組蛋白去甲基化酶的研究進展

馬佳萍韓 劍張金龍

（1 新疆吉木薩爾縣人民醫院藥劑科，新疆 吉木薩爾 831700；2 新疆塔城地區食品藥品檢驗所，新疆 塔城 831700）

組蛋白去甲基化酶的研究進展

馬佳萍1韓 劍2張金龍1

（1 新疆吉木薩爾縣人民醫院藥劑科，新疆 吉木薩爾 831700；2 新疆塔城地區食品藥品檢驗所，新疆 塔城 831700）

第一個組蛋白去甲基化酶（LSD1）的發現證實組蛋白的甲基化修飾并非永久性組蛋白標記，而是一個動態可調節過程。該酶通過催化去除組蛋白 N 末端賴氨酸上的甲基，參與染色質功能的調節，并與某些疾病，特別是和癌癥的發生發展密切相關。本文主要就組蛋白去甲基化酶的催化機制及生物學功能進行文獻調研與追蹤，并加以歸納整理，旨在更深入的認識和探究組蛋白去甲基化酶提供理論參考。

組蛋白去甲基化酶；LSD1；JMJD；腫瘤

組蛋白屬于小分子堿性蛋白質，是真核生物染色體的基本結構蛋白。組蛋白修飾是指組蛋白在相關酶作用下發生甲基化、乙酰化、磷酸化和泛素化等修飾的過程。這種修飾是基因轉錄調節控制組織細胞發育分化的關鍵分子機制，能夠調節染色質狀態和基因表達。不同于其他組蛋白修飾，組蛋白的甲基化一度被認為是一個不可逆的過程，直到2004年發現了第一個組蛋白去甲基化酶賴氨酸特異性組蛋白去甲基化酶1（lysine specific demethylase 1，LSD1）[1]，隨后組蛋白甲基化酶迅速成為各國科研學者的研究熱點。截止目前，已發現的組蛋白去甲基化酶主要有兩類：即LSD1和JMJD家族[2]。本文主要對就這兩類組蛋白去甲基化酶的催化機制及生物學功能進行展開文獻調研與追蹤，并加以歸納整理，旨在更深入的認識和探究組蛋白去甲基化酶提供理論參考。

1 LSD1的催化機制與生物學功能

LSD1，又名KDM1，是第一個被發現的組蛋白去甲基化酶，屬于黃素腺嘌呤二核苷酸（FAD）依賴酶，能夠還原組蛋白賴氨酸的一、二甲基化。LSD1其主要結構分成三部分；一是位于結構中心的Tower結構域位于結構中心，該結構域的突變缺失會導致LSD1活性喪失；二是位于N端的SWIRM結構域，其是蛋白-蛋白相互作用的模體，位于N端；三是位于C端的胺氧化酶結構域，具有催化活性，位于C端。LSD1屬于胺氧化酶超家族，定位于細胞核內，能激活和抑制基因轉錄，與多種疾病的發生發展及胚胎發育關系密切[1]。

1.1 催化機制：LSD1在體內可以特異去除組蛋白H3第9位賴氨酸（H3K9）的單甲基和二甲基修飾，在體外則可還原H3K4的一、二甲基修飾，因其催化氧化反應時胺基底物上必須要有一個質子，所以不能脫去三甲基化殘基上的甲基基團。其LSD1催化機制主要是通過能氧化底物的C-N鍵，生成胺基、甲醛和H2O2，同時與底物反應時FAD從甲基化的組蛋白賴氨酸得到質子，生成FADH2，其進一步被氧化生成FAD和H2O2，而甲基化的賴氨酸失去質子生成亞胺中間物，亞胺中間物加水后生成胺基和甲醛[3]。

