梳蛋白家族调控机制及其在干细胞与肿瘤发生过程中的作用.docx

多梳蛋白家族调控机制及其在干细胞与肿瘤发生过程中的作用摘要：多梳蛋白家族（PcG）是一类转录调控因子。主要有两类PcG染色质调节复合物家族（Ploycomb Repressive Complex），简称PRC1与PRC2。它们可以受到转录因子的调控，富集于基因上，通过阻止RNA聚合酶II的前进抑制基因表达，从而导致相关基因的沉默。在细胞周期的不同阶段、DNA的损伤修复中起到重要作用。由于多梳复合体沉默的位点往往是一些肿瘤抑制因子，所以PcG的调控可以决定细胞命运，在胚胎干细胞的分化以及癌症的发生过程中都起到重大的作用，具有极大的研究意义。关键字：多梳蛋白家族PcG、PRC、肿瘤、胚胎干细胞Abstract：Polycomb group proteins(PcG) have been identified as an important regulators of gene expression. There are at least two distinct complexes of PcG, the Ploycomb Repressive Complex1 and Ploycomb Repressive Complex2 (PRC1 and PRC2). Both of them can be regulated by transcriptional factors and recruited to the targeted genes. And repress the expression of genes by blocking the RNA polymerase II. PcG also plays an important role in different stages of cell cycle and they participate in the DNA damage desperation as well. Considering most of the gene loci silenced by PcG are encoding tumor suppressors, the regulation of PcG can decide cell fate and thus play an important role in embryonic stem cell differentiation and the development of cancer, which is of great research values.Keywords：Ploycomb group proteins, PRC, tumor, embryonic stem cells一、多梳蛋白家族组成：多梳蛋白家族（Polycomb group proteins，简称PcG）是一类转录抑制因子，最初发现于果蝇中，突变体会导致果蝇的发育异常 Surface, Lauren E., Thornton, Seraphim R., & Boyer, Laurie A. (2010). Polycomb Group Proteins Set the Stage for Early Lineage Commitment. Cell Stem Cell, 7(3), 288-298.。PcG主要由两类多聚体蛋白复合物组成，即PRC1和PRC2。其中，PRC1包含四个核心成分：Pc，Ring，Psc和Ph，在哺乳动物中每一个核心成分都包含多个同源异形物，主要分为Cbx，Ring1，Phc和Bmi/Mell8家族。PRC2包含三个核心成分：E（z），Esz和Suz12，目前被确定的同源异形物有Ezh1、Ezh2、Suz12和Eed，其中Eed又有三个亚型（图1） Klauke, K., & Haan, G. (2011). Polycomb group proteins in hematopoietic stem cell aging and malignancies. International Journal of Hematology, 94(1), 11-23.。PcG普遍存在于动植物种。在昆虫中，多梳家族蛋白与三胸家族蛋白相互拮抗，调控基因的表达。在哺乳动物中，多梳家族蛋白显然也起到重要的作用。以PRC1的Bmi1多梳与RING指结构域为例，它可以促进神经干细胞的自我更新 Sievers, & Paro. (2013). Polycomb Group Protein Bodybuilding: Working Out the Routines. Developmental Cell, 26(6), 556-558.。在小鼠中的实验表明PRC1的突变体会导致同源异形突变，后期则死亡，而PRC2基因的无效突变则是胚胎发育期间的致死突变。由于PcG抑制的主要是肿瘤抑制因子，PcG的高表达对肿瘤的发生具有重要作用。然而在植物中，PcG的表达与作用与在动物中不同。在动物中，PcG的表达可以促进细胞分化，但在植物中，随着PcG的相继缺失，植物的细胞才会开始分化 Jiang, D., Wang, Y., He, Y., Dilkes, Y., & Dilkes, Brian P. (2008). Repression of FLOWERING LOCUS C and FLOWERING LOCUS T by the Arabidopsis Polycomb Repressive Complex 2 Components (Role of PcG Genes in Flowering). PLoS ONE, 3(10), E3404.。