赖氨酸特异性脱甲基化酶1 功能研究进展

秦许可 吴英光 钟广青 郭 际 王 磊 杜 洋 陈志远 刘修恒

1.武汉大学人民医院泌尿外科，湖北武汉 430060；2.海南省昌江县医疗集团外一科，海南昌江 572700

组蛋白赖氨酸特异性去甲基化酶1（Histone lysinespecific demethylase 1，LSD1）又称KDM1A、BHC110和AOF2，是黄素腺嘌呤二核苷酸（FAD）依赖性胺氧化酶超家族成员之一。LSD1 由852 个氨基酸组成，包含3 个主要结构域：①N 端的SWIRM 结构域（swi3p/Rsc8p/Moira domain）。对蛋白质-蛋白质相互作用至关重要，有助于蛋白质稳定性的维持。②C 端胺氧化酶样（AOL）结构域。与FAD 依赖性氧化酶有20%的序列相似性。③位于AOL 两叶之间呈茎状的塔形结构域：负责与其辅因子的相互作用[1]。LSD1 是一种重要的表观遗传调节因子，于2004 年首次被发现，且被证明具有去甲基化酶活性[2]。它既可以去除组蛋白H3第4、第9 位赖氨酸上的单、双甲基（H3K4me1/2、H3K9me1/2）作为转录辅抑制因子或转录辅活化因子，其底物特异性取决于与何种分子伴侣相互作用[3]。除了组蛋白底物，LSD1 还可调节大量与癌症相关的非组蛋白底物的甲基化状态，如肿瘤抑制因子p53[4]、转录因子E2F1[5]、脱氧核糖核酸甲基转移酶1（DNMT1）[6]、缺氧诱导因子-1（HIF-1α）[7]和信号转导和转录激活因子3（STAT3）[8]等，导致不同的生物学作用。通过去甲基化组蛋白和非组蛋白，LSD1 可在广泛的细胞生理过程中发挥作用，如细胞增殖[9]、上皮间质转化[10]、自噬[11]、脂肪代谢[12]、干细胞多能性调节[13]和胚胎发育[14]。它的异常表达也与胚胎发育异常、人类癌症发展和其他疾病密切相关[14-15]。虽然LSD1 大多数已知的功能都是依赖于其脱甲基酶活性，但近年来有关报道表明，LSD1 具有功能多样性，它还能以蛋白质间相互作用的方式调节许多细胞生物学过程[16]，但此类生化功能的机制仍然需要更充分的研究来阐明。现就LSD1 最新的功能研究进展予以综述，并讨论其应用的前景。

1 组蛋白去甲基化

LSD1 最典型的功能就是组蛋白去甲基化作用。LSD1 可与不同的辅因子蛋白组成不同的复合物，并以该形式存在于体内。在催化过程中，LSD1 与不同的分子伴侣相互作用会对不同的靶基因产生影响，也会导致LSD1 底物特异性的改变[16]。LSD1 主要的底物是H3K4me1/2，他们是基因转录激活的标志物。当CoREST、CtBP 和NuRD 等复合物与染色质结合后，可以募集LSD1，使其去甲基化靶基因启动子上的H3K4me1/2将染色质塑造成抑制性构象，LSD 此时便成为转录抑制因子[17]。但是，当LSD1 的辅活化子是雄激素受体（AR）或雌激素受体（ER）时，LSD1 的底物便转换为H3K9me1/2，其去甲基化过程可以协同促进AR 或ER激活基因的转录[17]。此外，LSD1 存在剪接变异体（LSD1+8a），其在AOL 结构域内含有4 个额外的氨基酸（外显子8a）[18]。在神经元分化过程中，外显子8a 产生了一个对接位点，使得SVIL 蛋白可以将LSD1 底物转化为H3K9me1/2。另外，LSD1+8a 还被发现可以去除H4K20上的甲基从而促进神经元调节基因的转录[19]。

近年来，长链非编码RNA（lncRNA）与LSD1 也存在着种种联系。lncRNA 可以作为LSD1 和EZH2 等表观遗传酶的分子支架，形成核糖核蛋白复合物，此类复合物在癌症中具有重要作用[20]。例如，HOTAIR 的5’和3’端分别可与PRC2 复合体（EZH2/SUZ12/EEDS）和LSD1 复合体（coREST/REST）结合，调节靶基因H3K27me3 和H3K4me2 的甲基化，介导靶基因的沉默[21]；TERRA 可以在无帽端粒上招募LSD1，促进LSD1和Mre11 之间的相互作用，介导端粒基因沉默[22]；SRA可与抑制性复合物LSD1-HP1γ-HDAC1/2-CoREST结合，使该复合物作用于靶染色质，致使激素调节基因异常表达[23]。除此之外，还有许多这样的lncRNA 被报道，例如Linc00673[24]、FOXD2-AS1[25]、HOTTIP[26]等。

2 非组蛋白去甲基化

除组蛋白底物外，LSD1 还可以调节大量非组蛋白底物的甲基化。LSD1 调节靶蛋白的甲基化状态可以改变其功能。抑癌基因p53 是第一个被发现的该种底物，LSD1 能够使p53 羧基末端二甲基化的K370 位点（K370me2）去甲基化，使得该位点不能被共激活蛋白53BP1 的Tudor 结构域识别，阻断了p53 信号通路的传递，导致细胞增殖失控[4]。此外，STAT3[8]、ERα[27]转录活性都受到LSD1 调控。除了改变靶蛋白功能，LSD1 还可以影响靶蛋白的稳定性。如，甲基化的Dnmt1 蛋白会导致其成为蛋白酶体降解的靶点，而LSD1 可以去除其K142 位点的甲基化，保护其免受蛋白酶体降解，提高它的稳定性[6]。LSD1 还可以去除Ago2 在K726me1 位点的甲基化，促进其蛋白稳定性并积累双链RNA 表达，从而调节肿瘤T 细胞反应[28]。同样的，LSD1 去甲基化也会破坏蛋白质的稳定性，比如MYPT1[29]。类似的作用还可以发生于转录因子E2F1[5]、HIF-1α[7]。总之，LSD1 还可以去甲基化大量非组蛋白底物，导致不同的生物学效应。因此，类似磷酸化或乙酰化，蛋白质赖氨酸甲基化作为一种蛋白质翻译后修饰，也可以看作细胞信号转导途径中重要的调节点。

