DNA甲基转移酶DNMT3...类常见病毒感染中的研究进展_王绪萌.pdf

病 毒 学 报CHINESE JOURNAL OF VIROLOGYVol.39No.2March 2023第 39 卷 第 2 期 2 0 2 3 年 3 月DNA甲基转移酶 DNMT3A在人类常见病毒感染中的研究进展王绪萌1，于鑫1，翟爱霞2，王燕1*（1.哈尔滨医科大学 基础医学院 微生物学教研室，哈尔滨 150081；2.中山大学 附属第八医院，深圳 518000）摘要：DNA 甲基转移酶（DNA methylationtransferases，DNMTs）是哺乳动物建立与维持基因甲基化的酶类家族，参与基因表达和调控等生物学过程。其中 DNA 甲基转移酶 3A（DNA methyltransferase 3 Alpha，DNMT3A）是机体重要 DNMTs之一，DNMT3A 突变或异常表达所诱导的基因甲基化引起机体相关因子活性失调进而诱发疾病发生，DNMT3A 介导的基因甲基化与人类常见病毒感染所致疾病密切相关。本篇综述从人类常见病毒感染宿主的角度出发，对 DNMT3A 在促进病毒感染与诱发疾病中的作用进行阐述，为进一步探究以 DNMT3A 为病毒感染性疾病治疗靶点提供参考和思路。关键词：DNA甲基转移酶；DNA methyltransferase 3 Alpha（DNMT3A）；人类常见病毒中图分类号：R117 R373.9 文献标识码：A 文章编号：10008721（2023）02058910DOI：10.13242/ki.bingduxuebao.004296近年来，表观遗传学逐渐成为科学研究领域的热点，其中 DNA 甲基化作为一种经典的表观遗传学修饰过程，与机体自身生长发育及疾病的发生发展存在一定相关性。DNA 甲基化修饰需要酶的作用，作为哺乳动物体内催化和维持 DNA 甲基化的一类酶即 DNMTs。根据结合底物的差异性大体分为 3 种类型，即 DNMT1、DNMT2 和 DNMT3。其中 DNMT1 结合底物为半甲基化 DNA，具有维持DNA 甲 基 化 的 功 能1；DNMT2 的 结 合 底 物 为tRNA，可以在转录水平对基因进行甲基化修饰；DNMT3包括 4种酶，分别为 DNMT3A、DNMT3B、DNMT3C 和 DNMT3L2。DNMT3A 和 DNMT3B可在细胞分裂初期结合未甲基化的核酸双链，催化链上新甲基化位点的出现和甲基修饰过程，行使从头甲基化功能；DNMT3C 为新发现的一种甲基转移酶，参与雄性生殖细胞系启动子的甲基化过程3；DNMT3L虽然不具有甲基转移酶的催化活性，但是可 以 调 节 其 他 甲 基 转 移 酶 的 活 性。研 究 发 现，DNMTs的异常表达，会造成甲基化状态紊乱，通常导致机体疾病发生，如 DNMTs 中的 DNMT3A，在机体内发生突变或异常表达所诱导的基因甲基化与人 类 常 见 病 毒 感 染 所 致 疾 病 密 切 相 关，因 此DNMTs可以作为某些疾病潜在预测性诊断的生物标志和治疗靶点4。1 DNMT3A的结构域现阶段，在学术领域对 DNMT3A 的研究日益增多，DNMT3A 由 912 个氨基酸残基组成，为人类染色体上第 23个外显子编码的蛋白，在哺乳动物生长发育中参与表观遗传修饰过程5。DNMT3A 可与机体多种分子相互作用，包括组蛋白甲基转移酶甚 至 是 DNMTs 家 族 中 的 酶（如 DNMT3L）。DNMT3A 包含两个保守的功能结构域，分别为 N端调节结构域及 C 端催化结构域。N 端第一个功能域由脯氨酸-色氨酸-色氨酸-脯氨酸（Pro-Trp-Trp-Pro，PWWP）构成，负责将 DNMT3A 靶向染色质区域，特别是异染色质部分，N 端另一个功能域为ATRX-DNMT3L-DNMT3A（ADD），DNMT3A 通过该结构域与 DNMT3L 相互作用以增强 DNA 甲基化活性，即 PWWP 和 ADD 结构域均可与蛋白质相互作用。