組蛋白去乙?；冈谏窠?jīng)退行性疾病發(fā)病機(jī)制中的研究進(jìn)展

孟玉潔 周世越 宋丹丹 張慶碩 韓曉旭 許順良

山東大學(xué)第二醫(yī)院，山東 濟(jì)南 250033

乙?；腿ヒ阴；鳛橐环N重要的蛋白質(zhì)翻譯后修飾，對(duì)蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)和功能具有重要的調(diào)控作用。該過(guò)程受HATs和HDACs的調(diào)控。HDACs通過(guò)使組蛋白去乙?；?，使之與DNA緊密結(jié)合，使染色質(zhì)結(jié)構(gòu)更加致密，從而抑制轉(zhuǎn)錄過(guò)程。早期研究表明，HDACi可通過(guò)調(diào)節(jié)細(xì)胞凋亡和分化而作為抗癌藥物［1］。乙酰化調(diào)控的底物幾乎參與細(xì)胞的所有生物學(xué)過(guò)程，如細(xì)胞周期、能量代謝、細(xì)胞骨架動(dòng)力學(xué)等。在神經(jīng)退行性疾病中，乙酰化平衡嚴(yán)重受損，向低乙酰化轉(zhuǎn)移［2］。人們?cè)絹?lái)越認(rèn)識(shí)到HDACi具有神經(jīng)保護(hù)作用，并有潛力治療神經(jīng)系統(tǒng)疾?。?］，如帕金森病、阿爾茨海默病、肌萎縮性側(cè)索硬化癥（amyotrophic lateral sclerosis，ALS）及亨廷頓病等。

在哺乳動(dòng)物細(xì)胞中共發(fā)現(xiàn)18種HDACs，可分為四類(lèi)：Ⅰ類(lèi)HDACs（HDAC 1，2，3，8）、Ⅱa 類(lèi)HDACs（HDAC 4，5，7，9）、Ⅱa 類(lèi)HADCs（6，10）、Ⅲ類(lèi)HADCs（SIRT 1 ～7）、Ⅳ類(lèi)HADCs（HDAC11）［4］。Ⅰ類(lèi)HDACs 主要存在于細(xì)胞核中，具有最高的去乙?；富钚裕?］；Ⅱa 類(lèi)HDACs 活性遠(yuǎn)低于第Ⅰ類(lèi)，但其含有進(jìn)、出細(xì)胞核的特定序列，其在核膜兩側(cè)的分布與活性受其結(jié)合蛋白的調(diào)控［6］；HDAC11是Ⅳ類(lèi)HDACs的唯一代表，現(xiàn)對(duì)其研究甚少。Ⅲ類(lèi)HDACs 也稱sirtuins，包括SIRT（sirtuins）1～7，其中SIRT1～3 具有較高去乙酰化活性，SIRT1與SIRT2在細(xì)胞核和細(xì)胞質(zhì)中均有表達(dá)，但SIRT1 主要存在于細(xì)胞核中，后者主要存在于細(xì)胞質(zhì)中；SIRT3 作為主要的線粒體蛋白，也可存在于細(xì)胞核中。

