SUV39H1的生物學功能研究進展

簡俊綜述 劉修恒，王磊審校

SUV39H1是第一個人類組蛋白賴氨酸甲基轉移酶(human histone lysine methyltransferase，HMT)，是果蠅位置效應變異因子Su(var)3-9和裂殖酵母沉默因子Clr4的人類同源物，于2000年首次被發現[1]。它由1個催化活性的SET結構域和1個染色質結構域組成，在進化上較為保守，可以特異性催化H3K9甲基化，產生H3K9me3，招募異染色質蛋白1(HP1)，通過N端與HP1相互作用，在異染色質形成和基因轉錄抑制中發揮重要作用[2]。而且SUV39H1可以甲基化不同的非組蛋白底物蛋白，調節蛋白活性、穩定性及蛋白—蛋白相互作用。此外，以往的研究發現，SUV39H1在小鼠生殖細胞的發育和細胞周期的調控中有著重要作用[3]。通常認為，SUV39H1可能是一種腫瘤抑制因子，通過促進細胞衰老和抑制細胞增殖所需基因，參與各種類型腫瘤的發生發展[4]。越來越多的研究表明，在部分類型的腫瘤中，SUV39H1可能也發揮致癌作用。與癌旁正常組織比較，其在肝癌、結腸癌、膀胱癌等腫瘤組織中被發現表達上調[5-7]。隨著研究的不斷深入，SUV39H1在生長發育、糖尿病、白血病、免疫防御、血管內皮功能障礙等諸多領域的調控作用被發現，有望為相關疾病的診斷及治療提供一個新的靶點。

1 SUV39H1的基本結構

SUV39H1由1個C端的SET結構域和1個N端的染色質結構域組成，其氨基酸序列高度保守。SET結構域具有催化活性，大約由130個氨基酸組成，能夠與甲基提供體S-腺苷-L-甲硫氨酸結合并將其甲基轉移到賴氨酸殘基上使其甲基化[8]。SUV39H1的染色質結構域是1個包含大約50個氨基酸的保守模塊，與其他染色質結構域具有約30%的同源性序列和約40%的相似性序列，N端由3個反向平行鏈組成1個β折疊，C端為1個長α螺旋。作為甲基化賴氨酸相互作用結構域，它能夠特異性識別H3K9me2/3并與之結合，但結合親和力比其他染色質結構域弱[9-10]。此外，在SET結構域完整存在的情況下，SUV39H1的染色質結構域的突變或者缺失同樣會導致酶活性降低，這提示染色質結構域對SUV39H1的催化活性至關重要[11]。有研究利用設計的染色質模板發現了SUV39H1的兩步作用激活開關。首先，染色質結構域識別H3K9me3導致酶錨定在染色質上。其次，與H3K9me3相互作用使SET結構域的甲基化活性激活。這一過程為H3K9me2/3擴散到擴展的異染色質區域建立了一個正反饋回路[12]。

2 SUV39H1功能

2.1 SUV39H1在腫瘤發生發展中的調控作用 目前，各種腫瘤的治療面臨巨大挑戰，急需新的治療靶點的開發應用。SUV39H1與腫瘤的聯系日益受到關注，過去的研究傾向于認為SUV39H1發揮腫瘤抑制因子的作用，近年的研究發現SUV39H1可能也發揮致癌作用。

