脳科学辞典

ヒストンメチル基転移酵素

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ヒストンメチル基転移酵素 英語名：Histone methyl transferase (HMT)

　ヒストンのメチル化は、ヒストンメチル基転移酵素（HMT）によって触媒されるが、ヒストンの特定の残基にメチル基が付加されることで、遺伝子発現、細胞周期、ゲノムの安定性、核構造の調節など、細胞の重要な機能が制御される。ヒストンメチル基転移酵素はヒストンリジンメチル基転移酵素（KMT）とタンパク質アルギニンメチル基転移酵素（PRMT）の2つに分類され、ヒストンリジンメチル基転移酵素はさらにSETドメイン型と非SETドメイン型に分類される。神経系では、ヒストンメチル基転移酵素はニューロンの発生、成熟、機能、維持に関与していることがわかっており、その異常な活性化または不活性化は、神経疾患に繋がる。

歴史・背景

　1964年にゲノムDNAのmRNAへの転写はヒストンタンパク質のリジンのε-アミノ基のメチル化によって調節されることが見出された[1]。しかし、Thomas Jenuweinらにより、最初のヒストンリジンメチル基転移酵素であるヒトおよびマウス SUV39H1 (suppressor of variegation 3-9 homolog1、KMT1Aとしても知られる) が同定、報告されたのは 2000年になってからのことであった。この酵素は、酵母からヒトまで進化的に保存されている[2]。その後、ショウジョウバエの３つのタンパク質、Su(var)3-9、Enhancer of Zeste、Trithoraxが共通して持つSETドメインとのホモロジー検索により、多くのヒストンリジンメチル基転移酵素が同定された[3][4]。一方、タンパク質アルギニンメチル基転移酵素に関しては、ヒストンタンパク質のアルギニン残基のメチル化が発見された1967年以降から現在までに哺乳類で9つが同定されている。

構造

ヒストンリジンメチル基転移酵素

　大部分が持つSETドメインは、一次配列のN末端とC末端によって形成される2つの領域からなり、それぞれSET-NとSET-Cという。それぞれの領域には、3〜4本の短いβ-ストランド、短いヘリックス、およびこれらの二次構造をつなぐいくつかのループが含まれている[5]。またSETに隣接する領域は、SETドメイン構造の安定化とともにメチル化酵素の活性に必要である[5]。

　非SETドメイン型ヒストンリジンメチル基転移酵素であるDOT1Lは、SETドメインの代わりに7βS(seven-beta-strand)ドメインを持ち、このドメインがヌクレオソーム表面に露出しているヒストン H3 の79番目のリジン残基（H3K79）に対するメチル基供与活性を持つ[6][7][8]。

　タンパク質アルギニンメチル基転移酵素は、真核生物に広く存在する酵素群であり、アルギニン残基のメチル化を触媒することによって様々な生物学的プロセスに関与する。タンパク質アルギニンメチル基転移酵素ファミリーは、共通のメチルトランスフェラーゼ（MTase）ドメインを持つタンパク質群である。タンパク質アルギニンメチル基転移酵素のMTaseドメインは、補因子であるSAM/Adometと結合して、アルギニン残基にメチル基を転移させる。また一部のタンパク質アルギニンメチル基転移酵素には、リン酸化や酸化などの修飾を介してシグナル伝達に関与するドメインも存在する[9][10]。

分類

　ドメイン構造、標的分子となるヒストン残基とメチル化の数で分類される(表1)。

ヒストンリジンメチル基転移酵素

　2つのクラスから構成され、その1つであるSET ドメインを含むクラスが、大部分を占める。もう１つのクラスは、SET ドメインを持たないDOT1L（Dot1 like protein、KMT4としても知られる）の1種類だけである[11][12]。

