組蛋白賴氨酸去甲基化酶在腫瘤中的作用

李滸，張中國，周震，張紅勝

北京工業大學 生命科學與生物工程學院，北京 100124

我國2015年約有429.2萬個癌癥新發病例，癌癥死亡病例為281.4萬。其中，男性5種高發癌癥依次為肺癌、胃癌、食管癌、肝癌和結直腸癌，占所有癌癥病例的三分之二。對于女性群體而言，最常見的癌癥包括乳腺癌、肺癌和支氣管癌、胃癌、結腸癌、直腸癌、食道癌，占所有癌癥病例的近60%[1]。由此可見，我國癌癥發病率及死亡率情況日趨嚴重。已有研究表明，組蛋白賴氨酸去甲基化酶（lysine specific demethylase 1，LSD1）在人類癌癥發生發展中有重要作用。以表觀遺傳學為基礎對LSD1的研究前景可觀，并為LSD1抑制劑相關研究奠定了堅實基礎。

1 組蛋白修飾

隨著對腫瘤產生、轉移和侵襲的深入研究，組蛋白修飾與DNA的5-胞嘧啶甲基化，二者已成為表觀基因機制（epigenetic mechanism）中重要的部分。組蛋白修飾是指組蛋白在相關甲基化酶或去甲基化酶的作用下，發生甲基化、乙酰化、磷酸化和泛素化等修飾的過程。當組蛋白修飾異常時，常常能夠在DNA序列本身未改變的情況下影響染色質結構，導致基因表達水平發生改變，進而導致腫瘤產生、轉移和侵襲[2]。因此，深入研究組蛋白修飾，可以為腫瘤的預防與治療探索新的思路。

人類組蛋白由H1、H2A、H2B、H3、H4這5種富含精氨酸和賴氨酸等堿性氨基酸的堿性蛋白質組成。目前對組蛋白H3和H4修飾的研究已較為深入，尤其是相關位點的甲基化。根據最近的研究，發現腫瘤的產生、轉移和侵襲常伴有組蛋白H3第4位賴氨酸（H3 lysine 4，H3K4）、H3第9位賴氨酸（H3K9）、H3第 27位賴氨酸（H3K27）、H3第36位賴氨酸（H3K36）、H3第79位賴氨酸（H3K79）和H4第20位賴氨酸（H4K20）等位點的甲基化水平變化[3-4]。

1.1 組蛋白H3的甲基化

基因表達水平的上調或下調常與組蛋白修飾位點有關，例如 H3K4[5]、H3K36[6]和 H3K79[7]的甲基化水平通常影響基因表達水平的上調，而H3K9[8]、H4K20和H3K27[9]的甲基化水平則通常影響基因表達水平的下調。

1.2 組蛋白H3的甲基化修飾酶和去甲基化修飾酶

通過影響甲基化修飾酶和去甲基化修飾酶的表達水平，從而影響組蛋白修飾的水平，改變染色質結構，進而導致腫瘤的產生、轉移和侵襲。

無論是組蛋白甲基化轉移酶或組蛋白去甲基化轉移酶，其在組蛋白的作用位點常常在組蛋白H3的K4、K9、K36和K79上，多種修飾酶往往能夠調控同一位點，以保證組蛋白H3甲基化水平的穩定性及動態平衡。

2 組蛋白去甲基化修飾酶

LSD1是人類發現的第一個組蛋白去甲基化酶，使得人類對組蛋白修飾有了更加深入的理解。LSD1又名 KDM1A（lysine-specific histone de?methylase 1A）、AOF2、CPRF、KDM1和BHC110，是一種單胺氧化酶，它可以使單甲基化和二甲基化的H3K4（H3K4me1/me2）和單甲基化和二甲基化的H3K9（H3K9me1/me2）去甲基化。其參與部分基因表達水平上調過程，影響結腸癌、乳腺癌和肺癌等多種腫瘤的產生、轉移和侵襲[10]。因此，LSD1在腫瘤的產生、轉移和侵襲中扮演重要角色，通過深入研究LSD1的功能作用，能夠為腫瘤的預防與治療提供新的思路。

