组蛋白乙酰化修饰与基因表达调控

组蛋白乙酰化修饰与基因表达调控

随着美国肿瘤研究协会（nationalacademyofpresbyterianmedicalcenter）提出的人类表面遗传计划的概念，肿瘤的表面遗传因素的形成变得越来越受研究人员的关注。近年来,随着对肿瘤认识的深入,发现DNA序列以外的调控机制异常在肿瘤的发生、发展过程中更为重要的作用,这种调控机制被称为表观遗传学(Epigenetics),表观遗传学改变被认为是肿瘤病理生理过程中最重要的分子事件之一。基因的表达除了决定于DNA序列所传递的遗传学信息之外,还决定于DNA序列以外的表观遗传学信息。组蛋白乙酰化在近年提出的表观遗传学理论中占有重要地位,组蛋白乙酰化可以影响细胞内染色质结构,从而参与特定位点的基因转录调控,在细胞生长和分化过程中起重要作用。在后基因组时代,随着对组蛋白乙酰化在基因转录调控中作用机制认识的深入,组蛋白去乙酰化酶抑制剂在肿瘤治疗中的作用也越来越受到重视。1对组蛋白的调节组蛋白有多种共价修饰方式,其中乙酰化修饰是基因转录调控的重要机制,组蛋白翻译后修饰所引起的染色质结构重塑在真核生物基因表达调控中发挥着重要的作用。组蛋白与细胞内遗传物质DNA密切结合,在组蛋白的尾部有多种化学修饰作用,组蛋白尾部这种特殊修饰的组合形式,提供了转录调控效应蛋白结合位点,可以改变和DNA的结合状态,达到有效调节染色质转录状态的动力学转换,进而影响基因的表达。所以,组蛋白不仅有结合DNA的作用,而且组蛋白乙酰化直接参与基因活化。组蛋白乙酰化状态呈多样性,但特定基因部位的组蛋白乙酰化和去乙酰化并非随机的,作用的位点有特异的区域。组蛋白乙酰化状态呈多样性,特定基因部位的组蛋白乙酰化以位点特异方式进行。组蛋白乙酰化主要由组蛋白乙酰化酶(histoneacetylases,HATs)和组蛋白去乙酰化酶(Histonedeacetylases,HDACs)催化完成。HATs通过在组蛋白的N端赖氨酸残基上引入疏水的乙酰基,使DNA与组蛋白间的静电引力和空间位阻增大,两者间的相互作用减弱,DNA易于解聚,染色质呈转录活性结构,因此有利于转录因子与DNA模板相结合,进而激活基因转录。相反,HDACs使去乙酰化后带正电的组蛋白与带负电的DNA紧密结合,染色质呈致密卷曲的阻抑结构,从而抑制基因转录。乙酰化酶家族可作为辅激活因子调控转录,调节细胞周期,参与DNA损伤修复。去乙酰化酶家族则和染色体易位、转录调控、基因沉默、细胞周期、细胞分化和增殖以及细胞凋亡相关。HATs和HDACs除调节组蛋白八聚体外,也可调节多种转录因子、细胞周期素以及信号级联分子等非组蛋白的乙酰化。HDACs可以严格调控p53乙酰化,用乙酰化去乙酰化酶抑制剂TrichostatinA(TSA),处理后,细胞内乙酰化p53的比例显著增高。近来人们纯化出脱乙酰化复合物中p53的靶蛋白PID,PID的表达明显抑制p53依赖的转录激活,p53373/382位点赖氨酸乙酰化可以诱导p21的表达。p21是分化相关的基因,阻断周期素依赖性激酶活性,对细胞生长阻滞发挥重要作用,组蛋白乙酰化酶抑制剂SuberoylanilideHydroxamicAcid(SAHA)诱导p21基因相关的染色质乙酰化组蛋白累积,并与转录增加相关。