H3K9修饰的动态调控在肿瘤发生与靶向治疗中的研究进展

《Biomarker Research》：Dynamic regulation of H3K9 modifications in cancer: pathogenesis and targeted therapies

　　

摘要专业翻译 组蛋白H3第9位赖氨酸（H3K9）的翻译后修饰（PTMs）参与染色质稳态维持和转录调控，并已被证实在肿瘤进展中发挥重要作用。然而，不同H3K9修饰状态在功能上的差异、对同一赖氨酸残基的竞争性修饰，以及其对细胞环境变化的动态响应机制，目前仍未完全阐明。本综述系统总结了H3K9甲基化、乙酰化及非乙酰酰化修饰（包括乳酰化、β-羟丁酰化、丁酰化和巴豆酰化）的生化特征与酶学调控机制。研究人员探讨了这些修饰在DNA复制、转录和DNA损伤修复中的功能角色，及其与其他表观遗传调控机制之间的相互作用。研究人员进一步讨论了H3K9相关调控网络如何参与肿瘤增殖、干性维持、代谢重编程、侵袭与转移、免疫微环境重塑、治疗耐药及程序性细胞死亡等恶性生物学过程，并强调其具有环境依赖性，在某些情况下甚至表现出相反的生物学效应。最后，研究人员评估了靶向H3K9相关调控酶的临床前及临床研究进展，区分了残基特异性机制证据与更广泛的酶水平效应，并展望了基于生物标志物指导的肿瘤表观遗传治疗未来发展方向。

主体内容专业总结

H3K9翻译后修饰的景观

H3K9残基上的翻译后修饰参与染色质组织、转录调控和异染色质维持。通过改变局部染色质特性并调节下游效应蛋白的招募，这些修饰参与环境依赖性的表观遗传调控。除经典的甲基化（一甲基化、二甲基化和三甲基化）和乙酰化外，H3K9还可发生多种非乙酰酰化修饰，其沉积与去除受酶学调控因子和细胞代谢状态的共同影响。

H3K9甲基化

组蛋白赖氨酸甲基化发生在组蛋白H3和H4的多个残基上，其基因组和生物学功能由残基特异性和甲基化状态决定。H3K9甲基化与异染色质组织和转录抑制密切相关，其动态调控涉及组蛋白赖氨酸甲基转移酶（KMTs）、赖氨酸去甲基化酶（KDMs）和甲基赖氨酸结合蛋白的协同作用。

写入酶

组蛋白KMTs主要通过其保守的SET结构域介导H3K9甲基化，利用S-腺苷甲硫氨酸（SAM）作为甲基供体。哺乳动物中主要的H3K9甲基化调控因子包括SUV39H（SUV39H1/2）、EHMT（G9a/GLP）、SETDB（SETDB1/2）及部分PRDM家族成员。SUV39H1/2主要催化H3K9me3，参与组成型异染色质的建立与维持，尤其在着丝粒周围区域，支持染色体稳定性。G9a/GLP异二聚体主要催化常染色质区域的H3K9me1/2，参与转录抑制和细胞身份维持。SETDB1/2在特定基因组位点介导H3K9甲基化，其中SETDB1介导的H3K9me3尤其与内源性逆转录病毒（ERVs）及其他重复元件的沉默相关。部分PRDM家族成员通过不同机制调控H3K9甲基化，如PRDM2直接催化H3K9一甲基化，而PRDM16在特定细胞环境中与G9a/GLP协同促进H3K9甲基化和异染色质组织。

去除酶

组蛋白KDMs大致分为FAD依赖的赖氨酸特异性去甲基化酶（LSDs）和Fe2?/α-酮戊二酸（α-KG）依赖的Jumonji C（JmjC）结构域去甲基化酶。LSD1/KDM1A通过FAD依赖的胺氧化反应去除一甲基和二甲基，其催化机制需要质子化的ε-氨基，因此不能直接去除三甲基化赖氨酸。JmjC去甲基化酶利用Fe2?和α-KG依赖的羟基化反应，可去除一甲基、二甲基和三甲基化状态。KDM4家族优先去甲基化H3K9me2/3，参与染色质重塑和转录调控；KDM3A/B主要催化H3K9me1/2的去甲基化；KDM7家族成员表现出更广泛的底物特异性。值得注意的是，Hairless（HR/KDM3D）的催化活性与生物学功能之间存在环境依赖性关系，在静止态肌肉干细胞中其反而拮抗H3K9去甲基化并支持H3K9me3维持和异染色质完整性。

