组蛋白去乙酰化酶3研究进展

【摘 要】组蛋白去乙酰化酶（ histone deacetylases，HDACs）是目前受到广泛研究的一类酶，其催化组蛋白去乙酰化的功能在染色体结构修饰、基因表达调控中发挥着重要作用，与真核生物致癌、细胞周期阻滞、细胞凋亡、恶性疾病的病理分级等领域关系密切。其中，HDAC3在人类肿瘤中起致癌作用，与癌症的发生、发展息息相关，其表达量也可作为癌症患者预后评估的重要指标。此外，其在中枢神经系统疾病、促血管修复等方面也发挥相关作用。本文主要围绕HDAC3，综述了其结构、抑制剂和激动剂，及其相关疾病等方面的研究进展。

【关键词】组蛋白去乙酰化酶3；结构；抑制剂；疾病

1 HDAC3的结构

人体中的组蛋白去乙酰化酶（ histone deacetylases，HDACs）具有多种亚型，根据其与酵母HDACs之间的同源性差异可分为四类。HDAC3属于第一大类，其序列与酵母中Rpd3蛋白同源，主要位于细胞核内，在细胞质中也有所分布。

HDAC3 N端为催化结构域[1]，C端的延伸区域可被磷酸化修饰，从而增强其去乙酰化酶活性[2]。HDAC3对锌存在依赖性[3]，锌离子位于催化结构域核心，与周围的组氨酸和天冬氨酸残基侧链及一分子水相互作用，参与去乙酰化酶的催化反应。HDAC3的催化结构域还含有两个金属离子结合位点，能分别结合一个钠离子或钾离子，两个金属离子的结合起到稳定去乙酰化酶整体结构的作用，其中位点1的金属离子可促进锌离子的结合，对去乙酰化酶的催化产生一定影响。HDAC3需要通过与其他蛋白相互作用形成SMRT/NCoR共抑制复合体，才能展现其较强的去乙酰化酶活性。

2 HDAC3抑制剂

组蛋白去乙酰化酶抑制剂（histone deacetylase inhibitors， HDACIs）具有阻断细胞周期和选择性凋亡肿瘤细胞的功能。HDACs是治疗癌症的重要靶点，其抑制剂可使癌细胞停止生长、分化，进而使癌细胞凋亡。HDACIs与抗肿瘤药物共同作用，可明显增强其抑制肿瘤的效果[4]。此外，HDACIs在其他相关疾病中也起到了一定作用，因此对于HDACIs的研究具有极高的利用价值。

曲古抑菌霉素A（trichostatinA， TSA）是最早被研究的羟肟酸类HDAC抑制剂之一。TSA通过羟肟酸与锌离子结合从而影响酶活性，但TSA在人体内稳定性差，难以在临床上得以运用。研究人员在TSA的结构基础上加以优化改造，得到伏立诺他（vorinostat），并成功运用于临床。随后，又出现了环肽类、苯甲酰胺类、短链脂肪酸类等结构类型的抑制剂[5]。然而，这些类型的抑制剂对于HDAC亚型的选择性不强，越来越多的不良反应暴露使人们加强了对亚型选择性抑制剂的发掘力度。

目前，对于I类HDAC选择性抑制剂的研究相对较多。苯甲酰胺类抑制剂对I类HDAC的选择性较高，其离子结合区的苯甲酰胺基团在对亚型的选择性上有着至关重要的作用。优化改造苯甲酰胺类抑制剂的锌离子结合区域可以得到一些具有较好选择性的化合物[6]。除苯甲酰胺类化合物外，部分环肽类抑制剂对I类HDAC也具有较好的选择性。同时，TSA改造后的衍生物也可通过酰胺键和苯环作为连接键对I类HDAC进行选择性抑制[7]。这表明，对于连接键的特定改造可以增强选择性。

