表观遗传化学探针在非肿瘤学研究中的应用
表观遗传化学探针是肿瘤学研究中非常有用的工具，但人们对其在其他研究领域中的应用也开始产生兴趣。此博文总结了关于含溴结构域蛋白 (BRD)、精氨酸甲基转移酶 (PRMT) 和赖氨酸甲基转移酶 (KMT) 在非肿瘤学研究中的作用的近期文献。所提及的文献仅作为简要说明，且是对一篇近期综述的更新 [PMID：28080202]。此外，尽管一些引用的研究使用化学探针，也有其他研究使用基因“抑制”或小分子介导的敲减（例如 PROTAC）来验证假设。前者作为示例进行介绍，在这些示例中也可能使用化学探针。
分化
干细胞分化
人们越来越意识到表观遗传调节在干细胞编程中的重要性。以下是使用表观遗传探针进行的干细胞研究的一些示例。Lee 等人 [PMID：27625395] 将 miR-221 基因编码的 miR-221-3p 和 miR-221-5p 作为潜在的抗干细胞性 miRNA。在一项由Chen 等人进行的随后研究中， PRMT7 介导的 microRNA-24-2 下调能维持小鼠胚胎干细胞 (mESC) 中的 Oct4、Nanog 和 Sox2 [PMID: 29378844]。通过一项报告基因分析和多项突变研究，Chen 等人发现 miR-221 能靶向 Oct4、Nanog、SOX2、Klf4 和 PRMT7 的 3’UTR。CRISPR 介导的 miR-221 基因删除以及 miR-221-3p 和 miR-221-5p 的特定反义抑制剂抑制了 PRMT7 缺失型小鼠 ESC 的自发分化。此外，当 PRMT7 缺失时，miR-221 启动子处的抑制性标记 H4R3me1 和 H4R3me2 也减少（使用两种不同的 shRNA）。
骨骼肌重塑
已使用表观遗传化学探针来研究骨骼肌重塑，结果表明 PRMT1 不仅参与成肌细胞分化，还参与线粒体合成和代谢。Shen 等人研究了 PRMT1、PRMT4 和 PRMT5 在 7 天肌生成期间内的基因和蛋白表达 [PMID：29208765]。通过已建立的组织学和分子标记物法成肌，作者首次证实，正如预期的一样，C2C12 细胞在 7 天时间内从单核成肌细胞发展成强健的肌管细胞。作者发现PRMT1 mRNA 会显著增加（在第 5 天达到峰值），而 PRMT4 和 PRMT5 转录水平则保持不变。此外，蛋白表达与转录水平相符。在这段时间内，PRMT4 和 PRMT5 的表达平稳无变化，而 PRMT1 的表达在肌生成的第 3 天至少翻了两倍，且持续增加，直到第 7 天。
Shen 等人还检测了总体的单甲基精氨酸 (MMA)、非对称和对称二甲基精氨酸（ADMA 和 SDMA）以及特定组蛋白底物的甲基化。ADMA 在第 3 天增加了 1.7 倍，且持续增加，而 MMA 和 SDMA 则保持不变。在第 7 天，与成肌细胞相比，PRMT1 底物 H4R3me2a 和 H3R17me2a 高出约 2 倍，而 H3R8me2s 状态则保持不变。使用 0.1 μM 的 TC-E 对 PRMT1 进行化学抑制不会影响细胞 H4，但会使 H4R3me2a 的水平下降 25%，以及降低所有与第 3-7 天肌生成相关的形态学指标。在这段时间内，线粒体电子传递链 CI、CIII、CV 和 PGC-1α 减少了约 20-40%，而 CII 则保持不变。最终，相对于载体对照，在有抑制剂的情况下，第 3-7 天的耗氧量减少了 20-35%。
破骨细胞和骨重塑
破骨细胞 (OC) 在骨重塑、修复和矿物质维持中起着重要作用。在 RANKL 诱导的 RAW264.7 巨噬细胞的 OC 分化期间，DOT1L 表达和随后的 H3K79 甲基化增加 [PMID：29348610]。相对于 RAW264.7，使用 EPZ 004777 或 EPZ5676 对 DOT1L 进行化学抑制会导致 RAW264.7 衍生的 OC 中的 H3K79me2 整体减少。在 RAW264.7 细胞中，有证据显示 H3K27 和 H3K36 甲基化实际上会增加，而在 OC 中，仅 H3K36 甲基化会轻微增加。此外，自噬相关蛋白 SNARE、Sqstm1、VPS35 和 Atg3 在 40 小时的 OC 前细胞中被上调；一项商业检测和针对自噬体标志物的蛋白印迹实验确实证实了自噬活性会增加。
