表觀遺傳修飾對脂肪酸合成酶表達和蛋白水平的影響

李雅茹，周若楠，尚文斌

(南京中醫藥大學第一臨床醫學院代謝病中醫研究重點實驗室，南京 210023)

脂肪酸合成酶(fatty acid synthase，FASN)是含有縮合、轉酰、還原、脫水等7種催化酶活性結構域的多肽鏈二聚體[1]。FASN是哺乳動物細胞內源性脂肪酸合成過程的重要酶系之一，也是脂肪酸從頭合成的關鍵酶。正常機體中的FASN通常呈低表達，而代謝異常組織和細胞中的FASN呈過表達，其在許多疾病(如肥胖、2型糖尿病、非酒精性脂肪肝、腫瘤)的發展過程中起重要作用，已成為許多疾病的治療靶點[2-3]。表觀遺傳指在細胞核DNA序列未發生改變的情況下，基因表達或表型發生可遺傳改變，包括DNA甲基化、組蛋白修飾(甲基化、乙酰化、磷酸化、泛素化等)、非編碼RNA調控、染色質重塑、核小體定位等[4]。與DNA序列的遺傳信息不同，表觀遺傳易受外界環境的影響[5]。近年發現，表觀遺傳修飾與多種疾病的發生發展密切相關，這為疾病的防治提供了更多可能性。現就DNA甲基化、組蛋白修飾、翻譯后修飾和微RNA(microRNA，miRNA)調控等表觀遺傳修飾對FASN的影響予以綜述。

1 FASN的DNA甲基化修飾

廣義上的DNA甲基化修飾是指DNA序列上特定的堿基在DNA甲基轉移酶的催化作用下，以S-腺苷甲硫氨酸作為甲基供體，通過共價鍵結合的方式獲得一個甲基基團的化學修飾過程。在哺乳動物中，DNA甲基化修飾大多發生在DNA序列的胞嘧啶第5位碳原子上。一般情況下，基因啟動子區的高DNA甲基化意味著基因的抑制[6]。

Uriarte等[7]提取高脂高糖飲食喂養雄性大鼠的腹膜后脂肪細胞和肝臟組織，發現Fasn啟動子區域的CpG位點1和5出現低甲基化，并伴有脂肪細胞肥大，肝臟組織脂肪含量和血清三酰甘油水平明顯升高，給予大鼠常規飲食飼養后，Fasn啟動子區域CpG位點15和16出現高甲基化，脂肪細胞肥大明顯改善，肝臟脂肪含量和血清三酰甘油水平均降低。Gracia等[8]對雄性大鼠的研究發現，與常規飲食組相比，高脂高糖組附睪、腎周、腸系膜的脂肪組織重量均明顯增加，其中腎周脂肪組織的DNA甲基轉移酶活性顯著下降，而Fasn總甲基化狀態卻沒有明顯差異，但Fasn基因的某些特定位點可以觀察到甲基化狀態的顯著變化，如CpG -90bp位點的甲基化明顯降低，Fasn表達量增加了5倍。給予高脂高糖飲食大鼠甲基供體(膽堿、甜菜堿、維生素B12和葉酸)可逆轉高脂高糖飲食誘導的肝臟三酰甘油積累，改善大鼠的非酒精性脂肪性肝病(nonalcoholic fatty liver disease，NAFLD)，對Fasn啟動子甲基化的分析顯示，Fasn的DNA高甲基化參與了甲基供體誘導的NAFLD的改善，而Fasn不僅受到DNA甲基化的調控，其變化還與其他表觀遺傳修飾(如組蛋白修飾和miRNA)的調控作用有關[9]。Sievert等[10]對肥胖相關2型糖尿病的臨床研究顯示，高血糖組肥胖者內臟脂肪中FASN的DNA甲基化水平升高，Fasn表達下調，其中Chore和E-box序列的甲基化與Fasn基因的表達顯著相關，故認為脂肪酸從頭合成對全身葡萄糖穩態具有積極作用，當通過DNA甲基化抑制Fasn轉錄時，可能因脂肪酸產生減少而導致葡萄糖不耐受。上述研究表明，Fasn的DNA甲基化狀態極易受到外部環境尤其是飲食的影響，通常DNA的高甲基化可抑制Fasn基因表達，但相關結論并不一致，其原因可能是還有其他表觀遺傳修飾參與了Fasn的調控。