3 蛋白质-蛋白质间相互作用

最近几年，LSD1 的功能研究取得了重要进展。研究发现，除了去甲基化的方式以外，LSD1 还可与一些细胞内源性蛋白通过非去甲基化的方式相互作用。同样的，这些相互作用也会影响各种细胞生理过程[16]。

过去的观点认为，LSD1 通过去除转录抑制信号H3K9me1/2 的甲基化，促进AR 通路的转录活性，在前列腺癌（PCa）中发挥作用[30]。但Sehrawat 等[31]研究发现，在PCa 中，LSD1 可以不依赖去甲基化酶活性和AR 通路激活癌基因网络。研究发现，沉默PCa 细胞中LSD1 基因后，相关癌基因的H3K4me2 和H3K9me2标记没有发生改变，并且导入外源性去甲基化酶缺陷的LSD1 突变体后，肿瘤细胞的生存能力也能得到恢复。并且LSD1 是通过与结合蛋白ZNF217 之间非催化性的协同作用，共同激活该癌基因网络。此外，有研究称LSD1 能通过破坏p62 的稳定性来抑制妇科癌症细胞的自噬[32]。p62 是调控自噬激活的关键分子，由于存在几个不同的功能结构域，p62 可与不同的蛋白质相互作用[33]。实验中，抑制LSD1 明显激活了肿瘤细胞自噬活动并且升高了p62 蛋白水平。LSD1 可通过自身C 端AOL 结构域直接与p62N 端PB1 结构域结合。但是，该结合并非使p62 去甲基化，而是促进了p62 的泛素化和随后的蛋白酶体降解，从而抑制了P62介导的细胞自噬。另一项研究[34]表明，LSD1 还能够保护雌激素相关受体α（ERRα）免受蛋白酶体降解，且与去甲基化作用无关。ERRα 是一种无天然配体的孤核受体，具有转录调节作用[35]。Carnesecchi 等[34]发现，在乳腺癌中LSD1 高表达与ERRα 高表达有关，且其高表达不改变ERRα 的mRNA 水平。沉默LSD1 基因或用药物抑制LSD1 会导致ERRα 蛋白的稳定性降低。该研究还发现，siRNA 介导的LSD1 缺失会促进ERRα 的泛素化，缩短其蛋白半衰期。最近的一项研究[36]表明，LSD1 可以不依赖去甲基化负向调控FBXW7蛋白的稳定性。FBXW7 是一种F-box 蛋白，并且在SCF-E3 泛素连接酶复合物中负责底物识别。FBXW7是典型的肿瘤抑制因子，它可以泛素化目的癌蛋白，如Cyclin E、c-JUN、c-MYC 等，对其进行蛋白酶体降解[37]。该研究发现LSD1 是FBXW7 的伪底物。具体来说，LSD1 通过其C 端的区域（AA415-852）直接 与FBXW7 的CPD 结合位点结合，阻碍了FBXW7 的二聚化，促进FBXW7 以单体形式自我泛素化，然后通过蛋白酶体和p62 介导的溶酶体途径对其进行降解。但结合后LSD1 并不会被FBXW7 降解，且能竞争性地减弱FBXW7 与真实底物的结合能力。

以上几项研究结果显示，除了去甲基化的方式，LSD1 还可以通过蛋白质间相互作用与目的蛋白相互结合，发挥协同作用或者调节目的蛋白稳定性。此类反应都有一个相同点，那就是去甲基化酶活性缺失的突变体也可以发挥相同的功能，且针对酶活性的抑制剂无法阻断此类反应。此类非典型的功能作为LSD1功能研究的新方向，未来一定会有更多类似的相关报道出现。

4 总结

LSD1 由于存在多个结构域，故其功能也具有多样性，且在许多细胞生理过程中具有关键作用。因为LSD1 在多种肿瘤中表达异常，且往往与不良预后有关，所以它常被认为是潜在的抗癌治疗靶点。目前，一系列LSD1 抑制剂已被投入临床试验研究，如ORY-1001、GSK-2879552、RG6016、INCB059872 等。但过去的研究往往集中于LSD1 去甲基化作用，其抑制剂的研究也大多以阻断LSD1 脱甲基酶活性为基础。但是，单纯的LSD1 酶活性抑制剂往往难以取得令人满意的抑癌效果[31]。LSD1 通过与不同蛋白之间的相互作用促进肿瘤发生发展是最近几年才被发现的新机制，该发现极大地扩展了LSD1 的生物学作用范围。相比于其典型的功能，针对此类功能的研究目前还较少，但未来一定还会有更多类似的相关报道出现。如上所述，随着LSD1 更多的功能逐渐被发现，以其为靶点的药物研究不应仅仅局限于抑制其去甲基酶活性。研究效力更强、特异性更高且能阻断LSD1 非典型功能的抑制剂，将成为未来LSD1 靶向药物设计的新方向。