1.2 生物學功能：①LSD1在多種腫瘤細胞中都有高表達，前列腺癌是其中之一。研究發現在人的前列腺癌細胞中，LSD1能與雄激素受體結合，激活雄激素受體依賴的基因表達，維持癌細胞的永生化特性[1]。Will-mann等發現選擇性LSD1抑制劑Namoline能夠削弱LSD1去甲基化功能，從而抑制前列腺癌細胞的LNCaP增值；動物實驗也證實抑制LSD1能夠抑制裸鼠移植瘤生長[4]。綜上所述，LSD1可作為一種新型的前列腺治療靶標。②動物實驗研究顯示，LSD1在口腔鱗狀細胞癌（OSCC）中過表達與腫瘤侵襲和以及總體的生存率之間有顯著的相關性。隨著疾病惡化，在OSCC動物模型中檢測到了大量增加的LSD1。通過在OSCC細胞中介導的siRNA消耗LSD1，不僅可抑制移植瘤生長，而且可誘導細胞凋亡，并增強對5-氟尿嘧啶的敏感性。因此，LDS1可作為一種新型生物標記，在OSCC的診斷及預后中發揮重要的意義，其化學抑制劑也可作為治療OSCC的一種可行方案[5]。③研究表明，LSD1與神經母細胞瘤分化聯系密切。在神經母細胞瘤患者的腫瘤組織中，LSD1在分化不良的組織中的表達明顯高于正常組織，但在。在神經母細胞瘤細胞株中，LSD1的表達隨著細胞的分化而下降，siRNA下調LSD1的表達后，瘤細胞的生長受抑制，說明LSD1可以抑制神經母細胞瘤的生長[6]。此外，Lim等[7]研究發現LSD1在乳腺癌患者雌激素受體（ER）陰性的乳腺癌組織中的表達水平明顯高于ER陽性的乳腺癌組織和正常乳腺組織。體外研究發現下調LSD1的表達亦能抑制乳腺癌細胞生長。④于妍妍等[8]發現LSD1與食管鱗癌的淋巴結轉移和增值有關，且LSD1高表達的患者預后不良，臨床資料顯示，在已經發生淋巴結轉移的食管鱗癌組織中LSD1的表達升高更加顯著，該結果提示LSD1很可能參與到食管鱗癌的淋巴結轉移過程，這與前期在其他腫瘤研究中所得的結果相一致。

2 JMJD家族的催化機制與生物學功能

JMJD超家族，是數目眾多的一類組蛋白去甲基化酶，屬于一類依賴二價鐵離子和α一酮戊二酸的雙加氧酶，能催化單甲基化、二甲基化和三甲基化的組蛋白賴氨酸還原。JMJD家族成員較多，如人的JMJD1A、JMJD2A、JARID1B和UTX等，它們均可催化組蛋白的去甲基化修飾，但具有底物選擇性。該類酶主要通過使組蛋白去甲基化，改變組蛋白的表觀結構，從而調節基因活性、染色質結構、損傷修復及表觀記憶等。研究表明JMJD家族通過調控細胞由DNA合成前期向DNA合成期的轉換，從而影響細胞周期進程，調控多種哺乳動物基因的轉錄，這可能是其參與癌癥發生的途徑[9]。

2.1 催化機制：與LSD1不同，JMJD家族成員的N端和C端多含有JmjC結構域，該結構域是酶活性中心的組成部分，不需要質子化的氮作為氫供體，可以還原三甲基化賴氨酸殘基上的甲基基團。JMJD家族成員在輔因子2-OG和O2的參與下，JMJD家族成員可催化組蛋白賴氨酸殘基上的甲基化氨基生成羥基化中間體，同時產生1分子CO2和1分子琥珀酸鹽，隨后該中間體生成不穩定的半氨醛，并進一步分解為去甲基化賴氨酸和甲醛[2]。

2.2 生物學功能：JMJD1A是第1個被發現的含有JmjC結構域的組蛋白去甲基化酶，與其同源蛋白JMJD1B均可催化組蛋白H3上36位的單/雙甲基化賴氨酸（H3K36me1/2）去甲基化。有動物實驗表明，JMJD1B的缺失會導致基因組不穩定和癌癥的發生，提示該酶有抑制腫瘤的功能。在淋巴癌小鼠模型中發現，JMJD1A和JMJD1B的異常表達促使抑癌基因Ink4b下調，導致小鼠胚胎成纖維細胞永生化[2]。

JMJD1A又名KDM3A，亦屬于JMJD超家族。JMJD1A在前列腺癌、肝癌、結腸癌等多種腫瘤中均有高表達。Yamada等發現，在缺氧狀態下，抑制JMJD1A在肝癌細胞系中的表達可顯著抑制細胞生長，減少細胞侵襲能力以及阻滯上皮間質轉化[10]。JMJD1A還能影響精子發育。核蛋白和精蛋白對于精子染色體包裝和濃縮具有重要意義，JMJD1A能控制轉換核蛋白和精蛋白基因的表達，有實驗表明小鼠被敲除JMJD1A后，在減數分裂后期精子染色質濃縮受損，精子成熟失敗。Liu等也發現JMJD1A基因缺陷的雄性小鼠其生殖細胞大量凋亡，睪丸減小。

