組蛋白去甲基化酶在急性髓系白血病的研究進(jìn)展*

宋 磊， 徐 鑫， 趙 瑤， 胡振波△

濰坊醫(yī)學(xué)院 1臨床醫(yī)學(xué)院 2附屬醫(yī)院干細(xì)胞與再生醫(yī)學(xué)實(shí)驗(yàn)室，濰坊 261043

組蛋白去甲基化酶在急性髓系白血病的研究進(jìn)展*

宋 磊1， 徐 鑫2， 趙 瑤2， 胡振波2△

濰坊醫(yī)學(xué)院1臨床醫(yī)學(xué)院2附屬醫(yī)院干細(xì)胞與再生醫(yī)學(xué)實(shí)驗(yàn)室，濰坊 261043

表觀遺傳學(xué)； 組蛋白去甲基化酶； 急性髓系白血病

急性髓系白血病(acute myeloid leukemia，AML)是發(fā)生于血液系統(tǒng)造血干/祖細(xì)胞的惡性增殖性疾病，主要由于遺傳變化使髓細(xì)胞分化成熟障礙和凋亡受阻，導(dǎo)致其在骨髓中惡性增殖和積聚，從而影響正常的造血功能[1-2]。目前的治療方法主要是誘導(dǎo)分化的化學(xué)療法，但卻面臨復(fù)發(fā)與耐藥等問題。組蛋白的甲基化修飾是表觀遺傳學(xué)的調(diào)控機(jī)制之一，通過激活和抑制基因的轉(zhuǎn)錄而參與細(xì)胞的增殖、凋亡等。近年來研究發(fā)現(xiàn)，組蛋白的甲基化修飾在癌基因的激活和抑癌基因功能的缺失方面有著重要的作用。本文就組蛋白去甲基化酶的研究背景、組蛋白去甲基化酶與急性髓系白血病的研究進(jìn)展進(jìn)行簡(jiǎn)要闡述，并對(duì)組蛋白去甲基化酶的潛能進(jìn)行了展望。

1 表觀遺傳學(xué)背景

表觀遺傳學(xué)是研究基因組功能及基因表達(dá)調(diào)控的關(guān)鍵領(lǐng)域之一，其特點(diǎn)是在不涉及DNA序列變化的情況下基因組修飾的改變，這些修飾的改變不僅可以影響個(gè)體的發(fā)育，還可造成代謝的紊亂及腫瘤的發(fā)生，并且這種改變會(huì)遺傳給后代。因此表觀遺傳修飾的研究對(duì)疾病的發(fā)生、診斷和治療有著重要的意義[3-5]。表觀遺傳修飾主要包括DNA甲基化、組蛋白的共價(jià)修飾和核小體的重塑和復(fù)位。其中，組蛋白的共價(jià)修飾是近些年來研究的熱點(diǎn)，其氨基末端結(jié)構(gòu)域的翻譯后修飾包括：磷酸化(phosphorylation)，甲基化(methylation)，泛素化(ubiquitination)，乙酰化(acetylation)等[6]。與其他的修飾相比，組蛋白的甲基化和去甲基化是表觀修飾中重要的一部分，其在轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)中發(fā)揮關(guān)鍵的作用。

組蛋白的甲基化修飾可發(fā)生在賴氨酸和精氨酸殘基上，由組蛋白甲基轉(zhuǎn)移酶和組蛋白去甲基化酶共同調(diào)控，并參與各種不同的生物過程，包括異染色質(zhì)形成、X染色體失活和基因轉(zhuǎn)錄調(diào)控。組蛋白的乙酰化修飾通常與轉(zhuǎn)錄激活相關(guān)，而組蛋白賴氨酸甲基化修飾可以起到激活或抑制的作用，取決于特定的賴氨酸殘基的甲基化，即使在同一個(gè)賴氨酸殘基，甲基化的生物學(xué)后果也會(huì)因?yàn)橘嚢彼釟埢膯巍⒍蛉谆牟煌煌琜7-9]。H3K4及H3K36的甲基化通常與染色質(zhì)的激活有關(guān)，而H3K9、H4K20及H3K27的甲基化則與基因沉默相關(guān)。組蛋白去甲基化酶根據(jù)其發(fā)揮作用所依賴的功能基團(tuán)分為：依賴黃素腺嘌呤二核苷酸(flavin adenine dinucleotide，F(xiàn)AD)的賴氨酸特異性去甲基化酶(lysine-specific demethylase，LSD)家族，主要為KDM1家族；依賴Fe(Ⅱ)和α-酮戊二酸(αKG)的含Jumonji特征結(jié)構(gòu)域的組蛋白去甲基化酶(jumonji domain containing histone demethylase，JHDM)家族[10]，根據(jù)其家族成員N端和C端包含的Jumonji結(jié)構(gòu)域，又分別稱為JmjN和JmjC結(jié)構(gòu)域。

