組蛋白去乙酰酶2的結(jié)構(gòu)及其在疾病中的作用

孫 欣，趙德明，楊利峰，周向梅

(中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)動(dòng)物醫(yī)學(xué)院國(guó)家動(dòng)物海綿狀腦病實(shí)驗(yàn)室，北京 100193)

組蛋白和非組蛋白的乙酰化作用，對(duì)于基因的表達(dá)和信號(hào)的傳遞具有很重要的意義。在真核生物體內(nèi)，組蛋白包裹DNA，形成核小體，為染色質(zhì)結(jié)構(gòu)的基本單位[1-2]。組蛋白乙酰化，增加了染色質(zhì)的轉(zhuǎn)錄活性，可以調(diào)節(jié)包括轉(zhuǎn)錄在內(nèi)的多種細(xì)胞內(nèi)過程[3]。這些因子在調(diào)節(jié)細(xì)胞生長(zhǎng)、分化、遷徙、活化的過程中發(fā)揮重要作用。

組蛋白乙酰化作用主要由兩種具有相反功能的酶組成：組蛋白乙酰轉(zhuǎn)移酶(histone acetyltransferases，HATs)和組蛋白去乙酰酶(histone deacetylases，HDACs)[4]。組蛋白乙酰轉(zhuǎn)移酶可以對(duì)組蛋白或非組蛋白產(chǎn)生乙酰化作用，導(dǎo)致特定位點(diǎn)的染色質(zhì)解旋，起轉(zhuǎn)錄活化的作用。組蛋白去乙酰酶可將組蛋白尾部的乙酰基去除，因此被視為轉(zhuǎn)錄抑制物[5]。

組蛋白去乙酰酶在核小體去乙酰化過程中起重要作用，能與其他染色質(zhì)調(diào)節(jié)器相互作用，調(diào)節(jié)表觀遺傳過程[6-7]。組蛋白去乙酰酶可以使組蛋白、多種轉(zhuǎn)錄因子或多種蛋白發(fā)生乙酰化作用，參與調(diào)節(jié)多種細(xì)胞過程。本文對(duì)組蛋白去乙酰酶2進(jìn)行綜述，概述組蛋白去乙酰酶2的基本結(jié)構(gòu)和生理功能，以及組蛋白去乙酰酶2在調(diào)節(jié)機(jī)體免疫功能和參與各種疾病調(diào)節(jié)過程中的重要作用,為從事相關(guān)研究提供參考和理論依據(jù)。

1 組蛋白去乙酰酶2的結(jié)構(gòu)

圖1 HDAC分類及結(jié)構(gòu)域示意圖Fig.1 Classification and diagram of the structural domains of HDACs

在哺乳動(dòng)物中，現(xiàn)已發(fā)現(xiàn)18種組蛋白去乙酰酶，這些酶被分為四種類型，分別為I型組蛋白去乙酰酶、II型組蛋白去乙酰酶、III型組蛋白去乙酰酶、IV型組蛋白去乙酰酶。I型組蛋白去乙酰酶包括HDAC1、HDAC2、HDAC3和HDAC8，與啤酒酵母細(xì)胞HDAC的Rpd-3呈現(xiàn)高度的同源性。II型組蛋白去乙酰酶包括HDAC4、HDAC5、HDAC7和HDAC9，與啤酒酵母細(xì)胞Hda-1呈現(xiàn)高度的同源性。III型組蛋白去乙酰酶，又稱長(zhǎng)壽蛋白，為NAD依賴性脫乙酰作用，與酵母抑制劑Sir-2相關(guān)。IV型組蛋白去乙酰酶，為最新被認(rèn)定的組蛋白去乙酰酶，與人類HDAC11同源[8]。I、II和IV型組蛋白去乙酰酶為原始酶家族，在原核及真核細(xì)胞內(nèi)呈現(xiàn)高度保守的序列。哺乳動(dòng)物、真菌及原核蛋白的HDACs的結(jié)構(gòu)域及分型見圖1。

組蛋白去乙酰酶2包含一些特定功能區(qū)(圖2)：組蛋白去乙酰酶2是由488個(gè)氨基酸組成的長(zhǎng)鏈蛋白。兩個(gè)鄰近的組氨酸殘基形成口袋結(jié)構(gòu)，兩個(gè)天冬氨酸和一個(gè)組氨酸組成含有Zn2+的電荷中繼系統(tǒng)，共同構(gòu)成了組蛋白去乙酰酶2的活化中心[9]。組蛋白去乙酰酶2的催化結(jié)構(gòu)域與N-末端HDAC連接域部分重疊，這種結(jié)構(gòu)有助于HDAC二聚體的形成。C-末端部分包含IAC(E/D)E結(jié)構(gòu)，可以與口袋蛋白pRb, p107和p130相互作用。催化域內(nèi)的兩個(gè)氨基酸殘基與泛素連接酶Chfr相互作用，調(diào)節(jié)蛋白降解。組蛋白去乙酰酶發(fā)揮催化作用，依靠Zn2+與天冬氨酸和組氨酸形成的復(fù)合物直接水解酰胺鍵[10]。這種脫乙酰作用，可以在組蛋白或非組蛋白上發(fā)生。