3 相关疾病

3.1 肿瘤

HDACs作为一种新型致癌因子，可从基因表达调控、信号传导等方面诱导肿瘤发生，其中HDAC3与多种肿瘤发生有关，且其表达量也影响着患者的预后评估[8]。

尽管HDAC3在乳腺癌发生前对乳腺起一定保护作用，但在形成肿瘤后，会催化相关蛋白，影响多种癌基因或抑癌因子的表达量，从而促使肿瘤的发生与发展[9]。研究人员也在结肠癌组织中发现，HDAC3表达量明显高于癌旁组织，可影响结肠癌的侵袭力及淋巴结转移，因此可将HDAC3表达量作为结肠癌恶性程度及预后的反映指标[10]。此外，HDAC3在卵巢癌细胞粘附和迁移[11]、肺腺癌预后[12]等方面都发挥相关作用，是癌症发生、发展的危险因子。

在癌症发展过程中，肿瘤细胞通过变形和细胞外基质重塑，形成不依赖内皮并具有供血功能的管道结构，满足自身生长需求，称之为血管生成拟态 （vascular mimicry， VM），VM的生成度与患者的生存预后呈负相关。HDAC3作为VM生成的关键因子之一，可通过PI3K/ ERK-MMPS-LAMC2通路调节VM[13]，抑制HDAC3蛋白的表达水平可抑制VM生成。

由此可见，HDAC3与肿瘤息息相关，因此相关抑制剂的临床应用可增强肿瘤治疗效果。肿瘤患者的NK细胞功能通常受损，促进其功能修复是肿瘤免疫疗法的重要途径。HDACIs可上调MICA分子（即NKG2D配体）的表达量，从而增加NKG2D（即NK细胞的活性化受体）的表达量，增强NK细胞对肿瘤细胞的杀伤作用。此外，HDACIs还可通过抑制miR-17-92基因簇及其相关旁系同源物来修复NK细胞，但其机制尚未完全了解[14]。

HDACIs具有高效低毒强抗癌作用，然而其作用机制仍需深入研究，HDAC3选择性抑制剂将为肿瘤治疗药物的研发提供方向。

3.2 中枢神经系统疾病

在人类脑部的海马、皮质和小脑等部位，HDAC3是表达量最高的一类组蛋白去乙酰化酶，其主要表达在神经元，也有少量表达在少突胶质细胞。HDAC3在大脑发育过程中起着至关重要的作用，包括对神经层的调节，对胶质细胞的调控，以及小脑的发育等方面，而这些功能是HDAC家族其他成员所无法替代的[15]。

阿尔茨海默症（Alzheimer’ s disease， AD）初期的症状表现为记忆恢复功能障碍。Mc Quown等发现HDAC3是一种调节长時程记忆形成的关键蛋白[16]。在敲除HDAC3和服用HDAC3选择性抑制剂的小鼠中，组蛋白显著磷酸化，长时程记忆形成功能增强。此外，HDAC3具有较强的细胞选择性神经毒性[17]。与AD发生相关的GSK-3β通路可直接磷酸化HDAC3，同时抑制GSK-3β通路可降低HDAC3的神经毒性。

在脑缺血再灌注早期，HDAC3的表达量显著升高，使用HDAC3 shRNA干扰神经元中的HDAC3可使缺糖缺氧介导的神经元死亡现象明显减少，这说明HDAC3在缺血性卒中影响重大[18]。

此外，HDAC3还与亨廷顿氏舞蹈症、Friedreich 共济失调等中枢神经系统疾病有关[19]。

3.3 糖尿病

糖尿病是最难治疗的慢性疾病之一，持续高血糖是其基本特征。2型糖尿病发展的先决条件是胰腺β细胞未能弥补胰岛素耐受性。选择性抑制HDAC3可保护胰腺β细胞减缓炎症反应和代谢损伤，改善高血糖且不影响体重增加。因此HDAC3可作为2型糖尿病的一个治疗靶点[20]。

肥胖也是导致2型糖尿病发生的诱因之一。相关研究表明，骨骼可作为胰岛素敏感器官[21]，参与调控系统的葡萄糖和能量代谢。骨祖细胞群中HDAC3的有条件缺失可降低体内脂肪和空腹血糖水平，并且敲除HDAC3的动物仍能维持对胰岛素的敏感性。HDAC3在骨细胞方面的代谢调控作用尚未完全了解，但目前研究表明，HDAC3骨骼调节能量代谢中具有重要功能[22]。

