组蛋白密码与胶质母细胞瘤关系的研究进展

孙红军 综述 荔志云 审校

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组蛋白密码与胶质母细胞瘤关系的研究进展

孙红军 综述 荔志云 审校

组蛋白密码由组蛋白中被修饰氨基酸的种类、位置和修饰类型构成。目前研究发现组蛋白密码与胶质母细胞瘤（glioblastoma，GBM）密切相关。GBM细胞中各种效应蛋白与组蛋白修饰后相应靶位点的结合效应控制着染色质的状态，进一步影响GBM细胞DNA复制及基因表达调控等表观遗传现象。GBM组蛋白密码信息存在于包括组蛋白乙酰化、甲基化、磷酸化、泛素化等翻译修饰过程中。组蛋白密码与GBM关系的研究为GBM的发生发展、临床诊断和治疗研究提供了更多分子靶点。

胶质母细胞瘤 组蛋白密码 组蛋白修饰 表观遗传学

胶质母细胞瘤（glioblastoma，GBM）是人类最常见的恶性脑肿瘤，约占原发性脑肿瘤的16%［1］，其中位生存期为9～12个月［2］。患者经标准的GBM治疗包括最大程度手术切除联合放疗和烷化剂辅助化疗，然而其5年生存率仍低于10%［3］，总体中位生存期为14.6个月［4］。有研究通过全基因组的序列分析发现，GBM复发、耐药与其表观遗传机制和途径密切相关［5］。组蛋白密码是一种重要的染色体和基因表达的表观遗传调节机制［6］。因此组蛋白密码的变换在GBM的发生、发展中起关键性作用；其相关分子标志物可为GBM的诊断提供重要信息；另外，组蛋白密码变换的可逆性使得对应的靶向治疗成为可能。本研究对组蛋白密码与GBM关系的研究进展进行综述。

1 组蛋白及组蛋白密码

1.1组蛋白

组蛋白是核小体的重要组成结构，核小体是构成染色质的基本单位。每个核小体由147 bp的DNA缠绕八聚体核心组蛋白1.65圈形成，其中核心组蛋白包括H2A、H2B、H3和H4各两个分子［7］。核小体之间由H1及DNA连接。每个组蛋白约有20个氨基酸N-端末尾伸出核小体之外，由于其性质不稳定，可发生各种翻译后修饰，使其成为许多信号传导通路的靶位点。

1.2组蛋白密码

组蛋白非结构化的N-末端尾巴通过各种不同翻译后靶向修饰，如乙酰化、甲基化、磷酸化或ADP核糖基化等，这些修饰结构具有类似DNA遗传密码的功能，故又称作“组蛋白密码”［8］。组蛋白修饰状态改变后，使其与DNA结合区由紧变松，靶基因暴露并与转录复合物相互作用，从而调控基因转录进程及染色体相关联事件［9］。组蛋白密码的变换影响整个基因组的结构和完整性，进而改变细胞核基因表达的微环境，参与肿瘤发生的过程［10］。

2 组蛋白密码与GBM

特定的组蛋白修饰标记使GBM组蛋白密码发生变换，反应GBM相应的生物学过程。汪炎等［11］通过研究53例不同级别胶质瘤组织样本，发现组蛋白修饰水平与WHO级别呈正相关，结合WHO病理诊断

可对胶质瘤恶性程度进行更准确分级，对脑胶质瘤患者预后判断具有重要的意义；另外，可对胶质瘤化疗患者的化疗敏感性进行评估，为个体化治疗方案的选择提供依据。

2.1组蛋白乙酰化与GBM

组蛋白乙酰化是一个可逆的动态过程，稳定平衡此修饰作用的酶包括组蛋白乙酰转移酶（histone acetyltransferase，HAT）和组蛋白脱乙酰酶（histone deacetylase，HDAC）。三羧酸循环中间代谢物乙酰辅酶A的动态平衡连接着转录调控的表观遗传机制，组蛋白乙酰化修饰精确地调控基因转录活性，发挥重要生物学功能［12］。HAT将乙酰辅酶A的乙酰基部分转移至核心组蛋白氨基末端上特定赖氨酸残基的氨基基团，这些赖氨酸的乙酰化导致电荷的中和及DNA与组蛋白的分离，使核小体DNA易于接近转录因子，在此种情况下，其他因子可结合于DNA上［13］。HDAC则移去组蛋白赖氨酸残基上的乙酰基，恢复组蛋白的正电性，带正电荷的赖氨酸残基与DNA之间的相互作用可限制核小体在DNA上的移动，使启动子不易接近转录调控元件，抑制转录［13］。组蛋白乙酰化程度与转录活性密切相关，一般是转录活跃区的核小体组蛋白呈高度乙酰化，而不活跃区则呈低乙酰化状态。各种肿瘤的发生过程常伴随着乙酰化紊乱，干预组蛋白乙酰化可影响肿瘤进程。有研究发现GBM的异质性和多条信号通路紊乱是组蛋白乙酰化失调所致，HDAC抑制剂可诱导GBM细胞凋亡和促进GBM细胞死亡［14］。金丝桃素诱导GBM细胞HDAC低表达导致核心组蛋白尤其H3和H4乙酰化升高，从而使染色质结构松弛和有利于细胞分化相关基因的表达与转录，最终促进GBM细胞分化，稳定患者病情［15］。Kitange等［16］研究发现组蛋白H3赖氨酸9乙酰化（H3K9-AC）升高和二甲基化（H3K9-ME2）降低是GBM对替莫唑胺（TMZ）产生耐药的重要机制，并且TMZ联合HDAC抑制剂可逆转这种表观遗传学驱动性的耐药机制，因此表观遗传学靶向治疗是GBM潜在的新疗法。

