HDAC1（Rpd3）在疾病中的功能研究进展

吴文梅 李华琴 黄源 吴风麟 张荣信★

作者单位：1.广东药科大学生命科学与生物制药学院/广东省生物技术候选药物研究重点实验室，广东，广州510006

2.广州新华学院，广州，广东510520

蛋白质修饰是指蛋白质在生物合成后所发生的化学修饰，也称为翻译后修饰（posttranslational modification，PTM）。迄今为止，在真核生物和原核生物中已经发现200 多种以上的PTM 类型，主要修饰包括乙酰化、磷酸化、SUMO 化、糖基化、泛素化、棕榈酰化、脂化等［1⁃2］。乙酰化作为翻译后修饰方式之一，近几年在疾病中的功能研究取得了突破性进展。蛋白质的乙酰化修饰是指通过组蛋白乙酰基转移酶（Histone acetyltransferase，HATs）将乙酰基辅酶A 转移到赖氨酸的ε⁃氨基侧链而产生的，这个过程可以被组蛋白去乙酰化酶（histone deacetylase，HDACs）逆转。HDAC1（Rpd3）作为组蛋白去乙酰化酶家族成员之一，通过催化底物组蛋白赖氨酸的去乙酰化，使染色质结构更为紧密，或者与其他染色质调节蛋白相互作用形成共抑制复合体，改变蛋白质的空间结构，进而参与调控基因表达、细胞分裂、细胞分化和细胞周期等生命过程［3］。此外，HDAC1（Rpd3）还可介导非组蛋白底物赖氨酸位点的去乙酰化，在细胞信号通路中发挥着重要作用［4］。本文主要总结HDAC1 在疾病中的功能研究和HDACs 抑制剂在诊断、治疗疾病中的应用情况。

1 组蛋白去乙酰化酶的分类和HDAC1 的结构及生物学功能

根据组蛋白去乙酰化酶的作用机制不同，可分为Zn+依赖的HDACs（包括HDAC1、⁃2、⁃3、⁃8、⁃4、⁃5、⁃7、⁃9、⁃6、⁃10、⁃11）和NAD+依赖的Sirtuin 家族组蛋白去乙酰化酶（包括SIRT1、⁃2、⁃3、⁃4、⁃5、⁃6、⁃7）（表1）［3］。在人体中，现已发现18 种Zn+依赖的HDACs，并根据其序列同源性和结构的不同共分为4 类（Ⅰ、Ⅱa、Ⅱb、Ⅳ），Ⅰ类HDACs 包括HDAC1、⁃2、⁃3 和⁃8，其中HDAC1 在酵母和鳞翅目昆虫中的同源蛋白为Rpd3；Ⅱa 类HDACs 包括HDAC4、⁃5、⁃7 和⁃9；Ⅱb 类HDACs 包括HDAC6 和⁃10；Ⅳ类HDACs 只含HDAC11 一个成员。其余的HDACs，包括了转录因子TCF1 和LEF1。见表1。

表1 组蛋白去乙酰化酶的分类Table 1 Classification of histone deacetylation

HDAC1/Rpd3 是Zn+依赖的HDACs 家族中最大的一个亚家族，含有一个典型的组蛋白去乙酰化酶结构域，能够催化组蛋白或者非组蛋白底物发生去乙酰化。

2 HDAC1 蛋白在疾病中的功能研究

2.1 HDAC1 和炎症

炎症是指机体在受到化学物质、病原体等有害刺激或物理损伤时组织或细胞产生的即时反应［5］。研究发现HDAC1 在炎症发生的过程中是一个重要的炎症调节因子。如在类风湿性关节炎（Rheumatoid Arthritis，RA）的研究发现HDAC1 参与了类风湿性关节炎的发病机制，RA 是一种慢性T 细胞介导的炎症性自身免疫性疾病，在细胞特异性缺失HDAC1（HDAC1⁃ cko）的小鼠中研究发现HDAC1⁃cko 小鼠对胶原诱导关节炎的发展具有抗性作用，能够使炎症细胞因子白细胞介素⁃17 和白细胞介素⁃6 显著降低，且白细胞介素⁃6 处理的敲除HDAC1 的CD4+T 细胞显示趋化因子受体CCR6 上调受损，说明HDAC1 在关节炎发病机制中起着关键作用，可成为治疗RA 的靶点［6］。在肝脏脂肪变性的发病机制中，转录因子核因子κB（nuclear factor κB，NF⁃κB）的P50 亚基通过调节肝细胞中的HDAC1 表达促进肝脏脂肪变性，而敲低HDAC1基因可抑制HepG2 细胞的肝细胞脂肪变性［7］。此外研究发现组蛋白去乙酰化酶HDAC1通过翻译后修饰如磷酸化、乙酰化修饰来参与炎症过程。在肠道上皮细胞研究发现，HDAC1 能够诱导NF⁃κB 的p65 蛋白位点Ser536 和C/EBPβ 位点Ser105 的磷酸化，参与的炎症信号传导［8］。对动脉粥样硬化的研究发现，microRNA⁃34a 能够降低HDAC1 的蛋白表达，从而使H3K9 乙酰化水平升高促进同型半胱氨酸引起动脉粥样硬化［9］。以上研究说明对HDAC1基因的功能研究可为治疗炎症提供一个新的策略与手段。