2 組蛋白去甲基化酶與急性髓系白血病

與急性髓系白血病相關(guān)的組蛋白去甲基化酶見表1。

2.1 KDM1A

組蛋白去甲基化酶KDM1A是發(fā)現(xiàn)得最早的組蛋白賴氨酸去甲基化酶，它的發(fā)現(xiàn)證實(shí)了組蛋白甲基化的可逆性[11]。KDM1A含有LSD結(jié)構(gòu)域，可以催化組蛋白3賴氨酸4和組蛋白3賴氨酸9的一或二甲基的賴氨酸形成非甲基化的賴氨酸。KDM1A在各種血液系統(tǒng)的惡性腫瘤中高表達(dá)，可以調(diào)控抑癌基因p53的活性，使p53位點(diǎn)上的K370 me去甲基化，從而抑制p53的信號(hào)傳遞[12]。AML的發(fā)病機(jī)制中有10%是因?yàn)榛旌舷蛋籽』騇LL(mixed lineage leukemia，MLL)也是H3K4的甲基轉(zhuǎn)移酶的異位，存在該融合基因的患者常常有高藥物抵抗和低生存率。在MLL-AF9融合基因引起的小鼠髓系白血病模型中，敲除KDM1A基因可以促進(jìn)AML細(xì)胞凋亡，其機(jī)制可能與敲除KDM1A誘導(dǎo)致癌基因MYC的表達(dá)下調(diào)和影響干細(xì)胞相關(guān)基因PRC(polycomb-related complex，PRC)的靶基因有關(guān)，表明KDM1A與粒細(xì)胞分化阻滯相關(guān)，并可作為一個(gè)選擇性的藥物靶點(diǎn)對(duì)髓系惡性腫瘤的化學(xué)治療方面起到積極的作用[13]。KDM1A與ASXL1蛋白和HP1蛋白相互作用形成三元復(fù)合物，通過去除組蛋白H3K4的甲基化使髓系祖細(xì)胞分化受阻，從而引起腫瘤的發(fā)生[14]。急性早幼粒細(xì)胞白血病為急性髓細(xì)胞白血病的一個(gè)亞型，其主要發(fā)病機(jī)制為早幼粒細(xì)胞正常的分化受阻，使大量早幼粒細(xì)胞在骨髓聚積[15]。雖然全反式維甲酸(all-trans retinoic acid，ATRA)對(duì)急性早幼粒細(xì)胞白血病的誘導(dǎo)分化是靶向治療的范例，但其復(fù)發(fā)率和白血病細(xì)胞對(duì)ATRA的耐藥仍然是未解的難題。有研究表明KDM1A的抑制劑TCP聯(lián)合ATRA能夠誘導(dǎo)白血病細(xì)胞的分化，從而使疾病得到完全緩解[16]。還有研究結(jié)果表明KDM1A/HDAC1復(fù)合物被TAL1/SCL招募作用于靶基因啟動(dòng)子從而抑制造血系統(tǒng)中重要的轉(zhuǎn)錄因子TAL1的轉(zhuǎn)錄[17]，提示KDM1A表達(dá)下調(diào)能夠使受抑制的基因重新表達(dá)。

