LSD1与细胞自噬的研究进展

蒋专 丁杰 张忠民 刘振华 吴明 樊斐 曾家兴 周金海 刘航

(贵州医科大学，贵州 贵阳 550000)

细胞自噬即细胞的自我吞噬，广泛存在于真核细胞中，细胞通过对受损细胞器及衰老蛋白质等细胞成分进行降解再循环利用来维持细胞自身稳态的过程〔1〕。处于细胞基础水平的自噬具有保护功能，可维持细胞的稳态，而细胞在氧化应激、缺氧、DNA损伤或者饥饿等环境下可诱导细胞产生自噬。鉴于其在维持细胞稳态、应激反应和功能的作用，因此，自噬需要严格调控就显得不足为奇了〔2〕。通常，细胞自噬主要有以下3种形式：微自噬、巨自噬和分子伴侣介导的自噬(CMA)。

自噬过程的调节主要取决于能量和营养传感器的活动，自噬的调控机制十分复杂，随着越来越深入的研究，已发现调控自噬的信号通路也越来越多，其中最主要的通路是哺乳动物雷帕霉素复合物(mTOR)通路和非mTOR依赖通路。在创伤、饥饿及感染等应激条件下，不同信号调节通路可能通过激活或抑制自噬来维持细胞内环境的稳定。近几年，大量转录因子已经被证实与自噬的调控相关，转录因子在细胞自噬过程中扮演了重要的角色，并且可以应对各种压力〔3〕，其中，在自噬-溶酶体途径中，转录因子(TF)EB是自噬-溶酶体途径的主要调控蛋白〔4〕，其余转录因子例如叉头蛋白转录因子(FoxO)家族成员〔5〕、肿瘤蛋白p53〔6〕等均被证实参与了细胞自噬的调控。

全基因组学研究表明，自噬包含一个复杂的表观遗传过程〔7〕。转录和表观遗传的调控已经成为调节细胞自噬关键过程之一，自噬的诱导与组蛋白H4赖氨酸(H4K)16脱乙酰化和伴随赖氨酸乙酰转移酶(KAT)8组蛋白乙酰化转移酶的下调有关〔8〕。重要的是，H4K16乙酰化状态似乎参与自噬生存或死亡决定，因为H4K16ac在自噬过程中的下调受到KAT8的过表达或其对应物沉默信息调节因子2相关酶(SIRT)1脱乙酰酶的抑制，增加自噬潮并促进细胞凋亡。与H4K16的去乙酰化相似，自噬诱导时，在哺乳动物细胞和酵母细胞中观察到量化组蛋白H3赖氨酸4的三甲基化(H3K4me3)的表达减少，根据这些组蛋白标记之间建立的分子联系，应答的调节因子还没有被揭示〔8〕。通过稳定组蛋白H3精氨酸(H3R)17甲基转移酶组蛋白精氨酸甲基转移酶(CARM)1、H2B单泛素化(H2Bub1)在饥饿期间下调，葡萄糖水平下降增加了与转录激活相关的全基因组H3R17二甲基化，H2Bub1的减少导致自噬激活，去泛素特异性蛋白酶(USP)44可能是饥饿诱导的H2Bub1减少的原因〔9〕。在酵母中，雷帕霉素(一种已建立的TOR/mTOR抑制剂)的处理伴随着H3K56ac残基的减少。实际上，关键组蛋白修饰因子如KAT8和组蛋白精氨酸甲基转移酶(CARM)1的蛋白质水平的变化发生在自噬过程中，据报道，组蛋白修饰在长期且积极的参与了细胞自噬的调控，通过自噬相关基因(ATG)的转录调控，驱动调节反馈环，有助于控制自噬潮，对代谢方向和细胞命运的决定起着重要作用〔10〕。