2.1 LSD1的結構

LSD1由一個N端SWIRM結構域、一個Tower結構域和一個C端FAD依賴的胺氧化酶結構域組成。其中，SWIRM結構域包括6個α螺旋和2個β折疊，能夠與C端的胺氧化酶結構域相互作用。由于SWIRM結構域能夠與染色質相互作用，而胺氧化酶的底物則是胺和蛋白質，因此LSD1能夠使H3K4me1和H3K4me2發生去甲基化。此外，LSD1能夠形成多種復合體，如LSD1-CoREST復合體[11]和HDAC5-LSD1復合體[12]等。在LSD1-CoREST復合體中，CoREST能夠與核小體上的DNA結合，隨后募集LSD1到核小體上，使LSD1能夠以核小體作為底物。

表1 組蛋白H3修飾酶名稱及其修飾位點

LSD1與LSD2均屬于FAD依賴的胺氧化酶家族，與LSD1相比，LSD2的N端多出一個鋅指結構域，而缺少Tower結構域，故二者在功能上存在一定的差別。正是因為此差別，使得LSD2無法與CoREST結合而形成復合體。

2.2 LSD1的功能

LSD1催化氧化反應時，僅能催化單甲基化和二甲基化的賴氨酸底物去甲基化。LSD1在基因轉錄激活中起到了廣泛的作用，調控啟動子區域的H3K4me2和H3K9me2的甲基化水平。此外，LSD1還能使甲基化的p53去甲基化，從而抑制p53信號途徑的傳遞，調控其生物學活性[13]。LSD1的FAD結構域與二甲基化的賴氨酸結合，通過一系列反應使得二甲基化的賴氨酸脫甲基成為一甲基化的賴氨酸。整個過程即為LSD1的去甲基化作用。

3 LSD1在不同腫瘤中的作用

LSD1在人類癌癥中有重要作用，目前證實其可促進細胞增殖，在人類膀胱癌、肺癌和大腸癌等多種癌癥中表達水平上調。此外，缺乏LSD1導致部分細胞周期阻滯在G2/M期，從而導致癌細胞的死亡[14-15]。

3.1 LSD1與結腸癌

結腸癌是常見惡性腫瘤之一，患者死亡的主要原因是結腸癌耐藥后的復發和轉移侵襲。上皮間質轉化（EMT）過程被認為與腫瘤的發生和轉移有重要聯系。在EMT過程中，LSD1的表達被抑制。而在缺乏LSD1時，轉錄因子Snail1和Snail2未能抑制E-鈣黏蛋白的表達。

研究表明，在結腸癌細胞轉移階段，LSD1有顯著的表達水平上調以及E-鈣黏蛋白表達水平下調。LSD1可能通過下調H3K4me2的甲基化水平而刺激結腸癌的轉移。LSD1的表達上調可能與結腸癌的預后差有一定的聯系。研究顯示，施加LSD1抑制劑后，結腸癌細胞的增殖和侵襲性受到抑制。因此，LSD1通過調節E-鈣黏蛋白的表達，從而促進結腸癌細胞的轉移[16]。

3.2 LSD1與乳腺腫瘤

乳腺癌是是常見惡性腫瘤之一，發生在乳腺腺上皮組織。在乳腺癌細胞中，LSD1扮演了一個促癌作用的角色。已有實驗證明，LSD1與組蛋白去乙酰化酶5（histone deacetylase 5，HDAC5）的相互作用能夠促進乳腺腫瘤細胞的增生。過表達的HDAC5使LSD1水平穩定并下調MDA-MB-231細胞中H3K4me1/2的修飾水平，但通過小干擾RNA（siRNA）作用而缺失HDAC5后，LSD1水平和去甲基化作用水平卻同時下調。在MCF10A細胞中，HDAC5和LSD1的表達都明顯上調，HDAC5和LSD1的水平呈正相關。HDAC5通過翻譯和修飾，在LSD1穩定表達過程中起關鍵作用，并且HDAC5-LSD1復合體在促進乳腺癌細胞發展和增殖中扮演重要角色[12]。研究表明，在MDA-MB-231細胞中，抑制LSD1能夠表型模擬miR-708的功能。過表達的LSD1能夠消除miR-708對癌細胞擴散和侵襲的影響[17]。

