組蛋白變體macroH2A1 調控腫瘤增殖的研究進展

張明達，馮海忠

上海交通大學醫學院附屬仁濟醫院干細胞研究中心，上海200127

核小體是真核生物染色質的基本結構，由DNA 環繞核心組蛋白形成一個八聚體復合物。組蛋白的成分有常規組蛋白 H1、H2A、H2B、H3、H4 以及多種組蛋白變體。組蛋白變體呈現獨特的基因組分布，并具有獨特的附著和解離機制，賦予染色質獨特的功能[1]。H2A.Z、macroH2A和H3.3 是3 種常見的組蛋白變體，在早期胚胎發育、干細胞譜系維持、體細胞重編程等方面發揮重要作用。組蛋白變體的突變、轉錄失調、附著機制改變等均可影響腫瘤發生，涉及表觀遺傳可塑性、基因組衰老變化機制以及激活相關基因表達程序等多方面內容。

1 組蛋白變體macroH2A1 概述

組蛋白變體macroH2A 最初在大鼠肝臟細胞核小體中被發現，其相對分子質量大小幾乎可達到正常組蛋白的3 倍。macroH2A 由與組蛋白H2A 具有66%同源性的N 末端的組蛋白結構域、非結構化的連接域以及C 末端的macro 域組成[2-3]，是唯一具有3 個結構域的組蛋白。其macro 域的大小約是組蛋白結構域的2 倍，macroH2A的突變可能是核小體水平上發生的最廣泛的染色質改變。macro 域位于核小體對稱軸上方一個容易結合的位置，并與核小體核心中突出的結構相連接[2]。

macroH2A 至 少 有3 種 亞 型， 包 括macroH2A1.1、macroH2A1.2 和macroH2A2。macroH2A1 和macroH2A2由2 個獨立的基因編碼。macroH2A1 以2 種交替的外顯子剪接亞型存在，即macroH2A1.1 和macroH2A1.2[4]。macroH2A1.1 在體外與由組蛋白脫乙酰酶（sirtuin 1，SIRT1）產生的乙酰核糖（O-acetyl-ADP-ribose）結合[2]。另外，macroH2A1 與女性X 染色體失活和轉錄抑制有關[5-6]。 有研究[7-9]將macroH2A 蛋白與信號誘導的基因激活聯系起來，從而挑戰了macroH2A1 作為一種獨特的染色質抑制信號的觀點。

2 macroH2A1 通過多種方式調節靶基因表達

染色質內的macroH2A1 可以在特定背景下通過多種方式正向或負向調節其靶基因的表達。macro 域的配體結合結構域直接結合NAD+的代謝物，包括二磷酸核糖（poly ADP-ribose，PAR）、核糖聚合酶（poly-ADP ribose polymerase，PARP）和乙酰核糖等[10-11]。目前為止，macro域與配體結合已經被證實有2 種功能。一方面，影響配體親和力或活性[12]，例如macroH2A1.1 與聚ADP 核糖聚合酶1（poly-ADP ribose polymerase 1，PARP1）結合抑制其活性，并減少核內NAD+消耗，從而促進DNA 損傷的有效修復以防止壞死性細胞死亡[13-16]；另一方面，介導募集配體相關因子到染色質，如macroH2A1 將脯氨酸-谷氨酸-亮氨酸富集蛋白1（proline-，glutamic acid-，and leucine-rich protein 1，PELP1）募集到基因組，共同調節macroH2A1 靶基因中一個子基因的表達[12]。轉錄因子的表達和結合模式的變化可能會改變與轉錄模板上的macroH2A1 亞型的動態相互作用。