N6-甲基腺苷是普遍存在于所有高等真核生物中的信使RNA(messenger RNA，mRNA)內部修飾，由甲基轉移酶復合物和脫甲基酶調節，通過改變靶基因的表達影響相應的病理生理過程[11]。目前關于Fasn的N6-甲基腺苷修飾的研究較少。在高脂飲食小鼠中，特異性敲除甲基轉移酶樣蛋白3可降低Fasn的N6-甲基腺苷甲基化和總mRNA水平，進而抑制脂肪酸代謝，改善肝臟胰島素敏感性[12]。

2 FASN的組蛋白修飾

組蛋白八聚體由各兩分子的組蛋白H2A、H2B、H3和H4形成，每個游離的N端均可發生甲基化、乙酰化、泛素化、類泛素蛋白修飾分子(small ubi-quitin-like modifier，SUMO)化、磷酸化等修飾，但目前研究的FASN組蛋白修飾多為乙酰化、甲基化。組蛋白乙酰化修飾多發生在比較保守的H3、H4的N端賴氨酸上，由組蛋白乙酰轉移酶和組蛋白去乙酰化酶(histone deacetylase，HDAC)共同調節。在哺乳動物中，HDAC分為四大類：Ⅰ類HDAC、Ⅱ類 HDAC、Ⅲ類Sirtuins和Ⅳ類HDAC[13]。組蛋白甲基化可發生在賴氨酸和精氨酸殘基上，賴氨酸殘基可發生單、雙、三甲基化，而精氨酸可發生單、雙甲基化，該過程由組蛋白甲基轉移酶和組蛋白去甲基化酶共同調節[14]。

Du等[15]研究了組蛋白修飾與Fasn轉錄之間的關系以及組蛋白修飾在NAFLD中的作用，用胰島素刺激大鼠原代肝細胞和HepG2細胞后發現，Fasn啟動子出現H3、H4高乙酰化，H3K4三甲基化也顯著增加，Fasn基因轉錄被激活，脂質生成顯著增加；并分別用干擾小RNA和慢病毒敲除HepG2和肝原代細胞中固醇調節元件結合蛋白1c、碳水化合物反應元件結合蛋白，發現胰島素誘導的高乙酰化出現逆轉，而Fasn轉錄被抑制；進一步使用高糖刺激HepG2細胞和正常肝細胞L02，發現肝細胞脂肪生成增強，Fasn中H3和H4乙酰化、H3K4三甲基化和H3S10磷酸化增加，而H3K9和H4K20三甲基化減少，Fasn轉錄被激活，去除高糖刺激后，上述組蛋白修飾逆轉，Fasn轉錄水平下降，該過程與碳水化合物反應元件結合蛋白密切相關，碳水化合物反應元件結合蛋白可促進H3和H4乙酰化、H3K4三甲基化和H3S10磷酸化，抑制H3K9和H4K20三甲基化，加速Fasn轉錄[16]。與正常對照組大鼠相比，高糖高脂飲食誘導的胰島素抵抗狀態大鼠肝臟Fasn轉錄區、增強子區和啟動子區的組蛋白H3、H4乙酰化水平升高，啟動子區和增強子區的H3K4單甲基化水平及轉錄區的H3K4三甲基化水平也升高，促進了Fasn基因和蛋白的表達，表明高糖高脂飲食可能引起Fasn組蛋白的高乙酰化和高甲基化，進而提高Fasn表達[17]。

MHY2233是一種強效沉默信息調節因子1(silent information regulator 1，SIRT1)激活劑，在db/db小鼠中，Fasn等脂肪合成基因表達增加，而給予MHY2233的db/db小鼠Fasn表達減少，脂質積聚和胰島素抵抗改善[18]。脂代謝在癌變過程中起重要作用，FASN作為內源性脂肪生成的關鍵酶，對維持癌細胞的生物學特性至關重要。P300作為一種含有組蛋白乙酰轉移酶催化結構域的轉錄激活因子，可以催化組蛋白乙酰化，在前列腺癌細胞系LNCaP中，P300與Fasn啟動子中的組蛋白H3K27結合，并催化其乙酰化，在敲除P300后，Fasn啟動子的乙酰化水平顯著降低，同時Fasn mRNA及Fasn蛋白水平降低，細胞中脂滴的積累減少，證明P300可通過提高Fasn啟動子乙酰化水平增加Fasn mRNA及Fasn蛋白的表達，從而增加脂質合成，為癌細胞的增殖和存活提供能量[19]。

