综述：蛋白质精氨酸甲基转移酶在中枢神经系统中的调控功能及临床意义

该综述聚焦蛋白质精氨酸甲基转移酶（PRMTs），探讨其通过精氨酸甲基化调控神经干细胞（NSCs）、神经元、胶质细胞的生理过程，及其失调与脑肿瘤、神经退行性疾病、神经发育障碍等的关联，为相关疾病治疗提供新方向。

　　

蛋白质精氨酸甲基转移酶的酶活与分类

细胞中精氨酸甲基化有三种状态，包括 ω-N^G,N^G- 不对称二甲基精氨酸（ADMA）、ω-N^G,N^G- 对称二甲基精氨酸（SDMA）和 ω-N^G单甲基精氨酸（MMA）。蛋白质精氨酸甲基转移酶（PRMTs）据此分为三类：Ⅰ 型 PRMTs（包括 PRMT1、2、3、4、6、8）催化生成 ADMA，其中 PRMT1 负责大部分 ADMA 产生，占细胞中 PRMTs 总活性的 85%，PRMT8 兼具磷脂酶活性；Ⅱ 型 PRMTs（包括 PRMT5、9）产生 SDMA，PRMT5 起主导作用；Ⅲ 型 PRMTs 仅有 PRMT7，专一性催化形成 MMA。ADMA 在精氨酸甲基化形式中最为丰富，SDMA 和 MMA 分别为 ADMA 水平的 10% 和 1%。

从结构上看，所有 PRMTs 都有核心设计，包含 N 端 Rossman 折叠结构域（又称 SAM 结合域）和 C 端 β- 桶结构域，后者介导形成活性酶所需的同源二聚体。不过，PRMT7 和 PRMT9 无需二聚化，因进化过程中基因复制，它们拥有两个串联 Rossman 折叠结构域，形成分子内类似同源二聚体的结构。多数 PRMTs 在细胞中广泛表达，分布于细胞质和细胞核，PRMT6 主要存在于细胞核，PRMT8 则独特地局限于大脑并定位于质膜。

PRMTs 最青睐蛋白质的精氨酸和甘氨酸重复序列（RGG/RG 基序）作为甲基化位点，CARM1（PRMT4）优先修饰脯氨酸、甘氨酸和蛋氨酸（PGM）区域内的精氨酸残基，PRMT7 则靶向 RXR 基序中的精氨酸残基，该基序通常被富含赖氨酸的氨基酸序列包围。

精氨酸甲基化在神经细胞中的功能

条件性敲除小鼠中枢神经系统中的 PRMT1 或 PRMT5，会导致小鼠在出生后 2 周内早期死亡，这表明 PRMTs 介导的精氨酸甲基化对神经发育至关重要，其在神经干细胞（NSCs）、神经元和胶质细胞中均有表达并发挥重要作用。

神经干细胞

PRMT1 对小鼠 NSCs 的增殖和存活至关重要。PRMT1 缺乏会通过增加 p53 蛋白水平和上调 p53 响应的促凋亡基因（如 Pmaip1 和 Perp）激活细胞凋亡途径，导致 PRMT1 缺陷的小鼠 NSCs 增殖能力下降，形成的神经球比对照组小。PRMT5 在 NSC 存活中也有重要作用，敲除小鼠 NSCs 中的 PRMT5 会导致包括 MDM4（已知的 p53 活性抑制剂）在内的许多前 mRNA 异常剪接，激活 p53 介导的凋亡信号通路，导致 NSCs 死亡，这些敲除小鼠脑尺寸减小并出现早期产后致死。此外，PRMT5 通过组蛋白修饰作为基因表达的调节因子参与 NSCs 增殖，其与施万细胞因子 1（SC1，又称 PRDM4）相互作用形成表观遗传调控复合物，指导 H4 在 R3 处的对称二甲基化（H4R3me2s）。

