組蛋白甲基轉移酶和去甲基化酶在膀胱癌發生發展中的作用研究進展

邢基，朱少明，趙勝，林方優，程帆

武漢大學人民醫院泌尿外科，武漢 430000

膀胱癌是最常見的泌尿系統腫瘤，最新研究顯示，2020 年全球膀胱癌新發病例超過57 萬［1］。目前對于膀胱癌的綜合治療雖然取得了顯著成果，但其預后仍不理想，其中非肌層浸潤性膀胱癌的復發率高達50%～80%。膀胱癌發病機制復雜，同時又是基因突變最頻繁的人類癌癥之一，表觀遺傳學在膀胱癌發生發展中起重要作用。表觀遺傳調控紊亂可能導致膀胱癌進展，而其中組蛋白甲基化的改變使膀胱癌具有更高的惡性特征［2］。核小體作為染色質的基本構件，由四種核心組蛋白H3、H4、H2A、H2B組成，每個組蛋白的側鏈上密集分布著堿性賴氨酸（K）和精氨酸（R）殘基，組蛋白甲基化通常發生在賴氨酸和精氨酸殘基上。通常甲基化位點（K 或R）和程度（單甲基化、二甲基化或三甲基化）用簡寫表示，如H3K27me3 表示H3 上的第27 位賴氨酸三甲基化。不同位點和不同程度甲基化對組蛋白功能的影響不同，研究顯示，H3K4、H3K36、H3K79 的甲基化修飾誘導轉錄活化，而H3K9、H3K27、H4K20的甲基化修飾介導轉錄抑制。組蛋白甲基化修飾由組蛋白甲基轉移酶與組蛋白去甲基化酶協同調控，直接參與膀胱癌的發生發展過程，對膀胱癌的增殖、遷移和侵襲等惡性生物學行為產生影響。此外，在膀胱癌發生發展過程中起關鍵作用的蛋白如磷酸酶和張力蛋白同源物（PTEN）、腫瘤蛋白p53 等，均受到組蛋白甲基化修飾的調控［3］。為進一步探究膀胱癌的發生發展機制并尋找新的治療靶點，現將組蛋白甲基轉移酶和去甲基化酶在膀胱癌發生發展中的作用綜述如下。

1 組蛋白甲基轉移酶在膀胱癌發生發展中的作用

組蛋白甲基化是由組蛋白甲基轉移酶催化完成的，組蛋白甲基轉移酶分為組蛋白精氨酸甲基轉移酶（HRMT）和組蛋白賴氨酸甲基轉移酶（HKMT），二者都是以S-腺苷甲硫氨酸（SAM）為底物催化組蛋白甲基化。組蛋白甲基化改變了核小體的原子結構，以促進或抑制各種效應蛋白募集。H3K27、H3K4、H3K9 甲基化是保證機體發育和維持細胞基因表達模式的基本條件，分別由多梳抑制復合物2（PRC2）、組蛋白賴氨酸甲基轉移酶2（KMT2）和組蛋白甲基轉移酶G9a 催化完成。在膀胱癌中，這幾種基因不同程度的發生突變或失調，使染色質特定區域的H3K27、H3K4 和H3K9 甲基化發生沉淀差異，導致細胞原本的轉錄模式發生改變。

1.1 PRC2 和ZAST2 增強子（EZH2）與膀胱癌的關系 PRC2 屬于多梳家族蛋白，作為關鍵的HKMT，其主要核心部分由EZH2、胚胎外胚層發育蛋白和ZAST12 抑制子（SUZ12）構成。EZH2 是其催化核心，通過SET 結構域催化H3K27 單甲基化、二甲基化和三甲基化；EZH2 在轉錄激活中具有獨立于PRC2 復合物的作用，并且能以非組蛋白為催化底物。

H3K27 存在三種不同程度的甲基化，即H3K27me1、H3K27me2和H3K27me3，其中H3K27me 1覆蓋5%～10%的組蛋白H3，在轉錄活躍的基因組內富集；H3K27me2覆蓋50%～70%的組蛋白H3，抑制相關啟動子或增強子的活性；H3K27me3 覆蓋5%～10%的組蛋白H3，在PRC2結合位點處高度富集。目前大多數研究集中在H3K27me3 上，它被認為是PRC2 抑制基因表達的標志。H3K27me3 及EZH2 在膀胱癌中的表達明顯異常，與膀胱癌分期和病理分級呈正相關，尤其在非肌層浸潤性膀胱癌中，EZH2高表達預示著高復發的可能［4-5］。

EZH2 通過影響廣泛的下游信號通路調控膀胱癌細胞生物學特性。微小RNA（miRNA）是一種小分子非編碼RNA，參與細胞凋亡、分化和增殖等生物學過程。EZH2 通過miR-200 家族進行轉錄后調節來促進上皮間充質轉化（EMT）和賦予干細胞表型［6］。轉錄激活因子3（STAT3）在促進癌細胞增殖和侵襲及介導藥物抗性方面具有重要作用，體外和體內實驗證明，EZH2 通過促進JAK2/STAT3 通路與膀胱癌細胞的增殖和侵襲性有關［7］。