JMJD1B通過催化H3K9me1/2去甲基化，在白血病中發揮轉錄調控作用，其與帽子結合蛋白（CBP）作為輔激活因子，可富集至白血病致癌基因lmo2的啟動子區域，調控靶基因的轉錄；該酶在多種白血病患者的血細胞中均有高表達，并能抑制白血病細胞的分化[2]。

JMJD2B又名KDM4B，在促進根尖牙乳頭干細胞介導的牙齒組織再生方面有研究前景，姚睿等[11]研究證實JMJD2B具有促進根尖牙乳頭干細胞成骨和成牙本質分化的潛能。但有研究表明JMJD2B參與癌細胞的增殖和存活，有致癌活性，采用siRNA抑制JMJD2B基因在胃癌組織中的表達后，可使癌細胞增殖受到抑制，抑癌基因p53的表達上調[2]。因此，JMJD2B的異常表達不僅影響腫瘤的發生發展，還參與腫瘤細胞缺氧應激反應。

3 展 望

組蛋白甲基化與去甲基化失衡對于腫瘤的發生發展有著及其重要的意義，深入探索二者的動態平衡機制能為腫瘤的防治及預后開啟新的途徑。隨著LSD1的發現，組蛋白去甲基化的可逆性被證實，對組蛋白去甲基化酶的研究取得了較大進展，但目前組蛋白去甲基化酶具體的作用機制仍不明了，當前研究多處于概念階段，利用其抑制劑進行疾病治療的臨床效果并不理想，還有許多問題尚待深入研究，如利用KDM4B促進牙齒組織再生時如何避免其致癌活性；JMJD3治療腫瘤時，其他受JMJD3調節的靶基因在腫瘤發生中的作用及對機體產生的影響，如何維持體內甲基化與去甲基化的平衡；JMJD家族新成員的鑒定，各成員在生理和病理狀態下的生物學作用和分子機制，尤其是與特定疾病的關聯；這些問題的研究不僅能擴展表觀遺傳學方面的知識，也將對腫瘤機制的闡明及腫瘤預防診斷和治療發揮重大的推動作用，有利于實現去甲基化酶從實驗室研究到臨床應用的轉變[1,3]。此外，闡明組蛋白去甲基化酶的作用機制對藥物的開發與應用具有重要意義。隨著去乙酰化酶抑制劑投入抗癌藥物市場后，對于組蛋白去甲基化酶抑制劑的研究也成蓬勃之態，毫無疑問，組蛋白去甲基化酶已經成為治療癌癥的新方向[1]。因目前的組蛋白去甲基化抑制劑的特異性還不高，接下來的研究重點更應專注于研發具有高特異性的抑制劑[12]。

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[3] 鄭一超,馬金蓮,王志茹,等.抗腫瘤藥物新靶點:表現遺傳組蛋白賴氨酸特異性去甲基化酶1[J].國際藥學研究雜志,2014,41(1):30-36.

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[8] 于妍妍,雷增杰,郭嚴,等.賴氨酸特異性去甲基化酶1在食管鱗癌中的表達及臨床意義[J].第三軍醫大學學報,2013,35(9):910-913.

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[10] 湛敏,周宏灝.組蛋白去甲基化酶JMJD1A及其生物學功能研究進展[J].中國臨床藥理學與治療學,2013,18(3):325-330.

[11] 姚睿,范志明.組蛋白去甲基化酶KDM4B促進根尖牙乳頭干細胞中成骨和成牙本質分化[J].北京口腔醫學,2013,21(4):181-184.

[12] 葉覃,Holowatyj A,Labbe RM,等.組蛋白去甲基化酶家族中組蛋白去甲基化酶4作用機制及應用的研究進展[J].轉化醫學雜志,2014,3(1):13-18.

Research Progress of Histone Demethylase

MA Jia-ping1, HAN Jian2, ZHANG Jin-long1
(1 Department of Pharmacy, Jimsar County People's Hospital, Jimsar 831700, China;
2 Xinjiang Tacheng Food and Drug Inspection Institute, Tacheng 831700, China)

First histone methylation enzyme (LSD1) findings confirmed that the methylation of histone modification is not a permanent group of protein markers, but a dynamic process can be adjusted. Through the enzyme catalytic removal of histone lysine on at the end of the N methyl, participate in the regulation of chromatin function, and with certain diseases, especially closely related to the occurrence of cancer development. This article mainly went histone methylation enzyme catalytic mechanism and biological function of literature investigation and tracking, and sums up, aimed at further understanding and exploring histone methylation enzyme to provide theoretical reference.

Histone demethylase; LSD1; JMJD; Tumor

Q512.7；R730.2

A

1671-8194（2017）12-0046-02