HDAC1（Rpd3）在疾病中的功能研究進(jìn)展

吳文梅 李華琴 黃源 吳風(fēng)麟 張榮信★

作者單位：1.廣東藥科大學(xué)生命科學(xué)與生物制藥學(xué)院/廣東省生物技術(shù)候選藥物研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東，廣州510006

2.廣州新華學(xué)院，廣州，廣東510520

蛋白質(zhì)修飾是指蛋白質(zhì)在生物合成后所發(fā)生的化學(xué)修飾，也稱為翻譯后修飾（posttranslational modification，PTM）。迄今為止，在真核生物和原核生物中已經(jīng)發(fā)現(xiàn)200 多種以上的PTM 類型，主要修飾包括乙?；⒘姿峄?、SUMO 化、糖基化、泛素化、棕櫚?；?、脂化等［1?2］。乙?；鳛榉g后修飾方式之一，近幾年在疾病中的功能研究取得了突破性進(jìn)展。蛋白質(zhì)的乙?；揎検侵竿ㄟ^組蛋白乙?；D(zhuǎn)移酶（Histone acetyltransferase，HATs）將乙?；o酶A 轉(zhuǎn)移到賴氨酸的ε?氨基側(cè)鏈而產(chǎn)生的，這個(gè)過程可以被組蛋白去乙酰化酶（histone deacetylase，HDACs）逆轉(zhuǎn)。HDAC1（Rpd3）作為組蛋白去乙?；讣易宄蓡T之一，通過催化底物組蛋白賴氨酸的去乙酰化，使染色質(zhì)結(jié)構(gòu)更為緊密，或者與其他染色質(zhì)調(diào)節(jié)蛋白相互作用形成共抑制復(fù)合體，改變蛋白質(zhì)的空間結(jié)構(gòu)，進(jìn)而參與調(diào)控基因表達(dá)、細(xì)胞分裂、細(xì)胞分化和細(xì)胞周期等生命過程［3］。此外，HDAC1（Rpd3）還可介導(dǎo)非組蛋白底物賴氨酸位點(diǎn)的去乙?；?，在細(xì)胞信號(hào)通路中發(fā)揮著重要作用［4］。本文主要總結(jié)HDAC1 在疾病中的功能研究和HDACs 抑制劑在診斷、治療疾病中的應(yīng)用情況。

1 組蛋白去乙酰化酶的分類和HDAC1 的結(jié)構(gòu)及生物學(xué)功能

根據(jù)組蛋白去乙?；傅淖饔脵C(jī)制不同，可分為Zn+依賴的HDACs（包括HDAC1、?2、?3、?8、?4、?5、?7、?9、?6、?10、?11）和NAD+依賴的Sirtuin 家族組蛋白去乙?；福ò⊿IRT1、?2、?3、?4、?5、?6、?7）（表1）［3］。在人體中，現(xiàn)已發(fā)現(xiàn)18 種Zn+依賴的HDACs，并根據(jù)其序列同源性和結(jié)構(gòu)的不同共分為4 類（Ⅰ、Ⅱa、Ⅱb、Ⅳ），Ⅰ類HDACs 包括HDAC1、?2、?3 和?8，其中HDAC1 在酵母和鱗翅目昆蟲中的同源蛋白為Rpd3；Ⅱa 類HDACs 包括HDAC4、?5、?7 和?9；Ⅱb 類HDACs 包括HDAC6 和?10；Ⅳ類HDACs 只含HDAC11 一個(gè)成員。其余的HDACs，包括了轉(zhuǎn)錄因子TCF1 和LEF1。見表1。

表1 組蛋白去乙酰化酶的分類Table 1 Classification of histone deacetylation

HDAC1/Rpd3 是Zn+依賴的HDACs 家族中最大的一個(gè)亞家族，含有一個(gè)典型的組蛋白去乙酰化酶結(jié)構(gòu)域，能夠催化組蛋白或者非組蛋白底物發(fā)生去乙?；?。