1 HDACs影響神經(jīng)元存活及突觸可塑性

多種HDACs 具有神經(jīng)保護(hù)或毒性作用。Ⅰ類(lèi)HADCs 抑制劑丙戊酸（valproic acid，VPA）可能通過(guò)減少炎癥反應(yīng)與凋亡，以及激活腦源性神經(jīng)營(yíng)養(yǎng)因子（brain-derived neurotrophic factor，BDNF）/蛋白酪氨酸激酶受體B（tyrosine kinase receptor B，TrkB）信號(hào)通路［7］，在膿毒癥相關(guān)性腦?。╯epsis associated encephalopathy，SAE）小鼠模型中發(fā)揮神經(jīng)保護(hù)作用。大腦中過(guò)表達(dá)HDAC2 和HDAC3 會(huì)干擾記憶和突觸的形成［8-9］。以HDAC2 和BDNF 為中心的正反饋回路，可介導(dǎo)組蛋白乙?；突虻某绦蛐员磉_(dá)，是突觸可塑性和記憶的基礎(chǔ)［10］。大腦中HDAC4 的選擇性缺失會(huì)導(dǎo)致海馬依賴的學(xué)習(xí)和記憶障礙，以及長(zhǎng)期的突觸可塑性［11］。在共濟(jì)失調(diào)毛細(xì)血管擴(kuò)張癥突變基因（ataxia-telangiectasia mutant gene，ATM）缺失的情況下，蛋白磷酸酶2A（protein phosphatase 2A，PP2A）活性增強(qiáng)導(dǎo)致HDAC4去磷酸化和核積聚，進(jìn)而調(diào)節(jié)神經(jīng)元基因表達(dá)，促進(jìn)神經(jīng)退行性病變［12］。HDAC6在神經(jīng)元氧化應(yīng)激損傷［13］的下游信號(hào)通路中發(fā)揮作用，其選擇性抑制劑可以促進(jìn)軸突再生，保護(hù)神經(jīng)元。HDAC9 抑制乙酰膽堿（acetylcholine，ACh）的生物合成，抑制HDAC9可促進(jìn)ACh的合成和神經(jīng)元樹(shù)突的生長(zhǎng)［14-15］。組蛋白去乙酰化被認(rèn)為是記憶形成過(guò)程中染色質(zhì)可塑性調(diào)節(jié)的關(guān)鍵過(guò)程［16］。Sirtuins通路可調(diào)節(jié)與衰老相關(guān)的神經(jīng)退行性疾病的基礎(chǔ)代謝。

2 HDACs與錯(cuò)誤折疊蛋白的異常積聚和自噬

大多數(shù)NDs主要的病理改變是錯(cuò)誤折疊蛋白在神經(jīng)元的異常積累，后者對(duì)神經(jīng)元產(chǎn)生毒性作用。路易小體的形成是PD的特征性病理特征，其含有α-突觸核蛋白、泛素連接酶（parkin）、泛素等成分，并且血清中α-突觸核蛋白可能與PD患者發(fā)生認(rèn)知障礙相關(guān)［17］。而錯(cuò)誤折疊的α-突觸核蛋白在神經(jīng)元之間的復(fù)制和傳遞，進(jìn)一步導(dǎo)致神經(jīng)元功能障礙和凋亡［18］。Tau蛋白過(guò)度磷酸化可導(dǎo)致微管損傷，并與β-淀粉樣蛋白（amyloid β-protein，Aβ）相互作用，促進(jìn)Aβ聚集，在AD 的發(fā)生發(fā)展中發(fā)揮重要作用［19］。在HD 患者中，突變亨廷頓蛋白（mutated Huntington’s protein，mHTT）的形成與聚集會(huì)損害中樞神經(jīng)系統(tǒng)，導(dǎo)致舞蹈動(dòng)作、認(rèn)知障礙和癡呆。過(guò)度表達(dá)人類(lèi)突變型銅-鋅超氧化物歧化酶1（superoxide dismutase 1，SOD1）G93A 的轉(zhuǎn)基因ALS 小鼠在脊髓中表現(xiàn)出特異性的自噬受體聚集和逆行溶酶體轉(zhuǎn)運(yùn)障礙，導(dǎo)致自噬障礙［20-21］。多種細(xì)胞質(zhì)中的組蛋白去乙?；竻⑴c調(diào)控異常積累蛋白的降解。

SIRT2 和HDAC6 作用于α-微管蛋白的不同亞基，誘導(dǎo)微管不穩(wěn)定性和解聚［22］，對(duì)受應(yīng)激和損傷后細(xì)胞的生存和再生不利，可能是細(xì)胞清除易聚集蛋白的重要調(diào)節(jié)因子。同時(shí)，有報(bào)道稱抑制SIRT2可以增加腫瘤抑制因子p53的乙?；瑥亩钄嗉?xì)胞質(zhì)中p53 對(duì)自噬［23］的抑制作用。AD 患者大腦中HDAC6蛋白水平顯著升高［24］。在PD患者的細(xì)胞模型中，選擇性抑制SIRT2增加微管蛋白乙酰化水平，改善微管介導(dǎo)的轉(zhuǎn)運(yùn)［25］。此外，SIRT2 抑制劑AK-7 可減輕紋狀體和黑質(zhì)多巴胺能神經(jīng)元的損傷，改善運(yùn)動(dòng)功能。GUEDES-DIAS 等［26］研究發(fā)現(xiàn)，HDAC6 抑制劑Tubastatin A，可增加HD患者的自噬流，保護(hù)神經(jīng)元，是治療HD的潛在靶點(diǎn)。

