組蛋白去甲基化酶的研究進(jìn)展

馬佳萍韓 劍張金龍

（1 新疆吉木薩爾縣人民醫(yī)院藥劑科，新疆 吉木薩爾 831700；2 新疆塔城地區(qū)食品藥品檢驗(yàn)所，新疆 塔城 831700）

組蛋白去甲基化酶的研究進(jìn)展

馬佳萍1韓 劍2張金龍1

（1 新疆吉木薩爾縣人民醫(yī)院藥劑科，新疆 吉木薩爾 831700；2 新疆塔城地區(qū)食品藥品檢驗(yàn)所，新疆 塔城 831700）

第一個(gè)組蛋白去甲基化酶（LSD1）的發(fā)現(xiàn)證實(shí)組蛋白的甲基化修飾并非永久性組蛋白標(biāo)記，而是一個(gè)動(dòng)態(tài)可調(diào)節(jié)過程。該酶通過催化去除組蛋白 N 末端賴氨酸上的甲基，參與染色質(zhì)功能的調(diào)節(jié)，并與某些疾病，特別是和癌癥的發(fā)生發(fā)展密切相關(guān)。本文主要就組蛋白去甲基化酶的催化機(jī)制及生物學(xué)功能進(jìn)行文獻(xiàn)調(diào)研與追蹤，并加以歸納整理，旨在更深入的認(rèn)識(shí)和探究組蛋白去甲基化酶提供理論參考。

組蛋白去甲基化酶；LSD1；JMJD；腫瘤

組蛋白屬于小分子堿性蛋白質(zhì)，是真核生物染色體的基本結(jié)構(gòu)蛋白。組蛋白修飾是指組蛋白在相關(guān)酶作用下發(fā)生甲基化、乙?；?、磷酸化和泛素化等修飾的過程。這種修飾是基因轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)控制組織細(xì)胞發(fā)育分化的關(guān)鍵分子機(jī)制，能夠調(diào)節(jié)染色質(zhì)狀態(tài)和基因表達(dá)。不同于其他組蛋白修飾，組蛋白的甲基化一度被認(rèn)為是一個(gè)不可逆的過程，直到2004年發(fā)現(xiàn)了第一個(gè)組蛋白去甲基化酶賴氨酸特異性組蛋白去甲基化酶1（lysine specific demethylase 1，LSD1）[1]，隨后組蛋白甲基化酶迅速成為各國(guó)科研學(xué)者的研究熱點(diǎn)。截止目前，已發(fā)現(xiàn)的組蛋白去甲基化酶主要有兩類：即LSD1和JMJD家族[2]。本文主要對(duì)就這兩類組蛋白去甲基化酶的催化機(jī)制及生物學(xué)功能進(jìn)行展開文獻(xiàn)調(diào)研與追蹤，并加以歸納整理，旨在更深入的認(rèn)識(shí)和探究組蛋白去甲基化酶提供理論參考。

1 LSD1的催化機(jī)制與生物學(xué)功能

LSD1，又名KDM1，是第一個(gè)被發(fā)現(xiàn)的組蛋白去甲基化酶，屬于黃素腺嘌呤二核苷酸（FAD）依賴酶，能夠還原組蛋白賴氨酸的一、二甲基化。LSD1其主要結(jié)構(gòu)分成三部分；一是位于結(jié)構(gòu)中心的Tower結(jié)構(gòu)域位于結(jié)構(gòu)中心，該結(jié)構(gòu)域的突變?nèi)笔?huì)導(dǎo)致LSD1活性喪失；二是位于N端的SWIRM結(jié)構(gòu)域，其是蛋白-蛋白相互作用的模體，位于N端；三是位于C端的胺氧化酶結(jié)構(gòu)域，具有催化活性，位于C端。LSD1屬于胺氧化酶超家族，定位于細(xì)胞核內(nèi)，能激活和抑制基因轉(zhuǎn)錄，與多種疾病的發(fā)生發(fā)展及胚胎發(fā)育關(guān)系密切[1]。

