表观遗传修饰对脂肪酸合成酶表达和蛋白水平的影响

李雅茹，周若楠，尚文斌

(南京中医药大学第一临床医学院代谢病中医研究重点实验室，南京 210023)

脂肪酸合成酶(fatty acid synthase，FASN)是含有缩合、转酰、还原、脱水等7种催化酶活性结构域的多肽链二聚体[1]。FASN是哺乳动物细胞内源性脂肪酸合成过程的重要酶系之一，也是脂肪酸从头合成的关键酶。正常机体中的FASN通常呈低表达，而代谢异常组织和细胞中的FASN呈过表达，其在许多疾病(如肥胖、2型糖尿病、非酒精性脂肪肝、肿瘤)的发展过程中起重要作用，已成为许多疾病的治疗靶点[2-3]。表观遗传指在细胞核DNA序列未发生改变的情况下，基因表达或表型发生可遗传改变，包括DNA甲基化、组蛋白修饰(甲基化、乙酰化、磷酸化、泛素化等)、非编码RNA调控、染色质重塑、核小体定位等[4]。与DNA序列的遗传信息不同，表观遗传易受外界环境的影响[5]。近年发现，表观遗传修饰与多种疾病的发生发展密切相关，这为疾病的防治提供了更多可能性。现就DNA甲基化、组蛋白修饰、翻译后修饰和微RNA(microRNA，miRNA)调控等表观遗传修饰对FASN的影响予以综述。

1 FASN的DNA甲基化修饰

广义上的DNA甲基化修饰是指DNA序列上特定的碱基在DNA甲基转移酶的催化作用下，以S-腺苷甲硫氨酸作为甲基供体，通过共价键结合的方式获得一个甲基基团的化学修饰过程。在哺乳动物中，DNA甲基化修饰大多发生在DNA序列的胞嘧啶第5位碳原子上。一般情况下，基因启动子区的高DNA甲基化意味着基因的抑制[6]。

Uriarte等[7]提取高脂高糖饮食喂养雄性大鼠的腹膜后脂肪细胞和肝脏组织，发现Fasn启动子区域的CpG位点1和5出现低甲基化，并伴有脂肪细胞肥大，肝脏组织脂肪含量和血清三酰甘油水平明显升高，给予大鼠常规饮食饲养后，Fasn启动子区域CpG位点15和16出现高甲基化，脂肪细胞肥大明显改善，肝脏脂肪含量和血清三酰甘油水平均降低。Gracia等[8]对雄性大鼠的研究发现，与常规饮食组相比，高脂高糖组附睾、肾周、肠系膜的脂肪组织重量均明显增加，其中肾周脂肪组织的DNA甲基转移酶活性显著下降，而Fasn总甲基化状态却没有明显差异，但Fasn基因的某些特定位点可以观察到甲基化状态的显著变化，如CpG -90bp位点的甲基化明显降低，Fasn表达量增加了5倍。给予高脂高糖饮食大鼠甲基供体(胆碱、甜菜碱、维生素B12和叶酸)可逆转高脂高糖饮食诱导的肝脏三酰甘油积累，改善大鼠的非酒精性脂肪性肝病(nonalcoholic fatty liver disease，NAFLD)，对Fasn启动子甲基化的分析显示，Fasn的DNA高甲基化参与了甲基供体诱导的NAFLD的改善，而Fasn不仅受到DNA甲基化的调控，其变化还与其他表观遗传修饰(如组蛋白修饰和miRNA)的调控作用有关[9]。Sievert等[10]对肥胖相关2型糖尿病的临床研究显示，高血糖组肥胖者内脏脂肪中FASN的DNA甲基化水平升高，Fasn表达下调，其中Chore和E-box序列的甲基化与Fasn基因的表达显著相关，故认为脂肪酸从头合成对全身葡萄糖稳态具有积极作用，当通过DNA甲基化抑制Fasn转录时，可能因脂肪酸产生减少而导致葡萄糖不耐受。上述研究表明，Fasn的DNA甲基化状态极易受到外部环境尤其是饮食的影响，通常DNA的高甲基化可抑制Fasn基因表达，但相关结论并不一致，其原因可能是还有其他表观遗传修饰参与了Fasn的调控。

