表觀遺傳修飾對(duì)脂肪酸合成酶表達(dá)和蛋白水平的影響

李雅茹，周若楠，尚文斌

(南京中醫(yī)藥大學(xué)第一臨床醫(yī)學(xué)院代謝病中醫(yī)研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京 210023)

脂肪酸合成酶(fatty acid synthase，F(xiàn)ASN)是含有縮合、轉(zhuǎn)酰、還原、脫水等7種催化酶活性結(jié)構(gòu)域的多肽鏈二聚體[1]。FASN是哺乳動(dòng)物細(xì)胞內(nèi)源性脂肪酸合成過程的重要酶系之一，也是脂肪酸從頭合成的關(guān)鍵酶。正常機(jī)體中的FASN通常呈低表達(dá)，而代謝異常組織和細(xì)胞中的FASN呈過表達(dá)，其在許多疾病(如肥胖、2型糖尿病、非酒精性脂肪肝、腫瘤)的發(fā)展過程中起重要作用，已成為許多疾病的治療靶點(diǎn)[2-3]。表觀遺傳指在細(xì)胞核DNA序列未發(fā)生改變的情況下，基因表達(dá)或表型發(fā)生可遺傳改變，包括DNA甲基化、組蛋白修飾(甲基化、乙酰化、磷酸化、泛素化等)、非編碼RNA調(diào)控、染色質(zhì)重塑、核小體定位等[4]。與DNA序列的遺傳信息不同，表觀遺傳易受外界環(huán)境的影響[5]。近年發(fā)現(xiàn)，表觀遺傳修飾與多種疾病的發(fā)生發(fā)展密切相關(guān)，這為疾病的防治提供了更多可能性?，F(xiàn)就DNA甲基化、組蛋白修飾、翻譯后修飾和微RNA(microRNA，miRNA)調(diào)控等表觀遺傳修飾對(duì)FASN的影響予以綜述。

1 FASN的DNA甲基化修飾

廣義上的DNA甲基化修飾是指DNA序列上特定的堿基在DNA甲基轉(zhuǎn)移酶的催化作用下，以S-腺苷甲硫氨酸作為甲基供體，通過共價(jià)鍵結(jié)合的方式獲得一個(gè)甲基基團(tuán)的化學(xué)修飾過程。在哺乳動(dòng)物中，DNA甲基化修飾大多發(fā)生在DNA序列的胞嘧啶第5位碳原子上。一般情況下，基因啟動(dòng)子區(qū)的高DNA甲基化意味著基因的抑制[6]。

Uriarte等[7]提取高脂高糖飲食喂養(yǎng)雄性大鼠的腹膜后脂肪細(xì)胞和肝臟組織，發(fā)現(xiàn)Fasn啟動(dòng)子區(qū)域的CpG位點(diǎn)1和5出現(xiàn)低甲基化，并伴有脂肪細(xì)胞肥大，肝臟組織脂肪含量和血清三酰甘油水平明顯升高，給予大鼠常規(guī)飲食飼養(yǎng)后，F(xiàn)asn啟動(dòng)子區(qū)域CpG位點(diǎn)15和16出現(xiàn)高甲基化，脂肪細(xì)胞肥大明顯改善，肝臟脂肪含量和血清三酰甘油水平均降低。Gracia等[8]對(duì)雄性大鼠的研究發(fā)現(xiàn)，與常規(guī)飲食組相比，高脂高糖組附睪、腎周、腸系膜的脂肪組織重量均明顯增加，其中腎周脂肪組織的DNA甲基轉(zhuǎn)移酶活性顯著下降，而Fasn總甲基化狀態(tài)卻沒有明顯差異，但Fasn基因的某些特定位點(diǎn)可以觀察到甲基化狀態(tài)的顯著變化，如CpG -90bp位點(diǎn)的甲基化明顯降低，F(xiàn)asn表達(dá)量增加了5倍。給予高脂高糖飲食大鼠甲基供體(膽堿、甜菜堿、維生素B12和葉酸)可逆轉(zhuǎn)高脂高糖飲食誘導(dǎo)的肝臟三酰甘油積累，改善大鼠的非酒精性脂肪性肝病(nonalcoholic fatty liver disease，NAFLD)，對(duì)Fasn啟動(dòng)子甲基化的分析顯示，F(xiàn)asn的DNA高甲基化參與了甲基供體誘導(dǎo)的NAFLD的改善，而Fasn不僅受到DNA甲基化的調(diào)控，其變化還與其他表觀遺傳修飾(如組蛋白修飾和miRNA)的調(diào)控作用有關(guān)[9]。Sievert等[10]對(duì)肥胖相關(guān)2型糖尿病的臨床研究顯示，高血糖組肥胖者內(nèi)臟脂肪中FASN的DNA甲基化水平升高，F(xiàn)asn表達(dá)下調(diào)，其中Chore和E-box序列的甲基化與Fasn基因的表達(dá)顯著相關(guān)，故認(rèn)為脂肪酸從頭合成對(duì)全身葡萄糖穩(wěn)態(tài)具有積極作用，當(dāng)通過DNA甲基化抑制Fasn轉(zhuǎn)錄時(shí)，可能因脂肪酸產(chǎn)生減少而導(dǎo)致葡萄糖不耐受。上述研究表明，F(xiàn)asn的DNA甲基化狀態(tài)極易受到外部環(huán)境尤其是飲食的影響，通常DNA的高甲基化可抑制Fasn基因表達(dá)，但相關(guān)結(jié)論并不一致，其原因可能是還有其他表觀遺傳修飾參與了Fasn的調(diào)控。

