生长抑制因子家族在组蛋白乙酰化修饰作用的研究进展

【摘要】 生长抑制因子（inhibitor of growth，ING）家族成员是候选的抑癌基因。ING蛋白能够与组蛋白乙酰基转移酶、去乙酰化酶等相互结合并形成复合物，该类复合物具有识别组蛋白密码、参与染色体重构、调节特定基因的表达、与p53协同作用、诱导细胞凋亡等作用。本文就生长抑制因子家族参与组蛋白修饰的作用做一综述。

【关键词】 生长抑制因子； 组蛋白乙酰基转移酶； 组蛋白去乙酰化酶

生长抑制因子（inhibitor of growth，ING）家族成员是一组重要的候选肿瘤抑制因子，包含5个成员：ING1～ING5。生长抑制因子家族蛋白的C端具有锌指结构的高度保守的植物同源结构域（plant homedomain，PHD）和核定位信号区（nuclear localization signal，NLS）。PHD-finger结构域在核小体组蛋白的甲基化、乙酰化、磷酸化等修饰的过程中起到了桥梁的作用。同时与不同的机体生理过程密切相关，如生长调节、细胞成熟、DNA修复、致瘤性转化和凋亡等[1]。虽然生长抑制因子家族被定义为候选抑癌基因家族已经有十几年，但是最近有研究表明它们不仅有癌基因或抑癌基因的作用，而且可以通过与有些蛋白如H3K4me3或者组蛋白乙酰基转移酶相互作用来影响基因的转录与翻译[2]。最近越来越多的证据显示生长抑制因子家族大多与组蛋白乙酰化酶构成复合体，可识别组蛋白密码，继而影响组蛋白乙酰化来调节一些癌基因或抑癌基因的表达[3]，从而对肿瘤的发生发展密切相关。

组蛋白乙酰化是解除核小体抑制作用的主要机制，受组蛋白乙酰基转移酶（histone acetyltransferases，HATs）和组蛋白去乙酰化酶（histone deacetylases，HDACs）的调控。HAT包括核内的A型与胞质的B型，其中A型包括酵母菌的GCN5、脊椎动物的p300/CBP、P/CAF（p300/CBP相关因子）、TAFl1 250、HBO1、SRC-1（steroid receptor coactivator-1）、MYST家族（包括人单核细胞性白血病锌指蛋白MOZ，单核细胞性白血病锌指蛋白相关因子MORF）、hTFⅢC90、p160蛋白家族（NCOA1-3）、Tat相互作用蛋白（Tip60）等。目前已知的B型HATs有酵母菌的HAT1和HAT2。而HDACs则分成四类Ⅰ类包括HDAC1、2、3、8；Ⅱ类包括HDAC4、5、6、7、9、10；Ⅲ类HDAC即沉默信息调节因子2（Sir2）-相关酶类；IV类是HDAC11[4]。HATs能把乙酰辅酶A的乙酰基转移到组蛋白N端特定赖氨酸残基的一个氨基上，中和它所带的正电荷，增加其疏水性，降低组蛋白与DNA的亲和性，使染色质疏松，转录因子易于结合DNA链，故组蛋白高乙酰化有利于基因转录[5]。HDACs能水解乙酰化赖氨酸，使其脱乙酰基，恢复所带的正电荷，因此与带负电荷的DNA紧密结合，抑制基因转录，组蛋白去乙酰化常使染色质失去转录活性[6]。组蛋白乙酰化和去乙酰化失衡与肿瘤发生发展密切相关，ING家族因其独特的作用而影响到其在肿瘤发生发展中的作用。现对生长抑制因子家族成员参与组蛋白乙酰化修饰的作用做一总结。

1 生长抑制因子家族参与组蛋白去乙酰化作用

许多研究显示各种HDACs的生物功能是必要且不同的。HDACs底物包括参与基因调控、细胞周期演进和细胞死亡的组蛋白以及非组蛋白，HDACs不直接结合DNA，而是通过参与构成多种蛋白复合物与DNA作用，其中ING家族发挥了重要的作用[3]。

有研究报道，Sap30与ING1相结合可能是HDAC1的靶点，它们将HDAC1募集形成ING1-Sap30-HDAC1复合物，而该复合物的存在会降低其作用位点的组蛋白乙酰化的水平[6]。ING1分子中的PHD结构域让其可以与特定修饰的组蛋白相互作用是这一分子模式发挥作用的基础。有研究表明ING1的主要存在形式是构成mSin3-HDAC复合物的一部分[6]。在实验中ING1-mSin3-HDAC复合物通常有四种作用，一是重建异染色质臂间的区域，二是促进DNA甲基化，三是促进组蛋白的去乙酰化，四是促进H3K9组蛋白的甲基化，同时该复合物也是转录抑制的标志物[7]。此外，ING1能够识别修饰过的组蛋白残基如H3K4me3与H3K9me3，ING1还有募集其他组蛋白或修饰基因的能力，但这需要依赖像转录因子这样的复合物或者局部水平的组蛋白密码、DNA甲基化和染色质结构来完成募集及修饰的能力。因此，ING1有活化与抑制靶基因的双重作用。