N6-甲基腺苷是普遍存在于所有高等真核生物中的信使RNA(messenger RNA，mRNA)内部修饰，由甲基转移酶复合物和脱甲基酶调节，通过改变靶基因的表达影响相应的病理生理过程[11]。目前关于Fasn的N6-甲基腺苷修饰的研究较少。在高脂饮食小鼠中，特异性敲除甲基转移酶样蛋白3可降低Fasn的N6-甲基腺苷甲基化和总mRNA水平，进而抑制脂肪酸代谢，改善肝脏胰岛素敏感性[12]。

2 FASN的组蛋白修饰

组蛋白八聚体由各两分子的组蛋白H2A、H2B、H3和H4形成，每个游离的N端均可发生甲基化、乙酰化、泛素化、类泛素蛋白修饰分子(small ubi-quitin-like modifier，SUMO)化、磷酸化等修饰，但目前研究的FASN组蛋白修饰多为乙酰化、甲基化。组蛋白乙酰化修饰多发生在比较保守的H3、H4的N端赖氨酸上，由组蛋白乙酰转移酶和组蛋白去乙酰化酶(histone deacetylase，HDAC)共同调节。在哺乳动物中，HDAC分为四大类：Ⅰ类HDAC、Ⅱ类 HDAC、Ⅲ类Sirtuins和Ⅳ类HDAC[13]。组蛋白甲基化可发生在赖氨酸和精氨酸残基上，赖氨酸残基可发生单、双、三甲基化，而精氨酸可发生单、双甲基化，该过程由组蛋白甲基转移酶和组蛋白去甲基化酶共同调节[14]。

Du等[15]研究了组蛋白修饰与Fasn转录之间的关系以及组蛋白修饰在NAFLD中的作用，用胰岛素刺激大鼠原代肝细胞和HepG2细胞后发现，Fasn启动子出现H3、H4高乙酰化，H3K4三甲基化也显著增加，Fasn基因转录被激活，脂质生成显著增加；并分别用干扰小RNA和慢病毒敲除HepG2和肝原代细胞中固醇调节元件结合蛋白1c、碳水化合物反应元件结合蛋白，发现胰岛素诱导的高乙酰化出现逆转，而Fasn转录被抑制；进一步使用高糖刺激HepG2细胞和正常肝细胞L02，发现肝细胞脂肪生成增强，Fasn中H3和H4乙酰化、H3K4三甲基化和H3S10磷酸化增加，而H3K9和H4K20三甲基化减少，Fasn转录被激活，去除高糖刺激后，上述组蛋白修饰逆转，Fasn转录水平下降，该过程与碳水化合物反应元件结合蛋白密切相关，碳水化合物反应元件结合蛋白可促进H3和H4乙酰化、H3K4三甲基化和H3S10磷酸化，抑制H3K9和H4K20三甲基化，加速Fasn转录[16]。与正常对照组大鼠相比，高糖高脂饮食诱导的胰岛素抵抗状态大鼠肝脏Fasn转录区、增强子区和启动子区的组蛋白H3、H4乙酰化水平升高，启动子区和增强子区的H3K4单甲基化水平及转录区的H3K4三甲基化水平也升高，促进了Fasn基因和蛋白的表达，表明高糖高脂饮食可能引起Fasn组蛋白的高乙酰化和高甲基化，进而提高Fasn表达[17]。

MHY2233是一种强效沉默信息调节因子1(silent information regulator 1，SIRT1)激活剂，在db/db小鼠中，Fasn等脂肪合成基因表达增加，而给予MHY2233的db/db小鼠Fasn表达减少，脂质积聚和胰岛素抵抗改善[18]。脂代谢在癌变过程中起重要作用，FASN作为内源性脂肪生成的关键酶，对维持癌细胞的生物学特性至关重要。P300作为一种含有组蛋白乙酰转移酶催化结构域的转录激活因子，可以催化组蛋白乙酰化，在前列腺癌细胞系LNCaP中，P300与Fasn启动子中的组蛋白H3K27结合，并催化其乙酰化，在敲除P300后，Fasn启动子的乙酰化水平显著降低，同时Fasn mRNA及Fasn蛋白水平降低，细胞中脂滴的积累减少，证明P300可通过提高Fasn启动子乙酰化水平增加Fasn mRNA及Fasn蛋白的表达，从而增加脂质合成，为癌细胞的增殖和存活提供能量[19]。

