崔立欣，田雅晴，郝海生，趙學(xué)明，龐云渭，朱化彬，杜衛(wèi)華

（中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院北京畜牧獸醫(yī)研究所，家畜胚胎工程與繁殖創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)，北京 100193）

組蛋白甲基化修飾作為表觀遺傳中的關(guān)鍵調(diào)控機(jī)制之一，在基因表達(dá)及沉默、異染色質(zhì)形成、細(xì)胞分化和基因印跡等方面發(fā)揮著重要作用。缺失的、小的、同源異形 1（Absent,Small,or Homeotic 1，ASH1）是組蛋白賴(lài)氨酸N-甲基轉(zhuǎn)移酶，也稱(chēng)為huASH1、ASH1L（ASH1-like）、KMT2H，由位于染色體帶1q22 的Ash1L基因編碼。ASH1 首先在果蠅中被鑒定[1]，因其基因突變導(dǎo)致的同源異形的表現(xiàn)與三胸腔結(jié)構(gòu)蛋白（Trithorax，Trx）的突變體相似而被歸類(lèi)于TrxG 蛋白家族[2-3]。ASH1L 是含有SET（Su[var]3-9，Enhancerof-zeste，Trithorax）結(jié)構(gòu)域的組蛋白甲基轉(zhuǎn)移酶，不僅可催化組蛋白H3K4 和H3K36 的甲基化[4]，而且參與細(xì)胞分化、胚胎發(fā)育及自身免疫應(yīng)答反應(yīng)等過(guò)程。本文就ASH1L 蛋白酶的組成、功能和調(diào)控機(jī)制等方面的研究進(jìn)展進(jìn)行綜述，旨在為進(jìn)一步探索ASH1L 蛋白酶在疾病發(fā)生和治療方面的調(diào)控機(jī)制及其大家畜快速擴(kuò)繁研究提供參考。

1 組蛋白修飾

組蛋白是真核生物染色體的基本結(jié)構(gòu)蛋白，有2 個(gè)活性末端——羧基端和氨基端。組蛋白修飾包括甲基化、乙?；?、磷酸化、泛素化、蘇素化等，其中，組蛋白甲基化是研究的熱點(diǎn)之一，不同位點(diǎn)的賴(lài)氨酸或精氨酸的乙?；图谆墒谷旧w構(gòu)象發(fā)生改變，調(diào)控基因的表達(dá)與沉默[5]。組蛋白不同殘基、不同水平的甲基化修飾具有不同的生物學(xué)功能，組蛋白H3 第4 位、第36 位、第79 位賴(lài)氨酸（Histone H3 Lysine 4,36,79，H3K4、H3K36、H3K79）的甲基化與基因激活有關(guān)；組蛋白H3 第9 位、第27 位、（Histone H3 Lysine 9,27,H3K9、H3K27）及組蛋白H4 第20 位賴(lài)氨酸（Histone H4 Lysine 20，H4K20）的甲基化與基因沉默或異染色質(zhì)形成有關(guān)[6]。

早期胚胎的表觀重編程可有效地將父方和母方的表觀基因組轉(zhuǎn)換為合子的表觀基因組，重編程異常則導(dǎo)致早期胚胎死亡或疾病[7]。作為體細(xì)胞核移植（Somatic Cell Nuclear Transfer，SCNT）胚胎EGA 的重要表觀調(diào)控因子，賴(lài)氨酸特異性去甲基化酶4E（Lysine-Specific Demethylase 4E，KDM4E）在SCNT 胚胎中的低表達(dá)造成持續(xù)性的H3K9me3去甲基化障礙和基因組的異常重編程[8]。供體細(xì)胞基因組的H3K9me3 是SCNT 胚胎有效重編程的主要表觀遺傳障礙，在EGA 階段的小鼠和人SCNT 胚胎中富集于重編程抗性區(qū)（Reprogramming Resistance Regions）[9-10]。在卵母細(xì)胞生長(zhǎng)過(guò)程中，少數(shù)基因的CpG 島在卵母細(xì)胞成熟的后期變?yōu)榧谆?，這與H3K36me3 的增加和H3K4me2/3 的減少有關(guān)[11]。Mu等[12]制備了多梳抑制復(fù)合體2（Polycomb Repressive Complex 2，PRC2）的2 個(gè)亞基Zeste 同源物增強(qiáng)子1（Enhancer of Zeste Homologue 1，EZH1）和Zeste 同源物增強(qiáng)子2（EZH2）的基因敲除小鼠模型，結(jié)果發(fā)現(xiàn)EZH1 和EZH2 的切除導(dǎo)致精母細(xì)胞減數(shù)分裂的停滯；且即使沒(méi)有EZH2-PRC2 存在，EZH1 的表達(dá)水平仍能單獨(dú)決定H3K27 甲基化的恢復(fù)。

