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組蛋白去乙酰化酶(HDACs)的研究進展【內(nèi)容摘要】在腫瘤的表觀遺傳學研究中,組蛋白的乙酰化修飾對腫瘤的發(fā)生發(fā)展起主要作用。正常細胞體一旦出現(xiàn)核內(nèi)組蛋白乙酰化與去乙?;氖Ш猓磿е抡5募毎芷谂c細胞代謝行為的改變而誘發(fā)腫瘤。組蛋白去乙?;?histonedeacetylases,hdacs)催化組蛋白的去乙酰化,維系組蛋白乙?;c去乙酰化的平衡狀況,與癌相關(guān)基因轉(zhuǎn)錄表達、細胞增殖分化及細胞凋亡等眾多經(jīng)過親密相關(guān)。本文從組蛋白去乙酰化酶hdacs的構(gòu)造分類及其與腫瘤發(fā)生發(fā)展關(guān)系兩方面對hdacs做一綜述。【本文關(guān)鍵詞語】組蛋白去乙?;?hdacs);腫瘤;表觀遺傳學abstract:themodificationforhistoneacetylationisofgreatimportanceforformulationanddevelopmentoftumorsintheepigeneticstudyoftumors.thedisequilibriumofhistoneacetylationanddeacetylationmaycausesomechangesofcellcycleandcellmetabolism.histonedeacetylases(hdacs)catalyzethedeacetylationofhistones,andmaintaintheequilibriumbetweenhistoneacetylationanddeacetylationaswell.theyarerelatedtomanyregulationprocessescontainingtranscriptionofoncogene,cellcycle,apoptosisandsoon.thestructureclassificationofhdacsandtherelationshipbetweenthehdacsandtheformationandadvancementoftumorwerereviewedinthispaper.keywords:histonefeacetylases(hdacs);tumor;epigenetics腫瘤的發(fā)生是一個復雜的病理經(jīng)過,受多重因素的影響,包含個體遺傳因素、環(huán)境因素、物理化學因素、分子生物學因素等等。隨著生命科學的迅速發(fā)展和有關(guān)腫瘤致病機制和發(fā)病機制的分子生物學研究的深切進入開展,分子生物學因素在腫瘤發(fā)生中的突出作用被逐步揭示,影響細胞生長、增殖的基因和參與細胞生長增殖調(diào)控的各種因子的失活成為腫瘤發(fā)生的關(guān)鍵誘因。隨著生命科學的深切進入發(fā)展,對腫瘤的致病和發(fā)病機制的分子生物學研究為開發(fā)低毒高效針對特異性分子靶標的抗腫瘤藥物提供了基礎[1]。組蛋白去乙?;?histonedeacetylases,hdacs)是維持染色體的基本構(gòu)成單位核小體中組蛋白乙?;胶獾年P(guān)鍵酶類之一,其催化組蛋白的去乙酰化作用,與基因轉(zhuǎn)錄抑制親密相關(guān),牽涉到促基因緘默的眾多經(jīng)過,是抗腫瘤藥物設計中的熱門靶標[2]。本文就hdacs的表觀遺傳學作用、分類及構(gòu)造、與腫瘤發(fā)生發(fā)展的關(guān)系作一綜述,以期為后續(xù)抗腫瘤研究提供新的思路。1hdacs的表觀遺傳學作用表觀遺傳學(epigenetics)是不牽涉dna序列改變的可遺傳的基因表達變化研究[3],在其眾多形式中,組蛋白的共價修飾占領主要地位,其與基因的表達調(diào)控親密關(guān)聯(lián),包含磷酸化、乙?;⒓谆揎椀?。