タンパク質アルギニンメチル基転移酵素

　メチル化機構の様式によりタイプI（PRMT1~4, 6, 8; PRMT4はCARM1とも呼ばれる）、タイプII（PRMT5, 9）、タイプIII（PRMT7）に分類される。タイプIとIIの タンパク質アルギニンメチル基転移酵素のみが、モノメチル化されたアルギニンをさらに二次メチル化する触媒作用を持ち、タイプIII タンパク質アルギニンメチル基転移酵素はモノメチル化活性のみが知られている[13]。タイプIとIIの違いは、タイプIは非対称型ジメチルアルギニン（ADMA）を形成し、タイプIIは対称型ジメチルアルギニン（SDMA）を形成する点である(図2)。タイプI タンパク質アルギニンメチル基転移酵素のうち，PRMT1は哺乳類において85%のADMAの生合成を担っている[14]。

表1. ヒストンメチル基転移酵素のドメインと標的分子による分類
標的 酵素名(供与できるメチル基)
ヒストンリジンメチル基転移酵素(SETドメイン型)
H3K4 SETD1A(me1, me2, me3)
SETD1B(me1, me2, me3)
MLL1(me1, me2, me3)
MLL2(me1, me2, me3)
MLL3(me1, me2, me3)
MLL4(me1, me2, me3)
SETD7(me1)
SMYD3(me2, me3)
PRDM9(me3)
H3K9 SETDB1(me1, me2, me3)
G9a(me1, me2)
EHMT1(me1, me2)
PRDM2(me1, me2)
SUV39H1(me2, me3)
SUV39H2(me2, me3)
H3K27 EZH1(me2, me3)
EZH2(me2, me3)
H3K36 SETD2(me1, me2, me3)
NSD1(me1, me2)
NSD2(me1, me2)
NSD3(me1, me2)
ASH1L(me1, me2)
SMYD2(me2)
ヒストンリジンメチル基転移酵素(非SETドメイン型) H3K79 DOT1L(me1, me2, me3)
ヒストンリジンメチル基転移酵素(SETドメイン型) H4K20 SETD8(me1)
SUV420H1(me2, me3)
SUV420H2(me2, me3)
タンパク質アルギニンメチル基転移酵素 H3R2 CARM1(me1, me2(a))
PRMT5(me1, me2(s))
PRMT6(me1, me2(a))
PRMT7(me1, me2(s))
H3R8 PRMT5(me1, me2(s))
H3R17 CARM1(me1, me2(a))
H3R26 CARM1(me1, me2(a))
H4R3 PRMT1(me1, me2(a))
PRMT5(me1, me2(s))
PRMT6(me1, me2(a))
PRMT7(me1, me2(s))

組織・細胞分布

　多くのヒストンメチル基転移酵素は様々な組織で発現しているが、いくつかのヒストンリジンメチル基転移酵素は組織特異的な発現、細胞特異的な発現を示す。組織特異的な発現のある主なヒストンメチル基転移酵素を表2、組織特異的な発現は示さないが、細胞特異的な発現を示すヒストンメチル基転移酵素を表3に示した。他は多くの組織、細胞で発現する。詳細はThe Human Protein Atlasを参考。

表2. 組織特異的な発現を示すヒストンメチル基転移酵素
酵素名 特異的に発現する組織 特異的に発現する細胞
PRDM9 脳、精巣上体、精巣 精母細胞
SUV39H2 精巣 初期精子細胞
EZH1 網膜
EZH2 骨髄、リンパ系組織、精巣 初期精子細胞、有糸分裂細胞（大腸）
SMYD2 心筋 心筋細胞、壁細胞（胃）、セルトリ細胞（精巣）
DOT1L 精巣 初期精子細胞
CARM1 骨格筋 脂肪前駆細胞（内臓脂肪）
PRMT8 脳、網膜、精巣 腸管内分泌細胞（大腸）、線毛上皮細胞（肺）、精子細胞
表3. 細胞特異的な発現を示すヒストンメチル基転移酵素
酵素名 特異的に発現する細胞
SETD1A 精原細胞
MLL2 精母細胞、精原細胞
SETD7 セルトリ細胞
SMYD3 脂肪前駆細胞
SETDB1 精母細胞
SUV39H1 脂肪細胞、セルトリ細胞
SETD2 精母細胞
NSD1 甲状腺細胞
NSD2 精母細胞
ASH1L 精母細胞
SETD8 角化細胞、甲状腺細胞
PRMT5 精母細胞、精原細胞
PRMT6 甲状腺細胞
PRMT9 初期精子細胞、精母細胞

