林楚昇，趙敏，王明,2

(1.南方醫(yī)科大學珠江醫(yī)院中醫(yī)科，廣州 510280; 2.南方醫(yī)科大學中醫(yī)藥學院，廣州 510515)

組蛋白是真核細胞染色質中的一種堿性蛋白質，與DNA共同組成核小體結構，它們是染色質的主要蛋白質組分，作為DNA纏繞的線軸，并在基因調(diào)控中發(fā)揮作用。組蛋白存在廣泛多樣的翻譯后修飾，包括磷酸化、泛素化、瓜氨酸化、小分子泛素相關修飾物蛋白(small ubiquitin-related modifier protein,SUMO)修飾、ADP核糖基化、乙酰化和甲基化等[1]，這些修飾作用使細胞的基因表達發(fā)生可遺傳性變化，是表觀遺傳學的主要調(diào)控機制之一。翻譯后的組蛋白修飾用于存儲表觀遺傳信息，并控制核小體裝配和非組蛋白的募集。組蛋白在基因表達調(diào)控中起著積極和消極的雙重作用，主要由特定氨基酸殘基的翻譯后修飾決定[2]。常見的氨基酸殘基修飾位點是精氨酸和賴氨酸，可去甲基化，且該過程可逆。Jumonji結構域的蛋白(Jumonji domain-containing protein，JMJD)1A是近年研究較為深入的一種組蛋白去甲基化酶和表觀遺傳調(diào)節(jié)因子，是一類含有JMJD家族的成員之一，屬于賴氨酸去甲基化酶3家族，也稱為賴氨酸去甲基化酶3A，該類酶主要通過去甲基化改變組蛋白的表觀結構，從而調(diào)節(jié)基因活性、染色質結構、損傷修復及表觀記憶等。JMJD1A通過對組蛋白去甲基化的修飾作用調(diào)控細胞基因的表達，在影響生物體表觀性狀方面發(fā)揮重要的生物學作用。組蛋白的甲基化修飾參與基因轉錄的調(diào)控，是通過組蛋白甲基轉移酶和新近發(fā)現(xiàn)的組蛋白去甲基酶對組蛋白的這些修飾進行動態(tài)控制[3]?，F(xiàn)對JMJD1A在表觀遺傳學中的生物學功能進行綜述。

1 JMJD1A與表觀遺傳學

表觀遺傳學是在基因核苷酸序列不發(fā)生改變的情況下，研究基因表達的可遺傳變化的一門遺傳學分支學科，主要通過調(diào)控基因轉錄或翻譯過程影響其功能和特性。表觀遺傳的現(xiàn)象包括DNA甲基化、基因組印記、母體效應、基因沉默、核仁顯性、休眠轉座子激活和RNA編輯等。表觀遺傳的主要機制包括DNA甲基化、核染色質修飾、印記基因丟失及非編碼微RNA(microRNA，miRNA/miR)的變化。組蛋白甲基化是表觀遺傳學的重要類型之一，該修飾與異染色體形成、X染色體失活、特定基因轉錄調(diào)節(jié)、基因組完整性及細胞發(fā)育等均密切聯(lián)系[4]。細胞環(huán)境的變化導致染色質結構的改變，進而調(diào)節(jié)基因表達。組蛋白甲基化通過影響基因表達、染色體重塑等參與細胞增殖、凋亡等過程。而JMJD1A通過作用于特定的賴氨酸使其脫甲基化，從而影響基因表達，改變生物體的表觀性狀。因此，JMJD1A與表觀遺傳學密切相關。

2 JMJD1A的生物學功能

2.1JMJD1A在早期胚胎發(fā)生及胚胎干細胞(embryo-nic stem cell，ESC)分化中的作用 ESC是一種具有無限期自我更新能力的多能干細胞，受遺傳因素和染色質結構調(diào)控。JMJD1A對早期胚胎的發(fā)生以及ESC生存能力的維持起重要作用。Kuroki等[5]通過實驗發(fā)現(xiàn)，JMJD1A和JMJD1B優(yōu)先靶向染色體基因密集區(qū)域的組蛋白H3第9位賴氨酸(H3K9)去甲基化，從而在常染色質中建立H3K9低甲基化狀態(tài)。缺乏JMJD1A的胚胎在植入后不久即死亡，并伴有外胚層細胞死亡。這些結果表明，JMJD1A介導的H3K9去甲基化在早期胚胎的發(fā)生和ESC活性維持中具有關鍵作用。JMJD1A和JMJD1B可通過建立正確的H3K9甲基化表觀基因組來確保早期胚胎發(fā)生和ESC生存能力。Loh等[6]的實驗發(fā)現(xiàn)，JMJD1A和JMJD2C受ESC轉錄因子Oct4的正向調(diào)控，而JMJD1A或JMJD2C缺失導致ESC分化。而其他實驗發(fā)現(xiàn)，JMJD1A和JMJD2C能夠調(diào)節(jié)ESC的自我更新[7]。

