1、多梳蛋白家族调控机制及其在干细胞与肿瘤发生过程中的作用摘要：多梳蛋白家族（PcG）是一类转录调控因子。主要有两类 PcG 染色质调节复合物家族（Ploycomb Repressive Complex） ，简称 PRC1 与 PRC2。它们可以受到转录因子的调控，富集于基因上，通过阻止 RNA 聚合酶 II 的前进抑制基因表达，从而导致相关基因的沉默。在细胞周期的不同阶段、DNA 的损伤修复中起到重要作用。由于多梳复合体沉默的位点往往是一些肿瘤抑制因子，所以 PcG 的调控可以决定细胞命运，在胚胎干细胞的分化以及癌症的发生过程中都起到重大的作用，具有极大的研究意义。关键字：多梳蛋白家族 PcG
2、、PRC、肿瘤、胚胎干细胞Abstract：Polycomb group proteins(PcG) have been identified as an important regulators of gene expression. There are at least two distinct complexes of PcG, the Ploycomb Repressive Complex1 and Ploycomb Repressive Complex2 (PRC1 and PRC2). Both of them can be regulated by transcriptional
3、 factors and recruited to the targeted genes. And repress the expression of genes by blocking the RNA polymerase II. PcG also plays an important role in different stages of cell cycle and they participate in the DNA damage desperation as well. Considering most of the gene loci silenced by PcG are en
4、coding tumor suppressors, the regulation of PcG can decide cell fate and thus play an important role in embryonic stem cell differentiation and the development of cancer, which is of great research values.Keywords：Ploycomb group proteins, PRC, tumor, embryonic stem cells一、多梳蛋白家族组成：多梳蛋白家族（Polycomb gr
5、oup proteins，简称 PcG）是一类转录抑制因子，最初发现于果蝇中，突变体会导致果蝇的发育异常 1。PcG 主要由两类多聚体蛋白复合物组成，即PRC1 和 PRC2。其中， PRC1 包含四个核心成分：Pc，Ring，Psc 和 Ph，在哺乳动物中每一个核心成分都包含多个同源异形物，主要分为 Cbx，Ring1，Phc 和 Bmi/Mell8 家族。PRC2包含三个核心成分：E（z） ，Esz 和 Suz12，目前被确定的同源异形物有 Ezh1、Ezh2、Suz12和 Eed，其中 Eed 又有三个亚型（图 1） 2。PcG 普遍存在于动植物种。在昆虫中，多梳家族蛋白与三胸家族蛋白相
6、互拮抗，调控基因的表达。在哺乳动物中，多梳家族蛋白显然也起到重要的作用。以 PRC1 的 Bmi1 多梳与 RING 指结构域为例，它可以促进神经干细胞的自我更新 3。在小鼠中的实验表明 PRC1的突变体会导致同源异形突变，后期则死亡，而 PRC2 基因的无效突变则是胚胎发育期间的致死突变。由于 PcG 抑制的主要是肿瘤抑制因子，PcG 的高表达对肿瘤的发生具有重要作用。然而在植物中，PcG 的表达与作用与在动物中不同。在动物中，PcG 的表达可以促进细胞分化，但在植物中，随着 PcG 的相继缺失，植物的细胞才会开始分化 4。由于 PcG 的表达量与细胞的分化、增殖密切相关，所以在肿瘤与胚胎干
