1992 年，Renyolds 等從成年小鼠紋狀體中分離得到能在體外不斷增殖且具有多向分化潛能的細(xì)胞群，表明在成熟神經(jīng)系統(tǒng)中也存在神經(jīng)干細(xì)胞（neural stem cell，NSC）。研究顯示，NSC 不僅存在于胚胎早期的腦室和腦室下區(qū)，也存在于發(fā)育成熟的腦組織內(nèi)，主要分布于室管膜下區(qū)（subventricularzone，SVZ）和海馬齒狀回顆粒細(xì)胞下層（subgranularzone，SGZ）。NSC 是一種多能干細(xì)胞，終生保持增殖和分化潛能，在一定分化條件下能分化為神經(jīng)元、星形膠質(zhì)細(xì)胞和少突膠質(zhì)細(xì)胞。在哺乳動(dòng)物發(fā)育過(guò)程中，神經(jīng)系統(tǒng)發(fā)育過(guò)程受內(nèi)、外多重因素調(diào)節(jié)，其中表觀遺傳學(xué)調(diào)節(jié)是 NSC 分化過(guò)程中的一種重要調(diào)節(jié)方式。表觀遺傳學(xué)研究的內(nèi)容是調(diào)控遺傳物質(zhì)表達(dá)而不改變遺傳基因 DNA 序列所引起的表型變化的過(guò)程及機(jī)制，主要包括 DNA 甲基化、組蛋白修飾、染色質(zhì)重塑、基因印記等。其中，組蛋白修飾包括組蛋白乙?；?、甲基化、磷酸化和泛素化等。這些修飾可影響組蛋白與 DNA 的親和性而改變?nèi)旧|(zhì)狀態(tài)，也可影響轉(zhuǎn)錄因子與 DNA 序列的結(jié)合，對(duì)基因表達(dá)調(diào)控具有類(lèi)似 DNA 遺傳密碼的作用，故被稱(chēng)為“組蛋白密碼”。以往針對(duì)組蛋白乙?；难芯枯^多，認(rèn)為它是基因保持活化狀態(tài)的前提。然而，越來(lái)越多的研究表明，組蛋白甲基化修飾在 NSC 分化過(guò)程中同樣起著關(guān)鍵作用。

1 組蛋白甲基化

1.1 組蛋白

在真核生物中，核小體是染色質(zhì)的基本結(jié)構(gòu)單位，由 DNA 和組蛋白共同構(gòu)成。核心組蛋白是由 H2A、H2B、H3 和 H4 各 2 個(gè)分子形成的八聚體，與其上纏繞的 146 bp DNA 雙螺旋分子構(gòu)成了核小體的核心顆粒，核心顆粒之間再由長(zhǎng)約 60 bp 的 DNA 和組蛋白 H1 連接起來(lái)形成串珠樣結(jié)構(gòu)。通常情況下，組蛋白的 N 末端可發(fā)生磷酸化、乙?；?、甲基化、泛素化等多種修飾。

1.2 組蛋白甲基化與組蛋白甲基化酶

組蛋白甲基化主要發(fā)生在 H3 和 H4 組蛋白 N 末端的賴氨酸或精氨酸殘基上，由組蛋白甲基轉(zhuǎn)移酶（histone methyltransferase，HMT）催化，該酶分為組蛋白賴氨酸甲基轉(zhuǎn)移酶（histone lysine methytrans-ferase，HKMT）和組蛋白精氨酸甲基轉(zhuǎn)移酶（histonearginine methyltransferase， HRMT）2 個(gè)家族。HKMT 包括果蠅 Su（var） 3-9、Ashl 以及哺乳動(dòng)物 Suv39H1、Suv39H2、G9a、G9a 相關(guān)蛋白、SETB1/ESET、MLL、SET7/Set9、NSD1、EZH2 等，其甲基化修飾通常發(fā)生于組蛋白 H3 的 4 位、9 位、27 位、36 位和 79 位賴氨酸殘基（H3 K4、H3 K9、H3K27、H3 K36、H3 K79）以及組蛋白 H4 的 20 位賴氨酸殘基（H4K20）。通常認(rèn)為，H3 K4、H3 K36 和 H3K79 的甲基化修飾介導(dǎo)基因轉(zhuǎn)錄活化，而 H3 K9、H3 K27 和 H4K20 的甲基化修飾則介導(dǎo)轉(zhuǎn)錄抑制。

