组蛋白甲基化与脂肪生成

1、组蛋白甲基化与脂肪形成摘要 最近的研究表明，在脂肪形成过程中，很多基因的表达受到表观遗传的调控。组蛋白甲基化是一种重要的表观遗传学修饰，人们对其已经进行了深入的研究。组蛋白甲基化可以通过调控脂肪细胞分化过程中转录因子及脂肪组织特异性基因的表达，从而调控脂肪组织的形成。该文综述了脂肪形成过程中组蛋白甲基化及去甲基化表观调控的最新进展，探讨了脂肪组织组蛋白甲基化的研究趋势和未来发展方向。关键词 组蛋白甲基化；脂肪形成；基因表达；组蛋白甲基转移酶；组蛋白去甲基化酶随着经济的不断发展，肥胖已经成为全球性的公共健康问题，型糖尿病的发生占所有糖尿病的90%-95%，肥胖是型糖尿病的首要危险因素；肥胖还能增

2、加某些类型癌症的发病风险，包括乳腺癌、肾癌、卵巢癌、胰腺癌、前列腺癌、肝癌、大肠癌、黑色素瘤等(1)；最近有研究表明肥胖可加速人类肝脏的衰老(2)。研究脂肪形成的分子机制将为治疗与糖尿病密切相关的肥胖和脂代谢障碍疾病等提供重要理论依据。组蛋白甲基化可以通过调控脂肪细胞分化过程中转录因子及脂肪组织特异性基因的表达，从而在脂肪形成过程中发挥着重要作用。1 组蛋白甲基化组蛋白甲基化作为一种重要的表观遗传学修饰方式，与基因转录调控、异染色质的形成、X染色体失活，基因组印记等密切相关。(3)组蛋白甲基化的异常与多种人类疾病如肿瘤的发生等相关(4)。与乙酰化不同，组蛋白甲基化对基因表达调控的作用可以完全相

3、反，有时促进基因表达，有时却抑制基因表达，调控作用取决于甲基化的位点和甲基化的程度。如H3K4甲基化与基因激活有关，而H3K9和H3K27甲基化与基因沉默相关(3, 5) 。组蛋白的甲基化修饰是由一类含有SET结构域、被称为组蛋白甲基转移酶（HMTs）的蛋白质来催化的。SET结构域由最早发现表达这三个结构域的3个基因来命名，分别为Su(var)39, Enhancer of zeste (E(z)和 trithorax (trx)(6)。组蛋白甲基转移酶（HMTs）分为两个家族，分别是组蛋白赖氨酸甲基转移酶（HKMTs）和蛋白精氨酸甲基转移酶（Prmts）。从Suv39h1第一次被人们发现，很

4、多HMTs相继被人们发现目前已经发现和证实有大概700 多种含SET 结构域的组蛋白甲基转移酶,其中人源的就有100多种。组蛋白的甲基化是一种可逆过程，2004年第一个组蛋白去甲基化酶（HDM）的发现(7)使人们认识到甲基化修饰是被动态调节的。根据催化反应活性中心的不同可以将现在已发现的去甲基化酶分为两个家族：LSD1和含有JmjC结构域的蛋白质。前者含有黄素腺嘌呤二核苷酸(FAD) 依赖的胺氧化酶结构域， 以质子化的氮作为氢供体， 所以只能催化一和二甲基化的赖氨酸； 后者含有 JmjC 结构域， 不需要氢供体， 因此能催化三种甲基化的赖氨酸(8)。精氨酸甲基的去除有两个酶：一个是肽基精氨酸去