組蛋白乙酰化及去乙?;揎検亲钪饕姆绞?,是基因表達調(diào)控最重要的驅(qū)動力[4],此可逆的動態(tài)修飾由組蛋白乙?;D(zhuǎn)移酶(hat)和hdacs共同催化,共同控制染色質(zhì)各區(qū)域核心組蛋白的乙?;?。組蛋白的乙酰化水平與轉(zhuǎn)錄活性親密相關(guān):轉(zhuǎn)錄活動區(qū)域核心組蛋白的乙?;芏雀撸换顒訁^(qū)域乙?;芏鹊蚚5]。hat促使染色體的解聚,激活轉(zhuǎn)錄;而hdacs則封閉dna,進而抑制轉(zhuǎn)錄經(jīng)過。在正常生理狀況下,hat與hdacs對組蛋白乙?;饔玫恼{(diào)控處于平衡狀況。而細胞在發(fā)生轉(zhuǎn)化的狀況下,hdacs的活性明顯加強,使得原有的基因表達平衡狀況被打破,導致一些影響細胞增殖和調(diào)控細胞周期的分子表達失衡,進而導致細胞惡變[6]。hdacs成為表觀遺傳學中抗腫瘤藥物設計的主要和潛力靶點。2hdacs分類及構(gòu)造特點2.1分類基于酵母種系發(fā)育中的不同hdacs的構(gòu)造同源性分析[7],真核生物hdacs被分成4類:ⅰ類hdacs與酵母rpd3具有同源性,包含hdac1、hdac2、hdac3、hdac8;ⅱ類hdacs與酵母hda1具有同源性,包含hdac4、hdac5、hdac6、hdac7、hdac9和hdac10,其根據(jù)催化區(qū)域的不同又可分為2類:ⅱa類具有一段催化區(qū)域,包含hdac4、hdac5、hdac7和hdac9,ⅱb類具有兩段催化區(qū)域,重要包含hdac6和hdac10;ⅲ類hdacs即緘默信息調(diào)節(jié)因子2(silentinformationregulator2,sir2)-相關(guān)酶類[8](sir2-relatedenzymes,sirtuins),其是煙酰胺腺嘌呤二核苷酸(nicotinamideadeninedinucleotide,nad+)依靠的組蛋白去乙酰化酶類;ⅳ類hdacs重要是hdac11,其與ⅰ、ⅱ類hdacs差別較大而被獨立劃歸一類。hdacs家族各成員重要定位于細胞核與細胞質(zhì)中,另有少部分定位于胞質(zhì)細胞器如線粒體中(重要是ⅲ類hdacs中的sirt3、sirt4與sirt5),hdacs發(fā)揮催化作用的目的蛋白種類繁多,常見如抑癌蛋白p53、熱休克蛋白hsp70、smads蛋白家族等,hdacs恰是通過與催化多種生理經(jīng)過中的關(guān)鍵蛋白而在調(diào)控腫瘤進程中發(fā)揮主要作用。2.2構(gòu)造特點2.2.1ⅰ類hdacsⅰ類hdacs中的hdac1已被研究證明,其磷酸化能夠促進酶自己的催化活性及催化復合物構(gòu)成,磷酸化發(fā)生于hdac1中421位絲氨酸位點ser421與423位絲氨酸位點ser423。運用k-trap(k-抗酒石酸酸性磷酸酶)親和樹脂對hdac1進行純化,sds(聚丙烯酰氨凝膠電泳)分離k-trap純化的hdac1,考馬斯亮藍染色檢測蛋白,運用質(zhì)譜法鑒定磷酸化基團,顯示hdac1分子量標識物大小分別為75000、66000,其他種ⅰ類hdacs即hdac2、hdac3與hdac8蛋白鑒定分析應用clustal法完成,hdac1、hdac2、hdac8分別由482、488、377種氨基酸構(gòu)成[9]。2.2.2ⅱ類hdacsⅱa類hdacs研究證明[10],ⅱa類hdacs一段保守的鋅結(jié)合域——hdac4催化序列與ⅰ類hdacs相區(qū)其余特征是一段鋅離子結(jié)合域,其包容了2種自分子中心分離的蛋白片段(圖1a)。第1個片段構(gòu)成了1個17-氨基酸環(huán)(lα1-α2),其奉獻了3個鋅離子配體:his665,cys667,和his678(圖1a)。