组蛋白赖氨酸去甲基化酶在肿瘤中的作用

李浒，张中国，周震，张红胜

北京工业大学 生命科学与生物工程学院，北京 100124

我国2015年约有429.2万个癌症新发病例，癌症死亡病例为281.4万。其中，男性5种高发癌症依次为肺癌、胃癌、食管癌、肝癌和结直肠癌，占所有癌症病例的三分之二。对于女性群体而言，最常见的癌症包括乳腺癌、肺癌和支气管癌、胃癌、结肠癌、直肠癌、食道癌，占所有癌症病例的近60%[1]。由此可见，我国癌症发病率及死亡率情况日趋严重。已有研究表明，组蛋白赖氨酸去甲基化酶（lysine specific demethylase 1，LSD1）在人类癌症发生发展中有重要作用。以表观遗传学为基础对LSD1的研究前景可观，并为LSD1抑制剂相关研究奠定了坚实基础。

1 组蛋白修饰

随着对肿瘤产生、转移和侵袭的深入研究，组蛋白修饰与DNA的5-胞嘧啶甲基化，二者已成为表观基因机制（epigenetic mechanism）中重要的部分。组蛋白修饰是指组蛋白在相关甲基化酶或去甲基化酶的作用下，发生甲基化、乙酰化、磷酸化和泛素化等修饰的过程。当组蛋白修饰异常时，常常能够在DNA序列本身未改变的情况下影响染色质结构，导致基因表达水平发生改变，进而导致肿瘤产生、转移和侵袭[2]。因此，深入研究组蛋白修饰，可以为肿瘤的预防与治疗探索新的思路。

人类组蛋白由H1、H2A、H2B、H3、H4这5种富含精氨酸和赖氨酸等碱性氨基酸的碱性蛋白质组成。目前对组蛋白H3和H4修饰的研究已较为深入，尤其是相关位点的甲基化。根据最近的研究，发现肿瘤的产生、转移和侵袭常伴有组蛋白H3第4位赖氨酸（H3 lysine 4，H3K4）、H3第9位赖氨酸（H3K9）、H3第 27位赖氨酸（H3K27）、H3第36位赖氨酸（H3K36）、H3第79位赖氨酸（H3K79）和H4第20位赖氨酸（H4K20）等位点的甲基化水平变化[3-4]。

1.1 组蛋白H3的甲基化

基因表达水平的上调或下调常与组蛋白修饰位点有关，例如 H3K4[5]、H3K36[6]和 H3K79[7]的甲基化水平通常影响基因表达水平的上调，而H3K9[8]、H4K20和H3K27[9]的甲基化水平则通常影响基因表达水平的下调。

1.2 组蛋白H3的甲基化修饰酶和去甲基化修饰酶

通过影响甲基化修饰酶和去甲基化修饰酶的表达水平，从而影响组蛋白修饰的水平，改变染色质结构，进而导致肿瘤的产生、转移和侵袭。

无论是组蛋白甲基化转移酶或组蛋白去甲基化转移酶，其在组蛋白的作用位点常常在组蛋白H3的K4、K9、K36和K79上，多种修饰酶往往能够调控同一位点，以保证组蛋白H3甲基化水平的稳定性及动态平衡。

2 组蛋白去甲基化修饰酶

LSD1是人类发现的第一个组蛋白去甲基化酶，使得人类对组蛋白修饰有了更加深入的理解。LSD1又名 KDM1A（lysine-specific histone de⁃methylase 1A）、AOF2、CPRF、KDM1和BHC110，是一种单胺氧化酶，它可以使单甲基化和二甲基化的H3K4（H3K4me1/me2）和单甲基化和二甲基化的H3K9（H3K9me1/me2）去甲基化。其参与部分基因表达水平上调过程，影响结肠癌、乳腺癌和肺癌等多种肿瘤的产生、转移和侵袭[10]。因此，LSD1在肿瘤的产生、转移和侵袭中扮演重要角色，通过深入研究LSD1的功能作用，能够为肿瘤的预防与治疗提供新的思路。

