组蛋白去甲基化酶的研究进展

马佳萍韩 剑张金龙

（1 新疆吉木萨尔县人民医院药剂科，新疆 吉木萨尔 831700；2 新疆塔城地区食品药品检验所，新疆 塔城 831700）

组蛋白去甲基化酶的研究进展

马佳萍1韩 剑2张金龙1

（1 新疆吉木萨尔县人民医院药剂科，新疆 吉木萨尔 831700；2 新疆塔城地区食品药品检验所，新疆 塔城 831700）

第一个组蛋白去甲基化酶（LSD1）的发现证实组蛋白的甲基化修饰并非永久性组蛋白标记，而是一个动态可调节过程。该酶通过催化去除组蛋白 N 末端赖氨酸上的甲基，参与染色质功能的调节，并与某些疾病，特别是和癌症的发生发展密切相关。本文主要就组蛋白去甲基化酶的催化机制及生物学功能进行文献调研与追踪，并加以归纳整理，旨在更深入的认识和探究组蛋白去甲基化酶提供理论参考。

组蛋白去甲基化酶；LSD1；JMJD；肿瘤

组蛋白属于小分子碱性蛋白质，是真核生物染色体的基本结构蛋白。组蛋白修饰是指组蛋白在相关酶作用下发生甲基化、乙酰化、磷酸化和泛素化等修饰的过程。这种修饰是基因转录调节控制组织细胞发育分化的关键分子机制，能够调节染色质状态和基因表达。不同于其他组蛋白修饰，组蛋白的甲基化一度被认为是一个不可逆的过程，直到2004年发现了第一个组蛋白去甲基化酶赖氨酸特异性组蛋白去甲基化酶1（lysine specific demethylase 1，LSD1）[1]，随后组蛋白甲基化酶迅速成为各国科研学者的研究热点。截止目前，已发现的组蛋白去甲基化酶主要有两类：即LSD1和JMJD家族[2]。本文主要对就这两类组蛋白去甲基化酶的催化机制及生物学功能进行展开文献调研与追踪，并加以归纳整理，旨在更深入的认识和探究组蛋白去甲基化酶提供理论参考。

1 LSD1的催化机制与生物学功能

LSD1，又名KDM1，是第一个被发现的组蛋白去甲基化酶，属于黄素腺嘌呤二核苷酸（FAD）依赖酶，能够还原组蛋白赖氨酸的一、二甲基化。LSD1其主要结构分成三部分；一是位于结构中心的Tower结构域位于结构中心，该结构域的突变缺失会导致LSD1活性丧失；二是位于N端的SWIRM结构域，其是蛋白-蛋白相互作用的模体，位于N端；三是位于C端的胺氧化酶结构域，具有催化活性，位于C端。LSD1属于胺氧化酶超家族，定位于细胞核内，能激活和抑制基因转录，与多种疾病的发生发展及胚胎发育关系密切[1]。

1.1 催化机制：LSD1在体内可以特异去除组蛋白H3第9位赖氨酸（H3K9）的单甲基和二甲基修饰，在体外则可还原H3K4的一、二甲基修饰，因其催化氧化反应时胺基底物上必须要有一个质子，所以不能脱去三甲基化残基上的甲基基团。其LSD1催化机制主要是通过能氧化底物的C-N键，生成胺基、甲醛和H2O2，同时与底物反应时FAD从甲基化的组蛋白赖氨酸得到质子，生成FADH2，其进一步被氧化生成FAD和H2O2，而甲基化的赖氨酸失去质子生成亚胺中间物，亚胺中间物加水后生成胺基和甲醛[3]。

1.2 生物学功能：①LSD1在多种肿瘤细胞中都有高表达，前列腺癌是其中之一。研究发现在人的前列腺癌细胞中，LSD1能与雄激素受体结合，激活雄激素受体依赖的基因表达，维持癌细胞的永生化特性[1]。Will-mann等发现选择性LSD1抑制剂Namoline能够削弱LSD1去甲基化功能，从而抑制前列腺癌细胞的LNCaP增值；动物实验也证实抑制LSD1能够抑制裸鼠移植瘤生长[4]。综上所述，LSD1可作为一种新型的前列腺治疗靶标。②动物实验研究显示，LSD1在口腔鳞状细胞癌（OSCC）中过表达与肿瘤侵袭和以及总体的生存率之间有显著的相关性。随着疾病恶化，在OSCC动物模型中检测到了大量增加的LSD1。通过在OSCC细胞中介导的siRNA消耗LSD1，不仅可抑制移植瘤生长，而且可诱导细胞凋亡，并增强对5-氟尿嘧啶的敏感性。因此，LDS1可作为一种新型生物标记，在OSCC的诊断及预后中发挥重要的意义，其化学抑制剂也可作为治疗OSCC的一种可行方案[5]。③研究表明，LSD1与神经母细胞瘤分化联系密切。在神经母细胞瘤患者的肿瘤组织中，LSD1在分化不良的组织中的表达明显高于正常组织，但在。在神经母细胞瘤细胞株中，LSD1的表达随着细胞的分化而下降，siRNA下调LSD1的表达后，瘤细胞的生长受抑制，说明LSD1可以抑制神经母细胞瘤的生长[6]。此外，Lim等[7]研究发现LSD1在乳腺癌患者雌激素受体（ER）阴性的乳腺癌组织中的表达水平明显高于ER阳性的乳腺癌组织和正常乳腺组织。体外研究发现下调LSD1的表达亦能抑制乳腺癌细胞生长。④于妍妍等[8]发现LSD1与食管鳞癌的淋巴结转移和增值有关，且LSD1高表达的患者预后不良，临床资料显示，在已经发生淋巴结转移的食管鳞癌组织中LSD1的表达升高更加显著，该结果提示LSD1很可能参与到食管鳞癌的淋巴结转移过程，这与前期在其他肿瘤研究中所得的结果相一致。

