Ⅰ類及Ⅱ類組蛋白去乙酰化酶在心力衰竭中的作用及機制的研究進展

高文聰，馬昕，陳鵬，鄭昌博（昆明醫科大學藥學院暨云南省天然藥物藥理重點實驗室，昆明 650500）

心血管疾病是導致人類死亡的主要原因。據《中國心血管健康與疾病報告2019 概要》報告，中國心血管疾病患病人數推算已達到3.30 億，心血管疾病患病率及病死率仍處于持續上升階段，并且發病趨于年輕化，因此心血管疾病的防治顯得尤為重要。在心血管疾病中，心臟肥大和心肌纖維化會逐漸發展成心臟功能障礙或心力衰竭，甚至死亡。近年來研究發現，蛋白去乙酰化酶（histone deacetylase，HDAC）在心血管疾病中扮演著重要角色。目前，美國食品藥品監督管理局（FDA）批準上市的HDAC 抑制劑有6種：伏立諾他（vorinostat，SAHA）、貝利司他（beli-nostat，PXD101）、帕比司他（panobinostat，LBH589）、羅米地辛（romidepsin、FK228）、西達本胺（chidamide）和莫西司他（mocetinostat，MGCD0103），主要用于治療T 細胞淋巴瘤、B細胞淋巴瘤、多發性骨髓瘤和前列腺癌等惡性腫瘤[1]，而SAHA 除了可抑制喉癌細胞增殖外[2]，還能有效舒張小鼠血管主動脈[3]。大量研究表明，調節HDAC 可改善心臟肥大、心力衰竭、心律失常、心肌梗死、高血壓、動脈粥樣硬化和纖維化等心血管疾病[3-5]。HDAC 在心血管疾病中的作用研究已引起廣泛關注，有望成為防治心力衰竭的新途徑。

1 HDAC 的結構與功能

HDAC 催化去除組蛋白賴氨酸殘基上的乙酰基，導致染色質濃縮和抑制mRNA 合成。HDAC除了抑制轉錄基因表達外，還參與了翻譯后修飾（PTM）的調節。最近研究發現，HDAC2 發生S-亞硝基化修飾促進了心臟肥大的發展[6]，HDAC的功能與心血管疾病的發展息息相關。已發現的18 種HDAC 被分為Ⅰ～Ⅳ類（見圖1）。Ⅰ類和Ⅱ類HDAC 主要在組蛋白尾端的賴氨酸脫乙酰基中起作用[7]。Ⅱ類HDAC 進一步分為2 個亞組：Ⅱa 類具有C-末端，Ⅱb 類具有2 個脫乙酰酶結構域。Ⅰ、Ⅱ和Ⅳ類HDAC 需要鋅離子（Zn2＋）并且具有用于乙酰基-賴氨酸水解的類似催化核心，而Ⅲ類HDAC 需要煙酰胺腺嘌呤二核苷酸（NAD＋）才能發揮其酶活性[8]。

圖1 HDAC 分類與結構[18]Fig 1 Classification and structure of HDAC[18]

盡管Ⅰ類和Ⅱ類HDAC 都具有保守的HDAC域，但具有完全不同的特征。Ⅰ類HDAC 普遍存在，具有促心臟肥大效應；而Ⅱ類HDAC 相對以組織特異性方式表達[9]，具有抗心臟肥大效應。Ⅰ類HDAC 主要位于核苷酸中，Ⅱ類HDAC 在蛋白激酶C 或蛋白激酶D 磷酸化后經歷從細胞核到細胞質的穿梭[10-11]，Ⅰ類、Ⅱ類HDAC 過表達或缺失是調控心力衰竭的主要因素。

依賴于NAD＋的Ⅲ類HDAC 也被稱為沉默調節蛋白（Sirtuins），具有脫乙酰基酶活性，在細胞質和細胞核中都發現有SIRT 1、2、6 和7定位于胞漿或細胞核，而SIRT 3、4 和5 定位于線粒體[12-13]，這些蛋白參與調節了細胞存活、衰老和新陳代謝相關過程[14]，如心血管疾病和糖尿病等。

Ⅳ類HDAC 的相關研究主要集中于免疫反應。HDAC11 與Ⅰ類和Ⅱ類HDAC 同源[15]，HDAC11 在多個組織和細胞中表達，并調節免疫細胞中的分化、遷移和炎癥反應[16]，除此之外，HDAC11 在惡性腫瘤甚至其他疾病的病理生理學過程中也起著重要作用[17]，但HDAC11 在心血管疾病中的作用目前尚未見報道。