分子機能

 
図1. ヒストンリジンメチル基転移酵素(KMT)のメチル化機構
AdoMet: S-adenosyl-L-methionine、AdoHcy: S adenosyl-L-homocysteine。文献[15] より改変。
 
図2. タンパク質アルギニンメチル基転移酵素素(PRMT)のメチル化機構
AdoMet: S-adenosyl-L-methionine、AdoHcy: S adenosyl-L-homocysteine。文献[15] より改変。

　

　ヒストンメチル基転移酵素は各クラスの触媒ドメインは異なるものの、いずれもメチル基供与体として S-アデノシル-L-メチオニン (SAM/Adomet) を使用する[3][16]。リジン残基にはヒストンリジンメチル基転移酵素により1～3個のメチル基が、アルギニン残基ではタンパク質アルギニンメチル基転移酵素により1あるいは2個のメチル基が付加される。モノ・ジ・トリメチル化のどの状態まで触媒するかは表1に示したようにそれぞれの特異性によって分かれている。ヒストンH3のリジン残基ではK4(4番目のリジン残基)、K9、K27、K36、K79が、アルギニン残基ではR2(2番目のアルギニン残基)、R8、R17、R26がメチル化され、ヒストンH4ではK20、R3がメチル化される。

　それぞれメチル化される残基の位置によって転写の活性化に関与するものと抑制に関与するものが存在しており、一般的にはH3K4、K36、K79、R17は転写活性化、H3K9、K27、H4K20は転写抑制に関与すると考えられている[17][8][18]。

(図1)。

タンパク質アルギニンメチル基転移酵素

　

神経細胞での機能

ヒストンリジンメチル基転移酵素

　神経幹細胞は自己複製能とニューロン、アストロサイト及びオリゴデンドロサイトへの多分化能を持っており、脳の発達と恒常性にとって重要な役割を果たしているが、神経幹細胞の増殖・複製と分化には多くのヒストンリジンメチル基転移酵素が関与している。神経幹細胞の増殖にはSetd8の関与が示唆されており、Setd8に変異を加えることで機能が失われると、脳内のH4K20モノメチル化が失われるとともに止状態にある神経幹細胞の再活性化が遅れることが報告されている[19]。また、Setd8はサイクリン依存性キナーゼ１(Cdk1)やWntシグナル経路の転写コアクチベーターであるearthbound1/jerky(Ebd1)のプロモーター領域に結合し、脳内でのCdk1およびEbd1の発現に必要であることも報告されている [20]。Setd8と同様に、Cdk1とEbd1は神経幹細胞の再活性化を促進することがわかっており、Cdk1とEbd1の過剰発現によってSetd8変異脳で観察された神経幹細胞再活性化の障害を改善できることが示されている。これらの結果からSetd8は、Wntシグナル伝達と細胞周期の進行を調節することにより、神経幹細胞の再活性化を促進すると考えられる[20]。

　神経前駆細胞からニューロンへの分化においてはSetdb1が重要な役割を果たしている。Setdb1は脳の発生初期の神経前駆細胞において高発現しており、ニューロン分化に必要な遺伝子の発現を抑制しているが、発生進行に伴いSetdb1の発現は低下するため、ニューロンへの分化が可能になる。しかし、発生初期からSetdb1が欠失すると、メカニズムは不明であるが、ニューロンへの分化と成熟に必要な遺伝子の発現が阻害され、ニューロン生成は妨げられる[21]。一方で、分化後のニューロンにおいてSetdb1を過剰発現させると、空間認知障害やうつ様行動が誘発されるなど、Setdb1はニューロンのそれぞれの分化過程において異なる作用を持っている[22][23]。