HRMT 包括 PRMT5、PRMT1 和 CARM1 等，其甲基化修飾通常發(fā)生于組蛋白 H3 的 2 位、8 位、17 位和 26 位精氨酸殘基（H3R2、H3R8、H3 R17、H3R26）以及組蛋白 H4 的 3 位精氨酸殘基（H4R3）。一般來(lái)說(shuō)，精氨酸甲基化與基因激活有關(guān)，HRMT 作為協(xié)同刺激因子被招募到靶基因的啟動(dòng)子區(qū)促進(jìn)基因表達(dá)，若精氨酸的甲基化丟失，則與基因沉默相關(guān)。也有研究顯示，PRM T5 可催化 H4R3 發(fā)生不對(duì)稱(chēng)二甲基化，DNA 甲基化酶 DNMT3A 可結(jié)合到這一修飾位點(diǎn)，催化鄰近區(qū)域 DNA 甲基化，進(jìn)而導(dǎo)致基因沉默。

根據(jù)殘基上甲基化基團(tuán)數(shù)量的不同，又可分為一甲基化（mel）、二甲基化（me2）和三甲基化（me3）修飾，其中精氨酸甲基化包括一甲基化（mel）、對(duì)稱(chēng)二甲基化（me2s）和非對(duì)稱(chēng)二甲基化（me2a）等 3 種修飾形式。

1.3 組蛋白去甲基化與組蛋白去甲基化酶

像其他轉(zhuǎn)錄后修飾一樣，組蛋白甲基化也是可逆的。2004 年，Shi 等首次發(fā)現(xiàn)了組蛋白去甲基化酶 LSD1，它是一種黃素腺嘌呤二核苷酸依賴性單胺氧化酶，通過(guò)氨基氧化作用使 H3 K4me/H3 K4me2 去甲基化。隨后的研究顯示，含有 JmjC 結(jié)構(gòu)域的蛋白家族是另一類(lèi)以 Fe 和α- 酮戊二酸為輔因子的去甲基化酶，其家族成員可使 H3K、H3K9 和 H3 K36 等多個(gè)位點(diǎn)去甲基化。例如，JHDM2（主要為 JHDM2A 和 JHDM2B）是 H3K9 的特異性去甲基化酶，可識(shí)別 H3K9me2 和 H3K9mel：JHDM3A/JMJD2A 可催化 H3 K9me3/2 以及 H3 K36me3/2 去甲基化。

