组蛋白去乙酰化酶抑制剂放射增敏作用与DNA损伤修复机制关系的研究进展

韩永涛，罗月，凤志慧

（山东大学1.齐鲁医院药学部，2.公共卫生学院职业卫生与职业医学系，山东济南250012）

组蛋白去乙酰化酶抑制剂放射增敏作用与DNA损伤修复机制关系的研究进展

韩永涛1，罗月2，凤志慧2

（山东大学1.齐鲁医院药学部，2.公共卫生学院职业卫生与职业医学系，山东济南250012）

组蛋白去乙酰化酶抑制剂（HDACIs）是抑制HDAC活性并造成组蛋白过度乙酰化作用的一类化合物，根据其化学结构的特点，HDACIs化合物被分成短链脂肪酸、异羟肟酸、环肽和苯甲酰胺四大类。研究表明，HDACIs能抑制多种肿瘤细胞的生长，某些具有抗肿瘤作用的HDACIs已经进入临床试验阶段。近年来还发现，HDACIs能增加肿瘤细胞对电离辐射的敏感性，具有较强的放射增敏作用，但该类化合物的放射增敏机制目前还不十分清楚，可能与其能增强肿瘤细胞的凋亡和自噬作用，以及DNA损伤修复机制破坏等有关，其中HDACIs通过导致DNA双链断裂修复机制障碍发挥放射增敏作用已越来越引起学者们的关注。为此，本文就HDACis的放射增敏作用与DNA损伤修复机制之间关系的研究进行综述。

组蛋白去乙酰化酶抑制剂；辐射耐受性；DNA损伤

组蛋白去乙酰化酶抑制剂（histone deacetylase inhibitors，HDACIs）是抑制HDAC活性并造成组蛋白过度乙酰化作用的一类化合物［1-2］。研究表明，组蛋白乙酰化的程度与组织细胞转录活性和染色质结构的重塑等功能密切相关。近年来发现，HDACIs不但能抑制多种肿瘤细胞生长，还能增加肿瘤细胞对电离辐射（ionizing radiation，IR）的敏感性［1-2］，表现出较强的增敏作用。因此，这类化合物的抗肿瘤作用逐渐受到关注。本文从其化合物结构特点、抗肿瘤特性和放射增敏作用及其机制等方面进行综述。

1 HDACIs化合物及其特点

HDACIs包括许多结构不同的化合物，目前认为是一组有特异性的抗肿瘤药物，其最重要的特点是对肿瘤细胞具有毒性作用，对正常组织细胞却无明显的毒性作用，正常细胞对其呈现耐受性。由于该类化合物均具有抑制HDAC活性的作用，因而被统称为HDACIs。乙酰化是组蛋白一种重要的共价修饰。研究表明，组蛋白乙酰化主要由组蛋白乙酰化转移酶和HDAC共同调控并维持一个平衡状态，这种状态与细胞转录调控和染色质结构重塑，甚至基因组稳定性都有密切的关系。一般认为，组蛋白的过度乙酰化是转录活跃的一个标志，低乙酰化则表示转录活性被抑制。目前根据HDACIs的结构特点将其分为4类［1-3］。①短链脂肪酸类，该类化合物有丙戊酸（valproic acid，VPA）、丁酸盐和丁酸苯酯；②异羟肟酸类，或称为氧肟酸盐类，曲古抑菌素A（trichostatin A，TSA）是第一个被发现具有抑制HDAC活性的天然氧肟酸；伏立诺他（vorinostat）（亦称为N-羟基-N′-苯基辛二酰胺，SAHA）是第一个被美国食品药物管理局（Food and Drug Administration，FDA）批准的临床上用于治疗皮肤性T淋巴细胞瘤的药物；③环肽类，天然产物缩酚酸肽FK-228和罗米地辛（romidepsin）等；④苯甲酰胺类，包括MS-275和MGCD0103等。虽然每类HDACIs均能抑制HDAC活性，但由于其结构特征不同，每类HDACIs通常选择性地抑制一种或几种HDAC的活性，因而其在生物学上的效应也存在一定的区别。关于这几类化合物在分子结构、选择性靶向的HDAC、生物学作用及其所处临床试验阶段等见表1。

目前已发现人类有18种HDAC，依据它们与酵母菌HDAC的同源性、亚细胞定位以及酶活性将其分为Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ及IV类。Ⅰ类HDAC的特点是与酵母菌去乙酰化酶RPD3（histone deacetylase RPD3）蛋白同源，分布于核内，在人体多种组织和细胞中表达；Ⅱ类HDAC是与酵母菌去乙酰化酶Had（histone deacetylase Had）蛋白同源，它们能在细胞核与细胞浆之间转运；Ⅲ类HDAC则是与酵母菌沉默信息调控子2（silent information regulator 2，Sir2）同源，在应答细胞内还原状态变时需要烟酰胺腺嘌呤二核苷酸（NAD+）参与调控基因表达；而Ⅳ类HDAC只有1个成员，HDAC11，虽然它与Ⅰ和Ⅱ类HDAC的催化区有相似性，但是并不具备它们的其他生物学特性［4］。HDAC与不同的抑制剂之间的关系见表1。

