化作用下，以S-腺苷-甲硫氨酸為甲基供體，將甲基轉移到蛋白質精氨酸胍基的氮原子上，形成精氨酸甲基化蛋白，從而在DNA損傷修復、RNA剪接加工、轉錄調控、信號轉導、蛋白質-蛋白質相互作用和細胞分化等細胞生物學進程中發揮作用。

1 PRMTs的分類和特點

根據PRMTs的催化活性和產物類型，可將其分為3大類：Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ型。Ⅰ型主要包括PRMT1、PRMT2、PRMT3、PRMT4、PRMT6、PRMT8，負責催化底物形成不對稱二甲基化精氨酸(ω-NG,N’G-asymmetric dimethylarginine，aDMA)。Ⅱ型包括PRMT5及PRMT9，負責催化形成對稱二甲基化精氨酸(ω-NG,N’G-symmetric dimethylation, sDMA)。Ⅲ型僅包括PRMT7，負責催化底物形成單甲基化精氨酸(ω-NG-monomethylarginine, MMA)[1]。

精氨酸甲基化會影響信號轉導、轉錄、mRNA剪接及DNA損傷反應，并影響蛋白質-蛋白質相互作用和蛋白質定位。精氨酸甲基化與癌癥的發生發展、轉移和耐藥性有關，而PRMTs的失調與不同類型的癌癥有關[2]。PRMTs在癌癥的發生、發展、侵襲、T淋巴細胞激活和肝糖異生等過程中起關鍵作用，在白血病、肺癌、乳腺癌、結直腸癌、前列腺癌、膀胱癌等腫瘤中呈異常表達[2]。

2 PRMTs與腫瘤的關系

2.1 PRMT1與腫瘤的關系 PRMT1是Ⅰ型精氨酸甲基化修飾酶中的主要催化酶，PRMT1存在于90%的哺乳動物細胞中。PRMT1能促進細胞內諸多底物的甲基化，包括轉錄因子 FOXO1、RNA結合蛋白SERBP1、組蛋白H4R3、DNA修復因子53BP1等[3]。PRMT1被募集到ZEB1啟動子區域，使組蛋白H4中的第3位精氨酸甲基化，誘導上皮-間質化，這也是轉錄激活的標志[4]。PRMT1在乳腺癌、前列腺癌、肺癌、結腸癌、膀胱癌等中過表達和異常剪接[5-7]，原因可能為過表達的PRMT1可以異常激活致癌轉錄子，從而導致異常的信號轉導、轉錄抑制、RNA剪切等一系列變化[6]。PRMT1在白血病中的致癌活性已得到證實。混合譜系白血病(mixed lineage leukemia，MLL)融合蛋白與轉錄中介因子2(也稱為NCoA-2)招募PRMT1和賴氨酸特異性脫甲基酶4C，激活修飾H4R3me2a并去除抑制性修飾H3K9me3，以激活白血病基因[8-9]。

2.2 PRMT2與腫瘤的關系 PRMT2相關研究較少。PRMT2促進H3R8不對稱甲基化(H3R8me2a)，其在啟動子和增強子上的富集與組蛋白的活性密切相關。此外，PRMT2依賴基因參與有絲分裂細胞周期的核查和G1/S期的過渡，在乳腺癌中，PRMT2減少能影響細胞周期蛋白D1的轉錄活性，從而一定程度抑制乳腺癌的細胞增殖[10]。PRMT2表達可能與乳腺癌預后有關，在雌激素受體α(ERα)陽性乳腺癌細胞株中的表達水平明顯高于ERα陰性乳腺癌細胞株[4]。PRMT2結合雌激素受體，并通過S-腺苷甲硫氨酸(Ado-Met)間接發揮甲基轉移酶活性，從而增強雌激素相關的轉錄[11]。PRMT2在膠質母細胞瘤(glioblastoma multiforme，GBM)中過表達，其沉默或失活不僅抑制GBM細胞的生長，而且抑制GBM干細胞的體外自我更新和原位腫瘤的生長，同時促進與腫瘤細胞周期相關基因的異常表達[12]。

2.3 PRMT3與腫瘤的關系PRMT3雖屬Ⅰ型PRMT家族，但PRMT3的大部分生物學功能及其與腫瘤發生的關系尚未明確。PRMT3在其N端有1個參與RNA相關底物識別的鋅指模型。40S核糖體蛋白S2是其主要底物。在體外，PRMT3可以甲基化Ⅰ型PRMTs底物，包括高遷移率族蛋白。PRMT3在大腦某些區域中高表達，可能促進海馬神經元細胞中樹突棘的形成；同時，PRMT3與X受體相互作用影響膽固醇代謝和肝脂肪生成，可能促進脂肪肝的發生[13-14]。PRMT3與腫瘤差異表達基因DAL-1/4.1B相互作用，抑制甲基轉移酶的活性。吉西他濱是中晚期胰腺癌的主要化療藥物。PRMT3在對吉西他濱耐藥的胰腺癌細胞中異常表達，抑制PRMT3可能是提高胰腺癌細胞對吉西他濱敏感性的治療策略之一[15]。