N6-甲基腺苷是普遍存在于所有高等真核生物中的信使RNA(messenger RNA，mRNA)內(nèi)部修飾，由甲基轉(zhuǎn)移酶復(fù)合物和脫甲基酶調(diào)節(jié)，通過改變靶基因的表達(dá)影響相應(yīng)的病理生理過程[11]。目前關(guān)于Fasn的N6-甲基腺苷修飾的研究較少。在高脂飲食小鼠中，特異性敲除甲基轉(zhuǎn)移酶樣蛋白3可降低Fasn的N6-甲基腺苷甲基化和總mRNA水平，進(jìn)而抑制脂肪酸代謝，改善肝臟胰島素敏感性[12]。

2 FASN的組蛋白修飾

組蛋白八聚體由各兩分子的組蛋白H2A、H2B、H3和H4形成，每個(gè)游離的N端均可發(fā)生甲基化、乙?；?、泛素化、類泛素蛋白修飾分子(small ubi-quitin-like modifier，SUMO)化、磷酸化等修飾，但目前研究的FASN組蛋白修飾多為乙?；?、甲基化。組蛋白乙酰化修飾多發(fā)生在比較保守的H3、H4的N端賴氨酸上，由組蛋白乙酰轉(zhuǎn)移酶和組蛋白去乙?；?histone deacetylase，HDAC)共同調(diào)節(jié)。在哺乳動(dòng)物中，HDAC分為四大類：Ⅰ類HDAC、Ⅱ類 HDAC、Ⅲ類Sirtuins和Ⅳ類HDAC[13]。組蛋白甲基化可發(fā)生在賴氨酸和精氨酸殘基上，賴氨酸殘基可發(fā)生單、雙、三甲基化，而精氨酸可發(fā)生單、雙甲基化，該過程由組蛋白甲基轉(zhuǎn)移酶和組蛋白去甲基化酶共同調(diào)節(jié)[14]。

Du等[15]研究了組蛋白修飾與Fasn轉(zhuǎn)錄之間的關(guān)系以及組蛋白修飾在NAFLD中的作用，用胰島素刺激大鼠原代肝細(xì)胞和HepG2細(xì)胞后發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)asn啟動(dòng)子出現(xiàn)H3、H4高乙?；?，H3K4三甲基化也顯著增加，F(xiàn)asn基因轉(zhuǎn)錄被激活，脂質(zhì)生成顯著增加；并分別用干擾小RNA和慢病毒敲除HepG2和肝原代細(xì)胞中固醇調(diào)節(jié)元件結(jié)合蛋白1c、碳水化合物反應(yīng)元件結(jié)合蛋白，發(fā)現(xiàn)胰島素誘導(dǎo)的高乙酰化出現(xiàn)逆轉(zhuǎn)，而Fasn轉(zhuǎn)錄被抑制；進(jìn)一步使用高糖刺激HepG2細(xì)胞和正常肝細(xì)胞L02，發(fā)現(xiàn)肝細(xì)胞脂肪生成增強(qiáng)，F(xiàn)asn中H3和H4乙?；3K4三甲基化和H3S10磷酸化增加，而H3K9和H4K20三甲基化減少，F(xiàn)asn轉(zhuǎn)錄被激活，去除高糖刺激后，上述組蛋白修飾逆轉(zhuǎn)，F(xiàn)asn轉(zhuǎn)錄水平下降，該過程與碳水化合物反應(yīng)元件結(jié)合蛋白密切相關(guān)，碳水化合物反應(yīng)元件結(jié)合蛋白可促進(jìn)H3和H4乙?；?、H3K4三甲基化和H3S10磷酸化，抑制H3K9和H4K20三甲基化，加速Fasn轉(zhuǎn)錄[16]。與正常對(duì)照組大鼠相比，高糖高脂飲食誘導(dǎo)的胰島素抵抗?fàn)顟B(tài)大鼠肝臟Fasn轉(zhuǎn)錄區(qū)、增強(qiáng)子區(qū)和啟動(dòng)子區(qū)的組蛋白H3、H4乙酰化水平升高，啟動(dòng)子區(qū)和增強(qiáng)子區(qū)的H3K4單甲基化水平及轉(zhuǎn)錄區(qū)的H3K4三甲基化水平也升高，促進(jìn)了Fasn基因和蛋白的表達(dá)，表明高糖高脂飲食可能引起Fasn組蛋白的高乙?；透呒谆M(jìn)而提高Fasn表達(dá)[17]。