糖尿病可引起各种并发症，对患者生命造成严重危害。而糖尿病血管病变是导致并发症的主要原因[23]，其大大提高患者的致病率及致死率。患者血管发生病变是由于高血糖的生理环境导致内皮细胞产生大量过氧化物及炎症因子[24，25]，而促进血管新生的aFGF等生长因子表达量降低[26]，阻碍了内皮细胞的修复。aFGF通过调控ERK1/2和HDAC3的活性，参与血管内皮细胞的生长、分化、迁移等生理过程，在血管修复中扮演了重要角色[27]。其中HDAC3可促进内皮细胞出芽、迁移[28]，影响管腔样结构形成[29，30]。

4 结语

HDAC3在人体中参与调控多种生理活动，与许多重大疾病的发生、诊治密切相关。目前，针对HDAC3的结构、功能研发的相关药物取得了一定成果。然而，与HDAC3相关的众多疾病中其具体作用机制仍存在许多未知需要去探索。针对HDAC的抑制剂在临床上具有非常重要的实用价值，但目前开发的抑制剂大多为广谱抑制剂，因此研发对HDAC亚型具有高选择性的抑制剂是目前亟需解决的问题。总之，HDAC3在众多重大疾病中显现的巨大开发潜力将成为推动该领域继续深入探索的强大动力。

参考文献

[1]Xiangjiao Yang E S. The Rpd3/Hda1 family of lysine deacetylases： from bacteria and yeast to mice and men[J]. Nature Reviews Molecular Cell Biology， 2008， 9（3）：206.

[2]Sengupta N， Seto E. Regulation of histone deacetylase activities[J]. Journal of Cellular Biochemistry， 2004， 93（1）：57-67.

[3]Baltan S， Morrison R S， Murphy S P. Novel Protective Effects of Histone Deacetylase Inhibition on Stroke and White Matter Ischemic Injury[J]. Neurotherapeutics the Journal of the American Society for Experimental Neurotherapeutics， 2013， 10（4）：798.

[4]何世鵬. 基于HDAC多靶点抑制剂的设计、合成与抗肿瘤活性研究[D]. 福建中医药大学，2015.

[5]史祥飞， 叶清泉， 薛阳，等. 苯甲酰胺组蛋白去乙酰化酶抑制剂的合成及抗肿瘤活性[J]. 解放军药学学报， 2011， 27（2）：99-102.

[6]Zhou N， Moradei O， Raeppel S， et al. Discovery of N-（2-aminophenyl）-4-[（4-pyridin-3-ylpyrimidin-2-ylamino）methyl]benzamide （MGCD0103）， an orally active histone deacetylase inhibitor.[J]. Journal of Medicinal Chemistry， 2008， 51（14）：4072-4075.

[7]Park J H， Jung Y， Kim T Y， et al. Class I histone deacetylase-selective novel synthetic inhibitors potently inhibit human tumor proliferation[J]. Clinical Cancer Research， 2004， 10（15）：5271.

[8]周萍， 王莉， 王琼，等. 乳腺癌组蛋白去乙酰化酶1/2/3表达与分子分型及临床指标间的关系[J]. 四川医学， 2015（7）：913-917.

[9]Müller B M， Jana L， Kasajima A， et al. Differential expression of histone deacetylases HDAC1， 2 and 3 in human breast cancer - overexpression of HDAC2 and HDAC3 is associated with clinicopathological indicators of disease progression[J]. BMC Cancer， 2013， 13（1）：215.

[10]姚志新， 徐岷， 張尤历，等. HDAC3在结肠癌组织中的表达及其临床病理相关性[J]. 江苏医药， 2012， 38（12）：1410-1412.

[11]Hayashi A， Horiuchi A， Kikuchi N， et al. Type-specific roles of histone deacetylase （HDAC） overexpression in ovarian carcinoma： HDAC1 enhances cell proliferation and HDAC3 stimulates cell migration with dowegulation of E-cadherin.[J]. International Journal of Cancer， 2010， 127（6）：1332–1346.

[12]Minamiya Y， Ono T， Saito H， et al. Strong expression of HDAC3 correlates with a poor prognosis in patients with adenocarcinoma of the lung[J]. Tumor Biology， 2010， 31（5）：533-539.