2.4 PRMT4與腫瘤的關系 PRMT4是一種同時存在于細胞核和細胞質中的精氨酸甲基轉移酶，也稱為共激活因子相關的精氨酸甲基轉移酶1(coactivator-associated arginine methyltransferase 1，CARM1)，能轉錄共激活因子。PRMT4可修飾的底物包括H3 N末端17和26位點氨基酸殘基(H3R17和H3R26)，以及非組蛋白，如共激活因子p160家族、PABP1、Med12、SWI/SNF和NUMAC等[16]。失調的PRMT4可能對某些癌細胞的生長產生影響。PRMT4在白血病、乳腺癌、前列腺、肝癌和結直腸癌等腫瘤中過表達[17]。在胰腺癌中，PRMT4通過蘋果酸脫氫酶1的R248甲基化負調節谷氨酰胺代謝和細胞增殖[18]。在卵巢癌中，PRMT4能與伏隔核相關蛋白1(nucleus accumbens-associated protein 1, NAC1)結合。NAC1是一種腫瘤相關轉錄調節因子，通過siRNA同時敲除NAC1和PRMT4蛋白，能抑制卵巢腫瘤細胞的增殖[19]。同時，PRMT4不僅在G3期乳腺腫瘤中表達上調[20]，還能誘導BAF155的甲基化，而BAF155是SWI/SNF染色質重塑復合體的關鍵組成部分，從而促進乳腺癌的進展和轉移[21]。PRMT4在髓樣白血病中與致癌轉錄因子相關聯，而對正常造血功能的影響不大，提示PRMT4可能是髓樣白血病靶標藥物的研發方向[17]。

2.5 PRMT5與腫瘤的關系 PRMT5是主要的Ⅱ型精氨酸甲基轉移酶，位于人類染色體14q11.2。PRMT5可將2個甲基對稱地轉移至精氨酸，參與轉錄調控、RNA代謝、核糖體生成和細胞周期調控等多種生理過程。其過表達在幾種類型的癌癥中發揮關鍵作用，包括肺癌、乳腺癌、肝細胞癌、胃癌、白血病、前列腺癌、卵巢癌、口咽鱗狀細胞癌等。在肺癌患者中，PRMT5在腫瘤樣本中呈現顯著的免疫染色，而從35例肺癌患者中提取的良性肺組織樣本中無該現象[22]。PRMT5 mRNA的水平在非小細胞肺癌(non-small cell lung carcinoma，NSCLC)組織中，比在非腫瘤性肺實質組織中高6倍；在肺腺癌(lung adenocarcinoma，ADC)和肺鱗狀細胞癌(lung squamous cell carcinoma，SQC)中觀察到精氨酸3(H4R3me2s)上高水平的PRMT5和PRMT介導的組蛋白H4對稱甲基化，但在非腫瘤性人類肺泡和支氣管上皮細胞系中未觀察到該現象[23]。在乳腺腫瘤中，PRMT5通過組蛋白甲基化和FOXP1表達調節乳腺腫瘤干細胞(breast cancer stem cells，BCSCs)的功能和自我更新。BCSCs的特征是細胞分裂慢、藥物外排泵高表達、DNA修復和耐藥性能力強[24]。此外，PRMT5在人類慢性粒細胞白血病、肝細胞肝癌、胃癌、前列腺癌中過表達。PRMT5在肝癌組織中的表達明顯高于對應的正常肝臟組織，提示PRMT5的表達可能是肝癌預后影響因素之一[25]。在肝細胞癌中，PRMT5表達與腫瘤大小、患者總生存率低及復發率高正相關；與正常的癌旁細胞相比，PRMT5在肝癌細胞中的表達顯著上調，且PRMT5的過表達與肝癌分期高和不良預后有關，提示PRMT5可能是肝癌預后標志物和分子治療的一個研究方向[26]。與前列腺增生組織相比，PRMT5在前列腺癌組織中的表達上調。有研究[27]顯示，PRMT5在頭頸癌中起關鍵作用；口咽部鱗狀細胞癌(oropharyngeal squamous cell carcinoma，OPSCC)樣本中，特別是在吸煙超過10年患者的樣本中，細胞核PRMT5表達顯著增高。在118例上皮性卵巢癌(epithelial ovarian cancer，EOC)患者中，PRMT5過表達者占83.1%(98/118)，其過表達與漿液型、國際婦產科聯盟(International Federation of Gynecology and Obstetrics, FIGO)分期晚期、分化差、淋巴結浸潤和腫瘤殘留均密切相關[28]，從而突出了PRMT5的關鍵作用。上述結果提示，PRMT5與多種腫瘤細胞的增殖、分化、侵襲和遷移有關，說明PRMT5可能是一種致癌基因。PRMT5通過精氨酸甲基化和泛素化之間的相互作用調節關鍵的干細胞轉錄因子，并作為表觀遺傳調節分子靶向多種途徑，進而促進腫瘤細胞的生長和存活[29]。PRMT5的敲除或抑制在不同腫瘤細胞系中會導致Krüppel樣鋅指轉錄因子(Krüppel-like factor 4, KLF4)泛素化和周轉率升高，提示對PRMT5深入研究可能會促進相關疾病的診斷和治療的突破性進展。