MHY2233是一種強(qiáng)效沉默信息調(diào)節(jié)因子1(silent information regulator 1，SIRT1)激活劑，在db/db小鼠中，F(xiàn)asn等脂肪合成基因表達(dá)增加，而給予MHY2233的db/db小鼠Fasn表達(dá)減少，脂質(zhì)積聚和胰島素抵抗改善[18]。脂代謝在癌變過程中起重要作用，F(xiàn)ASN作為內(nèi)源性脂肪生成的關(guān)鍵酶，對(duì)維持癌細(xì)胞的生物學(xué)特性至關(guān)重要。P300作為一種含有組蛋白乙酰轉(zhuǎn)移酶催化結(jié)構(gòu)域的轉(zhuǎn)錄激活因子，可以催化組蛋白乙酰化，在前列腺癌細(xì)胞系LNCaP中，P300與Fasn啟動(dòng)子中的組蛋白H3K27結(jié)合，并催化其乙?；?，在敲除P300后，F(xiàn)asn啟動(dòng)子的乙?；斤@著降低，同時(shí)Fasn mRNA及Fasn蛋白水平降低，細(xì)胞中脂滴的積累減少，證明P300可通過提高Fasn啟動(dòng)子乙酰化水平增加Fasn mRNA及Fasn蛋白的表達(dá)，從而增加脂質(zhì)合成，為癌細(xì)胞的增殖和存活提供能量[19]。

綜上所述，F(xiàn)asn的組蛋白乙?；揎椏烧蛘{(diào)節(jié)其基因表達(dá)，而組蛋白甲基化對(duì)Fasn的調(diào)控則取決于修飾位點(diǎn)，H3K4和H3K27甲基化可促進(jìn)Fasn基因表達(dá)，H3K9和H4K20甲基化則抑制Fasn基因表達(dá)。

3 FASN的翻譯后修飾

翻譯后修飾指蛋白質(zhì)在翻譯后的化學(xué)修飾，包括乙酰化、甲基化、磷酸化、泛素化、SUMO化等。泛素化是指泛素對(duì)靶蛋白的特異性修飾過程，被泛素化的靶蛋白最終被蛋白酶體降解[20]。SUMO是真核細(xì)胞中存在的一種與泛素相似的分子，SUMO化修飾與泛素化修飾類似，SUMO與靶蛋白結(jié)合可調(diào)控靶蛋白的結(jié)構(gòu)和功能，而SUMO特異性蛋白酶和SUMO分子可共同調(diào)節(jié)細(xì)胞功能[21]。磷酸化修飾指ATP的磷酸根基團(tuán)轉(zhuǎn)移到蛋白的氨基酸側(cè)鏈(絲氨酸、蘇氨酸、酪氨酸)上，ATP隨之變?yōu)锳DP，該過程通?？赡?，由激酶和磷酸酶催化調(diào)節(jié)[22]。