2.1 LSD1的结构

LSD1由一个N端SWIRM结构域、一个Tower结构域和一个C端FAD依赖的胺氧化酶结构域组成。其中，SWIRM结构域包括6个α螺旋和2个β折叠，能够与C端的胺氧化酶结构域相互作用。由于SWIRM结构域能够与染色质相互作用，而胺氧化酶的底物则是胺和蛋白质，因此LSD1能够使H3K4me1和H3K4me2发生去甲基化。此外，LSD1能够形成多种复合体，如LSD1-CoREST复合体[11]和HDAC5-LSD1复合体[12]等。在LSD1-CoREST复合体中，CoREST能够与核小体上的DNA结合，随后募集LSD1到核小体上，使LSD1能够以核小体作为底物。

表1 组蛋白H3修饰酶名称及其修饰位点

LSD1与LSD2均属于FAD依赖的胺氧化酶家族，与LSD1相比，LSD2的N端多出一个锌指结构域，而缺少Tower结构域，故二者在功能上存在一定的差别。正是因为此差别，使得LSD2无法与CoREST结合而形成复合体。

2.2 LSD1的功能

LSD1催化氧化反应时，仅能催化单甲基化和二甲基化的赖氨酸底物去甲基化。LSD1在基因转录激活中起到了广泛的作用，调控启动子区域的H3K4me2和H3K9me2的甲基化水平。此外，LSD1还能使甲基化的p53去甲基化，从而抑制p53信号途径的传递，调控其生物学活性[13]。LSD1的FAD结构域与二甲基化的赖氨酸结合，通过一系列反应使得二甲基化的赖氨酸脱甲基成为一甲基化的赖氨酸。整个过程即为LSD1的去甲基化作用。

3 LSD1在不同肿瘤中的作用

LSD1在人类癌症中有重要作用，目前证实其可促进细胞增殖，在人类膀胱癌、肺癌和大肠癌等多种癌症中表达水平上调。此外，缺乏LSD1导致部分细胞周期阻滞在G2/M期，从而导致癌细胞的死亡[14-15]。

3.1 LSD1与结肠癌

结肠癌是常见恶性肿瘤之一，患者死亡的主要原因是结肠癌耐药后的复发和转移侵袭。上皮间质转化（EMT）过程被认为与肿瘤的发生和转移有重要联系。在EMT过程中，LSD1的表达被抑制。而在缺乏LSD1时，转录因子Snail1和Snail2未能抑制E-钙黏蛋白的表达。

研究表明，在结肠癌细胞转移阶段，LSD1有显著的表达水平上调以及E-钙黏蛋白表达水平下调。LSD1可能通过下调H3K4me2的甲基化水平而刺激结肠癌的转移。LSD1的表达上调可能与结肠癌的预后差有一定的联系。研究显示，施加LSD1抑制剂后，结肠癌细胞的增殖和侵袭性受到抑制。因此，LSD1通过调节E-钙黏蛋白的表达，从而促进结肠癌细胞的转移[16]。

3.2 LSD1与乳腺肿瘤

乳腺癌是是常见恶性肿瘤之一，发生在乳腺腺上皮组织。在乳腺癌细胞中，LSD1扮演了一个促癌作用的角色。已有实验证明，LSD1与组蛋白去乙酰化酶5（histone deacetylase 5，HDAC5）的相互作用能够促进乳腺肿瘤细胞的增生。过表达的HDAC5使LSD1水平稳定并下调MDA-MB-231细胞中H3K4me1/2的修饰水平，但通过小干扰RNA（siRNA）作用而缺失HDAC5后，LSD1水平和去甲基化作用水平却同时下调。在MCF10A细胞中，HDAC5和LSD1的表达都明显上调，HDAC5和LSD1的水平呈正相关。HDAC5通过翻译和修饰，在LSD1稳定表达过程中起关键作用，并且HDAC5-LSD1复合体在促进乳腺癌细胞发展和增殖中扮演重要角色[12]。研究表明，在MDA-MB-231细胞中，抑制LSD1能够表型模拟miR-708的功能。过表达的LSD1能够消除miR-708对癌细胞扩散和侵袭的影响[17]。