[13]刘晓. 组蛋白去乙酰化酶-3与胶质瘤血管生成拟态的相关性[D]. 南方医科大学， 2015.

[14]杨华. 组蛋白去乙酰化酶抑制剂对肿瘤相关基因的表观遗传调控及抗肿瘤作用分子机制研究[D]. 山东大学， 2014.

[15]Norwood J， Franklin J M， Sharma D， et al. Histone Deacetylase 3 Is Necessary for Proper Brain Development[J]. Journal of Biological Chemistry， 2014， 289（50）：34569-82.

[16]Mc Quown SC， Barrett RM， Matheos DP， et al. HDAC3 is acritical negative regulator of long-term memory formation[J]. Neurosci， 2011， 31（2）： 764-774.

[17]Bardai F H， D’Mello S R. Selective toxicity by HDAC3 in neurons： Regulation by Akt and GSK3β[J]. Journal of Neuroscience， 2011， 31（5）：1746-1751.

[18]Chen Y T， Zang X F， Pan J， et al. Expression patterns of histone deacetylases in experimental stroke and potential targets for neuroprotection[J]. Clinical & Experimental Pharmacology & Physiology， 2012， 39（9）：751-8.

[19]赵秋宸， 徐运. 组蛋白去乙酰化酶3在神经系统疾病中的研究进展[J]. 国际神经病学神经外科学杂志， 2015， 42（4）：384-388.

[20]Lundh M， Galbo T， Poulsen S S， et al. Histone deacetylase 3 inhibition improves glycaemia and insulin secretion in obese diabetic rats[J]. Diabetes Obesity & Metabolism， 2015， 17（7）：703-707.

[21]Clemens T L， Karsenty G. The osteoblast： an insulin target cell controlling glucose homeostasis.[J]. Journal of Bone & Mineral Research the Official Journal of the American Society for Bone & Mineral Research， 2011， 26（4）：677-80.

[22]Mcgee-Lawrence M E， White T A， Lebrasseur N K， et al. Conditional deletion of Hdac3 in osteoprogenitor cells attenuates diet-induced systemic metabolic dysfunction[J]. Molecular & Cellular Endocrinology， 2015， 410（C）：42-51.

[23]Berezin A E. Endothelial progenitor cells dysfunction and impaired tissue reparation： The missed link in diabetes mellitus development[J]. Diabetes & Metabolic Syndrome Clinical Research & Reviews， 2016.

[24]Kamali K， Korjan E S， Eftekhar E， et al. The role of miR-146a on NF-κB expression level in human umbilical vein endothelial cells under hyperglycemic condition[J]. Bratislavské Lekárske Listy， 2016， 117（7）：376.

[25]Saad M I， Abdelkhalek T M， Saleh M M， et al. Insights into the molecular mechanisms of diabetes-induced endothelial dysfunction： focus on oxidative stress and endothelial progenitor cells.[J]. Endocrine， 2015， 50（3）：537-567.

[26]Fernandesfreitas I， Owen B M. Metabolic roles of endocrine fibroblast growth factors.[J]. Current Opinion in Pharmacology， 2015， 25：30.

[27]Gourlaouen M， Welti J C， Vasudev N S， et al. Essential Role for Endocytosis in the Growth Factor-stimulated Activation of ERK1/2 in Endothelial Cells[J]. Journal of Biological Chemistry， 2013， 288（11）：7467.

[28]Kaluza D， Kroll J， Gesierich S， et al. Class IIb HDAC6 regulates endothelial cell migration and angiogenesis by deacetylation of cortactin[J]. Embo Journal， 2011， 30（20）：4142.

[29]Jeon H W， Lee Y M. Inhibition of histone deacetylase attenuates hypoxia-induced migration and invasion of cancer cells via the restoration of RECK expression.[J]. Molecular Cancer Therapeutics， 2010， 9（5）：1361.

[30]Li D， Xie S， Ren Y， et al. Microtubule-associated deacetylase HDAC6 promotes angiogenesis by regulating cell migration in an EB1-dependent manner[J]. Protein & Cell， 2011， 2（2）：150-160.

基金項目：

温州医科大学本专科学生科研项目（wyx2017101014）

通讯作者：

金利泰，教授

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