综述：KMT5C-H4K20me3在癌症中的机制与失调研究进展

《Epigenetics》：Insight into the mechanisms and dysregulation of KMT5C-H4K20me3 in cancer

本综述深入探讨了组蛋白甲基转移酶KMT5C（又称SUV420H2）及其催化产物H4K20me3在癌症中的重要作用。文章系统梳理了KMT5C-H4K20me3通路在维持基因组完整性方面的经典功能，并重点分析了其在多种癌症中的失调机制。作者指出，该通路不仅通过HP1依赖性方式在异染色质区域发挥作用，还存在非经典（HP1非依赖性）的调控机制，尤其在基因丰富的常染色质区域调控特定基因（如LINC01510、TMS1）的转录。值得注意的是，KMT5C-H4K20me3在不同癌症类型中表现出双重角色（抑癌或促癌），这种背景依赖性功能为其作为癌症治疗靶点带来了机遇与挑战。文章最后展望了针对该通路的潜在治疗策略，包括microRNA（如miR-29a）调控、开发KMT5C特异性抑制剂（如PROTACs）以及与现有疗法（如PARP抑制剂、免疫检查点抑制剂）的联合应用。

　　

ABSTRACT

KMT5C介导的组蛋白H4第20位赖氨酸三甲基化（H4K20me3）传统上被认为与异染色质的形成和维持有关，在维持基因组完整性方面起着关键作用。然而，新出现的证据表明，KMT5C-H4K20me3的扰动也与多种癌症有关，使其成为有前景的抗癌治疗靶点。尽管如此，KMT5C被招募到其基因组靶点的精确机制及其调控的具体基因仍然知之甚少。本综述探讨了KMT5C介导的H4K20me3在癌症中的失调，全面概述了其已知功能。我们还重点介绍了近期发现，这些发现提示了KMT5C沉积H4K20me3的一种新的非经典途径，并初步展望了未来治疗干预的机会。

Background

组蛋白翻译后修饰（PTM）是基因表达和染色质动态的关键调节因子。这些共价修饰通过直接改变核小体压缩度或作为染色质相关蛋白的停靠位点来影响染色质结构和功能。此类变化调节了DNA对转录机器的可及性，最终塑造基因表达谱。在多种多样的PTM中，乙酰化和甲基化是研究最广泛且功能最显著的标记之一。

乙酰化发生在赖氨酸残基上，中和其正电荷，直接导致染色质解压缩和DNA可及性增强——这些特征通常与转录激活相关。相比之下，组蛋白甲基化不改变电荷，因此不直接影响组蛋白-DNA相互作用。相反，甲基化组蛋白作为次级因子的停靠位点，这些因子可以“读取”、“写入”或“擦除”PTM，或者作为下游效应复合物的停靠位点。组蛋白甲基化的结果在很大程度上取决于特定位点和甲基化程度——赖氨酸残基上是单甲基化、双甲基化还是三甲基化，或者精氨酸残基上是单甲基化还是双甲基化。

由于甲基化模式的组合多样性及其与其他组蛋白PTM的频繁交互作用，这些标记协调着不同的转录程序。例如，组蛋白H3第9位赖氨酸三甲基化（H3K9me3）与转录失活的异染色质相关，而组蛋白H3第4位赖氨酸三甲基化（H3K4me3）通常富集在常染色质中的活性基因启动子区。因此，编码染色质修饰酶（包括那些调控组蛋白甲基化的酶）的基因失调发现于10-20%的癌症中，这强化了表观遗传重编程作为新兴癌症标志的概念。更具体地说，组蛋白修饰模式的改变——包括异常的组蛋白甲基化——现在被认为是肿瘤异质性的关键贡献者。

几个例子说明了组蛋白甲基化在癌症发展中的重要性。沉积H3K27me3的Polycomb抑制复合物（PRC）的短暂丢失可导致染色质可及性的遗传性改变并启动肿瘤发生。在肺鳞状细胞癌（LUSC）中，沉积H3K36me3的甲基转移酶NSD3经常被扩增，NSD3的基因敲除可减弱LUSC小鼠模型的肿瘤生长并延长其生存期。在儿童高级别胶质瘤（pHGG）中，约50%的病例在组蛋白H3.3的第27位发生赖氨酸到甲硫氨酸的突变（H3.3K27M），这导致H3K27me3水平的全局性降低。这种表观遗传转变改变了转录程序，并被认为有助于肿瘤的发生和进展。

