組蛋白去乙酰酶2的結構及其在疾病中的作用

孫 欣，趙德明，楊利峰，周向梅

(中國農業(yè)大學動物醫(yī)學院國家動物海綿狀腦病實驗室，北京 100193)

組蛋白和非組蛋白的乙?；饔?，對于基因的表達和信號的傳遞具有很重要的意義。在真核生物體內，組蛋白包裹DNA，形成核小體，為染色質結構的基本單位[1-2]。組蛋白乙?；黾恿巳旧|的轉錄活性，可以調節(jié)包括轉錄在內的多種細胞內過程[3]。這些因子在調節(jié)細胞生長、分化、遷徙、活化的過程中發(fā)揮重要作用。

組蛋白乙?；饔弥饕蓛煞N具有相反功能的酶組成：組蛋白乙酰轉移酶(histone acetyltransferases，HATs)和組蛋白去乙酰酶(histone deacetylases，HDACs)[4]。組蛋白乙酰轉移酶可以對組蛋白或非組蛋白產生乙?；饔?，導致特定位點的染色質解旋，起轉錄活化的作用。組蛋白去乙酰酶可將組蛋白尾部的乙酰基去除，因此被視為轉錄抑制物[5]。

組蛋白去乙酰酶在核小體去乙酰化過程中起重要作用，能與其他染色質調節(jié)器相互作用，調節(jié)表觀遺傳過程[6-7]。組蛋白去乙酰酶可以使組蛋白、多種轉錄因子或多種蛋白發(fā)生乙?；饔?，參與調節(jié)多種細胞過程。本文對組蛋白去乙酰酶2進行綜述，概述組蛋白去乙酰酶2的基本結構和生理功能，以及組蛋白去乙酰酶2在調節(jié)機體免疫功能和參與各種疾病調節(jié)過程中的重要作用,為從事相關研究提供參考和理論依據。

1 組蛋白去乙酰酶2的結構

圖1 HDAC分類及結構域示意圖Fig.1 Classification and diagram of the structural domains of HDACs

在哺乳動物中，現(xiàn)已發(fā)現(xiàn)18種組蛋白去乙酰酶，這些酶被分為四種類型，分別為I型組蛋白去乙酰酶、II型組蛋白去乙酰酶、III型組蛋白去乙酰酶、IV型組蛋白去乙酰酶。I型組蛋白去乙酰酶包括HDAC1、HDAC2、HDAC3和HDAC8，與啤酒酵母細胞HDAC的Rpd-3呈現(xiàn)高度的同源性。II型組蛋白去乙酰酶包括HDAC4、HDAC5、HDAC7和HDAC9，與啤酒酵母細胞Hda-1呈現(xiàn)高度的同源性。III型組蛋白去乙酰酶，又稱長壽蛋白，為NAD依賴性脫乙酰作用，與酵母抑制劑Sir-2相關。IV型組蛋白去乙酰酶，為最新被認定的組蛋白去乙酰酶，與人類HDAC11同源[8]。I、II和IV型組蛋白去乙酰酶為原始酶家族，在原核及真核細胞內呈現(xiàn)高度保守的序列。哺乳動物、真菌及原核蛋白的HDACs的結構域及分型見圖1。

組蛋白去乙酰酶2包含一些特定功能區(qū)(圖2)：組蛋白去乙酰酶2是由488個氨基酸組成的長鏈蛋白。兩個鄰近的組氨酸殘基形成口袋結構，兩個天冬氨酸和一個組氨酸組成含有Zn2+的電荷中繼系統(tǒng)，共同構成了組蛋白去乙酰酶2的活化中心[9]。組蛋白去乙酰酶2的催化結構域與N-末端HDAC連接域部分重疊，這種結構有助于HDAC二聚體的形成。C-末端部分包含IAC(E/D)E結構，可以與口袋蛋白pRb, p107和p130相互作用。催化域內的兩個氨基酸殘基與泛素連接酶Chfr相互作用，調節(jié)蛋白降解。組蛋白去乙酰酶發(fā)揮催化作用，依靠Zn2+與天冬氨酸和組氨酸形成的復合物直接水解酰胺鍵[10]。這種脫乙酰作用，可以在組蛋白或非組蛋白上發(fā)生。