2 心力衰竭與心臟肥大和纖維化

心力衰竭通常被分為收縮性心力衰竭和舒張性心力衰竭。在細胞水平上，收縮性心力衰竭與心肌細胞肥大和死亡有關，通常導致間質纖維化，房室擴張和心室壁變薄。舒張性心力衰竭的典型特征是心臟肥大和纖維化而無室擴張[19]。心臟肥大被視為一種補償機制，左心室肥大是對壓力和容量超負荷的適應性反應，如果不及時治療就會出現適應不良，病理性心臟肥大則成為心力衰竭發展的重要危險因素。抑制左心室肥大可以降低心血管疾病患者的發病率和病死率[20-21]，然而目前沒有控制心臟肥大的有效手段。因此，對心臟肥大疾病的控制及靶點的研究亟待開展。

心臟重塑也是加重心力衰竭的關鍵機制，心肌纖維化是心肌重塑的重要病理特征之一[22]。纖維化是由于細胞外基質（ECM）過度沉積以響應組織損傷而產生的可逆性瘢痕形成反應，導致靶器官的生理功能受損并導致心律失常、心力衰竭，甚至猝死。在纖維化中，肌成纖維細胞是關鍵效應細胞，其特征在于ECM 的產生和α-平滑肌肌動蛋白（α-SMA）的表達[23]。在所有類型的心臟疾病中幾乎都會發生ECM 成分如纖連蛋白、膠原蛋白、彈性蛋白和蛋白多糖等的過度積累[24]，包括心肌梗死、主動脈瓣狹窄、擴張型心肌病、糖尿病性心肌病和肥厚型心肌病[25]等。長期以來，心臟成纖維細胞被視為纖維化過程中ECM 的主要生產者。心臟肥大和心肌纖維化是心力衰竭的主要病癥之一，抑制心臟肥大和心肌纖維化可有效降低心力衰竭的風險。

3 HDAC 在心臟肥大中的作用及機制

在所有類別的HDAC 中，Ⅰ類和Ⅱa 類HDAC 都與心臟肥大的發展有關，但它們在調節心臟肥大中的作用卻相反。

Ⅰ類中的HDAC2 心臟特異性過表達誘導心臟肥大，具有促肥大的作用，HDAC2基因缺失則會對各類肥大刺激產生抗性。在生理條件下，HDAC2 與HDAC5 和蛋白磷酸酶相互作用。HDAC5 和蛋白磷酸酶都會使HDAC2 失活。蛋白磷酸酶通過使心臟中的HDAC2 絲氨酸394（S394）磷酸化來調節肥大反應[26]。當心肌應激時，酪蛋白激酶2α1（CK2α1）通過磷酸化被激活進入細胞核。HDAC2 的乙酰化先于磷酸化，p300/CBP 相關因子（pCAF）與HDAC2 結合并使其脫乙酰基化，使CK2α1 在S394 處磷酸化HDAC2[27]，熱激蛋白HSP70 在細胞核中被誘導，特異性結合S394 磷酸化的HDAC2[28]，導致HDAC2 活化和心臟肥大的發展（見圖2）。因此，通過抑制Ⅰ類HDAC 可以抑制酪蛋白激酶（CK）2α1 的激活，阻止該酶對HDAC2 的磷酸化，從而抑制心臟肥大的形成。酪蛋白激酶2 相互作用蛋白（CKIP-1）也可通過抑制HDAC4 磷酸化來調節生理性心臟肥大[29]。

圖2 Ⅰ類HDAC 參與心臟肥大的過程[27]Fig 2 Class Ⅰ HDAC in cardiac hypertrophy[27]

然而，Ⅱa 類HDAC 對心臟肥大具有負向調節作用。Ⅱa 類HDAC 通過抑制心肌細胞增強因子2（MEF2）依賴性基因的活性來嚴格調節心臟功能，蛋白激酶D（PKD）和Ca2＋/鈣調蛋白依賴性激酶Ⅱ（CaMKⅡ）通過磷酸化不同的HDAC異構體來激活MEF2，從而為核質穿梭創建14-3-3結合位點[30]。在生理條件下，蛋白激酶A（PKA）依賴性抑制PKD 磷酸化HDAC5 并阻止其核-質穿梭，HDAC4 捕獲MEF2 并干擾其基序的結合，抑制MEF2 的轉錄活性[30-31]，從而抑制基因轉錄和心臟肥大。G 蛋白偶聯受體（GPCR）的刺激導致cAMP 水平升高和PKD 激活，PKA 誘導的PKD 抑制有助于響應cAMP 信號傳導的HDAC5積累和MEF2 抑制，PKA 還激活脂滴相關蛋白酶ABHD5 以切割HDAC4 的N 端片段，因HDAC4的N 端缺乏14-3-3 結合位點，該片段通過對PKD和CaMKⅡ信號傳導無反應的獨特機制來抑制MEF2 從而發揮抗肥大效應（見圖3）[30]。在苯腎上腺素刺激下，HDAC5 在心肌細胞中會經歷磷酸化誘導的核-質穿梭，釋放MEF2 與HDAC5 結合促進基因轉錄從而失去其抗肥大效應[32]。

