組蛋白H3K4甲基轉(zhuǎn)移酶KMT2D研究進(jìn)展

閻晗，于明航 綜 述，尹潔，王璽 審 校

（天津醫(yī)科大學(xué)細(xì)胞生物學(xué)系，天津 300070）

表觀遺傳學(xué)在調(diào)控基因表達(dá)上扮演重要角色。組蛋白H3K4的甲基化是細(xì)胞修飾啟動子和增強(qiáng)子的1種方法。組蛋白H3K4的三甲基化（H3K4me3）主要聚集在轉(zhuǎn)錄活躍的啟動子區(qū)域，而一/二甲基化（H3K4me1，H3K4me2）則主要集中在增強(qiáng)子區(qū)域[1]。酵母菌中，Set1復(fù)合物中的催化亞基SET1，具有組蛋白H3K4的甲基轉(zhuǎn)移酶活性，參與組蛋白H3K4的 me1，me2，me3 的修飾[2-3]。在果蠅中，dSet1、Trx和Trr是已知的3種Set1樣組蛋白H3K4甲基轉(zhuǎn)移酶。哺乳動物體內(nèi)存在6種Set1樣H3K4甲基轉(zhuǎn)移酶，分別是 KMT2A（MLL1）、KMT2B（MLL2）、KMT2C（MLL3）、KMT2D（MLL4、ALR、MLL2）、KMT2F（SET1A）和KMT2G（SET1B）。KMT2D對于基因調(diào)控起到重要作用，其突變導(dǎo)致多種發(fā)育疾病和腫瘤的發(fā)生。本文對哺乳動物中最主要的H3K4單甲基化轉(zhuǎn)移酶-KMT2D進(jìn)行探討，以期為探究疾病治療的新方法提供思路。

1KMT2D蛋白

如圖1所示，KMT2D蛋白的結(jié)構(gòu)包括N-末端的兩組植物同源結(jié)構(gòu)域（PHD）（每組包含3個PHD），C-末端的SET結(jié)構(gòu)域負(fù)責(zé)組蛋白H3K4的甲基化[3]。體外實(shí)驗(yàn)表明，第2組PHD（PHD4-6）識別核小體的H4尾巴，對于KMT2D-催化組蛋白甲基化起決定作用[4]。SET結(jié)構(gòu)域的突變和缺失導(dǎo)致KMT2D蛋白的不穩(wěn)定，表明SET區(qū)域不僅具有酶催化活性，并且對于維持蛋白穩(wěn)定性至關(guān)重要[5-6]。在SET結(jié)構(gòu)域上游是一個PHD區(qū)域和富含苯丙氨酸和絡(luò)氨酸（FY-rich）N/C-末端（FYRN 和 FYRC）區(qū)域。此外，還包含一個高速泳動族非組蛋白（HMG-1）和九個核受體相互作用基序（LXXLLs）[7]。體外實(shí)驗(yàn)表明，氨基酸Y5426和Y5512對于人KMT2D的酶活性起決定性作用[6]。人胚胎干細(xì)胞（ESCs）中KMT2D的Y5426突變后，KMT2D會失去酶活性，但并不影響KMT2D蛋白的穩(wěn)定性[5]。

圖1 人類組蛋白H3K4甲基轉(zhuǎn)移酶KMT2D蛋白

2KYM2D蛋白復(fù)合物

KMT2D是首次在Hela細(xì)胞核提取物一個蛋白復(fù)合體中分離純化出來的。對Pax反式激活結(jié)構(gòu)域作用蛋白（PTIP，一種與組蛋白H3K4甲基轉(zhuǎn)移酶類相關(guān)的蛋白）相互作用蛋白的親和純化研究表明，PTIP除了與DNA損傷應(yīng)答有關(guān)的蛋白質(zhì)相互作用外，還與 ASH2L、RbBP5、WDR5、DPY30、NCOA6、UTX（KDM6A）、PA1、KMT2C和KMT2D有關(guān)聯(lián)[8]（圖2）。純化的KMT2C和KMT2D表現(xiàn)出強(qiáng)H3K4甲基轉(zhuǎn)移酶活性[9]。WDR5、RbBP5、ASH2L 和 DPY30 形成4個亞基的子復(fù)合物WRAD，此復(fù)合物對于所有哺乳動物中Set樣組蛋白甲基轉(zhuǎn)移酶復(fù)合物的酶活性起關(guān)鍵作用[10]。WDR5直接與KMT2C和KMT2D的C-末端FYRN/FYRC區(qū)域結(jié)合[8]。PTIP和PA1是KMT2C和KMT2D復(fù)合物中獨(dú)特的亞基，除此之外還包含一個特殊的亞基UTX，它介導(dǎo)組蛋白H3K27的去甲基化[11]。缺失KMT2D將導(dǎo)致細(xì)胞中KMT2D復(fù)合物的解體和UTX的不穩(wěn)定。