鉴于组蛋白PTM在癌症生物学中的关键作用，靶向表观遗传调节剂进行治疗的兴趣日益增长。例如，几种组蛋白去乙酰化酶（HDAC）抑制剂，包括伏立诺他、罗米地平和贝利司他，已获得美国食品药品监督管理局（FDA）批准用于治疗T细胞淋巴瘤。同样，针对组蛋白甲基转移酶的抑制剂正在探索中。针对多发性骨髓瘤SET结构域（MMSET，也称为NSD2）的抑制剂KTX-1001目前正在进行针对MMSET过表达的多发性骨髓瘤患者的临床试验。此外，PRC的催化亚基EZH2的抑制剂已获FDA批准用于治疗滤泡性淋巴瘤和上皮样肉瘤。

尽管取得了这些进展，表观遗传疗法的一个主要挑战是由于染色质修饰剂在调节基因表达中的全局作用而导致的脱靶毒性。这些酶通常还具有非组蛋白底物，这进一步使治疗特异性复杂化。这激发了人们对开发位点特异性表观遗传策略的兴趣。例如，腺相关病毒（AAV）介导的DNMT3A递送成功诱导了朊病毒病小鼠大脑中PRNP的DNA甲基化和沉默。这一概念验证为在癌症中的潜在应用打开了大门，通过表观遗传机制靶向激活肿瘤抑制基因或沉默癌基因，可能被用于减轻肿瘤负荷和克服耐药机制。

尽管如此，无论表观遗传疗法是全局性还是局部性作用，彻底了解其作用机制、基因靶点和背景特异性效应对于最小化毒性和最大化治疗效益至关重要。

在本综述中，我们关注一个相对未被充分研究的组蛋白PTM——组蛋白H4第20位赖氨酸三甲基化（H4K20me3）——它在多种癌症中失调。尽管H4K20me3在20世纪60年代首次被鉴定，其沉积机制在二十多年前已被表征，但它在转录调控和肿瘤进展中的功能作用仍不完全清楚。在此，我们回顾了关于H4K20me3在癌症中失调及其作为治疗靶点潜力的文献。我们还审视了H4K20me3沉积的经典和新出现的非经典机制，并展望了未来开发表观遗传介导的抗癌疗法。

KMT5C-H4K20me3活性与染色质调控

KMT5家族成员协调H4K20的顺序甲基化

组蛋白赖氨酸残基的甲基化由赖氨酸甲基转移酶（KMT）催化，这些酶在底物识别和修饰方面具有高度特异性。就H4K20me3而言，未甲基化的H4K20首先由KMT5A（也称为SETD8或SET8）单甲基化生成H4K20me1。然后，这种单甲基化中间体作为KMT5B或KMT5C的底物，它们催化进一步的甲基化，分别形成H4K20me2和H4K20me3。

KMT5B和KMT5C在体内H4K20甲基化中具有不同作用

尽管KMT5B和KMT5C具有显著的序列和结构相似性，但体内研究显示它们在H4K20甲基化中扮演非冗余的角色。体外实验表明，两种酶都可以利用H4K20me1作为底物生成H4K20me2。然而，只有KMT5C被证明能在体内催化H4K20me3的形成。具体来说，KMT5C缺陷的小鼠胚胎成纤维细胞（MEF）表现出H4K20me3的显著减少，而H4K20me2水平不受影响。相反，KMT5B缺陷的MEF显示H4K20me2显著减少，但H4K20me3不受影响。这些发现支持了体内的分工，即KMT5B主要负责生成H4K20me2，而KMT5C对于H4K20me3至关重要。有趣的是，这些数据也表明KMT5C可能需要一个尚未鉴定的辅助因子才能在细胞中实现完全的催化活性。

KMT5C是跨组织和细胞中H4K20me3的主要甲基转移酶

多项独立研究进一步支持KMT5C作为负责H4K20me3的主要甲基转移酶的核心作用。在表达催化失活KMT5C突变体的肺癌细胞系（EKVX, HCC827, PC9）中，H4K20me3水平显著降低。类似地，在胰腺癌细胞（PANC1, Hs766T, KP4）和棕色脂肪细胞（BAT1）中，siRNA介导的KMT5C敲低导致H4K20me3的全局性丢失。尽管有此减少，H4K20me3并未完全消除，这表明KMT5B可能部分补偿以维持基础的三甲基化水平，或者可能涉及另一个尚未鉴定的甲基转移酶。一些研究提出SMYD3，一种已知的H3K4me3甲基转移酶，也可能催化H4K20me3，但这些发现并非一致，因为其他课题组报告了相互矛盾的数据，这凸显了需要进一步研究来阐明SMYD3在生成H4K20me3中的功能。同样，SMYD5也被认为能催化H4K20me3，但这一发现也受到了挑战。总而言之，目前的证据强烈支持KMT5C是细胞和组织中H4K20me3沉积的真正主要酶。