2 三胸腔結(jié)構(gòu)蛋白質(zhì)組（TrxG）

TrxG 是多種蛋白質(zhì)的集合，最早在果蠅中作為維持同源異形基因（Homeobox Gene，Hox）表達(dá)模式的調(diào)控因子而被分離出來(lái)[13-14]。根據(jù)其分子功能，TrxG蛋白可分為組蛋白修飾、染色質(zhì)重塑、DNA 結(jié)合蛋白和其他TrxG 蛋白[15]。TrxG 蛋白普遍存在于哺乳動(dòng)物和植物等多細(xì)胞生物體內(nèi)，主要作用是維持基因表達(dá)；在進(jìn)化上保持高度保守；其甲基化與轉(zhuǎn)錄激活相關(guān)，是生物體內(nèi)重要的調(diào)控因子。

TrxG 相關(guān)的組蛋白修飾復(fù)合物包括SET1SET1 相關(guān)的蛋白復(fù)合物（COMplex of Proteins Associated SET1with SET1，COMPASS）、類(lèi)COMPASS（COMPASS-like）、Trx 乙?；瘡?fù)合物1（Trx Acetylation Complex 1，TAC1）和ASH1 復(fù)合物，具有組蛋白甲基轉(zhuǎn)移酶（Histone Methyltransferase，HMT）活性的SET 結(jié)構(gòu)域是這些復(fù)合物的共同組分（表1）。值得注意的是，COMPASS 和類(lèi)COMPASS 復(fù)合物的HMT 亞基均能甲基化H3K4，屬于細(xì)胞中具有非冗余功能的亞基；另外，COMPASS復(fù)合物的Set1 亞基負(fù)責(zé)全局基因激活，而類(lèi)COMPASS復(fù)合物的Trx 及其相關(guān)的亞基（Trx related，Trr）則靶向特定的基因[16-17]。可見(jiàn)，TrxG 復(fù)合物的組成決定其功能，例如在果蠅中，以Trx 和Menin（Mnn1）為特征的類(lèi)COMPASS 復(fù)合物靶向Hox基因，而由Trr 和Utx 組成的類(lèi)COMPASS 則靶向某些激素應(yīng)答基因[16]，Trx 在哺乳動(dòng)物中的同源物、混合譜系白血病1（Mixed Linkage Leukemia，MLL1）對(duì)Hox基因具有調(diào)控作用[18]，且對(duì)維持干細(xì)胞的多能性起保守作用[19]。在多梳家族蛋白（Polycomb Group，PcG）調(diào)控基因轉(zhuǎn)錄沉默的過(guò)程中，TAC1 和ASH1L 復(fù)合物發(fā)揮更重要的拮抗作用[20]，且其通過(guò)環(huán)磷腺苷效應(yīng)元件結(jié)合蛋白（cAMP-Response Element Binding Protein，CREB）與組蛋白乙酰轉(zhuǎn)移酶（Histone Acetyltransferase，HAT）活性偶聯(lián)[21]。TAC1 酶的活性由Trx 和CREB 結(jié)合蛋白（CREB Binding Protein，CBP）調(diào)節(jié)，以偶聯(lián)H3K4甲基化和H3K27 乙酰化；Trx 過(guò)表達(dá)可與CBP 相互作用而引起PcG 沉默[22]。

表1 TrxG 復(fù)合物成分[23]