除了組蛋白去乙酰酶8以外，所有的I型組蛋白去乙酰酶并非與DNA直接結(jié)合，而是形成穩(wěn)定的多蛋白結(jié)構(gòu)，發(fā)揮其催化作用[11]。這些復(fù)合體能夠激活I(lǐng)型組蛋白去乙酰酶的去乙酰酶活性，通過與其他調(diào)節(jié)蛋白相互作用來介導(dǎo)特定位點(diǎn)的基因轉(zhuǎn)錄沉默。在哺乳動(dòng)物中，組蛋白去乙酰酶1和組蛋白去乙酰酶2相互作用，與多種蛋白共同構(gòu)成了其抑制作用的催化核心。這種以組蛋白去乙酰酶為核心的蛋白復(fù)合體包括核小體重塑脫乙酰酶(NuRD)復(fù)合體、共抑制阻遏元素1沉默轉(zhuǎn)錄因子(CoREST)復(fù)合體、MiDAC復(fù)合體、SIN3復(fù)合體[12]。復(fù)合體的大小(200 kDa～2 MDa)和亞基數(shù)量(3個(gè)～14個(gè))有較大差異(圖3)。組蛋白去乙酰酶與這些蛋白結(jié)合，引起了染色體重塑或染色體結(jié)合能力的改變，從而提供了一個(gè)與其他染色體調(diào)節(jié)機(jī)制協(xié)調(diào)去乙酰功能的平臺(tái)。

圖2 HDAC2的功能結(jié)構(gòu)域Fig.2 The functional domains of HDAC2

圖3 主要的HDAC2復(fù)合體結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 Schematic diagram of the main structure of HDAC2 complexes

2 組蛋白去乙酰酶2在疾病中的作用

2.1 組蛋白去乙酰酶2在癌細(xì)胞中表達(dá)異常

有大量文獻(xiàn)報(bào)道，在腫瘤發(fā)生過程中，存在組蛋白去乙酰酶2異常表達(dá)[13]。在特定的癌細(xì)胞中，消耗組蛋白去乙酰酶2會(huì)導(dǎo)致癌細(xì)胞生長(zhǎng)停止并出現(xiàn)細(xì)胞凋亡[14]。

組蛋白去乙酰酶2抑制INPP5F和GSK3β/APC介導(dǎo)的β-連環(huán)蛋白的降解，這一過程對(duì)組蛋白去乙酰酶2表達(dá)及腫瘤的發(fā)展起關(guān)鍵作用[14]。此外，組蛋白去乙酰酶2可以沉默凋亡前體半胱氨酸蛋白酶9(caspase 9)，激活蛋白APAF1和NOXA的表達(dá)。組蛋白去乙酰酶2對(duì)抑癌基因p53表達(dá)起抑制作用，并促進(jìn)MYC表達(dá)[15]。組蛋白去乙酰酶2對(duì)上述蛋白表達(dá)量的調(diào)節(jié)，阻礙細(xì)胞凋亡過程，還可導(dǎo)致細(xì)胞循環(huán)紊亂等不良后果。

因此，組蛋白去乙酰酶抑制劑可能成為治療腫瘤的新方法。有研究表明，異羥肟酸(SAHA)作為組蛋白去乙酰酶抑制劑，具有抗癌作用。SAHA于G2/M期抑制組蛋白去乙酰酶，阻滯細(xì)胞增殖，同時(shí)促進(jìn)細(xì)胞凋亡蛋白酶分泌，可以抑制肺癌細(xì)胞生長(zhǎng)。SAHA同時(shí)上調(diào)肺癌細(xì)胞TNFR1，從而提高TNF-α在細(xì)胞凋亡中的作用[16]。因此，TNF-α可能與組蛋白去乙酰酶抑制劑相互作用，共同增加抗腫瘤作用。