2.2组蛋白甲基化与GBM

组蛋白甲基化是由组蛋白甲基化转移酶介导催化H3和H4组蛋白N末端精氨酸或赖氨酸残基上发生的甲基化［10］：组蛋白H3赖氨酸甲基化位点主要在K4、K9、K27、K36、K79，组蛋白H4甲基化位点在K20，组蛋白H1甲基化位点在K26，赖氨酸残基可以是单、二或三甲基化的组合；组蛋白H3和H4的尾部精氨酸侧链甲基化位点包括R2、R8、R17以及组蛋白H3的R26和组蛋白H4的R3，精氨酸侧链可以单甲基或二甲基化。组蛋白甲基转移酶主要包括精氨酸甲基转移酶家族和赖氨酸甲基转移酶。精氨酸甲基化激活基因表达，而不同位点赖氨酸甲基化发挥转录激活或抑制功能。小儿GBM已经确定了两种编码组蛋白H3（H3F3A的H3.3和HIST1H3B为H3.1）的突变（K27M和G34R/v）；H3.3K27M突变体可降低内源性H3K27me2和H3K27me3的表达；H3K4、H3K9、H3K79、H4K20位点的甲基化抑制转录［17］。GBM常发生H3K4R或K9R突变，其中以赖氨酸突变为精氨酸为主，且肿瘤特异性丙酮酸激酶M2（PKM2）调节基因转录依赖于EGFR激活组蛋白H3K9的乙酰化［18］。最近研究已经确定了等位基因H3F3A赖氨酸27至蛋氨酸（K27M）突变，其中一个基因编码组蛋白H3变体H3.3，出现在小儿60%的高级别脑胶质瘤患者中［19］。H3K27me3和EZH2（H3K27甲基的催化亚基）可显著增加H3.3K27M细胞在染色质中的基因位点，而且基因启动子区H3K27me3和EZH2的增加可改变各种癌症相关联基因表达途径［19］。小儿脑胶质瘤组蛋白H3.3K27M突变重新编程H3K27甲基化和基因表达，与驱动GBM发生密切相关［19］。H3.3G34R突变常见于GBM，而且在GBM中G34R突变似乎与K27M互相排斥［20］。

2.3组蛋白磷酸化与GBM

组蛋白磷酸化主要发生于H3、H4、H2A、H2B及H1的N端尾部丝氨酸和苏氨酸残基，一般与基因活化相关。组蛋白丝氨酸和苏氨酸不同位点磷酸化表现出不同的生物学过程［21］：H3 S10和T11主要控制基因表达，H3 S10和S28与有丝分裂有关，H2B S10主要与细胞凋亡调控相关，H4 S1和H2A.X S139主要与减数分裂和DNA损伤修复相关；另外发现H3 Y41位点酪氨酸磷酸化与肿瘤的发生密切相关。有研究表明PKM2相关的组蛋白H3修饰有助于EGF诱导细胞周期蛋白D1和c-Myc基因的表达，促进肿瘤细胞增殖和诱导脑肿瘤的发生，且PKM2依赖性H3-T11的磷酸化有助于EGFR-促进GBM的发展［22］；此外，EGFRvⅢ酪氨酸激酶受体磷酸化和下游信号传导途径的活化在GBM进展中起重要作用［23-25］。Anderson等［26］研究发现，组蛋白H2AX磷酸化与DNA损伤修复及维持基因组稳定密切相关，并且通过抑制H2AX上游激酶阻止H2AX被磷酸化，可以延长电离辐射后γ-H2AX的持续时间，增加DNA损伤数量，从而促进GBM放疗的敏感性，因此组蛋白H2AX可以作为肿瘤放疗潜在的分子靶点。

2.4组蛋白泛素化与GBM

组蛋白泛素化是指组蛋白N末端赖氨酸残基位点与泛素分子羧基末端的结合，其中泛素是真核细胞中高度保守的76个氨基酸，分子量约8.5 kDa的蛋

白质。组蛋白泛素化主要启动基因表达。目前发现哺乳动物组蛋白泛素化位点主要发生于H2A氨基末端赖氨酸残基和H2B羧基末端赖氨酸残基。组蛋白H2B泛素化定向干扰染色质的完整性，H2A K119、H2B K120泛素化促使H3 K4、H3 K79甲基化，且H3 K4和H3K79甲基化阻止蛋白质与常染色质活跃的区域结合，从而限制蛋白质对染色质作用来维持基因沉默［27］。H2A的K120位点单泛素化后可促进GBM细胞增殖，白藜芦醇通过靶向破坏RNF20而抑制H2A单泛素化并诱导GBM细胞衰老［28］。神经系统中，多梳蛋白NSPc1与BMI1属同源多梳蛋白；GBM中，多梳蛋白NSPc1介导H2A泛素化和DNA甲基化，共同控制靶基因HOXA沉默，NSPc1敲除导致H2A泛素化显著减少和DNA去甲基化，以及DNA甲基化转移酶在HOXA7上离解［29-30］。