7、细胞的研究中，PcG 受到了极大的关注，本文将将简单介绍 PcG 在正常细胞中的作用以及 PcG 与肿瘤细胞的关系。二、多梳蛋白家族调控基因沉默机制：作为一类转录抑制因子，PcG 主要通过结合靶基因的启动子，参与组蛋白的甲基化、乙酰化以及泛素化 5。在此过程中，PRC1 与 PRC2 两者即可协同作用又可独立作用。现有证据表明，PRC2 招募 PRC1 到它们共同作用于基因的启动子上。哺乳动物中 PRC2 中的EZH2，是一种组蛋白甲基转移酶（HMT） ，通过其 SET 结构域催化组蛋白 H3 的 27 号赖氨酸（H3K27me3 ）的三甲基化。从而进一步参与调控基因的表达 6。除了甲基化，P
8、CR1 参与染色质单泛素化。 10%的内源性 H2A 蛋白经单泛素化修饰。组蛋白泛素化过去被认为与基因沉默有关，虽然有研究证实单泛素化在维持基因表达沉默上是有争议的，因为在染色质转录区域也能看见泛素化区域。但是在表观遗传学上受到了极大的重视。最近的研究证实染色质凝缩并不依赖于染色质自身进行单泛素化，而是PRC1。 PRC1 有助于染色质的浓缩 7，此外，泛素残基对于转录活动的进行起到重要作用1。PRC1 使得聚合酶 II（Pol II）在二价基因上的延长停止。二价基因由抑制性与激活性三甲基标记修饰（H3K27me3 和 H3K4me3，图 1）在这些二价基因中，RNA 聚合酶 II 会停留于基
9、因上等待特定刺激以得到活化。聚合酶的停留时由于 PRC1 占据位置、单泛素标记参入、占据位点造成。但是具体机制仍需得到证实 6。图 Error! Main Document Only. PRC1（左图）与 PRC2（右图） 。PRC1 含有四个核心成分，而 PRC2 含有两个核心成分图 2 二价基因的表观遗传调控。二价基因具有抑制和激活两种表观遗传标记。MLL 复合物修饰含有活化H3K4me3 标记的染色质，此后 PRC1 和 PRC2 相继作用使得抑制性标记解体。PRC2 完成特定甲基化（H3K27me3） ，通过 CBX 蛋白家族招募 PRC1，此后 PRC1 将一单位泛素转移到组蛋白 H
10、2A（H2AK119） ，之后PRC1 与单泛素化蛋白 H2A（H2Aub）是染色质出于沉默状态，Pol II 也停止前进。三、多梳蛋白家族的作用：1、 PcG 与细胞周期检查：研究证明 PcG 在多个细胞周期检查点均起到重要作用：例如在处于不利状况下、不分裂的成纤维母细胞中，EZH2 与 SUZ12 表达显著降低，而当细胞重新由 G0 期转变为 G1 期后，两者的表达又显著增加，在此过程中，EZH1 的表达量没有显著变化。 G1 期与 S 期的转化主要由 INK4A-pRB/E2F 通路调控，而 PcG 可以参与调控的 p / p 位点的表达16419抑制可以使细胞停留在 G1 期。PRC1
11、 复合物则参与调控 S 期起始。PRC1 复合物的一部分SCMH1 可以直接与联会蛋白作用，联会蛋白是一类 DNA 复制许可因子 CDT1 的抑制蛋白。PRC1 复合物由 PHC1，SCMH1 ，RING1B 和 BMI1 可以利用 E3 泛素连接酶，使联会蛋白泛素化，从而导致蛋白酶体降解，使得 DNA 的复制叉继续前进，S 期开始。G2/M 纺锤体检查点：细胞由细胞周期蛋白 B/CDK1 复合物调控，开始进入 M 期，而染色体分离则由APC/CDC20 复合物调控。在压力信号下可以使细胞的有丝分裂停止。如 pRB 与 E2F、CtBP和 PRC1 蛋白 CBX4 和 RING1。它们共同作用
12、，结合到启动子上并抑制 cyclin A 和 Cdk1 基因 8。2、 DNA 损伤修复：越来越多的实验发现 PRC 除了参与调控基因的表达外，还参与 DNA 的损伤修复。对DNA 进行同位素标记，发现当受到紫外线的损伤时，PRC2 成员：Suz1，Cbx8 和 Ezh2 都富集于损伤 DNA 处。除去这些蛋白后，DNA 对于电离辐射表现的更为敏感。对于双链断裂（DSB） ，则会有 Bmi1 和 Ring1b 的富集，使损伤开始修复 2。然而，PRC1 对 DNA 的损伤修复似乎不起作用。Hollie 等诱导成纤维细胞产生 DSB，通过免疫荧光染色，并未看到令人信服的相关证据可以证明 PRC1
13、 与对于修复 DNA 的损伤能起到什么作用 9。可见 PRC1 和 PRC2的功能还是存在一定差别的。3、在干细胞中的作用：PcG 在胚胎干细胞中的表达直接决定了细胞命运与胚胎的发育。PRC2 在早期胚胎发生过程中起到重要作用。实验表明，敲除 EZH2 与 EED 的对小鼠来说致死 1。与敲除 PRC2 相似，敲除 E3 连接酶 Ring1B 可以导致原肠胚停止发育，胚胎致死 1。Mel18 或 Bim-1 不足的小鼠中轴骨转化较慢，并伴随免疫缺陷。可见 PRC 复合物对胚胎发育的重要性。虽然 PRC2对胚胎干细胞自我更新的维持并不重要，它更多地是参与发育调控基因的表达。但是缺少Suz12，E