KMT5C介导的H4K20me3在组成型和兼性异染色质中均发挥作用

KMT5C介导的H4K20me3传统上与组成型异染色质相关，特别是在着丝粒周围和端粒区域。KMT5C与异染色质蛋白1（HP1）相互作用，并与抑制性标记如H3K9me3和浓缩染色质中的DAPI染色共定位。荧光漂白恢复（FRAP）实验证明KMT5C稳定地结合在这些被浓密Hoechst染色标记的异染色质区域。然而，新出现的研究表明KMT5C-H4K20me3并不局限于基因贫乏的抑制性染色质。它也定位于基因丰富的常染色质区域内，以介导转录抑制。例如，在肺癌细胞中，KMT5C在长链非编码RNA LINC01510的启动子处沉积H4K20me3，抑制其表达。在乳腺癌细胞中，KMT5C通过H4K20me3促进RNA聚合酶II在TMS1启动子处的暂停。此外，在核糖体DNA（rDNA）启动子处的H4K20me3沉积促进了局部染色质压缩。这些发现扩展了KMT5C-H4K20me3的功能库，并突出了其在特定基因组位点转录调控中的作用。

尽管对KMT5C在常染色质区域活性有了这些见解，但对H4K20me3在基因丰富区域沉积的全貌仍然定义不清。迄今为止的大多数研究都集中在其在组成型异染色质中的作用，这留下了理解H4K20me3在活性染色质景观中如何分布的空白。这种全面的定位数据的缺乏凸显了需要进行全基因组的表观基因组和转录组分析，以识别直接受KMT5C-H4K20me3调控的靶基因。这样的研究对于充分阐明KMT5C-H4K20me3在转录抑制中的作用以及确定其常染色质功能是背景特异性还是在细胞类型和癌症亚型中广泛保守至关重要。

KMT5C沉积H4K20me3的经典机制

为了将KMT5C介导的H4K20me3作为一种治疗模式，定义其作用机制及其调控的基因网络至关重要。迄今为止，KMT5C沉积H4K20me3在组成型异染色质（包括着丝粒周围和端粒区域）中已得到很好的表征。在这些结构域中，沉积是顺序发生的：SUV39H首先催化H3K9me3，后者被HP1的染色质结构域识别。然后HP1招募KMT5C，后者将H4K20me1转化为H4K20me3。

这种HP1依赖的沉积机制，首次在果蝇中发现，在多种模型系统中是保守的，包括人类细胞和组织。哺乳动物细胞表达三种HP1亚型（HP1α, HP1β, HP1γ）。尽管KMT5C可以与三者结合，但HP1β常被引述为KMT5C招募的主要介质。然而，其他研究表明HP1γ也至关重要，因为其缺失会降低H4K20me3水平。这些亚型特异性功能是否在不同组织间保守，或者当一种亚型被破坏时冗余性是否允许补偿，仍未解决。尽管如此，HP1被公认为是将KMT5C隔离在H3K9me3标记的异染色质处的关键因子，KMT5C在那里保持稳定结合。

与H3K9me3作为H4K20me3上游作用一致，美国国家癌症研究所（NCI）-60癌细胞系的表观基因组分析显示这些标记在异染色质区域强烈共定位。然而，H4K20me3的细胞遗传学条带模式并不完全与H3K9me3重叠。虽然大多数H4K20me3富集在浓缩的异染色质中，但一部分也在基因丰富的常染色质区域被检测到。这表明H4K20me3可能促进兼性异染色质的瞬时形成，导致局部转录抑制。H4K20me3存在于缺乏H3K9me3的位点进一步暗示了替代的沉积途径——可能通过HP1非依赖性的KMT5C招募或通过一个额外的、尚未鉴定的甲基转移酶。KMT5C招募到常染色质是像在组成型异染色质中那样HP1依赖性的，还是HP1非依赖性的，仍然未知，需要进一步研究。