赖氨酸特异性去甲基酶(LSD)1，是第一个鉴定出来的组蛋白去甲基化酶，在胚胎发育、上皮间质转化、细胞分化及肿瘤的增殖和侵袭转移过程中都发挥了极为重要作用。LSD1在人类许多恶性肿瘤中高表达，如乳腺癌、肺癌、肝癌、结直肠癌和卵巢癌等，并且最近已成为抗癌药物研究的新的热点靶标。LSD1能通过多种途径调控肿瘤的发生、发展，研究证实，可以发生甲基化的组蛋白赖氨酸主要包括：H3K4、H3K9、H3K27、H3K36、H3K79 和 H4K20，其中 H3K4、H3K36 和 H3K79 的甲基化通常与基因转录激活有关，而 H3K9、H3K27、H4K20 则主要促进基因转录抑制〔11〕。LSD1 可以特异性地去除组蛋白H3K4、H3K9 的二甲基化和一甲基化修饰，调控靶基因的表达。研究发现LSD1通过多种机制参与自噬的调节，本文就LSD1与自噬研究进展作一综述。

1 LSD1通过自噬相关16样蛋白(ATG16L)1甲基化途径调节心肌细胞凋亡

ATG翻译后修饰是调节自噬所必需的过程，在哺乳动物中，自噬的调控至少由数十种ATG蛋白质介导；其中，ATG16L1在先天免疫反应和抗细胞内病原体中，能特异性地参与细胞自噬的过程及破坏病原体蛋白，是参与细胞自噬的重要蛋白，而且，它还参与了自噬小体的形成〔12〕；含SET域蛋白(SETD)7是一种含有催化结构域——SET结构域的组蛋白赖氨酸甲基转移酶，通常能够以甲硫氨酸为底物，使组蛋白H3K4甲基化，从而应对各种细胞应激的新型调节机制，SETD7可以甲基化p53 K369基因从而调控p53的乙酰化，其次，SETD7还能通过增加基因的启动子区组蛋白的H3K4水平激活转录；然而，SETD7介导的甲基化对ATG蛋白的作用及相应的机制尚未完全阐明〔13〕。

Song等〔14〕研究发现ATG16L1在缺氧/复氧(H/R)处理的心肌细胞中的活性受甲基化和磷酸化的调节，心肌细胞H/R能降低ATG16L1的SETD7表达和赖氨酸甲基化，同时增加心肌细胞中LSD1的表达水平，SETD7介导的ATG16L1的赖氨酸甲基化是抑制自噬的重要因素；SETD7在体内和体外在K151甲基化ATG16L1，并且SETD7的特异性抑制剂阻断ATG16L1甲基化，而已死亡的突变体不能甲基化ATG16L1，LSD1能够除去K151处的ATG16L1甲基标记，心肌细胞在经受H/R时，由于SETD7在K151处预甲基化的ATG16L1被酪蛋白激酶(CSNK)2低效磷酸化，促使具有发卡核糖核酸(shRNA)敲除SETD7的心肌细胞或通过抑制剂抑制SETD7增加细胞的自噬和减少的细胞凋亡。相反，CSNK2在S139预磷酸化的ATG16L1也是SETD7的反应底物，表明赖氨酸甲基化与ATG16L1的磷酸化之间存在一定联系。这些数据支持ATG16L1蛋白翻译后加工修饰(PTM)在H/R期间有效影响心肌细胞凋亡的观点。该研究尚不清楚ATG16L1是否可被乙酰化修饰及乙酰化是否会影响其甲基化、磷酸化及其功能。然而，PTM在自噬调节中的过程发挥机制和功能可能为自噬相关疾病治疗提供新的靶点，因此，需要更多的研究证明ATG16L1在自噬调节中的PTM的作用过程、机制和功能，这可能为自噬与心肌凋亡及其他相关疾病治疗提供新的靶点。