第2個片段是1含35個殘基的插入體(α6-α7-β3-β4),構(gòu)成了1個螺旋構(gòu)造,緊接著1個包括其尖端第4鋅配體cys751的β-發(fā)夾構(gòu)造。值得留意的是,這4個鋅配體在所有的ⅱa類hdacs中均高度保守,但在其他種類的hdacs中缺失。此鋅結(jié)合域與環(huán)構(gòu)造方面不同點的存在導致hdac4相比hdac8及hdah擁有一個更活潑踴躍的活性位點(圖1b、c)。同時,在hdac8、hdlp及hdah中并不存在催化醋酸鹽反應產(chǎn)品釋放的水性通道(圖1b、c)。晶胞分析的結(jié)果顯示,在位于鋅結(jié)合域的cys669與來自于鄰近分子的cys700之間,有一分子內(nèi)部的二硫鍵構(gòu)成。為排除此二硫化物對抑制物與活性位點間作用可能的影響,對野生型(wt型)hdac4與hdac4催化序列功能性突變體(gof-hdac4cd)(包含含有c669a/c700a兩個突變體與c700a單一突變體)的抑制物構(gòu)造均進行了論證,結(jié)果顯示突變體的構(gòu)造與相應的無突變的野生型及排除紊亂狀況下的鋅結(jié)合域突變體蛋白一樣。證明hdac4cd-抑制劑復合物的構(gòu)造域在空間彎曲折疊,且分子內(nèi)部的二硫帶在某些部位已將其封閉。ⅱb類hdacs有研究證明[11],ⅱb類hdacs的hdac10是一種含有669個氨基酸殘基的多肽,其由n-末端的hda1相關(guān)去乙酰化序列與c-末端的亮氨酸富集序列構(gòu)成組合式的構(gòu)造。如此圖2示,hdac10的去乙?;蛄?dac)用白框表示,亮氨酸富集序列(lrd)用陰影框來說明。另hdac10的去乙酰化序列與hdac6對應的區(qū)域的一樣及類似度亦在圖中反映,即hdac10兩段乙酰化序列與hdac6的對應序列的一樣/類似度分別為54%/62%與53%/60%。[;s*3〗圖1hdac4結(jié)合態(tài)的催化序列構(gòu)造形式圖[10]figure1structuraldiagramofcatalyticsequencesofhdac4inboundstate[psa6132;s*2〗圖2ⅱb類hdacs的hdac10序列及與hdac6比較figure2sequencecomparisonofhdac10andhdac62.2.3ⅲ類hdacs哺乳動物有7種sir2-relatedenzymes,sirtuins,即ⅲ類hdacs,包含sirt1-7。所有成員均含有一段nad+依靠的催化核序列,其飾演著單-adp-核糖基轉(zhuǎn)移酶(mono-adp-ribosyltransferase(art))或者nad+依靠的去乙?;?dac)的角色,此催化序列兩端環(huán)繞著可變長度的n-末端與c-末端序列,在細胞內(nèi)不同的sirtuins其定位不同。如此圖3示,sirt1與sirt5只具有dac活性,sirt4與sirt6只具有art活性,而sirt2與sir3具有dac與art兩種活性;在細胞定位方面,sirt1重要定位于常染色質(zhì)中,sirt2主要定位于細胞質(zhì)中,sirt3-sirt5則重要定位于細胞線粒體中,而sirt7則定位于細胞核仁中[12]。[〗圖3ⅲ類hdacs各成員功能、胞內(nèi)定位及大小比較[12]figure3comparisonoffunction,intracellularlocalization,andsizeofclassⅲhdacs2.2.4ⅳ類hdacsgao等[13]運用cdna克隆預測到人類hdac11氨基酸序列,揭示了hdac11擁有347個氨基酸的開放閱讀框(對應分子量為39000)?;驍?shù)據(jù)庫的專家預測hdac11基因定位于人類3p25.2染色體,長度上跨越25kb,包括9個外顯子與8個內(nèi)含子,在氨基酸水平的序列比較顯示:hdac11的整個蛋白構(gòu)成與已經(jīng)知道的hdacs家族成員(hdac1-hdac10)僅有微小的同源性(包含酵母菌hos3蛋白),但hdac11包括有對去乙?;δ芫哂袧撛谥饕饔玫乃?