2 組蛋白甲基化對(duì) NSC 分化的影響

在脊椎動(dòng)物胚胎發(fā)育過(guò)程中，機(jī)體是如何一方面調(diào)控中樞神經(jīng)系統(tǒng)神經(jīng)元分化，另一方面抑制非神經(jīng)組織中神經(jīng)元分化相關(guān)基因表達(dá)的呢？研究顯示，RE-1 轉(zhuǎn)錄沉默因子（RE-1 silencing transcriptionfactor，REST）通過(guò)識(shí)別 MED19/MED26 募集組蛋白甲基化酶 G9a 催化 H3K9me2 來(lái)限制神經(jīng)元的相關(guān)基因表達(dá)，從而抑制非神經(jīng)元細(xì)胞和神經(jīng)祖細(xì)胞（neural progenitor cell， NPC）的相關(guān)神經(jīng)基因表達(dá)；在空間上抑制非神經(jīng)組織中的神經(jīng)相關(guān)基因表達(dá)可能有利于神經(jīng)元的定點(diǎn)分化，而在時(shí)間上抑制 NPC 的相關(guān)神經(jīng)基因表達(dá)可能有利于促進(jìn) NPC 增殖。Sen 和 Snyder 的研究顯示，在哺乳動(dòng)物甲基化酶 SUV39H1 缺乏時(shí)，可通過(guò)一氧化氮（nitric ox-ide，NO）依賴性通路下調(diào) H3K9 三甲基化，有利于 H3K9 乙?；?，從而增強(qiáng) cAMP 反應(yīng)元件結(jié)合蛋白（cAMP response element-binding CREB）相關(guān)的轉(zhuǎn)錄表達(dá)，通過(guò)腦源性神經(jīng)營(yíng)養(yǎng)因子和神經(jīng)生長(zhǎng)因子調(diào)節(jié)神經(jīng)突生長(zhǎng)。Dpy-30 是 SET1/MLL 組蛋白甲基化酶復(fù)合物的核心亞基，它直接調(diào)節(jié)整個(gè)哺乳動(dòng)物基因組的 H3 K4 三甲基化。研究顯示，Dpy-30 能促進(jìn)胚胎干細(xì)胞向神經(jīng)元分化。那么，Dpy-30 在 NSC 分化過(guò)程中是否同樣起作用呢？應(yīng)用 P19 細(xì)胞進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)表明，iBRAF 可通過(guò)在神經(jīng)元特異基因啟動(dòng)子上募集組蛋白甲基化酶 MLL 促進(jìn) H3 K4 甲基化，從而對(duì)抗 REST 介導(dǎo)的轉(zhuǎn)錄抑制并激活神經(jīng)元分化基因，使得突觸蛋白表達(dá)上調(diào)。REST 介導(dǎo)的基因沉默調(diào)節(jié)機(jī)制失控與多種人類(lèi)疾病相關(guān)，其中包括亨廷頓病、X 連鎖精神發(fā)育遲滯等。

Ezh2 是 H3 K27 甲基化酶，在增殖的 NSC 中高度表達(dá)，而當(dāng) NSC 向神經(jīng)元分化時(shí)表達(dá)下調(diào)，在向星形膠質(zhì)細(xì)胞分化時(shí)則完全受到抑制；然而，當(dāng)向少突膠質(zhì)細(xì)胞分化時(shí)，Ezh2 表達(dá)卻仍然很高，這可能與調(diào)控少突膠質(zhì)祖細(xì)胞（oligodendrocyte precursorcell，OPC）增殖有關(guān)。NSC 的自我更新和分化是一個(gè)相互聯(lián)系和相互制約的整體過(guò)程，合理調(diào)控對(duì)于神經(jīng)系統(tǒng)發(fā)育至關(guān)重要。Pereira 等的研究顯不，Polycomb 抑制復(fù)合物 2（Polycomb repressivecomplex 2，PCR2）的組蛋白甲基化酶 Ezh2 功能喪失可消除皮質(zhì)祖細(xì)胞 H3K27me3 的抑制標(biāo)志，從而促進(jìn)基因表達(dá)，使皮質(zhì)祖細(xì)胞向分化轉(zhuǎn)變。盡管在這種情況下神經(jīng)發(fā)生和膠質(zhì)發(fā)生還相當(dāng)保守，但神經(jīng)發(fā)生的時(shí)機(jī)、不同細(xì)胞類(lèi)型的相對(duì)數(shù)量和向膠質(zhì)發(fā)生的轉(zhuǎn)化均發(fā)生改變，縮短祖細(xì)胞的神經(jīng)發(fā)生時(shí)間，減少神經(jīng)元的產(chǎn)生，過(guò)早向膠質(zhì)細(xì)胞轉(zhuǎn)化。miR-137 是干細(xì)胞的核心轉(zhuǎn)錄因子，在體內(nèi)外均以劑量依賴性方式介導(dǎo)成體 NSC 的增殖和分化。miR-137 過(guò)度表達(dá)會(huì)促進(jìn)成體 NSC 增殖，而減少 miR-137 表達(dá)則會(huì)促進(jìn)成體 NSC 向神經(jīng)元和膠質(zhì)細(xì)胞分化。進(jìn)一步的研究顯示，MeCP，介導(dǎo)調(diào)節(jié) miR-137 轉(zhuǎn)錄可抑制 Ezh2，導(dǎo)致整體 H3 K27m3 減少，引起表觀遺傳改變。這恰好與 Ezh2 在增殖中的 NSC 中高度表達(dá)的結(jié)論相反，可能說(shuō)明 Ezh2 只是與神經(jīng)形成有關(guān)的 m1R-137 靶目標(biāo)之一，也可能是一種負(fù)反饋調(diào)節(jié)方式，具體機(jī)制有待進(jìn)一步證實(shí)。

