组蛋白去乙酰化酶及其抑制剂与结直肠癌的关系

何佩珊，龙嘉莉，何清莲，殷玉婷，廖燕秋，雷 雪，李紫琪，朱 伟 （广东医科大学，广东东莞 523808）

提 要：表观遗传学异常与肿瘤的关系一直备受关注。近年研究显示，翻译后修饰在肿瘤发生和发展过程中起重要作用。组蛋白去乙酰化酶(HDACs)可在转录和翻译后水平调节细胞内稳态。该文综述了结直肠癌中HDACs在翻译后修饰水平的致癌机制及HDACs抑制剂的应用前景。

2018年最新数据显示，结直肠癌(Colorectal Cancer，CRC)的全球发病率在36种常见癌症中居第3位，占所有癌症病例的6.1%，死亡病例占所有癌症死亡数量的5.8%[1]。CRC的发病原因尚未明确，基因突变是公认的致癌因素。随着研究的深入，大量实验表明表观遗传修饰中参与翻译后修饰(Posttranslational Modifications，PTMs)的乙酰化作用与CRC的发生发展密不可分[2]。其中，组蛋白去乙酰化酶(Histone Deacetylase，HDACs)是一类蛋白酶，在人体中可以使染色质致密，抑制mRNA的合成，或通过调控转录因子、原癌基因和信号介质等发挥翻译后修饰作用，调节细胞内稳态[3]。而组蛋白去乙酰化酶抑制剂(Histone Deacetylase Inhibitor,HDACi)则在HDACs转录和翻译水平上发挥抑制作用。本文就HDACs在CRC方面的作用机理以及HDACi的应用前景作一综述。

1 HDACs和HATs与CRC的关系

HDACs催化去除组蛋白或非组蛋白底物上的乙酰基，影响基因转录或蛋白稳定性，而HDACs过表达后，可通过使抑癌基因沉默等途径诱导肿瘤的发生[4]。组蛋白乙酰化酶(Histone Acetyitransferases，HATs)是一类促进转录的酶，可以可逆性地将乙酰辅酶A的乙酰基转移到组蛋白氨基末端特定赖氨酸残基，抑制组蛋白与DNA结合，激活转录和表达[2]。HDACs和HATs在人体内相互作用，保持动态平衡，任何一方过表达或抑制都将打破增殖与凋亡的平衡，引发肿瘤。通常，根据哺乳动物分类把HDACs家族分为4类18个亚型：(1)HDAC Ⅰ类，与酵母还原性钾依赖蛋白3(Deacetylase Reduced Potassium Dependency-3，Rpd3)同源，包括HDAC1、2、3、8，可诱导细胞增殖，抑制细胞分化和凋亡，在CRC细胞中可见HDAC1、2、3的异常表达，但在不同细胞系的表达量有明显差异；(2)HDAC Ⅱ类，与酵母组蛋白去乙酰基1(Histone Deacetylases-1, Hda1)同源，分Ⅱa(包含HDAC4、5、7、9)和Ⅱb(包含HDAC 6、10)两个亚型，其中HDAC4、5、7的上调已被证明与诱导CRC血管生成有关，HDAC6的高表达与CRC预后不良有关；(3)HDAC Ⅲ型，是酵母去乙酰酶沉默信息调节器2家族(Deacetylase Silent Information Regulator-2, Sir2)在哺乳动物中的类似物，包括SIRT1到SIRT7，其中SIRT1的过表达或下调影响CRC的进展；(4)HDAC Ⅳ类，只包含HDAC 11，目前认为其与肿瘤发生无关[5]。

2 HDACs的作用机制

2.1 HDAC-p53通路

野生型p53(wtp53)是一种抑癌基因，细胞在应激状态下产生的信号能诱导wtp53过表达并在细胞核内大量积累，通过G1/S期阻滞或G2/M期阻滞减慢细胞分裂并进行DNA修复，修复失败则诱导细胞凋亡[6]。然而，p53在肿瘤中最常出现突变，突变型p53(mutp53)在CRC中阳性检出率极高，增高的mutp53提示CRC患者预后不良[7]。Alzoubi等[8]发现，HDAC2 和mutp53的过表达与CRC的预后不良呈相关性。在多种癌症中HDAC1、2、3的致癌通路都有wtp53的参与[2]。在CRC中，HDAC2可以与wtp53结合并抑制wtp53的功能，使癌细胞免于凋亡，而足量的HATs 能使wtp53乙酰化并与HDAC2分离且诱导癌细胞凋亡，因此HDACs和HATs量的平衡是wtp53发挥抑癌基因功能的重要因素[9]。

