蛋白质精氨酸甲基化转移酶与哺乳动物生殖
2019-11-23 来源:生殖医学杂志

作者:王艺琛,高辉,张昌军,刁红录等,十堰市人民医院(湖北医药学院附属人民医院)生殖医学中心,湖北医药学院生物医药研究院,湖北医药学院生物医学工程学院


哺乳动物生殖系统中的调控网络复杂而精确, 任何一个环节都不容忽视。组蛋白翻译后修饰在其 中有着必不可少的作用。蛋白质精氨酸甲基化是表 观遗传水平重要的修饰方式之一,它参与了配子发 生、性激素调控、胚胎发育以及生殖系统疾病发生发 展等活动。本文对精氨酸甲基化修饰活动进行了简 单的总结,旨在对研究者们提供一定参考。


一、 PRMTs概述


翻译后修饰( PTM)是表观遗传学中的核心部分,而组蛋白甲基化在其中有着重要的作用,其中决 定组蛋白甲基化位点的蛋白质精氨酸甲基转移酶( Protein ar g inine methyltransferases,PRMTs)已 被证明在人体的各个组织中广泛分布。PRMTs在 前体 RNA 的剪切、细胞信号转导、DNA 的修复、 mRNA的翻译以及细胞分化过程中有重要作用[ 1]。 PRMTs作为一类甲基化酶,它可以催化S -腺苷甲硫 氨酸( S - a denos yme - t hionine,SAM)上的甲基转移到精 氨酸的胍基上,并产生甲基精氨酸和S -腺苷同型半胱 氨酸。已有研究证明,哺乳动物体内有三种PRMTs 存在,分 别 为 T yp eⅠ(PRMT1、PRMT2、PRMT3、PRMT4/CARM1、PRMT6 和 PRMT8),Type Ⅱ ( PRMT5 和 PRMT9)以及 Type Ⅲ(PRMT7) [ 2]。 Ⅰ型和Ⅱ型可以分别催化中间产物 MMA 生成非 对称二甲基精氨酸( As ymmetric dimethylar g inine, aDMA)和对称二甲基精氨酸( Symmetric dimethy l - a r g inine,sDMA),而Ⅲ型只能催化组蛋白生成单甲 基精氨酸(Monomethylar g inine,MMA)(图1) [ 1]。 MMA,aDMA与sDMA 是哺乳动物体内存在的三 种主要甲基精氨酸形式。


目前已知PRMTs可以甲基化的具有研究意义 的位点有 H3R2、H3R8、H3R17、H3R26和 H4R3, 这些位点具有激活或抑制染色质功能的作用[ 2]。 PRMTs家族中所有成员都含有大约310个保守的 氨基酸核心催化区域,有一些成员还含有特殊的结 构,如含有SH3结构的 PRMT2,含有锌指结构的 PRMT3,含有 TIM barrel结构的 PRMT5以及含 有重复 TPR 结构的 PRMT9。值得一提的是, PRMT7和PRMT9都含有两个重复且连续的甲基 转移酶片段,而其它成员只有一个催化中心,这可能 是因为基因自主复制的原因 [ 3]。Tudor结构域是 一个保守的含有50个氨基酸的多肽,甲基化后的精 氨酸与其结合的能力增强了,目前已知的主要可以 被甲基化的含有 Tudor结构域的多肽有活性运动 神经元( Survival   of motor neuron,SMN),剪切因子 ( Sp l icing   factor   30,SPF30)以及 Tudor  domain - c on - t aing  p rotein1/2/3/6/9/11(TDRD1/2/3/6/9/11) [ 4]。