2 HDACIs对肿瘤细胞的放射增敏作用

2.1 抗肿瘤作用

本研究集体和其他学者的许多研究结果均表明，VPA，SAHA，TSA和PCI-24781等HDACIs对多种肿瘤细胞和转型细胞的生长有直接的抑制作用［5-8］。VPA 500 μmol·L-1对结肠癌、食管癌和乳腺癌等肿瘤细胞的生长即具有抑制作用［5-8］。MTT实验结果表明，VPA可显著降低食管癌鳞状细胞的存活率，呈明显的浓度依赖性［9］。SAHA可抑制人卵巢癌紫杉醇耐药细胞OC3/P的存活，对肝癌细胞亦具有杀伤作用［4，9］。

2.2 对肿瘤细胞放射增敏作用

HDACIs化合物在细胞水平上对肺癌、脑胶质瘤、食管癌、前列腺癌、结肠癌和乳腺癌等肿瘤细胞均具有放射增敏作用［9-13］。与单纯IR处理组比较，PCI-24781能显著增加结肠癌HCT116、人大细胞肺癌细胞NCI-H460和人肺腺癌A549等细胞的IR敏感性，表现为细胞克隆形成率明显下降［14］。我们研究发现，VPA 0.5 mmol·L-1还可增强乳腺癌细胞的IR敏感性［5］。而且在肠癌HCT116细胞研究中发现，VPA所致的肿瘤放射增敏作用可能与细胞的p53状态密切相关，VPA对p53野生型细胞的作用敏感于p53缺陷型细胞［10］。但也有研究报道，HDACIs对胃肠道腺细胞的放射增敏作用并不依赖于p53的活性［15］。以上研究提示，HDACIs在增强肿瘤细胞放射敏感性方面具有不可忽视的作用。

表1 主要组蛋白去乙酰化酶抑制剂（histone deacetylase inhibitors，HDACIs）分子的结构和生物学功能

深入研究还表明，HDACIs对动物实体瘤肿瘤细胞亦具有放射增敏作用。应用脑肿瘤细胞U251、前列腺癌和肠癌HCT116细胞进行裸鼠移植瘤动物实验，与单纯IR组比较，VPA与IR联合应用使移植瘤生长得到明显的抑制［10，15］。

3 HDACIs对肿瘤细胞放射增敏作用的DNA损伤修复机制

HDACIs增强肿瘤细胞对IR的敏感性的作用机制可能与细胞凋亡、自噬以及DNA损伤修复机制破坏等有关［1，16-17］。其中，HDACIs对DNA损伤修复机制的影响越来越引起学者们关注。目前认为，HDACIs能够通过影响DNA损伤修复机制，造成DNA双链断裂（double-strand break，DSB）不能有效地被修复，使肿瘤细胞内DNA损伤蓄积，表现出对IR的更为敏感。在应答DNA损伤修复反应中，DSB信号能通过级联反应激活细胞传导通路，启动DNA修复系统以保证遗传信息的完整，这一信号通路包括感受器、传导器及下游效应器等信号分子，信号通路中任何部分发生功能障碍，都将造成系统对DNA损伤修复能力的下降。

3.1 DNA双链断裂的蓄积增加

HDACIs可影响DNA损伤修复机制一个关键实验依据是发现DNA DSB在肿瘤细胞核内的蓄积增加。DNA损伤后，组蛋白家族2A变异体（histone family 2A variant，H2AX）将迅速发生磷酸化，磷酸化的H2AX焦点形成（γ-H2AX foci formation）被认为是DNA DSB损伤的标志物，同时它还可作为DNA损伤的早期应答因子。在DNA损伤中，H2AX还具有促进局部DNA修复因子［如乳腺癌易感基因1（breast cancer susceptibility gene1，BRCA1）和p53结合蛋白1（p53 binding protein，53BP1）等］募集到DNA损伤区域修复损伤的DNA，维持基因组的稳定性［18］。Sha等［9］研究报道，高浓度（5 mmol·L-1）VPA能使CHO33细胞DNA DSB增加，核内γ-H2AX焦点形成蓄积显著增加，提示VPA可能直接造成DNA损伤。进一步研究证明，VPA和TSA等HDACIs预处理的肿瘤细胞使IR诱导的γ-H2AX焦点形成进一步增加［19-20］，提示HDACIs能加重IR所诱导DNA DSB的蓄积。还有，IR诱导的γ-H2AX焦点消退的时间也是反映DNA损伤修复能力的一项重要指标。研究发现，HDACIs预处理黑色素瘤细胞或者人皮肤成纤维细胞后，IR引起的γ-H2AX或53BP1焦点消退的时间明显延长，间接推测HDACIs可致细胞对DSB修复能力降低［13］。以上研究表明，HDACIs可能造成肿瘤细胞内DSB损伤的蓄积，使其对放射更加敏感，而且也可能下调细胞修复损伤的DNA能力。