2.5组蛋白的其他修饰

目前研究发现组蛋白修饰方式还包括SUMO化、ADP核糖基化、羰基化等。SUMO是一类广泛存在于真核生物的高度保守的泛素样分子，其与靶蛋白结合后，使靶蛋白更稳定，参与靶蛋白的定位和功能调节过程。此外，SUMO结合蛋白可稳定基因组，新合成的蛋白质质量控制，蛋白质和DNA损伤修复的蛋白酶体降解等。GBM中高度活化SUMO偶联通路通过使DNA-PK依赖的H2AX磷酸化，从而修复DNA损伤，并且在GBM中通过阻断SUMO1-3偶联，沉默其表达，可抑制DNA合成、细胞生长和细胞克隆［31］。组蛋白的ADP糖基化、羰基化等主要与肿瘤细胞增殖以及迁移密切相关，现阶段相关研究较少。组蛋白的乙酰化、甲基化、磷酸化及泛素化等修饰之间既存在协同和级联效应，又互相拮抗，形成了一个复杂的调节网络，对于多层面调控基因表达具有重要意义［32-33］。

3 问题及展望

现阶段针对肿瘤组蛋白密码的治疗，仍集中于以组蛋白修饰相关酶学为靶标的研究，对于如何逆转已被修饰的组蛋白的研究相对较少。GBM是一个涉及基因、转录、蛋白代谢等水平异常的复杂病理过程。目前已有大量临床研究证实对胶质瘤的分子病理分型更有益于临床个体化治疗，因此针对GBM特异性组蛋白密码的研究具有广阔的发展空间。目前，组学技术的联合应用更是为GBM组蛋白密码的研究注入了新生命。然而，GBM组蛋白密码研究的发展也面临着严峻挑战：首先，组学技术的高敏感性和高信息量对样本预处理和数据分析方法提出了更严格的要求，要求我们不断完善现有组学技术和数据分析工具［34］，以获取更多GBM相关组蛋白密码特异性分子相关信息；其次，组蛋白修饰还存在协同和级联效应，甚至互相拮抗作用，形成了一个复杂的调节网络，如何从大量信息中筛选出GBM特异性的分子标志物仍是未来研究的关键所在。

研究GBM组蛋白密码对研发GBM靶标性治疗药物具有战略意义，多种组蛋白修饰酶已成为相关肿瘤治疗的靶标，如临床上已应用组蛋白去乙酰酶（HDACs）抑制剂治疗多种肿瘤［35-37］，深入探讨表观遗传调控网络与不同GBM生物学表型之间的关系，进一步深入理解GBM细胞染色质结构、调控序列以及调控蛋白之间交互作用的内在机制。总之，随着越来越多组蛋白核心结构区域和修饰方式的确定，组蛋白密码在GBM基因调控过程中的作用会越来越明确。随着对GBM组蛋白密码的深入研究，GBM组蛋白密码的监测可为其易感或高危人群的筛选、临床诊断、分子分期、预后评估、复发或转移预测判断、疗效评价等提供更加有力的证据，尤其可为GBM预防策略的制定和风险评价体系的建立提供新思路。

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（2015-01-12收稿）

（2015-02-25修回）

（编辑：邢颖）

Research progress on relationship between histone code and glioblastoma

Hongjun SUN,Zhiyun LI

Zhiyun LI;E-mail:lizhiyun456@163.com

Histone codes are characterized by the type,location,and modification of amino acids in proteins.Recent research has shown that histone codes are closely related to glioblastoma(GBM).In GBM cells,the combined effects of various effector proteins and histone-modified target sites control the state of chromatins,which further affects the epigenetic phenomena,including GBM cell DNA replication and gene expression and regulation.GBM histone code information exists in histone acetylation,methylation,phosphorylation,ubiquitination,and other post-translational modification processes.Briefly,this study on the relationship between histone code and GBM provides further molecular targets to develop the clinical diagnosis and treatment of GBM.

glioblastoma,histone code,histone modification,Epigenetics

10.3969/j.issn.1000-8179.20142143

兰州军区兰州总医院神经外科（兰州市730050）

荔志云lizhiyun456@163.com

Department of Neurosurgery,Lanzhou General Hospital of the PLALanzhou MilitaryArea Command,Lanzhou 730050,China

孙红军专业方向为颅内肿瘤与颅脑损伤的基础与临床研究。

E-mail：tcmsunhj@163.com