PRDM家族蛋白结构与功能研究进展

PRDM家族蛋白结构与功能研究进展

赵生军;张勇;阎萍;郭宪

【摘 要】PRDM家族蛋白是具有一个PR结构域和数量不等锌指结构(除了PRDM11),广泛存在于灵长类、啮齿动物、鸟类和两栖动物中能够调控表观遗传的蛋白.部分PRDM蛋白家族成员的PR结构域具有组蛋白赖氨酸转移酶活性(HMT),影响表观遗传,PRDM蛋白锌指结构具有DNA、RNA、蛋白识别结合能力;另一部分PRDM家族成员虽然具有PR结构域,但不具有HMT活性,在癌症发生、原始生殖细胞特化、神经系统发育、造血、血管发展、胚胎发育中发挥重要作用.PRDM家族蛋白通过甲基转移或募集染色体结构重塑复合物,调控基因表达和修改染色体结构,在细胞特化和疾病调控中起到重要作用.论文综述了PRDM家族蛋白结构与功能最新研究进展.

【期刊名称】《中国畜牧兽医》

【年(卷),期】2016(043)005

【总页数】6页(P1188-1193)

【关键词】PRDM家族蛋白;表观遗传;PR结构域;锌指结构;组蛋白赖氨酸转移酶活性

【作 者】赵生军;张勇;阎萍;郭宪

【作者单位】中国农业科学院兰州畜牧与兽药研究所,甘肃省牦牛繁育工程重点实验室,兰州730050;甘肃农业大学动物医学院,兰州730070;甘肃农业大学动物医学院,兰州730070;中国农业科学院兰州畜牧与兽药研究所,甘肃省牦牛繁育工程重点实验室,兰州730050;中国农业科学院兰州畜牧与兽药研究所,甘肃省牦牛繁育工程重点实验室,兰州730050

【正文语种】中 文

【中图分类】Q51

PRDM家族蛋白其肽链N末端有一个保守的PR结构域(PR domain)，以及有重复数量不等的C2H2型锌指蛋白结构(zinc finger)，但PRDM11无锌指结构[1]。Fumasoni等[2]检测到PRDM家族在灵长类中有17个成员，在啮齿动物、鸟类和两栖动物中有16个成员，在真菌与植物中没有检测到PRDM。17个成员具有异同点[3]，可以通过不同剪接或启动形成不同的分子结构。PRDM家族部分基因表达形式有两种：一种表达产物缺少PR结构域，称之为PR-minus；另一种表达产物有很多PR结构域，称之为PR-plus[4-5]。其中有些基因编码蛋白缺少锌指结构蛋白。PRDM家族在原始生殖细胞特化，包括细胞程序抑制、潜在全能型获得、表观遗传重编程中具有重要作用，且在疾病调控，包括在白血病、组织癌症中扮演重要角色，具有肿瘤抑制或诱导作用[1，4]。作者就PRDM蛋白PR结构域，锌指蛋白，有组蛋白赖氨酸转移酶活性(histonemethyltransferaseactivity，HMT)的PRDM结构功能，无HMT的PRDM蛋白功能进行了综述，为进一步研究PRDM家族提供参考。

1.1 PR结构域

PRDM蛋白N末端的PR结构域与SET蛋白具有20%～30%的相似性，属于SET蛋白亚型[3]，具有与SET蛋白相似的功能。SET蛋白存在于所有真核生物中，SET结构域包含两部分：SET-N和SET-C，称前SET结构域和后SET结构域[5-6]。研究表明，在分离所得的赖氨酸甲基转移酶中都有1个保守的SET蛋白结构域[7]，说明SET蛋白具有组蛋白赖氨酸转移酶活性。H3K9、H3K27、H4K20甲基化与基因转录的抑制相关[8]。组蛋白H3第27位赖氨酸的甲基化与同源盒基因沉默、X染色体失活、基因印迹等基因沉默现象有关；组蛋白H3第79位赖氨酸的甲基化与防止基因失活和DNA修复有关。通过对组蛋白赖氨酸末端残基翻译后磷酸化、甲基化、乙酰化、泛素化及ADP核糖基化等修饰，改变染色质的结构，从而影响基因转录，对基因表观遗传进行调控[9-13]。许多SET蛋白结构域具有HMT活性，改变染色体结构等形式影响表观遗传重编程，进而影响基因表达[14-15]。这说明PRDM蛋白可以影响表观重编程，不具有HMT活性的PRDM家族蛋白成员是通过与能够催化组蛋白甲基化的酶作用或催化染色体翻译后修饰，从而最终影响表观遗传[1]。