EZH2 的調節極其復雜，幾種在膀胱癌中起關鍵作用的基因及長鏈非編碼RNA（lncRNA）和miRNA 均參與了EZH2 的調節過程。研究顯示，視網膜母細胞瘤家族基因的失活導致轉錄因子E2F家族激活，促使EZH2表達升高［8］；進一步研究表明，轉錄因子E2F家族成員E2F1結合EZH2和SUZ12啟動子區域，以激活EZH2 和SUZ12 轉錄，促進膀胱癌細胞的增殖、遷移和侵襲，而轉錄因子E2F4 被lncRNA GAS5 募集到EZH2 啟動 子 來 抑制EZH2 轉錄［9-10］。Bromodomain-4蛋白作為重要的表觀遺傳學讀取器，通過上調C-MYC 向EZH2 啟動子的募集，促使膀胱癌細胞增殖并減少其凋亡［11］。lncRNA H19 和miR-144 有助于EZH2 和上皮鈣黏素啟動子上的H3K27me3 結合，并且通過結合EZH2 激活Wnt/β-catenin 信號通路，從而增強細胞遷移能力［12-13］；lncRNA SPRY4-IT1 通過直接結合miR-101-3p，上調EZH2 表達，促進細胞增殖、遷移和侵襲能力［14］。茉莉酸甲酯可通過下調miR-101降低EZH2表達，增加膀胱癌細胞對藤黃酸的敏感性，這有希望成為膀胱癌治療的潛在靶點［15］。

由此可見，EZH2 作為催化H3K27me3 的組蛋白甲基轉移酶，參與多個信號通路中，并與膀胱癌細胞的增殖、遷移、侵襲和凋亡密切相關，其表達水平與膀胱癌分期和病理分級呈正相關，影響膀胱癌的多種生物學特性，干預EZH2 表達能夠有效抑制膀胱癌細胞的增殖、侵襲和遷移，并促進其凋亡。

1.2 KMT2 與膀胱癌的關系 KMT2 主要催化H3K4 甲 基 化，包 括KMT2A、KMT2B、KMT2C、KMT2D、KMT2F 和KMT2G 6 種主要成員，其家族成員都含有在進化上保守的SET 結構域，負責H3K4甲基化。H3K4 存在三種不同程度的甲基化，即H3K4me1、H3K4me2 和H3K4me3，它們在轉錄活躍的基因啟動子和增強子的不同位置沉淀。H3K4me1和H3K4me2 與增強子元件和基因轉錄活性相關；H3K4me3 通常被認為是基因激活的標記，它選擇性地定位在基因的啟動子區域及轉錄起始位點，從而調節基因轉錄。

KMT2 是生物發育的關鍵基因，在胚胎期敲除KMT2 可導致嚴重發育缺陷。KMT2 家族成員也是各種癌癥中最常發生突變的基因之一，其在腫瘤最初的發生階段可能具有重要作用。目前KMT2 在膀胱癌中的研究較少，主要集中在KMT2B 及KMT2D中，二者與膀胱癌的干細胞特性相關。膀胱癌的發生可能是多種因素共同導致的結果，膀胱癌單細胞測序顯示，膀胱癌干細胞中的KMT2B、ARID1A、GPRC5A 突變頻率極高，在膀胱癌非干細胞中表達突變型KMT2B 可增強膀胱癌非干細胞自我更新和引發腫瘤的能力，同時表達突變型KMT2B、突變型GPRC5A 和突變型ARID1A 使自我更新和引發腫瘤的效應更為顯著［16］。KMT2D催化H3K4me1，在膀胱癌中的突變頻率很高，但相較于正常膀胱上皮，KMT2D 在膀胱癌細胞中的表達降低，KMT2D 低表達可誘導PTEN、p53 表達降低，并促進膀胱癌細胞增殖、遷移和侵襲［3］。

1.3 組蛋白甲基轉移酶G9a 與膀胱癌的關系 組蛋白甲基轉移酶G9a 作為組蛋白H3K9me2 的甲基化酶，在膀胱癌中的作用目前尚不明確，部分研究結論仍存在爭議。組蛋白甲基轉移酶G9a在膀胱癌中的表達異常升高，與膀胱癌的惡性程度有關，還可能與腫瘤免疫應答有關，使用組蛋白甲基轉移酶G9a/DNA 甲基轉移酶雙抑制劑可抑制膀胱癌細胞增殖并誘導細胞凋亡，單獨應用組蛋白甲基轉移酶G9a抑制劑顯示出同樣的效果，但雙抑制劑會導致干擾素α、干擾素γ 及腫瘤壞死因子α 啟動子區域的H3K9me2 減少，并且富集與腫瘤免疫相關的相關信號通路，上調鈣網蛋白、β2微球蛋白和自然殺傷細胞配體，增加高遷移率族蛋白B1 的表達，這表明組蛋白甲基化不止有單獨的作用，在表觀遺傳中還存在復雜的相互調控［17-18］。同時有研究表明，抑制組蛋白甲基轉移酶G9a 并不會誘導凋亡，但可上調腺嘌呤磷酸核糖基轉移酶（AMP）活化水平，從而抑制mTOR磷酸化，通過自噬導致細胞自噬性死亡［19］。