2 HDAC1 蛋白在疾病中的功能研究

2.1 HDAC1 和炎癥

炎癥是指機(jī)體在受到化學(xué)物質(zhì)、病原體等有害刺激或物理損傷時(shí)組織或細(xì)胞產(chǎn)生的即時(shí)反應(yīng)［5］。研究發(fā)現(xiàn)HDAC1 在炎癥發(fā)生的過程中是一個(gè)重要的炎癥調(diào)節(jié)因子。如在類風(fēng)濕性關(guān)節(jié)炎（Rheumatoid Arthritis，RA）的研究發(fā)現(xiàn)HDAC1 參與了類風(fēng)濕性關(guān)節(jié)炎的發(fā)病機(jī)制，RA 是一種慢性T 細(xì)胞介導(dǎo)的炎癥性自身免疫性疾病，在細(xì)胞特異性缺失HDAC1（HDAC1? cko）的小鼠中研究發(fā)現(xiàn)HDAC1?cko 小鼠對(duì)膠原誘導(dǎo)關(guān)節(jié)炎的發(fā)展具有抗性作用，能夠使炎癥細(xì)胞因子白細(xì)胞介素?17 和白細(xì)胞介素?6 顯著降低，且白細(xì)胞介素?6 處理的敲除HDAC1 的CD4+T 細(xì)胞顯示趨化因子受體CCR6 上調(diào)受損，說明HDAC1 在關(guān)節(jié)炎發(fā)病機(jī)制中起著關(guān)鍵作用，可成為治療RA 的靶點(diǎn)［6］。在肝臟脂肪變性的發(fā)病機(jī)制中，轉(zhuǎn)錄因子核因子κB（nuclear factor κB，NF?κB）的P50 亞基通過調(diào)節(jié)肝細(xì)胞中的HDAC1 表達(dá)促進(jìn)肝臟脂肪變性，而敲低HDAC1基因可抑制HepG2 細(xì)胞的肝細(xì)胞脂肪變性［7］。此外研究發(fā)現(xiàn)組蛋白去乙?；窰DAC1通過翻譯后修飾如磷酸化、乙?；揎梺韰⑴c炎癥過程。在腸道上皮細(xì)胞研究發(fā)現(xiàn)，HDAC1 能夠誘導(dǎo)NF?κB 的p65 蛋白位點(diǎn)Ser536 和C/EBPβ 位點(diǎn)Ser105 的磷酸化，參與的炎癥信號(hào)傳導(dǎo)［8］。對(duì)動(dòng)脈粥樣硬化的研究發(fā)現(xiàn)，microRNA?34a 能夠降低HDAC1 的蛋白表達(dá)，從而使H3K9 乙?；缴叽龠M(jìn)同型半胱氨酸引起動(dòng)脈粥樣硬化［9］。以上研究說明對(duì)HDAC1基因的功能研究可為治療炎癥提供一個(gè)新的策略與手段。

2.2 HDAC1 和自噬

細(xì)胞自噬是真核生物機(jī)體中高度保守存在的、由溶酶體/液泡參與的對(duì)胞內(nèi)物質(zhì)進(jìn)行降解的生理過程，細(xì)胞自噬發(fā)生異常與血管鈣化、糖尿病、腫瘤等一系列的疾病有關(guān)聯(lián)［10］。研究發(fā)現(xiàn)HDAC1 可以使循環(huán)GMP?AMP 合酶和賴氨酸去甲基化酶1A 發(fā)生去?；蟠龠M(jìn)自噬的發(fā)生進(jìn)而調(diào)節(jié)血管鈣化［11?12］。在糖尿病視網(wǎng)膜病變中，過表達(dá)組蛋白人源全長重組蛋白HIST1H1C 可上調(diào)HDAC1的表達(dá)，HDAC1 使組蛋白H4K16 發(fā)生去乙?；?，導(dǎo)致自噬相關(guān)蛋白上調(diào)，進(jìn)而促進(jìn)視網(wǎng)膜細(xì)胞自噬，為預(yù)防糖尿病視網(wǎng)膜病變提供一個(gè)新的治療靶點(diǎn)［13］。以上研究說明HDAC1 蛋白參與調(diào)控細(xì)胞自噬的發(fā)生，進(jìn)而參與生命過程的發(fā)生發(fā)展。

