表觀遺傳學(xué) (Epigenetics) 是指研究通過改變染色體而非 DNA 序列而產(chǎn)生的、可遺傳且穩(wěn)定的基因表達變化的學(xué)科。

表觀遺傳的機制是通過 DNA 堿基的化學(xué)修飾和染色體超結(jié)構(gòu)的改變來調(diào)節(jié)基因表達。表觀遺傳學(xué)的圖譜日益復(fù)雜，它不僅包含 DNA 甲基化、組蛋白密碼、非編碼RNA (ncRNA) 和核小體定位，還與 DNA 序列共同構(gòu)成一個完整的調(diào)控體系。表觀遺傳圖譜的紊亂與多種人類疾病的發(fā)病機制緊密相關(guān)^[1]。

圖 1. 表觀遺傳機制和廣泛研究的修飾及其修飾酶^[2]。

表觀遺傳修飾通過三類調(diào)控因子實現(xiàn)： (1) 引入各種化學(xué)基團的“寫入器" (Writers) ； (2) 特異性識別和解讀 DNA 或者組蛋白上修飾的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)域，即“讀取器" (Readers) ； (3) 以及清除修飾的“擦除器" (Erasers) 。

舉個例子，表觀識別蛋白結(jié)構(gòu)域 (Epigenetic Reader Domains) 是蛋白質(zhì)上能夠特異性識別并結(jié)合特定的表觀遺傳修飾標記的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)域，是表觀遺傳中的“讀取器"，將表觀遺傳標記的化學(xué)信息“翻譯"成特定的生物學(xué)輸出，例如基因表達的激活、抑制、DNA 損傷修復(fù)或染色質(zhì)重塑，進而招募其他復(fù)合物來影響染色質(zhì)結(jié)構(gòu)和基因轉(zhuǎn)錄^[2]。

圖 2. 組蛋翻譯后修飾的“讀取器"^[3]。

總之，“讀取器"、“寫入器"和“擦除器"協(xié)同作用，協(xié)調(diào)細胞表觀遺傳機制和基因表達，并且這些表觀遺傳修飾因子與多種疾病，尤其是癌癥密切相關(guān)^[2]。

DNA 甲基化 (DNA methylation) 是指在 DNA 甲基轉(zhuǎn)移酶 (DNMTs) 的催化下，將甲基添加到 DNA 上的過程。DNA 甲基化發(fā)生后，參與基因抑制的蛋白或抑制轉(zhuǎn)錄因子被募集與 DNA 結(jié)合來抑制基因表達。

DNA 甲基化主要發(fā)生在胞嘧啶-鳥嘌呤 (CpG) 二核苷酸位點，尤其是啟動子區(qū)域內(nèi)的 CpG 島。CpG 島 (CpG Island) 是基因組 DNA 中富含 CpG 的區(qū)域，甲基化程度低，在大多數(shù)哺乳動物基因組中，CpG 島位于基因啟動子上，使基因就處于“待命"狀態(tài)。CpG 島是調(diào)控基因表達的“開關(guān)"^[1][7]。

圖 3. DNA 甲基化模式^[8]。

DNA 去甲基化 (DNA demethylation) 可分為被動去甲基化與主動去甲基化。

? 被動去甲基化是由于 DNMT1 功能被抑制而引起的，發(fā)生在 DNA 復(fù)制過程。

? 主動去甲基化：通過經(jīng)典通路 TET-TDG-BER 將 5mC 氧化并移除可實現(xiàn)主動去甲基化，不依賴于 DNA 復(fù)制。

組蛋白 H2A、H2B、H3 和 H4 各兩個分子組成八聚體，DNA 纏繞其上形成核小體，并由 H1 組蛋白連接串聯(lián)。各核心組蛋白均有一條非結(jié)構(gòu)化的氨基末端“尾巴"延伸至核小體外部，為乙酰化、磷酸化和甲基化等翻譯后修飾提供位點。