2.2 KDM2B

組蛋白去甲基化酶KDM2B是發(fā)現(xiàn)的第一個(gè)包含JmjC結(jié)構(gòu)域的組蛋白去甲基化酶KDM2A(JHDM1A)的旁系同源，能夠去除組蛋白3賴氨酸36的一甲基和二甲基(H3K36me1/2)和組蛋白3賴氨酸4的三甲基(H3K4me3)[18]。在小鼠模型中發(fā)現(xiàn)組蛋白去甲基化酶KDM2B在調(diào)節(jié)造血譜系的干細(xì)胞和祖細(xì)胞(hematopoietic stem and progenitor cells，HSPC)中起關(guān)鍵作用[19]。在造血祖細(xì)胞中，KDM2B的缺失顯著影響了Hoxa9 / Meis1誘導(dǎo)的白血病轉(zhuǎn)化；在白血病干細(xì)胞中，敲除的KDM2B使其在體外和體內(nèi)的自我更新能力降低。其機(jī)制是由于KDM2B去除H3K36的二甲基使抑癌基因p15Ink4b表達(dá)下降。因此，KDM2B可能起著潛在的致癌作用[20]。在髓系細(xì)胞系和骨髓增生異常綜合征(myelodysplastic syndromes，MDS)細(xì)胞系中，KDM2B通過調(diào)控let-7b/EZH2基因使轉(zhuǎn)錄抑制，表明KDM2B-Let-7b-EZH2軸具有表觀遺傳學(xué)化療靶點(diǎn)的潛能[21]。

2.3 KDM3B

組蛋白去甲基化酶KDM3B包含JmjC結(jié)構(gòu)域，能夠特異性去除組蛋白3賴氨酸9的單甲基和二甲基(H3K9me1/2)[22]。KDM3B在惡性髓系疾病中低表達(dá)，包括部分急性髓系白血病和骨髓增生異常綜合征，過表達(dá)KDM3B能夠抑制腫瘤生長(zhǎng)，表明KDM3B的缺失可能與這些惡性腫瘤的發(fā)病相關(guān)，并可能起到抑癌作用[23]。但KDM3B在急性早幼粒細(xì)胞性白血病中與帽子結(jié)合蛋白CBP作為轉(zhuǎn)錄輔因子被招募至Lmo2啟動(dòng)子區(qū)域，與致癌基因Lmo2的轉(zhuǎn)錄激活相關(guān)。

2.4 JMJD1C

組蛋白去甲基化酶JMJD1C能夠去除組蛋白3賴氨酸9的單甲基和二甲基(H3K9me1/2)。AML的發(fā)生有15%是由于染色體t(8；21)的異位，形成融合基因AML-ETO，該融合基因可以使造血干細(xì)胞(hematopoietic stem cell，HSC)的自我更新能力加強(qiáng)和抑制粒細(xì)胞的分化[24]。AML1-ETO融合基因直接招募JMJD1C作為其靶基因[25]，調(diào)控其轉(zhuǎn)錄并通過與致癌基因LYL1和HEB相互作用影響多種白血病細(xì)胞的增殖。在白血病細(xì)胞系中，刪除JMJD1C使白血病干/祖細(xì)胞的標(biāo)記基因c-Kit輕度下調(diào)和MLL-AF9融合基因表達(dá)失調(diào)，其機(jī)制可能由于JMJD1C與致癌基因Myb相互作用有關(guān)[26]。

2.5 KDM4C

組蛋白去甲基化酶KDM4C包含JmjC結(jié)構(gòu)域能夠去除組蛋白3賴氨酸9的三甲基(H3K9me3)。組蛋白去甲基化酶可以與特異性組蛋白甲基轉(zhuǎn)移酶一起去除相對(duì)的甲基化標(biāo)記以加強(qiáng)用于基因表達(dá)的特定表觀遺傳程序。KDM4C和組蛋白甲基轉(zhuǎn)移酶PRMT1共同被MLL-GAS7、MLL-AF9、MO2-TIF2等融合基因招募，敲除KDM4C可導(dǎo)致MLL轉(zhuǎn)化細(xì)胞中Myc基因座上H3K9me3表達(dá)上調(diào)，表明KDM4C在調(diào)節(jié)致癌轉(zhuǎn)錄中的關(guān)鍵功能。KDM4C的抑制劑SD70抑制同基因小鼠模型和人AML異種移植模型中的白血病發(fā)生[27]。