在 NSCs 分化方面，中枢神经系统特异性 PRMT1 缺乏会导致小鼠出生后生长迟缓，多数在出生后 2 周内死亡，这可能归因于 NSCs 产生少突胶质细胞谱系的扰动以及成熟少突胶质细胞的严重髓鞘形成不足，PRMT1 缺失会导致少突胶质细胞 specification 和成熟所需的几个关键转录因子（如 Olig1、Olig2、Nkx2.2 和 Sox10）表达减少。信号转导和转录激活因子 3（STAT3）是通过促进胶质纤维酸性蛋白（GFAP，星形胶质细胞标记基因）表达诱导 NSCs 向星形胶质细胞分化的关键转录因子，PRMT1 通过精氨酸甲基化增强 STAT3 对星形胶质细胞基因表达的转录激活活性，敲低小鼠 NSCs 中的 PRMT1 会抑制 Gfap 表达，损害 NSCs 向星形胶质细胞的分化，同时 PRMT1 下调会通过降低 NSCs 的干性诱导神经元样分化。PRMT4 通过在 H3 的 R17 处沉积不对称去甲基化（H3R17me2a，一种活性组蛋白标记）控制 NSCs 向星形胶质细胞的分化，该标记增强 Nanog 调节的 miR17-92 活性，促进人胚胎干细胞来源的胚状体（EBs）向星形胶质细胞命运承诺，抑制 PRMT4 活性会导致人细胞和动物模型斑马鱼中星形胶质细胞的异常形成。PRMT6 与多梳抑制复合物 1 和 2（PRC1 和 PRC2）的亚基相互作用，促进抑制性组蛋白标记 H3 在赖氨酸 27 处的三甲基化（H3K27me3）在头端 HOXA 基因（HOXA1-5）上的沉积，在全反式维甲酸（ATRA）诱导的人神经祖细胞（NPCs）NT2/D1 细胞系神经元分化过程中，PRMT6 的占据和这些基因位点上 H3 在 R2 处的不对称二甲基化（H3R2me2a）逐渐丢失，有利于 NT2/D1 的神经发生，表明 PRMT6 可能通过控制神经元分化相关基因的表达参与 NSCs 向神经元细胞的分化。PRMT7 介导的 H4R3me2s 拮抗 MLL4 在这些基因上的结合，从而抑制 RA 诱导的 NT2/D1 干细胞的神经元分化，此外，PRMT7 作为表观遗传修饰剂，可通过 H4R3me2s 修饰调节细胞周期和神经元功能相关基因（如 CDKN2A 和 SYP）的表达，参与 NPC 的增殖和分化，发现 PRMT7 缺失会抑制 NPC 群体的扩增，但促进它们向神经元分化。

