全 文 ：第23卷 第10期
2011年10月
Vol. 23, No. 10
Oct., 2011
生命科学
Chinese Bulletin of Life Sciences
文章编号：1004-0374(2011)10-0997-05
参与X染色体连锁智力障碍的表观遗传
因子——PHF8研究进展
王　香，朱子奇，陈　频，陈德桂*
(中国科学院上海生命科学研究院生物化学与细胞生物学研究所，上海 200031)
摘　要：PHF8作为 JmjC家族中的成员，通过对组蛋白赖氨酸的去甲基化酶活性来调节靶基因的转录。
PHF8基因的一系列突变在 X染色体连锁智力障碍 (XLMR)患者中被发现。主要针对 PHF8与 XLMR发生
的相关性以及 PHF8的生化、生理功能进行阐述。
关键词：X染色体连锁智力障碍；发育；组蛋白去甲基化酶；PHF8
中图分类号：Q55 文献标志码：A
Research progress of a XLMR related epigenetic regulator PHF8
WANG Xiang, ZHU Zi-Qi, CHEN Pin, CHEN De-Gui*
(Institute of Biochemistry and Cell Biology, Shanghai Institutes for Biological Sciences, Chinese Academy of Sciences,
Shanghai 200031, China)
Abstract: PHF8 is a member of the JmjC domain-containing protein family. It catalyzes histone lysine
demethylation and regulates gene transcription. Different mutations of PHF8 gene were found in patients of
X-linked mental retardation (XLMR). This review focuses on the research progress of PHF8, particularly the
relationship between PHF8 and XLMR genesis, and the biochemical and physiological functions of this protein.
Key words: X-linked mental retardation; development; histone demethylase; PHF8
收稿日期：2011-04-06； 修回日期：2011-06-27
*通信作者：E-mail: cdchen@sibs.ac.cn
1　PHF8与智力障碍
美国智力障碍协会 (American Association on
Mental Retardation)将智力障碍 (mental retardation,
MR)定义为 18岁之前表现出在概念性的、社会性
的、实践的自适应性的技能上有明显的智力和适应
性的行为缺陷的一种疾病 [1]。这些智力障碍者至少
在以下技能中的两项中存在明显的缺陷，包括交流
能力，自我管理能力，独立生活、社会和人际能力，
公共服务使用能力，决策能力，学术、工作、娱乐、
健康和安全能力 [2]。智力障碍者的智商 (intelligence
quotient, IQ)一般低于 70，依据不同的智商水平可
以将智力障碍者分为：极其严重 (profound, IQ<20)、
严重 (severe, IQ 20~35)、中度 (moderate, IQ 35~50)
和轻微 (mild, IQ 50~70)四个等级 [2-3]。
引起智力障碍的原因有很多，主要分为两个方
面，一是环境因素，二是某个或多个基因异常，某
些个体中可能是两方面原因共同作用所致 [3]。X染
色体上的基因缺陷被认为是引起智力障碍的一种
重要原因 [2-3]，X染色体上基因缺陷导致的可遗传
的智力障碍称为 X染色体连锁智力障碍 (X-linked
mental retardation, XLMR)[4]。XLMR在男性中的发
病率约 1.6/1000，在女性中携带率为 2.4/1000[4]。依
据除了智力障碍外是否有其他生理方面的缺陷，
XLMR分为两类：S-XLMR (syndromic forms) 和 NS-
XLMR (non-syndromic forms)。S-XLMR表现在除
生命科学 第23卷998
了智力障碍外，还在生物化学、神经特征或者可以
辨认的体征——如骨骼、颅面部上有异常或者缺陷 [2,4]。
目前，研究发现 50个基因与 S-XLMR有关，
25个基因与 NS-XLMR有关。在某些个体中，同一
种基因上的突变既与 S-XLMR相关又与 NS-XLMR
相关 [2,5]。PHF8(plant homeodomain finger protein 8)
是近年来发现的与 XLMR有关的表观遗传因子，
有研究报道在一些伴有唇裂、腭裂的 XLMR患者
中存在 PHF8基因的多种突变 [4-6]。如，首先由
Laumonnier等 [4]在 2005年发现位于 PHF8基因外
显子 8和内含子 8连接处丢失了 12个碱基，这种
缺失导致了内含子 8不能被正确地剪切。此外，他
们还在另一个伴有唇、腭裂的 XLMR家族中发现
外显子 7中存在一个无义突变。2007年Koivisto等 [6]
在一个伴有唇、腭裂的 XLMR家族中发现了 PHF8
基因的第三种突变，即外显子 8 上的 p.F279S
(c.836T>C)突变。之后，Abidi等 [5]又发现了另一
种位于 PHF8基因外显子 6上的无义突变——p.