3.3 LSD1与前列腺癌

前列腺癌是发生在前列腺的上皮性恶性肿瘤，位居我国男性恶性肿瘤前列。研究显示，在前列腺癌和良性前列腺增生中，LSD1的表达显著增加。同时，LSD1的表达水平与前列腺癌的远处转移与预后不良有着明显的联系。研究显示，在前列腺癌的转移过程中，LSD1的积极表达与E-钙黏蛋白的消极表达有着明显的关联。此外，LSD1的抑制剂优降宁（pargyline）能够抑制E-钙黏蛋白的活性[22]。

3.4 LSD1与神经疾病

环境刺激是神经元获取和维护特定的学习、记忆和情感等基础功能的必要途径，这个过程通过诱导可塑关联性转录过程而发生。研究发现，LSD1及其神经元特异性剪接突变体神经LSD1（neuroLSD1）与一个拮抗的机制相关联。特别是LSD1/neuroLSD1参与的调控即刻早期基因（imme⁃diate early gene，IEGs）的转录翻译过程，这个过程能够影响记忆形成和情感行为[18]。值得注意的是，neuroLSD1的形成过程受环境突发事件影响而能够自我调节平衡，这进一步暗示了LSD1/neu⁃roLSD1是大脑中信息处理过程的一个部分。

最近的研究表明，伴随着发育迟缓的一种新形式的智力障碍和奇特的面部特征均与LSD1和neuroLSD1的突变有关。值得注意的是，其突变均位于LSD1的催化域，使得LSD1或neuroLSD1的去甲基化功能和蛋白质的稳定性受到影响。此外，LSD1在威廉综合征中起致病作用，而通过抑制LSD1的去甲基化作用，则能够在此病态细胞模型中恢复遗传病理的转录修饰[19]。

3.5 LSD1与脂肪代谢疾病

在动物中，脂肪组织扮演着很重要的角色。脂肪组织主要分为白色脂肪组织（white adipose tissue，WAT）和褐色脂肪组织（brown adipose tis⁃sue，BAT）。WAT包含一个以甘油三酯形式用来储存能量的巨大的脂质液滴，故其主要功能是储存所摄取的能量。相比之下，BAT则包含多个较小的脂质液滴并挤满了高密度的线粒体，而其主要作用则通过解偶联蛋白1（uncoupling protein 1，UCP1）介导的能量消耗而进行非颤栗产热，以维持机体新陈代谢所需能量。因此，增加机体内的BAT的相对比例及其功能，也许可以预防肥胖和相关代谢紊乱的疾病。已有研究表明，表观遗传调节器可能产生重要的遗传模型，从而影响能量的代谢[20]。例如，缺失H3K9的去甲基化转移酶JHDM2A（JmjC-domain-containing histone demeth⁃ylase 2A）的老鼠患有肥胖和高脂血症。

通过筛选表观遗传物质的数据，有研究发现LSD1抑制剂能够抑制褐色脂肪细胞的分化。一般来说，LSD1通过去除Wnt信号通路基因的启动子区域的H3K4的甲基化，从而抑制Wnt信号通路，进而促进褐色脂肪形成。而当敲除LSD1后，会抑制小鼠的褐色脂肪生成，验证了LSD1在体内褐色脂肪生成中的关键作用。进一步来说，LSD1与Wnt通路之间的相互联系为褐色脂肪的分化提供了条件，表明LSD1是促进褐色脂肪形成的关键。此外，LSD1通过调控H3K4和H3K9的甲基化水平，在WAT和BAT的基因选择性表达中扮演了双重角色。