5、亚胺基酶4（PADI/PAD4），它能将蛋白质内单甲基化的精氨酸脱去甲基和亚胺基，进而转化为瓜氨酸，因此这一过程常被称为去亚胺基化或瓜氨酸化，故PADl4并不是严格意义上的去甲基化酶(9, 10)。另一个酶是JmjC区域包含蛋白6（JMJD6），它能特异性地将精氨酸上的甲基通过羟基化的过程转化为甲醛，从而实现甲基的脱离(11)。2 脂肪形成白色脂肪细胞来源于间充质干细胞，定向为前脂肪细胞后进一步分化为脂肪细胞。棕色脂肪细胞来源自Myf5成肌细胞(12, 13)。用于研究定向过程的细胞为多潜能干细胞C3H10T1/2，经过适当的诱导，C3H10T1/2可定向并分化为脂肪细胞，心肌细胞，软骨细胞等

6、；用于研究脂肪细胞分化过程的细胞系常选用3T3-LI前脂肪细胞系或鼠成纤维细胞系(MEFs)，利用一系列的诱导剂启动分化进程。定向过程主要通过BMP和Wnt信号通路来调节，定向之后，前脂肪细胞在胰岛素样生长因子1（IGF1），糖皮质激素，cAMP作用下引发DNA复制重回细胞周期，此过程即有丝分裂克隆扩增。有丝分裂扩增是一个多种转录因子联合作用的复杂过程。基因表达的调控主要受CCTTA/增强子结合蛋 白( CCAAT /enhancer binding protein， C /EBP)家族和过氧化物酶体增殖物激活受体（Peroxisome Proliferator-Activated recep

7、tor，PPAR）的协调作用。而在这两个家族成员中，C /EBP 和 PPA 是两个最重要的转录调控因子(14)。利用染色质免疫共沉淀测序可以发现脂肪形成过程中存在多种组蛋白甲基化修饰，如H3K4me3/me2/me1, H3K27me3 and H3K36me3等(15)。3 H3K4甲基化对脂肪形成的调节H3K4可发生单甲基化，二甲基化，三甲基化，此位点甲基化多与基因激活相关(3, 5)。H3K4甲基化对脂肪形成有很大影响，型糖尿病性肥胖和非糖尿病性肥胖人群的脂肪细胞H3K4me2水平比正常个体脂肪细胞低约40%，相反，H3K4me3水平在糖尿病性肥胖个体脂肪细胞中要比正常个体和非糖尿病性

8、肥胖者高40%，并且甲基化的水平与个体年龄无关(16)。全基因组分析显示H3K4me3多位于启动子附近并与转录起始相关(17)。如脂肪细胞特异性可变启动子PPARG附近存在H3K4me3。H3K4me3在PPAR附近的水平与PPAR基因表达的动态改变和相对水平密切相关(15)，已有研究通过调节H3K4me3，纳米TiO2可调节人脂肪干细胞的成骨分化(18)；H3K4me2/me1与开放染色体和顺式作用元件活性有关，常分布于启动子，内含子和基因间区域。人和酵母的H3K4甲基转移酶有Set1, MLL1, MLL2, MLL3/HALR, MLL4/ALR, Ash1, and Set7/9(19

9、)。人H3K4甲基转移酶MLL3对脂肪形成有重要意义。无活性的MLL3突变小鼠白色脂肪量明显减少；MLL3突变的鼠胚胎成纤维细胞对诱导脂肪形成效应弱于对照组(20)。H3K4甲基转移酶相关蛋白PTIP敲除后会损害H3K4me3及RNA聚合酶在PPAR及C/EBP启动子的富集，脂肪形成过程中前脂肪细胞出现显著缺陷(21)。H3K4的去甲基化对脂肪细胞的分化也非常重要，敲除H3K4me2/1去甲基酶LSD1可降低3T3-L1前脂肪细胞的分化，这是由于C/EBP启动子处的H3K4me2降低及H3K9me2增多导致的(22)。另外，LSD1去甲基酶抑制剂可阻断其催化活性并促进脂肪干细胞的成骨分化(23