在一项相关研究中，Kota 等人 [PMID：30189247] 通过在稳态下处理间充质基质细胞系或用 EPZ015666 (0.6-1.4 μM) 进行成骨分化来抑制 PRMT5。对PRMT5 的抑制会增强成骨细胞分化和下调数种 Gbp（鸟苷酸结合蛋白）家族基因。这会导致干扰素刺激基因位点启动子处的 H3R8me2 和 H4R3me2 出现总体下降以及启动子特异性下降。
人体骨骼的强度和完整性取决于破骨细胞骨吸收和成骨细胞骨形成之间的微妙平衡。BRPF 支架蛋白经证实会抑制破骨细胞生成转录所需的程序，从而参与 RANKL 诱导的原代小鼠骨髓细胞和人体原代单核细胞分化成骨吸收破骨细胞的过程 [PMID：28849908]。
心脏祖细胞分化
DOT1L 还在心脏祖细胞的分化中起着重要作用 [PMID：29631608]。在 hESC 分化成心脏祖细胞和心肌细胞期间，ChIP 检测到 GATA4、HAND1、NR2F2、NKX2.5、MESP1、ISL1 和 WNT5A 上有 DOT1L 特异性标记 H3K79me2。KIND1 和 HES3 分化表明 DOT1L 与主要心脏转录因子 NKX2.5 共定位（在多能性阶段之后以及在分化成心脏祖细胞和心肌细胞期间）。对 DOT1L 进行 siRNA 敲减不会影响 hES 的多能性，但会影响分化成为心脏细胞系。这在形态学上以及在转录和蛋白水平下得到证实。作者确认，DOT1L 可能与其他组蛋白修饰酶共同发挥作用，因为 H3K4me3 和 H3K36me3 经证实还参与了心脏祖细胞的分化。
炎症中的表观遗传学
炎症机制失调有害，且是哮喘、关节炎、银屑病、过敏性湿疹、牙周炎和炎性肠病等常见慢性病的根本原因。下文总结了数篇在炎症相关研究中使用化学探针的近期文献。
BET 抑制剂在各种炎症模型中均显示具有积极作用。由于现有的 BET 拮抗剂无法区分不同的 BET 家族成员，因此许多研究都无法提供关于 BRD4 相对于 BRD2 或 BRD3 的生物功能的明确结果。近期出版物包括一项体内研究，在该研究中，BET 溴区结构域抑制剂 JQ1 减少了由脊髓损伤引起的急性炎症 [PMID：30134146]。由 GSK4027 相关 PROTAC 引起的 PCAF/GCN5 降解（而非 GSK4027 引起的拮抗）表明，其在单核细胞分化成巨噬细胞和树突细胞的过程中发挥作用 [PMID：30200762]。
PRMT 和 PKMT 还在炎性反应中起作用。PRMT1、PRMT4、PRMT5 和 PRMT6 在癌症及其转移相关的炎症、哮喘和抗原诱导的肺气道疾病、对感染的反应、移植排斥、糖尿病和炎性肠病中都起着不同的作用 [PMID：27860244、28087667、29119338、27840030、27860244 和 29973649]。DOT1L、PRC2 复合体、G9a 和 SMYD3 等 PKMT 通过 DOT1L 抑制剂 EPZ5676 和 SGC0946 参与先天免疫应答 [PMID：30275539、29765028]、及用 EZH2 抑制剂 UNC1999 和 GSK503 进行 T 细胞抗原受体 (TCR) 介导的信号转导 [PMID：29523590]、通过 G9a 基因敲除来调节炎症的肝脏特异性基因 [PMID：29912608]，还参与调节肺部病毒感染期间的致病性 T 细胞应答 [PMID：25669152]。
病毒研究表观遗传学
流感病毒的 RNA 会与其核蛋白 (NP) 发生相互作用，其核蛋白的功能与真核细胞中的组蛋白相似。Hatakeyama 等人发表的一篇出版物 [PMID：29555684] 通过两种宿主细胞乙酰基转移酶 PCAF 和 GCN5 分别在 K31 和 K90 处来鉴别病毒 NP 乙酰化。靶向 PCAF 和 GCN5 的 siRNA 不会影响 NP 乙酰化水平，但会对病毒的转录活性产生相反作用，且 PCAF 特异性 siRNA 会增加病毒转录。K31 和 K90 位于 RNA 结合沟的对面。这两个事实表明，K90 的 GCN5 乙酰化的生物作用与 K31 的 PCAF 乙酰化不同。根据先前的 NP 相互作用研究，作者进一步表明 SMARCA2 和 SMARCA4 对乙酰赖氨酸结合域的作用。