2.2 HDAC1 和自噬

细胞自噬是真核生物机体中高度保守存在的、由溶酶体/液泡参与的对胞内物质进行降解的生理过程，细胞自噬发生异常与血管钙化、糖尿病、肿瘤等一系列的疾病有关联［10］。研究发现HDAC1 可以使循环GMP⁃AMP 合酶和赖氨酸去甲基化酶1A 发生去酰化后促进自噬的发生进而调节血管钙化［11⁃12］。在糖尿病视网膜病变中，过表达组蛋白人源全长重组蛋白HIST1H1C 可上调HDAC1的表达，HDAC1 使组蛋白H4K16 发生去乙酰化，导致自噬相关蛋白上调，进而促进视网膜细胞自噬，为预防糖尿病视网膜病变提供一个新的治疗靶点［13］。以上研究说明HDAC1 蛋白参与调控细胞自噬的发生，进而参与生命过程的发生发展。

2.3 HDAC1 和凋亡

细胞凋亡，又称为Ⅰ型程序性细胞死亡，是需要多种Caspase 蛋白或者凋亡诱导因子的参与，凋亡异常可以影响细胞周期、生长发育和导致各种疾病［14］。在卵巢癌耐药细胞SKOV3/DDP 中，对HDAC1 进行siRNA 干扰，可以降低表皮生长因子受体的mRNA 表达水平，同时促进癌症细胞凋亡［15］。在结直肠癌细胞Caco2 中，转染siRNA 的HDAC1 能够显著降低HDAC1 的mRNA 和蛋白水平，Bax、Cleaved caspase⁃3 蛋白水平升高，细胞凋亡率明显升高，细胞内MMP⁃2、MMP⁃9 蛋白水平表达下降，细胞侵袭和迁移数目明显减少［16］。在癌症干细胞K562 和SW579 细胞中（慢性骨髓性白血病细胞系），利用CRISPR/Cas9 敲除HDAC1 能够使组蛋白乙酰化水平和细胞周期阻滞增强，进而诱导细胞凋亡的发生，说明HDAC1 在维持K562 和SW579 细胞存活中极为重要［17⁃18］。了解HDAC1 参与细胞凋亡调控疾病的发生，有助于提高对疾病的治疗和诊断。

2.4 HDAC1 和癌症

癌症，即恶性肿瘤，是一百多种相关疾病的统称。形成的主要原因是由于身体内的细胞发生变异后不断地增殖分裂，且不受身体的控制，最后形成肿瘤，恶性肿瘤会侵犯、破坏临近的组织和器官［19］。在人类的癌症中，HDAC1 被认为与某些类型癌症的进展和预后干预有关。在卵巢癌细胞中，MiR⁃34a 通过调控HDAC1 抑制卵巢癌细胞增殖和顺铂耐药性［20］。在非小细胞肺癌中，敲低HDAC1 可抑制细胞增殖，阻止细胞迁移，降低细胞侵袭，减少肿瘤血管生成，诱导细胞凋亡［21］。在乳腺癌细胞中，HDAC1 通过上调白细胞介素⁃8 触发乳腺癌细胞的增殖和迁移［22］。此外，在细胞应激过程中，HDAC1能够使肿瘤抑制因子p53 发生去已酰化，降低细胞对应激的反应［23］。在骨质疏松症中，HDAC1 使成骨细胞分化和矿化相关蛋白GATA4 位点的K313发生去乙酰化，抑制CCND2 转录，降低了细胞活力，增加了线粒体依赖性的细胞凋亡［24］。除发挥乙酰化修饰功能外，HDAC1 能直接抑制缺氧诱导因子（Hypoxia inducible factor，HIF1α）的泛素化，进而激活HIF1α/血管内皮生长因子A（vascular endothe⁃lial growth factor A，VEGFA）信号通路，促进肿瘤血管生成，HDAC1/HIF1α/VEGFA 信号通路可能为结直肠癌提供一个新的治疗靶点［25］。以上研究说明Rpd3/HDAC1 可作为癌症治疗的潜在候选位点。

