重新认识！什么是组蛋白甲基化？（附临床药物总结）

组蛋白甲基化（Histone methylation）是一种很重要的组蛋白修饰，是指添加一个、两个或三个甲基到组蛋白中的某些氨基酸上，分别称为单甲基化、双甲基化和三甲基化。虽然组蛋白的很多位点都可以发生甲基化，但主要发生在尾部的赖氨酸（lysine，K）和精氨酸（arginine，R）残基上。

组蛋白的甲基化直接影响基因的转录，可以抑制或激活转录，这取决于甲基化的位点、程度和模式以及甲基化发生的基因组环境。在细胞核中，DNA缠绕在组蛋白上，共同组成核小体。组蛋白的甲基化和去甲基化可以使DNA中的基因“关闭”和“开启”；组蛋白可以松开它们的“尾巴”允许转录因子和其他蛋白质进入DNA，当尾巴包围住DNA时这些分子被限制进入。

▲每一个核小体单位由DNA包裹八个组蛋白（4种核心组蛋白H2A、H2B、H3和H4，各两个）组成的染色质基本结构单位。染色质在细胞有丝分裂或减数分裂过程中聚缩成棒状结构的染色体。所有核心组蛋白的N-末端结构域都经过化学修饰，如乙酰化、甲基化、泛素化和某些残基的磷酸化。

▲视频。DNA缠绕在组蛋白上。

组蛋白甲基化对基因活性的影响

【Lys甲基化】组蛋白Lys甲基化可以以三种状态存在：单甲基化（me1）、双甲基化（me2）或三甲基化（me3）。H3K4，H3K36和H3K79的双甲基化和三甲基化通常是基因激活的，H3K4三甲基化（H3K4me3）标记启动子，H3K36和H3K79甲基化主要在基因体（起始和终止位点之间的转录区域）上发生。H3K4的单甲基化是增强子特有的活化标记。H3K9和H3K27甲基化通常是基因抑制性的。H3K27me3被认为是易于逆转的并且标记动态调节的基因，在发育中尤其重要。H3K9me3是异染色质的特征，而H3K9me2在常染色质中的沉默或低表达基因中更常见。

▲组蛋白甲基转移酶和去甲基化酶调节基因表达。例如SETD1A甲基转移酶复合物（SETD1A，ASH2L，RBBP5，WDR5等）诱导基因激活的H3K4三甲基化（H3K4me3）。H3K4me3被蛋白如TAF3中的PHD指结构域识别，其与甲基化的Lys结合。通过去甲基化酶KDM5C去除这种修饰可以逆转基因活化。SETDB1组蛋白甲基转移酶复合物（SETDB1，MCA和TRIM28）诱导H3K9三甲基化（H3K9me3），导致基因抑制。H3K9me3被HP1蛋白中的染色质结构域识别，并且可通过KDM3A/KDM3B去甲基化酶除去，以允许基因活化。

【Arg甲基化】Arg中的甲基化显示出比Lys甲基化更大的复杂性，这是由于Arg中存在多个氮原子。而Arg可以是单甲基化的或对称的/不对称的双甲基化的（分别为me1，me2s或me2as）。已经在哺乳动物中鉴定出三种主要形式的甲基-Arg：ω-NG，N'G -对称双甲基Arg (SDMA)；ω- NG-单甲基Arg (MMA)；ω-NG，N'G -非对称双甲基Arg (ADMA)。在哺乳动物组蛋白上，MMA和ADMA是主要的Arg甲基化，在H3R2、H3R17、H3R26和H4R3位点。组蛋白Arg甲基化标记与基因表达的关联知之甚少。对称H3R8me2（H3R8me2s）和H4R3me2s通常与转录抑制相关，但是新出现的证据表明这些修饰可能差异地影响某些基因组位点，这些甲基化在特定环境中具有激活和中性作用。

