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表观遗传信号传导在调节各种生物过程中起着至关重要的作用。而表观遗传途径主要由三部分组成:催化DNA、RNA和组蛋白上的各种修饰的书写者（writers），通过专门的结构域识别并结合到不同修饰的阅读器（readers），以及去除表观遗传标记的清除者（erasers）。含溴结构域蛋白4（BRD4）是溴结构域和末端外结构域 (BET) 蛋白家族中研究最多的成员，它起着表观遗传阅读器的作用。BRD4通过两个串联溴结构域 (BD1和BD2) 结合到乙酰化的染色质区域，随后招募转录延伸因子b (p-TEFb)、介质和其他转录调控因子，进而促进基因表达。BRD4的失调与人类多种癌症有关，包括急性髓系白血病(AML)以及乳腺癌。因此，BRD4是一个具有前景的抗癌治疗靶标。近年来，已经开发了许多 BET 抑制剂并在临床试验中对其进行了评估。然而，由于较大的毒性和耐药性的出现，这些BET抑制剂作为单一疗法取得的成功非常有限。

近日，美国南卡罗莱纳医科大学Wenjian Gan团队和David T. Long团队在Science Advances杂志上合作发表了题为Arginine methylation of BRD4 by PRMT2/4 governs transcription and DNA repair的研究文章。本项研究揭示了蛋白质精氨酸甲基转移酶PRMT2 和PRMT4对BRD4介导的基因转录、DNA损伤修复和肿瘤生长具有重要的调控作用。

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最近几年的研究发现蛋白精氨酸甲基化是其中一种最常见的蛋白翻译后修饰，并且是作为关键的表观遗传标记。蛋白质精氨酸甲基转移酶 (PRMT) 作为编写者在精氨酸残基上催化三种类型的甲基化：单甲基精氨酸 (MMA)、不对称二甲基精氨酸 (ADMA) 和对称二甲基精氨酸 (SDMA)。根据其催化活性，PRMT的九个成员可以分为三类：I 型 PRMT（PRMT1、PRMT2、PRMT3、CARM1/PRMT4、PRMT6 和 PRMT8）生成 MMA 和 ADMA；II 型 PRMT （PRMT5 和 PRMT9）生成 MMA 和 SDMA；PRMT7 是唯一已知的仅生成 MMA 的 III 型 PRMT。这些 PRMT 通过促进组蛋白和非组蛋白的甲基化去调节多种重要的生物学过程，包括转录、DNA 损伤反应、和信号转导。PRMT 与癌症的发生与发展以及耐药性密切相关。因此，PRMT 成为目前热门的癌症治疗靶点。相关的抑制剂正在进行临床试验。

作者首先尝试探索BRD4是否也与精氨酸甲基化存在某种联系。通过免疫共沉淀的方法作者发现BRD4能够与PRMT2及PRMT4（PRMT2/4）相互结合，形成一个三聚体。通过进一步的细胞内及体外的甲基化研究，作者发现PRMT2/4共同催化BRD4 179,181和183位点的精氨酸单甲基化。这些结果说明PRMT2/4是BRD4的重要精氨酸甲基转移酶。

BRD4不仅作为主要的基因转录调控者，同时也是基因组完整性的守护者。BRD4作为PRMT2/4的下游底物，两者应该具有相似功能。通过RNA测序分析发现PRMT2/4敲低的细胞和BRD4敲低的细胞存在相似的基因表达模式，其中包括782个下调基因和698个上调基因。基因本体 (GO) 富集分析显示这些下调基因主要集中在细胞周期、染色体组织、和染色质重塑通路，这与 BRD4 在细胞周期控制和染色质上的重要功能保持一致。值得注意的是，在最显著下调的10 个基因中，有 6 个直接或间接地参与转录调控。作者随后通过定量PCR验证了这些RNA测序结果。因此，PRMT2/4和BRD4共同调控一系列下游基因的表达。RNA测序结果同时表明DNA修复基因在BRD4敲低及PRMT2/4敲低的细胞中都明显下调。作者推测PRMT2/4介导的BRD4甲基化可能也参与了DNA损伤修复过程。研究结果显示，在etoposide（一种DNA损伤试剂）处理的细胞中，BRD4的精氨酸单甲基化进一步增强，而废除BRD4的甲基化引起严重的DNA损伤。作者进一步使用爪蟾卵提取液系统验证了PRMT2/4介导的BRD4甲基化在DNA修复中的重要作用。

BRD4主要通过识别乙酰化的组蛋白而富集到染色质上，并且作为分子平台招募转录调控蛋白和DNA损伤修复蛋白。作者发现失去精氨酸甲基化阻碍BRD4识别乙酰化的组蛋白，从而严重减弱BRD4和染色质的结合。有意思的是，DNA损伤信号能够增强BRD4精氨酸甲基化并促进BRD4富集到染色质。鉴于三个甲基化的精氨酸紧邻BD1 结构域，它们的甲基化可能导致 BRD4 局部构象变化，从而促进BRD4与乙酰化的组蛋白结合。这种可能性需要未来结构学的相关研究去证明。

PRMT2/4和BRD4在乳腺肿瘤中普遍过表达，并在乳腺癌进展中起着至关重要的作用。作者研究发现破坏BRD4精氨酸甲基化显著地抑制乳腺癌细胞的增殖，克隆形成，以及在异种移植小鼠试验中的肿瘤形成。最后，研究发现PRMT4抑制剂阻碍BRD4精氨酸甲基化，并且增强乳腺癌细胞对BRD4抑制剂及DNA损伤试剂的敏感性，表明联用这些抑制剂可能达到更好的抗癌效果。

总的来说，这项工作阐明了一个全新的BRD4调控机制：PRMT2/4介导的精氨酸甲基化促进BRD4与乙酰化组蛋白和染色质的结合，从而调节mRNA转录、DNA损伤修复和肿瘤生长。该研究也为联用PRMT4抑制剂和BRD4抑制剂治疗乳腺癌提供了理论基础。

美国南卡罗莱纳医科大学博士后Liu Liu和博士研究生Baicheng Lin为共同第一作者，Wenjian Gan 助理教授和David Long副教授为共同通讯作者。Wenjian Gan课题组主要研究蛋白翻译后修饰在细胞信号通路和癌症发展中的作用，并致力于寻找新的的药物靶点，为肿瘤治疗提供分子基础和新的策略，现诚邀对这方面研究感兴趣的博士后加入 （https://education.musc.edu/MUSCApps/FacultyDirectory/Gan-Wenjian）。

http://doi.org/10.1126/sciadv.add8928

制版人：十一

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