圖3 Ⅱ類HDAC 參與心臟肥大的過程[30]Fig 3 Class Ⅱ HDAC in cardiac hypertrophy[30]

在現有HDAC 抑制劑中，Ⅰ類HDAC 抑制劑RGFP966 通過雙特異性磷酸酶5（DUSP5）-細胞外信號調節激酶1/2（ERK1/2）途徑的表觀遺傳調節可以預防糖尿病引起的心臟肥大[33]。在肥大心臟中，NF-κB 靶基因的啟動子上的組蛋白乙酰化增加，曲古菌素A（TSA，Ⅰ/Ⅱa 類HDAC 抑制劑）能減輕壓力超負荷引起的心臟肥大并抑制NF-κB 靶基因來保護心臟[34]。抑制依賴結節性硬化復合物2（TSC2）的mTOR 作用也可以減輕心臟肥大[35]。在乙酸脫氧皮質酮（DOCA）誘發的高血壓大鼠中，泛HDAC 抑制劑CG200745，通過CCAAT /增強子結合蛋白（C/EBP）-β/TSC2途徑抑制了mTORC1 信號傳導，改善了心臟肥大[36]。在血管緊張素Ⅱ（AngⅡ）誘導小鼠的病理性心臟肥大模型中，泛HDAC 抑制劑大黃素可通過抑制Ⅰ、Ⅱa 和Ⅱb 類HDAC 的活性改善其肥大[37]。已上市藥物替格列汀是一種二肽基肽酶-4（DPP-4）抑制劑，通過下調DPP-4 的表達，激活胰高血糖素樣肽-1（GLP-1）受體，抑制心肌細胞中的 Nox4-HDAC4 軸，減輕Ang Ⅱ誘導的心臟肥大[38]；同樣，泛HDAC 抑制劑丁酸鈉和丙戊酸鎂降低了肥大性HDAC2 的表達，防止心肌細胞的氧化應激并增加線粒體DNA 濃度，從而減輕心臟肥大[39-40]。因此，Ⅰ類HDAC 可作為控制心臟肥大的轉錄程序信號的響應劑。

一般來說，Ⅱa 類HDAC 具有抗心臟肥大效應，但其中的HDAC7 卻可促進心臟肥大[41]。HDAC7 定位于心肌細胞質，HDAC7 的過表達會誘導心臟肥大和心力衰竭相關基因如心鈉素A（Nppa）和心鈉素B（Nppb）等的表達；同時，CaMK 組成員的鹽誘導激酶1（SIK1）對HDAC7的磷酸化作用穩定了去乙酰基酶，使c-Myc基因表達增加，進而激活病理性心臟肥大[42]。

綜上所述，Ⅰ類HDAC 能加重心臟肥大，Ⅱ類HDAC 能減輕心臟肥大（HDAC7 除外）。由于這兩類HDAC 具有相反的功能，兩類HDAC 抑制劑在心臟肥大中的作用可能會引發不良反應。因此，為了最大程度地減少藥物不良反應，開發亞型特異性抑制劑顯得尤為重要，可以將屬于Ⅰ類抑制劑和Ⅱ類啟動子的新型HDAC 抑制劑設計為雙重HDAC 調節劑。

4 HDAC 在心肌纖維化的作用及機制

HDAC 同樣參與心肌纖維化。在心臟成纖維細胞中，Ⅰ類HDAC 過表達會顯著增強心臟成纖維細胞的增殖以及與纖維化相關蛋白如膠原蛋白Ⅰ（collagen-Ⅰ）、轉化生長因子-β（TGF-β）和胞內信號蛋白分子磷酸化Smad2/3（p-Smad2/3）的水平[43]。敲低HDAC1/2/3 后，減少了膠原蛋白和細胞外基質的表達，表現出抗纖維化[44]，并且沉默HDAC3 可上調miR-18a，降低ADRB3 表達，從而抑制心肌細胞的纖維化與肥大[45]；在心肌細胞特異性過表達HDAC4 的轉基因小鼠中，Ⅱa 類HDAC4 的激活使間質膠原蛋白的表達增加，心臟因子纖連蛋白Ⅲ型結構域（FNDC5）減少，促進了進行性心臟肥大和纖維化[46]，HDAC4 的敲低則會逆轉心臟肥大與纖維化[47]。此外，Ⅱb 類中的HDAC6 敲低會升高Ras 結構域家族蛋白1 亞型A（RASSF1A）的表達，減輕心臟成纖維細胞增殖和纖維化[48]，綜上，HDAC 對心肌纖維化大多為負向調節作用（見表1）。

表1 Ⅰ、Ⅱ類HDAC 調節心肌纖維化的靶點及通路Tab 1 Targets and pathways of class Ⅰ and Ⅱ HDAC regulating cardiac fibrosis

