1992年，Renyolds等从成年小鼠纹状体中分离得到能在体外不断增殖且具有多向分化潜能的细胞群，表明在成熟神经系统中也存在神经干细胞（neural stem cell，NSC）。研究显示，NSC不仅存在于胚胎早期的脑室和脑室下区，也存在于发育成熟的脑组织内，主要分布于室管膜下区（subventricularzone，SVZ）和海马齿状回颗粒细胞下层（subgranularzone，SGZ）。NSC是一种多能干细胞，终生保持增殖和分化潜能，在一定分化条件下能分化为神经元、星形胶质细胞和少突胶质细胞。在哺乳动物发育过程中，神经系统发育过程受内、外多重因素调节，其中表观遗传学调节是NSC分化过程中的一种重要调节方式。表观遗传学研究的内容是调控遗传物质表达而不改变遗传基因DNA序列所引起的表型变化的过程及机制，主要包括DNA甲基化、组蛋白修饰、染色质重塑、基因印记等。其中，组蛋白修饰包括组蛋白乙酰化、甲基化、磷酸化和泛素化等。这些修饰可影响组蛋白与DNA的亲和性而改变染色质状态，也可影响转录因子与DNA序列的结合，对基因表达调控具有类似DNA遗传密码的作用，故被称为“组蛋白密码”。以往针对组蛋白乙酰化的研究较多，认为它是基因保持活化状态的前提。然而，越来越多的研究表明，组蛋白甲基化修饰在NSC分化过程中同样起着关键作用。
1 组蛋白甲基化
1.1组蛋白
在真核生物中，核小体是染色质的基本结构单位，由DNA和组蛋白共同构成。核心组蛋白是由H2A、H2B、H3和H4各2个分子形成的八聚体，与其上缠绕的146 bp DNA双螺旋分子构成了核小体的核心颗粒，核心颗粒之间再由长约60 bp的DNA和组蛋白H1连接起来形成串珠样结构。通常情况下，组蛋白的N末端可发生磷酸化、乙酰化、甲基化、泛素化等多种修饰。
1.2组蛋白甲基化与组蛋白甲基化酶
组蛋白甲基化主要发生在H3和H4组蛋白N末端的赖氨酸或精氨酸残基上，由组蛋白甲基转移酶（histone methyltransferase，HMT）催化，该酶分为组蛋白赖氨酸甲基转移酶（histone lysine methytrans-ferase，HKMT）和组蛋白精氨酸甲基转移酶（histonearginine methyltransferase， HRMT）2个家族。HKMT包括果蝇Su（var） 3-9、Ashl以及哺乳动物Suv39H1、Suv39H2、G9a、G9a相关蛋白、SETB1/ESET、MLL、SET7/Set9、NSD1、EZH2等，其甲基化修饰通常发生于组蛋白H3的4位、9位、27位、36位和79位赖氨酸残基（H3 K4、H3 K9、H3K27、H3 K36、H3 K79）以及组蛋白H4的20位赖氨酸残基（H4K20）。通常认为，H3 K4、H3 K36和H3K79的甲基化修饰介导基因转录活化，而H3 K9、H3 K27和H4K20的甲基化修饰则介导转录抑制。
HRMT包括PRMT5、PRMT1和CARM1等，其甲基化修饰通常发生于组蛋白H3的2位、8位、17位和26位精氨酸残基（H3R2、H3R8、H3 R17、H3R26）以及组蛋白H4的3位精氨酸残基（H4R3）。一般来说，精氨酸甲基化与基因激活有关，HRMT作为协同刺激因子被招募到靶基因的启动子区促进基因表达，若精氨酸的甲基化丢失，则与基因沉默相关。也有研究显示，PRM T5可催化H4R3发生不对称二甲基化，DNA甲基化酶DNMT3A可结合到这一修饰位点，催化邻近区域DNA甲基化，进而导致基因沉默。
根据残基上甲基化基团数量的不同，又可分为一甲基化（mel）、二甲基化（me2）和三甲基化（me3）修饰，其中精氨酸甲基化包括一甲基化（mel）、对称二甲基化（me2s）和非对称二甲基化（me2a）等3种修饰形式。
1.3 组蛋白去甲基化与组蛋白去甲基化酶