1.1 催化機(jī)制：LSD1在體內(nèi)可以特異去除組蛋白H3第9位賴氨酸（H3K9）的單甲基和二甲基修飾，在體外則可還原H3K4的一、二甲基修飾，因其催化氧化反應(yīng)時(shí)胺基底物上必須要有一個(gè)質(zhì)子，所以不能脫去三甲基化殘基上的甲基基團(tuán)。其LSD1催化機(jī)制主要是通過能氧化底物的C-N鍵，生成胺基、甲醛和H2O2，同時(shí)與底物反應(yīng)時(shí)FAD從甲基化的組蛋白賴氨酸得到質(zhì)子，生成FADH2，其進(jìn)一步被氧化生成FAD和H2O2，而甲基化的賴氨酸失去質(zhì)子生成亞胺中間物，亞胺中間物加水后生成胺基和甲醛[3]。

1.2 生物學(xué)功能：①LSD1在多種腫瘤細(xì)胞中都有高表達(dá)，前列腺癌是其中之一。研究發(fā)現(xiàn)在人的前列腺癌細(xì)胞中，LSD1能與雄激素受體結(jié)合，激活雄激素受體依賴的基因表達(dá)，維持癌細(xì)胞的永生化特性[1]。Will-mann等發(fā)現(xiàn)選擇性LSD1抑制劑Namoline能夠削弱LSD1去甲基化功能，從而抑制前列腺癌細(xì)胞的LNCaP增值；動(dòng)物實(shí)驗(yàn)也證實(shí)抑制LSD1能夠抑制裸鼠移植瘤生長(zhǎng)[4]。綜上所述，LSD1可作為一種新型的前列腺治療靶標(biāo)。②動(dòng)物實(shí)驗(yàn)研究顯示，LSD1在口腔鱗狀細(xì)胞癌（OSCC）中過表達(dá)與腫瘤侵襲和以及總體的生存率之間有顯著的相關(guān)性。隨著疾病惡化，在OSCC動(dòng)物模型中檢測(cè)到了大量增加的LSD1。通過在OSCC細(xì)胞中介導(dǎo)的siRNA消耗LSD1，不僅可抑制移植瘤生長(zhǎng)，而且可誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡，并增強(qiáng)對(duì)5-氟尿嘧啶的敏感性。因此，LDS1可作為一種新型生物標(biāo)記，在OSCC的診斷及預(yù)后中發(fā)揮重要的意義，其化學(xué)抑制劑也可作為治療OSCC的一種可行方案[5]。③研究表明，LSD1與神經(jīng)母細(xì)胞瘤分化聯(lián)系密切。在神經(jīng)母細(xì)胞瘤患者的腫瘤組織中，LSD1在分化不良的組織中的表達(dá)明顯高于正常組織，但在。在神經(jīng)母細(xì)胞瘤細(xì)胞株中，LSD1的表達(dá)隨著細(xì)胞的分化而下降，siRNA下調(diào)LSD1的表達(dá)后，瘤細(xì)胞的生長(zhǎng)受抑制，說明LSD1可以抑制神經(jīng)母細(xì)胞瘤的生長(zhǎng)[6]。此外，Lim等[7]研究發(fā)現(xiàn)LSD1在乳腺癌患者雌激素受體（ER）陰性的乳腺癌組織中的表達(dá)水平明顯高于ER陽(yáng)性的乳腺癌組織和正常乳腺組織。體外研究發(fā)現(xiàn)下調(diào)LSD1的表達(dá)亦能抑制乳腺癌細(xì)胞生長(zhǎng)。④于妍妍等[8]發(fā)現(xiàn)LSD1與食管鱗癌的淋巴結(jié)轉(zhuǎn)移和增值有關(guān)，且LSD1高表達(dá)的患者預(yù)后不良，臨床資料顯示，在已經(jīng)發(fā)生淋巴結(jié)轉(zhuǎn)移的食管鱗癌組織中LSD1的表達(dá)升高更加顯著，該結(jié)果提示LSD1很可能參與到食管鱗癌的淋巴結(jié)轉(zhuǎn)移過程，這與前期在其他腫瘤研究中所得的結(jié)果相一致。