读取器

与乙酰化不同，赖氨酸甲基化不中和组蛋白赖氨酸残基的正电荷，而是通过为甲基赖氨酸结合蛋白创造识别位点来影响染色质组织。H3K9甲基化可被多种读取模块识别，包括锚蛋白重复序列、染色质结构域、BAH、MBT、PHD和Tudor结构域。G9a/GLP复合物体现了写入与读取功能的偶联：其锚蛋白重复结构域识别H3K9me1/2，而SET结构域催化甲基化，支持H3K9甲基化状态的传播。异染色质蛋白1（HP1）家族成员通过其染色质结构域识别H3K9me2/3，并招募参与异染色质组织和转录调控的染色质相关因子。UHRF1（ICBP90）提供了多价识别连接组蛋白甲基化与DNA甲基化的范例，其串联Tudor结构域（TTD）优先识别H3K9me3，PHD结构域结合未修饰的组蛋白H3 N端区域，SRA结构域识别半甲基化DNA，共同促进DNMT1依赖的DNA甲基化维持。

H3K9酰化

组蛋白赖氨酸酰化参与染色质调控，并与发育、应激反应和肿瘤发生相关。H3K9ac是转录活跃染色质的标志性修饰，富集于活跃启动子区域，可通过招募调控复合物促进转录延伸。除乙酰化外，乳酰化和巴豆酰化等短链酰化的发现扩展了H3K9修饰状态的多样性。不同酰基的化学结构和理化性质差异可能赋予其对染色质相互作用和调控蛋白识别的不同效应。

H3K9乙酰化

写入酶

组蛋白乙酰转移酶（HATs）根据催化结构域的结构和进化特征分为HAT1、GCN5/PCAF、p300/CBP和MYST家族。这些酶利用乙酰辅酶A（acetyl-CoA）作为乙酰供体。H3K9ac受多种HATs调控，包括KAT2A（GCN5）、KAT2B（PCAF）、p300（KAT3B）及部分MYST家族成员如KAT5（TIP60）和KAT6A（MOZ）。这些酶在偏好组蛋白底物、基因组定位和调控复合物相互作用方面存在差异，从而在不同细胞和基因组环境中对H3K9ac产生不同的贡献。

去除酶

H3K9ac的动态周转由组蛋白去乙酰化酶（HDACs）调控。根据催化机制和辅因子需求，HDACs分为Zn2?依赖的Class I（HDAC1/2/3/8）、Class IIa（HDAC4/5/7/9）、Class IIb（HDAC6/10）和Class IV（HDAC11），以及NAD?依赖的Class III去乙酰化酶（SIRT1–7）。在H3K9残基上，去乙酰化主要由Class I HDACs（HDAC1/2/3）和部分去乙酰化酶（包括SIRT1和SIRT6）介导。此外，SIRT2在特定环境中也参与H3K9ac调控。

读取器

赖氨酸乙酰化中和赖氨酸残基的正电荷，并为专门的读取蛋白创造识别位点。目前已鉴定出多类乙酰赖氨酸（Kac）结合模块，包括溴结构域（BRDs）、YEATS结构域和双PHD指结构域等。BRD4与乙酰化染色质（包括富含H3K9ac和H3K27ac的区域）结合，促进转录调控机器的招募。AF9通过其YEATS结构域识别H3K9ac，并与该修饰在全基因组范围内广泛共定位，促进H3K79甲基转移酶DOT1L的招募。ENL结合乙酰化组蛋白H3，与活跃转录基因启动子上的H3K9ac和H3K27ac共定位，其YEATS结构域介导的相互作用对RNA聚合酶II招募至关重要。

非乙酰酰化

乳酰化

自2019年被鉴定以来，组蛋白赖氨酸乳酰化已成为连接乳酸代谢与染色质和转录调控的代谢相关修饰。质谱研究已鉴定多个组蛋白乳酰化位点，包括H3K9乳酰化（H3K9la）。全基因组分析显示H3K18la富集于活跃启动子和组织特异性增强子，而H3K9la的全基因组证据相对有限。p300和KAT7/HBO1被鉴定为H3K9la的潜在写入酶，KAT8在炎症模型中与H3K9la调控相关。组蛋白乳酰化可被Class I HDACs（HDAC1–3）及部分去乙酰化酶（SIRT1–3和SIRT6）去除。在H3K9残基上，HDAC2、SIRT3和SIRT6在特定实验环境中参与去乳酰化。ACSS1和ACSS2被鉴定为乳酰辅酶A（lactyl-CoA）产生的酶，其中ACSS2介导的lactyl-CoA合成与KAT2A依赖的组蛋白乳酰化在脑肿瘤模型中偶联。