由于PcG的表达量与细胞的分化、增殖密切相关，所以在肿瘤与胚胎干细胞的研究中，PcG受到了极大的关注，本文将将简单介绍PcG在正常细胞中的作用以及PcG与肿瘤细胞的关系。二、多梳蛋白家族调控基因沉默机制：作为一类转录抑制因子，PcG主要通过结合靶基因的启动子，参与组蛋白的甲基化、乙酰化以及泛素化 Golbabapour, S., Majid, N., Hassandarvish, P., Hajrezaie, M., Abdulla, M., & Hadi, A. (2013). Gene silencing and Polycomb group proteins: An overview of their structure, mechanisms and phylogenetics. Omics : A Journal of Integrative Biology, 17(6), 283-96.。在此过程中，PRC1与PRC2两者即可协同作用又可独立作用。现有证据表明，PRC2招募PRC1到它们共同作用于基因的启动子上。哺乳动物中PRC2中的EZH2，是一种组蛋白甲基转移酶（HMT），通过其SET结构域催化组蛋白H3的27号赖氨酸（H3K27me3）的三甲基化。从而进一步参与调控基因的表达 H Richly, L Aloia, & L Di Croce. (2011). Roles of the Polycomb group proteins in stem cells and cancer. Cell Death and Disease, 2(9), E204.。 图 Error! Main Document Only. PRC1（左图）与PRC2（右图）。PRC1含有四个核心成分，而PRC2含有两个核心成分除了甲基化，PCR1参与染色质单泛素化。10%的内源性H2A蛋白经单泛素化修饰。组蛋白泛素化过去被认为与基因沉默有关，虽然有研究证实单泛素化在维持基因表达沉默上是有争议的，因为在染色质转录区域也能看见泛素化区域。但是在表观遗传学上受到了极大的重视。最近的研究证实染色质凝缩并不依赖于染色质自身进行单泛素化，而是PRC1。PRC1有助于染色质的浓缩 Francis, N., Kingston, R., & Woodcock, C. (2004). Chromatin Compaction by a Polycomb Group Protein Complex. Science, 306(5701), 1574-1577.，此外，泛素残基对于转录活动的进行起到重要作用1。PRC1使得聚合酶II（Pol II）在二价基因上的延长停止。二价基因由抑制性与激活性三甲基标记修饰（H3K27me3和H3K4me3，图1）在这些二价基因中，RNA聚合酶II会停留于基因上等待特定刺激以得到活化。聚合酶的停留时由于PRC1占据位置、单泛素标记参入、占据位点造成。但是具体机制仍需得到证实6。图 2 二价基因的表观遗传调控。二价基因具有抑制和激活两种表观遗传标记。MLL复合物修饰含有活化H3K4me3标记的染色质，此后PRC1和PRC2相继作用使得抑制性标记解体。PRC2完成特定甲基化（H3K27me3），通过CBX蛋白家族招募PRC1，此后PRC1将一单位泛素转移到组蛋白H2A（H2AK119），之后PRC1与单泛素化蛋白H2A（H2Aub）是染色质出于沉默状态，Pol II也停止前进。三、多梳蛋白家族的作用：1、PcG与细胞周期检查：研究证明PcG在多个细胞周期检查点均起到重要作用：例如在处于不利状况下、不分裂的成纤维母细胞中，EZH2与SUZ12表达显著降低，而当细胞重新由G0期转变为G1期后，两者的表达又显著增加，在此过程中，EZH1的表达量没有显著变化。G1期与S期的转化主要由INK4A-pRB/E2F通路调控，而PcG可以参与调控的p16Ink4a/ p19Arf位点的表达抑制可以使细胞停留在G1期。PRC1复合物则参与调控S期起始。PRC1复合物的一部分SCMH1可以直接与联会蛋白作用，联会蛋白是一类DNA复制许可因子CDT1的抑制蛋白。PRC1复合物由PHC1，SCMH1，RING1B和BMI1可以利用E3泛素连接酶，使联会蛋白泛素化，从而导致蛋白酶体降解，使得DNA的复制叉继续前进，S期开始。G2/M纺锤体检查点：细胞由细胞周期蛋白B/CDK1复合物调控，开始进入M期，而染色体分离则由APC/CDC20复合物调控。在压力信号下可以使细胞的有丝分裂停止。如pRB与E2F、CtBP和PRC1蛋白CBX4和RING1。它们共同作用，结合到启动子上并抑制cyclin A和Cdk1基因 Sauvageau, Martin, & Sauvageau, Guy. (2010). Polycomb Group Proteins: Multi-Faceted Regulators of Somatic Stem Cells and Cancer. Cell Stem Cell, 7(3), 299-313.。2、DNA损伤修复：越来越多的实验发现PRC除了参与调控基因的表达外，还参与DNA的损伤修复。对DNA进行同位素标记，发现当受到紫外线的损伤时，PRC2成员：Suz1，Cbx8和Ezh2都富集于损伤DNA处。除去这些蛋白后，DNA对于电离辐射表现的更为敏感。对于双链断裂（DSB），则会有Bmi1和Ring1b的富集，使损伤开始修复2。然而，PRC1对DNA的损伤修复似乎不起作用。Hollie等诱导成纤维细胞产生DSB，通过免疫荧光染色，并未看到令人信服的相关证据可以证明PRC1与对于修复DNA的损伤能起到什么作用 Chandler, H., Patel, H., Palermo, R., Brookes, S., Matthews, N., & Peters, G. (2014). Role of polycomb group proteins in the DNA damage response-a reassessment. PloS One, 9(7), E102968.。