圖2 KMT2D蛋白復(fù)合物

3 KMT2D主要催化組蛋白H3K4一甲基化

增強(qiáng)子是順式作用元件，常與細(xì)胞型特異轉(zhuǎn)錄因子（TFs）結(jié)合，在真核細(xì)胞中對于特異基因的表達(dá)至關(guān)重要[12]。研究表明，KMT2D主要是通過其酶活性對細(xì)胞增強(qiáng)子區(qū)域進(jìn)行H3K4—甲基化修飾，與KMT2C有功能冗余[13]。Lee等[13]運(yùn)用ChIP-Seq研究，表明KMT2D在不同的細(xì)胞類型和分化水平，選擇性的結(jié)合在特異增強(qiáng)子區(qū)域。在細(xì)胞分化期間，轉(zhuǎn)錄因子（TFs）募集KMT2D與特異增強(qiáng)子結(jié)合。在未分化的KMT2C敲除細(xì)胞中，KMT2D基因缺失引起H3K4me1/2和H3K27乙?；浇档停D(zhuǎn)錄輔助因子和RNA聚合酶II結(jié)合增強(qiáng)子的能力減弱，導(dǎo)致基因表達(dá)和細(xì)胞分化受阻。此外，KMT2D還識別超級增強(qiáng)子。在細(xì)胞分化過程中KMT2C和KMT2D對于超級增強(qiáng)子的形成是必須的[14]。

KMT2C和KMT2D對于H3K27乙酰轉(zhuǎn)移酶CREB-結(jié)合蛋白（CBP）和/或p300與增強(qiáng)子區(qū)域的結(jié)合、激活增強(qiáng)子、增強(qiáng)子-啟動子成環(huán)、活化啟動子，這一系列生物學(xué)過程是必須的[14-15]。由于乙酰化和甲基化往往是互相排斥的，可以推論，KMT2C和KMT2D復(fù)合物中的UTX亞基催化組蛋白脫甲基形成一個H3K27位點(diǎn)后，CBP和/或 p300對H3K27位點(diǎn)乙?；℉3K27ac）。但是，研究表明UTX的H3K27脫甲基酶活性對于增強(qiáng)子活化和細(xì)胞特異基因表達(dá)是非必須的，其功能主要是與KMT2C和KMT2D形成復(fù)合物后作用于增強(qiáng)子[16]。

H3K4me1、H3K27ac是活化的增強(qiáng)子的標(biāo)志[1]，基于此論斷，提出KMT2D與增強(qiáng)子作用的三步式模型，如圖3所示，過氧化物酶體增殖物活化受體-γ（Ppar-γ）的增強(qiáng)子活化過程。（1）轉(zhuǎn)錄因子，如C/EBPβ，與增強(qiáng)子區(qū)域結(jié)合。（2）C/EBPβ 和特異轉(zhuǎn)錄因子，如PPARγ和C/EBPα，共同募集KMT2D與增強(qiáng)子區(qū)域結(jié)合，催化H3K4—甲基化。(3）KMT2D促進(jìn)CBP和/或p300的結(jié)合，活化增強(qiáng)子區(qū)域，使其標(biāo)記乙?；疕3K27。轉(zhuǎn)錄因子和乙?；腍3K27可募集bromodomain結(jié)構(gòu)域結(jié)合蛋白4（BRD4），進(jìn)而招募RNA聚合酶II，從而活化特異基因表達(dá)。

圖3 KMT2D調(diào)控Ppar-γ增強(qiáng)子，誘導(dǎo)特異基因表達(dá)的三步式模型

4 KMT2D在細(xì)胞發(fā)育、分化、新陳代謝和腫瘤抑制方面的作用

KMT2D在哺乳動物細(xì)胞中參與許多生命活動的進(jìn)程，如發(fā)育、分化、新陳代謝和腫瘤抑制。其主要功能是通過激活增強(qiáng)子從而調(diào)控基因的表達(dá)。

4.1 發(fā)育和分化Kmt2d基因敲除的小鼠呈現(xiàn)出E9.5（胚胎第9.5 d）胚胎致死[13]。運(yùn)用Myf5啟動子驅(qū)動的Cre轉(zhuǎn)基因小鼠，特異敲除肌肉和褐色脂肪前體細(xì)胞中的Kmt2d基因，導(dǎo)致褐色脂肪組織和肌肉質(zhì)量的顯著下降，說明KMT2D在肌肉和脂肪組織發(fā)育中起重要作用[13]。特異敲除心臟前體細(xì)胞和心肌細(xì)胞中的Kmt2d基因?qū)е聡?yán)重的心臟缺陷和胚胎致死[17]。心臟發(fā)育進(jìn)程中，KMT2D介導(dǎo)的H3K4me1/2在特異基因表達(dá)中有重要作用[17]。在B細(xì)胞發(fā)育過程中，KMT2D也扮演重要角色[18]。此外，KMT2D調(diào)控神經(jīng)元和成骨細(xì)胞分化過程中特異基因的表達(dá)[4，19]。研究發(fā)現(xiàn)，KMT2D對于細(xì)胞命運(yùn)轉(zhuǎn)變有重要作用，但對于胚胎干細(xì)胞和成體細(xì)胞的維持是非必須的[15]。