2.6 PHF8

組蛋白去甲基化酶PHF8(plant homeodomain finger prote 8，PHF8)包含JmjC結(jié)構(gòu)域能夠去除組蛋白3賴氨酸9或組蛋白3賴氨酸20的單甲基和二甲基(H3K20me1/2，H3K9me1/2)、組蛋白3賴氨酸27的二甲基(H3K27me2)[28]。在ATRA治療的具有PML-RARα融合基因突變的APL中，PHF8可與PML-RARα相互作用，控制PHF8的活性或其磷酸化水平，可以增強(qiáng)APL細(xì)胞對(duì)ATRA的敏感性，甚至可以使耐藥的APL細(xì)胞恢復(fù)對(duì)ATRA的敏感性。這揭示了組蛋白去甲基化酶在介導(dǎo)藥物反應(yīng)的關(guān)鍵功能和成為調(diào)節(jié)維甲酸治療腫瘤敏感性的有效途徑[29]。

表1 與AML相關(guān)的組蛋白去甲基化酶Table 1 AML-associated histone lysine demethylases

3 總結(jié)與展望

幾年前組蛋白修飾的功能研究只在細(xì)胞水平上，隨著近年對(duì)表觀遺傳學(xué)研究的深入，如今已經(jīng)朝著臨床方向前進(jìn)，越來越多的組蛋白修飾酶在白血病中被發(fā)現(xiàn)可作為潛在的藥物靶點(diǎn)。H3K79甲基轉(zhuǎn)移酶DOTAL的抑制劑EPZ004777可通過抑制H3K79的甲基化而阻斷白血病的表達(dá)，將白血病細(xì)胞暴露于EPZ004777中，導(dǎo)致其選擇性殺死攜帶MLL基因易位的細(xì)胞，對(duì)非MLL易位細(xì)胞影響不大，表明DOTAL的抑制劑可成為混合系白血病的基礎(chǔ)化療藥物[30-31]。DNA甲基轉(zhuǎn)移酶的抑制劑阿扎胞苷在Ⅲ期隨機(jī)試驗(yàn)中，可顯著延長(zhǎng)中等和高風(fēng)險(xiǎn)骨髓增生異常患者的總生存期(OS)，其中有三分之一的急性髓系白血病患者。組蛋白去乙?；?HDAC)的抑制劑帕比司他、伏立諾他胺對(duì)AML的治療正在進(jìn)行Ⅱ、Ⅲ期臨床試驗(yàn)[32-34]。

在組蛋白去甲基化酶方面，多肽類、反苯環(huán)苯胺類、小分子多肽類等LSD1抑制劑已被發(fā)現(xiàn)[35]，新型LSD1抑制劑NCD25和NCD38抑制具有MLL-AF9融合基因的紅白血病細(xì)胞生長(zhǎng)并可阻礙AML的發(fā)展[36]。包含JmjC結(jié)構(gòu)域的去甲基化酶抑制劑如α-酮戊二酸類、含氮芳香環(huán)類、異羥肟酸類等[37]也已經(jīng)成功發(fā)現(xiàn)，如：GSK-J家族選擇性抑制KDM6家族成員，通過調(diào)控H3K27me3水平來調(diào)節(jié)巨噬細(xì)胞的炎性反應(yīng)[38]；Methylstat優(yōu)先抑制KDM4A和其他含有JmjC結(jié)構(gòu)域的去甲基化酶等[39]。不僅在白血病方面，組蛋白的表觀遺傳學(xué)修飾可作為一個(gè)突破口，在人類惡性腫瘤的發(fā)生、診斷、治療方面發(fā)揮著不可替代的作用。

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(2016-12-26 收稿)

*國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(No.81570157)；山東省醫(yī)藥衛(wèi)生科技發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目(No.2013WS0291)

R733.712

10.3870/j.issn.1672-0741.2017.04.025

宋 磊，女，1990年生，碩士研究生，E-mail：songleioasis@163.com

△通訊作者，Corresponding author，E-mail：huzhenbo@wfmc.edu.cn