2.1.1 SUV39H1抑制腫瘤的發生發展：轉移性進展是宮頸癌導致死亡的主要原因，在遷移的宮頸癌細胞中，SUV39H1的水平較低，而SUV39H1的敲除則會增強宮頸癌細胞的遷移能力[13]，這提示SUV39H1可以作為宮頸癌預后的預測因子。SMAD3是參與多種免疫信號通路激活的關鍵胞內介質，SUV39H1通過催化生成H3K9me3與DNMT1的啟動子區域直接作用降低其表達，上調SMAD3的表達，抑制宮頸癌的發展[14]。另一研究發現，SUV39H1通過SUV39H1-DNMT3A-Tim-3/galectin-9軸，降低Tim-3和galectin-9的表達，穩定腫瘤微環境，抑制宮頸癌的發展[15]。表觀遺傳調控在白血病的發生發展中起重要作用，SUV39H1在多種白血病中均下調，敲低SUV39H1導致白血病干細胞(LSCs)數量增加，加速疾病進展。過表達SUV39H1則導致Hoxb13和Six1失活，以及Hoxa9/Meis1下游靶基因逆轉，延長白血病的潛伏期并降低LSCs的數量，減緩白血病的進展[16]。miR-125a-5p在胃癌中表達較低，SUV39H1可以誘導miR-125a-5p去甲基化，導致其重新激活，在體外抑制細胞增殖、侵襲和遷移，在體內抑制腫瘤的進展[17]。

2.1.2 SUV39H1促進腫瘤的發生發展：在上皮性卵巢癌(EOC)組織中，miR-520a-3p過表達能抑制腫瘤細胞的生長和轉移，過表達SUV39H1則可以逆轉miR-520a-3p的作用，促進EOC的發展。SUV39H1亦被證實與卵巢癌的預后相關，高表達的SUV39H1能夠促進癌細胞的增殖，并導致卵巢癌患者預后不良[18]。在腎透明細胞癌中(ccRCC)，敲低或者藥物抑制SUV39H1可以誘導鐵聚集和脂質過氧化，引發鐵死亡，進而導致ccRCC細胞破壞。SUV39H1缺失亦可上調二肽基肽酶-4(DPP4)的表達，誘導鐵死亡，發揮上述作用[2]。乙肝病毒感染后，相當一部分患者會進展為肝癌，而SUV39H1也被認為參與肝癌的發生[5]。為了研究兩者在肝癌發展過程中是否存在相互作用，有研究使用HBV復制模型，通過構建乙肝病毒X蛋白(HBx)和SUV39H1表達質粒，發現HBx的共激活域與SUV39H1的PostSET和SET結構域相互作用，表現出協同效應，促進肝癌的發生[19]。Fas及其配體FasL誘導的凋亡途徑，是細胞毒性T淋巴細胞誘導腫瘤細胞凋亡進而抑制腫瘤發展的主要機制之一，而H3K9me3在Fas的啟動子處沉積則能抑制其表達。在人類結腸癌(CRC)中，抑制SUV39H1可以顯著增加顆粒酶B、穿孔素、FasL和IFN的表達，通過增強免疫監測和CTL的殺傷作用，誘導腫瘤細胞的凋亡[7]。SUV39H1的選擇性抑制劑F5446通過降低Fas啟動子處的H3K9me3沉積，增加Fas的表達，促進CTL誘導的腫瘤細胞的凋亡[20]。前列腺癌在男性癌癥相關死因中位居第二，其高致死率很大程度上與轉移相關。有研究發現，二甲雙胍能夠通過抑制SUV39H1表達，降低整合素αV和β1蛋白，及其下游磷酸化的黏附激酶(FAK)水平，進而抑制前列腺癌細胞的遷移[21]。在鼻咽癌組織中SUV39H1表達顯著升高，枸杞皂苷能降低其表達，通過SUV39H1/JAK2/STAT3通路抑制鼻咽癌細胞的增殖和侵襲，增加凋亡[22]。黑色素瘤是最具侵襲性和最難治療的腫瘤之一，SUV39H1通過與DNA甲基轉移酶3A相互作用促進視網膜母細胞瘤基因(RB)1啟動子CpG島甲基化，降低RB mRNA和蛋白的含量。RB數量的減少反過來減輕E2F1的轉錄抑制，使PIN1水平增加，使人角質形成細胞向腫瘤細胞轉化，并通過RAF1-MEK-ERK信號通路激活黑色素瘤的發生[23]。