在人肝臟組織中，糖酵解、糖異生、三羧酸循環(huán)、脂肪酸代謝等代謝過程中的每種酶都存在乙?；?，包括FASN[23]。用HDAC抑制劑曲古霉素A處理人結(jié)腸癌細(xì)胞HCT116和人乳腺癌細(xì)胞ZR-75-30后發(fā)現(xiàn)，兩種細(xì)胞的FASN蛋白乙酰化水平均升高2倍以上，而FASN蛋白水平降低、mRNA水平無明顯變化，同時(shí)細(xì)胞內(nèi)脂質(zhì)含量顯著降低，腫瘤細(xì)胞生長受到抑制[24]。Yu等[25]報(bào)道，酪氨酸磷酸酶Shp2可作為接頭分子介導(dǎo)E3泛素連接酶COP1與FASN的結(jié)合，形成FASN-Shp2-COP1復(fù)合物，通過泛素化途徑介導(dǎo)FASN降解，以控制脂質(zhì)代謝。泛素特異性蛋白酶14是一種蛋白酶體相關(guān)去泛素化酶，Liu等[26]通過質(zhì)譜分析篩選出的FASN是泛素特異性蛋白酶14的特異性底物。在小鼠肝臟中，泛素特異性蛋白酶14過表達(dá)使FASN去泛素化，進(jìn)而增加FASN蛋白，小鼠肝臟重量和三酰甘油水平顯著升高，葡萄糖耐受不良和胰島素敏感性降低，導(dǎo)致肥胖小鼠的肝臟脂肪變性和胰島素抵抗加重，故推測泛素特異性蛋白酶14可能是NAFLD及其相關(guān)疾病的治療靶點(diǎn)。對(duì)結(jié)腸癌的研究發(fā)現(xiàn)，大黃素可增強(qiáng)HCT116細(xì)胞中FASN蛋白的泛素化，促使蛋白降解，從而誘導(dǎo)癌細(xì)胞凋亡[27]。斑紋型POZ蛋白是一種E3泛素連接酶，Gang等[28]研究發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)ASN作為野生型斑紋型POZ蛋白的底物發(fā)生泛素化和蛋白酶體依賴性降解，繼而抑制前列腺癌細(xì)胞中的脂質(zhì)積累和細(xì)胞生長，但突變型斑紋型POZ蛋白不能促使FASN的泛素化降解，故其對(duì)癌細(xì)胞的抑制作用不再明顯。Floris等[29]發(fā)現(xiàn)，乳腺癌組織和細(xì)胞中的FASN發(fā)生了SUMO化修飾，在抑制SUMO化修飾后，F(xiàn)ASN蛋白穩(wěn)定性降低，乳腺癌細(xì)胞凋亡增加，認(rèn)為SUMO化修飾可保護(hù)FASN蛋白免于降解，通過改變脂質(zhì)代謝發(fā)揮致癌活性，是治療乳腺癌的新靶點(diǎn)。人表皮生長因子受體2是研究較透徹的乳腺癌相關(guān)治療靶點(diǎn)之一，其與FASN直接相互作用可促使FASN酪氨酸磷酸化，F(xiàn)ASN活性增強(qiáng)，導(dǎo)致乳腺癌細(xì)胞侵襲性增加[30]。

由此可見，翻譯后乙?；揎椇头核鼗揎椏梢种艶ASN蛋白表達(dá)和酶活性，而SUMO化修飾保護(hù)FASN蛋白不被降解，酪氨酸磷酸化修飾則可增強(qiáng)FASN活性，進(jìn)而調(diào)節(jié)內(nèi)源性脂肪酸的生成，對(duì)NAFLD等糖脂代謝紊亂相關(guān)疾病以及多種人類腫瘤產(chǎn)生影響。

4 FASN的miRNA調(diào)控

miRNA是一類研究較廣泛的小分子非編碼RNA[31]，主要通過mRNA降解和抑制翻譯起始兩種方式抑制動(dòng)物mRNA的翻譯，可調(diào)節(jié)60%以上蛋白質(zhì)編碼基因的翻譯[32]?，F(xiàn)已發(fā)現(xiàn)多種miRNA通過調(diào)控Fasn的基因表達(dá)影響脂質(zhì)代謝，從而對(duì)糖脂代謝紊亂疾病和腫瘤疾病發(fā)揮作用。

miR-195對(duì)Fasn具有調(diào)控作用，Guo等[33]研究證實(shí)，超保守RNA uc.372可與pri-miR-195/pri-miR-4668結(jié)合并抑制miR-195/miR-4668的成熟，從而調(diào)節(jié)包括Fasn在內(nèi)的脂質(zhì)合成和攝取相關(guān)基因的表達(dá)，驅(qū)動(dòng)肝臟脂肪變性。miR-195還可通過負(fù)調(diào)控Fasn表達(dá)抑制多種腫瘤的增殖和侵襲，包括骨肉瘤[34]、乳腺癌[35]、胰腺癌[36]、惡性腦膜瘤[37]等。miR-27a[38]和miR-103[39]通過抑制小鼠原代肝細(xì)胞中Fasn和硬脂酰輔酶A去飽和酶1基因來抑制油酸誘導(dǎo)的肝臟脂肪堆積，此外，miR-24[40]還可通過調(diào)節(jié)Fasn等脂質(zhì)合成相關(guān)基因的表達(dá)改善肝臟脂肪變性。miR-126-3p[41]過表達(dá)可抑制Fasn的表達(dá)，從而降低乳腺管腔上皮細(xì)胞的脂質(zhì)含量，影響小鼠的泌乳過程。而miR-107抑制Fasn表達(dá)后，肝臟脂質(zhì)積聚加重，Bhatia等[42]的研究表明，miR-107抑制Fasn導(dǎo)致丙二酰輔酶A濃度增加，繼而誘導(dǎo)內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激，最終加重了肝臟脂質(zhì)積聚，其脂質(zhì)積聚獨(dú)立于脂肪酸從頭合成的原因可能是脂肪酸氧化受損和脂蛋白分泌不當(dāng)。