3 ASH1L 蛋白的調(diào)控功能

3.1 ASH1L 調(diào)控Hox基因的表達(dá) ASH1L 組蛋白甲基轉(zhuǎn)移酶在果蠅和哺乳動(dòng)物中可甲基化H3K4[24]和H3K36[25]，兩者可調(diào)控Hox基因的表達(dá)[26]，因此ASH1L 是基因激活所必需的[27]。ASH1L 蛋白位于核內(nèi)斑點(diǎn)和緊密連接處[28]，ChIP 分析證明其與活躍轉(zhuǎn)錄基因的5′轉(zhuǎn)錄區(qū)結(jié)合，是調(diào)節(jié)Hox基因表達(dá)的轉(zhuǎn)錄激活因子，分布在Hox基因的整個(gè)轉(zhuǎn)錄區(qū)域，是Hoxa6和Hoxa10全局表達(dá)及H3K4 甲基化所必需的[29]。在小鼠子宮發(fā)育過(guò)程中，ASH1L 通過(guò)組蛋白甲基化進(jìn)行染色質(zhì)重塑而激活Hoxa10及其他基因的表達(dá)；在其突變體中，Hoxa10的表達(dá)顯著降低[30]，其他多個(gè)Hox基因的表達(dá)缺失。此外，類(lèi)似于果蠅PRC2 的單突變體，PRC2 和ASH1 的雙突變體中，Hox基因表達(dá)恢復(fù)到正常水平[31]。說(shuō)明在Hox基因處，Ash1 本身不需要轉(zhuǎn)錄激活，但需要拮抗PcG 蛋白來(lái)發(fā)揮作用[32]。

3.2 ASH1L 抑制PcG 蛋白的表達(dá) PcG 蛋白是一種表觀遺傳修飾系統(tǒng)，其介導(dǎo)的組蛋白H3K27me3 在基因沉默和發(fā)育調(diào)控中起著至關(guān)重要的作用；PcG 分為多梳抑制復(fù)合體1（Polycomb Repressive Complex 1，PRC1）和PRC2 2 個(gè)核心蛋白復(fù)合體，其中PRC2 具有組蛋白甲基轉(zhuǎn)移酶活性[33]。PRC2 包含EZH2、ESC（Extrasex Combs）、SU(Z)12（Suppressor of Zeste 12）及Nurf55（Nucleosome Remodeling Factor 55）4 個(gè)亞基，后兩者是PRC2 與核小體結(jié)合所必需的。在HeLa 細(xì)胞中，ASH1L 催化的H3K36me2/3 標(biāo)記很少與PRC2 催化的H3K27me3 共存于組蛋白的同一條多肽上[34]。在果蠅的活性基因中，由于ASH1L 的存在PRC2 不能使染色質(zhì)的H3K27 三甲基化；而在ASH1L 突變的多線(xiàn)染色體中，多個(gè)基因的啟動(dòng)子和編碼區(qū)存在H3K27me3 免疫熒光信號(hào)的增強(qiáng)[35]，所以ASH1L 特異性催化H3K36甲基化，并通過(guò)干擾核小體上PRC2 的活性而抑制H3K27 甲基化[34]，可見(jiàn)ASH1L 通過(guò)在靶基因的轉(zhuǎn)錄區(qū)二甲基化/三甲基化H3K36 來(lái)防止H3K27me3 沉積[36]。TrxG 家族的Kismet（KIS）蛋白也可通過(guò)促進(jìn)ASH1催化的H3K36me2 來(lái)拮抗PcG 的抑制功能[23,34]。15 號(hào)染色體上的轉(zhuǎn)錄因子MORF4 相關(guān)基因（Morf4-Related Gene on Chromosome 15，Mrg15）為ASH1L 復(fù)合體的一個(gè)亞基，與ASH1L 形成的復(fù)合物可增強(qiáng)H3K36me1/2的活性，拮抗PcG 介導(dǎo)的基因沉默，并維持靶基因的轉(zhuǎn)錄“ON”狀態(tài)；而在ASH1L 突變體中，Nurf55 與Mrg15 形成的融合蛋白可部分恢復(fù)ASH1L 的激活機(jī)制和抗沉默功能[37]。