值得注意的是，在BAT中，LSD1的缺失诱发糖酵解并抑制氧化代谢。敲除LSD1基因的小鼠的WAT表现出独特的形态以及大量的脂质积累。研究发现，敲除LSD1基因的小鼠WAT中的葡萄糖吸收和糖酵解相关的关键酶，如己糖激酶、磷酸果糖激酶、烯醇酶和乳酸脱氢酶，其水平高于控制组小鼠，从而提高了糖酵解能力[21]。值得注意的是，在敲除LSD1基因的小鼠体内，包括丙酮酸转运蛋白（Mpc1和Mpc2）在内的参与丙酮酸代谢的酶的表达水平均有所下调。这些结果表明，LSD1能够抑制糖酵解相关基因的表达，以维持BAT的代谢过程。

4 肿瘤的治疗与LSD1抑制剂

由于组蛋白的甲基化修饰是可逆的，因此通过抑制LSD1的转录翻译水平，可在一定程度上使组蛋白的甲基化修饰水平恢复至正常，从而抑制肿瘤细胞的增殖、转移和侵袭。因此，通过合成LSD1抑制剂，可达到治疗肿瘤并抑制肿瘤增殖、转移和侵袭的目的。根据作用机制的不同，LSD1抑制剂可分为不可逆型和可逆型。不可逆型LSD1抑制剂主要是苯环丙胺及其衍生物。苯环丙胺通过与FAD结构域结合，使FAD结构域无法与二甲基化赖氨酸所结合[23]，而是形成环状中间体的化合物，并且该过程不可逆。此外，已有研究发现天然的LSD1抑制剂[24]。

4.1 天然LSD1抑制剂黄苓苷

黄苓苷是美黄岑的活性成分之一，具有多种药理作用，如降压、镇静、抗菌抗炎及保护肝脏。黄苓苷能够显著抑制MGC-8D3细胞的迁移，以及减少E-钙黏蛋白和N-钙黏蛋白的mRNA水平。

4.2 LSD1抑制剂Bizine

Bizine包含一个苯基丁酰胺结构，其已被证实是一个强有力的LSD1体外抑制剂。研究发现，在LNCaP和H460癌细胞系中，Bizine能够有效调节组蛋白的甲基化，抑制癌细胞的生长。此外，Bizine能够有效保护神经细胞，表明具有应用于神经退行性疾病治疗的潜力[25]。

4.3 LSD1抑制剂NCL1

已有研究表明，NCL1是一种具有治疗前列腺癌潜力的LSD1抑制剂。NCL1能够上调雄性激素应答基因启动子区域附近H3K9me2的水平，同时NCL1也能诱导癌细胞停滞在G1期以及细胞凋亡。总之，NCL1能够有效抑制前列腺癌细胞的生长，表明此抑制剂具有治疗前列腺癌的前景[26]。

4.4 LSD1抑制剂Pargyline

已有研究表明，在体内和体外，虽然Pargyline没有调节基于雄性激素受体的前列腺特异抗体（PSA）基因的表达，但Pargyline能够降低LNCap细胞的迁移和入侵能力，通过上调E-钙黏蛋白的表达从而调控EMT过程，以及下调N-钙黏蛋白的表达。此外，Pargyline能够延缓前列腺癌从雄性激素依赖性状态转变为非依赖性状态[27]。

5 结语

综上所述，目前对LSD1的生化性质、生物学活性调控以及生理功能的研究都已较为清晰，而LSD1已被证实是造成多种肿瘤增殖迁移的主要原因之一，但还有一系列问题有待探讨。LSD1相关抑制剂已成为当前肿瘤研究的热门领域，根据LSD1的生物学活性,越来越多的LSD1抑制剂正在被筛选出来并加以验证，这为以LSD1为靶点的靶向药物的研究奠定了坚实基础。深入探讨LSD1相关调控通路、生物标志，及其在肿瘤转移中的作用机制，可能是研究其在肿瘤转移中作用的重要突破口，并能够为寻找预后生物标志物与靶向药物的合成提供理论基础。

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