2021, Vol. 28
2. 海军军医大学长海医院普通外科, 上海 200433;
3. 宁国百立德生物科技有限公司, 安徽 242300
2. Department of General Surgery, Changhai Hospital, Navy Medical University, Shanghai 200433, China;
3. Ningguo Bio-Leader Biotechnology Co., Ltd, Anhui 242300, China
蛋白质的精氨酸甲基化是真核细胞蛋白质翻译后修饰的一种常见形式，是表观遗传学和信号转导的核心。在哺乳动物中，精氨酸甲基化由蛋白精氨酸甲基转移酶(protein arginine methyltransferases, PRMTs)介导[1]。目前已知120种包括组蛋白和非组蛋白在内的精氨酸甲基化蛋白。蛋白质分子中的精氨酸残基在PRMTs的催化作用下，以S-腺苷-甲硫氨酸为甲基供体，将甲基转移到蛋白质精氨酸胍基的氮原子上，形成精氨酸甲基化蛋白，从而在DNA损伤修复、RNA剪接加工、转录调控、信号转导、蛋白质-蛋白质相互作用和细胞分化等细胞生物学进程中发挥作用。
1 PRMTs的分类和特点根据PRMTs的催化活性和产物类型，可将其分为3大类：Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ型。Ⅰ型主要包括PRMT1、PRMT2、PRMT3、PRMT4、PRMT6、PRMT8，负责催化底物形成不对称二甲基化精氨酸(ω-NG, N’G-asymmetric dimethylarginine，aDMA)。Ⅱ型包括PRMT5及PRMT9，负责催化形成对称二甲基化精氨酸(ω-NG, N’G-symmetric dimethylation, sDMA)。Ⅲ型仅包括PRMT7，负责催化底物形成单甲基化精氨酸(ω-NG-monomethylarginine, MMA)[1]。
精氨酸甲基化会影响信号转导、转录、mRNA剪接及DNA损伤反应，并影响蛋白质-蛋白质相互作用和蛋白质定位。精氨酸甲基化与癌症的发生发展、转移和耐药性有关，而PRMTs的失调与不同类型的癌症有关[2]。PRMTs在癌症的发生、发展、侵袭、T淋巴细胞激活和肝糖异生等过程中起关键作用，在白血病、肺癌、乳腺癌、结直肠癌、前列腺癌、膀胱癌等肿瘤中呈异常表达[2]。
2 PRMTs与肿瘤的关系 2.1 PRMT1与肿瘤的关系PRMT1是Ⅰ型精氨酸甲基化修饰酶中的主要催化酶，PRMT1存在于90%的哺乳动物细胞中。PRMT1能促进细胞内诸多底物的甲基化，包括转录因子FOXO1、RNA结合蛋白SERBP1、组蛋白H4R3、DNA修复因子53BP1等[3]。PRMT1被募集到ZEB1启动子区域，使组蛋白H4中的第3位精氨酸甲基化，诱导上皮-间质化，这也是转录激活的标志[4]。PRMT1在乳腺癌、前列腺癌、肺癌、结肠癌、膀胱癌等中过表达和异常剪接[5-7]，原因可能为过表达的PRMT1可以异常激活致癌转录子，从而导致异常的信号转导、转录抑制、RNA剪切等一系列变化[6]。PRMT1在白血病中的致癌活性已得到证实。混合谱系白血病(mixed lineage leukemia，MLL)融合蛋白与转录中介因子2(也称为NCoA-2)招募PRMT1和赖氨酸特异性脱甲基酶4C，激活修饰H4R3me2a并去除抑制性修饰H3K9me3，以激活白血病基因[8-9]。
2.2 PRMT2与肿瘤的关系PRMT2相关研究较少。PRMT2促进H3R8不对称甲基化(H3R8me2a)，其在启动子和增强子上的富集与组蛋白的活性密切相关。此外，PRMT2依赖基因参与有丝分裂细胞周期的核查和G1/S期的过渡，在乳腺癌中，PRMT2减少能影响细胞周期蛋白D1的转录活性，从而一定程度抑制乳腺癌的细胞增殖[10]。PRMT2表达可能与乳腺癌预后有关，在雌激素受体α(ERα)阳性乳腺癌细胞株中的表达水平明显高于ERα阴性乳腺癌细胞株[4]。PRMT2结合雌激素受体，并通过S-腺苷甲硫氨酸(Ado-Met)间接发挥甲基转移酶活性，从而增强雌激素相关的转录[11]。PRMT2在胶质母细胞瘤(glioblastoma multiforme，GBM)中过表达，其沉默或失活不仅抑制GBM细胞的生长，而且抑制GBM干细胞的体外自我更新和原位肿瘤的生长，同时促进与肿瘤细胞周期相关基因的异常表达[12]。