14、ED 或 EZH2 的胚胎干细胞表现出种系特异性基因异常的脱抑制，并且无法正确分化。这主要是由于在分化阶段缺少对多能基因的抑制。除了 PRC2 的核心亚单位，其它与PRC2 相关的蛋白可以影响复合物核心的酶活 6。Lluis Morey 的实验发现，当胚胎干细胞开始分化，Cbx2、Cbx4 以及 Bim1 均上升，唯有 Cbx7 表达下降。Cbx7 是 Cbx 家族的主要成分。说明 Cbx7 表达量的下降可能是细胞分化的第一步。除此之外，他们的实验还说明 Cbx7 对启动子的占据是完全依赖于 PRC2、部分依赖于 PRC1 的，这使 Cbx7 为 PRC1 提供了广泛的选择性位点，从而使干细胞
15、的自我更新与分化趋于平衡 10 11。PcG 在成体干细胞中的表达与在胚胎干细胞中的表达相似。以造血干细胞为例，随着年龄的上升，造血干细胞的“健康性”与 PcG 的调节活动密切相关 12。在不同阶段的造血干细胞中，PcG 是有着特异性表达的。例如 Bim1 在未分化的 HSC 中表达，当细胞开始分化，Bim1 的表达量便出现下降，而 Eed 则在所有阶段的造血细胞中表达。在原初造血干细胞中，PRC1 的表达与在祖先细胞中是不同的 2。然而，既没有敲除 Eed 也没有敲除 Ring1B 的胚胎干细胞依然能够将淋巴细胞再编程为多能细胞。可见，在干细胞中，PRC 复合体的功能是有冗余的。4、在肿瘤细
16、胞中的作用由于 PCR 的错误调节会导致发育过程调节通路上的缺失或异常活动。从而加强了细胞的分化增殖能力，故其在肿瘤的发生中扮演了重要的角色。多梳复合体常由转录因子调控，使基因沉默，调控细胞命运。多梳蛋白在肿瘤中的富集往往是有其它蛋白参与的。例如 PRC2 的亚单位 EZH2 与 DNA 甲基转移酶（DNMTs ）可以相互作用。它们可以被一种致瘤的融合蛋白 PML-RARa（可导致白血病）招募至染色质上。同样的，Bmi-1（一种 PRC1 复合体）被转录因子白血病锌指 PLZF（一种 BTB/POZ-ZF 转录因子家族成员）招募。白血病中，致瘤融合蛋白 PLZF-RARa 导致 PRC1 的异
17、常聚集 6。研究表明，PRC1 的成员 Bmi-1 和 PRC2 成员 EZH2 两种蛋白在癌症细胞中有很高的表达，具有较强的致瘤性 13。如 EZH2 通过参与组蛋白甲基化，使基因沉默 14。在普通的上皮细胞中，EZH2 表达量很低，而在肿瘤、乳房以及膀胱的肿瘤中出现了较高的表达。EZH2 可以使得 E-钙黏蛋白沉默，从而有利于肿瘤细胞的转移 15。此外，多梳蛋白 Cbx4 被认为与肝癌病人的生存期有关。Cbx4 可通过单泛素化调控肝癌新生血管形成，从而促进血管内皮生长因子的产生，进而促进肿瘤生长。一项研究在检测了 727 例肝癌病人的组织样品后发现高表达的 Cbx4 肝癌病人在术后的生存期
18、明显变低。这一研究也暗示着 PcG 有望成为癌症诊断过程中一个新指标 16。由于多梳蛋白的靶标包括多种肿瘤抑制基因，它的调控可以防止细胞衰亡导致细胞分化从而导致癌症的发生。事实上，多梳蛋白使 CDKN2A 与 CDKN2B 的基因位点表达沉默。而两位点编码的正是肿瘤抑制因子 p14（ARF） 、p15（INK4B）和 p16（INK4A） 6。以上种种均说明肿瘤的发生与 PcG 的异常调控有莫大联系，可见其研究意义。四、总结：多梳蛋白作为一类重要的转录抑制因子，可以通过使基因沉默表达等表观遗传调控决定细胞或凋亡或分化的命运。它不仅在表观遗传学领域受到关注，近年来，越来越多的研究论述了多梳蛋白与
19、肿瘤的关系，虽然其中的作用机制还存在许多有待论证的地方。显然，由于肿瘤与干细胞研究的迫切与重要性，人们对多梳蛋白这种重要的调控因子越来越重视。我们可以预见，在未来，多梳蛋白在干细胞诱导分化方面可起到重要作用。在癌症的诊断方面，也可以成为一类重要的指标。参考文献：1 Surface, Lauren E., Thornton, Seraphim R., & Boyer, Laurie A. (2010). Polycomb Group Proteins Set the Stage for Early Lineage Commitment. Cell Stem Cell, 7(3), 288-298
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