综述：发育与疾病中PRC2功能的新兴结构见解

《TRENDS IN Biochemical Sciences》：Emerging structural insights into PRC2 function in development and disease

本综述系统梳理了Polycomb抑制复合体2（PRC2）在表观遗传调控中的核心作用。文章聚焦于PRC2.1与PRC2.2两种主要形式的组成差异，深入阐释了其通过催化H3K27me3（H3K27三甲基化）和特异性染色质靶向实现基因沉默的分子机制，并揭示了其活性在发育过程中的精密调控及在癌症（如弥漫性中线胶质瘤DMGs）等疾病中的失调。结构生物学研究为理解PRC2的组装、变构激活（如由H3K27me3或JARID2K116me3介导）以及致癌蛋白（如H3K27M、EZHIP）和G-四链体RNA（G-quadruplex RNA）的抑制机制提供了原子分辨率的见解。

　　

PRC2功能与Polycomb抑制系统

染色质在调控基因活性中扮演核心角色，这对细胞分化和机体发育至关重要。Polycomb群（PcG）蛋白是研究染色质调控基因表达的焦点。PcG蛋白组装成两个主要的抑制性多蛋白染色质复合物：PRC1和PRC2。PRC1作为组蛋白泛素连接酶，催化组蛋白H2A第119位赖氨酸的单泛素化（H2AK119ub1），而PRC2是一种组蛋白甲基转移酶，介导组蛋白H3第27位赖氨酸的单、双和三甲基化（分别为H3K27me1、H3K27me2和H3K27me3）。H3K27me3是Polycomb抑制系统的核心，是兼性异染色质中基因沉默的标志。除了调控邻近基因，H3K27me3富集的基因组区域还可以作为沉默子，通过长程染色质相互作用抑制基因表达。

PRC2.1与PRC2.2：组成复杂性带来的多功能性

功能性PRC2由核心亚基和辅助亚基组成。PRC2核心复合物包含EZH1/EZH2、EED、SUZ12和RBBP4/RBBP7。其中，EZH1/EZH2是催化亚基。根据不同的辅助亚基，PRC2可分为PRC2.1和PRC2.2两类。PRC2.1独特地包含辅助亚基PHF1/MTF2/PHF19（也称为PCL1/PCL2/PCL3），有时还伴有EPOP或PALI1/PALI2。而PRC2.2则以存在辅助亚基AEBP2和JARID2为特征。这两种PRC2形式通常在细胞中相互排斥。研究表明，大多数辅助亚基有助于PRC2在mESCs中的特异性染色质招募，PRC2.1在干细胞中对靶位点的H3K27me3沉积贡献更大。剪接异构体为PRC2增加了另一层复杂性，例如较短的胎盘哺乳动物特异性SUZ12异构体可促进PRC2.1形成和二聚化。

组蛋白甲基化：PRC2的核心操作

PRC2的催化活性至少需要EZH2、EED和SUZ12。除了作为H3K27me3的“书写器”，PRC2也充当该组蛋白标记的“阅读器”。EED对H3K27me3的识别会导致PRC2酶活性的变构刺激，这种正反馈机制被认为有助于H3K27me3在大的抑制性染色质域中扩散以及在细胞分裂过程中向子细胞新掺入的核小体传递。PRC2的酶活性受到活性组蛋白标记H3K4me3和H3K36me3的抑制，这防止了H3K27me3不恰当地扩散到活性染色质域。此外，PRC2.1的PALI1和PRC2.2的JARID2也利用类似的变构机制来增强PRC2活性。值得注意的是，与含EZH2的PRC2相比，含EZH1的PRC2核心复合物在体外显示出显著较低的H3K27me3介导的变构刺激潜力。

PRC2酶活性的异常增益或缺失均可驱动人类疾病。某些B细胞淋巴瘤中EZH2活性位点附近的杂合突变会导致全局H3K27高甲基化。相反，EZH2的功能减退性突变也与病理状况相关。在脑肿瘤中，致癌蛋白对PRC2的抑制已成为其酶活性失调的新范式。弥漫性中线胶质瘤（DMGs）的一个关键驱动突变是组蛋白H3.1、H3.2和H3.3变体中的K27M替换。H3K27M癌组蛋白通过竞争性阻断H3K27底物来抑制PRC2，并优先与处于H3K27me3刺激状态的PRC2结合。EZHIP是另一个抑制PRC2酶活性的致癌蛋白，其包含一个模拟H3K27M的序列基序。