2.3 HDAC1 和凋亡

細(xì)胞凋亡，又稱為Ⅰ型程序性細(xì)胞死亡，是需要多種Caspase 蛋白或者凋亡誘導(dǎo)因子的參與，凋亡異常可以影響細(xì)胞周期、生長發(fā)育和導(dǎo)致各種疾?。?4］。在卵巢癌耐藥細(xì)胞SKOV3/DDP 中，對(duì)HDAC1 進(jìn)行siRNA 干擾，可以降低表皮生長因子受體的mRNA 表達(dá)水平，同時(shí)促進(jìn)癌癥細(xì)胞凋亡［15］。在結(jié)直腸癌細(xì)胞Caco2 中，轉(zhuǎn)染siRNA 的HDAC1 能夠顯著降低HDAC1 的mRNA 和蛋白水平，Bax、Cleaved caspase?3 蛋白水平升高，細(xì)胞凋亡率明顯升高，細(xì)胞內(nèi)MMP?2、MMP?9 蛋白水平表達(dá)下降，細(xì)胞侵襲和遷移數(shù)目明顯減少［16］。在癌癥干細(xì)胞K562 和SW579 細(xì)胞中（慢性骨髓性白血病細(xì)胞系），利用CRISPR/Cas9 敲除HDAC1 能夠使組蛋白乙?；胶图?xì)胞周期阻滯增強(qiáng)，進(jìn)而誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡的發(fā)生，說明HDAC1 在維持K562 和SW579 細(xì)胞存活中極為重要［17?18］。了解HDAC1 參與細(xì)胞凋亡調(diào)控疾病的發(fā)生，有助于提高對(duì)疾病的治療和診斷。

2.4 HDAC1 和癌癥

癌癥，即惡性腫瘤，是一百多種相關(guān)疾病的統(tǒng)稱。形成的主要原因是由于身體內(nèi)的細(xì)胞發(fā)生變異后不斷地增殖分裂，且不受身體的控制，最后形成腫瘤，惡性腫瘤會(huì)侵犯、破壞臨近的組織和器官［19］。在人類的癌癥中，HDAC1 被認(rèn)為與某些類型癌癥的進(jìn)展和預(yù)后干預(yù)有關(guān)。在卵巢癌細(xì)胞中，MiR?34a 通過調(diào)控HDAC1 抑制卵巢癌細(xì)胞增殖和順鉑耐藥性［20］。在非小細(xì)胞肺癌中，敲低HDAC1 可抑制細(xì)胞增殖，阻止細(xì)胞遷移，降低細(xì)胞侵襲，減少腫瘤血管生成，誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡［21］。在乳腺癌細(xì)胞中，HDAC1 通過上調(diào)白細(xì)胞介素?8 觸發(fā)乳腺癌細(xì)胞的增殖和遷移［22］。此外，在細(xì)胞應(yīng)激過程中，HDAC1能夠使腫瘤抑制因子p53 發(fā)生去已酰化，降低細(xì)胞對(duì)應(yīng)激的反應(yīng)［23］。在骨質(zhì)疏松癥中，HDAC1 使成骨細(xì)胞分化和礦化相關(guān)蛋白GATA4 位點(diǎn)的K313發(fā)生去乙酰化，抑制CCND2 轉(zhuǎn)錄，降低了細(xì)胞活力，增加了線粒體依賴性的細(xì)胞凋亡［24］。除發(fā)揮乙酰化修飾功能外，HDAC1 能直接抑制缺氧誘導(dǎo)因子（Hypoxia inducible factor，HIF1α）的泛素化，進(jìn)而激活HIF1α/血管內(nèi)皮生長因子A（vascular endothe?lial growth factor A，VEGFA）信號(hào)通路，促進(jìn)腫瘤血管生成，HDAC1/HIF1α/VEGFA 信號(hào)通路可能為結(jié)直腸癌提供一個(gè)新的治療靶點(diǎn)［25］。以上研究說明Rpd3/HDAC1 可作為癌癥治療的潛在候選位點(diǎn)。

3 HDACs 抑制劑在診斷和治療中的應(yīng)用情況

人類眾多疾病中，特別是癌癥，HDACs 的表達(dá)通常是異常的，組蛋白去乙?；敢种苿╤istone deacetylase inhibitors，HDACIs）可有效逆轉(zhuǎn)腫瘤細(xì)胞的惡性表型，其不僅可以作用于靶向組蛋白，而且能夠通過影響靶向非組蛋白的乙?；絹碚{(diào)節(jié)細(xì)胞周期阻滯、血管生成、免疫調(diào)節(jié)、自噬和凋亡等一系列生命過程，可成為治療癌癥的有效靶點(diǎn)，應(yīng)用前景廣泛［26］。HDACs 作用的底物眾多，目前已經(jīng)鑒定到的包括轉(zhuǎn)錄因子（E2F、p53、c?Myc、NF?κB）、缺氧誘導(dǎo)因子1α、雌激素受體、雄激素受體、自噬相關(guān)蛋白3、分子伴侶蛋白90、α?微管蛋白、β?連環(huán)蛋白、視網(wǎng)膜母細(xì)胞瘤蛋白等［27］。由于HDACs 底物的復(fù)雜性和不單一性，使得HDACIs 在診斷治療過程中缺乏特異性，會(huì)對(duì)細(xì)胞產(chǎn)生副作用。