圖 4. 組蛋白的結(jié)構(gòu)示意圖^[9]。

組蛋白修飾的主要方式有 2 種：甲基化和乙酰化。

組蛋白甲基化 (Histone Methyltransferase) 由組蛋白甲基轉(zhuǎn)移酶 (HMTs) 催化，指在組蛋白 (特別是 H3 和 H4) 的賴氨酸或精氨酸殘基上添加一至三個甲基基團的過程。

該過程處于動態(tài)平衡，由甲基轉(zhuǎn)移酶 (“寫入") 和去甲基化酶 (“擦除") 協(xié)同調(diào)控。組蛋白甲基化的功能復(fù)雜，其對基因表達的調(diào)控取決于具體位點：例如，H3K4、H3K36、H3K79 的甲基化激活基因轉(zhuǎn)錄，而 H3K9、H3K27 的甲基化起抑制作用^[10]。

根據(jù) HMTs 催化的氨基酸可分為兩大家族：組蛋白賴氨酸甲基轉(zhuǎn)移酶 (KMTs) 和蛋白質(zhì)精氨酸甲基轉(zhuǎn)移酶 (PRMTs) 。KMTs 家族包括 EZH2、G9a、DOT1L 和 SETD2；PRMTs 家族在哺乳動物中共有 9 個成員 (PRMT1-9)。根據(jù)添加的甲基數(shù)量，賴氨酸殘基上會形成單甲基、二甲基和三甲基化基團 (Kme1、Kme2、Kme3) ，而精氨酸殘基上會形成單甲基和二甲基 (Rme1/MMA、Rme2) ^[10][11]。

圖 5.賴氨酸甲基轉(zhuǎn)移酶 (KMTs) 和賴氨酸去甲基化酶 (KDM) 及其對應(yīng)底物^[11].

幾乎所有主要組蛋白賴氨酸甲基化位點的甲基化狀態(tài)都是可逆的。組蛋白去甲基化由組蛋白去甲基化酶 (HDMs) 催化。HDMs 主要有 LSD 家族 (賴氨酸特異性去甲基化酶) ，如 LSD1 (KDM1A)、LSD2 (KDM1B) 和 JmjC 家族 (Jumonji C 結(jié)構(gòu)域蛋白) ，如 KDM2、KDM3、KDM4 ^{[12] [13] [14]} 。

組蛋白乙酰化 (Histone Acetylation) 是指在組蛋白 N 端尾部賴氨酸殘基上添加乙酰基的修飾，減弱 DNA 與組蛋白之間的相互作用，導(dǎo)致染色質(zhì)結(jié)構(gòu)從致密變得松散，DNA 更容易被轉(zhuǎn)錄因子和 RNA 聚合酶等轉(zhuǎn)錄組分接觸到，從而激活基因轉(zhuǎn)錄。

該過程由組蛋白乙酰轉(zhuǎn)移酶 (HATs) “寫入"，組蛋白去乙酰化酶 (HDACs) “擦除"。乙酰化/去乙酰化是一個相對快速的過程，允許細胞迅速響應(yīng)環(huán)境信號 (如激素、應(yīng)激、營養(yǎng)變化) 來調(diào)整基因表達。組蛋白乙酰化水平的異常調(diào)控與多種疾病相關(guān)，包括炎癥性疾病、心血管疾病、神經(jīng)系統(tǒng)疾病和多種癌癥^[14]。

圖 6. 染色質(zhì)受兩組酶 HATs 和 HDACs 的調(diào)控^[14]。

組蛋白去乙酰化酶通過移除組蛋白上的乙酰基團，抑制基因表達并調(diào)控染色質(zhì)結(jié)構(gòu)。在人類中共有 18 種 HDAC 酶，根據(jù)其與酵母同源物的相似性和功能差異，分為四個主要類別：