K177X (c.529A>T)。上述几种突变位点都位于
PHF8蛋白的 JmjC结构域上或者附近，暗示 PHF8
的组蛋白去甲基化酶活性缺失可能与 XLMR的发
生以及唇、腭裂的产生相关。
2　PHF8是组蛋白去甲基化酶JmjC家族中的
一个成员
PHF8 基因位于染色体 Xp11.21 上，其编码
的蛋白主要有两个功能结构域：一个 PHD(plant
homeodomain)结构域和一个 JmjC (Jumonji C domain)
结构域 (图 1)[7-8]。目前的研究已确认 PHF8具有组
蛋白去甲基化酶的功能。
核小体是组成染色体的基本单位，由 146bp的
DNA缠绕在组蛋白 H2A、H2B、H3和 H4各两分
子组成的八聚体上所形成。在这些组蛋白的 N-末
端尾巴上可以进行多种翻译后的修饰，包括磷酸化、
泛素化、乙酰化、甲基化等 [9]。组蛋白的甲基化主
要发生在赖氨酸和精氨酸上。组蛋白不同位置、不
同程度的赖氨酸甲基化修饰对于目的基因的转录起
到激活或者抑制的作用，如 H3K4、H3K36和 H3K79
甲基化修饰具有激活目的基因转录的作用；而
H3K9、H3K27和 H4K20上的甲基化修饰具有抑制
目的基因转录的作用 [10-11]。
组蛋白赖氨酸甲基化修饰多数是由含有 SET
结构域的甲基转移酶催化完成 [12]，而赖氨酸上的去
甲基化作用主要是由一系列的去甲基化酶催化完
成。这些赖氨酸去甲基化酶中除了 LSD1(Lysine
specific demethylase 1)[13]外，主要是含有 JmjC结构
域的家族成员 [7,14]。JmjC结构域的家族成员在正常
的个体发育、分化、内分泌的调节以及神经发育中
参与重要的调节作用，此外在肿瘤等疾病状态下，
某些家族成员的表达量以及活性状态会有不同程度
的改变 [15]。PHF8作为 JmjC家族中的一个成员，
在组蛋白修饰中发挥重要作用并参与发育调节及相
关疾病的发生发展。
3　PHF8的生化功能
PHF8是 JmjC家族中 PHF2/PHF8亚家族中的
成员之一。哺乳动物中 PHF2/PHF8亚家族包括
KIAA1718、PHF2和 PHF8三个成员 (图 1)[7]。这
个亚家族的结构上除含有 JmjC结构域外，在 N-端
还含有一个 PHD结构域，其相应的酶活性主要由
JmjC结构域完成 [16]。由二价铁离子及 α-酮戊二酸
作为辅助因子参与的底物赖氨酸去甲基化的氧化反
应分两步进行，最终使得赖氨酸侧链 N-上甲基以
产生甲醛的形式被去掉 (图 2)[7,14]。
已有的研究发现 PHF8 利用 PHD 结构域
来识别并结合 H3K4me3位点，具有 H3K9me1/2、
H3K27-me2、H4K20me1和 H3K36me2去甲基化酶
的活性，不过对于后三种底物的酶活性目前只有少
数文献报道 [8,16-24]。通过 western blot、质谱分析检
测小牛组蛋白或单个核小体为底物的酶活反应产
物；体内过表达 PHF8肽段，用免疫荧光检测组蛋
白上各种修饰变化的方法；或者结合结构生物学的
分析方法，多项研究先后都证明了 PHF8具有
H3K9me1/2的酶活性 [8,16-18,21-24]，而 Fortschegger等 [19]
和 Zhu等 [20]证明 PHF8仅具有 K3K9me2的活性。
PHF8的 H3K27me2和 H4K20me1去甲基化酶活性
由 Liu等 [18]和 Qi等 [22]报道过。而对于 PHF8具有