组蛋白甲基化与发育

组蛋白甲基化参与受精前开始到出生后期的发育基因表达。甲基化的缺陷影响各种发育过程，并且可导致成熟动物的发育停滞和致死性，或器官功能的特异性缺陷，这取决于甲基化缺陷的性质和细胞类型特异性。组蛋白甲基化调节因子通常在发育过程中普遍表达。组蛋白甲基化调节因子的活性存在细胞类型特异性和组织特异性差异。许多调节因子对神经发育和心脏发育至关重要，而其他调节因子则调节肌细胞生成、脂肪生成、造血功能和生殖系统发育等。各种组蛋白甲基化调节因子的去除对早期胚胎发生和器官发育具有深远的影响。例如H3K27去甲基化酶KDM6B促进小脑和嗅球中神经元前体的分化。PRMT1促进神经嵴细胞中腭的发育。KDM6B的去除导致发育后期心肌细胞增殖的缺失。完全敲除H3K4me3去甲基化酶KDM5C导致小鼠神经发育缺陷和皮质发育受损。不同组蛋白甲基化作用的分子机制及其功能结果在组织中保守性差，相同的甲基类型或酶可以具有截然不同的效果。

▲组蛋白甲基化调节因子的组织特异性

组蛋白不同位点的甲基转移酶和去甲基化酶

组蛋白甲基化状态由两种酶决定。甲基转移酶将甲基从S-腺苷甲硫氨酸（SAM）转移至其靶标，而去甲基化酶从其靶标中除去甲基。甲基转移酶和去甲基化酶可以基于它们的靶分子和特异性进一步分成不同的组。见下图，绿色Me表示甲基化，上面白色框里指甲基转移酶，下面红色框里指去甲基化酶。

▲组蛋白甲基转移酶（Methyltransferases）和去甲基化酶（Demethylases）

组蛋白甲基化临床药物

组蛋白甲基化的异常导致发育缺陷、衰老、癌症、心血管疾病等多种病理过程。组蛋白甲基化和DNA甲基化之间存在广泛的联系和串扰。一些基因组位点的DNA甲基化依赖于组蛋白甲基化。DNA的修饰状态和序列可以影响染色质中组蛋白的甲基化状态。下表总结了针对组蛋白或DNA的甲基转移酶/去甲基化酶的临床使用药物。

▼DNA甲基化或组蛋白甲基化临床试验

从左到右依次为靶点、药物（抑制剂）名称、应用的疾病、临床进展期、时间、临床试验编号。

PRC2（H3K27甲基转移酶）：

DOT1L（H3K79甲基转移酶）：

PRMT5（精氨酸甲基转移酶）：

LSD1（赖氨酸去甲基化酶）：

DNA甲基转移酶：

与免疫检查点抑制剂的组合：

与其他药物的组合：

ALL，急性淋巴细胞白血病; AML，急性髓性白血病;ATRA，全反式维甲酸; BAP1，BRCA1相关蛋白1; CMML，慢性粒单核细胞白血病; CRPC，去势抵抗性前列腺癌; CTLA4：细胞毒性T淋巴细胞相关蛋白4; DLBCL，弥漫性大B细胞淋巴瘤; DNMT，DNA甲基转移酶; DOT1L，端粒沉默样阻断蛋白; EED，胚胎外胚层发育蛋白; EZH2，zeste同源物增强子2; HDAC，组蛋白去乙酰化酶; IDO1，吲哚胺2,3-双加氧酶1; LSD1，赖氨酸特异性去甲基化酶1A; MDS，骨髓增生异常综合征; NEDD8，神经前体细胞表达发育下调基因8; NSCLC，非小细胞肺癌; PD1，程序性细胞死亡受体1; PDL1，程序性细胞死亡配体1; PRC2，多梳抑制复合物2; PRMT5，蛋白质精氨酸甲基转移酶5; R-CHOP，利妥昔单抗，环磷酰胺，长春新碱，多柔比星，泼尼松龙; SCLC，小细胞肺癌; SMARCB1，SWI/SNF相关,基质关联,肌动蛋白依赖染色质调控因子,亚家族c,成员1; THU，四氢尿嘧啶。

总之，表观遗传调控是一个涉及DNA甲基化，组蛋白修饰和非编码RNA的复杂网络。染色质调节因子在各种疾病治疗中的作用日益凸显。组蛋白甲基化几乎在所有细胞和组织类型的整个发育过程中起重要作用。DNA甲基化和组蛋白修饰之间的串扰是建立表观遗传特征最重要的相互作用之一。未来需要做更多的工作来进一步确定DNA甲基化和组蛋白修饰之间的相互作用。

参考文献：

The roles of DNA, RNA and histonemethylation in ageing and cancer. Nat Rev Mol Cell Biol. 2019 Jul 3.

Roles and regulation of histone methylationin animal development. Nat Rev Mol Cell Biol. 2019 Jul 2.