像其他转录后修饰一样，组蛋白甲基化也是可逆的。2004年，Shi等首次发现了组蛋白去甲基化酶LSD1，它是一种黄素腺嘌呤二核苷酸依赖性单胺氧化酶，通过氨基氧化作用使H3 K4me/H3 K4me2去甲基化。随后的研究显示，含有JmjC结构域的蛋白家族是另一类以Fe和α-酮戊二酸为辅因子的去甲基化酶，其家族成员可使H3K、H3K9和H3 K36等多个位点去甲基化。例如，JHDM2（主要为JHDM2A和JHDM2B）是H3K9的特异性去甲基化酶，可识别H3K9me2和H3K9mel：JHDM3A/JMJD2A 可催化 H3 K9me3/2 以及H3 K36me3/2去甲基化。
2 组蛋白甲基化对NSC分化的影响
在脊椎动物胚胎发育过程中，机体是如何一方面调控中枢神经系统神经元分化，另一方面抑制非神经组织中神经元分化相关基因表达的呢？研究显示，RE-1转录沉默因子（RE-1 silencing transcriptionfactor，REST）通过识别MED19/MED26募集组蛋白甲基化酶G9a催化H3K9me2来限制神经元的相关基因表达，从而抑制非神经元细胞和神经祖细胞（neural progenitor cell， NPC）的相关神经基因表达；在空间上抑制非神经组织中的神经相关基因表达可能有利于神经元的定点分化，而在时间上抑制NPC的相关神经基因表达可能有利于促进NPC增殖。Sen和Snyder的研究显示，在哺乳动物甲基化酶SUV39H1缺乏时，可通过一氧化氮（nitric ox-ide，NO）依赖性通路下调H3K9三甲基化，有利于H3K9乙酰化，从而增强cAMP反应元件结合蛋白（cAMP response element-binding CREB）相关的转录表达，通过脑源性神经营养因子和神经生长因子调节神经突生长。Dpy-30是SET1/MLL组蛋白甲基化酶复合物的核心亚基，它直接调节整个哺乳动物基因组的H3 K4三甲基化。研究显示，Dpy-30能促进胚胎干细胞向神经元分化。那么，Dpy-30在NSC分化过程中是否同样起作用呢？应用P19细胞进行的实验表明，iBRAF可通过在神经元特异基因启动子上募集组蛋白甲基化酶MLL促进H3 K4甲基化，从而对抗REST介导的转录抑制并激活神经元分化基因，使得突触蛋白表达上调。REST介导的基因沉默调节机制失控与多种人类疾病相关，其中包括亨廷顿病、X连锁精神发育迟滞等。
Ezh2是H3 K27甲基化酶，在增殖的NSC中高度表达，而当NSC向神经元分化时表达下调，在向星形胶质细胞分化时则完全受到抑制；然而，当向少突胶质细胞分化时，Ezh2表达却仍然很高，这可能与调控少突胶质祖细胞（oligodendrocyte precursorcell，OPC）增殖有关。NSC的自我更新和分化是一个相互联系和相互制约的整体过程，合理调控对于神经系统发育至关重要。Pereira等的研究显不，Polycomb抑制复合物2（Polycomb repressivecomplex 2，PCR2）的组蛋白甲基化酶Ezh2功能丧失可消除皮质祖细胞H3K27me3的抑制标志，从而促进基因表达，使皮质祖细胞向分化转变。尽管在这种情况下神经发生和胶质发生还相当保守，但神经发生的时机、不同细胞类型的相对数量和向胶质发生的转化均发生改变，缩短祖细胞的神经发生时间，减少神经元的产生，过早向胶质细胞转化。miR-137是干细胞的核心转录因子，在体内外均以剂量依赖性方式介导成体NSC的增殖和分化。miR-137过度表达会促进成体NSC增殖，而减少miR-137表达则会促进成体NSC向神经元和胶质细胞分化。进一步的研究显示，MeCP，介导调节miR-137转录可抑制Ezh2，导致整体H3 K27m3减少，引起表观遗传改变。这恰好与Ezh2在增殖中的NSC中高度表达的结论相反，可能说明Ezh2只是与神经形成有关的m1R-137靶目标之一，也可能是一种负反馈调节方式，具体机制有待进一步证实。