雖然大多數(shù)研究表明HDACi 具有神經(jīng)保護(hù)作用，但仍有一些相反的結(jié)論。最近的研究表明，ATP13A2 基因突變通過(guò)增加皮質(zhì)肌動(dòng)蛋白的乙?；?，促進(jìn)HDAC6 向溶酶體募集，導(dǎo)致自噬小體與溶酶體融合受損［27］，進(jìn)而導(dǎo)致異常蛋白聚集。HDAC6可介導(dǎo)泛素化蛋白沿微管中心逆行轉(zhuǎn)運(yùn)，或通過(guò)促進(jìn)熱休克蛋白90（heat shock protein 90，HSP90）［28］的去乙?；阱e(cuò)誤折疊蛋白的折疊和降解中發(fā)揮重要作用。SIRTl 可使熱休克因子1（heat shock transcriptional factor 1，HSF1）去乙?；?，從而提高分子伴侶——熱休克蛋白70（heat shock protein 70，HSP70）的轉(zhuǎn)錄水平，進(jìn)一步增加α-突觸核蛋白聚集體的降解［29］。在PD 模型中，白藜蘆醇可直接激活SIRT1，或可能通過(guò)一磷酸腺苷（adenosine monophosphate，AMP）依賴的蛋白激酶（AMP-activated protein kinase，AMPK）/SIRT1通路［30］和直接乙?；⒐芟嚓P(guān)蛋白1 輕鏈3（microtubule-associated protein 1 light chain 3，LC3）［31］，有效誘導(dǎo)和促進(jìn)自噬流的發(fā)生，清除易形成聚集物的病理性蛋白。HDAC4 屬于Ⅱa 類(lèi)HDACs，可以在細(xì)胞質(zhì)和細(xì)胞核之間移動(dòng)，其定位于細(xì)胞核時(shí)，可使組蛋白去乙?；种苹蜣D(zhuǎn)錄和翻譯［32］。在葡萄糖腦苷脂酶（glucocerebrosidase，GBA）過(guò)表達(dá)的多巴胺神經(jīng)元模型中，自噬小體和溶酶體之間的融合障礙導(dǎo)致α-突觸核蛋白聚集增加，這與多巴胺能神經(jīng)元中HDAC4核定位增加和基因表達(dá)抑制有關(guān)，對(duì)自噬的干擾可以被HDAC4抑制劑［33］糾正。

3 HDACs與線粒體功能及氧化應(yīng)激

NDs 的發(fā)病機(jī)制涉及多種因素引起的線粒體功能障礙，后者最終導(dǎo)致神經(jīng)元變性、凋亡或壞死［34-35］。PD大鼠中腦黑質(zhì)中線粒體復(fù)合體I和泛素酮的活性顯著降低［36］。氧化磷酸化（oxidative phosphorylation，OXPHOS）蛋白干擾線粒體能量代謝，與AD 模型小鼠淀粉樣蛋白相關(guān)的認(rèn)知障礙有關(guān)［37-38］。Tau 和Aβ可通過(guò)淀粉樣蛋白結(jié)合醇脫氫酶（amyloid binds to alcohol dehydrogenase，ABAD）［39］等導(dǎo)致線粒體功能障礙。維持線粒體蛋白質(zhì)平衡可以延緩AD 等淀粉樣蛋白毒性疾病的發(fā)生［40］。ALS患者線粒體形態(tài)存在明顯缺陷，骨骼肌線粒體呼吸鏈復(fù)合體活性也降低［41］。