2.2 組蛋白去乙酰酶2在糖尿病中的作用

隨著表觀遺傳學(xué)的深入研究，有學(xué)者發(fā)現(xiàn)組蛋白去乙酰酶在胰島素信號(hào)通路中起關(guān)鍵性作用[17]。有報(bào)道顯示，在小鼠海馬回，突觸后谷氨酰能神經(jīng)元(PSGNs)與組蛋白去乙酰酶2相互作用，在胰島素信號(hào)通路中發(fā)揮作用。組蛋白去乙酰酶2結(jié)合在N-甲基-D-天冬氨酸受體亞基2B標(biāo)記的PSGNs上，構(gòu)成胰島素信號(hào)通路的重要組件[17]。另有研究報(bào)道，妊娠糖尿病患者單核細(xì)胞和巨噬細(xì)胞中，組蛋白去乙酰酶2的分泌和活性均有所下降。用組蛋白去乙酰酶2的抑制劑AR- 42處理單核細(xì)胞或巨噬細(xì)胞，可加重線粒體功能紊亂，并上調(diào)IL-1β、TNF-α、IL-6等細(xì)胞因子的表達(dá)[18]。根據(jù)上述研究表明，組蛋白去乙酰酶2的活性與線粒體功能和促炎細(xì)胞因子的分泌有關(guān)，組蛋白去乙酰酶2可能作為治療妊娠糖尿病的靶點(diǎn)，對(duì)治療妊娠糖尿病起重要作用。

2.3 去乙酰酶2在神經(jīng)退行性疾病中的作用

記憶的形成過程一直是近年來的科學(xué)研究熱點(diǎn)[19]，有研究表明，染色質(zhì)修飾中組蛋白尾部的乙酰化作用在記憶形成過程中起關(guān)鍵作用。小鼠體內(nèi)過表達(dá)組蛋白去乙酰酶2，可以引起樹突棘數(shù)量減少、突觸數(shù)量及可塑性降低、記憶形成障礙等不良后果，而組蛋白去乙酰酶2缺失小鼠無上述癥狀且表現(xiàn)出記憶增強(qiáng)的現(xiàn)象。使用組蛋白去乙酰酶2抑制劑可以治療小鼠由于組蛋白去乙酰酶2過表達(dá)所產(chǎn)生的疾病[20]。因此，對(duì)組蛋白去乙酰酶2的研究，可能對(duì)突觸不足、認(rèn)知損傷類神經(jīng)退行性疾病的致病機(jī)理有進(jìn)一步的認(rèn)識(shí)，組蛋白去乙酰酶2選擇性抑制劑可能成為治療記憶障礙相關(guān)疾病的新型藥物。另有文獻(xiàn)報(bào)道，組蛋白去乙酰酶1的SUMO化作用會(huì)減少組蛋白去乙酰酶1與腦啡肽結(jié)合。組蛋白去乙酰酶1的SUMO化可減少細(xì)胞凋亡和老年斑塊的數(shù)量，對(duì)于突觸不足、認(rèn)知損傷類神經(jīng)退行性疾病有潛在的治療效果[21]。組蛋白去乙酰酶1的SUMO化可作為抵抗Aβ的天然防御機(jī)制，作為具有相似功能的組蛋白去乙酰酶2，其也可能在神經(jīng)退行性疾病中發(fā)揮重要作用。

2.4 組蛋白去乙酰酶2在結(jié)核病中的作用

有研究表明，結(jié)核分枝桿菌H37Rv感染人巨噬細(xì)胞，可引起組蛋白去乙酰酶1表達(dá)水平的增高，同時(shí)伴隨組蛋白H3乙酰化作用明顯降低。在結(jié)核分枝桿菌感染過程中，IL-12B可招募組蛋白去乙酰酶1，隨后組蛋白H3的低乙酰化作用抑制該基因的表達(dá)，從而抑制Th-1應(yīng)答[22]。故抑制組蛋白去乙酰酶1表達(dá)對(duì)于激活Th-1型免疫應(yīng)答，發(fā)揮抗結(jié)核的作用可能具有重要意義。

組蛋白去乙酰酶2與組蛋白去乙酰酶1的蛋白序列極為相似。有研究發(fā)現(xiàn)，人類組蛋白去乙酰酶2與組蛋白去乙酰酶1的氨基酸序列相似度達(dá)82%，這一發(fā)現(xiàn)表明，兩種蛋白功能也可能出現(xiàn)大量相似。因此控制組蛋白去乙酰酶2的表達(dá)量，也可能對(duì)治療結(jié)核產(chǎn)生作用。

3 結(jié)語

近年來，組蛋白去乙酰酶2成為一個(gè)科學(xué)研究的熱點(diǎn)。組蛋白去乙酰酶2的異常表達(dá)，通過異常調(diào)節(jié)基因表達(dá)和信號(hào)傳導(dǎo)，打破了機(jī)體原有的平衡。研究組蛋白去乙酰酶2的結(jié)構(gòu)及其特定的功能，對(duì)于藥物的設(shè)計(jì)及藥效的發(fā)揮有著重要的作用。組蛋白去乙酰酶抑制劑可能成為新型藥物，用于疾病的治療。然而，組蛋白乙酰化是一個(gè)動(dòng)態(tài)的過程，翻譯后修飾等復(fù)雜的過程調(diào)節(jié)組蛋白去乙酰酶2的表達(dá)。研究組蛋白去乙酰酶作用位點(diǎn)，可以了解更多組蛋白及非組蛋白乙酰化過程，為今后研究人類各種疾病的治療提供可靠的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

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