2.2 SUV39H1對糖尿病并發癥的影響 全球有數億糖尿病患者，糖尿病的各種并發癥嚴重損害人體各組織器官，其中心血管并發癥發病率及病死率均位居前列。有研究表明，SUV39H1可以保護糖尿病患者血糖控制后的血管平滑肌細胞免受代謝記憶和促炎表型的影響，而SUV39H1通過補體C3和PIN3調控ERK1/2磷酸化促進糖尿病大鼠動脈損傷后的血管平滑肌細胞的遷徙和增殖及新生內膜的形成[24]。這為糖尿病血管損傷提供了新的治療靶點。大約有40%的糖尿病患者會進展為糖尿病腎病(DN)，甚至發展為終末期腎病(ESRD)。DN機制復雜，多種治療方案的療效不佳。而SUV39H1在DN患者的腎小管細胞中表達增高，高糖環境下過表達SUV39H1使H3K9me水平升高，炎性因子表達減少，細胞凋亡減少。提示SUV39H1可以通過表觀遺傳調控減少腎臟的炎性反應及腎臟細胞的凋亡，從而在DN中發揮保護作用[25]。

2.3 SUV39H1參與生長發育過程 在牙的發育過程中，Lhx8通過作用于SUV39H1，識別成牙本質分化相關基因，并通過甲基化其啟動子上的H3K9抑制基因表達，維持細胞的未分化狀態并促進細胞增殖[26]。有研究發現，SUV39H1在豬體細胞核移植(SCNT)胚胎中的水平高于體外受精胚胎[27]。抑制SUV39H1的表達可以促進德保豬胚胎成纖維細胞(PFFs)增殖，使PFFs中CyclinA2、CyclinB和PCNA的表達顯著增加，同時顯著提高德保豬SCNT胚胎的卵裂率、囊胚率和囊胚總細胞數[28]。使用毛殼素特異性抑制SUV39H1可降低核移植胚胎中H3K9me3的表達，激發其發育潛能[29]。H3K9me3是SCNT有效重編程的主要障礙[30]，CRL4 E3泛素連接酶在卵母細胞中的表達對生育能力至關重要，DCAF13是CRL4的銜接子，能夠靶向SUV39H1的多泛素化和蛋白酶體降解，降低H3K9me3的生成并促進合子基因的表達，促進SCNT胚胎的重編程[31]。

2.4 SUV39H1促進血管內膜增生 血管損傷后，血管內膜的增生是血管修復的重要過程，而病理性的內膜增生是許多增生性血管疾病的病理基礎。有研究通過構建下調SUV39H1的慢病毒載體和過表達SUV39H1的腺病毒載體，并在體外轉染培養的血管平滑肌細胞(VSMCs)和頸動脈球囊損傷的大鼠，發現在血管緊張素Ⅱ(AngⅡ)刺激后，SUV39H1和DNA抑制劑3(Id3)的表達明顯增加。SUV39H1下調抑制AngⅡ刺激的VSMCs的遷移和增殖，拮抗Id3的產生，促進p21和p27Kip1的表達，進而抑制內膜增生，而過表達SUV39H1則促進血管內膜的增生[32]。

2.5 SUV39H1促進特發性脊柱側凸患者小關節軟骨細胞增殖 特發性脊柱側凸(IS)是一種病因不明的復雜疾病。有研究發現，IS患者的SUV39H1水平顯著升高，它通過增加H3K9me3，增加Ⅱ型膠原(COL2A1)和B細胞淋巴瘤(Bcl2)基因，降低miR-15a的表達，促進軟骨細胞增殖。這種軟骨細胞增殖失調可以導致脊柱生長異常，參與IS的發生發展[33]。

2.6 SUV39H1對心肌肥厚的抑制作用 肥厚型心肌病表現為左心室肥厚并伴有舒張功能障礙，導致進行性心力衰竭。Kindlin-2可以與SUV39H1相互作用，將其招募到GATA4啟動子上，通過H3K9me3抑制其表達，保護心肌免受病理性肥大同時也能避免異丙腎上腺素(ISO)處理引起的心肌肥大。而敲除Kindlin-2與SUV39H1的小鼠心肌則較早出現病理性肥厚，且ISO處理加速肥厚過程[34]。

