组蛋白甲基化是调控染色质状态和基因表达的重要表观遗传机制。不同修饰位点及甲基化程度具有不同的转录效应，其异常与肿瘤发生、细胞分化障碍及基因组稳定性失衡密切相关。

        关键词：组蛋白甲基化；H3K4；H3K27；H3K79；EZH2；DOT1L；LSD1；PRMT5；表观遗传

1 组蛋白甲基化概述

1.1 核小体与组蛋白修饰

        真核细胞DNA缠绕于由H2A、H2B、H3和H4组成的组蛋白八聚体周围形成核小体，并进一步组织为不同压缩程度的染色质。组蛋白含有多个可发生翻译后修饰的赖氨酸和精氨酸残基，甲基化、乙酰化、磷酸化及泛素化等修饰可改变染色质调控蛋白的募集及核小体功能，从而参与基因表达、DNA复制和损伤修复等过程。

1.2 组蛋白甲基化的主要形式

（1）赖氨酸甲基化

        赖氨酸残基可形成单甲基化（me1）、二甲基化（me2）和三甲基化（me3）。不同甲基化程度具有独立的生物学意义，并非简单代表修饰水平依次增强。例如，H3K4me1主要与增强子状态相关，而H3K4me3主要富集于活跃基因启动子。

（2）精氨酸甲基化

        精氨酸残基可形成单甲基精氨酸，以及对称或不对称二甲基精氨酸。该过程主要由蛋白精氨酸甲基转移酶（protein arginine methyltransferase，PRMT）催化，并参与转录调控、RNA加工、DNA损伤修复及蛋白相互作用。

（3）位点依赖性转录效应

        组蛋白甲基化通常不会显著改变赖氨酸残基的电荷，其功能主要通过建立特异性蛋白识别位点实现。因此，甲基化产生转录激活还是转录抑制效应，主要取决于修饰位点、甲基化程度及相应识别蛋白，不能简单将组蛋白甲基化等同于基因沉默。

2 主要组蛋白甲基化标记

2.1 H3K4甲基化

        H3K4甲基化通常与转录活跃状态相关。H3K4me3主要富集于活跃基因转录起始位点附近，并参与转录起始复合物和染色质调节蛋白募集；H3K4me1则主要分布于增强子区域。SET1/KMT2家族是H3K4甲基化的重要催化酶，而LSD1/KDM1A及KDM5家族参与不同程度H3K4甲基化标记的去除。

2.2 H3K9与H3K27甲基化

（1）H3K9甲基化

        H3K9me2和H3K9me3通常与转录抑制及异染色质形成相关。G9a/EHMT2和GLP/EHMT1主要参与H3K9me1/2形成，SUV39H1/2则主要催化H3K9me3。H3K9me3可进一步募集HP1等蛋白，促进染色质压缩和稳定性基因沉默。

（2）H3K27甲基化

        H3K27me3是Polycomb介导转录抑制的重要标记。PRC2复合物中的EZH2或EZH1负责催化H3K27甲基化，形成的H3K27me3参与维持发育及细胞命运相关基因的抑制状态；KDM6A/UTX和KDM6B/JMJD3则参与H3K27甲基化的去除。

2.3 H3K36与H3K79甲基化

（1）H3K36甲基化

        H3K36me3主要分布于活跃转录基因的基因体区域，与转录延伸、RNA剪接、抑制异常转录起始及DNA修复有关。SETD2是哺乳动物细胞H3K36me3形成的主要甲基转移酶，NSD家族则更多参与H3K36me1/2调控。

（2）H3K79甲基化

        H3K79位于组蛋白H3球状核心区域，其甲基化主要由DOT1L催化。H3K79甲基化与活跃转录、转录延伸、DNA损伤应答及造血调控相关。DOT1L不含典型SET结构域，在组蛋白赖氨酸甲基转移酶中具有独特的催化结构。

2.4 H4K20与精氨酸甲基化

（1）H4K20甲基化

        H4K20可形成me1、me2和me3等不同甲基化状态。H4K20me1参与染色质结构和细胞周期调节，H4K20me2参与DNA损伤应答并构成53BP1募集所需染色质环境的一部分，H4K20me3则更多与异染色质及转录抑制相关。

（2）组蛋白精氨酸甲基化

        PRMT家族可催化多种组蛋白精氨酸位点。PRMT4/CARM1介导的部分不对称二甲基化与转录激活相关，而PRMT5介导的H4R3me2s、H3R8me2s等对称二甲基化可参与抑制性染色质形成及其他转录调控过程。