2 JMJD家族的催化機(jī)制與生物學(xué)功能

JMJD超家族，是數(shù)目眾多的一類組蛋白去甲基化酶，屬于一類依賴二價(jià)鐵離子和α一酮戊二酸的雙加氧酶，能催化單甲基化、二甲基化和三甲基化的組蛋白賴氨酸還原。JMJD家族成員較多，如人的JMJD1A、JMJD2A、JARID1B和UTX等，它們均可催化組蛋白的去甲基化修飾，但具有底物選擇性。該類酶主要通過使組蛋白去甲基化，改變組蛋白的表觀結(jié)構(gòu)，從而調(diào)節(jié)基因活性、染色質(zhì)結(jié)構(gòu)、損傷修復(fù)及表觀記憶等。研究表明JMJD家族通過調(diào)控細(xì)胞由DNA合成前期向DNA合成期的轉(zhuǎn)換，從而影響細(xì)胞周期進(jìn)程，調(diào)控多種哺乳動(dòng)物基因的轉(zhuǎn)錄，這可能是其參與癌癥發(fā)生的途徑[9]。

2.1 催化機(jī)制：與LSD1不同，JMJD家族成員的N端和C端多含有JmjC結(jié)構(gòu)域，該結(jié)構(gòu)域是酶活性中心的組成部分，不需要質(zhì)子化的氮作為氫供體，可以還原三甲基化賴氨酸殘基上的甲基基團(tuán)。JMJD家族成員在輔因子2-OG和O2的參與下，JMJD家族成員可催化組蛋白賴氨酸殘基上的甲基化氨基生成羥基化中間體，同時(shí)產(chǎn)生1分子CO2和1分子琥珀酸鹽，隨后該中間體生成不穩(wěn)定的半氨醛，并進(jìn)一步分解為去甲基化賴氨酸和甲醛[2]。

2.2 生物學(xué)功能：JMJD1A是第1個(gè)被發(fā)現(xiàn)的含有JmjC結(jié)構(gòu)域的組蛋白去甲基化酶，與其同源蛋白JMJD1B均可催化組蛋白H3上36位的單/雙甲基化賴氨酸（H3K36me1/2）去甲基化。有動(dòng)物實(shí)驗(yàn)表明，JMJD1B的缺失會(huì)導(dǎo)致基因組不穩(wěn)定和癌癥的發(fā)生，提示該酶有抑制腫瘤的功能。在淋巴癌小鼠模型中發(fā)現(xiàn)，JMJD1A和JMJD1B的異常表達(dá)促使抑癌基因Ink4b下調(diào)，導(dǎo)致小鼠胚胎成纖維細(xì)胞永生化[2]。

JMJD1A又名KDM3A，亦屬于JMJD超家族。JMJD1A在前列腺癌、肝癌、結(jié)腸癌等多種腫瘤中均有高表達(dá)。Yamada等發(fā)現(xiàn)，在缺氧狀態(tài)下，抑制JMJD1A在肝癌細(xì)胞系中的表達(dá)可顯著抑制細(xì)胞生長(zhǎng)，減少細(xì)胞侵襲能力以及阻滯上皮間質(zhì)轉(zhuǎn)化[10]。JMJD1A還能影響精子發(fā)育。核蛋白和精蛋白對(duì)于精子染色體包裝和濃縮具有重要意義，JMJD1A能控制轉(zhuǎn)換核蛋白和精蛋白基因的表達(dá)，有實(shí)驗(yàn)表明小鼠被敲除JMJD1A后，在減數(shù)分裂后期精子染色質(zhì)濃縮受損，精子成熟失敗。Liu等也發(fā)現(xiàn)JMJD1A基因缺陷的雄性小鼠其生殖細(xì)胞大量凋亡，睪丸減小。

JMJD1B通過催化H3K9me1/2去甲基化，在白血病中發(fā)揮轉(zhuǎn)錄調(diào)控作用，其與帽子結(jié)合蛋白（CBP）作為輔激活因子，可富集至白血病致癌基因lmo2的啟動(dòng)子區(qū)域，調(diào)控靶基因的轉(zhuǎn)錄；該酶在多種白血病患者的血細(xì)胞中均有高表達(dá)，并能抑制白血病細(xì)胞的分化[2]。