4.2 新陳代謝 在肝臟中，KMT2D與KMT2C也存在功能冗余，二者在多種新陳代謝過程中發(fā)揮顯著作用。Kmt2d+/-雜合小鼠，表現(xiàn)出糖耐受性、胰島素敏感性的增強(qiáng)，其血清膽汁酸水平升高[20]。Kim等[20]運(yùn)用RNA-Seq分析發(fā)現(xiàn)，KMT2D和KMT2C對于肝臟生理節(jié)奏的表觀遺傳調(diào)控至關(guān)重要，作為生理節(jié)律轉(zhuǎn)錄因子視黃酸-相關(guān)孤兒核受體（ROR）-α和-γ的轉(zhuǎn)錄輔助因子發(fā)揮重要作用。該課題組實(shí)驗(yàn)表明Kmt2d+/-小鼠表現(xiàn)出對高脂飲食誘導(dǎo)的肝脂肪變性的抵抗性[21]。

4.3 腫瘤抑制 大量研究表明，KMT2C和KMT2D具有腫瘤抑制作用。相關(guān)實(shí)驗(yàn)表明，NCOA6和KMT2C或KMT2D作為抑癌基因p53轉(zhuǎn)錄輔助因子，是在DNA損傷藥物阿霉素作用細(xì)胞后，內(nèi)源性p53基因表達(dá)所必須的[22]。小鼠體內(nèi)研究表明，KMT2C和KMT2D在急性髓系白血病、濾泡性淋巴瘤和彌漫大B細(xì)胞淋巴瘤中起到抑制腫瘤的作用[23-24]。Chen 等[23]運(yùn)用 RNAi和 CRISPR/Cas9 技術(shù)，研究發(fā)現(xiàn)KMT2C基因表達(dá)水平低于大約50%會誘發(fā)白血病。Zhang等[24]在Kmt2d敲除的小鼠中，過表達(dá)致癌基因Bcl2，導(dǎo)致生發(fā)中心來源的B細(xì)胞淋巴瘤的發(fā)生率上升。Ortega-Molina等[18]研究表明，敲除小鼠B細(xì)胞中的Kmt2d，會影響抑癌基因TNFAIP3,SOCS3和TNFRSF14的表達(dá)，并進(jìn)一步誘發(fā)淋巴瘤。

另一方面，有研究發(fā)現(xiàn)，在乳腺癌和結(jié)腸癌中，KMT2D缺失會降低癌細(xì)胞增殖率[25-26]。此外，在雌激素受體陽性的乳腺癌細(xì)胞中，KMT2D活性升高會促進(jìn)染色質(zhì)解螺旋招募轉(zhuǎn)錄因子，如雌激素受體（ER）。在 MCF7細(xì)胞中，AKT結(jié)合并磷酸化KMT2D，使其甲基轉(zhuǎn)移酶活性和ERα活性降低[27]。研究發(fā)現(xiàn)，加入PI3K抑制劑使AKT失活，導(dǎo)致雌激素受體目的基因表達(dá)上調(diào)，會降低乳腺癌藥物的治療效果[27]。研究表明KMT2D在不同細(xì)胞類型中具有多種功能，這可能取決于基因活化過程中KMT2D招募的特殊的轉(zhuǎn)錄因子結(jié)合基因組的特異位點(diǎn)。

5 KMT2D突變導(dǎo)致發(fā)育疾病和腫瘤發(fā)生

已證明KMT2D基因突變是引發(fā)Kabuki綜合征最常見的原因。序列分析結(jié)果顯示，Kabuki綜合征患者中，KMT2D基因突變率高達(dá)56%～75%[28]。此外，先天性心臟病患者表現(xiàn)出大量的調(diào)節(jié)H3K4甲基化水平的基因的突變，其中包括KMT2D基因[29]。Ang等[17]發(fā)現(xiàn)，敲除小鼠Kmt2d基因?qū)?dǎo)致心臟發(fā)育缺陷。

KMT2D基因作為最常見的突變基因之一出現(xiàn)在多種癌癥中[30]。研究發(fā)現(xiàn)，在惡性腫瘤中，KMT2D基因的SET和PHD區(qū)域的突變，其中37%是移碼突變，60%是無義突變[7]。KMT2D基因突變導(dǎo)致多種組織發(fā)生癌變[7]，如成神經(jīng)管細(xì)胞瘤[31]、嗜鉻細(xì)胞瘤[32]、非霍奇金淋巴瘤[33]、彌漫性大B細(xì)胞淋巴瘤[34]，食管鱗狀細(xì)胞癌[35]、胰腺癌[36]、前列腺癌[37]。經(jīng)過對KMT2D分子在疾病發(fā)生發(fā)展中作用的不斷研究，已研發(fā)出其相應(yīng)抑制劑，這可能為疾病的治療提供新的手段[7]。