目前，针对组蛋白精氨酸甲基化的研究并不太多，尚不清楚组蛋白精氨酸甲基化在皮质发育过程中的具体机制。小鼠胚胎免疫荧光实验显示，2种不同类型的H3R4甲基化（对称和不对称甲基化）在胚胎大脑皮质发育和分化过程中各细胞阶段的出现时序不同，H4R3me2s与未分化NPC相关，而H4R3 me2s和H4R3me2a-起成为有丝分裂后神经元和部分处于分化状态的OPC的标记物。这意味着不同形态的精氨酸甲基化在皮质发育过程中都起着重要作用。一方面，Ⅱ型精氨酸甲基化酶PRMT5催化生成H4R3me2s，并抑制早期神经发育分化基因，从而促进细胞增殖；另一方面，Ⅰ型精氨酸甲基化酶PRMT1在皮质发育过程中与NPC分化为神经元有关。
3 组蛋白去甲基化对NSC分化的影响
多年来，组蛋白甲基化作用一直被认为呈不可逆性，组蛋白去甲基化酶的发现大大丰富了组蛋白修饰的复杂性。在调控NSC增殖方面，组蛋白去甲基化也起着关键作用。LSD1/KDM1是哺乳动物中催化H3K4me/me2去甲基化的特异性酪氨酸去甲基化酶。LSD1可作为NSC增殖的关键调节因子，它被募集到核受体TLX下游靶基因启动子上，协同组蛋白去乙酰化酶5（histone deacetylase 5，HDAC5）共同抑制p21和pten基因表达，促进NSC增殖；在小鼠大脑皮质发育过程中，LSD1/KDM1可引起神经元特定的剪切变异体，动态调控皮质发育，同时也影响早期神经突的形态发生。在小鼠模型中，去甲基化酶Fbx110/KDM2b可促进NPC增殖。
NSC的增殖和分化是一个密不可分的整体，只有清楚地理解它们之间的关系才能更好地阐述组蛋白去甲基化调控NSC分化的机制。PHF8（一种含JmjC结构域的蛋白）在细胞内能催化H3K4me3/me2和H3K9me2/mel去甲基化，相当于维甲酸受体α共激活剂，从而促进小鼠维甲酸诱导的P19细胞向神经元分化，这可能与诱导神经发生的关键转录因子生成有关。KIAA1218（KDM7A）也是PHF8家族成员，能催化H3K9me2和H3K27me2去甲基化。在小鼠胚胎干细胞中，神经分化早期阶段的KIAA1718表达上调，通过激活FGF4-ERK1/2信号调控神经元分化。
JMJD3是H3K27特异性去甲基化酶，控制神经发生的关键调控因子和标记物的表达，为神经细胞系定型所必需。骨形态发生蛋白（bone morphogeneticprotein，BMP）在脊椎动物周围和中枢神经系统发育中起着关键作用。BMP信号通路过度激活可通过募集JMJD3到Noggin（一种由H3K27me3调控的细胞外BMP抑制剂）基因启动子上使H3K27me3去甲基化，触发Noggin表达，从而抑制BMP表达，形成负反馈调控环路，确保神经系统发育所需的合适BMP水平。在维甲酸诱导的P19细胞神经分化早期阶段，JMJD3通过HES1被募集到MASH1启动子近端上游区域，使H3K27me3去甲基化，从而促进MASH1高效表达。MASH1在神经系统发育过程中促进向神经元分化而抑制向胶质细胞分化，并在NPC的存活和分化中起着关键作用。研究显示，在小鼠NSC分化早期，JMJD3 mRNA和蛋白质表达上调，通过诱导ARF表达使p53向细胞核内聚集；在小鼠NSC分化过程中，通过干扰Akt/p-FOX03A/ID1通路调控神经分化，沉默p53可导致神经元形成延迟，而对胶质细胞形成无影响。
4 问题与展望
NSC具有自我更新能力和分化为各种神经细胞的潜能，在神经系统疾病的治疗中有着很大的应用前景。在中枢神经系统发育过程中，机体根据细胞内部微环境和外部信号机制共同调控NSC的增殖和分化，组蛋白甲基化修饰只是其中的一种重要调控机制。组蛋白甲基化修饰与组蛋白其他调控机制（如组蛋白乙酰化）在不同时间和空间上相互联系，共同调控NSC的增殖和分化，如SUV39H1缺乏时可通过NO依赖性通路下调H3K9三甲基化调节神经突生长，LSDl被募集到TLX下游靶基因启动子上可协同HDAC5促进NSC增殖。但是，目前对于很多组蛋白甲基化修饰如何调控NSC分化的机制尚不完全清楚，还有很多问题亟待解决，如何特定调控NSC向神经元分化以及这种多途径和多调节作用在神经发生中的协调和整合机制也有待进一步研究。随着这些机制的逐渐阐明，就有可能人为地控制NSC定向分化，最终实现应用NSC对神经系统疾病的修复和治疗。