部分保守序列,hdac11與hdacs家族的其他成員共同揭示了一個假定的催化核序列,此序列可能包含了幾乎所有在真核生物hdacs與原核生物hdac-類似蛋白中存在的活性不變催化序列。3hdacs與腫瘤發(fā)生發(fā)展的關(guān)系hdacs乙酰化不同種類的細胞核轉(zhuǎn)錄因子和蛋白等,抑制多種抑癌蛋白的表達且與多種癌基因親密關(guān)聯(lián),導致細胞過度增殖和腫瘤發(fā)生[14]。3.1誘導染色質(zhì)重塑,抑制基因轉(zhuǎn)錄hdacs催化的核心組蛋白n-末端尾部區(qū)域賴氨酸殘基的去乙?;谡T導基因緘默中發(fā)揮主要作用,其通過去乙酰化修飾使組蛋白帶正電荷,進而與帶負電荷的dna嚴密結(jié)合,染色質(zhì)呈致密卷曲的阻抑構(gòu)造,抑制轉(zhuǎn)錄[15]。研究證明,t(15;17)(q22;q21)是急性早幼粒細胞白血病(apl)最常見的染色體易位,編碼的融合蛋白pml-rarα能異常募集hdacs而抑制ra反應基因的轉(zhuǎn)錄,導致髓系細胞成熟障礙。rar是核內(nèi)激素受體超家族,與ra的另一受體rxr構(gòu)成rar/rxr異二聚體,異二聚體與dna結(jié)合以后能募集轉(zhuǎn)錄抑制復合物n-cor-msin3-hdac而抑制ra反應基因的轉(zhuǎn)錄[16],進而導致ra反應基因發(fā)生緘默。ⅰ類hdacs中的hdac1及hdac2與rbap48、sin3a/sin3b、sap18、sap30共同構(gòu)成sin3復合物而發(fā)揮作用,tgf-β/bmp信號通路基因即以此復合物作為靶點。bmp信號系統(tǒng)可致smad1蛋鶴發(fā)生磷酸化,在小鼠軟骨細胞中其促使與smad4蛋鶴發(fā)生作用,sin3復合物此時即與smad蛋白作用而抑制tgf-β/bmp信號系統(tǒng)中的目的基因[17]。3.2作用于細胞周期的相關(guān)因子,影響細胞增殖與分化腫瘤的發(fā)生通常表現(xiàn)為細胞周期失去正常的信息調(diào)控而處于紊亂無序的狀況。在細胞周期中,細胞g1期向s期進展和g2期進入m期是細胞周期的兩個限制點(restrictpoint),腫瘤細胞的異常增殖的順利進行需要下面3個條件:一是p21wafi/cip1抑制因子(一種主要的細胞周期蛋白依靠性激酶抑制劑cdki)低水平;二是細胞周期素(cyclin)及周期蛋白依靠激酶(cyclin-dependentkinase,cdk)及激酶系列的活性,如cdk2等;三是人類視網(wǎng)膜母細胞瘤相關(guān)基因(rb)的含量足夠并磷酸化激活,由于rb是g1期cyclin/cdk特異性的底物[18]。hdacs可通過影響以上腫瘤細胞異常增殖的3種作用因子而對腫瘤細胞的增殖分化產(chǎn)生重大影響。3.2.1抑制p21wafi/cip1基因表達,調(diào)控腫瘤細胞增殖分化wilson等[19]說明ⅱ類hdacs的主要成員hdac4在小腸和盲腸增生部位表達而其分化時期明顯減少,在體外培養(yǎng)的克隆癌細胞hct116中運用的sirna干擾技術(shù)下調(diào)hdac4的表達,發(fā)現(xiàn)可誘導其生長抑制、延緩異種嫁接的腫瘤的生長而增長p21的轉(zhuǎn)錄。除此之外,利用免疫共沉淀及序列免疫共沉淀作用分析說明hdac4依靠sp1與p21鄰近啟動子結(jié)合,可能直接通過hdac4-hdac3-n-cor/smrt共隔絕復合物來完成,而hdac4或smrt的下調(diào)提升了鄰近的p21啟動子基因座的組蛋白h3乙?;剑C明了hdac4通過抑制p21的表達而成為一個新型的克隆癌細胞生長增殖的調(diào)控因子。