目前，針對(duì)組蛋白精氨酸甲基化的研究并不太多，尚不清楚組蛋白精氨酸甲基化在皮質(zhì)發(fā)育過(guò)程中的具體機(jī)制。小鼠胚胎免疫熒光實(shí)驗(yàn)顯示，2 種不同類(lèi)型的 H3R4 甲基化（對(duì)稱(chēng)和不對(duì)稱(chēng)甲基化）在胚胎大腦皮質(zhì)發(fā)育和分化過(guò)程中各細(xì)胞階段的出現(xiàn)時(shí)序不同，H4R3me2s 與未分化 NPC 相關(guān)，而 H4R3 me2s 和 H4R3me2a- 起成為有絲分裂后神經(jīng)元和部分處于分化狀態(tài)的 OPC 的標(biāo)記物。這意味著不同形態(tài)的精氨酸甲基化在皮質(zhì)發(fā)育過(guò)程中都起著重要作用。一方面，Ⅱ型精氨酸甲基化酶 PRMT5 催化生成 H4R3me2s，并抑制早期神經(jīng)發(fā)育分化基因，從而促進(jìn)細(xì)胞增殖；另一方面，Ⅰ型精氨酸甲基化酶 PRMT1 在皮質(zhì)發(fā)育過(guò)程中與 NPC 分化為神經(jīng)元有關(guān)。

3 組蛋白去甲基化對(duì) NSC 分化的影響

多年來(lái)，組蛋白甲基化作用一直被認(rèn)為呈不可逆性，組蛋白去甲基化酶的發(fā)現(xiàn)大大豐富了組蛋白修飾的復(fù)雜性。在調(diào)控 NSC 增殖方面，組蛋白去甲基化也起著關(guān)鍵作用。LSD1/KDM1 是哺乳動(dòng)物中催化 H3K4me/me2 去甲基化的特異性酪氨酸去甲基化酶。LSD1 可作為 NSC 增殖的關(guān)鍵調(diào)節(jié)因子，它被募集到核受體 TLX 下游靶基因啟動(dòng)子上，協(xié)同組蛋白去乙?；?5（histone deacetylase 5，HDAC5）共同抑制 p21 和 pten 基因表達(dá)，促進(jìn) NSC 增殖；在小鼠大腦皮質(zhì)發(fā)育過(guò)程中，LSD1/KDM1 可引起神經(jīng)元特定的剪切變異體，動(dòng)態(tài)調(diào)控皮質(zhì)發(fā)育，同時(shí)也影響早期神經(jīng)突的形態(tài)發(fā)生。在小鼠模型中，去甲基化酶 Fbx110/KDM2b 可促進(jìn) NPC 增殖。

NSC 的增殖和分化是一個(gè)密不可分的整體，只有清楚地理解它們之間的關(guān)系才能更好地闡述組蛋白去甲基化調(diào)控 NSC 分化的機(jī)制。PHF8（一種含 JmjC 結(jié)構(gòu)域的蛋白）在細(xì)胞內(nèi)能催化 H3K4me3/me2 和 H3K9me2/mel 去甲基化，相當(dāng)于維甲酸受體α共激活劑，從而促進(jìn)小鼠維甲酸誘導(dǎo)的 P19 細(xì)胞向神經(jīng)元分化，這可能與誘導(dǎo)神經(jīng)發(fā)生的關(guān)鍵轉(zhuǎn)錄因子生成有關(guān)。KIAA1218（KDM7A）也是 PHF8 家族成員，能催化 H3K9me2 和 H3K27me2 去甲基化。在小鼠胚胎干細(xì)胞中，神經(jīng)分化早期階段的 KIAA1718 表達(dá)上調(diào)，通過(guò)激活 FGF4-ERK1/2 信號(hào)調(diào)控神經(jīng)元分化。