JMJD2B又名KDM4B，在促進(jìn)根尖牙乳頭干細(xì)胞介導(dǎo)的牙齒組織再生方面有研究前景，姚睿等[11]研究證實(shí)JMJD2B具有促進(jìn)根尖牙乳頭干細(xì)胞成骨和成牙本質(zhì)分化的潛能。但有研究表明JMJD2B參與癌細(xì)胞的增殖和存活，有致癌活性，采用siRNA抑制JMJD2B基因在胃癌組織中的表達(dá)后，可使癌細(xì)胞增殖受到抑制，抑癌基因p53的表達(dá)上調(diào)[2]。因此，JMJD2B的異常表達(dá)不僅影響腫瘤的發(fā)生發(fā)展，還參與腫瘤細(xì)胞缺氧應(yīng)激反應(yīng)。

3 展 望

組蛋白甲基化與去甲基化失衡對(duì)于腫瘤的發(fā)生發(fā)展有著及其重要的意義，深入探索二者的動(dòng)態(tài)平衡機(jī)制能為腫瘤的防治及預(yù)后開啟新的途徑。隨著LSD1的發(fā)現(xiàn)，組蛋白去甲基化的可逆性被證實(shí)，對(duì)組蛋白去甲基化酶的研究取得了較大進(jìn)展，但目前組蛋白去甲基化酶具體的作用機(jī)制仍不明了，當(dāng)前研究多處于概念階段，利用其抑制劑進(jìn)行疾病治療的臨床效果并不理想，還有許多問題尚待深入研究，如利用KDM4B促進(jìn)牙齒組織再生時(shí)如何避免其致癌活性；JMJD3治療腫瘤時(shí)，其他受JMJD3調(diào)節(jié)的靶基因在腫瘤發(fā)生中的作用及對(duì)機(jī)體產(chǎn)生的影響，如何維持體內(nèi)甲基化與去甲基化的平衡；JMJD家族新成員的鑒定，各成員在生理和病理狀態(tài)下的生物學(xué)作用和分子機(jī)制，尤其是與特定疾病的關(guān)聯(lián)；這些問題的研究不僅能擴(kuò)展表觀遺傳學(xué)方面的知識(shí)，也將對(duì)腫瘤機(jī)制的闡明及腫瘤預(yù)防診斷和治療發(fā)揮重大的推動(dòng)作用，有利于實(shí)現(xiàn)去甲基化酶從實(shí)驗(yàn)室研究到臨床應(yīng)用的轉(zhuǎn)變[1,3]。此外，闡明組蛋白去甲基化酶的作用機(jī)制對(duì)藥物的開發(fā)與應(yīng)用具有重要意義。隨著去乙?；敢种苿┩度肟拱┧幬锸袌?chǎng)后，對(duì)于組蛋白去甲基化酶抑制劑的研究也成蓬勃之態(tài)，毫無疑問，組蛋白去甲基化酶已經(jīng)成為治療癌癥的新方向[1]。因目前的組蛋白去甲基化抑制劑的特異性還不高，接下來的研究重點(diǎn)更應(yīng)專注于研發(fā)具有高特異性的抑制劑[12]。

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Research Progress of Histone Demethylase

MA Jia-ping1, HAN Jian2, ZHANG Jin-long1
(1 Department of Pharmacy, Jimsar County People's Hospital, Jimsar 831700, China;
2 Xinjiang Tacheng Food and Drug Inspection Institute, Tacheng 831700, China)

First histone methylation enzyme (LSD1) findings confirmed that the methylation of histone modification is not a permanent group of protein markers, but a dynamic process can be adjusted. Through the enzyme catalytic removal of histone lysine on at the end of the N methyl, participate in the regulation of chromatin function, and with certain diseases, especially closely related to the occurrence of cancer development. This article mainly went histone methylation enzyme catalytic mechanism and biological function of literature investigation and tracking, and sums up, aimed at further understanding and exploring histone methylation enzyme to provide theoretical reference.

Histone demethylase; LSD1; JMJD; Tumor

Q512.7；R730.2

A

1671-8194（2017）12-0046-02