3.2 DNA损伤反应通路的激活障碍

DNA损伤应答因子毛细血管扩张性共济失调症突变蛋白（mutated in ataxia telangiectasia，ATM）和53BP1等被认为是DNA损伤修复通路中重要的感受器。研究表明，在DSB应答反应中，HDACIs可影响ATM和53BP1的活性。在人或纤维母细胞中，ATM和HDAC-I可相互结合，IR能增强与ATM功能相关的HDAC活性，HDACIs（如TSA）或者下调HDAC-I都可抑制与ATM相关的HDAC活性，提示HDACIs可能在ATM介导的DSB的信号传导通路中发挥作用［21］。在应答DNA损伤时，发现HDAC-IV和53BP1均被募集到DSB区域，但HDAC-IV蛋白表达抑制后，53BP1蛋白因子的表达也被下调且不能被有效地募集到DNA损伤区参与DSB修复反应，还会造成G2/M期阻滞［22］。以上研究提示，HDACIs可引起DNA损伤反应通路中感受器ATM和53BP1活性抑制，进一步导致DSB修复机制的启动障碍，最终引起DNA DSB在核内蓄积，增加肿瘤细胞的放射敏感性。

3.3 DNA损伤修复因子表达的下调

同源重组（homologous recombination，HR）和非同源末端连接（non-homologous end joining，NHEJ）是修复DNA DSB损伤的2种重要机制［23］，重组酶Rad51（recombinase Rad51）和DNA依赖性蛋白激酶催化亚单位（catalytic sunbunit of the DNA-dependent protein kinase，DNA-PKcs）分别在调控HR和NHEJ机制中起关键的作用，也被认为是DNA损伤修复通路的效应器。通常IR可诱导Rad51和DNA-PKcs表达上调，在前列腺癌和胶质瘤细胞中，SAHA可抑制IR诱导的这两种修复蛋白表达的上调［24］。VPA预处理食管癌TE11细胞，Rad51蛋白表达水平被显著下调［8］。丁酸钠处理黑色素瘤细胞，NHEJ中关键蛋白因子Ku70、Ku80和DNA-PKcs mRNA和蛋白表达水平均下降［13，25］。由此提示，HDACIs可能抑制HR和NHEJ修复中关键因子的表达，直接影响其参与DNA损伤修复过程，进一步提示HDACIs通过导致DSB修复机制障碍发挥放射增敏作用。

4 展望

虽然众多研究指出，HDACIs可通过影响DNA损伤反应通路的激活以及DNA损伤修复因子表达等方式，造成DNA损伤修复机制障碍，但它们之间的密切相关性还需要更确凿的直接实验依据。还需指出的是，目前HDACIs中大多数化合物已进入临床试验阶段，迫切需要阐明在临床安全剂量条件下这类化合物的抗肿瘤作用以及其作用的特异性靶器官和靶基因等，这不但有助于阐述HDACIs致肿瘤细胞放射增敏的作用机制，而且还能更好地指导这类新型抗肿瘤药物在临床上的应用，从而为肿瘤患者个体化治疗制定出有效的方案和对策。

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Progress in relationship between histone deacetylase inhibitors-induced radiosensitization and the mechanism of DNA damage repair

HAN Yong-tao1，LUO Yue2，FENG Zhi-hui2
（1.Department of Pharmacy，Qilu Hospital，2.Department of Occupational Health and Occupational Medicine，School of Public Health，Shandong University，Jinan 250012，China）

Histone deacetylase inhibitors（HDACIs）are compounds that can inhibit histone deacetylase（HDAC）while inducing histone hyperacetylation，which are divided into four types：shortchain fatty acid，hydroximic acid，cyclic peptide and benzamide according to chemical structure features.It has been demonstrated that HDACIs can inhibit the growth of a number of tumor cells，and the study on anti-cancer effects of some HDACIs is in the stage of clinical trials.It has been found that HDACIs can increase the radiosensitivity to tumor cells，indicating that HDACIs may be a potential sensitizer to radiation.The mechanism of HDACIs-induced radiosensitization is still not so clear，which may be related to apoptosis，autophygy or the damage to DNA repair function.And it has been attracting more attention that disrupting DNA repair activity is associated with HDACIs-mediated radiosentization. Thus，research progress in the relationship between HDACIs-mediated radiosentization and the mechanism of DNA damage repair is reviewed in this paper.

histone deacetylase inhibitors；radiation tolerance；DNA damage

The project supported by National Natural Science Foundation of China（81172527）；National Natural Science Foundation of China（81472800）；and Science and Technology Program of Shandong Province（2013GGE27052）

FENG Zhi-hui，Tel：（0531）88382137，E-mail：fengzhihui＠sdu.edu.cn

R979.1，R962

A

1000-3002-（2015）04-0633-05

10.3867/j.issn.1000-3002.2015.04.016

2015-02-04接受日期：2015-07-22）

（本文编辑：齐春会）

国家自然科学基金（81172527）；国家自然科学基金（81472800）；山东省科技发展计划（2013GGE27052）

韩永涛，主管药师，主要从事临床药学研究。

凤志慧，Tel：（0531）88382137，E-mail：fengzhihui＠sdu.edu.cn