10、)。4 H3K9甲基化对脂肪形成的调节H3K9也可发生单甲基化，二甲基化，三甲基化，此位点的甲基化多与基因沉默有关(3, 5)。在脂肪细胞有丝分裂克隆扩增阶段，组蛋白甲基转移酶G9a可被C/EBP反式激活，再通过调节启动子处H3K9me2来抑制PPARr和C/EBP的水平，从而调节脂肪细胞分化(24)。G9a调节H3K9me2是选择性的富集于整个PPAR位点。在脂肪形成过程中，H3K9me2和G9a的下降水平与PPAR的诱导呈反相关(25)。常染色质甲基转移酶EHMT1是控制棕色脂肪细胞命运的PRDM16转录复合物的一个必要成分，棕色脂肪细胞中EHMT1的丢失导致棕色脂肪特点的丧失，在活体中通

11、过肌肉选择性基因启动子的“Histone 3 Lys 9”的脱甲基化诱导肌肉分化，EHMT1表达通过使PRDM16蛋白稳定来打开棕色脂肪细胞中的生热基因程序，敲除EHMT1，会减少由BAT介导的适应性热生成，造成肥胖和胰岛素抗性(13)。H3K4/K9去甲基酶LSD1通过抵抗H3K9甲基转移酶的作用来维持染色质活性。敲低H3K9甲基转移酶SETDB1通过降低CEBP启动子处H3K9二甲基化和增加H3K4二甲基化产生与LSD1相反的作用，从而促进分化(22)。H3K9特异性去甲基化酶Jhdm2a在调控代谢基因表达方面发挥重要作用，敲除Jhdm2a基因的小鼠会产生肥胖和高脂血症，在棕色脂肪细胞中可

12、导致肾上腺素刺激的糖释放和棕色脂肪组织中氧消耗的紊乱(26)。可见组蛋白甲基化修饰是甲基转移酶和去甲基化酶的动态协调催化过程(26)，多种组蛋白甲基化共同调节脂肪细胞的分化，组蛋白甲基化对代谢调节意义重大。但H3K9me2在人群间的水平较稳定(16)。5 H3K27甲基化对脂肪形成的调节 H3K27me3与Polycomb复合物介导的基因沉默相关(27)，广泛分布于不活跃的侧翼区域。Wnt信号通路可抑制脂肪形成。全基因组分析研究显示H3K27甲基转移酶Ezh2在Wnt基因区的富集。在脂肪形成过程中及前脂肪细胞中Ezh2直接抑制Wnt1，-6，-10a及-10b基因。敲除Ezh2消除Wnt启动子

13、区的H3K27me3及Wnt的表达抑制，将导致Wnt信号通路的激活，脂肪形成从而受到抑制。Ezh2正是通过抑制Wnt基因来促进脂肪形成(28)。6 Prmts对脂肪形成的调节哺乳动物有九种蛋白精氨酸甲基转移酶（Prmts），人们已经发现Prmt5是脂肪细胞分化必须的，在脂肪形成过程中它能通过提高PPAR2及其靶基因的表达来促进脂肪细胞基因表达及分化(29)。Prmt7的生物学意义还不清楚，在在脂肪形成分化过程中，Prmt7与Prmt5不同，并不是必须的，敲低或过表达Prmt7对脂质积累或脂肪形成的基因表达无影响(30)。7 展望组蛋白甲基化作为一种重要的表观遗传修饰方式，在脂肪形成过程中起着重

14、要作用。目前的研究主要集中在组蛋白甲基化对白色脂肪的发育分化影响，而对棕色脂肪及白色脂肪棕色化的影响研究较少。更多的研究棕色脂肪分化过程中的组蛋白甲基化有助于揭示白色脂肪与棕色脂肪形成调控机制的差异。另外，对脂肪形成过程中DNA甲基化等表观遗传学修饰的研究已有很多，组蛋白甲基化与这些表观遗传学修饰关系密切，揭示它们之间的联系有着非常重要的意义。从表观遗传学的角度，整体地研究脂肪形成的机制，将为肥胖及其相关疾病的预防和治疗开辟新的思路。参考文献1.Sanchez C, Ibanez C, Klaassen J. The link between obesity and cancer. Revis

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