3.3 ASH1L 與非編碼RNA 協(xié)同促進(jìn)基因轉(zhuǎn)錄 TrxG 蛋白也可與長(zhǎng)鏈非編碼RNA（Long Noncoding RNA，lncRNA）結(jié)合以調(diào)節(jié)基因表達(dá)[38-39]。從脊椎動(dòng)物Hoxa基因座5' 端轉(zhuǎn)錄而來(lái)的基因間lncRNA HOTTIP，結(jié)合WD 重復(fù)蛋白5（WD Repeat-Containing Protein 5，WDR5）而促進(jìn)活性轉(zhuǎn)錄[40]；敲降HOTTIP 后，最接近HOTTIP 基因座的基因表達(dá)量下降，而Hoxa 基因座遠(yuǎn)端基因的表達(dá)量不變，說(shuō)明HOTTIP 對(duì)活性轉(zhuǎn)錄基因的調(diào)控與兩者之間的距離有關(guān)[41]。同時(shí)，敲降HOTTIP也導(dǎo)致TrxG 復(fù)合物中MLL1 和WDR5 的募集減少、5'端Hoxa 結(jié)構(gòu)域處的H3K4me3 減少，可見(jiàn)該lncRNA對(duì)TrxG 復(fù)合物募集的重要性[40-41]。ASH1 與lncRNA互相作用，其可與靈長(zhǎng)類(lèi)特有的D4Z4 重復(fù)序列結(jié)合元件轉(zhuǎn)錄本（D4Z4 Binding Element-Transcript，DBE-T）結(jié)合；lncRNA DBE-T 能招募D4Z4 和ASHIL 至4 號(hào)染色體長(zhǎng)臂第35 區(qū)（4q35），催化H3K36me2，導(dǎo)致染色體重塑，4q35 區(qū)基因轉(zhuǎn)錄，最終導(dǎo)致肌營(yíng)養(yǎng)不良癥的發(fā)生。DBE-T 在體內(nèi)與ASH1L 結(jié)合，在體外則直接與ASH1L 的SET 結(jié)構(gòu)域結(jié)合；敲低DBE-T 會(huì)導(dǎo)致ASH1L 募集受阻，H3K36me2 水平降低[38]。

3.4 ASH1L 調(diào)控免疫應(yīng)答反應(yīng) 在天然免疫應(yīng)答反應(yīng)中，ASH1L 是Toll 樣受體（Toll-Like Receptor，TLR）信號(hào)中一個(gè)全新的負(fù)向調(diào)控分子，通過(guò)控制TLR 觸發(fā)的NF-kB 和絲裂原活化蛋白激酶（Mitogen-Activated Protein Kinase，MAPK）信號(hào)通路，抑制隨后的白細(xì)胞介素-6（Interleukin-6，IL-6）表達(dá)，從而保護(hù)機(jī)體抵御內(nèi)毒素休克和自身免疫疾病的發(fā)生發(fā)展[42]。在哺乳動(dòng)物子宮中，ASH1L 突變會(huì)導(dǎo)致子宮發(fā)育異常、雌性不孕、產(chǎn)后致死率高、雄性生育能力下降等問(wèn)題[30]。ASH1L在骨髓中是一種新的關(guān)鍵調(diào)節(jié)因子；在胎兒造血干細(xì)胞移植到成年小鼠受體的過(guò)程中，ASH1L 對(duì)胎兒造血干細(xì)胞適應(yīng)骨髓環(huán)境起關(guān)鍵作用；其缺失會(huì)導(dǎo)致成體中胎兒造血干細(xì)胞的消耗，降低移植后受體骨髓中胎兒造血干細(xì)胞的再生能力[43]。HeLa 細(xì)胞中的Hox 啟動(dòng)子需MLL1 和ASH1L 共同激活，而單獨(dú)的MLL1 或ASH1L不足以激活轉(zhuǎn)錄[44]。在小鼠中，ASH1L 可通過(guò)直接激活其啟動(dòng)子上調(diào)Smad3（Drosophila Mothers Against Decapentaplegic Protein 3）的表達(dá)，進(jìn)而促進(jìn)Foxp3（Forkhead Box Protein P3）表達(dá)，并在體外誘導(dǎo)調(diào)節(jié)性T 細(xì)胞（Regulatory T，Treg）分化；當(dāng)ASH1L 沉默時(shí)，由于Treg 細(xì)胞極化的損傷，小鼠更容易患T 細(xì)胞介導(dǎo)的自身免疫性疾病[45]。使用促炎細(xì)胞因子腫瘤壞死因子（Tumor Necrosis Factor Alpha，TNF-α）處理人牙髓細(xì)胞后，其可通過(guò)MAPK 信號(hào)通路誘導(dǎo)細(xì)胞核和細(xì)胞質(zhì)中ASH1L 的表達(dá)，進(jìn)而抑制基質(zhì)金屬蛋白酶產(chǎn)生，預(yù)防牙髓炎的發(fā)生[46]。

