【每周一鼠】表观遗传巨星——KDM2b

KDM2b基因

KDM2B（又名JHDM1B、FBXL10、NDY1）定位于细胞核内，是组蛋白H3K4me3和H3K36me2的特异性去甲基化酶。KDM2B可以调控细胞凋亡，抑制细胞的衰老,调控造血干细胞的自我更新、神经管的形成以及胚胎的发育，此外它还参与了肿瘤的发生发展。KDM2B属于含有亮氨酸的重复结构Fbls类。已发现Kdm2b存在多个选择性剪接转录，因此一些转录本的功能仍没被完全确定^[1]。

与KDM2b相关的疾病包括Cohen综合征和婴儿痉挛症。该蛋白相关作用途径包括染色质三维结构的调控和染色质表观遗传修饰。与该基因相关GO注释的功能包括rRNA结合能力和组蛋白去甲基化酶活性。该基因的一个重要同源基因是KDM2A^[2]。

KDM2b敲除小鼠模型

一项研究发现，该基因（长转录本）缺失的等位基因纯合小鼠出生后大脑裸露、胚胎期或出生后死亡、眼组织异常、卷尾、少精子症、细胞凋亡增加和神经元前体增殖增加^[3]。

之前的研究显示，FBXL10（KDM2b）会表达出两个主要的转录本：FBXL10-1是一种较长的转录本，这个转录本翻译出来的蛋白在其N端会有组蛋白去甲基化酶结构域，在C端会有F-box、CXXC、PHD、RING和亮氨酸重复结构域；FBXL10-2是一种较短的转录本，转录起始于另一个外显子，这个转录本翻译出来的蛋白缺乏组蛋白去甲基化酶结构域，但保留所有其他的结构域。

研究人员还发现，FBXL10-1和FBXL10-2缺失具有明显不同的表型。FBXL10-2缺失小鼠并不像FBXL10-1缺失小鼠那样显示出无脑畸形、缺损或尾巴扭曲的现象。相比之下，FBXL10-2缺失小鼠存活下来的个体具有矮小和颅面发育异常的特征，而产前死亡的个体则显示颅面和神经管发育异常（图1）。当与FVB进行回交后，FBXL10∆−2/∆−2胎儿在出生时还有腭裂和眼睑张开的现象（图1）^[4]。

图1. FBXL10-2等位基因纯合缺失的E12.5胚胎（第一行）和E17.5胚胎（第三行）表现出颅面畸形。基因缺失小鼠胎儿头部前端可以看出明显受压的现象，还有出生时睁眼的表型（底部为黑色箭头）。在Δ-2/Δ-2胚胎中（第二行）能观察到一个弯曲的神经管^[4]。

研究人员通过敲除FBXL10的两种亚型，构建FBXL10^T纯合敲除小鼠模型，并使用该模型研究了不同性别之间的表型。与野生型相比，这些胚胎表现出更严重的表型和更明显的性别差异，如图2所示。胚胎在10.5天就停止发育，并出现多种严重发育异常，包括在 Fbxl10^{∆−2/∆−2}敲除小鼠中发现的神经管异常。图2显示了由FBXL10-1和FBXL10-2基因敲除介导的性别差异；我们可以观察到，发育程度最低的雌性胚胎与发育程度最高的雄性胚胎在大致相同的阶段停止发育^[4]。

图2. Fbxl10^T/T胚胎的性别差异表型解剖图。胚胎收集于胚胎期10.5天，通过Sry基因鉴定性别^[4]。

研究人员从囊胚中分离获得Fbxl10^T等位基因纯合的ES细胞，并在培养基中扩增。研究人员发现，突变ES能表达多能性标记物NANOG和OCT4（图3a），并且能够嵌合在野生型胚胎中，并支持所有组织生长分化（图3b）。DNA甲基转移酶基因表达的分析进一步证明Fbxl10^T/TES细胞具有未分化的ES细胞的特征，Fbxl10^T/T细胞表达未分化ES细胞和配子发生特定阶段的生殖细胞中特有的Dnmt3a（Dnmt3A2）和Dnmt3L。除此之外，Dnmt1和Dnmt3B在野生型ES和在Fbxl10^T/TES中的表达水平也非常相似。

图3. Fbxl10^T/T胚胎干细胞保留有多能性和胚胎干细胞特征。（a） 多能性标记物NANOG（左上）和OCT4（左下）的表达。（b） 注射到WT囊胚后，突变ES细胞对E9.5胚胎所有组织的发育提供了支持，表现出了突变ES细胞的多能性。（c） DNA甲基转移酶表达谱分析。ES细胞特异性Dnmt3A2和Dnmt3L在野生型和Fbxl10^T/T ES细胞中均有表达；Dnmt3L在分化细胞中不表达。除此之外，Dnmt1和Dnmt3B在突变型和野生型ES细胞中的表达谱是一致的^[5]。

有研究发现Fbxl10^+/−杂合胚胎表现出中脑和后脑神经管未闭合，以及前脑畸形的特征。所有前脑异常的Fbxl10^−/−小鼠在出生后不久都死于中枢神经系统紊乱，除此之外，在E18.5时，小鼠还表现出脑出血和体型较小（图4G和H）。此外，Fbxl10^−/−的胚胎还表现出眼组织缺损和尾巴卷曲的特征（图4F），异常率分别为40%和10%^[6]。

图4. Fbxl1缺陷的胚胎表型。（A–H）Fbxl10^-/-和对照组不同阶段的胚胎的侧视图^[6]。

A–D：胚胎期9.5天和10.5天胚胎侧视图，对照组胚胎（A和C）的神经管已经关闭，而突变型胚胎中的神经皱襞仍然没有闭合（B和D，箭头）。

E和F：在胚胎期14.5天中，一些Fbxl10^-/-胚胎（F）的表型，包括中前脑发育异常（E）（箭头）、眼组织缺损（黑色三角）和尾部卷曲（白色三角）。

G和H：在胚胎期18.5天，Fbxl10^-/- 胚胎（H）比对照组胚胎（G）小，并且由于前脑出血而全身苍白。

小结

KDM2B作为一个能调控染色质组织结构以及组蛋白表观遗传修饰的重要蛋白，研究人员对其研究也越来越深入。KDM2B对于神经及脑的发育具有重要的作用，未来的研究可能将集中于该蛋白如何在分子层面调控模式，以及该蛋白对于染色质组织和组蛋白修饰方面的影响。

参考文献：

1. https://www.ncbi.nlm.nih.gov/gene/84678

2. https://www.genecards.org/cgi-bin/carddisp.pl?gene=KDM2B

3.http://www.informatics.jax.org/marker/MGI:1354737

4. Boulard M ,  Edwards J R ,  Bestor T H . Abnormal X chromosome inactivation and sex-specific gene dysregulation after ablation of FBXL10[J]. Epigenetics & Chromatin, 2016, 9(1):1-9.

5. Boulard M ,  Edwards J R ,  Bestor T H . FBXL10 protects Polycomb-bound genes from hypermethylation[J]. Nature Genetics, 2015, 47(5):479-85.

6. Fukuda T ,  Tokunaga A ,  Sakamoto R , et al. Fbxl10/Kdm2b deficiency accelerates neural progenitor cell death and leads to exencephaly.[J]. Molecular & Cellular Neuroscience, 2011, 46(3):614-624.