H3K36me2 去甲基化酶活性的这一结论只有
Loenarz等 [23]实验室通过体外实验得出。上述结果图1 PHF2/PHF8亚家族成员的蛋白结构域示意图
王　香，等：参与X染色体连锁智力障碍的表现遗传因子——PHF8研究进展第10期 999
表明 PHF8有比较广泛的底物特异性。
4　PHF8的生理功能
体内 PHF8主要表达于核仁中 [17,20]，并且参与
多种生理功能的调节。如 PHF8与 RNAPⅡ的转录
相关联，从而激活目的基因的转录 [19]；与 PolⅠ的
转录相关联，调节 rRNA 的合成 [17,20]；参与细胞周
期的调节 [18]；参与神经的分化 [21]；参与脑和颅面
的发育 [22]等。
4.1　PHF8与RNAPⅡ的转录相关联，激活目的基
因的转录
Fortschegger等 [19]通过免疫共沉淀 -序列分析
(CHIP-seq)以及 GST-pulldown的方法证明了 PHF8
在下游基因的转录起始区 (TSSs)富集，通过 PHD
结构域与基因组中的 H3K4me3 相结合；并用
reporter assay的方法证明 PHF8是一种共激活因子。
接着他们又用 CoIP以及 GST-pulldown的方法证明
了 PHF8主要通过其羧基端肽段与 RNAPⅡ的最大
亚基 RPB1的 CTD (C-terminal domain)部位相互结
合，从而激活下游基因的转录。
4.2　PHF8与PolⅠ的转录相关联，调节rRNA的合成
Feng等 [17]通过一系列的实验证实了 PHF8与
polⅠ相互作用，利用其 PHD结构域识别 H3K-
4me2/3修饰位点从而结合到 rDNA基因上，通过
H3K9me1/2的去甲基化酶活性促进 polⅠ介导的
rDNA的的转录。
Zhu等 [20]通过 ChIP assay 的方法证明 PHF8结
合在 rDNA基因的启动子区域，但区别于 Feng等 [17]
发现 PHF8分布在整个 rDNA基因中。随后，分别
利用抑制基因表达以及过表达基因的方法改变
PHF8在细胞的表达量后，发现 rRNA的表达量也
随之发生了相应的改变，证明了 rRNA的表达是受
PHF8调控的。
4.3　PHF8参与细胞周期的调节
Liu等 [18]发现 PHF8通过 PHD结构域与 H3K-
4me2/3修饰位点结合，从而被招募到下游靶基因的
启动子区域。在细胞周期 G1期到 S期的转换时，
PHF8高表达，结合其他调节因子，如 HCF-1、
SET1A和 E2F1并发挥 H4K20me1的去甲基化酶活
性来调节相关靶基因的表达。而在 M期，CDK1/
cyclinB1对 PHF8的磷酸化导致了 PHF8从染色体
上解离下来，靶基因上的 H4K20甲基化水平升高。
随后，condensinⅡ结合基因上的 H4K20me1的修
饰位点，沉积在染色体上，参与了染色体的凝集过
程。
4.4　PHF8参与神经的分化
Qiu等 [21]通过 reporter assay、ChIP等的实验
方法证实了 PHF8与维甲酸 α受体 (RARα)相互作
用，并且作为 RARα的共激活因子，PHF8促进了
维甲酸诱导的神经分化。
4.5　PHF8与脑和颅面的发育有关
Qi等 [22]在斑马鱼中发现 PHF8的表达在受精
卵发育第 14 小时的脑和尾部被检测到，受精卵发
育 1天以后 PHF8主要集中表达于脑部，3天后在
颌部也有表达。当 PHF8表达被抑制后，斑马鱼的
脑部发育迟缓，脑和神经管的细胞有凋亡迹象，下