2.6 PRMT6與腫瘤的關系 PRMT6是唯一在細胞核表達的PRMTs蛋白。PRMT6能催化不對稱甲基化組蛋白，其主要目標為組蛋白H3(生成H3R2me2a)和DNA聚合酶β，因此PRMT6表達的改變可能廣泛影響基因的表達；PRMT6負向調節DNA甲基化，其上調能引起癌癥中DNA低甲基化[30]。PRMT6 促進PTEN R159處的不對稱二甲基化，是PTEN-AKT軸的重要調節分子[31]。此外，PRMT6是一種轉錄抑制因子，可通過直接與轉錄因子如核轉錄因子(nuclear transcription factor-κB, NF-κB)和G蛋白信號通路抑制因子2(G-protein pathway suppressor 2, GPS2)相互作用來控制基因表達。小鼠實驗[32]顯示，PRMT6直接與NF-κB的亞基RelA結合，使RelA進入細胞核。PRMT6通過催化精氨酸323和312位點甲基化而調節GPS2[32]。GPS2是一種多功能蛋白，屬于轉錄輔助因子。GPS2在G蛋白MAPK信號通路途徑起作用，可能負向調控RAS、MAPK和JAK介導的信號級聯反應。上述酶都是與炎癥反應相關的主要信號調節因子，而NF-κB和GPS2是炎癥反應的重要分子。因此PRMT6也可能參與調控炎癥反應[33]。然而，PRMT6調控炎癥反應的確切機制仍不清晰。有研究[30]顯示，在PRMT6高表達的腫瘤中，p53通路的功能被表觀遺傳調控所抑制。

目前關于PRMT6的研究多局限于其在細胞核中的功能，而缺乏其在腫瘤中的生物學意義及相關靶分子。PRMT6是參與H3R2(H3R2me2a)不對稱二甲基化的主要酶[34]。PRMT6通過損害UHRF1與染色質的關系來負向調節DNA甲基化，其過表達導致癌癥中DNA普遍低甲基化[34]。PRMT6同時具有轉錄抑制因子和激活因子的功能，但其在正常細胞和癌細胞中的作用仍有爭議，在不同的類型腫瘤中過表達或受到抑制。PRMT6是抑制p53、p21和p16功能的致癌基因。臨床研究[35-37]顯示，PRMT6在乳腺癌、宮頸癌、膀胱癌、肺癌、前列腺癌和結腸癌組織中高表達，而在黑色素瘤及肝細胞肝癌中的表達則下調[2,38]。在結腸癌患者中，PRMT6高表達者的生存率顯著低于PRMT6低表達者，敲除PRMT6能抑制結直腸癌細胞系的生長及集落形成，同時上調抑癌基因p21的蛋白表達，促進細胞系的凋亡[37]。而在肝細胞肝癌中，PRMT6在癌組織中低表達，且表達量與癌癥的侵襲性呈負相關；PRMT6通過CRAF甲基化調控RAS/RAF結合和MEK/ERK介導的癌癥干細胞活性[2]。

2.7 PRMT7與腫瘤的關系 PRMT7是唯一的Ⅲ型PRMT，負責MMA的生成。PRMT7和PRMT9都包含一個氨基酸重復序列，這是第2個假定的SAM結合基序[39]。PRMT7的底物常結合被堿性氨基酸包圍的RXR基序。目前，已明確的PRMT7底物不多，真核生物起始因子2α(殘基52～56，RRIRR)和神經膠質瘤相關癌基因2(殘基225和227)可能為其底物[40-41]。也有報道顯示，PRMT7在C端結構域的R531處發生自甲基化，而自甲基化在調節乳腺癌細胞遷移和侵襲中起重要作用。PRMT7的自甲基化增強了其與轉錄因子YY1的相互作用，后者將自甲基化的PRMT7募集到E-鈣黏蛋白啟動子，介導轉錄H4R3me2Ss，導致上皮間質轉化，促進乳腺癌的轉移[42]。此外，PRMT7在維持胚胎干細胞干性中發揮作用，并且對神經元分化產生負調節作用[43]。PRMT7還可能與非小細胞肺癌(NSCLC)的轉移有關聯[44]。