二、 PRMTs在生殖中的功能


1.PRMTs与配子发生:配子形成的过程称为 配子发生。配子包括雄配子和雌配子,雌、雄配子的 发生都要经过三个时期,即增殖期、生长期和减数分裂期。原始生殖细胞( Primordial Germ Cell,PGC) 是指 产 生 雄 性 和 雌 性 生 殖 细 胞 的 早 期 细 胞。 PRMT5与生殖细胞决定基因( PR domain zinc   fin - ge r  protein  1,PRDM1)共同促进PGC的发生发育, 通过促进Sm剪接体蛋白( a   f amil y of RNA-binding proteins)的甲基化并显著改变 PGC的 RNA 剪接 谱来调节基因表达。小鼠胚胎发育到第8.5天时, PRMT5在细胞中的表达从细胞质转移到细胞核, 能够导致高水平的 H4R3me2修饰。在精、卵结合 后10.5d,PRMT5通过抑制PGC的转座因子和调 控RNA的正确剪切来应对DNA损伤,从而起到保 护基因组完整性的作用,这两种依赖于PRMT5的 保护机制能维持PGC的正常发生[ 5]。而在E11.5, PRMT5 -BLIMP1复合物易位回到细胞质,随后 H4R3me2修饰减少,此时DNA甲基化在PGC中达 到基础水平。H4R3me2是一种抑制性组蛋白修饰, 其中包括RNA剪接和p 53所必需的神经祖细胞中的 Sm蛋白。PRMT5催化的 H2A/H4R3me2s修饰在 早期 PGC的 LINE1长分散核元件1( Long   inter - s p e rsed nuclear   element   1,LINE1)和凋亡抑制因子 ( I nhibitor   of   apoptosis  protein,IAP)转座子上大量发生, PRMT5的失活会导致这种修饰减少, PGCs 的凋亡,以及雄性和雌性不育[ 6]。精子的成熟要经 历精原细胞、初级次级精母细胞以及精子细胞阶段, 精氨 酸 甲 基 化 在 其 中 也 扮 演 着 重 要 的 角 色。 PRMT5主要在雄性小鼠睾丸的精母细胞中大量表 达,而不是精子发生过程中的其他阶段。PRMT5 敲除后,小鼠的初级精母、初级卵母细胞不能正常的 进行减数分裂,二甲基化 H4R3变少,而且其增殖 也会变得异常。这说明PRMT5在生殖细胞发育中 的功能可能是由 H4R3me2介导的[ 7 -8]。PRTM4在 小鼠睾丸中高度表达。在精子发生过程中, PRMT4 首先表达在精母细胞的胞质,而后表达在精子细胞 的细胞核,这表明PRTM4主要在精子发生后期具 有重要作用[ 9]。PRMT6作为剪切和修复DNA 碱 基的调节因子,可通过与 DNA 聚合酶形成复合物 来刺激DNA 聚合酶的活性。DNA 碱基的切除修 复在初级精母细胞和圆形精子细胞的发生过程中有 着重要作用,而 DNA 聚合酶也被发现在减数分裂 中参与染色体结合和重组过程。表明PRMT6可通 过调节DNA聚合酶在减数分裂和重组中发挥作用 从而影响精子的发生[ 10]。


2.PRMTs与受精:受精是卵母细胞和精子融合 为一个合子的过程,受精过程包括卵母细胞激活、精 子获能和两性原核融合三个主要阶段。当精子进入 卵母细胞时,它必须经历依赖于母体因素以进行生化 重塑。 精子头部的去致密化是由母核纤溶酶2( Nucleo -p l asmin  2,NPM2)进行的,它将鱼精蛋白释放到卵母 细胞的细胞质中,为雄原核( p r onuclei,PN)的形成做 好准备。原核新核小体的组装依赖于母体组蛋白 H3.3及其伴侣蛋白 Hira(Histone   cell   c y cle   re gula - t or,Hira),这对于PN的形成至关重要。缺乏非对称 二甲基化组蛋白 H3R17me2a的 H3.3不能参与PN 的形成,说明Ⅰ型PRMTs对称二甲基化 H3R17me2a 修饰在受精早期可能起着重要的作用[ 11]。