颌及咽弓发育也有缺陷。当再注入野生型的 PHF8
基因后，斑马鱼的脑和颅面的发育有所恢复，这一
切表明 PHF8参与了神经系统以及颅面的发育。
5　PHF8与其他智力障碍基因的关联
Kleine-Kohlbrecher等 [8]通过 ChIP-seq的方法
证明了 PHF8主要结合在有 H3K4me3修饰位点的
靶基因的转录起始区，其中这些靶基因包括一些
图2 含JmjC结构域的蛋白去除赖氨酸上甲基基团的反应过程
生命科学 第23卷1000
XLMR基因，如 JRID1C、ZNF41和 ZNF81等。接
着研究人员又通过一系列的实验证明了另一种与智
力障碍相关的基因——ZNF711与 PHF8相互结合
在靶基因的转录起始区，并且 ZNF711作为 PHF8
的共激活因子促进了 PHF8与靶基因的结合以及它
及其去甲基化酶活性。
6　总结与展望
X染色体连锁智力障碍 (XLMR)是一种伴性遗
传病，在男性中的发病率约 1.6/1000，在女性中携
带率为 2.4/1000。目前研究发现至少有 75种基因的
突变与该种疾病的发生相关。PHF8是近年来发现
的和 XLMR有关的表观遗传因子，有研究报道在
一些伴有唇裂、腭裂的 XLMR患者中存在 PHF8基
因的多种突变。PHF8作为 JmjC家族中的成员，其
PHD结构域主要参与结合靶基因上的 H3K4me2/3
的修饰位点，通过 JmjC结构域发挥以 H3K9me1/2、
H3K27me2和 H4K20me1去甲基化为主的酶活性来
调节靶基因的转录。截止到目前，在一些 XLMR
患者中发现的 PHF8基因的突变位点都位于 PHF8
蛋白的 JmjC结构域上或者附近。此外，Yu等 [16]
和 Yue等 [24]通过结构生物学的分析方法判断出
p.F279S突变形式会改变 PHF8 酶活性区域的疏水
性，并且这种改变可能会影响到 PHF8与底物的结
合，从而不能发挥 H3K9me1/2的去甲基化酶活性。
这一切提示我们，PHF8的组蛋白去甲基化酶活性
缺失可能与 XLMR的发生相关。但是，PHF8基因
的突变是否是 XLMR形成的机理之一目前还未通
过实验证实。要解决这个问题，我们可以考虑建立
PHF8基因敲除的模式动物，通过查找并研究这些
基因敲除动物的表型来确定 PHF8在 XLMR发生中
的作用机制，这将为寻找和设计治疗智力障碍的药
物和临床方案提供充实的理论依据。
有研究发现，PHF8在体内主要表达于核仁中，
并且参与了多种生理功能的调节。如 PHF8与
RNAPⅡ相互结合，参与激活下游基因转录的过程；
PHF8促进 polⅠ介导的 rDNA的的转录；在细胞
周期 G1期到 S期的转换时，PHF8借助其 H4K-
20me1的去甲基化酶活性，参与调节相关靶基因的
表达；PHF8作为 RARα共激活因子促进维甲酸诱
导的神经分化；在以斑马鱼为模式动物的研究中，
证实了 PHF8参与神经系统以及颅面的发育。此外，
还有一些研究发现 PHF8与某些其他智力障碍基因
存在着一些关联性。
PHF8的上述生理功能是最近几年才刚刚被发
现的，每个方面的研究都还不够深入，各方面所涉
及到的具体分子以及整个信号通路还未了解。是否
上述生理功能的某个或某些存在缺陷就会导致
XLMR，还有待进一步的验证。
总之，要深入地了解 PHF8与 XLMR发生的
关联性，以及 PHF8的具体生理功能，还需要我们
做更多的研究。
[参　考　文　献]
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