KRAS(CIP1/WAF1，p21)属于RAS基因家族成员之一，是一种细胞周期蛋白依赖性激酶抑制因子(CDK Inhibitor，CKI)，同时也是p53重要的下游靶点。有研究发现，HDAC4可以通过特异性蛋白1(Specificity Protein 1，SP1)介导，募集在KRAS启动子上并抑制KRAS的转录，促进CRC细胞的生长和生存[10]。还有文献指出HDAC4也可以直接影响p53的结构和功能[11]。由此可见，HDAC4可能单独抑制KRAS转录或通过抑制p53/KRAS途径阻止G1/S期停滞，促进CRC细胞的增殖。而Huang等[12]则发现敲低HDAC2诱导KRAS上调并进一步引起细胞凋亡的过程无需p53参与，其复杂的分子机制有待进一步的研究。此外，其他分型的HDAC与p53通路的机制尚未见有文献报道。

2.2 HDAC-EGFR通路

表皮生长因子受体(Epidermal Growth Factor Receptor，EGFR)属酪氨酸激酶型受体，其结构包含胞外配体结合域、输水跨膜区和胞质酪氨酸激酶域，最早在20世纪80年代被发现并认为其突变或过表达可引发肿瘤[13]。例如，EGFR胞外配体结合域与钠依赖性葡萄糖转运蛋白(Sodium-glucose Cotransporter 1，SGLT1)整合并介导葡萄糖跨细胞膜转运，调节肿瘤细胞内葡萄糖水平，当EGFR下调时可使SGLT1表达缺失，导致肿瘤细胞内葡萄糖水平降低，直接影响肿瘤细胞生长[14]。磷酸肌醇3-激酶(PI3K)、雷帕霉素靶蛋白(mTOR)、信号转导和转录激活因子3(Signal Transducers and Activators of Transcription 3, STAT3)和自噬相关基因Beclin1都是EGFR下游通路的重要信号分子，EGFR酪氨酸激酶域与配体结合并激活EGFR二聚化作用后主要调节Ras和Beclin1促进细胞自噬，通过PI3K-PDK1-AKT-mTOR和STAT3相关信号通路调控细胞自噬[15]。以上通路的异常激活可促进CRC细胞的增殖和发展。

Chou等[16]研究显示，CREB结合蛋白(CREB-binding Protein, CBP/CREBBP)、SP1和HDAC3可能是EGFR启动子的开关，共同促进EGFR的转录，影响CRC的预后。此外，HDAC4可能通过激活细胞外调节蛋白激酶(Extracellular Regulated Protein Kinases 1/2, ERK1/2)通路使上皮渗漏相关蛋白紧密连接蛋白2(Claudin-2)表达增加，而过表达的Claudin-2参与调控CRC细胞的侵袭和转移[17]。以上研究表明，HDACs可通过多种途径上调EGFR，促进CRC的发生发展。

2.3 HDACs相关的其他通路

DNA损伤相关蛋白(Ku70)在生理情况下与水溶性相关蛋白Bax和HDACs相互结合，防止游离的Bax进入线粒体，促进细胞的凋亡[13]。据文献报道，在CRC中HDACi可以诱导Ku70乙酰化，使Bax蛋白游离并促进细胞凋亡[18]。这提示HDACi发挥了HATs的作用，再次验证了HDACs和HATs量的平衡在CRC发生中的重要性。Minucci等[9]提出，HDAC6在胞质内大量激活热休克蛋白90(Heat Shock Protein 90，HSP90)并与蛋白相互结合，稳定和保护肿瘤细胞靶蛋白分子构象。研究发现CRC中HDAC6上调可影响CRC的预后，其中可能涉及HDAC6与HSP90相关通路，但具体机制仍需更深入的研究[19]。

3 HDACi作用机制与应用前景

HDACi是一类可以干扰HDACs作用的化合物，其通过基因水平和蛋白水平抑制细胞内应激反应通路、增加活性氧的产生等抑制癌细胞的增殖并阻断血管生成，以其毒性小、特异性强的特点一直备受关注[20]。一般根据化学结构将HDACi分为4类：(1)羟肟酸类，包括曲古抑菌素A(TSA)、伏立诺他(SAHA)、帕比司他(LBH589)、贝利司他(PXD101)；(2)环肽类，包括罗米地辛(FK228)；(3)联苯酰胺类，包括恩替诺特(MS-275)和MGCD0103；(4)短链脂肪酸类，包括丙戊酸(VPA)、苯基丁酸(PBA)和丁酸盐[21]。

3.1 HDACi的常见应用

恩替诺特、丙戊酸等药物在CRC细胞中被证实其能通过介导p53的DNA损伤应答作用等途径发挥抗癌作用[22]。伏立诺他可通过下调胸苷酸合酶(Thymidylate Synthase, TS)表达抑制mutp53的表达，经伏立诺他处理后的CRC细胞出现KRAS上调和乙酰化组蛋白H3和H4增加现象，且呈时间和剂量依赖性[23]。但有学者发现，伏立诺他对包括CRC在内的实体肿瘤敏感性差，该现象可能与mutp53的上调有密切联系[24]。这提示mutp53可能在CRC中通过其他调节轴削弱伏立诺他的疗效，具体机制有待进一步研究。