2.3 PRMT3与肿瘤的关系PRMT3虽属Ⅰ型PRMT家族，但PRMT3的大部分生物学功能及其与肿瘤发生的关系尚未明确。PRMT3在其N端有1个参与RNA相关底物识别的锌指模型。40S核糖体蛋白S2是其主要底物。在体外，PRMT3可以甲基化Ⅰ型PRMTs底物，包括高迁移率族蛋白。PRMT3在大脑某些区域中高表达，可能促进海马神经元细胞中树突棘的形成；同时，PRMT3与X受体相互作用影响胆固醇代谢和肝脂肪生成，可能促进脂肪肝的发生[13-14]。PRMT3与肿瘤差异表达基因DAL-1/4.1B相互作用，抑制甲基转移酶的活性。吉西他滨是中晚期胰腺癌的主要化疗药物。PRMT3在对吉西他滨耐药的胰腺癌细胞中异常表达，抑制PRMT3可能是提高胰腺癌细胞对吉西他滨敏感性的治疗策略之一[15]。
2.4 PRMT4与肿瘤的关系PRMT4是一种同时存在于细胞核和细胞质中的精氨酸甲基转移酶，也称为共激活因子相关的精氨酸甲基转移酶1(coactivator-associated arginine methyltransferase 1，CARM1)，能转录共激活因子。PRMT4可修饰的底物包括H3 N末端17和26位点氨基酸残基(H3R17和H3R26)，以及非组蛋白，如共激活因子p160家族、PABP1、Med12、SWI/SNF和NUMAC等[16]。失调的PRMT4可能对某些癌细胞的生长产生影响。PRMT4在白血病、乳腺癌、前列腺、肝癌和结直肠癌等肿瘤中过表达[17]。在胰腺癌中，PRMT4通过苹果酸脱氢酶1的R248甲基化负调节谷氨酰胺代谢和细胞增殖[18]。在卵巢癌中，PRMT4能与伏隔核相关蛋白1(nucleus accumbens-associated protein 1, NAC1)结合。NAC1是一种肿瘤相关转录调节因子，通过siRNA同时敲除NAC1和PRMT4蛋白，能抑制卵巢肿瘤细胞的增殖[19]。同时，PRMT4不仅在G3期乳腺肿瘤中表达上调[20]，还能诱导BAF155的甲基化，而BAF155是SWI/SNF染色质重塑复合体的关键组成部分，从而促进乳腺癌的进展和转移[21]。PRMT4在髓样白血病中与致癌转录因子相关联，而对正常造血功能的影响不大，提示PRMT4可能是髓样白血病靶标药物的研发方向[17]。
2.5 PRMT5与肿瘤的关系PRMT5是主要的Ⅱ型精氨酸甲基转移酶，位于人类染色体14q11.2。PRMT5可将2个甲基对称地转移至精氨酸，参与转录调控、RNA代谢、核糖体生成和细胞周期调控等多种生理过程。其过表达在几种类型的癌症中发挥关键作用，包括肺癌、乳腺癌、肝细胞癌、胃癌、白血病、前列腺癌、卵巢癌、口咽鳞状细胞癌等。在肺癌患者中，PRMT5在肿瘤样本中呈现显著的免疫染色，而从35例肺癌患者中提取的良性肺组织样本中无该现象[22]。PRMT5 mRNA的水平在非小细胞肺癌(non-small cell lung carcinoma，NSCLC)组织中，比在非肿瘤性肺实质组织中高6倍；在肺腺癌(lung adenocarcinoma，ADC)和肺鳞状细胞癌(lung squamous cell carcinoma，SQC)中观察到精氨酸3(H4R3me2s)上高水平的PRMT5和PRMT介导的组蛋白H4对称甲基化，但在非肿瘤性人类肺泡和支气管上皮细胞系中未观察到该现象[23]。在乳腺肿瘤中，PRMT5通过组蛋白甲基化和FOXP1表达调节乳腺肿瘤干细胞(breast cancer stem cells，BCSCs)的功能和自我更新。BCSCs的特征是细胞分裂慢、药物外排泵高表达、DNA修复和耐药性能力强[24]。此外，PRMT5在人类慢性粒细胞白血病、肝细胞肝癌、胃癌、前列腺癌中过表达。PRMT5在肝癌组织中的表达明显高于对应的正常肝脏组织，提示PRMT5的表达可能是肝癌预后影响因素之一[25]。在肝细胞癌中，PRMT5表达与肿瘤大小、患者总生存率低及复发率高正相关；与正常的癌旁细胞相比，PRMT5在肝癌细胞中的表达显著上调，且PRMT5的过表达与肝癌分期高和不良预后有关，提示PRMT5可能是肝癌预后标志物和分子治疗的一个研究方向[26]。