3.3 LSD1與前列腺癌

前列腺癌是發生在前列腺的上皮性惡性腫瘤，位居我國男性惡性腫瘤前列。研究顯示，在前列腺癌和良性前列腺增生中，LSD1的表達顯著增加。同時，LSD1的表達水平與前列腺癌的遠處轉移與預后不良有著明顯的聯系。研究顯示，在前列腺癌的轉移過程中，LSD1的積極表達與E-鈣黏蛋白的消極表達有著明顯的關聯。此外，LSD1的抑制劑優降寧（pargyline）能夠抑制E-鈣黏蛋白的活性[22]。

3.4 LSD1與神經疾病

環境刺激是神經元獲取和維護特定的學習、記憶和情感等基礎功能的必要途徑，這個過程通過誘導可塑關聯性轉錄過程而發生。研究發現，LSD1及其神經元特異性剪接突變體神經LSD1（neuroLSD1）與一個拮抗的機制相關聯。特別是LSD1/neuroLSD1參與的調控即刻早期基因（imme?diate early gene，IEGs）的轉錄翻譯過程，這個過程能夠影響記憶形成和情感行為[18]。值得注意的是，neuroLSD1的形成過程受環境突發事件影響而能夠自我調節平衡，這進一步暗示了LSD1/neu?roLSD1是大腦中信息處理過程的一個部分。

最近的研究表明，伴隨著發育遲緩的一種新形式的智力障礙和奇特的面部特征均與LSD1和neuroLSD1的突變有關。值得注意的是，其突變均位于LSD1的催化域，使得LSD1或neuroLSD1的去甲基化功能和蛋白質的穩定性受到影響。此外，LSD1在威廉綜合征中起致病作用，而通過抑制LSD1的去甲基化作用，則能夠在此病態細胞模型中恢復遺傳病理的轉錄修飾[19]。

3.5 LSD1與脂肪代謝疾病

在動物中，脂肪組織扮演著很重要的角色。脂肪組織主要分為白色脂肪組織（white adipose tissue，WAT）和褐色脂肪組織（brown adipose tis?sue，BAT）。WAT包含一個以甘油三酯形式用來儲存能量的巨大的脂質液滴，故其主要功能是儲存所攝取的能量。相比之下，BAT則包含多個較小的脂質液滴并擠滿了高密度的線粒體，而其主要作用則通過解偶聯蛋白1（uncoupling protein 1，UCP1）介導的能量消耗而進行非顫栗產熱，以維持機體新陳代謝所需能量。因此，增加機體內的BAT的相對比例及其功能，也許可以預防肥胖和相關代謝紊亂的疾病。已有研究表明，表觀遺傳調節器可能產生重要的遺傳模型，從而影響能量的代謝[20]。例如，缺失H3K9的去甲基化轉移酶JHDM2A（JmjC-domain-containing histone demeth?ylase 2A）的老鼠患有肥胖和高脂血癥。

通過篩選表觀遺傳物質的數據，有研究發現LSD1抑制劑能夠抑制褐色脂肪細胞的分化。一般來說，LSD1通過去除Wnt信號通路基因的啟動子區域的H3K4的甲基化，從而抑制Wnt信號通路，進而促進褐色脂肪形成。而當敲除LSD1后，會抑制小鼠的褐色脂肪生成，驗證了LSD1在體內褐色脂肪生成中的關鍵作用。進一步來說，LSD1與Wnt通路之間的相互聯系為褐色脂肪的分化提供了條件，表明LSD1是促進褐色脂肪形成的關鍵。此外，LSD1通過調控H3K4和H3K9的甲基化水平，在WAT和BAT的基因選擇性表達中扮演了雙重角色。