3 HDACs 抑制剂在诊断和治疗中的应用情况

人类众多疾病中，特别是癌症，HDACs 的表达通常是异常的，组蛋白去乙酰化酶抑制剂（histone deacetylase inhibitors，HDACIs）可有效逆转肿瘤细胞的恶性表型，其不仅可以作用于靶向组蛋白，而且能够通过影响靶向非组蛋白的乙酰化水平来调节细胞周期阻滞、血管生成、免疫调节、自噬和凋亡等一系列生命过程，可成为治疗癌症的有效靶点，应用前景广泛［26］。HDACs 作用的底物众多，目前已经鉴定到的包括转录因子（E2F、p53、c⁃Myc、NF⁃κB）、缺氧诱导因子1α、雌激素受体、雄激素受体、自噬相关蛋白3、分子伴侣蛋白90、α⁃微管蛋白、β⁃连环蛋白、视网膜母细胞瘤蛋白等［27］。由于HDACs 底物的复杂性和不单一性，使得HDACIs 在诊断治疗过程中缺乏特异性，会对细胞产生副作用。

到目前为止，已有超过20 种HDACIs 进入临床研究，根据其化学结构特征，可以将这些抑制剂可分为4 大类，包括羟肟酸、苯甲酰胺、环肽和短链脂肪酸，如伏立司他（Vorinostat）和曲古抑菌素A（trichostatin A，TSA）属于羟肟酸类，罗米地辛属于环肽类，其中探索最广泛的是羟肟酸类化合物［28］。这些HDACIs 不仅可以使组蛋白乙酰化水平增加，还可以作用于不同的底物和蛋白来调节生命过程。在小鼠和人肺癌细胞系和基因工程小鼠肺癌模型中研究发现，Vorinostat 通过减少了癌细胞生长、细胞周期蛋白cyclin D1 和cyclin E 的表达，增加了p27 蛋白和组蛋白乙酰化的的表达水平，从而促进细胞凋亡，抑制癌细胞生长［29］。除参与细胞凋亡和细胞周期外，Vorinostat 也抑制人CD14（+）单核细胞来源的树突状细胞的分化、成熟和内吞作用，减少中枢神经系统炎症和脱髓鞘，改善自身免疫性脑脊髓炎［30］。自噬也可作为HDACIs 的一个未知靶点，如在心脏可塑性的研究发现，TSA 通过降低HDAC1 和HDAC2 的表达，抑制细胞自噬的发生，从而减弱负荷和激动剂诱导的肥厚生长［31］。以上研究说明HDACIs 具有广泛抑制HDACs 的功能，通过多种途径参与疾病的治疗（图1）。

图1 HDACs 抑制剂通过多种途径参与生命过程Figure 1 Multiple pathways activated by HDACi

4 小结与展望

综上所述，HDAC1 蛋白作为组蛋白去乙酰化酶家族成员之一，是调控基因表达的关键酶。对于HDAC1（Rpd3）的研究进展还有一些问题值得进一步阐明研究：①HDAC1 作为转录因子参考调控炎症的发生，其下游的作用因子有哪些，这些基因与HDAC1 启动子区翻译后修饰的关系；②HDAC1 参与调控哺乳动物细胞自噬和细胞凋亡的发生，是否存在关键的节点；③HDAC1参与癌症的发生，其能否通过影响其他蛋白的乙酰化修饰来其能作为抗肿瘤治疗的靶蛋白有待深入探讨；④HDAC1蛋白去乙酰化修饰与其他翻译后修饰之间是否存在相互影响等；⑤HDAC 特异性抑制剂的开发能否利用计算机建模工具，如对接和分子动力学模拟，提供目标酶和抑制剂之间的分子水平的相互作用，减少细胞毒性。对于研究HDAC1 及其底物的去乙酰化修饰的功能研究和HDACs 抑制剂的开发必将阐明其在各个信号通路中的生物学作用，同时也为相关疾病的预防、诊断、治疗奠下理论基础。