KMT5C介导的H4K20me3表观遗传调控在癌症中的双重角色与治疗前景

《Epigenetics》：Identification of blood-derived DNA methylation biomarkers of glaucoma and intraocular pressure measurements in three European ancestry cohorts including the Canadian longitudinal study on aging

本综述系统阐述了组蛋白H4第20位赖氨酸三甲基化（H4K20me3）及其关键甲基转移酶KMT5C（又称SUV420H2）在癌症中的复杂作用。传统认为KMT5C-H4K20me3主要参与异染色质形成以维持基因组完整性，但新证据表明其通过经典和非经典途径在基因转录调控中发挥关键作用，并在多种癌症中失调。文章深入探讨了KMT5C-H4K20me3在癌症中既可作为肿瘤抑制因子又可发挥致癌功能的背景依赖性，并展望了以其为靶点的治疗策略（如miRNA疗法、特异性降解剂开发）的巨大潜力，为表观遗传抗癌疗法提供了新视角。

　　

背景

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。其中，乙酰化和甲基化是研究最广泛且功能最重要的标记。组蛋白甲基化的结果高度依赖于特定位点和甲基化程度，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H3第4位赖氨酸三甲基化（H3K4me3）则通常富集于活性基因启动子。编码染色质修饰酶（包括组蛋白甲基化调节酶）的基因失调见于10-20%的癌症，凸显表观遗传重编程是癌症的新兴标志。组蛋白甲基化模式的改变被认为是肿瘤异质性的关键贡献者。

KMT5C-H4K20me3活性与染色质调控

KMT5家族成员协调H4K20的顺序甲基化。未甲基化的H4K20首先由KMT5A（又称SETD8或SET8）单甲基化生成H4K20me1，该中间体随后作为KMT5B或KMT5C的底物，分别催化形成H4K20me2和H4K20me3。尽管KMT5B和KMT5C具有显著的序列和结构相似性，但体内研究揭示它们在H4K20甲基化中扮演非冗余角色。KMT5C缺陷的小鼠胚胎成纤维细胞（MEF）显示H4K20me3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，但不影响H4K20me3。这些发现支持了体内的分工，即KMT5B主要负责生成H4K20me2，而KMT5C对H4K20me3至关重要。多项独立研究进一步支持KMT5C是跨组织和细胞的H4K20me3主要甲基转移酶的核心作用。

KMT5C介导的H4K20me3在组成型和兼性异染色质中均有功能。它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共定位。然而，新兴研究表明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。

H4K20me3沉积的经典机制

KMT5C介导的H4K20me3沉积在组成型异染色质中已得到很好表征。沉积顺序进行：SUV39H首先催化H3K9me3，后者被HP1的染色质结构域识别。HP1随后招募KMT5C，将H4K20me1转化为H4K20me3。这种HP1依赖的沉积机制在多种模型系统中是保守的。表观基因组分析显示H4K20me3与H3K9me3在异染色质区域强烈共定位，但H4K20me3的细胞遗传学条带模式与H3K9me3并不完全重叠。虽然大部分H4K20me3富集于浓缩的异染色质，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。

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

除了揭示H4K20me3沉积于缺乏H3K9me3位点的分析研究外，几条证据表明HP1并非负责将KMT5C招募至染色质的唯一因子。研究表明，KMT5C可以通过HP1非依赖的途径被招募，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。例如，KMT5C与长链非编码RNA PAPAS相互作用，后者将KMT5C招募至常染色质中的核糖体RNA（rRNA）基因座，在那里KMT5C催化H4K20me3沉积，促进染色质压缩和转录抑制。

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）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。已在KMT5C中编录了6000多个SNP，其中绝大多数尚未探索。除了基因组改变，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，在多种癌症类型中表现出异常和可变的表达。

KMT5C-H4K20me3在多种癌症中频繁下调，作为肿瘤抑制因子和药物敏感性介质

功能上，对NCI-60癌细胞系组的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缺失。这一趋势已在众多使用患者来源肿瘤组织和代表性癌细胞系的研究中得到独立验证，一致报告在多种癌症类型中KMT5C和H4K20me3水平降低。例如，KMT5C在雌激素受体（ER）阳性乳腺癌中被鉴定为肿瘤抑制因子。H4K20me3水平低的患者表现出显著较短的总生存期。在肺癌中，KMT5C下调可能参与促进治疗耐药。

KMT5C在癌症中功能的背景复杂性

尽管其在几种癌症中具有肿瘤抑制作用，但KMT5C可能在背景依赖的方式下作为癌基因发挥作用。在胰腺癌中，KMT5C-H4K20me3与细胞侵袭性增加相关。在肾细胞癌中，KMT5C通过抑制诱导凋亡的基因DHRS2来促进细胞增殖。在肝细胞癌（HCC）中，环境应激诱导KMT5C表达，促进其与DNA损伤修复（DDR）通路关键组分RAD51的相互作用。即使在同一种癌症中，KMT5C也可能根据遗传背景和肿瘤异质性表现出相反的作用。

迈向KMT5C-H4K20me3的治疗靶向：后续步骤

为实现靶向KMT5C-H4K20me3的治疗潜力，未来研究必须明确KMT5C遗传和表观遗传改变的后果、其上游调控机制及其背景特异性的功能靶点。恢复或下调KMT5C-H4K20me3的一种策略涉及基于miRNA的治疗。例如，拮抗抑制KMT5C的miRNA，如miR-29a（在多种癌症中上调），可以增强KMT5C的丰度和功能。其他脆弱性可能源于KMT5C内的体细胞突变或种系SNP。缺乏KMT5C特异性抑制剂或降解剂仍然是评估KMT5C作为治疗靶点的主要障碍。

结论

尽管传统上被视为肿瘤抑制因子，但新出现的证据表明KMT5C介导的H4K20me3也可能以背景依赖的方式表现出致癌功能，强调需要重新评估其在各种癌症类型中的作用。KMT5C也可以通过非经典的、HP1非依赖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的基因转录。然而，关键的技术和转化挑战依然存在。目前，没有小分子抑制剂特异性靶向KMT5C。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。除了其甲基化组蛋白底物的经典作用外，KMT5C也可能作用于尚未识别的非组蛋白底物。除了癌症，KMT5C-H4K20me3也与其他疾病有关。