非经典的KMT5C-H4K20me3调控：HP1非依赖性的KMT5C染色质招募

除了揭示H4K20me3沉积在缺乏H3K9me3位点的分析研究之外，几条证据表明HP1并不是负责将KMT5C招募到染色质的唯一因子。在一项研究中，过表达全长EGFP标记的KMT5C或缺失HP1相互作用域的截短突变体的MEF均显示全局H4K20me3水平增加，尽管全长KMT5C构建体效果更强。这些结果强化了HP1介导的招募的核心作用，同时也表明KMT5C可以独立于HP1定位于染色质，很可能是通过额外的相互作用伙伴。

与这一观点一致，一项独立研究证明KMT5C与长链非编码RNA PAPAS相互作用，后者将KMT5C招募到常染色质中的一个核糖体RNA（rRNA）位点。在这些位点，KMT5C催化H4K20me3沉积，促进染色质压缩和转录抑制。支持这一模型的是，一个HP1结合缺陷的KMT5C保留了它与PAPAS的相互作用及其抑制rRNA转录的能力。这些发现确立了KMT5C可以通过HP1非依赖性途径被招募。

这些观察结果共同突显了一种非经典的KMT5C招募模式，该模式可能涉及与多种生物分子（包括蛋白质和RNA）的相互作用，以在转录活性区域调节H4K20me3。我们假设这种HP1非依赖性途径可能通过KMT5C-H4K20me3在调节癌基因和肿瘤抑制基因表达中发挥关键作用，对癌症生物学具有重要意义。未来的研究应旨在识别HP1之外的其他KMT5C相互作用伙伴，以充分阐明其在稳态、应激反应和疾病过程中背景特异性基因调控的作用。

癌症中KMT5C-H4K20me3的失调及治疗干预潜力

KMT5C的基因组改变和转录后调控

单核苷酸多态性（SNP），即在人群中出现频率<1%的变异，已成为影响染色质修饰酶（包括组蛋白赖氨酸甲基转移酶）的潜在机制。值得注意的是，最近一项研究报告称，雄激素在乳腺癌患者中诱导了围绕KMT5C基因座的一个SNP。特别是，该基因座内的一个纯合SNP与附近基因（包括KMT5C）的表达降低相关。

除此之外，NIH的dbSNP数据库中已收录了KMT5C中的6000多个SNP，其中绝大多数尚未被探索。这种丰富性提出了遗传变异可能直接调节KMT5C的甲基转移酶活性或其稳定性的可能性。支持这一观点的是，KMT5B（一种与KMT5C结构紧密相关且序列相似的酶）中的几个体细胞突变已被证明会深刻改变其催化功能。因此我们推测，KMT5C中的SNP可能类似地影响其酶活性、稳定性或表达。更深入地了解这些变异对于评估靶向KMT5C-H4K20me3作为癌症治疗策略的可行性至关重要。

除了基因组变化，上游调控元件的差异表达可能进一步调节KMT5C活性。例如，microRNA-29a是KMT5C的直接调节因子，在癌症类型中表现出异常且可变的表达。此外，一些参与EGFR-酪氨酸激酶抑制剂（TKI）耐药的microRNA（miRNA）被预测靶向KMT5C。这些观察结果提出了恢复或靶向KMT5C-H4K20me3作为一种治疗策略的可能性——或许通过抑制负向调节KMT5C的上游miRNA，但必须谨慎考虑适当的生物学背景和KMT5C的整体作用。

KMT5C-H4K20me3在多种癌症类型中经常下调，发挥肿瘤抑制因子和药物敏感性介质的作用

在功能上，对NCI-60癌细胞系面板中H4K20me3沉积的全基因组分析揭示了该标记在癌细胞系中的广泛丢失，表明H4K20me3在恶性肿瘤中经常减少。这一趋势已在众多使用患者来源的肿瘤组织和代表性癌细胞系的研究中得到独立验证，这些研究一致报告在多种癌症类型中KMT5C和H4K20me3水平降低。

例如，KMT5C被确定为雌激素受体（ER）阳性乳腺癌中的肿瘤抑制因子。H4K20me3水平低的患者表现出显著较短的总生存期。在功能上，KMT5C在乳腺癌细胞中的过表达增加了已知促进细胞侵袭的Tensin-3基因上游的H4K20me3沉积。这种甲基化介导的Tensin-3抑制导致侵袭性降低，而KMT5C敲低则增强侵袭性。这些发现突出了KMT5C作为乳腺癌肿瘤进展的负调控因子。