C 端为催化结构域，具有 10 个基序，其中、序列高度保守，能够直接结合S-腺 苷 甲 硫 氨 酸（S-adenosylmethionine，SAM）和DNA 链，DNA 甲基化反应常开始于基序 IV（也称为 PCQ 基序），利于 DNMT3A 在细胞中进行有效的 DNA 甲基化6，7（图 1）。近年来研究表明，哺乳动物体内基因甲基化与病毒感染所致疾病密切相收稿日期：20220606；接受日期：20221111基金项目：国家自然科学基金（项目号：82072267），题目：HBV通过 LMO3/p53/SUV39H1 轴调控 SMAD9 促进 HCC 发生的分子机制研究；广东省自然科学基金（项目号：2021A1515011396），题目：肝细胞 DNMT3A在 HBV相关肝纤维化中的作用及机制研究作者简介：王绪萌（1996），女，主要从事病毒学研究，Email：通讯作者：王燕（1976），女，教授，主要从事病毒学研究，Email：开放科学（OSID）病 毒 学 报39卷关8-10，本文在 DNMT3A 调节 DNA 甲基化修饰的基 础 上，从 一 些 人 类 常 见 病 毒 感 染 宿 主 并 调 节DNMT3A 因子表达的角度，阐述病毒侵袭机体后与 DNMT3A 的相互调控机制，体现 DNMT3A 在病毒感染中所处的重要作用。2 DNMT3A与 DNA甲基化DNA 甲基化是生物体内较为常见的表观遗传机制，是保护生物体内源性遗传物质免受限制性核酸内切酶自我消化的一种手段。随着表观遗传学领域的不断深入研究，发现 DNA 甲基化模式的改变不仅与疾病的预后相关，且常与患者治疗后的生存指数密切相关11。哺乳动物 DNA 的甲基化修饰过程 主 要 发 生 在 基 因 启 动 子 的 CpG（Cytosine-guanine DNA sequence，CpG）二核苷酸内胞嘧啶的第 5 位碳原子上，约占基因组中所有 CpG 位点的70%80%。DNA 甲基化与 CpG 岛或转座因子的结合有助于下游因子的转录抑制和基因激活，从而在生长发育过程中影响谱系定型和细胞增殖。哺乳动物的 DNA 甲基化修饰过程主要由三种 DNMTs催 化，即 DNMT1、DNMT3A 和 DNMT3B，首 先DNMT3A 和 DNMT3B 建 立 DNA 从 头 甲 基 化 过程，随后 DNMT1 将甲基以复制依赖性方式维持DNA 甲基化修饰过程12，13。它们与 DNA 结合，以SAM 为甲基供体，在第 5位碳原子上催化生成甲基化的胞嘧啶14（图 2）。DNMT3A 作为经典 DNMTs之一，还可以在机体早期发育中建立基因组甲基化模式。基因启动子区域的 DNA 甲基化修饰在复杂的宿主-病毒相互作用网络中发挥着关键作用，甲基化修饰对病毒基因组的 mRNA 和蛋白质的表达存在一定影响，DNA 甲基化修饰随年龄变化及不同发育阶段的甲基化图谱不同，可作为衡量细胞状态和生物体健康状况变化的指标，因此，DNA 甲基化模式的改变常被用作预测疾病和预后治疗效果的关键生物标志物16，17。DNA 甲基化是可逆的基因修饰过程，能够通过化学药物进行调控，可作为疾病的治疗靶点，具有广泛的研究前景。目前针对逆转 DNA 甲基化的药物正在逐步开发并应用于疾病治疗。脱氧胞苷类似物5-aza-2-deoxycitidine（5-Aza-dC）与 5-Azacytidine（5-AzaC）是常见有效的 DNA 甲基转移酶非特异性治疗剂，可使 DNA 低甲基化。5-Aza-dC 和 5-AzaC 通过渗入细胞 DNA，与 DNMTs形成不可逆的共价复图 1哺乳动物 DNMT3A的结构域Figure 1Domain of DNMT3A in mammals图 2DNA甲基化修饰过程15Figure 2Modification of DNA methylation 15 5902期王绪萌，等.DNA甲基转移酶 DNMT3A在人类常见病毒感染中的研究进展合物，再经蛋白酶体途径将 DNMTs 降解，5-AzaC可 以 掺 入 DNA 或 RNA，而 5-Aza-dC 只 能 渗 入DNA，使 DNA 甲基化成为一个可逆的、循序渐进的发展过程。