2 JMJD家族的催化机制与生物学功能

JMJD超家族，是数目众多的一类组蛋白去甲基化酶，属于一类依赖二价铁离子和α一酮戊二酸的双加氧酶，能催化单甲基化、二甲基化和三甲基化的组蛋白赖氨酸还原。JMJD家族成员较多，如人的JMJD1A、JMJD2A、JARID1B和UTX等，它们均可催化组蛋白的去甲基化修饰，但具有底物选择性。该类酶主要通过使组蛋白去甲基化，改变组蛋白的表观结构，从而调节基因活性、染色质结构、损伤修复及表观记忆等。研究表明JMJD家族通过调控细胞由DNA合成前期向DNA合成期的转换，从而影响细胞周期进程，调控多种哺乳动物基因的转录，这可能是其参与癌症发生的途径[9]。

2.1 催化机制：与LSD1不同，JMJD家族成员的N端和C端多含有JmjC结构域，该结构域是酶活性中心的组成部分，不需要质子化的氮作为氢供体，可以还原三甲基化赖氨酸残基上的甲基基团。JMJD家族成员在辅因子2-OG和O2的参与下，JMJD家族成员可催化组蛋白赖氨酸残基上的甲基化氨基生成羟基化中间体，同时产生1分子CO2和1分子琥珀酸盐，随后该中间体生成不稳定的半氨醛，并进一步分解为去甲基化赖氨酸和甲醛[2]。

2.2 生物学功能：JMJD1A是第1个被发现的含有JmjC结构域的组蛋白去甲基化酶，与其同源蛋白JMJD1B均可催化组蛋白H3上36位的单/双甲基化赖氨酸（H3K36me1/2）去甲基化。有动物实验表明，JMJD1B的缺失会导致基因组不稳定和癌症的发生，提示该酶有抑制肿瘤的功能。在淋巴癌小鼠模型中发现，JMJD1A和JMJD1B的异常表达促使抑癌基因Ink4b下调，导致小鼠胚胎成纤维细胞永生化[2]。

JMJD1A又名KDM3A，亦属于JMJD超家族。JMJD1A在前列腺癌、肝癌、结肠癌等多种肿瘤中均有高表达。Yamada等发现，在缺氧状态下，抑制JMJD1A在肝癌细胞系中的表达可显著抑制细胞生长，减少细胞侵袭能力以及阻滞上皮间质转化[10]。JMJD1A还能影响精子发育。核蛋白和精蛋白对于精子染色体包装和浓缩具有重要意义，JMJD1A能控制转换核蛋白和精蛋白基因的表达，有实验表明小鼠被敲除JMJD1A后，在减数分裂后期精子染色质浓缩受损，精子成熟失败。Liu等也发现JMJD1A基因缺陷的雄性小鼠其生殖细胞大量凋亡，睾丸减小。

JMJD1B通过催化H3K9me1/2去甲基化，在白血病中发挥转录调控作用，其与帽子结合蛋白（CBP）作为辅激活因子，可富集至白血病致癌基因lmo2的启动子区域，调控靶基因的转录；该酶在多种白血病患者的血细胞中均有高表达，并能抑制白血病细胞的分化[2]。

JMJD2B又名KDM4B，在促进根尖牙乳头干细胞介导的牙齿组织再生方面有研究前景，姚睿等[11]研究证实JMJD2B具有促进根尖牙乳头干细胞成骨和成牙本质分化的潜能。但有研究表明JMJD2B参与癌细胞的增殖和存活，有致癌活性，采用siRNA抑制JMJD2B基因在胃癌组织中的表达后，可使癌细胞增殖受到抑制，抑癌基因p53的表达上调[2]。因此，JMJD2B的异常表达不仅影响肿瘤的发生发展，还参与肿瘤细胞缺氧应激反应。