KMT5C的下调也可能参与促进肺癌的治疗耐药。在我们自己的研究中，与治疗前的匹配组织相比，接受第三代EGFR TKI奥希替尼治疗的EGFR突变肺癌患者的肿瘤样本中KMT5C表达降低。机制上，KMT5C的缺失减少了H4K20me3在致癌长链非编码RNA LINC01510启动子处的富集，导致其去抑制以及随后MET（一个涉及已确立的EGFR TKI耐药通路的基因）的上调。尽管如此，在KMT5C耗尽的细胞中重新表达LINC01510或MET并未完全恢复TKI敏感性，这表明KMT5C缺失下游的额外途径有助于耐药性，仍有待识别。

KMT5C在癌症中功能的背景复杂性

尽管KMT5C在几种癌症中扮演肿瘤抑制因子的角色，但新出现的证据表明KMT5C介导的H4K20me3也可能在背景依赖的方式下发挥癌基因功能，这强调需要重新评估其在不同癌症类型中的作用。这种复杂性表明KMT5C-H4K20me3的功能超出了其在异染色质形成中的既定作用。确实，几项研究表明KMT5C也可以通过非经典的、HP1非依赖性的机制被招募到常染色质区域，在那里沉积H4K20me3并抑制组成型异染色质之外基因的转录。这些发现指出了识别HP1之外的KMT5C结合伙伴并表征其在常染色质区域的靶基因的重要性。

然而，关键的技术和转化挑战仍然存在。目前，没有小分子抑制剂特异性靶向KMT5C。双重KMT5B/C抑制剂A-196已被用于探究KMT5C功能，但其治疗相关性尚不确定。值得注意的是，KMT5B/C双敲除小鼠表现出产前致死性，尽管这一发现是基于条件性模型而非时间或空间可控的缺失。相比之下，KMT5C缺失小鼠是可存活的，发育正常，没有明显的表型异常，这表明选择性KMT5C抑制可能耐受性良好，加强了其作为治疗靶点的候选资格。尽管如此，缺乏KMT5C特异性抑制剂限制了我们直接评估其治疗潜力的努力。开发KMT5C特异性降解剂，如PROTACs或生长素诱导系统，对于推动该领域前进至关重要。

另一个障碍是缺乏高质量、可重复的抗体来测量内源性KMT5C蛋白水平。生成这些工具，连同定义KMT5C-H4K20me3的功能，将是验证KMT5C作为治疗靶点的关键步骤。

证据还表明H4K20me3通过可逆的去甲基化被动态调节，尽管负责的酶仍不确定。几个候选去甲基化酶已被提出：hHR23A和hHR23B，酵母RAD23的同源物，在体外去甲基化所有三种H4K20甲基化状态，它们的过表达降低了细胞中全局的H4K20甲基化。PHF2也被牵连在去甲基化由SMYD5沉积的H4K20me3中，在果蝇Schneider细胞中作为核受体共抑制因子1（NCoR）复合物的一部分以p65依赖性方式发挥作用。这些发现是否扩展到哺乳动物系统，以及它们在正常和癌症背景下对H4K20me3动态调节的贡献，需要进一步研究。这些见解可能将H4K20me3去甲基化酶定位为额外的治疗靶点。

除了其甲基化组蛋白底物的经典作用外，KMT5C也可能作用于尚未鉴定的非组蛋白底物，这些底物有助于在KMT5C失调的癌症中观察到的表型。例如，赖氨酸甲基转移酶SMYD5最近被显示甲基化核心核糖体蛋白L40（rpL40），从而改变mRNA翻译并驱动胃腺癌的肿瘤发生。这提出了KMT5C和其他赖氨酸甲基转移酶可能通过修饰非组蛋白底物来调节致癌途径的可能性，这是一个需要进一步研究的领域。

除了癌症，KMT5C-H4K20me3也被牵连在其他疾病中。KMT5C独立于其甲基转移酶活性调节肝细胞中糖异生相关基因，通过H4K20me3控制脂肪细胞中产热相关基因表达，并且在心脏病小鼠模型中H4K20me3水平降低。这些发现将KMT5C-H4K20me3的相关性扩展到代谢和心血管疾病，进一步强调了其治疗潜力。

Conclusions

综上所述，KMT5C-H4K20me3在多种癌症和其他疾病中的失调使其成为一个有吸引力但复杂的治疗靶点。实现这一潜力将需要解决KMT5C-H4K20me3功能的背景依赖性变异，阐明控制其招募和酶活性的分子机制，并开发选择性的药理学工具。最终，这些努力将决定KMT5C-H4K20me3能否被安全有效地利用作为治疗靶点。