綜上所述，Fasn的組蛋白乙酰化修飾可正向調節其基因表達，而組蛋白甲基化對Fasn的調控則取決于修飾位點，H3K4和H3K27甲基化可促進Fasn基因表達，H3K9和H4K20甲基化則抑制Fasn基因表達。

3 FASN的翻譯后修飾

翻譯后修飾指蛋白質在翻譯后的化學修飾，包括乙酰化、甲基化、磷酸化、泛素化、SUMO化等。泛素化是指泛素對靶蛋白的特異性修飾過程，被泛素化的靶蛋白最終被蛋白酶體降解[20]。SUMO是真核細胞中存在的一種與泛素相似的分子，SUMO化修飾與泛素化修飾類似，SUMO與靶蛋白結合可調控靶蛋白的結構和功能，而SUMO特異性蛋白酶和SUMO分子可共同調節細胞功能[21]。磷酸化修飾指ATP的磷酸根基團轉移到蛋白的氨基酸側鏈(絲氨酸、蘇氨酸、酪氨酸)上，ATP隨之變為ADP，該過程通常可逆，由激酶和磷酸酶催化調節[22]。

在人肝臟組織中，糖酵解、糖異生、三羧酸循環、脂肪酸代謝等代謝過程中的每種酶都存在乙酰化，包括FASN[23]。用HDAC抑制劑曲古霉素A處理人結腸癌細胞HCT116和人乳腺癌細胞ZR-75-30后發現，兩種細胞的FASN蛋白乙酰化水平均升高2倍以上，而FASN蛋白水平降低、mRNA水平無明顯變化，同時細胞內脂質含量顯著降低，腫瘤細胞生長受到抑制[24]。Yu等[25]報道，酪氨酸磷酸酶Shp2可作為接頭分子介導E3泛素連接酶COP1與FASN的結合，形成FASN-Shp2-COP1復合物，通過泛素化途徑介導FASN降解，以控制脂質代謝。泛素特異性蛋白酶14是一種蛋白酶體相關去泛素化酶，Liu等[26]通過質譜分析篩選出的FASN是泛素特異性蛋白酶14的特異性底物。在小鼠肝臟中，泛素特異性蛋白酶14過表達使FASN去泛素化，進而增加FASN蛋白，小鼠肝臟重量和三酰甘油水平顯著升高，葡萄糖耐受不良和胰島素敏感性降低，導致肥胖小鼠的肝臟脂肪變性和胰島素抵抗加重，故推測泛素特異性蛋白酶14可能是NAFLD及其相關疾病的治療靶點。對結腸癌的研究發現，大黃素可增強HCT116細胞中FASN蛋白的泛素化，促使蛋白降解，從而誘導癌細胞凋亡[27]。斑紋型POZ蛋白是一種E3泛素連接酶，Gang等[28]研究發現，FASN作為野生型斑紋型POZ蛋白的底物發生泛素化和蛋白酶體依賴性降解，繼而抑制前列腺癌細胞中的脂質積累和細胞生長，但突變型斑紋型POZ蛋白不能促使FASN的泛素化降解，故其對癌細胞的抑制作用不再明顯。Floris等[29]發現，乳腺癌組織和細胞中的FASN發生了SUMO化修飾，在抑制SUMO化修飾后，FASN蛋白穩定性降低，乳腺癌細胞凋亡增加，認為SUMO化修飾可保護FASN蛋白免于降解，通過改變脂質代謝發揮致癌活性，是治療乳腺癌的新靶點。人表皮生長因子受體2是研究較透徹的乳腺癌相關治療靶點之一，其與FASN直接相互作用可促使FASN酪氨酸磷酸化，FASN活性增強，導致乳腺癌細胞侵襲性增加[30]。

由此可見，翻譯后乙酰化修飾和泛素化修飾可抑制FASN蛋白表達和酶活性，而SUMO化修飾保護FASN蛋白不被降解，酪氨酸磷酸化修飾則可增強FASN活性，進而調節內源性脂肪酸的生成，對NAFLD等糖脂代謝紊亂相關疾病以及多種人類腫瘤產生影響。