β-羟丁酰化

组蛋白赖氨酸β-羟丁酰化（Kbhb）是连接酮体代谢与染色质和转录调控的代谢相关修饰，其丰度在禁食和其他酮症状态下随β-羟丁酸（BHB）水平升高而增加。H3K9β-羟丁酰化（H3K9bhb）已在代谢适应和转录调控研究中得到关注。早期全基因组分析报道H3K9bhb富集于活跃启动子，其信号增强与禁食响应代谢基因的表达相关。p300和KAT7被报道具有β-羟丁酰转移酶活性，HDAC1和HDAC2可催化Kbhb去除。近期研究鉴定ACSS2为BHB-CoA合成酶，与KAT7协同调控H3K9bhb沉积。在BHB可用性响应中，ACSS2可转位至细胞核并在特定基因组位点与KAT7结合，提供局部生成的BHB-CoA用于KAT7介导的H3K9bhb沉积。

丁酰化

组蛋白赖氨酸丁酰化于2007年首次在组蛋白H4上鉴定，后续研究揭示了包括H3K9和H3K27在内的更多修饰位点。组蛋白丁酰化利用丁酰辅酶A（butyryl-CoA）作为酰基供体，受赖氨酸酰基转移酶和脱酰酶调控。其丰度与脂肪酸代谢密切相关，尤其是细胞内butyryl-CoA的可用性。短链酰基辅酶A脱氢酶（ACADS）在脂肪酸β-氧化过程中催化butyryl-CoA向crotonyl-CoA的转化，从而影响H3K9丁酰化（H3K9bu）可用的底物池。高脂饮食和应激已被证明可降低启动子相关的H3K9bu，而ACADS缺失则增加其丰度。

巴豆酰化

组蛋白赖氨酸巴豆酰化是一种广泛存在的酰化修饰，富集于活跃启动子和增强子，在多种实验模型中具有促进转录的作用。H3K9巴豆酰化（H3K9cr）是已鉴定的组蛋白巴豆酰化位点之一，其丰度受酶学调控和细胞crotonyl-CoA可用性影响。ACSS2参与crotonyl-CoA的产生，并与H3K9cr沉积相关。组蛋白巴豆酰化的一个显著特征是其被YEATS结构域蛋白识别，这些蛋白对巴豆酰化赖氨酸的结合亲和力可能高于乙酰化赖氨酸。AF9的YEATS结构域通过容纳巴豆酰基的芳香族结合口袋优先识别H3K9cr而非H3K9ac。酵母YEATS结构域蛋白Taf14识别H3K9cr并参与代谢周期依赖的转录调控，在营养限制期间，Taf14介导的H3K9cr识别有助于生长相关基因的周期性抑制。

H3K9 PTMs的功能多样性

在真核细胞中，基因组DNA被组织为动态染色质结构，核小体是其基本结构单位。组蛋白PTMs通过不同的生化机制参与染色质动力学和基因组稳定性维持。赖氨酸酰化可通过中和赖氨酸残基的正电荷改变组蛋白-DNA相互作用，并为调控蛋白提供识别位点；赖氨酸甲基化则主要通过招募识别特定甲基化状态的效应蛋白发挥作用。H3K9的独特之处在于其可容纳具有不同调控功能的修饰状态，包括异染色质相关的H3K9me2/3、转录许可性的H3K9ac以及多种非乙酰酰化修饰。

DNA复制

在DNA复制过程中，亲代核小体在复制叉前方解组装，并通过亲代组蛋白回收和新合成组蛋白的掺入在新生DNA上重新组装，从而实现表观遗传信息向子代细胞的传递。在芽殖酵母中，H3K9ac表现出独特的复制前波，领先于复制叉约5 kb，该复制相关乙酰化受拓扑应力增强，并依赖于乙酰转移酶Rtt109而非主要介导转录相关H3K9ac的Gcn5。H3K9甲基化也通过支持异染色质组织和复制叉稳定性参与复制相关染色质调控。在复制应激条件下，G9a与SUV39H1协同促进停滞复制叉处的H3K9甲基化和染色质压缩，保护新生DNA免受过度的降解。G9a介导的KDM3A排除维持这种保护性染色质状态，而过早的KDM3A招募则促进PRIMPOL依赖的单链DNA缺口形成和复制应激脆弱性。此外，KDM4D介导的H3K9me3去除促进复制起始因子的招募，包括CDC45、PCNA和DNA聚合酶δ，从而促进前起始复合物形成和复制起始点激活。