此外，二甲雙胍可誘導(dǎo)miR-193家族成員的表達(dá)，而其家族成員miR-193b能夠直接靶向Fasn，抑制Fasn的基因表達(dá)，控制蛋白表達(dá)水平，促進(jìn)三陰性乳腺癌細(xì)胞的凋亡[43]。miR-320可降低非小細(xì)胞肺癌細(xì)胞中Fasn的表達(dá)，從而抑制腫瘤細(xì)胞的增殖、遷移和侵襲[44]。與癌旁組織相比，肝癌組織中miR-1207-5p的表達(dá)水平明顯降低，過表達(dá)miR-1207-5p可抑制Fasn的基因表達(dá)，進(jìn)而抑制肝癌細(xì)胞的生長和侵襲[45]。Wang等[46]對(duì)乳腺癌的研究發(fā)現(xiàn)，miR-15a和miR-16-1可通過降低Fasn的表達(dá)，從而抑制乳腺癌細(xì)胞的增殖；他們進(jìn)一步使用攜帶Fasn基因的慢病毒感染乳腺癌細(xì)胞，以恢復(fù)被miR-15a和miR-16-1下調(diào)的FASN蛋白水平，結(jié)果發(fā)現(xiàn)FASN蛋白水平恢復(fù)后，miR-15a和miR-16-1對(duì)乳腺癌細(xì)胞增殖的抑制作用部分消除。miR-132可通過靶向SIRT1抑制SIRT1-固醇調(diào)節(jié)元件結(jié)合蛋白信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)，間接抑制SIRT1-固醇調(diào)節(jié)元件結(jié)合蛋白下游基因Fasn，進(jìn)而抑制膠質(zhì)瘤細(xì)胞的增殖、遷移和侵襲[47]，而miR-204-5p可負(fù)調(diào)控SIRT1的表達(dá)，從而促進(jìn)Fasn的表達(dá)以及乳腺上皮細(xì)胞的脂質(zhì)合成[48]，這與miRNA抑制Fasn基因表達(dá)的結(jié)論存在矛盾，但是機(jī)體內(nèi)環(huán)境復(fù)雜，F(xiàn)asn的表達(dá)受多種調(diào)控機(jī)制的影響，miR-204-5p負(fù)調(diào)控SIRT1后，F(xiàn)asn組蛋白乙?；黾?，但導(dǎo)致Fasn基因表達(dá)增加的機(jī)制還需要進(jìn)一步研究。miR-212可通過抑制SIRT2的基因表達(dá)上調(diào)Fasn的mRNA表達(dá)，從而促進(jìn)乳腺上皮細(xì)胞系的脂肪生成[49]。亮氨酸缺乏可明顯提高小鼠肝臟中miR-212-5p的mRNA水平，抑制Fasn活性和蛋白水平，減少肝臟中三酰甘油的積累，而抑制miR-212-5p可逆轉(zhuǎn)亮氨酸缺乏對(duì)小鼠原代肝細(xì)胞中Fasn表達(dá)和三酰甘油積累的抑制作用[50]。

5 小 結(jié)

DNA甲基化、組蛋白修飾、miRNA調(diào)控、翻譯后修飾等表觀遺傳修飾可以影響基因表達(dá)和蛋白活性，進(jìn)而導(dǎo)致代謝綜合征、癌癥等的發(fā)生，由于上述改變可逆，故可作為治療代謝綜合征、癌癥等的新策略。在激素作用、轉(zhuǎn)錄水平、表觀遺傳修飾等方面對(duì)FASN調(diào)節(jié)作用的闡述有助于更深入地研究FASN的調(diào)控機(jī)制。未來，深入研究FASN表觀遺傳修飾調(diào)控機(jī)制及其具體表觀遺傳修飾過程、修飾位點(diǎn)有利于針對(duì)性地開發(fā)有效的FASN表觀遺傳修飾藥物。隨著表觀遺傳學(xué)的不斷發(fā)展以及FASN的深入研究，相關(guān)疾病的防治會(huì)得到有效突破。