2 LSD1通过应激反应蛋白(Sesn)2依赖性途径调节神经母细胞瘤的自噬

自噬与肿瘤之间的关系仍存有争议，自噬在肿瘤发生和发展中具有双重作用。其中，在肿瘤发生的初始阶段，自噬所起到的作用主要是抑制肿瘤发生，而在肿瘤晚期主要作用则是促进发展〔15〕。肿瘤形成前期，自噬过程的受阻会导致肿瘤的发生，而在肿瘤形成后自噬代谢却更加活跃，可能是通过自噬为代谢活跃的肿瘤组织提供更多的物质和能量〔16〕，正因为自噬在对肿瘤细胞生存决定的作用机制，因而，自噬抑制剂已被提出作为肿瘤治疗方法之一：Sesn家族在哺乳动物中通常存在Sesn1、Sesn2 和 Sesn3 3种亚型，其中，Sesn2是前白蛋白(PA)26相关蛋白的Sesn家族的成员，Sesn2 能抑制肥胖诱导的胰岛素抵抗和糖尿病的进展，其在调节细胞对氧化应激的反应和细胞DNA修复中具有重要作用〔17〕。Sesn2转录受p53的控制，p53激活其表达以响应DNA损伤和氧化应激〔18〕。 然而，在LSD1受到抑制后，Sesn2表达的激活发生在SK-N-BE神经母细胞瘤(NB)细胞中，其中p53在密码子135处携带错义突变，将半胱氨酸转化为苯丙氨酸，并且突变的p53不能激活周期蛋白依赖激酶抑制因子(CDKN1A)/p21基因的表达。LSD1可以通过p53依赖性和p53依赖性方式调节Sesn2转录，因为LSD1不与细胞的DNA单独结合，需要与DNA相互作用受体结合〔19〕，是否存在能够在Sesn2启动子募集LSD1的DNA结合因子仍有待进一步确定。

在NB中，LSD1的过表达与细胞侵袭性、分化差和预后不良相关〔20〕；LSD1耗竭引发Sesn2基因启动子区染色质的结构重塑，诱导Sesn2表达的转录激活，进而抑制mTORC1活性，导致自噬增强。Feng等〔21〕研究发现LSD1与Sesn2的启动子区相关蛋白1轻链3(LC3)是通过与磷脂酰乙醇胺(PE)缀合而参与自噬的蛋白质，形成LC3-Ⅱ，通过灭活mTOR使自噬的激活敏感，mTOR是一种细胞营养和能量主要的传感器激酶，LC3是常用的自噬小体标志物，可以用于细胞自噬水平的评价；在前列腺和卵巢癌细胞中，LSD1抑制LC3-Ⅱ积聚和自噬体形成，如通过mTORC1抑制TFEB的核转位，LC3-Ⅱ的积累和最终自噬体的形成所证明的；Sesn2是LSD1抑制的靶基因，LSD1的抑制触发了Sesn2的转录激活，从而导致mTORC1活性降低，表明LSD1特异性转录调节mTORC1级联和自噬之间的直接联系〔22〕。

3 LSD1通过卵巢癌细胞中的mTOR信号通路负调节细胞自噬

TOR最初是于酵母中观察到的，在酵母中，TOR1和TOR2基因能够编码高度同源的Tor1和Tor2两种蛋白。而在哺乳动物中，也已发现存在结构和功能保守的TOR，被称为mTOR；mTOR存在于2种蛋白复合物中，包括mTORC1和mTORC2，其中，mTORC1主要作用是调节细胞生长、凋亡、能量代谢和细胞自噬，mTORC2作用则是参与细胞骨架的重组和细胞存活有关〔23〕；mTOR信号通路在调节自噬中起着至关重要的作用，并且mTOR在响应各种细胞状况，例如血清饥饿、应激刺激和生长因子匮乏时受到抑制〔24〕。