3.PRMTs与早期胚胎发育:早期胚胎正常发 育是维持妊娠的重要环节,包括受精后早期的细胞 分裂,桑葚胚、囊胚的形成及胚泡植入子宫内膜等过 程。任何影响早期胚胎发育的因素都可能导致胚胎 发育缺陷。 胚胎干细胞对胚胎各个系统的正常发育是至关 重要的。PRMT1能够甲基化富含甘氨酸-精氨酸 的结构域,抑制小鼠胚胎成纤维细胞中PRMT1的表达会导致此类型结构域的低甲基化(如Sam68和 MRE11等),致使自发性 DNA损伤,进而发生细胞 周期进程延迟,染色体非整倍性和多倍体的出现,最 终胚胎在E6.5死亡[ 12]。抑制PRMT1在神经系统 中的表达,会导致小鼠出现了严重的神经性震颤并 且在出生后两周内死亡。PRMT1缺陷小鼠神经系 统内成熟少突胶质细胞大量减少,说明PRMT1可 能对少突胶质细胞的成熟起着重要作用[ 13]。 PRMT1小鼠血管内皮细胞特异性敲除小鼠在出生 后15d内死亡,主要原因是胚胎表面颞动脉血液灌 注不良, 3D 成像显示血管分段且扩张成空腔[ 14]。 PRMT3的缺失会导致胚胎在妊娠期间发育迟缓,主 要原因是小鼠成纤维细胞胞质中核糖体蛋白r pS2 ( 40Sribosomal  protein S2, r pS2)的 低 甲 基 化[ 15]。 PRMT4敲除小鼠在出生后不久死亡,可能是其胸腺 细胞的发育停留在祖细胞阶段,而脂肪细胞的生成也 有障碍,其体型较野生型小。PRMT4/CARM1在早 期神经元发育中也有重要作用, Sox1和 NF1分别 是参与维持早期神经元祖细胞和星形胶质细胞系平 衡的基因, CARM1可以通过甲基化 H3R17来调节 Sox1和 NF1的转录。此甲基化过程在发育后期对 胶质谱系特异的 miRNA启动子如 miR10a、miR575 和 miR92a发挥进一步的调节作用[ 16]。CARM1可 以调节卵裂球中组蛋白 H3R17和 H3R26的甲基 化水平,这两种组蛋白的甲基化会促进小鼠植入前 胚胎内细胞团的发生,这是表观遗传控制胚胎干细 胞多能性所必需的[ 17]。在神经干细胞中选择性敲 除PRMT5同样会导致小鼠在出生后不久死亡,主 要原因是PRMT5的缺失会导致Sm蛋白甲基化水 平下降并且 Mdm4( p53regulator)前体 RNA 的合 成异常会激活p53信号通路,从而引起细胞程序性 死亡[ 18]。PRMT6敲除小鼠可以正常存活,但分离 出来的胚胎成纤维细胞在体外却发生早衰,这可能 是因为PRMT6缺失致使胚胎成纤维细胞在体外细 胞周期停留在 G0/G1期[ 19]。PRMT8是一种特异 性表达在神经系统内的精氨酸甲基化修饰酶。它的 缺失会扰乱了轴突或树突在发育中所需蛋白质的合 成,这对视觉皮质回路的形成造成了不利影响从而 使视觉下降或消失[ 20]。 围着床期信号调控网络精确,分子动态变化复 杂,精氨酸甲基化活动也参与在其中。缺乏PRMT4 胚胎细胞雌激素受体蛋白和 NF -κB( nuclear   factor kappa - l i ght - chain - enhancer   of   activated  B cells)信号传导途径存在缺陷,并且雌激素应答的消除和一 些 ERα 靶基因的表达也减少[ 21]。受精卵中的 PRMT5是母系遗传的,且PRMT5蛋白的表达在4 到8 细胞期之间被激活。在原始生殖细胞中, PRMT5蛋白在胚胎发育的4细胞阶段以及 E8.5 从细胞质转移至细胞核中。在胚胎植入后, PRMT5 蛋白重新从细胞核转出至细胞质,主要在外胚层细 胞中表达。这时的外胚层细胞属于相对休眠状态的 滋养外胚层, PRMT5则启动 DNA 甲基化和 RNA 剪切活动[ 6,22]。PRMT5在着床前后由细胞质转移 至细胞核,并介导组蛋白甲基化活动,说明它在着床 过程中可能起到了一定的作用。PRMT5敲除小鼠 在E6.5停止发育,这可能是由于其囊胚期多能干 细胞多能性的丧失而导致。进一步研究表明在 PRMT5缺陷胚胎生殖细胞中 H4R3me2s显着降 低,而 H3R2me2s的水平不变说明PRMT5可能通 过调节 H4R3me2s水平调节生殖细胞发育[ 23]。 敲除模型是研究早期胚胎发育的一个重要技 术, PRMTs家族成员的敲除模型证明PRMTs无论 是对组蛋白修饰、信号转导还是细胞周期都是必不 可少的。因此,深入研究PRMTs影响发育的机制 对生殖领域具有重要意义。