除了與轉錄因子的相互作用外，翻譯后修飾（posttranslational modification，PTM）是macroH2A1 亞型對基因表達進行表觀遺傳調控的關鍵機制。組蛋白基因翻譯成蛋白后經常會發生位于多肽鏈羧基末端的共價修飾（包括甲基化、乙?；?、泛素化和磷酸化等）。組蛋白的翻譯后修飾，或組蛋白在核小體的位置發生改變，以及組蛋白變體替換常規組蛋白等變化，可以通過改變染色質結構調節染色體行為和功能[17-18]。macroH2A1 可以與對應的常規組蛋白H2A 一樣，通過多種共價修飾組合進行調節。通過與PARP-1 結合，macroH2A1.1 促進Src 羧基端激酶結合蛋白（Csk-binding protein，CBP）介導的H2B乙酰化，正向或負向調節macroH2A1 靶基因的表達[19]。研究[20]證明，H2BK20ac 作為一種重要的PTM，通過調控macroH2A1 在H2B 乙酰化染色質中的定位，影響macroH2A1 在轉錄過程中的功能。

3 macroH2A1 通過調控細胞衰老抑制腫瘤增殖

衰老表型最早被描述為一種以細胞分裂停止為特征的現象?，F在人們認識到衰老在腫瘤發生中起重要作用，并且對于胚胎發生和組織穩態的維持是必不可少的。在衰老細胞中，有一些轉錄沉默的特殊區域，含有異染色質蛋白（如HP1），稱為衰老相關異染色質聚集（senescenceassociated heterochromatic foci，SAHF），被 認 為 具 有 抑制細胞增殖基因表達的作用。關于SAHF 的組成和組裝模式及其對退出細胞周期的作用的研究[21]證實，其含有豐富的macroH2A1。染色質調節因子中的組蛋白調節同系物（histone regulatory homologue，HIRA）和逆沉默功能因子1a（anti-silencing function 1a，ASF1a）能促進含有macroH2A1 的SAHF 的形成和退出衰老相關的細胞周期[22]。細胞衰老是一種腫瘤抑制機制，可以永久阻止具有癌變風險的細胞繼續增殖。然而，未分裂的衰老細胞可能對組織微環境產生有害影響。這些影響中最重要的是獲得衰老相關的分泌表型（senescence-associated secretory phenotype，SASP），將誘導腫瘤細胞及周圍正常細胞轉變為促炎癥細胞。促炎癥細胞又能夠進一步誘導鄰近癌細胞的腫瘤發生。Chen 等[23]的研究表明，在通過觸發旁分泌衰老來維持由癌基因誘導衰老（oncogene-induced senescence，OIS）的正反饋通路中，macroH2A1 作為腫瘤抑制因子構成了關鍵部分。macroH2A1 在OIS 期間經歷了全基因組范圍的重新定位，并從編碼SASP基因的染色質位點中移除。將macroH2A1 從SASP基因中移除引起內質網應激、氧化應激和DNA 損傷等變化，通過正反饋通路進一步導致macroH2A1 的移除增加。共濟失調毛細血管擴張突變蛋白（ATMP）的活性對于從SASP基因中移除macroH2A1 并抑制其表達至關重要[24]。因此，macroH2A1 被認為是調節旁分泌衰老的關鍵控 制點。

4 在特定腫瘤中macroH2A1 通過調控代謝抑制腫瘤增殖

大量研究已經證實了macroH2A1 的腫瘤抑制功能，而macroH2A1.2 的功能則取決于特定的腫瘤環境。此外，macroH2A1 調節細胞代謝和營養與腫瘤發病機制之間的聯系越來越受到人們的關注。下面以肝細胞癌為例，簡述macroH2A1 在抑制腫瘤生長和協同藥物治療等方面的相關研究進展。