3 组蛋白甲基化的写入、去除与识别

3.1 组蛋白甲基转移酶

（1）赖氨酸甲基转移酶

        组蛋白赖氨酸甲基转移酶（lysine methyltransferase，KMT）主要利用S-腺苷甲硫氨酸（SAM）作为甲基供体，将甲基基团转移至特定赖氨酸残基。EZH2、SETD2、G9a和KMT2家族等多数KMT含有SET催化结构域，DOT1L则采用不同的非SET催化结构。

（2）精氨酸甲基转移酶

        PRMT家族负责催化蛋白精氨酸甲基化。Ⅰ型PRMT主要形成不对称二甲基精氨酸，Ⅱ型PRMT主要形成对称二甲基精氨酸。PRMT1、PRMT4/CARM1、PRMT5和PRMT6等均可通过组蛋白及非组蛋白底物参与转录和细胞功能调节。

3.2 组蛋白去甲基化酶

（1）LSD家族

        LSD1/KDM1A和LSD2/KDM1B属于FAD依赖性胺氧化酶。受催化机制限制，LSD家族主要去除赖氨酸单甲基和二甲基状态，而不能直接催化三甲基赖氨酸去甲基化。LSD1在不同蛋白复合物中可参与H3K4me1/2或H3K9me1/2调控。

（2）JmjC家族

        Jumonji C（JmjC）结构域去甲基化酶依赖Fe²⁺和α-酮戊二酸（α-KG）完成氧化去甲基化，可作用于包括三甲基赖氨酸在内的多种修饰状态。KDM5和KDM6家族均属于该类去甲基化酶。

3.3 甲基化识别蛋白

        组蛋白甲基化需要通过特定识别结构域转化为下游染色质效应。PHD finger、chromodomain、Tudor domain及MBT domain等可选择性识别不同甲基化残基。例如，HP1能够识别H3K9me3并促进异染色质形成，部分PHD结构域则可识别H3K4me3并参与活跃转录复合物募集。

4 组蛋白甲基化的功能调控

4.1 启动子与增强子状态

        H3K4me3和H3K4me1分别构成活跃启动子和增强子的重要表观遗传特征。不同甲基化标记能够影响转录因子、染色质重塑复合物及转录机器的募集，从而调节顺式调控元件的活性。

4.2 异染色质与转录抑制

        H3K9me3和H3K27me3参与不同类型的抑制性染色质形成。H3K9me3主要参与重复序列及组成型异染色质维持，而H3K27me3主要介导发育和细胞命运相关基因的可逆性抑制。

4.3 转录延伸与DNA损伤应答

        H3K36me3和H3K79甲基化与活跃基因的转录延伸密切相关，同时参与基因组稳定性维持。H3K36me3可影响错配修复和同源重组等DNA修复过程，H4K20甲基化状态则参与DNA双链断裂后的损伤识别和修复因子募集。

4.4 代谢状态与组蛋白甲基化

（1）SAM与SAH

        SAM是KMT和PRMT催化甲基转移反应的主要甲基供体，反应后生成S-腺苷同型半胱氨酸（SAH）。SAM与SAH水平及其比例能够影响细胞甲基转移能力，使一碳代谢与组蛋白甲基化直接关联。

（2）α-KG依赖性去甲基化

        JmjC家族去甲基化酶需要α-KG、Fe²⁺和氧参与催化，因此细胞代谢状态、氧化还原环境及缺氧条件均可影响组蛋白去甲基化过程。

（3）2-羟基戊二酸

        突变型IDH1/2可异常产生2-羟基戊二酸（2-HG）。2-HG可竞争性抑制多类α-KG依赖性双加氧酶，包括部分组蛋白去甲基化酶，从而造成异常甲基化积累并干扰正常细胞分化程序。

5 异常组蛋白甲基化与肿瘤

5.1 EZH2–H3K27me3异常

        EZH2是PRC2复合物的核心催化亚基，负责促进H3K27me3形成。部分生发中心来源B细胞淋巴瘤存在EZH2功能获得性突变，可导致异常H3K27甲基化并持续抑制分化相关基因；部分SWI/SNF复合物缺陷肿瘤也可形成对EZH2功能的特殊依赖。

5.2 KMT2A–DOT1L–H3K79异常

        KMT2A发生染色体重排后可形成多种融合蛋白。部分KMT2A融合蛋白能够异常募集DOT1L，使HOXA、MEIS1等白血病相关基因区域持续维持H3K79甲基化和异常转录，构成KMT2A重排白血病的重要表观遗传依赖。