除了組蛋白去乙酰酶8以外，所有的I型組蛋白去乙酰酶并非與DNA直接結合，而是形成穩(wěn)定的多蛋白結構，發(fā)揮其催化作用[11]。這些復合體能夠激活I型組蛋白去乙酰酶的去乙酰酶活性，通過與其他調節(jié)蛋白相互作用來介導特定位點的基因轉錄沉默。在哺乳動物中，組蛋白去乙酰酶1和組蛋白去乙酰酶2相互作用，與多種蛋白共同構成了其抑制作用的催化核心。這種以組蛋白去乙酰酶為核心的蛋白復合體包括核小體重塑脫乙酰酶(NuRD)復合體、共抑制阻遏元素1沉默轉錄因子(CoREST)復合體、MiDAC復合體、SIN3復合體[12]。復合體的大小(200 kDa～2 MDa)和亞基數(shù)量(3個～14個)有較大差異(圖3)。組蛋白去乙酰酶與這些蛋白結合，引起了染色體重塑或染色體結合能力的改變，從而提供了一個與其他染色體調節(jié)機制協(xié)調去乙酰功能的平臺。

圖2 HDAC2的功能結構域Fig.2 The functional domains of HDAC2

圖3 主要的HDAC2復合體結構示意圖Fig.3 Schematic diagram of the main structure of HDAC2 complexes

2 組蛋白去乙酰酶2在疾病中的作用

2.1 組蛋白去乙酰酶2在癌細胞中表達異常

有大量文獻報道，在腫瘤發(fā)生過程中，存在組蛋白去乙酰酶2異常表達[13]。在特定的癌細胞中，消耗組蛋白去乙酰酶2會導致癌細胞生長停止并出現(xiàn)細胞凋亡[14]。

組蛋白去乙酰酶2抑制INPP5F和GSK3β/APC介導的β-連環(huán)蛋白的降解，這一過程對組蛋白去乙酰酶2表達及腫瘤的發(fā)展起關鍵作用[14]。此外，組蛋白去乙酰酶2可以沉默凋亡前體半胱氨酸蛋白酶9(caspase 9)，激活蛋白APAF1和NOXA的表達。組蛋白去乙酰酶2對抑癌基因p53表達起抑制作用，并促進MYC表達[15]。組蛋白去乙酰酶2對上述蛋白表達量的調節(jié)，阻礙細胞凋亡過程，還可導致細胞循環(huán)紊亂等不良后果。

因此，組蛋白去乙酰酶抑制劑可能成為治療腫瘤的新方法。有研究表明，異羥肟酸(SAHA)作為組蛋白去乙酰酶抑制劑，具有抗癌作用。SAHA于G2/M期抑制組蛋白去乙酰酶，阻滯細胞增殖，同時促進細胞凋亡蛋白酶分泌，可以抑制肺癌細胞生長。SAHA同時上調肺癌細胞TNFR1，從而提高TNF-α在細胞凋亡中的作用[16]。因此，TNF-α可能與組蛋白去乙酰酶抑制劑相互作用，共同增加抗腫瘤作用。

2.2 組蛋白去乙酰酶2在糖尿病中的作用

隨著表觀遺傳學的深入研究，有學者發(fā)現(xiàn)組蛋白去乙酰酶在胰島素信號通路中起關鍵性作用[17]。有報道顯示，在小鼠海馬回，突觸后谷氨酰能神經元(PSGNs)與組蛋白去乙酰酶2相互作用，在胰島素信號通路中發(fā)揮作用。組蛋白去乙酰酶2結合在N-甲基-D-天冬氨酸受體亞基2B標記的PSGNs上，構成胰島素信號通路的重要組件[17]。另有研究報道，妊娠糖尿病患者單核細胞和巨噬細胞中，組蛋白去乙酰酶2的分泌和活性均有所下降。用組蛋白去乙酰酶2的抑制劑AR- 42處理單核細胞或巨噬細胞，可加重線粒體功能紊亂，并上調IL-1β、TNF-α、IL-6等細胞因子的表達[18]。根據上述研究表明，組蛋白去乙酰酶2的活性與線粒體功能和促炎細胞因子的分泌有關，組蛋白去乙酰酶2可能作為治療妊娠糖尿病的靶點，對治療妊娠糖尿病起重要作用。

