组蛋白去甲基化酶在急性髓系白血病的研究进展*

宋 磊， 徐 鑫， 赵 瑶， 胡振波△

潍坊医学院 1临床医学院 2附属医院干细胞与再生医学实验室，潍坊 261043

组蛋白去甲基化酶在急性髓系白血病的研究进展*

宋 磊1， 徐 鑫2， 赵 瑶2， 胡振波2△

潍坊医学院1临床医学院2附属医院干细胞与再生医学实验室，潍坊 261043

表观遗传学； 组蛋白去甲基化酶； 急性髓系白血病

急性髓系白血病(acute myeloid leukemia，AML)是发生于血液系统造血干/祖细胞的恶性增殖性疾病，主要由于遗传变化使髓细胞分化成熟障碍和凋亡受阻，导致其在骨髓中恶性增殖和积聚，从而影响正常的造血功能[1-2]。目前的治疗方法主要是诱导分化的化学疗法，但却面临复发与耐药等问题。组蛋白的甲基化修饰是表观遗传学的调控机制之一，通过激活和抑制基因的转录而参与细胞的增殖、凋亡等。近年来研究发现，组蛋白的甲基化修饰在癌基因的激活和抑癌基因功能的缺失方面有着重要的作用。本文就组蛋白去甲基化酶的研究背景、组蛋白去甲基化酶与急性髓系白血病的研究进展进行简要阐述，并对组蛋白去甲基化酶的潜能进行了展望。

1 表观遗传学背景

表观遗传学是研究基因组功能及基因表达调控的关键领域之一，其特点是在不涉及DNA序列变化的情况下基因组修饰的改变，这些修饰的改变不仅可以影响个体的发育，还可造成代谢的紊乱及肿瘤的发生，并且这种改变会遗传给后代。因此表观遗传修饰的研究对疾病的发生、诊断和治疗有着重要的意义[3-5]。表观遗传修饰主要包括DNA甲基化、组蛋白的共价修饰和核小体的重塑和复位。其中，组蛋白的共价修饰是近些年来研究的热点，其氨基末端结构域的翻译后修饰包括：磷酸化(phosphorylation)，甲基化(methylation)，泛素化(ubiquitination)，乙酰化(acetylation)等[6]。与其他的修饰相比，组蛋白的甲基化和去甲基化是表观修饰中重要的一部分，其在转录调节中发挥关键的作用。

组蛋白的甲基化修饰可发生在赖氨酸和精氨酸残基上，由组蛋白甲基转移酶和组蛋白去甲基化酶共同调控，并参与各种不同的生物过程，包括异染色质形成、X染色体失活和基因转录调控。组蛋白的乙酰化修饰通常与转录激活相关，而组蛋白赖氨酸甲基化修饰可以起到激活或抑制的作用，取决于特定的赖氨酸残基的甲基化，即使在同一个赖氨酸残基，甲基化的生物学后果也会因为赖氨酸残基的单、二或三甲基的不同而不同[7-9]。H3K4及H3K36的甲基化通常与染色质的激活有关，而H3K9、H4K20及H3K27的甲基化则与基因沉默相关。组蛋白去甲基化酶根据其发挥作用所依赖的功能基团分为：依赖黄素腺嘌呤二核苷酸(flavin adenine dinucleotide，FAD)的赖氨酸特异性去甲基化酶(lysine-specific demethylase，LSD)家族，主要为KDM1家族；依赖Fe(Ⅱ)和α-酮戊二酸(αKG)的含Jumonji特征结构域的组蛋白去甲基化酶(jumonji domain containing histone demethylase，JHDM)家族[10]，根据其家族成员N端和C端包含的Jumonji结构域，又分别称为JmjN和JmjC结构域。