2.2JMJD1A在缺氧條件下的調(diào)控作用 在缺氧條件下，JMJD1A的表達發(fā)生變化。對大多數(shù)細胞來說，缺氧可以促進JMJD1A的表達。Wellmann等[8]的研究發(fā)現(xiàn)，常壓缺氧(8%氧氣)條件下大鼠不同器官中JMJD1A信使RNA的水平較正常條件下升高。在人體細胞中，當缺氧誘導因子(hypoxia-indu-cible factor，HIF)-1的信號被干擾小RNA阻斷時，體外暴露于低氧或鐵清除劑的人細胞中JMJD1A信使RNA和蛋白質的上調(diào)消除，表明缺氧在體內(nèi)和體外均可刺激JMJD1A，包括將HIF-1與JMJD1A啟動子中特定的缺氧反應元件結合。在缺氧的刺激下，JMJD1A的表達上調(diào)，且Sar等[9]的研究結果與上述研究類似。

促紅細胞生成素(erythropoietin，EPO)是一種分泌激素，可刺激紅細胞產(chǎn)生，且在缺氧條件下，EPO水平升高。Tian等[10]研究發(fā)現(xiàn)，EPO的表達不僅受HIF的調(diào)節(jié)，且部分受表觀遺傳修飾的影響，包括組蛋白乙?；图谆?。JMJD1A可與HIF-2α相互作用形成共激活物復合物，該復合物與EPO的缺氧反應元件結合并通過催化轉錄抑制標記組蛋白H3第9位賴氨酸二甲基化的去甲基化，從而增加EPO表達，表明JMJD1A是缺氧條件下EPO表達的共激活因子。

2.3JMJD1A在精子發(fā)生與成熟中的作用 JMJD1A是睪丸中表達的關鍵表觀遺傳調(diào)控因子，精子發(fā)生是男性生殖系統(tǒng)的基本過程，從精原細胞到精子發(fā)育過程中需要一系列嚴格控制的表觀遺傳和遺傳事件。Kuroki等[3]的研究發(fā)現(xiàn)，在小鼠生殖細胞的轉化過程中，胚胎生殖系中JMJD1A和JMJD1B的缺失導致青春期后雄性生殖細胞的完全喪失；此外，JMJD1A/JMJD1B缺失的生殖細胞不能分化為功能性精原細胞，表明JMJD1A對雄性生殖系正常功能的維持至關重要。

最初形成的精子并沒有完全成熟，需要經(jīng)過一系列的分裂增殖、分化變形，才能最終發(fā)育為成熟精子。JMJD1A作為重要的表觀遺傳調(diào)節(jié)因子，可激活精子染色質包裝基因，該基因編碼精蛋白和精子細胞伸長和濃縮所需的過渡蛋白。在圓形精子的成熟過程中，JMJD1A表達不足可能導致圓形精子細胞成熟的停滯[11]。

JMJD1A不僅在精子的發(fā)生與成熟過程中發(fā)揮重要的生物學作用，還可用于預測精子的存在。Eelaminejad等[12]研究發(fā)現(xiàn)，非阻塞性無精子癥患者JMJD1A的表達與精子恢復結果之間存在顯著關聯(lián)，表明睪丸活檢中的JMJD1A表達量可能具有一定的生物標志物價值，可用于預測精子的存在。

2.4JMJD1A在腫瘤中的作用 腫瘤的發(fā)生是正常細胞發(fā)生基因突變，導致細胞轉化，最終出現(xiàn)惡性增殖的過程，該過程涉及遺傳和表觀遺傳(DNA甲基化、miRNA和組蛋白修飾等)等的紊亂和異常。表觀遺傳變化是癌癥發(fā)展的根本原因之一，通常由修飾DNA或組蛋白的酶失調(diào)所致，這些變化在癌癥發(fā)生和進化過程中起重要作用，也是調(diào)節(jié)癌癥生理學和病理生理學所必需的[13]。大量研究表明，JMJD1A和JMJD1C在各種腫瘤中均過表達，可刺激癌細胞的增殖和侵襲，并促進腫瘤的有效生長[14-17]。此外，JMJD1A還可抑制腫瘤的形成。Ning等[18]發(fā)現(xiàn)，JMJD1A可通過上調(diào)靶基因Runt相關轉錄因子3抑制胃癌的增殖和發(fā)展。