1.2 锌指蛋白结构

在真核生物中很多蛋白都含有锌指结构，将这些含有锌指结构的蛋白称之为锌指蛋白。根据锌离子结合半胱氨酸(Cys)与组氨酸(His)残基的不同组合，将锌指结构分为C2H2、C4、C6、C4HC3、C3HC4、C2HC、C3H及联合型等多种类型，其中以C2H2型居多。锌指蛋白根据作用形式可以分为4种：①可以与DNA特异结合，调控基因转录，具有转录活性，有C2H2、C4、C6型；②可以作为蛋白质识别模板的锌指蛋白，介导蛋白质之间作用，称之为蛋白适配器，有LIM锌指、MYND锌指、PHD锌指和RING锌指[16]；③参与mRNA的成熟剪接及降解等转录后调控过程，具有RNA结合特性；④同时与DNA、RNA、蛋白质中两类分子作用的锌指蛋白[17-19]。PRDM家族蛋白都具有数量不等的C2H2型锌指蛋白结构。以上研究表明，PRDM蛋白具有DNA、RNA、蛋白识别结合能力。

2.1 PRDM2结构功能

PRDM2长约150 kb，有13个外显子。启动子起始位置分别位于外显子1和外显子6，蛋白产物是RIZ1、RIZ2[20]。PRDM2蛋白已经确定有以下几个蛋白结构域：PR结构域，具有H3K9活性，与蛋白-蛋白作用；E1A类似蛋白(100aa)；两组锌指蛋白；富脯氨酸结构域，具有介导雌激素受体作用[21]。RIZ蛋白在很多组织中表达，尤其在神经内分泌组织高表达。RIZ基因表达产物具有与DNA结合或与转录因子结合的能力，作为视网膜母细胞瘤结合蛋白，DNA结合蛋白(MTB-Zf)，或作为GATA3转录因子结合蛋白(G3B)。MTB-Zf绑定人类血红素加氧基因的MTE DNA元件以激活转录。RIZ蛋白与转录因子GATA-3协同作用，调节多个基因的表达，影响T细胞的功能和发展[22]。RIZ蛋白质以激素依赖的方式结合雌激素受体，作为活化剂。雌二醇与雌激素受体结合，将RIZ活动由转录抑制转换成转录激活。Cheedipudi等[23]利用基因编辑技术对PRDM2基因进行编辑，结果发现PRDM2的存在影响干细胞自我更新。RIZ1的siRNA沉默增加MCF-7乳腺癌细胞增长率，在人类乳腺癌中，RIZ1表达减少或不表达，而RIZ2正常表达。胃癌、子宫瘤、结直肠癌、白血病、卵巢癌、神经母细胞瘤、肝癌、前列腺癌、甲状腺癌、肺癌、骨质疏松症等疾病的发生与RIZ1基因高甲基化失活、RIZ2基因表达有关[24-27]。综上所述，PRDM2结合转录因子，调控基因转录及表达，从而影响胃癌、结直肠癌、卵巢癌、子宫瘤、神经母细胞瘤等的发生。

2.2 PRDM8结构功能

PRDM8位于人4号染色体、鼠5号染色体上。PRDM8蛋白总长70 ku，也有长34 ku的转录体被发现。这两种PRDM8形式N端都有完整的SET结构域。34

ku的转录本缺失215和602个氨基酸。长度为70 ku的PRDM8在所有物种都有表达。Eom等[28]检测到PRDM8在脑、睾丸、心脏等中表达，PRDM8抑制p450c17和LHR的表达，从而负调节甾体激素生成[28]。Komai等[29]发现PRDM8还在视网膜上、脊髓等中枢神经系统中表达。Eom等[28]利用GST-PRDM8蛋白在体外进行HMT试验，发现PRDM8具有HMT活性，作用位置在H3K9，研究表明，H3K9、H3K27、H4K20甲基化与基因转录的抑制相关。由此得出，PRDM8具有HMT活性，抑制转录。 2.3 PRDM9结构功能