5.3 LSD1与异常分化状态

        LSD1不仅具有组蛋白去甲基化活性，还可作为CoREST等转录复合物的重要组成部分。在部分急性髓系白血病中，LSD1参与维持异常转录网络和髓系分化阻滞。抑制LSD1可改变分化相关基因程序，因此成为表观遗传分化治疗的重要研究方向。

5.4 致癌组蛋白突变

（1）H3K27M

        H3K27M突变可干扰PRC2介导的正常H3K27甲基化，并导致H3K27me3在基因组范围内重新分布，是弥漫性中线胶质瘤的重要分子特征之一。其主要作用是重塑H3K27甲基化景观，而非简单改变单一甲基化水平。

（2）H3K36M

        H3K36M可干扰NSD家族和SETD2等相关甲基转移酶功能，导致H3K36甲基化下降并继发改变H3K27甲基化分布，说明组蛋白序列本身的改变即可驱动广泛的表观遗传重编程。

6 组蛋白甲基化靶向研究进展

6.1 Tazemetostat与EZH2抑制

（1）EZH2靶向机制

        Tazemetostat是一种SAM竞争性EZH2抑制剂，可抑制EZH2甲基转移酶活性并降低H3K27me3。其临床研究证明，异常组蛋白甲基转移酶能够形成具有实际药理干预价值的肿瘤依赖性，为组蛋白甲基化靶向治疗提供了重要临床概念验证。

（2）临床研究与监管变化

        Tazemetostat曾于2020年在美国通过加速批准用于部分上皮样肉瘤和滤泡性淋巴瘤。由于后续研究出现继发性血液系统恶性肿瘤相关安全性信号，相关美国加速批准已于2026年6月22日撤回。因此，Tazemetostat目前更适合作为EZH2可成药性的临床验证案例，而不宜继续表述为当前FDA批准治疗药物。

6.2 Pinometostat与DOT1L抑制

（1）H3K79甲基化干预

        Pinometostat（EPZ-5676）是选择性DOT1L抑制剂，可竞争DOT1L的SAM结合并降低H3K79甲基化，进而抑制KMT2A重排白血病中的HOXA、MEIS1等异常转录程序。

（2）临床研究

        早期临床研究证明DOT1L抑制能够在患者中产生明确的H3K79甲基化药效学变化，但单药抗肿瘤活性总体有限。该结果验证了DOT1L的临床可干预性，同时提示表观遗传状态重塑可能需要与其他治疗方式联合才能形成更充分的抗肿瘤效应。

6.3 LSD1抑制策略

（1）分化程序调控

        LSD1抑制可改变H3K4甲基化及相关转录复合物功能，并解除部分髓系恶性肿瘤中的异常分化阻滞。该策略的核心在于重塑异常转录和分化状态，而不仅是直接诱导细胞毒性。

（2）联合治疗

        LSD1抑制剂与低甲基化药物、维甲酸类药物及其他抗肿瘤治疗的联合研究持续推进。其开发重点包括筛选具有明确LSD1依赖性的肿瘤亚型、优化治疗窗口以及建立可预测疗效的表观遗传标志物。

6.4 PRMT5与MTAP缺失依赖

（1）MTAP缺失形成PRMT5脆弱性

        MTAP缺失可导致甲硫腺苷（MTA）积累，而MTA能够部分抑制PRMT5活性，使MTAP缺失肿瘤对进一步降低PRMT5功能更加敏感，从而形成具有基因型选择性的PRMT5依赖。

（2）MTA协同型PRMT5抑制

        MTA协同型PRMT5抑制剂利用MTAP缺失肿瘤中MTA积累形成选择性药理窗口。PRMT5同时调控组蛋白、剪接蛋白及多种非组蛋白底物，因此其抗肿瘤作用涉及精氨酸甲基化、RNA加工和转录调控等多个层面。

7 产品

7.1 组蛋白赖氨酸甲基转移酶研究产品

7.2 精氨酸甲基转移酶与组蛋白去甲基化酶研究产品

7.3 甲基化与去甲基化代谢研究产品

        组蛋白甲基化通过甲基转移、去甲基化及特异性识别共同塑造染色质状态。EZH2、DOT1L、LSD1和PRMT5等调控节点的研究表明，异常甲基化程序具有明确的药理可干预性，并已成为表观遗传精准治疗的重要研究方向。

参考文献

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