2.3 去乙酰酶2在神經退行性疾病中的作用

記憶的形成過程一直是近年來的科學研究熱點[19]，有研究表明，染色質修飾中組蛋白尾部的乙?；饔迷谟洃浶纬蛇^程中起關鍵作用。小鼠體內過表達組蛋白去乙酰酶2，可以引起樹突棘數(shù)量減少、突觸數(shù)量及可塑性降低、記憶形成障礙等不良后果，而組蛋白去乙酰酶2缺失小鼠無上述癥狀且表現(xiàn)出記憶增強的現(xiàn)象。使用組蛋白去乙酰酶2抑制劑可以治療小鼠由于組蛋白去乙酰酶2過表達所產生的疾病[20]。因此，對組蛋白去乙酰酶2的研究，可能對突觸不足、認知損傷類神經退行性疾病的致病機理有進一步的認識，組蛋白去乙酰酶2選擇性抑制劑可能成為治療記憶障礙相關疾病的新型藥物。另有文獻報道，組蛋白去乙酰酶1的SUMO化作用會減少組蛋白去乙酰酶1與腦啡肽結合。組蛋白去乙酰酶1的SUMO化可減少細胞凋亡和老年斑塊的數(shù)量，對于突觸不足、認知損傷類神經退行性疾病有潛在的治療效果[21]。組蛋白去乙酰酶1的SUMO化可作為抵抗Aβ的天然防御機制，作為具有相似功能的組蛋白去乙酰酶2，其也可能在神經退行性疾病中發(fā)揮重要作用。

2.4 組蛋白去乙酰酶2在結核病中的作用

有研究表明，結核分枝桿菌H37Rv感染人巨噬細胞，可引起組蛋白去乙酰酶1表達水平的增高，同時伴隨組蛋白H3乙?；饔妹黠@降低。在結核分枝桿菌感染過程中，IL-12B可招募組蛋白去乙酰酶1，隨后組蛋白H3的低乙?；饔靡种圃摶虻谋磉_，從而抑制Th-1應答[22]。故抑制組蛋白去乙酰酶1表達對于激活Th-1型免疫應答，發(fā)揮抗結核的作用可能具有重要意義。

組蛋白去乙酰酶2與組蛋白去乙酰酶1的蛋白序列極為相似。有研究發(fā)現(xiàn)，人類組蛋白去乙酰酶2與組蛋白去乙酰酶1的氨基酸序列相似度達82%，這一發(fā)現(xiàn)表明，兩種蛋白功能也可能出現(xiàn)大量相似。因此控制組蛋白去乙酰酶2的表達量，也可能對治療結核產生作用。

3 結語

近年來，組蛋白去乙酰酶2成為一個科學研究的熱點。組蛋白去乙酰酶2的異常表達，通過異常調節(jié)基因表達和信號傳導，打破了機體原有的平衡。研究組蛋白去乙酰酶2的結構及其特定的功能，對于藥物的設計及藥效的發(fā)揮有著重要的作用。組蛋白去乙酰酶抑制劑可能成為新型藥物，用于疾病的治療。然而，組蛋白乙?；且粋€動態(tài)的過程，翻譯后修飾等復雜的過程調節(jié)組蛋白去乙酰酶2的表達。研究組蛋白去乙酰酶作用位點，可以了解更多組蛋白及非組蛋白乙?；^程，為今后研究人類各種疾病的治療提供可靠的實驗數(shù)據。

參考文獻：

[1] Ma P, Schultz RM. HDAC1 and HDAC2 in mouse oocytes and preimplantation embryos: Specificity versus compensation [J]. Cell Death Differ, 2016, 23(7): 1119-1127.

[2] 陳思, 魯克慶, 馬興銘. 微核試驗方法及應用研究進展 [J]. 中國比較醫(yī)學雜志, 2016, 26(2): 83-86.

[3] Spange S, Wagner T, Heinzel T, et al. Acetylation of non-histone proteins modulates cellular signalling at multiple levels [J]. Int J Biochem Cell Biol, 2009, 41(1): 185-198.