JMJD3 是 H3K27 特異性去甲基化酶，控制神經(jīng)發(fā)生的關(guān)鍵調(diào)控因子和標(biāo)記物的表達(dá)，為神經(jīng)細(xì)胞系定型所必需。骨形態(tài)發(fā)生蛋白（bone morphogeneticprotein，BMP）在脊椎動(dòng)物周?chē)椭袠猩窠?jīng)系統(tǒng)發(fā)育中起著關(guān)鍵作用。BMP 信號(hào)通路過(guò)度激活可通過(guò)募集 JMJD3 到 Noggin（一種由 H3K27me3 調(diào)控的細(xì)胞外 BMP 抑制劑）基因啟動(dòng)子上使 H3K27me3 去甲基化，觸發(fā) Noggin 表達(dá)，從而抑制 BMP 表達(dá)，形成負(fù)反饋調(diào)控環(huán)路，確保神經(jīng)系統(tǒng)發(fā)育所需的合適 BMP 水平。在維甲酸誘導(dǎo)的 P19 細(xì)胞神經(jīng)分化早期階段，JMJD3 通過(guò) HES1 被募集到 MASH1 啟動(dòng)子近端上游區(qū)域，使 H3K27me3 去甲基化，從而促進(jìn) MASH1 高效表達(dá)。MASH1 在神經(jīng)系統(tǒng)發(fā)育過(guò)程中促進(jìn)向神經(jīng)元分化而抑制向膠質(zhì)細(xì)胞分化，并在 NPC 的存活和分化中起著關(guān)鍵作用。研究顯示，在小鼠 NSC 分化早期，JMJD3 mRNA 和蛋白質(zhì)表達(dá)上調(diào)，通過(guò)誘導(dǎo) ARF 表達(dá)使 p53 向細(xì)胞核內(nèi)聚集；在小鼠 NSC 分化過(guò)程中，通過(guò)干擾 Akt/p-FOX03A/ID1 通路調(diào)控神經(jīng)分化，沉默 p53 可導(dǎo)致神經(jīng)元形成延遲，而對(duì)膠質(zhì)細(xì)胞形成無(wú)影響。

4 問(wèn)題與展望

NSC 具有自我更新能力和分化為各種神經(jīng)細(xì)胞的潛能，在神經(jīng)系統(tǒng)疾病的治療中有著很大的應(yīng)用前景。在中樞神經(jīng)系統(tǒng)發(fā)育過(guò)程中，機(jī)體根據(jù)細(xì)胞內(nèi)部微環(huán)境和外部信號(hào)機(jī)制共同調(diào)控 NSC 的增殖和分化，組蛋白甲基化修飾只是其中的一種重要調(diào)控機(jī)制。組蛋白甲基化修飾與組蛋白其他調(diào)控機(jī)制（如組蛋白乙?；┰诓煌瑫r(shí)間和空間上相互聯(lián)系，共同調(diào)控 NSC 的增殖和分化，如 SUV39H1 缺乏時(shí)可通過(guò) NO 依賴性通路下調(diào) H3K9 三甲基化調(diào)節(jié)神經(jīng)突生長(zhǎng)，LSDl 被募集到 TLX 下游靶基因啟動(dòng)子上可協(xié)同 HDAC5 促進(jìn) NSC 增殖。但是，目前對(duì)于很多組蛋白甲基化修飾如何調(diào)控 NSC 分化的機(jī)制尚不完全清楚，還有很多問(wèn)題亟待解決，如何特定調(diào)控 NSC 向神經(jīng)元分化以及這種多途徑和多調(diào)節(jié)作用在神經(jīng)發(fā)生中的協(xié)調(diào)和整合機(jī)制也有待進(jìn)一步研究。隨著這些機(jī)制的逐漸闡明，就有可能人為地控制 NSC 定向分化，最終實(shí)現(xiàn)應(yīng)用 NSC 對(duì)神經(jīng)系統(tǒng)疾病的修復(fù)和治療。