神经元细胞

在神经元形态发生方面，小鼠 Neuro2a 细胞中 PRMT1 的下调抑制了血清剥夺条件下的神经突生长，表明 PRMT1 对神经元形态发生的作用，在大鼠海马神经元中，抑制 PRMT1 活性会降低轴突生长和树突复杂性，PRMT1 还参与对轴突和树突生长至关重要的高尔基体组织，其可甲基化 SCY1 样假激酶 1（SCYL1）的 C 端结构域，该修饰对于其与衣被蛋白复合物 I（COPI）γ₂-COP 亚基的相互作用以促进高尔基体组织是必需的。PRMT2 对神经元的树突发生至关重要，肌动蛋白成核因子 Cordon-bleu（Colb）在树突和树突分支形成中起关键作用，PRMT2 作为 Colb 的结合伴侣，催化其 C 端结构域甲基化，促进 Cobl 与肌动蛋白的结合，有助于树突 Arbor 形成，因此，在从小鼠分离的海马神经元中过表达 PRMT2 会增加树突和树突分支点的数量，而敲低 PRMT2 则会产生相反的效果。PRMT3 调节核糖体蛋白 S2（rpS2）的稳定性，影响核糖体成熟，其与 rpS2 的相互作用协同支持神经营养因子激活后树突中钙 / 钙调蛋白依赖性蛋白激酶 IIα 亚基（αCaMKII）的局部翻译，因此，大鼠海马神经元中 PRMT3 下调会导致 BDNF 刺激后 αCaMKII 丰度增加失败，从而减少脊柱面积。PRMT4 富集于突触后膜的突触后密度（PSD），并与大鼠海马神经元中的突触后标记 PSD95 共定位，遗传或药理学抑制 PRMT4 会导致突触中关键突触后蛋白（包括 PSD95 和 N - 甲基 - D - 天冬氨酸受体亚基 2B（NR2B））的簇大小显著增加，同时伴随树突结构的复杂性增强，表明 PRMT4 可能通过 PSD 蛋白的精氨酸甲基化修饰调节树突形态和突触形成，此外，PRMT4 可通过甲基化 RNA 结合蛋白 HuD 参与神经突发生，HuD 是一种通过结合含有富 AU 元件的 mRNA 以防止其降解从而对神经元分化起关键作用的因子，PRMT4 介导的 HuD 甲基化不利于其与 p21^cip/waf1mRNA 的相互作用，导致 p21^cip/waf1mRNA 稳定性降低，因此，PRMT4 缺失的 PC12 细胞具有增加的 p21^cip/waf1蛋白丰度，导致细胞周期停滞，并在神经生长因子的刺激下加速神经突生长。PRMT8 主要定位于神经元突触，参与树突棘成熟，其介导的树突 RNA 结合蛋白 G3BP1 的甲基精氨酸抑制 Rac1-PAK1 信号传导，控制突触肌动蛋白动力学，PRMT8 缺失的小鼠皮质神经元表现出 F - 肌动蛋白周转减少和树突棘形态缺陷，丝状伪足和轴突突触数量增加，此外，PRMT8 依赖其磷脂酶活性调节小鼠浦肯野细胞的树突形态发生，PRMT8 敲除小鼠表现出异常的运动行为以及异常的树突 Arborization 和小脑结构改变，PRMT8 缺失时，观察到磷脂酰胆碱增加和包括胆碱和磷脂酸在内的水解产物减少，表明 PRMT8 介导的磷脂酰胆碱水解不足可能导致这种表型。PRMT9 在神经元形态发生和活动中起关键作用，尤其是在突触发育和功能方面，其通过甲基化关键剪接因子 SF3B2 调节 RNA 剪接，影响突触功能相关基因（如 Grin1）的外显子包含或跳过，因此，海马神经元中 PRMT9 敲除会导致异常的突触形态，包括脊柱密度和大小减少。

在神经元活动方面，PRMT1 通过调节 KCNQ2 钾通道的活性被认为是神经元兴奋性的调节因子，其催化 KCNQ2 的精氨酸甲基化，促进其与磷脂酰肌醇 - 4,5 - 二磷酸（PIP2）的相互作用，而 PIP2 是该通道活性所必需的，因此，Prmt1 杂合小鼠的海马神经元表现出 KCNQ2 通道活性降低和神经元过度兴奋性增加。在秀丽隐杆线虫中，PRMT5 通过甲基化 G 蛋白偶联受体（GPCR）DOP-3（一种与人类 D2 多巴胺受体同源的 D2 样多巴胺受体）介导感觉和运动神经元对环境刺激的反应，其在化学感觉和运动行为中起关键作用，表达突变 PRMT5 的蠕虫对稀释的辛醇过敏，遇到食物时基础减慢，此外，PRMT5 还可以甲基化另一种 GPCR SER-2 酪胺受体，其与人类对应物共享保守的精氨酸甲基化基序，以调节秀丽隐杆线虫的运动，秀丽隐杆线虫神经元中 PRMT5 的调节作用暗示其可能也参与人类神经元功能的调节。NALCN 是建立神经元静息膜电位（RMP）的关键因素，PRMT7 通过催化其甲基化抑制 NALCN 活性，从而降低神经元兴奋性，因此，缺乏 PRMT7 的小鼠海马齿状颗粒细胞表现出过度兴奋性，RMP 去极化，阈值电流降低，兴奋性增加，PRMT7 还调节 Shank3 的表达，Shank3 是 HCN 通道蛋白的支架蛋白，以控制小鼠海马 CA1 神经元中 HCN 通道的数量，当小鼠 PRMT7 功能缺陷时，CA1 神经元表现出更高的极化静息电位和输入电阻。PRMT8 在神经元功能中也起关键作用，其缺失会导致小鼠海马中 NMDA 受体亚基 GluN2A 显著减少，导致 GluN2A 介导的电流减少，对这些 PRMT8 缺陷小鼠的电生理记录显示兴奋性突触功能和可塑性缺陷。