[4] Lehrmann H, Pritchard LL, Harel-Bellan A. Histone acetyltransferases and deacetylases in the control of cell proliferation and differentiation [J]. Adv Cancer Res, 2002, 86: 41-65.

[5] Brunmeir R, Lagger S, Seiser C. Histone deacetylase HDAC1/HDAC2-controlled embryonic development and cell differentiation [J]. Int J Dev Biol, 2009, 53(2-3): 275-289.

[6] Yamaguchi T, Cubizolles F, Zhang Y, et al. Histone deacetylases 1 and 2 act in concert to promote the G1-to-S progression [J]. Genes Dev, 2010, 24(5): 455-469.

[7] Berger SL. The complex language of chromatin regulation during transcription [J]. Nature, 2007, 447(7143): 407-412.

[8] Gregoretti IV, Lee YM, Goodson HV. Molecular evolution of the histone deacetylase family: functional implications of phylogenetic analysis [J]. J Mol Biol, 2004, 338(1): 17-31.

[9] de Ruijter AJ, van Gennip AH, Caron HN, et al. Histone deacetylases (HDACs): characterization of the classical HDAC family [J]. Biochem J, 2003, 370(Pt 3): 737-749.

[10] Brehm A, Miska EA, McCance DJ, et al. Retinoblastoma protein recruits histone deacetylase to repress transcription [J]. Nature, 1998, 391(6667): 597-601.

[11] Zhang Y, Ng HH, Erdjument-Bromage H, et al. Analysis of the NuRD subunits reveals a histone deacetylase core complex and a connection with DNA methylation [J]. Genes Dev, 1999, 13(15): 1924-1935.

[12] Millard CJ, Watson PJ, Fairall L, et al. Targeting class I histone deacetylases in a “complex” environment [J]. Trends Pharmacol Sci, 2017, 38(4): 363-377.

[13] Wagner T, Brand P, Heinzel T, et al. Histone deacetylase 2

controls p53 and is a critical factor in tumorigenesis [J]. Biochim Biophys Acta, 2014, 1846(2): 524-538.

[14] Heinzel T, Kr?mer OH. Pharmacodynamic markers for histone deacetylase inhibitor development [J]. Drug Discov Today Dis Mech, 2008, 4(4): 277-283.

[15] Trivedi CM, Luo Y, Yin Z, et al. Hdac2 regulates the cardiac hypertrophic response by modulating Gsk3 beta activity [J]. Nat Med, 2007, 13(3): 324-331.

[16] You BR, Han BR, Park WH. Suberoylanilide hydroxamic acid increases anti-cancer effect of tumor necrosis factor-α through up-regulation of TNF receptor 1 in lung cancer cells [J]. Oncotarget, 2017, 8(11): 17726-17737.

[17] Bieliauskas AV, Pflum MK. Isoform-selective histone deacetylase inhibitors [J]. Chem Soc Rev, 2008, 37(7): 1402-1413.

[18] Qu X, Yu H, Jia B, et al. Association of downregulated HDAC 2 with the impaired mitochondrial function and cytokine secretion in the monocytes/macrophages from gestational diabetes mellitus patients [J]. Cell Biol Int, 2016, 40(6): 642-651.

[19] 趙進, 蔡兆偉, 管峰. 阿爾茨海默病與PRNP突變體小鼠動物模型 [J]. 中國實驗動物學報, 2016, 24(5): 541-545.

[20] Guan JS, Haggarty SJ, Giacometti E, et al. HDAC2 negatively regulates memory formation and synaptic plasticity [J]. Nature, 2009, 459(7243): 55-60.

[21] Tao CC, Hsu WL, Ma YL, et al. Epigenetic regulation of HDAC1 SUMOylation as an endogenous neuroprotection against Aβ toxicity in a mouse model of Alzheimer’s disease [J]. Cell Death Differ, 2017, 24(4): 597-614.

[22] Chandran A, Antony C, Jose L, et al. Mycobacterium tuberculosis infection induces HDAC1-mediated suppression of IL-12B gene expression in macrophages [J]. Front Cell Infect Microbiol, 2015, 5: 90.