PRDM9蛋白具有PR/SET结构域HMT活性，是减数分裂前期所必需的蛋白。减弱小鼠PRDM9 H3K4活性，会导致染色体配对异常，生殖细胞生成障碍，减数分裂受损，最终导致不孕不育。PRDM9通过C2H2锌指结构识别由13碱基组成的热点序列模板，因此影响特异性减数分裂重组热点定位，能激活重组热点[30]。Eram等[31]研究发现，人PRDM9不仅具有H3K4活性，还具有H3K36一甲基化、二甲基化、三甲基化活性，H3K36的二甲基化和三甲基化在转录终止阶段起到重要作用。因此，PRDM9发挥功能可能与其具有H3K4活性和H3K36一甲基化、二甲基化、三甲基化活性有关。

3.1 PRDM1、PRDM5、PRDM14

人PRDM1 DNA长23.6 kb，位于6号染色体上。PRDM1包含7个外显子，开放阅读框跨跃所有外显子。PRDM1 mRNA有PRDM1α和PRDM1β两种转录形式，其N末端虽然具有PR结构域，但并不具有HMT活性。PRDM1在许多组织和器官中表达，包括造血组织、皮肤、中枢神经系统、睾丸和肠道，而且在造血系统中如浆细胞、B细胞、T细胞、自然杀伤细胞、单核细胞、粒细胞和树突细胞等中表达[32]。PRDM1是一种通过锌指结构绑定特定DNA序列的转录抑制因子，可作为共抑制因子或辅阻竭物的骨架，促进组蛋白修饰。通过与组蛋白H3K9、乙酰酶抑制剂HDAC1和HDAC2、组蛋白H3赖氨酸去甲基化酶LSD1相互作用，抑制转录[33]，在原始生殖细胞特化过程中，PRDM1抑制体细胞基因表达[34]；驱动淋巴细胞B细胞分化，还调节浆细胞分化；在胚胎细胞形态分化有调节作用。淋巴细胞瘤、NK细胞瘤、浆细胞骨髓瘤等多种肿瘤的发生与PRDM1失活或表达下调有关[34]。

PRDM5具有1个PR结构域、16个锌指结构，在卵巢、肺脏、肝脏、乳腺癌症中表达下调[35]。人PRDM14编码1个包含571个氨基酸残基的蛋白质，在许多癌症组织中过表达[36]。PRDM5、PRDM14同样不具有HMT活性，但作为一个转录因子，它是通过锌指蛋白募集抑制因子完成其功能的，癌症组织中PRDM5蛋白表达下调与其基因甲基化有关，因此PRDM5是一个抑癌基因[35]。PRDM14过表达与癌细胞分化有关[30]，因此PRDM5与PRDM14的表达与癌症发生密切相关。同时PRDM1与PRDM14协同作用，促进生殖细胞定向发育[37]。

3.2 在神经系统中的作用

在小鼠和斑马鱼神经系统中存在多种PRDM基因表达，斑马鱼PRDM1蛋白影响神经嵴和感觉神经元的发展，PRDM8、PRDM10影响小鼠胚胎神经系统的发展。PRDM13被证实在小鼠和斑马鱼神经祖细胞中表达[1]，但具体功能暂无深入研究。PRDM16也在神经干/祖细胞表达，并通过控制参与氧化应激基因的转录调节他们的生存。PRDM4诱导神经元分化，由神经生长因子刺激，抑制细胞周期蛋白E基因，从而抑制细胞增殖，具体机理可能与PRDM4募集组蛋白去乙酰化酶促进转录抑制有关[1]。综上所述，PRDM基因家族表达对神经系统具有重要作用。

3.3 在造血、血管发展中的作用

PRDM家族中PRDM3与PRDM16在早期造血过程中起到重要作用。造血干细胞中，造血过程受严密监控，细胞通过自我更新产生造血细胞组件。增殖短期干细胞产生潜能祖细胞(MPP)，分化成各系造血祖细胞[30]。PRDM3也称为MDS1-EVI1，PRDM3与EVI1缺失导致造血干细胞失去重组、自我更新等能力，失去造血功能[38]。PRDM16是造血干细胞维持体内平衡所必需的，其过表达会抑制细胞凋亡，增加造血干细胞的重建能力，作用机制尚不清楚[1]。