除此之外,依靠sp家族對p21的負性調(diào)控作用也有證明表如今ⅰ類hdacs(如hdac1、hdac2及hdac3)等的分子生物學功能中[20]。3.2.2作用于細胞周期蛋白及蛋白激酶,影響腫瘤發(fā)生發(fā)展rampalli等[21]發(fā)如今乳腺癌細胞系中smar1(一種基質(zhì)相關(guān)蛋白)160-350位點通過募集作用與hdac1的一種復合物構(gòu)造-sin3及視網(wǎng)膜母細胞瘤袋蛋白結(jié)合,新構(gòu)成的復合物通過對cyclind1的啟動子上游長達5kb的基因座去乙?;l(fā)揮cyclind1啟動子的抑制造用,且發(fā)如今此乳腺癌細胞系中cyclind1的高誘導表達與smar1水平的降低有明顯關(guān)聯(lián);而iguchi等[22]在胰島素瘤細胞頂用染色質(zhì)免疫沉淀法顯示:增加的sex-determiningregiony-box6(即sox6)表達可明顯誘導cyclind1的啟動子的h3與h4的乙?;剑胔dacs抑制劑和免疫共沉淀分析顯示sox6通過與hdac1及β-連珠蛋白作用而抑制cyclind1的活性。說明ⅰ類hdacs中的主要成員hdac1在影響腫瘤細胞周期方面有主要作用。3.2.3與rb基因互相作用,影響腫瘤細胞周期siddiqui等[23]發(fā)現(xiàn),激活rb基因蛋白產(chǎn)品視網(wǎng)膜母細胞瘤相關(guān)基因抑制蛋白(rb)調(diào)介cyclina、cdc2、拓撲異構(gòu)酶ⅱα等的啟動子的去乙酰化狀況,且此去乙?;揽縣dacs而發(fā)揮作用,證明rb不僅與轉(zhuǎn)錄因子e2f結(jié)合,且通過lxcxe基序與多重共抑制分子(如hdacs)發(fā)生互相作用[24]。3.3作用于細胞凋亡相關(guān)蛋白,影響細胞凋亡經(jīng)過escaffit等[25]發(fā)現(xiàn),在jurkat細胞(人t細胞淋巴瘤細胞)中,ⅰ類hdacs中的hdac3作為多種促凋亡基因的核抑制子,其易以一種細胞和物種非依靠性的方式發(fā)生蛋白水解分裂,此分裂依靠于半胱天冬酶(caspase)且導致hdac3的c-末端部分的缺失。hdac3的此種分裂激活了一種靶向于hdac3的抗凋亡基因-fas編碼基因的組蛋白乙?;c轉(zhuǎn)錄活性,進而通過死亡受體途徑而誘導jurkat細胞凋亡。另zhu等[26]發(fā)現(xiàn),hdac2在大部分克隆腫瘤組織與apc抑癌基因不足的小鼠的正常黏膜及腺瘤中高水平表達,由于在apc缺失的ht-29腫瘤克隆細胞中,小分子rna(sirna)對高表達的hdac2的干擾作用可足夠誘導凋亡,表示清楚此同工酶(hdac2)在抑制ht-29腫瘤克隆細胞的凋亡中發(fā)揮特殊作用。3.4聯(lián)合血管生成因子,影響腫瘤組織血管移行與構(gòu)成ha等[27]發(fā)現(xiàn)血管內(nèi)皮生長因子(vegf)在內(nèi)皮細胞中通過一種vefg受體2-磷脂酶cγ-蛋白激酶c(pkc)-蛋白激酶d(pkd)依靠的途徑刺激ⅱ類hdacs中的hdac5的磷酸化與核內(nèi)輸出,在pkd依靠的磷酸化中一hdac5特異性缺失的突變體抑制vegf介導的nr4a1(一種血管生成中的寡核受體)的表達、內(nèi)皮細胞的移行與體外血管的構(gòu)成。運用sirna技術(shù)緘默hdac5,發(fā)現(xiàn)成纖維細胞生長因子2(fgf2)與包含slit2在內(nèi)的血管生長導向因子的表達遭到明顯抑制,說明hdac5亦可通過抑制對血管內(nèi)皮細胞的毛細管式“芽生〞起主要作用的血管生成基因(如fgf2與slit2)發(fā)揮抗血管構(gòu)成作用[28]。