有实验证明人体中ING2蛋白与多肽类相互作用，这个多肽与在哺乳动物中发现的Sin3-HDAC复合物非常相似，包括染色体结构域（chromodomain-containing）RBP1及其同源蛋白[2]。ING2是mSin3A-HDAC复合物中的组成部分，mSin3A-HDAC复合物中包含了BRMS1（breast cancer metastasis suppressor-1）蛋白。BRMS1抑制了多种人类及鼠类的癌症细胞的转移，并且在mSin3 HDAC复合物中发现它与RBP1相互作用[8]。故推测ING2可以在mSin3A HDAC复合物中通过与RBP1之间的作用进而影响BRMS1的功能。除此之外，ING2-HDAC1-mSin3A复合物在体外通过加强MMP13的表达来增加癌细胞的侵袭能力。由于MMP13可以降解基底膜[9]与细胞外基质[10]，故其在癌细胞侵袭过程中扮演了重要的角色，除此之外，以 siRNA下调 ING2能够抑制MMP13的表达。因为HDAC-mSin3A复合物主要抑制基因的转录，所以MMP13的诱导形成可能是该复合物间接作用的结果。然而，ING2可能通过与SIRT1作用间接抑制HDAC-mSin3A的活性，对于此，另一种解释ING1和ING2蛋白募集SIRT1，并且SIRT1抑制了RBP1-相关的mSin3A-HDAC1转录抑制活性[11]。ING2可能将RBP1-mSin3A-HDAC复合物与MMP13启动子相结合，并募集SIRT1抑制RBP1-相关mSin3A-HDAC转录抑制活性，进而上调MMP13。这个结果意味着ING2在癌症进程中起推进作用。

2 生长抑制因子家族参与组蛋白乙酰化作用

组蛋白乙酰化与转录活性有密切关系：高乙酰化组蛋白特异地聚集于活性染色质功能区；低乙酰化组蛋白聚集在无转录活性的非功能区。体外将核心颗粒中H2A·H2B 二聚体乙酰化[12]或（H3·H4）2四聚体乙酰化[13]后，组蛋白对转录的抑制作用大大减弱，RNA合成效率提高。

ING3是NuA4-Tip60 HAT复合物的一员，该复合物可将H4和H2AN端的组蛋白乙酰化，并同其他生长抑制因子家族成员一样与H3K4me3结合[2-14]。由于组蛋白乙酰化和H3K4me3与转录的启动相关联，所以ING3可能是转录的活化因子。除此之外，Tip60及其相关的蛋白是转录因子p53、NF-κB、Myc、E2F1发挥作用的辅因子[15]，并且在核受体依赖的转录活性调节、细胞内DNA损伤、细胞凋亡和肿瘤转移中发挥着作用[14-16]。笔者猜测ING3在上述过程中同样扮演了重要的角色，但其如何通过复合物的形式在转录和抑癌的过程中发挥的作用还需要进一步的研究。

ING4被提出作为肿瘤抑制物是因为在人类癌症中ING4表达降低，并且随不同癌症ING4的基因有突变的现象。ING4乙酰化复合物包括HBO1[17]。HBO1是HAT酶MYST家族中的一员，在人类和蝇类中高度保守，它在DNA复制和转录的过程中发挥了重要的作用[18]，同时HBO1所形成的HBO1-JADE-ING4-HEAF6四聚物在高等真核生物中组蛋白H4乙酰化的过程中是必不可少的成分，且在体外实验中，JADE1的过度表达增加了组蛋白H4的乙酰化水平[19]。ING4-HBO1复合物使组蛋白H4K16乙酰化，而Tip60-ING3复合物并不会使该组蛋白残基乙酰化，这意味着每一个生长抑制因子家族成员在转录调节的过程中通过拥有不同的组蛋白密码来发挥不同的精细调节作用。但是ING4需要经过正常的S期使体内大部分组蛋白H4乙酰化才可与HBO1-HAT相结合。生物化学分析得出ING4与甲基化的组蛋白H3相互作用[20]，与此同时ING4也与HB01-JADE-hEAF6组蛋白乙酰基转移酶相互作用[2]。上述四聚体复合物中起到了活化作用，但同时也具有类似p53的作用，可以下调HBO1-HAT复合物的活性，这就需要进一步的分子和遗传学的研究来解释这一矛盾。

有两种不同的HAT复合物包含ING5，一种复合物是ING5-MOZ/MORF-EAF6与BRPF相互作用从而结合于组蛋白H3[2]。BRPF蛋白是ING5-MOZ/MORF-EAF6四聚体之间作用的桥梁，但是由于ING5的存在会增加EAF6与BRPF之间的亲和力，使得BRPF不仅拥有促进核内组蛋白H3乙酰化的能力，同时还能够促进处于游离体的H3与H4乙酰化，这样的组蛋白异常乙酰化可能会导致白血病的发生。另一种是通过ING5、HBO1和JADE相互作用结合于组蛋白H4，与ING4相似[2]；HBO1-JADE-ING5 HAT复合物与MCM复合物相互作用的期间发挥着重要的作用，MCM复合物是组成DNA复制前体复合物的重要部分，在DNA的复制过程中发挥了重要的作用。然而将MCM复合物组装到的染色质发挥作用需要HBO1的存在，这是DNA复制前体复合物组装和DNA复制标志形成的关键步骤。据此，笔者推断ING5可能通过促进DNA的复制来达到致癌的作用。综上所述，ING5在癌症过程中的双面作用及机制还需要进一步的证实。

3 结语

肿瘤的发生是一个复杂的、多阶段、多步骤的过程，众多的癌基因和抑癌基因参与了肿瘤发生过程，其间涉及复杂的分子调控机制，其中可逆性的组蛋白乙酰化平衡维持染色质结构、调节基因表达和细胞增殖分化的能力正受到越来越多的重视。对染色质结构进行修饰已成为肿瘤治疗的一种新思路。已经有大量的文献明确了生长抑制因子与组蛋白乙酰化酶所形成的复合物对某些类型的癌症的作用，利用这些作用作为进行基因治疗的理论基础已显示出了极为诱人的前景，与传统化疗药相比有着巨大的优势。如能进一步阐明生长抑制因子、组蛋白乙酰化与癌症三者之间的作用关系，将为有效治疗肿瘤提供新的靶点。

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（收稿日期：2013-01-23） （本文编辑：连胜利）