2.4.1與miRNA相關調(diào)控癌細胞增殖 癌細胞的分裂增殖與JMJD1A的調(diào)控相關，由于一些miRNA的影響，JMJD1A的表達減少，進而抑制癌細胞的增殖及生理功能。

miR-155的作用與幾種惡性腫瘤的發(fā)生有關。Du等[19]研究發(fā)現(xiàn)，潛伏膜蛋白1和潛伏膜蛋白2A可驅動鼻咽癌中miR-155的上調(diào)，抑制陰性預后標志物JMJD1A的表達。miR-155的表達可以減少JMJD1A，而去甲基化程度的下降可抑制癌細胞的基因表達，造成癌細胞增殖及其生理功能受阻。Padi等[20]的實驗發(fā)現(xiàn)，miR-627的過表達可抑制培養(yǎng)的結直腸癌細胞系的增殖和小鼠異種移植瘤的生長。

透明細胞腎細胞癌(clear cell renal cell carcinoma，ccRCC)是最常見的腎癌類型，miRNA在ccRCC的進展中起著至關重要的調(diào)節(jié)作用。Zhang等[21]研究發(fā)現(xiàn)，miR-335可下調(diào)并抑制腫瘤組織中ccRCC細胞的增殖、侵襲和遷移，進一步證實了組蛋白去甲基化酶JMJD1A是一個新的miR-335調(diào)節(jié)基因。此外，JMJD1A在ccRCC中過表達，其上調(diào)可促進ccRCC的癌變和轉移。

2.4.2與缺氧相關調(diào)控癌細胞增殖 缺氧是腫瘤微環(huán)境的常見現(xiàn)象，是腫瘤細胞表型轉變的重要驅動因素，腫瘤生長過程中發(fā)生的缺氧可觸發(fā)復雜的適應性反應。JMJD1A可能是某些癌細胞的增殖調(diào)節(jié)劑[22]。在腎癌細胞中，組蛋白去甲基化酶表達增加，腎癌細胞甲基化程度降低，進而促進了腎癌細胞基因的表達，有利于癌細胞的增殖[23]。在缺氧條件下，JMJD1A在前列腺癌細胞的生長增殖中起重要作用。前列腺癌組織中的氧氣濃度較低，缺氧可導致JMJD1A的表達增加。組蛋白脫甲基酶JMJD1A可通過與HIF-1α共激活增強糖酵解，促進前列腺癌細胞的基因表達[24]。

但并非缺氧條件下的JMJD1A表達均上調(diào)，不同條件實驗的結果存在差異。Qian等[25]的研究發(fā)現(xiàn)，過氧化物酶體增殖物激活受體γ共激活因子1α(peroxisome proliferator-activated receptor γ coactivator 1α，PGC-1α)在線粒體生物發(fā)生和氧化代謝中起關鍵作用。低氧刺激抑制JMJD1A的表達，并增強PGC-1α K224單甲基化，該修飾作用可降低PGC-1α的活性，減少線粒體生物發(fā)生。此外，Ueda等[26]對缺氧誘導型表觀遺傳調(diào)控因子JMJD1A和缺氧調(diào)節(jié)致癌組蛋白H3賴氨酸9甲基轉移酶G9a之間聯(lián)系的研究發(fā)現(xiàn)，缺氧誘導的H3K9脫甲基酶JMJD1A的水平顯著下調(diào)。

2.4.3與金屬離子相關調(diào)控癌細胞增殖 鎢能夠通過影響細胞中JMJD1A水平調(diào)控癌細胞生長。Laulicht-Glick等[27]的實驗證實，鎢暴露導致組蛋白去甲基酶蛋白的選擇性損失，JMJD1A減少導致細胞呈高甲基化，基因的表達受到抑制，對癌細胞的生長增殖起到調(diào)控作用。

此外，鎳離子還能通過不同作用機制對細胞的生長增殖進行調(diào)控。鎳離子通過替換催化中心的亞鐵，抑制組蛋白去甲基酶JMJD1A和DNA修復酶ABH2的表達[28]。實驗條件不同，相同研究的研究結果亦不同。Guo等[29]的研究發(fā)現(xiàn)，鎳離子可誘導人腎透明細胞腺癌細胞、人胚腎細胞和人腎癌細胞中JMJD1A表達上調(diào)，并證實抗壞血酸通過拮抗鎳離子調(diào)節(jié)腎癌細胞中JMJD1A的表達，由此可見，鎳離子和抗壞血酸均可調(diào)節(jié)組蛋白去甲基酶JMJD1A的表達，這對于癌癥的發(fā)展或抑制十分重要。

