賴氨酸特異性脫甲基化酶1 功能研究進展

秦許可 吳英光 鐘廣青 郭 際 王 磊 杜 洋 陳志遠 劉修恒

1.武漢大學(xué)人民醫(yī)院泌尿外科，湖北武漢 430060；2.海南省昌江縣醫(yī)療集團外一科，海南昌江 572700

組蛋白賴氨酸特異性去甲基化酶1（Histone lysinespecific demethylase 1，LSD1）又稱KDM1A、BHC110和AOF2，是黃素腺嘌呤二核苷酸（FAD）依賴性胺氧化酶超家族成員之一。LSD1 由852 個氨基酸組成，包含3 個主要結(jié)構(gòu)域：①N 端的SWIRM 結(jié)構(gòu)域（swi3p/Rsc8p/Moira domain）。對蛋白質(zhì)-蛋白質(zhì)相互作用至關(guān)重要，有助于蛋白質(zhì)穩(wěn)定性的維持。②C 端胺氧化酶樣（AOL）結(jié)構(gòu)域。與FAD 依賴性氧化酶有20%的序列相似性。③位于AOL 兩葉之間呈莖狀的塔形結(jié)構(gòu)域：負責與其輔因子的相互作用[1]。LSD1 是一種重要的表觀遺傳調(diào)節(jié)因子，于2004 年首次被發(fā)現(xiàn)，且被證明具有去甲基化酶活性[2]。它既可以去除組蛋白H3第4、第9 位賴氨酸上的單、雙甲基（H3K4me1/2、H3K9me1/2）作為轉(zhuǎn)錄輔抑制因子或轉(zhuǎn)錄輔活化因子，其底物特異性取決于與何種分子伴侶相互作用[3]。除了組蛋白底物，LSD1 還可調(diào)節(jié)大量與癌癥相關(guān)的非組蛋白底物的甲基化狀態(tài)，如腫瘤抑制因子p53[4]、轉(zhuǎn)錄因子E2F1[5]、脫氧核糖核酸甲基轉(zhuǎn)移酶1（DNMT1）[6]、缺氧誘導(dǎo)因子-1（HIF-1α）[7]和信號轉(zhuǎn)導(dǎo)和轉(zhuǎn)錄激活因子3（STAT3）[8]等，導(dǎo)致不同的生物學(xué)作用。通過去甲基化組蛋白和非組蛋白，LSD1 可在廣泛的細胞生理過程中發(fā)揮作用，如細胞增殖[9]、上皮間質(zhì)轉(zhuǎn)化[10]、自噬[11]、脂肪代謝[12]、干細胞多能性調(diào)節(jié)[13]和胚胎發(fā)育[14]。它的異常表達也與胚胎發(fā)育異常、人類癌癥發(fā)展和其他疾病密切相關(guān)[14-15]。雖然LSD1 大多數(shù)已知的功能都是依賴于其脫甲基酶活性，但近年來有關(guān)報道表明，LSD1 具有功能多樣性，它還能以蛋白質(zhì)間相互作用的方式調(diào)節(jié)許多細胞生物學(xué)過程[16]，但此類生化功能的機制仍然需要更充分的研究來闡明?，F(xiàn)就LSD1 最新的功能研究進展予以綜述，并討論其應(yīng)用的前景。

1 組蛋白去甲基化

LSD1 最典型的功能就是組蛋白去甲基化作用。LSD1 可與不同的輔因子蛋白組成不同的復(fù)合物，并以該形式存在于體內(nèi)。在催化過程中，LSD1 與不同的分子伴侶相互作用會對不同的靶基因產(chǎn)生影響，也會導(dǎo)致LSD1 底物特異性的改變[16]。LSD1 主要的底物是H3K4me1/2，他們是基因轉(zhuǎn)錄激活的標志物。當CoREST、CtBP 和NuRD 等復(fù)合物與染色質(zhì)結(jié)合后，可以募集LSD1，使其去甲基化靶基因啟動子上的H3K4me1/2將染色質(zhì)塑造成抑制性構(gòu)象，LSD 此時便成為轉(zhuǎn)錄抑制因子[17]。但是，當LSD1 的輔活化子是雄激素受體（AR）或雌激素受體（ER）時，LSD1 的底物便轉(zhuǎn)換為H3K9me1/2，其去甲基化過程可以協(xié)同促進AR 或ER激活基因的轉(zhuǎn)錄[17]。此外，LSD1 存在剪接變異體（LSD1+8a），其在AOL 結(jié)構(gòu)域內(nèi)含有4 個額外的氨基酸（外顯子8a）[18]。在神經(jīng)元分化過程中，外顯子8a 產(chǎn)生了一個對接位點，使得SVIL 蛋白可以將LSD1 底物轉(zhuǎn)化為H3K9me1/2。另外，LSD1+8a 還被發(fā)現(xiàn)可以去除H4K20上的甲基從而促進神經(jīng)元調(diào)節(jié)基因的轉(zhuǎn)錄[19]。