2.7 SUV39H1對病原體侵襲的抵抗作用 宿主對病原體入侵的防御機制復雜多樣，隨著研究的不斷深入，越來越多的新的防御機制被發現，有望為未來的抗感染治療提供更多的策略。有研究發現，SUV39H1能夠與分枝桿菌結合，使分枝桿菌組蛋白樣蛋白HupB三甲基化，降低分枝桿菌的黏附能力。同時使分枝桿菌形成生物膜的能力顯著降低，并降低分枝桿菌在宿主細胞內的存活能力[35]。SUV39H1在亞洲鱸魚的鰓、脾臟和腎臟中高表達，用虹彩病毒感染亞洲鱸魚后，SUV39H1基因的表達發生改變，在其基因的3’UTR檢測到3個SNPs和1個indel，而該indel被證明與對虹彩病毒的抗性顯著相關，該DNA標記可用于選擇對虹彩病毒有抗性的魚苗[3]。

2.8 SUV39H1促進HPV感染 固有免疫對病原體侵襲的防御至關重要，腫瘤相關病毒對固有免疫的破壞有利于癌變發生，高危人乳頭瘤病毒(HPV)能同時觸發固有免疫的多個效應體的表觀遺傳沉默促進病毒感染及癌癥的發生。HPV E7癌蛋白能上調SUV39H1的表達，使宿主細胞RIG-I、cGAS和STING基因的表觀遺傳沉默，阻止干擾素分泌，破壞固有免疫，促進病毒感染及癌變的發生。而藥物抑制或者敲除SUV39H1則可以恢復固有免疫，抵御病毒侵襲[36]。

2.9 SUV39H1對結腸炎的促進作用 腸道上皮屏障的損傷是胃腸道炎性反應的關鍵病理生理過程。山姜素(Alpinetin)能夠改善結腸炎時的腸道屏障穩態。其機制為山姜素激活芳香烴受體(AhR)，降低SUV39H1的表達，促進TSC2的表達，抑制mTORC1信號通路的激活，抑制腸上皮細胞(IECs)的凋亡，保護腸上皮屏障，改善結腸炎[37]。

2.10 SUV39H1對內皮細胞功能的影響 一氧化氮(NO)在內皮細胞內通過內皮一氧化氮合成酶(eNOS)催化合成，具有松弛平滑肌、抑制炎性反應等作用。過表達的Ⅱ類反式激活因子(CⅡTA)可以與SUV39H1相互作用并將其招募到eNOS啟動子，通過產生大量H3K9me3抑制eNOS轉錄，使NO生成減少。而SUV39H1沉默則可以消除eNOS的抑制，增加NO的生成[38]。

3 總結與展望

組蛋白作為染色質的重要組成部分，其N端從核小體核心突出，易發生各種翻譯后修飾。而賴氨酸甲基化則是組蛋白共價修飾的重要環節，在基因表達的調控過程中發揮重要作用。組蛋白賴氨酸甲基轉移酶SUV39H1通過調控H3K9的三甲基化，抑制基因轉錄，調控基因的表達在生長發育、免疫防御、疾病調控等方面發揮重要作用。本文綜述的一系列研究揭示了SUV39H1與各類疾病發生發展的聯系，闡述了SUV39H1作為疾病診斷及治療新靶點的潛在價值。但由于現階段對疾病機制及SUV39H1認識的不足，以及實驗方法和技術的局限性，仍有許多問題亟待解決。如SUV39H1能夠通過多個途徑限制宮頸癌細胞的遷移，抑制其發展，但SUV39H1同時能促進HPV的感染及癌變的發生；SUV39H1在不同疾病的調控過程中可能發揮相反的作用；由于SUV39H1分布的廣泛性，調控其表達可能帶來眾多無法預料的目標靶點以外的影響。這為未來的研究提示了新的方向，相信隨著研究的不斷深入，SUV39H1的功能作用將被更深入地理解。