综上所述，Fasn的组蛋白乙酰化修饰可正向调节其基因表达，而组蛋白甲基化对Fasn的调控则取决于修饰位点，H3K4和H3K27甲基化可促进Fasn基因表达，H3K9和H4K20甲基化则抑制Fasn基因表达。

3 FASN的翻译后修饰

翻译后修饰指蛋白质在翻译后的化学修饰，包括乙酰化、甲基化、磷酸化、泛素化、SUMO化等。泛素化是指泛素对靶蛋白的特异性修饰过程，被泛素化的靶蛋白最终被蛋白酶体降解[20]。SUMO是真核细胞中存在的一种与泛素相似的分子，SUMO化修饰与泛素化修饰类似，SUMO与靶蛋白结合可调控靶蛋白的结构和功能，而SUMO特异性蛋白酶和SUMO分子可共同调节细胞功能[21]。磷酸化修饰指ATP的磷酸根基团转移到蛋白的氨基酸侧链(丝氨酸、苏氨酸、酪氨酸)上，ATP随之变为ADP，该过程通常可逆，由激酶和磷酸酶催化调节[22]。

在人肝脏组织中，糖酵解、糖异生、三羧酸循环、脂肪酸代谢等代谢过程中的每种酶都存在乙酰化，包括FASN[23]。用HDAC抑制剂曲古霉素A处理人结肠癌细胞HCT116和人乳腺癌细胞ZR-75-30后发现，两种细胞的FASN蛋白乙酰化水平均升高2倍以上，而FASN蛋白水平降低、mRNA水平无明显变化，同时细胞内脂质含量显著降低，肿瘤细胞生长受到抑制[24]。Yu等[25]报道，酪氨酸磷酸酶Shp2可作为接头分子介导E3泛素连接酶COP1与FASN的结合，形成FASN-Shp2-COP1复合物，通过泛素化途径介导FASN降解，以控制脂质代谢。泛素特异性蛋白酶14是一种蛋白酶体相关去泛素化酶，Liu等[26]通过质谱分析筛选出的FASN是泛素特异性蛋白酶14的特异性底物。在小鼠肝脏中，泛素特异性蛋白酶14过表达使FASN去泛素化，进而增加FASN蛋白，小鼠肝脏重量和三酰甘油水平显著升高，葡萄糖耐受不良和胰岛素敏感性降低，导致肥胖小鼠的肝脏脂肪变性和胰岛素抵抗加重，故推测泛素特异性蛋白酶14可能是NAFLD及其相关疾病的治疗靶点。对结肠癌的研究发现，大黄素可增强HCT116细胞中FASN蛋白的泛素化，促使蛋白降解，从而诱导癌细胞凋亡[27]。斑纹型POZ蛋白是一种E3泛素连接酶，Gang等[28]研究发现，FASN作为野生型斑纹型POZ蛋白的底物发生泛素化和蛋白酶体依赖性降解，继而抑制前列腺癌细胞中的脂质积累和细胞生长，但突变型斑纹型POZ蛋白不能促使FASN的泛素化降解，故其对癌细胞的抑制作用不再明显。Floris等[29]发现，乳腺癌组织和细胞中的FASN发生了SUMO化修饰，在抑制SUMO化修饰后，FASN蛋白稳定性降低，乳腺癌细胞凋亡增加，认为SUMO化修饰可保护FASN蛋白免于降解，通过改变脂质代谢发挥致癌活性，是治疗乳腺癌的新靶点。人表皮生长因子受体2是研究较透彻的乳腺癌相关治疗靶点之一，其与FASN直接相互作用可促使FASN酪氨酸磷酸化，FASN活性增强，导致乳腺癌细胞侵袭性增加[30]。

由此可见，翻译后乙酰化修饰和泛素化修饰可抑制FASN蛋白表达和酶活性，而SUMO化修饰保护FASN蛋白不被降解，酪氨酸磷酸化修饰则可增强FASN活性，进而调节内源性脂肪酸的生成，对NAFLD等糖脂代谢紊乱相关疾病以及多种人类肿瘤产生影响。