2 組蛋白去甲基化酶在膀胱癌發生發展中的作用

組蛋白去甲基化酶可以去除核小體組蛋白尾部的甲基化標記，調節促癌基因和抑癌基因的表達，根據靶向的組蛋白殘基不同，其對基因轉錄的影響可以是激活也可以是抑制。根據組蛋白去甲基化酶功能的不同，可分為賴氨酸特異性組蛋白去甲基化酶（KDM）和精氨酸組蛋白去甲基化酶兩類。KDM 包括兩大家族，一是黃素腺嘌呤二核苷酸依賴的氨基氧化酶家族KDM1；二是以Jumonji C 結構域為特征的Fe2+和二氧戊二酸依賴酶的家族，包括KDM2、KDM3、KDM4、KDM5、KDM6、KDM7、KDM8。目前對于精氨酸組蛋白去甲基化酶的報道較少，有研究指出KDM 家族的部分成員如KDM3A 和KDM6B 也存在精氨酸組蛋白去甲基化酶的功能，而精氨酸組蛋白去甲基化酶JMJD6 可催化H3R2、H4R3 去甲基化，同時它還具有賴氨酸羥化酶的作用［20］。但精氨酸組蛋白去甲基化酶在膀胱癌中的作用還未見報道，所知甚少。

KDM1A 屬于KDM1 家族成員，含有黃素腺嘌呤二核苷酸依賴性胺氧化酶結構域，可以消除H3K9單甲基化和二甲基化標記，但不能使H3K9me3去甲基化。KDM1A在各種癌癥中表達升高，其作用主要是平衡干細胞的自我更新和分化。KDM1A 在膀胱癌中的表達升高，其表達水平與膀胱癌分級、轉移和預后高度相關。KDM1A 是EMT 的關鍵正向調節因子，抑制KDM1A表達可顯著抑制膀胱癌的進展［21］。

KDM3A 的作用是催化H3K9me1、H3K9me2 去甲基化。雖然H3K9me1、H3K9me2是異染色質和非活性基因的標記，但研究表明KDM3A 催化的H3K9去甲基化對基因轉錄的影響取決于位點、細胞類型和細胞狀態。KDM3A在膀胱癌中表達上調，協同缺氧誘導因子1α促進膀胱癌細胞增殖、集落形成和異種移植腫瘤生長，同時KDM3A 催化H3K9me2 去甲基化可激活同源盒蛋白Hox-A1基因表達，進而激活周期蛋白D1 轉錄，促進膀胱癌細胞的G1/S 期轉變［22］。

KDM4 的作用是識別并催化H3K9me2、H3K9me3、H3K36me2、H3K36me3 去甲基化，調控抑制基因的H3K9me2、H3K9me3 標記和激活基因的H3K36me2、H3K36me3 標記可能是KDM4 最主要的功能。其家族成員KDM4A 在膀胱癌組織中的表達顯著上調，并與患者的預后相關；KDM4A 通過調節EMT 和膀胱癌細胞的G1/S 期轉變，促進細胞遷移、侵襲和調節細胞周期［23］。KDM4B 是H3K9 脫甲基酶，通過調控細胞周期蛋白依賴性激酶6 啟動子區域組蛋白甲基化，促進膀胱癌細胞周期進程［24］。

KDM5B 是H3K4 去甲基化酶，在膀胱癌中表達明顯升高，通過抑制連接蛋白26表達促進膀胱癌的發展［25］。

KDM6A 是H3K27 脫 甲基 酶，與 含有EZH2 的PRC2 具有拮抗作用，其突變直接導致膀胱癌細胞H3K27me3增加，促使膀胱癌細胞產生EZH2依賴性增殖，并且與成纖維細胞生長因子受體3 為拮抗關系［26］。KDM7A與膀胱癌的耐藥性相關，在耐順鉑的膀胱癌細胞系中，KDM7A 通過H3K27me2 修飾調控雄激素受體與下游基因啟動子的結合，促進膀胱癌細胞在順鉑作用下的存活［27］。

近年來，隨著測序技術的興起和對膀胱癌基因突變及基因表達的進一步深入研究，揭示了組蛋白甲基化與膀胱癌的發生和進展高度相關，膀胱癌存在全組蛋白甲基化修飾水平的改變，影響相關基因轉錄活性直接或間接影響膀胱癌的細胞周期及細胞增殖、遷移、凋亡等生物學進程。組蛋白甲基化作為潛在的治療靶點，同時具有成為膀胱癌生物標志物的潛力，這為提高膀胱癌治療效果和更加精確的早期診斷和預測復發提供了新的思路。