? I 類 (Class I)：包括 HDAC1、HDAC2、HDAC3 和 HDAC8；

? II 類 (Class II)：分為 IIa (HDAC4、HDAC5、HDAC7、HDAC9) 和 IIb (HDAC6、HDAC10) ；

? III 類 (Class III)：也稱為 Sirtuins (SIRT1-SIRT7)；

? IV 類 (Class IV)：目前僅包含 HDAC11。

HDACs 的功能異常與多種疾病相關(guān)，特別是癌癥。在許多腫瘤中，HDAC 活性異常升高，導(dǎo)致抑癌基因被沉默^[14]。

癌癥是研究很廣泛、與表觀遺傳異常關(guān)聯(lián)最緊密的疾病。癌癥表觀基因組的特征是 DNA 甲基化和組蛋白修飾模式的整體改變，以及染色質(zhì)修飾酶表達譜的改變。表觀遺傳機制的異常在腫瘤發(fā)展的各個階段都發(fā)揮著關(guān)鍵作用，包括起始、進展、侵襲、轉(zhuǎn)移以及化療耐藥性的產(chǎn)生。

圖 7. 癌癥中常見的表觀遺傳靶點^[15]。

DNA 甲基化是最早被發(fā)現(xiàn)的與腫瘤相關(guān)的表觀遺傳機制。

DNA 低甲基化導(dǎo)致原癌基因的異常激活或基因組不穩(wěn)定，從而促進癌癥的發(fā)生和發(fā)展。DNA 高甲基化導(dǎo)致腫瘤抑制基因 (如 p16、BRCA1) 和 DNA 修復(fù)基因沉默，繼而導(dǎo)致這些基因功能障礙，破壞正常的細胞增殖和分化，并促進癌細胞的惡性表型。

DNMT 抑制劑5'-氮胞苷和地西他濱 (Decitabine)  常被超適應(yīng)癥用于治療急性髓系白血病  (AML) 。組蛋白修飾異常導(dǎo)致致癌基因激活或抑癌基因失活，并且 HDAC 抑制劑已獲得 FDA 批準用于治療皮膚 T 細胞淋巴瘤，如伏立諾他 (Vorinostat) 、羅米地辛 (Romidepsin)。 此外，組蛋白乙酰化修飾的“讀取器"溴結(jié)構(gòu)域 (BD) 和末端外結(jié)構(gòu)域 (BET) 家族成員蛋白，包括 BRD2、BRD3、BRD4 和 BRDT，過表達時會促進腫瘤發(fā)生。隨著表觀遺傳機制被日益闡明，越來越多的抑制腫瘤的表觀遺傳靶點藥物被開發(fā)，并取得顯著進展^[15]。

靶向表觀遺傳相關(guān)蛋白-蛋白互作的藥物發(fā)現(xiàn)也有著良好的前景，例如 Menin (MEN1) -KMT2A  (賴氨酸甲基轉(zhuǎn)移酶 2A)  抑制劑 Revumenib 已獲 FDA 批準用于治療攜帶 KMT2A 易位的復(fù)發(fā)或難治性急性白血病，并于今年 10 月獲批用于攜帶 NPM1 突變的復(fù)發(fā)性或難治性急性髓系白血病。新一代抑制劑 Ziftomenib、Bleximenib、Enzomenib 等也在臨床試驗中表現(xiàn)出相似的復(fù)合緩解率和總緩解率^[16]。當(dāng)然，其他 Menin-KMT2A 互作抑制劑研究成果同樣抓人眼球。Jinrong Liang 等科研人員發(fā)現(xiàn)，靶向 KMT2A-MEN1 復(fù)合物的天然產(chǎn)物臭椿酮 (AIL) 顯著抑制了小鼠模型中的骨肉瘤 (OS) 肺轉(zhuǎn)移，KMT2A-MEN1 復(fù)合物有望成為骨肉瘤的治療靶點^[17]。

               

圖 8. 表面等離子共振成像 (SPRi) 實驗表明，AIL 以劑量依賴的方式與 KMT2A 和 MEN1 結(jié)合^[17]。