与前列腺增生组织相比，PRMT5在前列腺癌组织中的表达上调。有研究[27]显示，PRMT5在头颈癌中起关键作用；口咽部鳞状细胞癌(oropharyngeal squamous cell carcinoma，OPSCC)样本中，特别是在吸烟超过10年患者的样本中，细胞核PRMT5表达显著增高。在118例上皮性卵巢癌(epithelial ovarian cancer，EOC)患者中，PRMT5过表达者占83.1%(98/118)，其过表达与浆液型、国际妇产科联盟(International Federation of Gynecology and Obstetrics, FIGO)分期晚期、分化差、淋巴结浸润和肿瘤残留均密切相关[28]，从而突出了PRMT5的关键作用。上述结果提示，PRMT5与多种肿瘤细胞的增殖、分化、侵袭和迁移有关，说明PRMT5可能是一种致癌基因。PRMT5通过精氨酸甲基化和泛素化之间的相互作用调节关键的干细胞转录因子，并作为表观遗传调节分子靶向多种途径，进而促进肿瘤细胞的生长和存活[29]。PRMT5的敲除或抑制在不同肿瘤细胞系中会导致Krüppel样锌指转录因子(Krüppel-like factor 4, KLF4)泛素化和周转率升高，提示对PRMT5深入研究可能会促进相关疾病的诊断和治疗的突破性进展。
2.6 PRMT6与肿瘤的关系PRMT6是唯一在细胞核表达的PRMTs蛋白。PRMT6能催化不对称甲基化组蛋白，其主要目标为组蛋白H3(生成H3R2me2a)和DNA聚合酶β，因此PRMT6表达的改变可能广泛影响基因的表达；PRMT6负向调节DNA甲基化，其上调能引起癌症中DNA低甲基化[30]。PRMT6促进PTEN R159处的不对称二甲基化，是PTEN-AKT轴的重要调节分子[31]。此外，PRMT6是一种转录抑制因子，可通过直接与转录因子如核转录因子(nuclear transcription factor-κB, NF-κB)和G蛋白信号通路抑制因子2(G-protein pathway suppressor 2, GPS2)相互作用来控制基因表达。小鼠实验[32]显示，PRMT6直接与NF-κB的亚基RelA结合，使RelA进入细胞核。PRMT6通过催化精氨酸323和312位点甲基化而调节GPS2[32]。GPS2是一种多功能蛋白，属于转录辅助因子。GPS2在G蛋白MAPK信号通路途径起作用，可能负向调控RAS、MAPK和JAK介导的信号级联反应。上述酶都是与炎症反应相关的主要信号调节因子，而NF-κB和GPS2是炎症反应的重要分子。因此PRMT6也可能参与调控炎症反应[33]。然而，PRMT6调控炎症反应的确切机制仍不清晰。有研究[30]显示，在PRMT6高表达的肿瘤中，p53通路的功能被表观遗传调控所抑制。
目前关于PRMT6的研究多局限于其在细胞核中的功能，而缺乏其在肿瘤中的生物学意义及相关靶分子。PRMT6是参与H3R2(H3R2me2a)不对称二甲基化的主要酶[34]。PRMT6通过损害UHRF1与染色质的关系来负向调节DNA甲基化，其过表达导致癌症中DNA普遍低甲基化[34]。PRMT6同时具有转录抑制因子和激活因子的功能，但其在正常细胞和癌细胞中的作用仍有争议，在不同的类型肿瘤中过表达或受到抑制。PRMT6是抑制p53、p21和p16功能的致癌基因。临床研究[35-37]显示，PRMT6在乳腺癌、宫颈癌、膀胱癌、肺癌、前列腺癌和结肠癌组织中高表达，而在黑色素瘤及肝细胞肝癌中的表达则下调[2, 38]。在结肠癌患者中，PRMT6高表达者的生存率显著低于PRMT6低表达者，敲除PRMT6能抑制结直肠癌细胞系的生长及集落形成，同时上调抑癌基因p21的蛋白表达，促进细胞系的凋亡[37]。而在肝细胞肝癌中，PRMT6在癌组织中低表达，且表达量与癌症的侵袭性呈负相关；PRMT6通过CRAF甲基化调控RAS/RAF结合和MEK/ERK介导的癌症干细胞活性[2]。