3.5 ASH1L 調(diào)控細(xì)胞分化 作為T(mén)rx 蛋白家族的一員，ASH1L 蛋白通過(guò)其SET 結(jié)構(gòu)域的甲基轉(zhuǎn)移酶活性來(lái)激活基因的表達(dá)。在細(xì)胞的分化過(guò)程中，ASH1L 是一個(gè)積極的調(diào)節(jié)因子。在受傷小鼠中，ASH1L 突變導(dǎo)致表皮細(xì)胞分化紊亂，角質(zhì)形成細(xì)胞過(guò)度增殖，傷口愈合缺陷及皮膚增生[47]。在肝星狀細(xì)胞（Hepatic Stellate Cells，HSCs）中，ASH1L 通過(guò)直接靶向I 型膠原纖維（Type I Collagen Fibers，Col1）和轉(zhuǎn)化生長(zhǎng)因子β1（Transforming Growth Factorβ1，TGF-β1）啟動(dòng)子區(qū)域中的H3K4me3修飾來(lái)促進(jìn)HSCs 分化為肌成纖維細(xì)胞[48]。在小鼠胚胎干細(xì)胞中，ASH1L 突變時(shí)會(huì)下調(diào)Wnt（Wingless-Type MMTV Integration Site Family）基因的表達(dá)[49]。此外，ASH1L 通過(guò)結(jié)合Hox和Smad基因的啟動(dòng)子，并改變H3K4me3 的修飾水平來(lái)調(diào)控這2 個(gè)基因的表達(dá)[45,50]，而Wnt、Hox、Smad和Col1基因均能調(diào)節(jié)骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞的成骨分化[51-52]。敲除人紅白血病細(xì)胞系K562細(xì)胞中的ASH1L 導(dǎo)致ε-珠蛋白基因的上調(diào)、髓細(xì)胞標(biāo)記物血小板膜糖蛋白IIb（Platelet Glycoprotein Iib，GPIIb）和血小板膜糖蛋白IIa（GPIIIa）的下調(diào)；且在譜系標(biāo)志物陰性的造血祖細(xì)胞中，敲降A(chǔ)SH1L 使造血干細(xì)胞向髓單核細(xì)胞分化障礙，向淋巴細(xì)胞和紅細(xì)胞譜系分化增強(qiáng)，表明ASH1L 與MLL1 一樣，通過(guò)促進(jìn)造血干細(xì)胞向骨髓單核細(xì)胞分化，而調(diào)節(jié)造血干細(xì)胞發(fā)育[44]。

4 展 望

組蛋白修飾在細(xì)胞的基因表達(dá)等多種生物過(guò)程中具有重要的調(diào)控作用，而TrxG 蛋白能特異地甲基化組蛋白殘基，激活基因的轉(zhuǎn)錄；ASH1L 則是TrxG 蛋白家族的成員。作為一種組蛋白甲基轉(zhuǎn)移酶，ASH1L 通過(guò)催化組蛋白尾部賴(lài)氨酸的甲基化來(lái)調(diào)控細(xì)胞分化、胚胎發(fā)育及自身免疫應(yīng)答等生物過(guò)程。隨著組蛋白甲基化修飾在許多重大疾病中的致病機(jī)制和臨床應(yīng)用研究的深入，ASH1L 甲基轉(zhuǎn)移酶的功能及其調(diào)控機(jī)制研究必將受到廣泛關(guān)注。然而，目前ASH1L 的相關(guān)研究主要集中于人、小鼠和果蠅，其在家畜的研究還沒(méi)有報(bào)道。作為人類(lèi)疾病的動(dòng)物模型，以豬、牛為對(duì)象，將有利于闡明組蛋白甲基化修飾與疾病的關(guān)系，以便在治療過(guò)程中尋找潛在的治療靶向標(biāo)志物和相關(guān)的抑制劑，為疾病的預(yù)防與治療提供新途徑。同時(shí)該甲基轉(zhuǎn)移酶調(diào)控家畜細(xì)胞分化和胚胎發(fā)育機(jī)制的揭示，也將為提高家畜的繁殖效率和實(shí)現(xiàn)優(yōu)質(zhì)家畜的高效快速擴(kuò)繁提供實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。