可见PRC1和PRC2的功能还是存在一定差别的。3、在干细胞中的作用：PcG在胚胎干细胞中的表达直接决定了细胞命运与胚胎的发育。PRC2在早期胚胎发生过程中起到重要作用。实验表明，敲除EZH2与EED的对小鼠来说致死1。与敲除PRC2相似，敲除E3连接酶Ring1B可以导致原肠胚停止发育，胚胎致死1。Mel18或Bim-1不足的小鼠中轴骨转化较慢，并伴随免疫缺陷。可见PRC复合物对胚胎发育的重要性。虽然PRC2对胚胎干细胞自我更新的维持并不重要，它更多地是参与发育调控基因的表达。但是缺少Suz12，EED或EZH2的胚胎干细胞表现出种系特异性基因异常的脱抑制，并且无法正确分化。这主要是由于在分化阶段缺少对多能基因的抑制。除了PRC2的核心亚单位，其它与PRC2相关的蛋白可以影响复合物核心的酶活6。Lluis Morey的实验发现，当胚胎干细胞开始分化，Cbx2、Cbx4以及Bim1均上升，唯有Cbx7表达下降。Cbx7是Cbx家族的主要成分。说明Cbx7表达量的下降可能是细胞分化的第一步。除此之外，他们的实验还说明Cbx7对启动子的占据是完全依赖于PRC2、部分依赖于PRC1的，这使Cbx7为PRC1提供了广泛的选择性位点，从而使干细胞的自我更新与分化趋于平衡 Morey, Lluis, Pascual, Gloria, Cozzuto, Luca, Roma, Guglielmo, Wutz, Anton, Benitah, SalvadorAznar, & DiCroce, Luciano. (n.d.). Nonoverlapping Functions of the Polycomb Group Cbx Family of Proteins in Embryonic Stem Cells. Cell Stem Cell, Cell Stem Cell Sauvageau, Martin, & Sauvageau, Guy. (2008). Polycomb Group Genes: Keeping Stem Cell Activity in Balance (Primer). PLoS Biology, 6(4), E113.。PcG在成体干细胞中的表达与在胚胎干细胞中的表达相似。以造血干细胞为例，随着年龄的上升，造血干细胞的“健康性”与PcG的调节活动密切相关 Park, I., Morrison, S., & Clarke, M. (2004). Bmi1, stem cells, and senescence regulation. The Journal of Clinical Investigation, 113(2), 175-9.。在不同阶段的造血干细胞中，PcG是有着特异性表达的。例如Bim1在未分化的HSC中表达，当细胞开始分化，Bim1的表达量便出现下降，而Eed则在所有阶段的造血细胞中表达。在原初造血干细胞中，PRC1的表达与在祖先细胞中是不同的2。然而，既没有敲除Eed也没有敲除Ring1B的胚胎干细胞依然能够将淋巴细胞再编程为多能细胞。可见，在干细胞中，PRC复合体的功能是有冗余的。4、在肿瘤细胞中的作用由于PCR的错误调节会导致发育过程调节通路上的缺失或异常活动。从而加强了细胞的分化增殖能力，故其在肿瘤的发生中扮演了重要的角色。多梳复合体常由转录因子调控，使基因沉默，调控细胞命运。多梳蛋白在肿瘤中的富集往往是有其它蛋白参与的。例如PRC2的亚单位EZH2与DNA甲基转移酶（DNMTs）可以相互作用。它们可以被一种致瘤的融合蛋白PML-RARa（可导致白血病）招募至染色质上。同样的，Bmi-1（一种PRC1复合体）被转录因子白血病锌指PLZF（一种BTB/POZ-ZF转录因子家族成员）招募。白血病中，致瘤融合蛋白PLZF-RARa导致PRC1的异常聚集6。研究表明，PRC1的成员Bmi-1和PRC2成员EZH2两种蛋白在癌症细胞中有很高的表达，具有较强的致瘤性 Adrian P. Bracken, & Kristian Helin. (2009). Polycomb group proteins: Navigators of lineage pathways led astray in cancer. Nature Reviews Cancer, 9(11), 773.。如EZH2通过参与组蛋白甲基化，使基因沉默 Li, Ziming, Xu, Ling, Tang, Naiwang, Xu, Yunhua, Ye, Xiangyun, Shen, Shengping, . Chen, Zhiwei. (2014). The polycomb group protein EZH2 inhibits lung cancer cell growth by repressing the transcription factor Nrf2. FEBS Letters, 588(17), 3000-3007.。在普通的上皮细胞中，EZH2表达量很低，而在肿瘤、乳房以及膀胱的肿瘤中出现了较高的表达。EZH2可以使得E-钙黏蛋白沉默，从而有利于肿瘤细胞的转移 Q Cao, J Yu, S M Dhanasekaran, J H Kim, R-S Mani, S A Tomlins, . A M Chinnaiyan. (2008). Repression of E-cadherin by the polycomb group