近年來，長鏈非編碼RNA（lncRNA）與LSD1 也存在著種種聯(lián)系。lncRNA 可以作為LSD1 和EZH2 等表觀遺傳酶的分子支架，形成核糖核蛋白復(fù)合物，此類復(fù)合物在癌癥中具有重要作用[20]。例如，HOTAIR 的5’和3’端分別可與PRC2 復(fù)合體（EZH2/SUZ12/EEDS）和LSD1 復(fù)合體（coREST/REST）結(jié)合，調(diào)節(jié)靶基因H3K27me3 和H3K4me2 的甲基化，介導(dǎo)靶基因的沉默[21]；TERRA 可以在無帽端粒上招募LSD1，促進LSD1和Mre11 之間的相互作用，介導(dǎo)端?；虺聊琜22]；SRA可與抑制性復(fù)合物LSD1-HP1γ-HDAC1/2-CoREST結(jié)合，使該復(fù)合物作用于靶染色質(zhì)，致使激素調(diào)節(jié)基因異常表達[23]。除此之外，還有許多這樣的lncRNA 被報道，例如Linc00673[24]、FOXD2-AS1[25]、HOTTIP[26]等。

2 非組蛋白去甲基化

除組蛋白底物外，LSD1 還可以調(diào)節(jié)大量非組蛋白底物的甲基化。LSD1 調(diào)節(jié)靶蛋白的甲基化狀態(tài)可以改變其功能。抑癌基因p53 是第一個被發(fā)現(xiàn)的該種底物，LSD1 能夠使p53 羧基末端二甲基化的K370 位點（K370me2）去甲基化，使得該位點不能被共激活蛋白53BP1 的Tudor 結(jié)構(gòu)域識別，阻斷了p53 信號通路的傳遞，導(dǎo)致細胞增殖失控[4]。此外，STAT3[8]、ERα[27]轉(zhuǎn)錄活性都受到LSD1 調(diào)控。除了改變靶蛋白功能，LSD1 還可以影響靶蛋白的穩(wěn)定性。如，甲基化的Dnmt1 蛋白會導(dǎo)致其成為蛋白酶體降解的靶點，而LSD1 可以去除其K142 位點的甲基化，保護其免受蛋白酶體降解，提高它的穩(wěn)定性[6]。LSD1 還可以去除Ago2 在K726me1 位點的甲基化，促進其蛋白穩(wěn)定性并積累雙鏈RNA 表達，從而調(diào)節(jié)腫瘤T 細胞反應(yīng)[28]。同樣的，LSD1 去甲基化也會破壞蛋白質(zhì)的穩(wěn)定性，比如MYPT1[29]。類似的作用還可以發(fā)生于轉(zhuǎn)錄因子E2F1[5]、HIF-1α[7]?？傊?，LSD1 還可以去甲基化大量非組蛋白底物，導(dǎo)致不同的生物學(xué)效應(yīng)。因此，類似磷酸化或乙?；鞍踪|(zhì)賴氨酸甲基化作為一種蛋白質(zhì)翻譯后修飾，也可以看作細胞信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑中重要的調(diào)節(jié)點。

3 蛋白質(zhì)-蛋白質(zhì)間相互作用

最近幾年，LSD1 的功能研究取得了重要進展。研究發(fā)現(xiàn)，除了去甲基化的方式以外，LSD1 還可與一些細胞內(nèi)源性蛋白通過非去甲基化的方式相互作用。同樣的，這些相互作用也會影響各種細胞生理過程[16]。

