精氨酸甲基化酶(PRMTs)和精氨酸甲基化—癌症最保守的秘密?

2020-11-28 生物谷

 

蛋白的翻譯後修飾是引起蛋白質組多樣性和細胞動態平衡的關鍵因素,蛋白的翻譯後修飾失調將會導致癌症發生。越來越多的研究證明精氨酸甲基化與癌症的發展相關,精氨酸甲基化酶(PRMTs)也成了藥物靶標的熱門研究對象。本文從 PRMTs 在幹細胞生物學、表觀遺傳學、可變剪切、免疫監控以及 DNA 損傷應答等方面的作用進行了闡述,並關注了目前臨床試驗治療癌症的特異性靶標。

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癌症生物學中精氨酸甲基化異常

精氨酸甲基化由 PRMTs 調控,已知的 PRMTs 有9種(PRMT1、PRMT2、PRMT3、PRMT6、PRMT8、CARM1、PRMT5、PRMT9、PRMT7),分別催化形成單甲基化(MMA),對稱二甲基化(SDMA)和非對稱二甲基化(ADMA)(圖1A)。

近些年的研究證明了 PRMTs 調控了表觀遺傳介導的基因表達、mRNA 剪接、DNA 損傷應答、幹細胞功能以及免疫反應等與腫瘤發生發展密切相關的生物學過程(圖1B)。

圖1B 精氨酸甲基化的生化、細胞生物學及臨床相關性

研究發現癌症患者 PRMTs 的表達量升高且伴隨著不良的預後,因此,PRMTs 成為了癌症藥靶研究的新熱點,僅三年的時間,PRMT1 和 PRMT5 抑制劑就進入了一期臨床試驗,為實體瘤和血液腫瘤的治療開闢了新的道路(圖2)。

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PRMTs和表觀遺傳

PRMTs 通過對表觀遺傳的調控影響細胞活性。PRMT1 和 CARM1 分別催化組蛋白 H4 和 H3 的精氨酸發生非對稱二甲基化 H4R3me2a 和 H3R17me2a,導致 DNA 拓撲異構酶Ⅲβ(TOP3B)在新的轉錄位點聚集,引起轉錄的發生。研究表明 PRMT1 的過表達引起 H4R3me2a 介導的上皮間充質轉化(EMT),而 H4R3me2a 的去甲基化也是白血病發病的必要因素。因此,PRMT1 的靶向藥物可能通過抑制癌細胞異常表觀遺傳而發生療效。

PRMT5 也可以表觀調控基因的表達,根據被修飾殘基的不同而促進或抑制轉錄。例如 PRMT5 催化第三位精氨酸發生對稱二甲基化 H4R3me2s,可以抑制基因轉錄,而第二位精氨酸發生對稱二甲基化 H4R2me2s 後卻促進基因的轉錄。

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PRMTs和mRNA剪切

此外,PRMT1 在急性巨核細胞白血病(AMKL)中過表達,且患者死亡率高。PRMT9 最近被報導在肝細胞癌中上調並且促進癌細胞的侵襲和轉移。二者均與可變剪切有關。

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PRMTs和DNA修復及耐藥性

DNA 損傷修復失敗會導致基因組不穩定而引發癌症,細胞自身具有 DNA 損傷後修復的功能,磷酸化和泛素化已被證明在 DNA 損傷後修復中發揮作用。精氨酸甲基化也不例外,PRMT1 和 PRMT5 缺失的小鼠胚胎成纖維細胞表現出自發的 DNA 損傷、檢查點缺陷和基因組不穩定性。研究表明 PRMT5 在 DNA 損傷後會被動態調控發揮修復功能。

癌細胞耐受化療藥物的主要機制是通過上調關鍵的 DNA 修復基因實現的,那麼聯合使用 PRMT5 抑制劑和 DNA 損傷劑可能是治療耐藥癌症的有效策略。實驗證明 PRMT5 抑制劑聯合 olaparib 治療耐藥的人 AML 細胞,顯著降低了 AML 細胞的存活率。該方案在三陰乳腺癌的治療中都也表現出療效。

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PRMTs與癌症幹細胞

癌症幹細胞(CSC)相對於大量的腫瘤細胞而言,具有更強的耐藥性。目前的治療通常有效地去除腫瘤組織而不能消除引發腫瘤的細胞,因此,CSCs 是藥物抗性、轉移和復發的主要因素。有趣的是,精氨酸甲基化在維持幹細胞特性方面的作用越來越明顯:PRMT1是維持幹細胞多能性所必需的,而CARM1表觀遺傳上調了關鍵的多能基因 Oct 4、Sox 2 和 Nanog,PRMT5 上調了胚胎幹細胞(ES)中的 Nanog 和 Oct 4 基因並促進體細胞重編程,此外 PRMT7 和 PRMT8 也具有類似的功能。

最近的研究表明 PRMT5 在慢性髓細胞樣白血病(CML)幹細胞和乳腺癌幹細胞中高表達,以維持幹細胞自身的增殖。在異種移植的乳腺癌模型中,PRMT5 缺失導致乳腺癌幹細胞數量的顯著減少。

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PRMTs和免疫治療

調節T細胞(Treg)可以抑制免疫系統攻擊自身抗原,浸潤了 Treg 的腫瘤因 Treg 的免疫抑制作用,使預後變差。研究表明,條件敲除 PRMT5 基因,可以降低 Treg 的免疫抑制作用,因此,開發靶向 PRMT5 的藥物,可能是一種有效的抑制腫瘤的途徑。

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PRMT抑制劑的未來

從遺傳學研究中可以看出,PRMT 在成年小鼠的發育和正常穩態中發揮著關鍵作用(表1),PRMT 抑制劑的藥物開發會是一個好的選擇嗎?事實上,PRMT 在基因層面上敲除和 PRMT 蛋白抑制劑使用,對表型的影響是不同的。例如,條件性敲除 Prmt5 基因導致小鼠造血母細胞丟失,引起致死性再生障礙性貧血和骨髓衰竭,而用 PRMT 抑制劑處理正常人臍血 CD34+ 造血幹細胞時卻並沒有出現這些現象。

表1 敲除或條件敲除 PRMT 酶後的表型

結語: 儘管確認 PRMTs 在癌症生物學中的意義花費了近50年的時間,但跟 PRMT 有關的重大發現卻是發展迅速的,精氨酸甲基化走出了賴氨酸甲基化的「陰影」進入了研究者的視線,尤其是 PRMT5 在癌症中的作用越來越被證實,相信在未來,其他8種 PRMTs 的作用也將被逐一揭開。在下一代的抗癌治療中,PRMT 將會發揮重要的作用。(生物谷Bioon.com)

 

 

 

 

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