肝細胞癌（hepatocellular carcinoma，HCC）發病率和病死率高，患者預后很差，只有10%～20%的患者適合手術治療，沒有手術機會的患者預期生存壽命＜6 個月[25]。衰老是肝癌的主要危險因素，通常由代謝綜合征和非酒精性脂肪肝疾?。╪onalcoholic fatty liver disease，NAFLD）誘發，并伴有肝硬化的發生[26]。在人類衰老的肝臟細胞和HCC 細胞中，2 種macroH2A1 亞型的含量均增加。因此，肝臟中macroH2A1 亞型表達的增加可能被用作HCC 診斷和判斷預后的標志物。地西他濱通過減少DNA 的甲基化抑制腫瘤細胞增殖，還可以通過誘導細胞衰老在HCC 中發揮抗腫瘤作用[7]。macroH2A1 的缺乏賦予HCC 細胞腫瘤干細胞樣表型，這種現象受核因子κB p65 的磷酸化調節[27]。macroH2A1 缺乏可以抑制地西他濱的失活，增強其抑制腫瘤細胞增殖的功能[28]。macroH2A1亞型在HCC 細胞系中的表達阻止衰老表型的出現并誘導全DNA 的低甲基化。SASP 和全轉錄組分析結果表明macroH2A1 能通過p38 MAPK/IL-8 通路介導HCC 細胞從化學治療誘導的衰老過程中逃逸[7]。組蛋白變體，尤其是macroH2A1 與核小體結合是調節轉錄和細胞代謝的主要方式[29]。肝細胞中macroH2A1.1 過表達可以改善葡萄糖代謝，降低生脂基因的表達和脂肪酸含量，從而減少肝細胞內甘油和膽固醇的積累?；蚪M和轉錄組學研究[30-31]表明macroH2A1 在NAFLD 和脂肪誘導的肥胖癥的發病機制中起作用。

除HCC 外，macroH2A1 在其他相關的特定腫瘤中的作用，也值得關注。Kapoor 等[32]實驗證明，降低低度惡性黑色素瘤細胞中macroH2A1 的表達，能明顯促進腫瘤細胞的增殖和遷移性生長，而恢復macroH2A1 亞型的表達可以抑制這些惡性表型。macroH2A1 的缺失對惡性腫瘤的促進作用是通過上調CDK8 的表達來介導的，在macroH2A1 失活的細胞中降低CDK8 的表達會消除它們的增殖優勢[32]。而在乳腺癌中，Skp2-mH2A1-CDK8 軸通過調節細胞周期和腫瘤發生，成為延緩腫瘤進展的一條重要通路。macroH2A1 作為Skp2 SCF 復合體的底物，被Skp2 降解可以促進CDK8基因的表達。CDK8 通過促進Skp2 介導的p27 泛素化和降解來調節p27 蛋白的表達[33]。研究[34]已經證實，表皮生長因子受體激活促進CDK5 與TRIM59 結合使其磷酸化并發生核異位，核TRIM59 通過誘導marcoH2A1 的泛素化和降解，增強STAT3 信號通路的活性，并誘導腫瘤發生。沉默TRIM59可抑制膠質母細胞瘤的增殖、遷移和顱內原位移植瘤的形成[34-35]。Sporn等[36-37]研究發現macroH2A1 亞型在經歷衰老的細胞中高度表達，提示macroH2A1.1 有可能成為肺癌和結腸癌等腫瘤中關于細胞衰老和評估預后的重要生物標志物。實際上，macroH2A1.1 在多種惡性腫瘤中的表達降低，往往與不良預后相聯系。

5 展望

作為一種重要的組蛋白變體，macroH2A1 通過改變細胞衰老表型、調節轉錄活性等方式在腫瘤的發生和發展中起到關鍵作用，但具體作用機制尚不明確。迄今為止，尚不清楚是否可以改變macroH2A1 與DNA 結合的活性來恢復細胞衰老。關于macroH2A1 在基因組中的占比是否與衰老逃逸相關，也有不同的意見[38]；并且，仍然不知道哪種伴侶蛋白和重塑復合物有助于組裝含有macroH2A亞型的核小體。由于缺乏合適的特異性ChIP 級抗體，無法確定內源性macroH2A1.1 和macroH2A1.2 在基因組中分布的差異。組蛋白變體在基因表達、細胞代謝、PTM，以及在新的病理環境中的作用仍需進一步探索。目前，macroH2A1 已被視為多種惡性腫瘤前期診斷、預測復發風險和判斷預后的重要生物標志物。我們有理由相信，關于macroH2A1 及其他組蛋白變體的研究可以為臨床中腫瘤的個體化治療提供新的思路。

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