過去的觀點認為，LSD1 通過去除轉(zhuǎn)錄抑制信號H3K9me1/2 的甲基化，促進AR 通路的轉(zhuǎn)錄活性，在前列腺癌（PCa）中發(fā)揮作用[30]。但Sehrawat 等[31]研究發(fā)現(xiàn)，在PCa 中，LSD1 可以不依賴去甲基化酶活性和AR 通路激活癌基因網(wǎng)絡(luò)。研究發(fā)現(xiàn)，沉默PCa 細胞中LSD1 基因后，相關(guān)癌基因的H3K4me2 和H3K9me2標記沒有發(fā)生改變，并且導(dǎo)入外源性去甲基化酶缺陷的LSD1 突變體后，腫瘤細胞的生存能力也能得到恢復(fù)。并且LSD1 是通過與結(jié)合蛋白ZNF217 之間非催化性的協(xié)同作用，共同激活該癌基因網(wǎng)絡(luò)。此外，有研究稱LSD1 能通過破壞p62 的穩(wěn)定性來抑制婦科癌癥細胞的自噬[32]。p62 是調(diào)控自噬激活的關(guān)鍵分子，由于存在幾個不同的功能結(jié)構(gòu)域，p62 可與不同的蛋白質(zhì)相互作用[33]。實驗中，抑制LSD1 明顯激活了腫瘤細胞自噬活動并且升高了p62 蛋白水平。LSD1 可通過自身C 端AOL 結(jié)構(gòu)域直接與p62N 端PB1 結(jié)構(gòu)域結(jié)合。但是，該結(jié)合并非使p62 去甲基化，而是促進了p62 的泛素化和隨后的蛋白酶體降解，從而抑制了P62介導(dǎo)的細胞自噬。另一項研究[34]表明，LSD1 還能夠保護雌激素相關(guān)受體α（ERRα）免受蛋白酶體降解，且與去甲基化作用無關(guān)。ERRα 是一種無天然配體的孤核受體，具有轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)作用[35]。Carnesecchi 等[34]發(fā)現(xiàn)，在乳腺癌中LSD1 高表達與ERRα 高表達有關(guān)，且其高表達不改變ERRα 的mRNA 水平。沉默LSD1 基因或用藥物抑制LSD1 會導(dǎo)致ERRα 蛋白的穩(wěn)定性降低。該研究還發(fā)現(xiàn)，siRNA 介導(dǎo)的LSD1 缺失會促進ERRα 的泛素化，縮短其蛋白半衰期。最近的一項研究[36]表明，LSD1 可以不依賴去甲基化負向調(diào)控FBXW7蛋白的穩(wěn)定性。FBXW7 是一種F-box 蛋白，并且在SCF-E3 泛素連接酶復(fù)合物中負責底物識別。FBXW7是典型的腫瘤抑制因子，它可以泛素化目的癌蛋白，如Cyclin E、c-JUN、c-MYC 等，對其進行蛋白酶體降解[37]。該研究發(fā)現(xiàn)LSD1 是FBXW7 的偽底物。具體來說，LSD1 通過其C 端的區(qū)域（AA415-852）直接 與FBXW7 的CPD 結(jié)合位點結(jié)合，阻礙了FBXW7 的二聚化，促進FBXW7 以單體形式自我泛素化，然后通過蛋白酶體和p62 介導(dǎo)的溶酶體途徑對其進行降解。但結(jié)合后LSD1 并不會被FBXW7 降解，且能競爭性地減弱FBXW7 與真實底物的結(jié)合能力。

以上幾項研究結(jié)果顯示，除了去甲基化的方式，LSD1 還可以通過蛋白質(zhì)間相互作用與目的蛋白相互結(jié)合，發(fā)揮協(xié)同作用或者調(diào)節(jié)目的蛋白穩(wěn)定性。此類反應(yīng)都有一個相同點，那就是去甲基化酶活性缺失的突變體也可以發(fā)揮相同的功能，且針對酶活性的抑制劑無法阻斷此類反應(yīng)。此類非典型的功能作為LSD1功能研究的新方向，未來一定會有更多類似的相關(guān)報道出現(xiàn)。

4 總結(jié)

LSD1 由于存在多個結(jié)構(gòu)域，故其功能也具有多樣性，且在許多細胞生理過程中具有關(guān)鍵作用。因為LSD1 在多種腫瘤中表達異常，且往往與不良預(yù)后有關(guān)，所以它常被認為是潛在的抗癌治療靶點。目前，一系列LSD1 抑制劑已被投入臨床試驗研究，如ORY-1001、GSK-2879552、RG6016、INCB059872 等。但過去的研究往往集中于LSD1 去甲基化作用，其抑制劑的研究也大多以阻斷LSD1 脫甲基酶活性為基礎(chǔ)。但是，單純的LSD1 酶活性抑制劑往往難以取得令人滿意的抑癌效果[31]。LSD1 通過與不同蛋白之間的相互作用促進腫瘤發(fā)生發(fā)展是最近幾年才被發(fā)現(xiàn)的新機制，該發(fā)現(xiàn)極大地擴展了LSD1 的生物學(xué)作用范圍。相比于其典型的功能，針對此類功能的研究目前還較少，但未來一定還會有更多類似的相關(guān)報道出現(xiàn)。如上所述，隨著LSD1 更多的功能逐漸被發(fā)現(xiàn)，以其為靶點的藥物研究不應(yīng)僅僅局限于抑制其去甲基酶活性。研究效力更強、特異性更高且能阻斷LSD1 非典型功能的抑制劑，將成為未來LSD1 靶向藥物設(shè)計的新方向。