3 展 望

组蛋白甲基化与去甲基化失衡对于肿瘤的发生发展有着及其重要的意义，深入探索二者的动态平衡机制能为肿瘤的防治及预后开启新的途径。随着LSD1的发现，组蛋白去甲基化的可逆性被证实，对组蛋白去甲基化酶的研究取得了较大进展，但目前组蛋白去甲基化酶具体的作用机制仍不明了，当前研究多处于概念阶段，利用其抑制剂进行疾病治疗的临床效果并不理想，还有许多问题尚待深入研究，如利用KDM4B促进牙齿组织再生时如何避免其致癌活性；JMJD3治疗肿瘤时，其他受JMJD3调节的靶基因在肿瘤发生中的作用及对机体产生的影响，如何维持体内甲基化与去甲基化的平衡；JMJD家族新成员的鉴定，各成员在生理和病理状态下的生物学作用和分子机制，尤其是与特定疾病的关联；这些问题的研究不仅能扩展表观遗传学方面的知识，也将对肿瘤机制的阐明及肿瘤预防诊断和治疗发挥重大的推动作用，有利于实现去甲基化酶从实验室研究到临床应用的转变[1,3]。此外，阐明组蛋白去甲基化酶的作用机制对药物的开发与应用具有重要意义。随着去乙酰化酶抑制剂投入抗癌药物市场后，对于组蛋白去甲基化酶抑制剂的研究也成蓬勃之态，毫无疑问，组蛋白去甲基化酶已经成为治疗癌症的新方向[1]。因目前的组蛋白去甲基化抑制剂的特异性还不高，接下来的研究重点更应专注于研发具有高特异性的抑制剂[12]。

[1] 翟曜耀,刘晓霞,赵越.赖氨酸特异性组蛋白去甲基化酶1作用机制及其生物学功能的研究进展[J].生命科学,2012,24(1):7-12.

[2] 王海,冯涛涛,孙昊鹏,等.组蛋白去甲基化酶JMJD及其抑制剂的研究进展[J].药学进展,2013,37(11):565-573.

[3] 郑一超,马金莲,王志茹,等.抗肿瘤药物新靶点:表现遗传组蛋白赖氨酸特异性去甲基化酶1[J].国际药学研究杂志,2014,41(1):30-36.

[4] Willmann D,Lim S,Wetzel S,et al.Impairment of prostate cancer cell growth by a selective and reversible.Lysine-specific demethylase 1 inhibitor[J].J Int Cancer,2012,131(11):2704-2709.

[5] Wang Y,Zhu Y,Wang Q,et al.The histone demethylase LSD1 is a novel on cogene and therapeutic target in oral cancer[J].Cancer Lett,2016,374(1):12-21.

[6] 林秀梅,钟雯婷,王春丽,等.组蛋白去甲基化酶赖氨酸特异性去甲基化酶1在急性白血病的表达及其临床意义[J].中国实验血液学杂志,2011,19(6):1348-1352.

[7] Lim S,Janzer A,Beeker A,et al.Lysine-specific demethylase 1(LSD1) is highly expressed in ER-negative breast cancer and a biomarker predicting aggressive biology [J].Carcinogenesis,2010,31(3):521-520.

[8] 于妍妍,雷增杰,郭严,等.赖氨酸特异性去甲基化酶1在食管鳞癌中的表达及临床意义[J].第三军医大学学报,2013,35(9):910-913.

[9] 马丹,赵洪文.含JmjC结构域的组蛋白去甲基化酶和调控细胞G1/S期转换的基因之间的关系在癌症发病机制中的作用[J].国际呼吸杂志,2012,32(8):624-627.

[10] 湛敏,周宏灏.组蛋白去甲基化酶JMJD1A及其生物学功能研究进展[J].中国临床药理学与治疗学,2013,18(3):325-330.

[11] 姚睿,范志明.组蛋白去甲基化酶KDM4B促进根尖牙乳头干细胞中成骨和成牙本质分化[J].北京口腔医学,2013,21(4):181-184.

[12] 叶覃,Holowatyj A,Labbe RM,等.组蛋白去甲基化酶家族中组蛋白去甲基化酶4作用机制及应用的研究进展[J].转化医学杂志,2014,3(1):13-18.

Research Progress of Histone Demethylase

MA Jia-ping1, HAN Jian2, ZHANG Jin-long1
(1 Department of Pharmacy, Jimsar County People's Hospital, Jimsar 831700, China;
2 Xinjiang Tacheng Food and Drug Inspection Institute, Tacheng 831700, China)

First histone methylation enzyme (LSD1) findings confirmed that the methylation of histone modification is not a permanent group of protein markers, but a dynamic process can be adjusted. Through the enzyme catalytic removal of histone lysine on at the end of the N methyl, participate in the regulation of chromatin function, and with certain diseases, especially closely related to the occurrence of cancer development. This article mainly went histone methylation enzyme catalytic mechanism and biological function of literature investigation and tracking, and sums up, aimed at further understanding and exploring histone methylation enzyme to provide theoretical reference.

Histone demethylase; LSD1; JMJD; Tumor

Q512.7；R730.2

A

1671-8194（2017）12-0046-02