染色质靶向：PRC2的另一核心操作

PRC2介导的基因抑制是由其在特定基因位点的染色质靶向驱动的。PRC2可以通过与DNA的直接相互作用或识别组蛋白标记来结合染色质。PRC2.1的PHF1、MTF2和PHF19特异性结合CpG二核苷酸，这对于mESCs中CGI染色质上的H3K27me3沉积至关重要。此外，这些PCL蛋白识别活性组蛋白标记H3K36me3。同样，PRC2.2的AEBP2和JARID2结合富含H2AK119ub1的核小体，这为PRC1介导的PRC2招募提供了分子基础。

蛋白质复合物二聚化为PRC2.1的染色质靶向提供了更高层次的调控。PRC2核心复合物形成内在二聚体，MTF2和PHF19通过其RC结构域中的亚结构域稳定这种二聚体，而AEBP2则破坏它。PRC2.1的二聚体结构对其CGI染色质结合至关重要。PRC2.1特异性辅助亚基EPOP可将这些复合物从二聚体状态转换为单体状态，从而限制PRC2.1的染色质靶向。

分子功能的结构基础：从酶复合物组装到染色质修饰和细胞调控

晶体和电镜结构揭示，功能性PRC2.1和PRC2.2复合物被组织成两个不同的结构模块：催化模块（CM）和靶向模块（TM）。CM负责催化，而TM与所有辅助亚基结合，介导PRC2独立于CM的特异性染色质结合。TM在PRC2.1和PRC2.2之间存在显著差异，这可能部分解释了它们不同的染色质靶向机制和在细胞过程中的不同作用。

辅助亚基在TM上有两个不同的结合表面，这种结构排列有助于解释AEBP2与PHF19之间以及EPOP与JARID2之间观察到的相互排他性。PHF19(RC)和JARID2(TR)可以在晶体结构中共存，这可能对应于一种在缺乏AEBP2的mESCs中同时与MTF2和JARID2相互作用的杂交PRC2复合物。

PRC2.1的靶向依赖于其独特的二聚体结构，该结构通过结构域交换和MTF2/PHF19的RC结构域内的亚结构域来增强DNA结合。相比之下，PRC2.2与H2AK119ub1修饰的底物核小体结合的冷冻电镜结构揭示了PRC2.2如何被导向H2AK119ub1修饰的染色质以介导H3K27甲基化。修饰核小体上的两个泛素部分被JARID2的泛素相互作用模体（UIM）和AEBP2的串联锌指[AEBP2(Zn)]结合。

PRC2酶功能的细胞调控

变构刺激是PRC2酶活性的关键调控机制。EED的芳香笼识别H3K27me3或JARID2K116me3，并稳定EZH1或EZH2的刺激响应模体（SRM），从而促进催化。EZH1和EZH2在SRM区域的差异可能是它们变构刺激能力不同的基础。在富含双价染色质域的mESCs中，H3K4me3与H3K27me3竞争EED的芳香笼，但由于序列差异，无法稳定EZH2的SRM，从而作为拮抗剂阻断变构刺激。

除了变构刺激，PRC2酶活性还可以通过翻译后修饰被激活。CM内SUZ12(VEFS)中S583残基的CK2介导的磷酸化诱导磷酸化依赖性刺激（PDS）环发生构象变化，从而稳定S-腺苷甲硫氨酸（SAM）结合口袋。PRC2亚基还经历其他各种翻译后修饰。

G-四链体RNA通过促进PRC2.2二聚化来抑制其活性，其中EZH2(CXC)结构域位于二聚体界面，从而阻止底物核小体结合。PRC2与功能性RNA在体内的相互作用及其对酶活性和染色质招募的调节作用仍需进一步评估。