胶质细胞

PRMT1 在胶质细胞的发育和功能中起关键作用，大多数脑内条件性缺失 PRMT1 的小鼠在出生后 2 周死亡，在这些小鼠中，少突胶质细胞祖细胞（OPCs）、前髓鞘少突胶质细胞和成熟少突胶质细胞的数量显著减少，此外，成熟少突胶质细胞严重髓鞘形成不足，而且，小胶质细胞 PRMT1 缺陷的小鼠在杯状酮饮食诱导的脱髓鞘后表现出再髓鞘化失败，其特征是在再髓鞘化阶段小胶质细胞增生、星形胶质细胞增生延长，以及 OPCs 积累减少，PRMT1 缺失导致主要组织相容性复合体（MHC）相关基因启动子中 H3 在赖氨酸 27 处的活性组蛋白标记乙酰化（H3K27ac）沉积减少，损害其转录程序，最终导致有效再髓鞘化所需的 MHC 相关小胶质细胞丢失，PRMT1 还参与小鼠出生后小胶质细胞增生和星形胶质细胞增生，PRMT1 敲除小鼠在出生后 8 天表现出显著增强的星形胶质细胞和小胶质细胞反应性。

抑制分化或 DNA 结合 2（Id2）和 Id4 是已知的少突胶质细胞分化抑制剂，作为表观遗传调节因子，PRMT5 介导的 H4R3me2a 修饰通过增加其 CpG 区域的 DNA 甲基化抑制它们的表达，在 PRMT5 下调的大鼠 OPCs 中，Id2 和 Id4 的表达增加会扰乱少突胶质细胞的成熟，此外，PRMT5 可通过 H4R3me2s 沉积抑制组蛋白相邻赖氨酸残基的乙酰化，影响许多少突胶质细胞发育关键基因的表达，在 PRMT5 缺陷的 OPCs 中，少突胶质细胞特征基因显著下调，而参与 p53 信号通路的基因上调，导致成熟少突胶质细胞显著减少以及严重的髓鞘形成不足，另外，PRMT5 可以甲基化血小板衍生生长因子受体（PDGFRα），其在 OPCs 的增殖、迁移和少突胶质细胞的承诺中起关键作用，这种甲基精氨酸降低了 Cbl E3 连接酶对 PDGFRα 的亲和力，保护 PDGFRα 不被降解，因此，缺乏 PRMT5 的小鼠在质膜处 PDGFRα 水平降低，导致成熟少突胶质细胞减少、髓鞘形成异常，并在出生后 3 周死亡。

PRMTs 与神经系统疾病的联系

原发性脑肿瘤

胶质母细胞瘤（GBM）和髓母细胞瘤（MB）是中枢神经系统中最常见的恶性原发性脑肿瘤，分别是儿童和年轻人癌症相关死亡的主要原因，PRMTs 在 GBM 中经常上调，PRMT 水平升高的患者通常预后较差。

在 GBM 中，PRMT1 在肿瘤细胞中上调，与患者预后不良相关，下调 GBM 细胞系中的 PRMT1 会导致增殖减少和凋亡增加，PRMT1 缺失的裸鼠异种移植物显示肿瘤生长减少，最近的一项研究发现，IDH1 突变的胶质瘤中 PRMT1 表达及其相关的组蛋白修饰 H4R3me2a 减少，损害炎症和自噬关键因子 PTX3 的转录激活，PRMT1 介导的激活不足导致铁蛋白吞噬和自噬通量增加，这可能解释了 IDH1 突变胶质瘤患者的较好预后，因此，靶向这个 PRMT1-PTX3 轴可能提供治疗机会，特别是在增强胶质瘤细胞