2.7 PRMT7与肿瘤的关系PRMT7是唯一的Ⅲ型PRMT，负责MMA的生成。PRMT7和PRMT9都包含一个氨基酸重复序列，这是第2个假定的SAM结合基序[39]。PRMT7的底物常结合被碱性氨基酸包围的RXR基序。目前，已明确的PRMT7底物不多，真核生物起始因子2α(残基52~56，RRIRR)和神经胶质瘤相关癌基因2(残基225和227)可能为其底物[40-41]。也有报道显示，PRMT7在C端结构域的R531处发生自甲基化，而自甲基化在调节乳腺癌细胞迁移和侵袭中起重要作用。PRMT7的自甲基化增强了其与转录因子YY1的相互作用，后者将自甲基化的PRMT7募集到E-钙黏蛋白启动子，介导转录H4R3me2Ss，导致上皮间质转化，促进乳腺癌的转移[42]。此外，PRMT7在维持胚胎干细胞干性中发挥作用，并且对神经元分化产生负调节作用[43]。PRMT7还可能与非小细胞肺癌(NSCLC)的转移有关联[44]。
2.8 PRMT8与肿瘤的关系PRMT8于2005年首次被发现，其与PRMT1具有高度的结构同源性。PRMT8是膜结合的Ⅰ型PRMT，特异性地存在于脑组织中。PRMT8的N末端有豆蔻酰化基序，该基序使PRMT8与细胞膜发生关联。PRMT8能促进海马回、突触成熟，以及调节运动神经元的功能[45-46]。PRMT8能促进结肠癌干细胞特性的发挥。PRMT8在结肠癌干细胞中高表达，可能通过Sox2甲基化减少Sox2降解，增加Sox2蛋白含量，进而提高Oct4和Nanog多能转录因子的表达来发挥作用[47]。此外，在乳腺癌和卵巢癌患者中，PRMT8高表达与患者生存率升高相关；而在胃癌中，PRMT8高表达与患者生存率降低相关[48]。
2.9 PRMT9与肿瘤的关系PRMT9相比其他亚型具有其独特性，目前没有PRMT9甲基化组蛋白或含有GAR基序蛋白质的报道，已知剪接体相关蛋白SAP145为其底物[39]。也有研究在包含剪接因子SF3B2和SF3B4的复合物中发现PRMT9，PRMT9使SF3B2甲基化，但不确定PRMT9是否通过SF3B2甲基化维持剪接保真度而在癌症进展中发挥作用[49]。PRMT9与肿瘤的相关性报道较少。在骨肉瘤中，PRMT9显著减少，且与miR-543表达负相关[50]。相比正常的癌旁组织，PRMT9在肝细胞肝癌中表达上调，PRMT9可以通过激活PI3K-AKT-GSK3β的信号通路调控转移关键基因的表达，从而促进肝癌细胞的侵袭和转移[51]。
3 PRMTs抑制剂及其疗效探索蛋白甲基化修饰，尤其是非组蛋白甲基化，在细胞分化、增殖、维持细胞特性等方面具有重要作用。近年来，一些PRMTs已成为癌症治疗的潜在靶点。目前多项研究致力于研发PRMTs抑制剂，用于恶性肿瘤的治疗[52-53]。现有的PRMTs抑制剂分为2类：泛精氨酸甲基化转移酶抑制剂和特异性精氨酸甲基化酶抑制剂。前者包括AMI-1(一种细胞渗透性的蛋白精氨酸N-甲基转移酶抑制剂)，可抑制人PRMT5；后者包括选择性PRMT5抑制剂，如EPZ015666。目前已有3种PRMT抑制剂处于临床试验阶段，包括PRMT5抑制剂GSK3326595和JNJ-64619178以及PRMT1抑制剂GSK3368715(https://www.clinicaltrials.gov/)。目前有一项PRMT5抑制剂GSK3326595Ⅰ期临床试验和一项GSK3326595Ⅱ期临床试验，主要评估PRMTs抑制剂对骨髓增生异常综合征、慢性骨髓单核细胞白血病、急性髓细胞性白血病等的安全性和有效性；针对复发/难治性B细胞非霍奇金淋巴瘤或晚期实体瘤的JNJ-64619178也已进行Ⅰ期临床试验[54]。
4 小结PRMTs通过对蛋白和非蛋白的甲基化作用，催化细胞核或细胞质中的各类底物，进而参与多种细胞生物学过程。PRMTs的表达异常与肝癌、肺癌、胃癌、前列腺癌、结直肠癌、胰腺癌、白血病、胶质母细胞瘤、卵巢癌等多种肿瘤的发生及发展密切相关。目前关于PRMT1、PRMT5与肿瘤关系的研究较多，而关于PRMT2、PRMT3、PRMT4、PRMT7等在肿瘤中作用的研究较少。PRMTs是很有潜力的肿瘤药物靶标，相关抑制剂的研发仍处于初始阶段，针对相关抑制剂的衍生物是未来研究的热点，尤其是分子抑制剂研究。PRMTs抑制剂对癌细胞、免疫细胞、炎症因子等的影响，以及潜在的治疗靶点有待进一步研究，以期为PRMTs相关肿瘤提供精准化治疗。
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