到目前為止，已有超過20 種HDACIs 進(jìn)入臨床研究，根據(jù)其化學(xué)結(jié)構(gòu)特征，可以將這些抑制劑可分為4 大類，包括羥肟酸、苯甲酰胺、環(huán)肽和短鏈脂肪酸，如伏立司他（Vorinostat）和曲古抑菌素A（trichostatin A，TSA）屬于羥肟酸類，羅米地辛屬于環(huán)肽類，其中探索最廣泛的是羥肟酸類化合物［28］。這些HDACIs 不僅可以使組蛋白乙?；皆黾?，還可以作用于不同的底物和蛋白來調(diào)節(jié)生命過程。在小鼠和人肺癌細(xì)胞系和基因工程小鼠肺癌模型中研究發(fā)現(xiàn)，Vorinostat 通過減少了癌細(xì)胞生長、細(xì)胞周期蛋白cyclin D1 和cyclin E 的表達(dá)，增加了p27 蛋白和組蛋白乙酰化的的表達(dá)水平，從而促進(jìn)細(xì)胞凋亡，抑制癌細(xì)胞生長［29］。除參與細(xì)胞凋亡和細(xì)胞周期外，Vorinostat 也抑制人CD14（+）單核細(xì)胞來源的樹突狀細(xì)胞的分化、成熟和內(nèi)吞作用，減少中樞神經(jīng)系統(tǒng)炎癥和脫髓鞘，改善自身免疫性腦脊髓炎［30］。自噬也可作為HDACIs 的一個(gè)未知靶點(diǎn)，如在心臟可塑性的研究發(fā)現(xiàn)，TSA 通過降低HDAC1 和HDAC2 的表達(dá)，抑制細(xì)胞自噬的發(fā)生，從而減弱負(fù)荷和激動(dòng)劑誘導(dǎo)的肥厚生長［31］。以上研究說明HDACIs 具有廣泛抑制HDACs 的功能，通過多種途徑參與疾病的治療（圖1）。

圖1 HDACs 抑制劑通過多種途徑參與生命過程Figure 1 Multiple pathways activated by HDACi

4 小結(jié)與展望

綜上所述，HDAC1 蛋白作為組蛋白去乙?；讣易宄蓡T之一，是調(diào)控基因表達(dá)的關(guān)鍵酶。對(duì)于HDAC1（Rpd3）的研究進(jìn)展還有一些問題值得進(jìn)一步闡明研究：①HDAC1 作為轉(zhuǎn)錄因子參考調(diào)控炎癥的發(fā)生，其下游的作用因子有哪些，這些基因與HDAC1 啟動(dòng)子區(qū)翻譯后修飾的關(guān)系；②HDAC1 參與調(diào)控哺乳動(dòng)物細(xì)胞自噬和細(xì)胞凋亡的發(fā)生，是否存在關(guān)鍵的節(jié)點(diǎn)；③HDAC1參與癌癥的發(fā)生，其能否通過影響其他蛋白的乙?；揎梺砥淠茏鳛榭鼓[瘤治療的靶蛋白有待深入探討；④HDAC1蛋白去乙?；揎椗c其他翻譯后修飾之間是否存在相互影響等；⑤HDAC 特異性抑制劑的開發(fā)能否利用計(jì)算機(jī)建模工具，如對(duì)接和分子動(dòng)力學(xué)模擬，提供目標(biāo)酶和抑制劑之間的分子水平的相互作用，減少細(xì)胞毒性。對(duì)于研究HDAC1 及其底物的去乙?；揎椀墓δ苎芯亢虷DACs 抑制劑的開發(fā)必將闡明其在各個(gè)信號(hào)通路中的生物學(xué)作用，同時(shí)也為相關(guān)疾病的預(yù)防、診斷、治療奠下理論基礎(chǔ)。