在Ⅰ類HDAC 抑制劑中，沒食子酸可通過調節HDAC1 或HDAC2 的酶活性減輕NG-硝基-L-精氨酸甲酯誘導的高血壓小鼠心肌纖維化[51]，HDAC8 抑制劑PCI34051 可通過p38 絲裂原激活蛋白激酶（p38 MAPK）途徑減弱異丙腎上腺素誘導的心臟肥大和纖維化[52]，也通過下調Ace1緩解小鼠橫向主動脈收縮誘導的心肌纖維化[53]。MGCD0103 可調節HDAC1 和HDAC2 酶活性，通過介導經典TGF-β信號刺激的SMAD 途徑來增加纖溶酶原激活物抑制劑-1（PAI-1）的表達，減輕心肌纖維化[54]；也通過調節HDAC1 和HDAC2的表達，介導IL-6/STAT3 信號通路減輕了心肌纖維化[55]；在橫向主動脈縮窄（TAC）誘導的壓力超負荷心臟肥大大鼠中，MGCD0103 可降低血清中的腎素、AngⅡ和醛固酮水平，減輕大鼠心臟肥大與纖維化[56]；MGCD0103 也能抑制纖維細胞前體中的ERK1/2 磷酸化，表現出抗纖維化作用[44]；MGCD0103 與抑制劑TSA、apicidin 三者的抗纖維化作用與增強的組蛋白乙酰化和抗增殖基因p57的表達有關[54]。在Ⅰ/Ⅱa 類HDAC 抑制劑中，具有抗纖維化作用的藥物主要有丙戊酸及TSA。其中，丙戊酸調節依賴HDAC4 的MAPK/ERK 磷酸化抑制成纖維細胞向肌成纖維細胞的轉分化[47]，也通過自發性高血壓大鼠的鹽皮質激素受體（MR）乙酰化和下調DOCA-鹽高血壓大鼠的Ⅰ型膠原蛋白、結締組織生長因子（CTGF）和纖連蛋白（fibronectin，FN）的表達來減輕和預防纖維化[57-58]。此外，TSA 通過抑制激活蛋白1（AP-1）與反轉錄富含半胱氨酸蛋白（RECK）啟動子的結合，逆轉了AngⅡ誘導的RECK 抑制，ECM 的產生、纖維化標志物MMP9、IL-18 的表達以及成纖維細胞的遷移和增殖，產生抗纖維化作用[59]。在泛HDAC 抑制劑中，CG200745 可減少DOCA-鹽高血壓大鼠心臟中肥大性標志物如膠原蛋白、結締組織生長因子、纖連蛋白和纖維化基因（如Nppa、Nppb）的表達[60]。吉維司他（givinostat）可促進上皮-間質轉化（MET）調節內皮-間質轉化（EndMT）減輕心肌纖維化[61]。SAHA 通過上調DUSP4 抑制心臟成纖維細胞中的TGF-β1/p38途徑，改善心肌梗死損傷模型的心肌纖維化[62]。經典HDAC 抑制劑在心臟肥大及心肌纖維化中的作用總結見表2。

表2 HDAC 抑制劑在心臟肥大及心肌纖維化中的作用Tab 2 Effect of HDAC inhibitors on cardiac hypertrophy and cardiac fibrosis

總之，Ⅰ、Ⅱ類HDAC 在心肌纖維化的發展中扮演著重要角色，其能負向調控心肌纖維化，Ⅰ、Ⅱ類HDAC 抑制劑可以通過不同的信號通路來抑制成纖維細胞的增殖及向肌成纖維細胞的轉化，具有抗纖維化效應，但其確切機制及作用通路還有待進一步闡明。

5 結語

HDAC 及其抑制劑在心血管疾病的防治中具有重要意義。美國FDA 批準上市的HDAC 抑制劑主要用于抗腫瘤，但研究證明一些HDAC 抑制劑能夠有效減輕心臟肥大和心肌纖維化進程。由于Ⅰ類HDAC 具有促肥大效應，而Ⅱ類HDAC 具有負調節心臟肥大效應，故研究雙重HDAC 調節劑或開發亞型特異性抑制劑在臨床治療上顯得尤為重要。HDAC 抑制劑有利于心肌纖維化，但其在心肌纖維化中的研究機制與通路較少，主要集中于心臟肥大性指標與纖維化指標，且對這些抑制劑的研究尚處在臨床前研究，在心血管領域表觀遺傳療法仍然有限，因此，需要廣泛的研究來了解與探索HDAC 抑制劑在心臟肥大和心肌纖維化中扮演的角色，包括其作用、安全性和長期效果，但HDAC 抑制劑已經表現出了極大的治療價值，極有可能成為心力衰竭臨床干預的新治療策略。