Sirtuins 在大鼠PD 模型中具有神經(jīng)保護(hù)或毒性作用，可能是通過(guò)調(diào)節(jié)線粒體生物發(fā)生和氧化應(yīng)激來(lái)實(shí)現(xiàn)的。SIRT1可上調(diào)PD細(xì)胞模型在氧化應(yīng)激下過(guò)氧化物酶體增殖物激活受體γ輔激活因子1α（peroxlsome proliferator-activated receptor-γ coactlvator-1α，PGC-1α）的轉(zhuǎn)錄水平，減輕線粒體功能損傷［42］。SIRT2 在應(yīng)激條件下激活核因子κB（nuclear factor kappa-B，NF-κB）的轉(zhuǎn)錄，促進(jìn)炎癥和神經(jīng)元細(xì)胞凋亡［43］。AK-7選擇性抑制SIRT2可顯著減少衰老大鼠紋狀體中多巴胺能神經(jīng)元的缺失，改善魚(yú)藤酮誘導(dǎo)的行為異常［44］。然而，有研究顯示了相反的結(jié)果，在人神經(jīng)母細(xì)胞瘤細(xì)胞中，SIRT2可增加FOXO3a（forkhead box O3a）的靶點(diǎn)（如錳超氧化物歧化酶）的表達(dá)，抵消活性氧（reactive oxygen species，ROS）的有害影響，保護(hù)細(xì)胞免受氧化應(yīng)激損傷［45］。SIRT3可通過(guò)SIRT3-FOXO3 通路作用于PINK1（PTEN induced putative kinase 1）蛋白［46］，或通過(guò)促進(jìn)Parkin 蛋白與電壓依賴性陰離子通道1（voltage-dependent anion channel 1，VDAC1）的相互作用激活缺氧誘導(dǎo)的線粒體自噬。抑制人類(lèi)膠質(zhì)瘤細(xì)胞中SIRT3 的表達(dá)干擾了缺氧誘導(dǎo)的LC3 在線粒體上的定位［47］。抑制SIRT3 還能通過(guò)增加p53-Parkin 結(jié)合，阻斷Parkin 的線粒體轉(zhuǎn)位［48］。

AD的發(fā)生也與氧化應(yīng)激有關(guān)，抗氧化治療可抑制神經(jīng)元退行性病變，防止AD進(jìn)展至晚期［49-50］。氧化鈰納米顆粒（CeNPs）在體外氧化應(yīng)激模型中顯示了過(guò)氧化氫酶和氧化酶的活性，提高了超氧化物歧化酶1（superoxide dismutase 1，SOD1）轉(zhuǎn)基因小鼠的存活率［51］。SIRT1 可通過(guò)調(diào)節(jié)PGC-1α去乙酰化，延緩AD 的進(jìn)展［52-53］。SIRT3 可激活FOXO3、錳超氧化物歧化酶（manganese superoxide dismutase，MnSOD）、過(guò)氧化氫酶（catalase，CAT）等多種抗氧化因子，預(yù)防或延緩氧化應(yīng)激引起的損傷［54-55］。SIRT3還可能通過(guò)清除線粒體中的自由基，對(duì)神經(jīng)元起保護(hù)作用［56］。SIRT3的過(guò)表達(dá)促進(jìn)了mHTT細(xì)胞的抗氧化作用，增強(qiáng)線粒體功能，并在HD中發(fā)揮神經(jīng)保護(hù)作用［57］。

4 結(jié)論與展望

近年來(lái)，神經(jīng)退行性疾病的發(fā)病率逐漸升高，引起人們的廣泛關(guān)注。然而，這些疾病的發(fā)病機(jī)制尚不清楚，也缺乏治療相關(guān)疾病的有效藥物。越來(lái)越多的實(shí)驗(yàn)證實(shí)，表觀遺傳學(xué)參與調(diào)控神經(jīng)退行性疾病的發(fā)病機(jī)制，其中組蛋白修飾備受關(guān)注［58］。HDACs 已被證明具有神經(jīng)毒性或神經(jīng)保護(hù)作用［59］。雖然HDACs 活性的降低可以增強(qiáng)突觸功能和記憶能力，但體內(nèi)其抑制劑辛二酰苯胺異羥肟酸（suberoylanilide hydroxamic acid，SAHA）治療并不能挽救AD 小鼠模型的記憶缺陷［60］。從治療的角度來(lái)看，研究特異性/選擇性HDACi 將是有益的。因此，有必要進(jìn)一步了解每種HDAC在神經(jīng)退行性疾病發(fā)展中的作用。未來(lái)需要進(jìn)行更多有針對(duì)性的研究，積累更全面的研究數(shù)據(jù)，從而對(duì)神經(jīng)退行性疾病的發(fā)病機(jī)制有新的認(rèn)識(shí)，為特異性藥物的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用提供新的思路。