2.4.4與其他信號通路相關調(diào)控癌細胞增殖 JMJD1A通過上調(diào)c-Myc表達水平來增強c-Myc的轉錄活性。Fan等[30]研究發(fā)現(xiàn)，JMJD1A在轉錄和翻譯后水平上控制c-Myc表達，從而在調(diào)節(jié)前列腺癌細胞的增殖和存活中起關鍵作用。此外，JMJD1A主要通過c-Myc調(diào)節(jié)另一組DNA損傷反應基因的表達。JMJD1A通過H3K9去甲基化提高c-Myc水平并增加染色質募集，從而調(diào)節(jié)DNA損傷反應基因的表達，抑制前列腺癌細胞的增殖[31]。JMJD1A還可以通過反式激活c-Myc表達促進宮頸癌細胞的生長和進程，預示宮頸癌預后不良[32]。

JMJD1A通過激活Snail促進前列腺癌進展。前列腺癌細胞中JMJD1A的表達促進體外增殖、遷移和侵襲，并促進體內(nèi)腫瘤發(fā)生。JMJD1A通過啟用Snail轉錄激活促進前列腺癌細胞的增殖和進程[31]，可作為晚期前列腺癌的潛在治療靶點。

JMJD1A通過增強Wnt/β聯(lián)蛋白(β-catenin)信號轉導促進結直腸癌的生長和轉移。Peng等[33]的實驗發(fā)現(xiàn)，JMJD1A可通過與β-catenin的相互作用并促進β-catenin表達，增強其反式激活作用，從而增強Wnt/β-catenin信號轉導。此外，缺乏去甲基酶活性的JMJD1AH1120Y變體不能對組蛋白H3第9位賴氨酸二甲基化進行去甲基化，無法協(xié)助β-catenin誘導Wnt/β-catenin靶基因的表達，且無法促進結直腸癌進展?？梢?，JMJD1A的去甲基酶活性是激活Wnt/β-catenin所必需的。

JMJD1A和染色質重塑劑ATRX在促進結腸癌中具有潛在的共同作用。研究發(fā)現(xiàn)，JMJD1A蛋白可以激活ATRX基因啟動子，但不能催化失活的突變體。與JMJD1A相似，ATRX在人大腸腫瘤中顯著過表達，并且與疾病復發(fā)和致死率增加相關。因此，ATRX的上調(diào)可能是JMJD1A促進結直腸癌的一種機制[34]。

2.5JMJD1A在能量代謝中的作用 JMJD1A是一種信號傳感支架，通過調(diào)節(jié)β腎上腺素誘導全身的代謝反應。JMJD1A在調(diào)節(jié)激素刺激的染色質動力學中具有雙重重要作用：①JMJD1A作為cAMP反應性支架被募集到目標位點，促進長距離的染色質相互作用；②JMJD1A使H3K9二甲基去甲基化[35]。

此外，JMJD1A被磷酸化后，產(chǎn)生對冷應激的急性和慢性適應。在哺乳動物的急性冷應激中，JMJD1A通過褐色脂肪組織中的β腎上腺素信號轉導上調(diào)熱基因表達，還可通過誘導皮下白色脂肪組織褐變應對長期的冷應激。Sakai[36]的實驗表明，在慢性寒冷期間，磷酸化的JMJD1A通過調(diào)節(jié)白色脂肪細胞產(chǎn)熱，促進脂肪細胞的代謝，磷酸化的JMJD1A通過與PR結構域蛋白16、PGC-1α和DNA結合的過氧化物酶體增殖物激活受體γ形成復合物被招募到靶基因的調(diào)控區(qū)；組蛋白H3第9位賴氨酸二甲基化在JMJD1A的作用下脫去甲基，JMJD1A通過上述兩種機制調(diào)節(jié)脂肪細胞的熱生成，促進脂肪細胞的代謝。因此，JMJD1A是治療與肥胖相關疾病(包括代謝綜合征和2型糖尿病)的潛在治療靶標[37]。

3 結 語

JMJD1A是目前研究相對深入的一種組蛋白去甲基化酶，具有廣泛的生物學功能，在細胞分化[38]、性別調(diào)控[39]、形成同型二聚體[40]、過氧化物酶體相關調(diào)控[41]等方面起重要作用。研究癌細胞中JMJD1A的相關調(diào)控作用，有助于進一步認識癌癥的發(fā)病機制，從而開發(fā)用于抑制或治療癌癥的臨床藥物。目前，一些特定組蛋白去甲基化酶抑制劑正在開發(fā)中，其可應用于抑制癌細胞的生長增殖，并具有巨大的應用潛力[42]。JMJD1A的高表達使細胞處于低甲基化狀態(tài)，促進其基因表達并發(fā)生可遺傳變化。目前，對于JMJD1A的研究尚不充分，相關調(diào)控機制尚未完全闡明，仍需進一步研究。