4 FASN的miRNA調控

miRNA是一類研究較廣泛的小分子非編碼RNA[31]，主要通過mRNA降解和抑制翻譯起始兩種方式抑制動物mRNA的翻譯，可調節60%以上蛋白質編碼基因的翻譯[32]。現已發現多種miRNA通過調控Fasn的基因表達影響脂質代謝，從而對糖脂代謝紊亂疾病和腫瘤疾病發揮作用。

miR-195對Fasn具有調控作用，Guo等[33]研究證實，超保守RNA uc.372可與pri-miR-195/pri-miR-4668結合并抑制miR-195/miR-4668的成熟，從而調節包括Fasn在內的脂質合成和攝取相關基因的表達，驅動肝臟脂肪變性。miR-195還可通過負調控Fasn表達抑制多種腫瘤的增殖和侵襲，包括骨肉瘤[34]、乳腺癌[35]、胰腺癌[36]、惡性腦膜瘤[37]等。miR-27a[38]和miR-103[39]通過抑制小鼠原代肝細胞中Fasn和硬脂酰輔酶A去飽和酶1基因來抑制油酸誘導的肝臟脂肪堆積，此外，miR-24[40]還可通過調節Fasn等脂質合成相關基因的表達改善肝臟脂肪變性。miR-126-3p[41]過表達可抑制Fasn的表達，從而降低乳腺管腔上皮細胞的脂質含量，影響小鼠的泌乳過程。而miR-107抑制Fasn表達后，肝臟脂質積聚加重，Bhatia等[42]的研究表明，miR-107抑制Fasn導致丙二酰輔酶A濃度增加，繼而誘導內質網應激，最終加重了肝臟脂質積聚，其脂質積聚獨立于脂肪酸從頭合成的原因可能是脂肪酸氧化受損和脂蛋白分泌不當。

此外，二甲雙胍可誘導miR-193家族成員的表達，而其家族成員miR-193b能夠直接靶向Fasn，抑制Fasn的基因表達，控制蛋白表達水平，促進三陰性乳腺癌細胞的凋亡[43]。miR-320可降低非小細胞肺癌細胞中Fasn的表達，從而抑制腫瘤細胞的增殖、遷移和侵襲[44]。與癌旁組織相比，肝癌組織中miR-1207-5p的表達水平明顯降低，過表達miR-1207-5p可抑制Fasn的基因表達，進而抑制肝癌細胞的生長和侵襲[45]。Wang等[46]對乳腺癌的研究發現，miR-15a和miR-16-1可通過降低Fasn的表達，從而抑制乳腺癌細胞的增殖；他們進一步使用攜帶Fasn基因的慢病毒感染乳腺癌細胞，以恢復被miR-15a和miR-16-1下調的FASN蛋白水平，結果發現FASN蛋白水平恢復后，miR-15a和miR-16-1對乳腺癌細胞增殖的抑制作用部分消除。miR-132可通過靶向SIRT1抑制SIRT1-固醇調節元件結合蛋白信號轉導，間接抑制SIRT1-固醇調節元件結合蛋白下游基因Fasn，進而抑制膠質瘤細胞的增殖、遷移和侵襲[47]，而miR-204-5p可負調控SIRT1的表達，從而促進Fasn的表達以及乳腺上皮細胞的脂質合成[48]，這與miRNA抑制Fasn基因表達的結論存在矛盾，但是機體內環境復雜，Fasn的表達受多種調控機制的影響，miR-204-5p負調控SIRT1后，Fasn組蛋白乙酰化增加，但導致Fasn基因表達增加的機制還需要進一步研究。miR-212可通過抑制SIRT2的基因表達上調Fasn的mRNA表達，從而促進乳腺上皮細胞系的脂肪生成[49]。亮氨酸缺乏可明顯提高小鼠肝臟中miR-212-5p的mRNA水平，抑制Fasn活性和蛋白水平，減少肝臟中三酰甘油的積累，而抑制miR-212-5p可逆轉亮氨酸缺乏對小鼠原代肝細胞中Fasn表達和三酰甘油積累的抑制作用[50]。

5 小 結

DNA甲基化、組蛋白修飾、miRNA調控、翻譯后修飾等表觀遺傳修飾可以影響基因表達和蛋白活性，進而導致代謝綜合征、癌癥等的發生，由于上述改變可逆，故可作為治療代謝綜合征、癌癥等的新策略。在激素作用、轉錄水平、表觀遺傳修飾等方面對FASN調節作用的闡述有助于更深入地研究FASN的調控機制。未來，深入研究FASN表觀遺傳修飾調控機制及其具體表觀遺傳修飾過程、修飾位點有利于針對性地開發有效的FASN表觀遺傳修飾藥物。隨著表觀遺傳學的不斷發展以及FASN的深入研究，相關疾病的防治會得到有效突破。