　G9aやG9a-like protein (GLP)も神経系において重要な役割を果たしている。前脳ニューロン特異的なG9aまたはGlpの欠損（ノックアウト）マウスにおいて、生後間もない状態では、明らかなニューロンの早期発達や構造上の欠陥は見られないが、生後6～8週齢のマウスでは、成熟ニューロン特異的な遺伝子発現パターンの変化や学習・記憶や意欲・報酬系の障害が見られる[24]。さらにコカインの反復曝露によって、G9aの発現レベルが側坐核 (NAc) ニューロンで特異的に低下し、H3K9me2のレベルが有意に低下する[25]。G9aの発現レベル低下を補完すると、コカインによるニューロンの形態変化、薬物依存行動としての常同行動の増加やストレスへの強い反応などに代表される行動変化は抑制される。また、NAcニューロンにおいてG9aを特異的に不活性化すると、コカインに曝露せずともニューロン形態変化が変化し、コカインに対する嗜好性も増強される。以上よりG9aの発現抑制の解除はコカインへの渇望を抑制するための効果的治療法となりうると考えられる[26]。

　Ezh2とSuv4-20hは、GFAP陽性の放射状グリア様細胞においてニューロンへの分化を共同で調節しており、両遺伝子の欠失は海馬の発達に劇的な欠陥を引き起こす（単一ノックアウトでは観察されない）[27]。また成体海馬においては、Ezh2とSuv4-20hが神経前駆細胞で異なる役割を果たすことが報告されており[28] 、Ezh2は早期分化を抑制することにより神経前駆細胞集団の維持に大きな役割を果たし、一方でSuv4-20hは神経前駆細胞の細胞周期のS期進行を仲介することで神経前駆細胞の増殖に影響を与えると考えられている[29][30]。

　Suv39h1/2によるH3K9メチル化は、成体海馬の神経前駆細胞からニューロンへの分化を制御していることがわかっている。成体海馬の神経前駆細胞におけるSuv39h1/2の薬理学的阻害は、ニューロン分化を阻害する一方で増殖を亢進させた[31]。さらに、歯状回でSuv39h1/2をノックダウンするとニューロン新生が阻害されたことから、Suv39h1/2を介したH3K9me3が成体海馬のニューロン新生に重要な役割を果たしていると考えられる[31]。

　成体での脳室下帯のニューロン新生においてはMll1が必須であり、Mll1欠損の神経幹細胞ではニューロンへの分化がほとんど起こらず、グリア系列に分化したという報告がある[32][33]。脳室下帯に存在する神経前駆細胞では、通常Dlx2遺伝子の転写開始点が高レベルのH3K4me3を有することで転写が活性化されている。一方Mll1欠損神経前駆細胞では、Dlx2遺伝子のクロマチンでこのH3K4me3が維持され、また転写抑制に関与するH3K27me3により二重にマークされることで、Dlx2の発現が抑制されている[33]。

タンパク質アルギニンメチル基転移酵素

　近年の研究により、ヒストンリジンメチル基転移酵素に加え、タンパク質アルギニンメチル基転移酵素も中枢神経系の発生や維持に関与していることが報告されており、Prmt6は、発達中のマウス大脳皮質における神経前駆細胞の分化・増殖に必須であることが明らかになった[34]。

　Prmt1はマウス胚の神経幹/前駆細胞（NS/PC）で高発現しており、NS/PCでのPrmt1のノックダウンはアストロサイトへの分化を抑制するという報告がある[35]。NS/PCのアストロサイト分化には転写因子であるsignal transducer and activator of transcription 3 (STAT3)が重要であることが知られているが[36] 、Prmt1はSTAT3のアルギニン残基をメチル化してSTAT3の転写活性化能を増強することにより、NS/PCのアストロサイト分化を促進する[35]。またPrmt1の中枢神経系特異的欠損マウスでは、野生型マウスと同様に出生するものの生後2週間ほどで死亡し、脳では成熟オリゴデンドロサイトやその前駆細胞（OPC）の減少が認められた[37]。

　Prmt5は大脳皮質の神経幹細胞発生時にSchwann cell factor 1（SC1）によって標的遺伝子にリクルートされることで、神経幹細胞の増殖能と多分化能を維持することが報告されている[38]。