2 组蛋白去甲基化酶与急性髓系白血病

与急性髓系白血病相关的组蛋白去甲基化酶见表1。

2.1 KDM1A

组蛋白去甲基化酶KDM1A是发现得最早的组蛋白赖氨酸去甲基化酶，它的发现证实了组蛋白甲基化的可逆性[11]。KDM1A含有LSD结构域，可以催化组蛋白3赖氨酸4和组蛋白3赖氨酸9的一或二甲基的赖氨酸形成非甲基化的赖氨酸。KDM1A在各种血液系统的恶性肿瘤中高表达，可以调控抑癌基因p53的活性，使p53位点上的K370 me去甲基化，从而抑制p53的信号传递[12]。AML的发病机制中有10%是因为混合系白血病基因MLL(mixed lineage leukemia，MLL)也是H3K4的甲基转移酶的异位，存在该融合基因的患者常常有高药物抵抗和低生存率。在MLL-AF9融合基因引起的小鼠髓系白血病模型中，敲除KDM1A基因可以促进AML细胞凋亡，其机制可能与敲除KDM1A诱导致癌基因MYC的表达下调和影响干细胞相关基因PRC(polycomb-related complex，PRC)的靶基因有关，表明KDM1A与粒细胞分化阻滞相关，并可作为一个选择性的药物靶点对髓系恶性肿瘤的化学治疗方面起到积极的作用[13]。KDM1A与ASXL1蛋白和HP1蛋白相互作用形成三元复合物，通过去除组蛋白H3K4的甲基化使髓系祖细胞分化受阻，从而引起肿瘤的发生[14]。急性早幼粒细胞白血病为急性髓细胞白血病的一个亚型，其主要发病机制为早幼粒细胞正常的分化受阻，使大量早幼粒细胞在骨髓聚积[15]。虽然全反式维甲酸(all-trans retinoic acid，ATRA)对急性早幼粒细胞白血病的诱导分化是靶向治疗的范例，但其复发率和白血病细胞对ATRA的耐药仍然是未解的难题。有研究表明KDM1A的抑制剂TCP联合ATRA能够诱导白血病细胞的分化，从而使疾病得到完全缓解[16]。还有研究结果表明KDM1A/HDAC1复合物被TAL1/SCL招募作用于靶基因启动子从而抑制造血系统中重要的转录因子TAL1的转录[17]，提示KDM1A表达下调能够使受抑制的基因重新表达。

2.2 KDM2B

组蛋白去甲基化酶KDM2B是发现的第一个包含JmjC结构域的组蛋白去甲基化酶KDM2A(JHDM1A)的旁系同源，能够去除组蛋白3赖氨酸36的一甲基和二甲基(H3K36me1/2)和组蛋白3赖氨酸4的三甲基(H3K4me3)[18]。在小鼠模型中发现组蛋白去甲基化酶KDM2B在调节造血谱系的干细胞和祖细胞(hematopoietic stem and progenitor cells，HSPC)中起关键作用[19]。在造血祖细胞中，KDM2B的缺失显著影响了Hoxa9 / Meis1诱导的白血病转化；在白血病干细胞中，敲除的KDM2B使其在体外和体内的自我更新能力降低。其机制是由于KDM2B去除H3K36的二甲基使抑癌基因p15Ink4b表达下降。因此，KDM2B可能起着潜在的致癌作用[20]。在髓系细胞系和骨髓增生异常综合征(myelodysplastic syndromes，MDS)细胞系中，KDM2B通过调控let-7b/EZH2基因使转录抑制，表明KDM2B-Let-7b-EZH2轴具有表观遗传学化疗靶点的潜能[21]。

2.3 KDM3B

组蛋白去甲基化酶KDM3B包含JmjC结构域，能够特异性去除组蛋白3赖氨酸9的单甲基和二甲基(H3K9me1/2)[22]。KDM3B在恶性髓系疾病中低表达，包括部分急性髓系白血病和骨髓增生异常综合征，过表达KDM3B能够抑制肿瘤生长，表明KDM3B的缺失可能与这些恶性肿瘤的发病相关，并可能起到抑癌作用[23]。但KDM3B在急性早幼粒细胞性白血病中与帽子结合蛋白CBP作为转录辅因子被招募至Lmo2启动子区域，与致癌基因Lmo2的转录激活相关。

2.4 JMJD1C

组蛋白去甲基化酶JMJD1C能够去除组蛋白3赖氨酸9的单甲基和二甲基(H3K9me1/2)。AML的发生有15%是由于染色体t(8；21)的异位，形成融合基因AML-ETO，该融合基因可以使造血干细胞(hematopoietic stem cell，HSC)的自我更新能力加强和抑制粒细胞的分化[24]。AML1-ETO融合基因直接招募JMJD1C作为其靶基因[25]，调控其转录并通过与致癌基因LYL1和HEB相互作用影响多种白血病细胞的增殖。在白血病细胞系中，删除JMJD1C使白血病干/祖细胞的标记基因c-Kit轻度下调和MLL-AF9融合基因表达失调，其机制可能由于JMJD1C与致癌基因Myb相互作用有关[26]。