4 FASN的miRNA调控

miRNA是一类研究较广泛的小分子非编码RNA[31]，主要通过mRNA降解和抑制翻译起始两种方式抑制动物mRNA的翻译，可调节60%以上蛋白质编码基因的翻译[32]。现已发现多种miRNA通过调控Fasn的基因表达影响脂质代谢，从而对糖脂代谢紊乱疾病和肿瘤疾病发挥作用。

miR-195对Fasn具有调控作用，Guo等[33]研究证实，超保守RNA uc.372可与pri-miR-195/pri-miR-4668结合并抑制miR-195/miR-4668的成熟，从而调节包括Fasn在内的脂质合成和摄取相关基因的表达，驱动肝脏脂肪变性。miR-195还可通过负调控Fasn表达抑制多种肿瘤的增殖和侵袭，包括骨肉瘤[34]、乳腺癌[35]、胰腺癌[36]、恶性脑膜瘤[37]等。miR-27a[38]和miR-103[39]通过抑制小鼠原代肝细胞中Fasn和硬脂酰辅酶A去饱和酶1基因来抑制油酸诱导的肝脏脂肪堆积，此外，miR-24[40]还可通过调节Fasn等脂质合成相关基因的表达改善肝脏脂肪变性。miR-126-3p[41]过表达可抑制Fasn的表达，从而降低乳腺管腔上皮细胞的脂质含量，影响小鼠的泌乳过程。而miR-107抑制Fasn表达后，肝脏脂质积聚加重，Bhatia等[42]的研究表明，miR-107抑制Fasn导致丙二酰辅酶A浓度增加，继而诱导内质网应激，最终加重了肝脏脂质积聚，其脂质积聚独立于脂肪酸从头合成的原因可能是脂肪酸氧化受损和脂蛋白分泌不当。

此外，二甲双胍可诱导miR-193家族成员的表达，而其家族成员miR-193b能够直接靶向Fasn，抑制Fasn的基因表达，控制蛋白表达水平，促进三阴性乳腺癌细胞的凋亡[43]。miR-320可降低非小细胞肺癌细胞中Fasn的表达，从而抑制肿瘤细胞的增殖、迁移和侵袭[44]。与癌旁组织相比，肝癌组织中miR-1207-5p的表达水平明显降低，过表达miR-1207-5p可抑制Fasn的基因表达，进而抑制肝癌细胞的生长和侵袭[45]。Wang等[46]对乳腺癌的研究发现，miR-15a和miR-16-1可通过降低Fasn的表达，从而抑制乳腺癌细胞的增殖；他们进一步使用携带Fasn基因的慢病毒感染乳腺癌细胞，以恢复被miR-15a和miR-16-1下调的FASN蛋白水平，结果发现FASN蛋白水平恢复后，miR-15a和miR-16-1对乳腺癌细胞增殖的抑制作用部分消除。miR-132可通过靶向SIRT1抑制SIRT1-固醇调节元件结合蛋白信号转导，间接抑制SIRT1-固醇调节元件结合蛋白下游基因Fasn，进而抑制胶质瘤细胞的增殖、迁移和侵袭[47]，而miR-204-5p可负调控SIRT1的表达，从而促进Fasn的表达以及乳腺上皮细胞的脂质合成[48]，这与miRNA抑制Fasn基因表达的结论存在矛盾，但是机体内环境复杂，Fasn的表达受多种调控机制的影响，miR-204-5p负调控SIRT1后，Fasn组蛋白乙酰化增加，但导致Fasn基因表达增加的机制还需要进一步研究。miR-212可通过抑制SIRT2的基因表达上调Fasn的mRNA表达，从而促进乳腺上皮细胞系的脂肪生成[49]。亮氨酸缺乏可明显提高小鼠肝脏中miR-212-5p的mRNA水平，抑制Fasn活性和蛋白水平，减少肝脏中三酰甘油的积累，而抑制miR-212-5p可逆转亮氨酸缺乏对小鼠原代肝细胞中Fasn表达和三酰甘油积累的抑制作用[50]。

5 小 结

DNA甲基化、组蛋白修饰、miRNA调控、翻译后修饰等表观遗传修饰可以影响基因表达和蛋白活性，进而导致代谢综合征、癌症等的发生，由于上述改变可逆，故可作为治疗代谢综合征、癌症等的新策略。在激素作用、转录水平、表观遗传修饰等方面对FASN调节作用的阐述有助于更深入地研究FASN的调控机制。未来，深入研究FASN表观遗传修饰调控机制及其具体表观遗传修饰过程、修饰位点有利于针对性地开发有效的FASN表观遗传修饰药物。随着表观遗传学的不断发展以及FASN的深入研究，相关疾病的防治会得到有效突破。