LSD1的过度表达与卵巢癌的侵袭性和预后不良有关，然而LSD1过表达与卵巢癌进展相关的分子机制仍然未知〔25〕。有研究表明，LSD1过表达在妇科恶性肿瘤中主要通过去甲基化非依赖性方式降低p62蛋白稳定性来促进肿瘤发生和抑制肿瘤细胞的自噬。此外，由LSD1抑制引起的较高p62和自噬潮水平可以减少体内肿瘤生长，表明LSD1是肿瘤中自噬的重要调节因子〔26〕。Wei等〔27〕的研究发现LSD1敲低能够诱导卵巢癌细胞HO8910中LC3 Ⅱ蛋白的积累，溶酶体抑制剂治疗后，在LSD1耗竭期间观察到LC3 Ⅱ积累和自噬潮增加，呈现了LSD1敲低介导的LC3 Ⅱ积累参与自噬诱导过程。卵巢癌细胞中LSD1耗竭诱导的自噬依赖于mTOR失活，其特征在于降低p70核糖体蛋白S6激酶(p70S6K)(一种下游效应物和mTOR标记物)的磷酸化。此外，mTOR激活剂MHY1485复苏了p70S6K的磷酸化水平以响应LSD1缺陷。该研究首次揭示了敲低或抑制LSD1诱导HO8910卵巢癌细胞中的自噬潮。虽然血清饥饿和TOR可以有效激活自噬，但是LSD1的消耗明显促进了饥饿和TOR诱导的自噬，证明了LSD1是自噬激活的抑制剂。该研究尚需要通过进一步的研究来阐明饥饿和TOR如何改变LSD1表达的潜在机制，以及揭示可能介导卵巢癌中自噬过程的LSD1依赖性表观遗传变化，为卵巢癌提供更为有效的治疗方案。

4 LSD1通过调节细胞自噬在前列腺癌细胞中发挥重要作用

前列腺癌是常见恶性肿瘤之一，近年来，雄激素剥夺疗法(ADT)一直是前列腺癌的一线治疗方法。然而大多数患者最终都将进展为雄激素不依赖的去势抵抗型前列腺癌(CRPC)〔28〕。LSD1在前列腺癌中高表达，其抑制剂可作为一种新的、有前景的抗癌策略；N-{(1S)-3-〔3-(反式-2-氨基环丙基)苯氧基〕-1-(苄基氨基甲酰基)丙基}苯甲酰胺(NCL1)，采用体外筛选与蛋白质结构相似聚类相结合的方法，作为一种选择性的LSD1抑制剂，已经报道了NCL1能够削弱LSD1去甲基化酶的活性并抑制未经去势的前列腺癌中癌细胞的增殖〔29〕。

mTOR的抑制可在营养缺乏期间保护肿瘤细胞免于凋亡〔30〕，一些研究已经证实，自噬与前列腺癌细胞对ADT的抗药性和磷脂酰肌醇-3-激酶(PI3K)/蛋白激酶B(Akt)/mTOR信号传导的抑制剂有关〔31〕，亦有研究证实抑制LSD1的活性刺激了去势抵抗性前列腺癌细胞的自噬。为了证实CRPC中的这种现象，Etani等〔32〕通过使用透射电镜(TEM)和蛋白质印迹(WB)检测LC3-Ⅱ表达及LysoTracker分析(一种非特异性自噬标记物)来检测人前列腺癌细胞(22Rv1)中的药物诱导的自噬，该研究发现CRPC细胞中LSD1高表达，并且可使用NCL1在体外减少细胞增殖来抑制LSD1活性，NCL1对LSD1的抑制导致启动子区域中H3K4me2修饰的增加并诱导P21蛋白表达的增加。此外，NCL1在体外和离体诱导的细胞死亡的共同机制为胱天蛋白酶依赖性细胞凋亡，CRPC中自噬的刺激通过LSD1保护细胞免受抗肿瘤剂的侵害。此外，当与调节自噬的药物组合治疗时，NCL1可能更有效地抑制CRPC生长。CRPC患者接受ADT治疗时，神经内分泌分化的出现往往提示预后不良，并且与化疗抵抗性有关〔33〕。NCL1可能在获得去势抗性后的早期阶段具有CRPC的治疗潜力，包括无疾病状态表型。因而，该研究尚需进一步研究以结合ADT及靶向药物清楚地测试其治疗潜力，有必要使用生物标志物帮助选择患者的前瞻性试验，以评估CRPC患者的几种药物(包括NCL1)治疗更新的价值。

综上，自噬作为一种存在于真核细胞中普遍的生命现象，广泛参与了许多生理病理过程；目前，LSD1与细胞自噬取得不少成就，围绕于该方面的研究也越来越多，目前还需要更多研究来揭示LSD1调控及干预细胞中的自噬通路和药物临床试验等，提供更多有效临床依据，为人类疾病如肿瘤等的治疗方案打下坚实基础。