砷（As）是一種普遍存在的有毒金屬，具有多種化學形式，可引起廣泛的健康問題，已經引起人們的特別關注。有證據表明As暴露會引起許多致癌和非致癌的不良生物學影響，包括肝毒性、胚胎毒性、腎毒性和神經毒性。在細胞水平上，As可通過氧化應激、代謝紊亂、細胞凋亡等引發多種細胞毒性。As的遺傳毒性已在體外和體內研究中得到證實，其通過DNA損傷、染色體畸變或DNA修復受損影響基因組穩定性。此外，As誘導的表觀遺傳修飾在改變基因調控中也起著至關重要的作用。雖然遺傳變異和表觀遺傳失調已被證明是AS誘導的毒性事件的重要機制，但潛在的分子基礎仍然不清楚。值得注意的是，抵抗有毒污染物應激反應的復雜防御調控網絡仍需進一步研究。
表觀遺傳學的分子機制包括DNA甲基化、組蛋白修飾和非編碼RNA表達。迄今為止，越來越多的研究表明，多樣化的環境污染物有助于表觀遺傳修飾，例如顆粒物（PM）、重金屬、持久性有機污染物（POPs）等。污染物的暴露可以改變基因組的功能和穩定性，并促進污染物相關疾病，特別是惡性腫瘤的發展和進展。為此，探討污染物誘導的表觀遺傳變化的具體機制具有重要的意義。作為眾所周知的表觀遺傳調控分子，EZH2（enhancer of zeste homolog 2）被稱為H3K27me3的甲基轉移酶，進一步導致基因沉默并表現出致癌功能。到目前為止，EZH2在污染物誘導的毒性作用中的生物學功能幾乎尚未得到探索。在接觸雙酚A的小鼠子宮和乳腺組織中檢測到EZH2的作用和異常表達。此外，已證明PM2.5可以調節EZH2的表達，從而進一步誘導A549肺細胞G2/M期阻滯。然而，尚不清楚是否還有其他分子參與As介導的表觀遺傳改變，特別是EZH2的表觀遺傳調控作用值得深入研究。
長鏈非編碼RNAs（lncRNAs）是長度超過200個核苷酸的轉錄本，沒有蛋白質編碼功能，已被證實其可調節基因表達和蛋白質功能，以維持細胞穩態。最近的證據表明，lncRNAs參與了環境污染物相關毒理學反應和大量人類疾病。之前的研究表明，lncRNA UCA1在預防肝細胞免受As誘導的自噬依賴性細胞死亡中發揮了保護作用。
為了闡明As暴露下HepG2肝細胞中UCA1調控的EZH2引發的信號通路，中國科學院生態環境研究中心環境化學與生態毒理學國家重點實驗室劉思金、高明課題組近日在Advanced Science（IF15.804）期刊發表了題為LncRNA UCA1 Antagonizes Arsenic‐Induced Cell Cycle Arrest through Destabilizing EZH2 and Facilitating NFATc2 Expression的研究成果。從表觀遺傳調控的角度揭示了一種新的As毒性促生存信號通路：UCA1促進EZH2的泛素化，從而上調NFATc2并進一步拮抗As誘導的細胞周期停滯。
首先，研究人員發現As處理HepG2細胞顯著降低了EZH2蛋白水平，并影響了其作為組蛋白甲基轉移酶的生物學功能。泛素化實驗顯示EZH2可通過與泛素結合而被泛素化，并且As可以通過泛素-蛋白酶體途徑促進EZH2蛋白的降解。表明As可以通過促進EZH2的泛素化來減弱其穩定性。
此外，研究人員還發現As處理可顯著增加G2期細胞百分比，并伴隨S期細胞百分比的降低。為了進一步闡明EZH2對As誘導的細胞周期阻滯的調控作用，研究人員通過RNAi敲低實驗發現，無論As處理與否，EZH2敲低后細胞周期停滯都會減弱。表明EZH2的減少在拮抗As毒性中起著至關重要的作用。
之前的研究表明，As處理可顯著誘導lncRNA UCA1的產生，從而有助于拮抗As誘導的自噬通量阻滯。此外，最近報道了UCA1可以與EZH2相互作用，從而發揮其表觀遺傳調控功能。因此，本研究集中于揭示UCA1與EZH2調控的As誘導的細胞周期阻滯之間的相互作用。
FISH實驗顯示EZH2主要分布在細胞核中，UCA1在細胞核和細胞質中均有表達，說明UCA1可能與細胞核中的EZH2相互作用，從而發揮潛在的生物學功能。接著，研究人員發現UCA1過表達細胞中As誘導的細胞周期阻滯得到了改善。然后，通過RIP、RNA-Pull down、Western blot實驗表明UCA1與EZH2的N端結合，并且EZH2可能與UCA1 393~742之間的核苷酸相互作用。以上結果證實了EZH2與UCA1在結構水平上的相互作用，有助于進一步闡明UCA1對EZH2的調控機制。
隨后，為了找出調控As誘導的細胞毒性的分子機制，研究人員探索了EZH2和UCA1之間的關系。發現在UCA1過表達HepG2細胞中，EZH2濃度呈劑量依賴性下降，表明UCA1對EZH2蛋白的負調控。進一步的泛素化實驗證實，UCA1過表達顯著增加了EZH2泛素化水平，說明UCA1通過泛素-蛋白酶體途徑降低EZH2的蛋白穩定性，從而導致EZH2的含量降低；相反，UCA1的敲降減弱了EZH2的泛素化和降解。此外，在UCA1過表達HepG2細胞中，EZH2的蛋白水平呈時間依賴性方式降低以響應As處理，并在UCA1敲低的HepG2細胞中得到緩解。以上數據再次表明，在As處理下EZH2的泛素化和降解是由UCA1介導的。
進一步的機制研究表明，細胞周期蛋白依賴性激酶1（CDK1）誘導EZH2在Thr-487位點處的磷酸化是As誘導的EZH2蛋白降解的原因，而UCA1通過增加CDK1和EZH2之間的相互作用增強了這一過程。結果，作為EZH2下游靶點的細胞周期調節因子NFATc2被上調，以抵抗AS阻滯的細胞周期進程和細胞毒性。
*本研究中，FISH實驗涉及的相關產品由銳博生物提供。