Marcos-Villar 等人的相关研究报告了在流感感染期间能更全面地了解 DNA 和组蛋白水平 [PMID：29352168]。DNA 甲基化未受影响，但组蛋白 H3 和 H4 甲基化水平 H3K4me3 则降低，而 H3K36 (me0)、H4K20me2 和 H3K79me2 则增加。这些变化与转录失活有关。DOT1L 抑制剂（用量为 1 微摩尔）或（特异性）shRNA 均会降低 H3K79me2 和增加流感病毒的复制。一项更详细的针对发生流感感染后 DOT1L 的作用的研究表明，DOT1L 下调会导致 NF-κB 复合体核转位减少以及 IFNβ 和 ISG（Mx1 和 ISG56）的表达降低。此外，DOT1L 抑制不会影响缺乏 IFN 通路的流感感染细胞。
代谢疾病表观遗传学
维生素 D 受体
对源自人体 iPS 细胞的 β 样细胞进行了一次无偏倚 CRISPR 筛查，且随后的基因本体论 (GO) 分析确认了与染色质修饰、细胞周期和转录相关的基因 [PMID：29754817]。维生素 D 受体 (VDR) 是最富集的基因靶标之一（7 个 sgRNA 中有 6 个在 GFP 细胞中发现）。包含 shRNA 敲减 VDR 的 iPS 细胞系分化成 β 样细胞，并经 IL1β 处理。这些细胞更容易发生细胞因子诱导的细胞死亡。对 VDR 作用的进一步研究发现了互作蛋白 BRD9 和 BRD7。BRD9 与带 HA 标签的 VDR 和内源性 VDR 发生免疫共沉淀。研究发现，这种相互作用发生在 BRD9 溴结构域，且在有 VDR 配体（钙泊三醇）的情况下减弱。BRD9 拮抗剂 I-BRD9 也会降低 BRD9 与 VDR 之间的相互作用强度。LC/MS/MS 数据以及突变研究均表明，VDR-K91ac 对与 BRD9 的相互作用很重要。尽管带 HA 标签的 VDR 与 Flag 标签的 BRD7 结合，但添加 VDR 配体或 VDR 配体和 I-BRD9 会增强它们的相互作用。这表明 BRD9 和 BRD7 竞争性结合 VDR。根据先前的研究，PCAF 被列为 VDR-K91ac 乙酰基转移酶，且与野生型 PCAF 而非 D608A（酶死亡）突变体增加的 VDR-K91ac 相符。破坏与 BRD9 的相互作用，将平衡移向 PBAF 与结合 BRD7。
糖原合酶激酶 3γ (GSK3γ)
糖原合酶激酶 3γ (GSK3γ) 调节糖原合酶，并且近期被证实参与 OC 骨吸收以及对前列腺癌细胞的肿瘤抑制。这种激酶的活性增加还与 2 型糖尿病 (T2D) 有关。作者发现，BRD7 蛋白表达升高会导致 mTOR 依赖性模型中的 GSK3b 磷酸化增加（即使在缺乏 AKT1/2 激酶活性的情况下）[PMID：29127434]。（BRD7 过度表达同时阻断 AKT 和 mTOR 的活性不会增加 GSK3b 的磷酸化。）BRD7 在缺乏 AKT 活性时会调节 GSK3γ-S9 磷酸化，并启动核糖体蛋白 S6 激酶磷酸化的链反应，这可导致 4E-BP1 磷酸化增加，从而解除其对 eIF4E 的抑制。在缺乏 AKT 活性且 BRD7 过度表达的情况下，4E-BP1 磷酸化较弱。通过使用肝脏特异性 BRD7 KO 小鼠，作者表明 BRD7 是 mTORC1 保持在与其下互作蛋白上活性所必需的。
总之，表观遗传学参与调节机体的每项进程，更深入地了解表观遗传学在每个科学分支中的作用将有助于我们更全面地了解所有系统是如何协同工作的。希望这种认知可以为以往无法医治的疾病提供新的治疗靶标。SGC 表观遗传化学探针的完整列表见 http://www.thesgc.org/chemical-probes/epigenetics。