2.8 PRMT8與腫瘤的關系 PRMT8于2005年首次被發現，其與PRMT1具有高度的結構同源性。PRMT8是膜結合的Ⅰ型PRMT，特異性地存在于腦組織中。PRMT8的N末端有豆蔻酰化基序，該基序使PRMT8與細胞膜發生關聯。PRMT8能促進海馬回、突觸成熟，以及調節運動神經元的功能[45-46]。PRMT8能促進結腸癌干細胞特性的發揮。PRMT8在結腸癌干細胞中高表達，可能通過Sox2甲基化減少Sox2降解，增加Sox2蛋白含量，進而提高Oct4和Nanog多能轉錄因子的表達來發揮作用[47]。此外，在乳腺癌和卵巢癌患者中，PRMT8高表達與患者生存率升高相關；而在胃癌中，PRMT8高表達與患者生存率降低相關[48]。

2.9 PRMT9與腫瘤的關系 PRMT9相比其他亞型具有其獨特性，目前沒有PRMT9甲基化組蛋白或含有GAR基序蛋白質的報道，已知剪接體相關蛋白SAP145為其底物[39]。也有研究在包含剪接因子SF3B2和SF3B4的復合物中發現PRMT9，PRMT9使SF3B2甲基化，但不確定PRMT9是否通過SF3B2甲基化維持剪接保真度而在癌癥進展中發揮作用[49]。PRMT9與腫瘤的相關性報道較少。在骨肉瘤中，PRMT9顯著減少，且與miR-543表達負相關[50]。相比正常的癌旁組織，PRMT9在肝細胞肝癌中表達上調，PRMT9可以通過激活 PI3K-AKT-GSK3β的信號通路調控轉移關鍵基因的表達，從而促進肝癌細胞的侵襲和轉移[51]。

3 PRMTs抑制劑及其療效探索

蛋白甲基化修飾，尤其是非組蛋白甲基化，在細胞分化、增殖、維持細胞特性等方面具有重要作用。近年來，一些PRMTs已成為癌癥治療的潛在靶點。目前多項研究致力于研發PRMTs抑制劑，用于惡性腫瘤的治療[52-53]。現有的PRMTs抑制劑分為2類：泛精氨酸甲基化轉移酶抑制劑和特異性精氨酸甲基化酶抑制劑。前者包括AMI-1(一種細胞滲透性的蛋白精氨酸N-甲基轉移酶抑制劑)，可抑制人PRMT5；后者包括選擇性PRMT5抑制劑，如EPZ015666。目前已有3種PRMT抑制劑處于臨床試驗階段，包括PRMT5抑制劑GSK3326595和JNJ-64619178以及PRMT1抑制劑GSK3368715(https://www.clinicaltrials.gov/)。目前有一項PRMT5抑制劑GSK3326595Ⅰ期臨床試驗和一項GSK3326595Ⅱ期臨床試驗，主要評估PRMTs抑制劑對骨髓增生異常綜合征、慢性骨髓單核細胞白血病、急性髓細胞性白血病等的安全性和有效性；針對復發/難治性B細胞非霍奇金淋巴瘤或晚期實體瘤的JNJ-64619178也已進行Ⅰ期臨床試驗[54]。

4 小 結

PRMTs通過對蛋白和非蛋白的甲基化作用，催化細胞核或細胞質中的各類底物，進而參與多種細胞生物學過程。PRMTs的表達異常與肝癌、肺癌、胃癌、前列腺癌、結直腸癌、胰腺癌、白血病、膠質母細胞瘤、卵巢癌等多種腫瘤的發生及發展密切相關。目前關于PRMT1、PRMT5與腫瘤關系的研究較多，而關于PRMT2、PRMT3、PRMT4、PRMT7等在腫瘤中作用的研究較少。PRMTs是很有潛力的腫瘤藥物靶標，相關抑制劑的研發仍處于初始階段，針對相關抑制劑的衍生物是未來研究的熱點，尤其是分子抑制劑研究。PRMTs抑制劑對癌細胞、免疫細胞、炎癥因子等的影響，以及潛在的治療靶點有待進一步研究，以期為PRMTs相關腫瘤提供精準化治療。