研究表明，低浓度丁酸盐可激活BAX/BCL2通路刺激肿瘤细胞凋亡，发挥抗肿瘤增殖作用[25]。丁酸酯是丁酸盐的化学合成产物，十字花科蔬菜产生的萝卜硫素是一种类似丁酸酯的HDACi，在CRC细胞和小鼠模型中具有抗癌特性[26]。Waby等[27]发现丁酸盐促进SP1乙酰化并激活KRAS启动子，通过细胞周期停滞影响CRC细胞生长。由此可见，丁酸盐可通过多种途径发挥作用，在CRC治疗的研究中占重要地位。

KRAS还是EGFR重要的下游调控基因，野生型KRAS上调是CRC治疗效果的有效指标，但突变型KRAS可不受EFGR调控而直接激活RAS-ERK通路产生效应。正常情况下，EGFR激活产生活化的野生型KRAS被快速灭活，而在KRAS突变的肿瘤细胞中EGFR的持续激活加速肿瘤细胞的增殖[28]。目前针对EGFR蛋白的靶向治疗药物仍以非HDACi药物占主导，如西妥昔单抗和帕尼单抗[29]，但由于进一步的研究发现KRAS突变体可以直接绕过EFGR通路激活ERK/AKT磷酸化，削弱非HDACi的作用，使耐药性问题日渐凸显，故迫切需要寻求更有效的药物疗法。研究表明，联合酪氨酸激酶抑制剂拉帕替尼和HDACi帕比司他处理发挥协同作用以抑制CRC细胞的增殖和集落形成。同样，在LoVo细胞KRAS突变体CRC异种移植模型中，这两种药物组合作用比任何一种单独的药物显示出更强的抗肿瘤活性[30]。故深入研究HDACi药物的作用机理对CRC治疗有广阔的前景。

HDACi6能使HSP90发生乙酰化修饰，削弱HSP 90对肿瘤细胞蛋白的保护作用，还可以使HSP90的三磷酸腺苷(Adenosine Triphosphate，ATP)功能失活，导致HSP90介导的信号通路被破坏[31]。帕比司他单独使用时，可通过促进组蛋白H3和H4及HSP90的乙酰化来发挥作用。17-AAG是一种 HSP90抑制剂，其与帕比司他联合用药抗肿瘤的效果更佳[32]。17-AAG已经进入II期临床试验，而帕比司他仍处于I期评估阶段，其在CRC的作用仍有待观察。

3.2 HDACi的免疫疗法

HDACi是强有力的免疫增强抗肿瘤药物，能提高单核细胞、巨噬细胞和树突状细胞启动细胞凋亡的效率，如提高NKG2D(NK-gene 2D)配体在CRC细胞的表达，因此利用HDACi可作为肿瘤免疫治疗的辅助药物[33]。HDACi还能增加癌细胞免疫原性，如使用伏立诺他和帕比司他药物处理后，CRC细胞可在完整的免疫系统作用下诱导免疫原性死亡[34]。然而，由于伏立诺他、丙戊酸等药物在一定条件下对自然杀伤(NK)细胞有毒性，具有双重作用，故HDACi治疗方案的选择必须慎重，且需要更多的研究对其作用加以验证。

Okada等[35]研究发现，FK228与5-FU联合使用可使主要组织相容性复合体Ⅱ(MHC Ⅱ)类分子和KRAS蛋白表达增加，诱导细胞周期阻滞，使CRC对化疗作用更敏感。有学者认为，HDACi可辅助细胞因子、抗原呈递组分和T细胞亚群的作用共同调节肿瘤微环境，利用免疫抑制剂联合化学免疫疗法有望对CRC以及其他肿瘤患者的治疗起到良好的效果[36]。另外，丁酸盐可通过抑制巨噬细胞下调促炎细胞因子，调节肠道免疫系统维持肠道稳态[37]。然而，目前HDACi治疗CRC未在临床进行大范围使用，仍需大量研究来论证其作用效果和安全性。

4 展望

表观遗传学在癌症诊断和治疗方面的应用，尤其是乙酰化作用在抗癌中的应用越来越为广大学者们所热衷。HDACs作为乙酰化作用过程中重要的蛋白酶，通过多种细胞通路诱导或促进CRC的发生和发展，其中还有大量未知及复杂的通路有待挖掘和研究。HDACi具有抗肿瘤作用强和不良反应小的特点，在药物治疗方面彰显了极强的优势，同时在CRC免疫疗法方面也有很好的协同作用，有望被广泛应用于CRC的临床治疗。深入研究基于乙酰化作用的疗法，对CRC患者的治疗和生存期的延长方面具有重要临床意义。