疾患との関わり

脳神経系疾患

ヒストンリジンメチル基転移酵素

　Setdb1は、脳腫瘍において一般的に過剰発現され、主にヒストンH3K9me3を誘導し、腫瘍抑制遺伝子の発現を抑制する[39]。また、統合失調症やうつ病などの気分関連障害、認知障害では、Setdb1の発現が上昇し、Grin2Bの発現を抑制する[22][40]。これらの疾患では、陰性症状優位の表現型や疾患予後の悪化と関連している。さらに、ハンチントン病ではSetdb1の発現が上昇し、ハンチントン病の病因に関与する重要な遺伝子の発現低下と関連するとの報告がある[41]。

　一方、Setdb1遺伝子が欠損すると、シナプス形成に重要なIL1RAPL1 （Interleukin-1 receptor accessory protein-like 1）遺伝子のエンハンサーが活性化され、その発現が亢進する[42][43]。この遺伝子の発現亢進がASDを含む精神・神経疾患の原因である可能性が示されている。

　また、レット症候群の原因遺伝子Mecp2との関与も報告されており、レット症候群のモデル動物であるMecp2 ノックアウトマウスの、ニューロンにおけるSetdb1を介したH3K9の過度なメチル化は、MeCP2の欠損のみによる表現型を、さらに悪化させることがわかっている[44]。

タンパク質アルギニンメチル基転移酵素ファミリー

　Prmt1が神経系疾患に関与していることが報告されている。fused in sarcoma (FUS)遺伝子の変異は筋萎縮性側索硬化症 (amyotrophic lateral screlosis, ALS)の原因の１つであり、前頭側頭型認知症 (frontotemporal dementia, FTD)にも関与するが、Prmt1をノックアウトするとこれらの疾患に関連するFUS変異体による細胞毒性が増強される[45][46][47]。この結果から、Prmt1がFUSのメチル化を介して、細胞内での凝集体形成や細胞毒性の抑制に寄与することが示唆されている。

　さらにPrmt1 は、アポトーシス促進性のBCL-2 antagonist of cell death（BAD）タンパク質をメチル化することによりAktからのリン酸化を阻害し、その結果アポトーシスを亢進させることが示されている[48]。最近の報告によると、Btg1ノックアウト髄芽腫モデルマウスでは、Prmt1の発現が増加し、このPrmt1-BAD軸を介して腫瘍のアポトーシスを亢進することで、腫瘍の発生を抑制している。[49]。一方で神経膠腫細胞株においてPrmt1をノックダウンすると、細胞周期が停止し、アポトーシスに至った[50]。これらの結果は、Prmt1が様々な種類の腫瘍細胞において異なる機能を果たす可能性を示唆している。

腫瘍

ヒストンリジンメチル基転移酵素

　ポリコーム抑制複合体（PRC）は、発生過程において体の前後軸や体節を決定するホメオボックス遺伝子の発現制御にかかわるものとして知られるが、その制御には特にPRC2複合体に含まれるEzh2の作用が重要である。Ezh2は、そのヒストンメチル基転移酵素活性を使用してH3K27me3を触媒し、E-cadherin、p16INK4α、p57、PSP94などの腫瘍抑制遺伝子を抑制しており[51] 、Ezh2の過剰発現は子宮内膜がん、肺がん、黒色腫、乳がん、膀胱がんおよび結腸直腸がんにおけるがん細胞の増殖、移動、および浸潤を促進する[52][53][54]。

タンパク質アルギニンメチル基転移酵素

　タンパク質アルギニンメチル基転移酵素の過剰発現によってがんの増殖と転移を促進するとの報告がある。PRMT1は、急性骨髄性白血病における白血病細胞の増殖を促進することが示されており[55][56][57] 、他の研究では、PRMT1 の過剰発現によってE-cadherinと Twist1（TwistファミリーBHLH transcription factor 1）のメチル化を介して肺がんの転移と浸潤を促進する[58]。またPRMT1がc-GASのアルギニン残基をメチル化して二量体化を阻害し、腫瘍細胞において、自然免疫経路であるcGAS/STINGシグナルを抑制することで、腫瘍化を促進することも報告された[59]。PRMT5 については、EGFR / AKT / β-カテニンシグナル伝達経路を介して膵臓がん細胞の悪性度を高める[60]。

関連語

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