值得注意的是，在BAT中，LSD1的缺失誘發糖酵解并抑制氧化代謝。敲除LSD1基因的小鼠的WAT表現出獨特的形態以及大量的脂質積累。研究發現，敲除LSD1基因的小鼠WAT中的葡萄糖吸收和糖酵解相關的關鍵酶，如己糖激酶、磷酸果糖激酶、烯醇酶和乳酸脫氫酶，其水平高于控制組小鼠，從而提高了糖酵解能力[21]。值得注意的是，在敲除LSD1基因的小鼠體內，包括丙酮酸轉運蛋白（Mpc1和Mpc2）在內的參與丙酮酸代謝的酶的表達水平均有所下調。這些結果表明，LSD1能夠抑制糖酵解相關基因的表達，以維持BAT的代謝過程。

4 腫瘤的治療與LSD1抑制劑

由于組蛋白的甲基化修飾是可逆的，因此通過抑制LSD1的轉錄翻譯水平，可在一定程度上使組蛋白的甲基化修飾水平恢復至正常，從而抑制腫瘤細胞的增殖、轉移和侵襲。因此，通過合成LSD1抑制劑，可達到治療腫瘤并抑制腫瘤增殖、轉移和侵襲的目的。根據作用機制的不同，LSD1抑制劑可分為不可逆型和可逆型。不可逆型LSD1抑制劑主要是苯環丙胺及其衍生物。苯環丙胺通過與FAD結構域結合，使FAD結構域無法與二甲基化賴氨酸所結合[23]，而是形成環狀中間體的化合物，并且該過程不可逆。此外，已有研究發現天然的LSD1抑制劑[24]。

4.1 天然LSD1抑制劑黃苓苷

黃苓苷是美黃岑的活性成分之一，具有多種藥理作用，如降壓、鎮靜、抗菌抗炎及保護肝臟。黃苓苷能夠顯著抑制MGC-8D3細胞的遷移，以及減少E-鈣黏蛋白和N-鈣黏蛋白的mRNA水平。

4.2 LSD1抑制劑Bizine

Bizine包含一個苯基丁酰胺結構，其已被證實是一個強有力的LSD1體外抑制劑。研究發現，在LNCaP和H460癌細胞系中，Bizine能夠有效調節組蛋白的甲基化，抑制癌細胞的生長。此外，Bizine能夠有效保護神經細胞，表明具有應用于神經退行性疾病治療的潛力[25]。

4.3 LSD1抑制劑NCL1

已有研究表明，NCL1是一種具有治療前列腺癌潛力的LSD1抑制劑。NCL1能夠上調雄性激素應答基因啟動子區域附近H3K9me2的水平，同時NCL1也能誘導癌細胞停滯在G1期以及細胞凋亡。總之，NCL1能夠有效抑制前列腺癌細胞的生長，表明此抑制劑具有治療前列腺癌的前景[26]。

4.4 LSD1抑制劑Pargyline

已有研究表明，在體內和體外，雖然Pargyline沒有調節基于雄性激素受體的前列腺特異抗體（PSA）基因的表達，但Pargyline能夠降低LNCap細胞的遷移和入侵能力，通過上調E-鈣黏蛋白的表達從而調控EMT過程，以及下調N-鈣黏蛋白的表達。此外，Pargyline能夠延緩前列腺癌從雄性激素依賴性狀態轉變為非依賴性狀態[27]。

5 結語

綜上所述，目前對LSD1的生化性質、生物學活性調控以及生理功能的研究都已較為清晰，而LSD1已被證實是造成多種腫瘤增殖遷移的主要原因之一，但還有一系列問題有待探討。LSD1相關抑制劑已成為當前腫瘤研究的熱門領域，根據LSD1的生物學活性,越來越多的LSD1抑制劑正在被篩選出來并加以驗證，這為以LSD1為靶點的靶向藥物的研究奠定了堅實基礎。深入探討LSD1相關調控通路、生物標志，及其在腫瘤轉移中的作用機制，可能是研究其在腫瘤轉移中作用的重要突破口，并能夠為尋找預后生物標志物與靶向藥物的合成提供理論基礎。

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