4.PRMTs与性激素受体:性激素调控在哺乳 动物生殖中有着重要作用。性激素受体包括雄激素 受体 (AR)、雌激 素 受 体 (ESR)和 孕 激 素 受 体 ( PGR),性激素是经其受体通过上下级联信号传导 而发挥生物学作用,所以性激素受体的正常表达对 生殖系统中存在的信号转导有着重要的作用。雌激 素的生物学作用是通过受体 ESRα和 ESRβ介导 的, ESRα和ESRβ在细胞核中起着配体依赖型转录 因子的作用。ESRα的甲基化是动态的和周期性 的,在雌二醇( E 2)处理过的细胞中, PRMT1可以瞬 时甲基化ESRα内的精氨酸260(R260)DNA 结合 域。雌二醇可以通过控制ESRα,酪氨酸激酶( t y r o - s ine kinase,TK)和 PI - 3激酶的 p85 亚基( phos - phatidylinositide   3 -kinases,PI3K)的复合物来快速 激活雌激素受体细胞质途径,传导信号至下游使激 酶 MAPK 和 AKT 活化来协调细胞增殖和存活。 被甲基化后的ESRα可用于控制雌激素的快速生理 反应,诱导复合物的解离并最终导致下游激酶活性 的消失[ 24]。PRMT1的结合蛋白FOP在激活雌激 素受体靶基因( Trefoil   factor   1,TFF1)中起重要作 用, FOP的敲除会导致雌激素受体的启动子被阻断。因此猜测FOP募集到启动子是激活雌二醇依 赖性转录的关键蛋白[ 25]。PRMT2可增强雌激素受 体ESRα、雄激素受体 AR、孕激素受体PGR 、视黄 酸核受体( r etinoic   acid   receptor   al pha,RARα)、过 氧化物酶增殖激活受体( Peroxisome  proliferator - a ctivated   receptor   gamma,PPARγ)的转录活性[ 26]。 外源性雌激素也可以阻断PRMTs的甲基化活动, 如他莫昔芬(Tamoxifen,Tam)可以抑制 CARM1 作为共激活因子的作用从而抑制雌激素受体的的活 化[ 24,27]。此外,雌激素ESRα受体的共激活因子的 募集是有序的, ESR招募类固醇受体辅助激活因子 3( s teroid   receptor   coactivator - 3, SRC - 3),和共激活 因子p300/CBP与 CARM1。CARM1的招募滞后 于SRC - 3和p300。CARM1的募集改变了已有的 ERE/ESRα/SRC - 3/p300复合物的结构组织。它诱 导p300发生构象变化,增加其对组蛋白 H3K18残 基上p300的乙酰化,从而使 H3R17残基甲基化以 增强自身的转录活性[ 9,28]。 AR是核受体( Nuclear   receptor,NR)超家族的 成员,在配体结合后转位进入细胞核并与DNA 应 答元件相互作用以调节靶基因转录。PRMT2的两 末端在与 AR结合的过程中分工不同, C末端负责 与 AR 结合,而 N-末端则负责转录的共激活[ 29]。 AR的转录激活需要 PRMT6的催化活性和 AKT 结构域精氨酸残基的甲基化参与。而PRMT6可以 促进前列腺癌特异性抗原 PSA(Prostate - specific anti gen,PSA)和 KLK2(kallikrein - 2,KLK2)的转 录,提示PRMT6可能通过调控 AR下游靶基因的 转录,从而促进前列腺癌的发生发展[ 30]。


5.PRMTs与不孕相关疾病:多囊卵巢综合征 ( PCOS)是生育期女性常见的女性内分泌紊乱和糖脂 代谢异常的全身性疾病,是女性不孕主要原因之一。 最近的一项研究表明, PCOS妇女血液循环中的aDMA 浓度明显高于对照组, 但提高血清雌、孕激素可以降低 aDMA的浓度,并且可以降低胰岛素抵抗[ 31 -32]。aDMA 作为一氧化氮合酶(NO  s ynthase,NOS)的内源性竞争 性抑制剂可抑制 NO 的合成,使 NO/NOS 通路发 生 障 碍、NO 合 成 减 少。PRMT1、PRMT2 和 PRMT4的过表达会导致aDMA 的合成大量增加, aDMA的积累会影响 NOS和 NO 的合成,而过低 的 NO浓度会提高PCOS发生的机率[ 33]。 子宫内膜异位症是指有活性的内膜细胞种植在 子宫内膜以外的位置而形成的一种女性常见妇科疾病,它是一种慢性疾病,异位的内膜造成不育和慢性 疼痛。免疫组织化学证实CARM1蛋白在子宫内膜 和卵巢中的表达下调,并根据月经周期表现出动态 表达模式,在增生晚期和分泌中期表达较高,在分泌 晚期表达较少[ 34]。在子宫内膜异位症发生15个月 后,卵 巢 中 PRMT1、PRMT2 和 PRMT8 以 及 CARM1蛋白显著降低,提示精氨酸甲基转移酶的 失调可能会导致良性和癌前疾病的发生,如细胞增 殖减弱、异常细胞克隆和基因组不稳定等变化。而 且,颗粒细胞和排卵前卵母细胞中CARM1的转录 和蛋白质水平也显著降低[ 35]。


三、展望


虽然人们对精氨酸甲基化酶的结构和生化特性 有了较深入的认识,但是对这些酶的生物学功能和 其参与的调控网络还知之甚少,尤其是动物中精氨 酸甲基转移酶的生物学功能以及其调控的生物学过 程的分子机理还不清楚。基因的功能和生物学过程 的进行是由染色质的状态决定的,组蛋白翻译后修 饰在调节真核生物染色质的功能状态中起关键的作 用。已有的结果证明精氨酸甲基转移酶可以甲基化 组蛋白精氨酸位点。因此,对参与催化组蛋白翻译 后修饰和随后的细胞表观遗传状态的精氨酸甲基转 移酶的功能分子机制进行深入研究和解析将有助于 人们进一步了解生物生长发育的调控和如何适应环 境的。精氨酸甲基化转移酶在生殖系统中的功能, 以及对生殖系统疾病发生发展的分子机制还需我们 花费更多的努力及时间来探寻。


参考文献略。


来源:王艺琛,高辉,张昌军,刁红录等,蛋白质精氨酸甲基化转移酶与哺乳动物生殖[J],生殖医学杂志2019,28(11):1381-1385.

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