在諸多內(nèi)源性促血管生成物質(zhì)中,vegf與腫瘤血管生成關(guān)系特別親密。朱芳等[29]研究發(fā)現(xiàn):vegf低表達的細胞株不出現(xiàn)血管生成擬態(tài)現(xiàn)象,vegf高表達的細胞株不一定出現(xiàn)血管生成擬態(tài)現(xiàn)象,而有血管生成擬態(tài)現(xiàn)象的細胞株vegf表達高,說明vegf與血管生成擬態(tài)構(gòu)成有一定關(guān)系,只要vegf表達高的細胞才有構(gòu)成血管生成擬態(tài)的潛能。hdacs通過與vegf互相作用而影響組織血管移行與構(gòu)成。wang等[30]亦發(fā)現(xiàn)ⅱ類hdacs中的hdac7通過pkc/pkd依靠的途徑完成由vegf介導的磷酸化及核內(nèi)輸出,此種由vegf介導hdac7的分子反應的信號通路對于vegf誘導的內(nèi)皮細胞的分化與移行是必須的,其通過抑制依靠或不依靠肌細胞促進因子2(mef2)基因的表達而調(diào)控內(nèi)皮細胞的功能[31];除此之外,ⅱ類中的hdac4、hdac5亦可由vegf介導完成磷酸化,其核內(nèi)輸出經(jīng)過可不完全依靠于vegf完成,提示其可能作用于不同的靶點而在vegf誘導的血管生成經(jīng)過中發(fā)揮作用[28]。除此之外,hait等[32]發(fā)現(xiàn)hdacs是s1p(鞘氨醇膦酸酯)在細胞內(nèi)的直接靶標,其最初是一種存在于細胞核中具有生物活性的脂質(zhì)信使,由2型鞘氨醇激酶(sphk2)產(chǎn)生。sphk2選擇性聚集在編碼細胞周期蛋白依靠性激酶抑制劑p21或轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)因子c-fos的基因啟動子上。s1p通過特異性結(jié)合hdac1和hdac2,抑制其活性,進而保衛(wèi)組氨酸末端賴氨酸不被去乙?;?,進而提升組蛋白h3乙酰化的水平,促進轉(zhuǎn)錄。4瞻望hdacs作為催化組蛋白去乙?;饔玫年P(guān)鍵酶類,以其參與腫瘤細胞生長增殖與表達調(diào)控等眾多經(jīng)過,在腫瘤發(fā)生發(fā)展的表觀遺傳學研究中日益引起學術(shù)界的關(guān)注與看重。現(xiàn)今研究多集中在已有的具備hdacs抑制活性的抗腫瘤藥物的化學修飾與構(gòu)造改造,以加強其藥效及減輕毒副作用等,而從hdacs構(gòu)造特點與生物學功能自己出發(fā)設計作用于特定靶點與特定通路的抗腫瘤藥物尚在少數(shù)。隨著構(gòu)造生物學與計算機輔助藥物設計等學科的發(fā)展,以hdacs為靶點開發(fā)具有抗腫瘤活性的新型hdacs抑制劑必將具有廣闊的前景。【以下為參考文獻】[1]謝愛華,廖晨鐘,李伯玉.以組蛋白去乙酰化酶為靶標的抗癌藥物研發(fā)進展[j].中國新藥雜志,2005,14(1):10-14.[2]nelsonsm,fergusonlr,dennywandthechromosome-variedtargetsforchemotherapy[j].cellchromosome,2004,3(1):2.[3]goldbergad,alliscd,bernsteinetics:alandscapetakesshape[j].cell,2007,128(4):635-638.[4]minuccis,peliccipedeacetylaseinhibitorsandthepromiseofepigenetic(andmore)treatmentsforcancer[j].natrevcancer,2006,6(1):38-51.[5]陳忠南,徐克前.表觀遺傳學藥物fk228的藥理作用及機制[j].國際病理科學與臨床雜志,2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