2.5 KDM4C

组蛋白去甲基化酶KDM4C包含JmjC结构域能够去除组蛋白3赖氨酸9的三甲基(H3K9me3)。组蛋白去甲基化酶可以与特异性组蛋白甲基转移酶一起去除相对的甲基化标记以加强用于基因表达的特定表观遗传程序。KDM4C和组蛋白甲基转移酶PRMT1共同被MLL-GAS7、MLL-AF9、MO2-TIF2等融合基因招募，敲除KDM4C可导致MLL转化细胞中Myc基因座上H3K9me3表达上调，表明KDM4C在调节致癌转录中的关键功能。KDM4C的抑制剂SD70抑制同基因小鼠模型和人AML异种移植模型中的白血病发生[27]。

2.6 PHF8

组蛋白去甲基化酶PHF8(plant homeodomain finger prote 8，PHF8)包含JmjC结构域能够去除组蛋白3赖氨酸9或组蛋白3赖氨酸20的单甲基和二甲基(H3K20me1/2，H3K9me1/2)、组蛋白3赖氨酸27的二甲基(H3K27me2)[28]。在ATRA治疗的具有PML-RARα融合基因突变的APL中，PHF8可与PML-RARα相互作用，控制PHF8的活性或其磷酸化水平，可以增强APL细胞对ATRA的敏感性，甚至可以使耐药的APL细胞恢复对ATRA的敏感性。这揭示了组蛋白去甲基化酶在介导药物反应的关键功能和成为调节维甲酸治疗肿瘤敏感性的有效途径[29]。

表1 与AML相关的组蛋白去甲基化酶Table 1 AML-associated histone lysine demethylases

3 总结与展望

几年前组蛋白修饰的功能研究只在细胞水平上，随着近年对表观遗传学研究的深入，如今已经朝着临床方向前进，越来越多的组蛋白修饰酶在白血病中被发现可作为潜在的药物靶点。H3K79甲基转移酶DOTAL的抑制剂EPZ004777可通过抑制H3K79的甲基化而阻断白血病的表达，将白血病细胞暴露于EPZ004777中，导致其选择性杀死携带MLL基因易位的细胞，对非MLL易位细胞影响不大，表明DOTAL的抑制剂可成为混合系白血病的基础化疗药物[30-31]。DNA甲基转移酶的抑制剂阿扎胞苷在Ⅲ期随机试验中，可显著延长中等和高风险骨髓增生异常患者的总生存期(OS)，其中有三分之一的急性髓系白血病患者。组蛋白去乙酰化酶(HDAC)的抑制剂帕比司他、伏立诺他胺对AML的治疗正在进行Ⅱ、Ⅲ期临床试验[32-34]。

在组蛋白去甲基化酶方面，多肽类、反苯环苯胺类、小分子多肽类等LSD1抑制剂已被发现[35]，新型LSD1抑制剂NCD25和NCD38抑制具有MLL-AF9融合基因的红白血病细胞生长并可阻碍AML的发展[36]。包含JmjC结构域的去甲基化酶抑制剂如α-酮戊二酸类、含氮芳香环类、异羟肟酸类等[37]也已经成功发现，如：GSK-J家族选择性抑制KDM6家族成员，通过调控H3K27me3水平来调节巨噬细胞的炎性反应[38]；Methylstat优先抑制KDM4A和其他含有JmjC结构域的去甲基化酶等[39]。不仅在白血病方面，组蛋白的表观遗传学修饰可作为一个突破口，在人类恶性肿瘤的发生、诊断、治疗方面发挥着不可替代的作用。

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(2016-12-26 收稿)

*国家自然科学基金资助项目(No.81570157)；山东省医药卫生科技发展计划项目(No.2013WS0291)

R733.712

10.3870/j.issn.1672-0741.2017.04.025

宋 磊，女，1990年生，硕士研究生，E-mail：songleioasis@163.com

△通讯作者，Corresponding author，E-mail：huzhenbo@wfmc.edu.cn