体内实验已证实抗癌药物和表观遗传调节剂对细胞毒性的体外协同作用，将 DNA 甲基化抑制剂用于临床治疗可减少部分甲基化相关疾病的恶性发展18。现如今，5-Aza-dC和 5-AzaC已被美国食品和药物管理局批准用于治疗骨髓增生异常综合征（Myelodysplastic syndromes，MDS），并且正在测试用于治疗许多其它实体癌及病毒感染所致疾病19。利用 5-Aza-dC 和 5-AzaC 等 DNA 甲基化抑制剂有望实现表观遗传学相关疾病的治疗，但目前缺少甲基转移酶的特异性抑制剂。3 DNMT3A与人类常见病毒在哺乳动物体内，DNMT3A 广泛存在于机体组织中，如肝脏、脾脏、胎盘、子宫和阑尾等器官，常通过 DNA 甲基化修饰充当促癌基因的角色，促进疾病的发生发展。此外，在多种实体瘤中 DNMT3A 同样呈现过度表达的趋势，包括肝癌、胃癌与口腔癌。DNMT3A 介导的 DNA 甲基化也是病毒感染机体后逃离免疫系统的重要手段之一20。DNMT3A 可调节病毒与宿主的 DNA 甲基化状态，病毒基因启动子的甲基化修饰有助于病毒在生物体内的潜伏和持续存在，这些变化有利于病毒复制或宿主防御21。但目前 DNMT3A 基因在病毒感染性疾病中的作用机制尚未完全清楚，需进一步进行探索。3.1 DNMT3A与乙型肝炎病毒乙型肝炎病毒（Hepatitis B virus，HBV）属嗜肝DNA 病毒科正嗜肝 DNA 病毒属，基因组为不完全双链 DNA。HBV 感染可诱发慢性乙型肝炎、肝硬化和肝细胞癌等疾病22，在全球范围内约有 3.5 亿人 HBV感染，已构成重大公共卫生问题。近年来相关专家指出，表观遗传修饰可能会通过影响病毒基因 的 转 录，调 节 动 物 体 内 HBV 的 感 染23，而DNMT3A 是参与诱发 HBV 相关肝脏疾病的因素之一24。HBV 的复制可诱导 DNMT3A 表达并进一步造成严重的细胞基因组损伤，使 DNA 损伤修复因子（DNA damage repair，DDR）的启动子区域发生甲基化，下调 DDR因子的表达，在转录水平使 HBV 表达 降 低，增 加 与 维 持 HBV 共 价 闭 合 环 状 DNA（Covalently closed circular DNA，cccDNA）的表达。DNMT3A 会影响 HBV 阳性细胞的细胞周期，导致G0、G1 期细胞数量减少，S 期的细胞数量增加。在HBV 相关肝癌（Hepatocellular carcinoma，HCC）发生早期，DNMT3A 通过诱导抑癌基因 p16的启动子高甲基化而促进肝癌发展25。DNMT3A 还可作为宿主抗病毒因子在暴露于 HBV的细胞中上调，进而甲基化修饰游离型 HBV cccDNA，导致病毒前基因组 RNA、mRNA 和蛋白的产生减少，抑制 HBV的转录与复制。Brezgin S 等26使用过表达 DNMT3A 的细胞，并用 DNMTs抑制剂 5-AzaC 对细胞进行药物处理，发现 5-AzaC 恢复了部分 HBV 的转录并减轻DNMT3A 对 HBV cccDNA 水平的影响，结果表明，即使 DNMT3A 大量过表达，5-AzaC 治疗也能恢复HBV pgRNA 的病毒表达，随后阻断 HBV cccDNA的增加。综上所述，DNMT3A 在 HBV 感染及肝脏损伤中起到一定促进作用，且 5-AzaC等甲基转移酶抑制剂有望用于治疗 HBV感染后机体 DNA甲基化异常，为 HBV相关肝脏疾病带来一定的治愈希望。HBV 编码蛋白的 X 蛋白（HBx）为一种多功能蛋白，是宿主基因组表观遗传发生改变的关键因素，在 HBV 慢性感染向肝癌转变的过程中参与激活各种 致 癌 信 号，可 诱 导 宿 主 基 因 和 其 自 身 病 毒cccDNA 的表观遗传调控27。最新研