p27Kip1是细胞内广泛的调控细胞周期并抑制细胞分裂的重要因子,组蛋白去乙酰化酶抑制剂所介导的细胞周期G1期阻滞与细胞内p27Kip1表达增加密切有关。p27Kip1作为细胞周期素依赖性激酶抑制因子参与细胞周期的负性调控,在多种肿瘤细胞内p27Kip1蛋白低水平表达,且错位分布于细胞核外。p27Kip1被认为是人类多种肿瘤独立的预后因子和未来可能的肿瘤治疗靶点。p27Kip1蛋白作为一种抑癌基因,在肿瘤细胞内很少存在突变和甲基化,我们近期的研究也提示磷酸化位点人工诱变后并没有明显改变其细胞周期阻滞和生长抑制作用,提示乙酰化修饰可能参与调控p27Kip1的生物学活性,而且已有研究也证实组蛋白去乙酰化酶抑制剂参与p27Kip1蛋白的表达调控。可见,通过改变组蛋白乙酰化修饰来调控p27Kip1蛋白表达和分布可能成为未来肿瘤治疗的潜在思路。靶基因的启动子区SP1位点对HDACs抑制剂的诱导上述基因转录的效应起重要作用,组蛋白去乙酰化酶抑制剂apicidin可以通过SP1位点诱导cyclinE表达。SP1含有HDACs募集转录复合物结合位点,正常情况下抑制基因转录,HDACs抑制剂解除抑制转而激活这些静止基因转录,有助于转化细胞的生长阻滞、分化和凋亡。细胞内乙酰化与去乙酰化平衡动态调控靶基因的稳定表达,从而维持细胞的正常生理和生化过程,而在多种肿瘤中均涉及组蛋白去乙酰化酶活性异常,组蛋白过度去乙酰化引起抑癌基因表达抑制或癌基因激活和过度表达,导致肿瘤发生。目前的研究证实,在肿瘤细胞中组蛋白大多数呈低乙酰化状态,而组蛋白的乙酰化状态的失衡与肿瘤的发生密切相关,组蛋白乙酰化的失衡可以导致染色质重构,进而导致调控细胞周期进程、分化和凋亡的基因转录失调。2治疗肿瘤的优化组蛋白乙酰化表观遗传编码(Epigeneticcode)是指通过改变DNA双链与组蛋白间紧密度来调控基因转录表达的过程。表观遗传编码的生理作用是通过组蛋白修饰和DNA甲基化,调控细胞在适当的时间和空间位置表达适当的基因,从而控制细胞的增殖分化,表观遗传编码紊乱常常参与肿瘤细胞的发生。组蛋白修饰相关酶在表观遗传编码机制中具有重要作用,组蛋白乙酰化和去乙酰化与基因的表达调控密切相关。HATs和HDACs之间的动态平衡控制着染色质的结构和基因的表达,它们的功能紊乱是肿瘤发生发展的重要分子机制。组蛋白乙酰化是可逆的动态过程,可逆性的组蛋白乙酰化平衡对维持染色质结构和调节基因表达有着至关重要的作用。组蛋白乙酰化可以激活特定基因的转录过程,组蛋白去乙酰化使基因启动子不易接近转录调控元件,从而抑制转录。目前研究发现催化组蛋白乙酰化的HAT(例如p300/CBP、pCAF、ACTR等)或催化组蛋白去乙酰化的HDAC可与一些癌基因和抑癌基因产物相互作用,从而修饰或介导这些产物对与细胞分化和细胞增殖有关的基因转录的作用。HAT内源活性的p300/CBP基因的突变与肿瘤的发生密切相关。在人类白血病,如急性髓系白血病(AML),急性淋巴细胞白血病(ALL)和骨髓增生异常综合征(MDS)中,CBP与MLL基因融合,在AML中CBP与MOZ基因融合。Yang等研究E1a原癌蛋白能够促进肿瘤细胞的增殖和抵抗凋亡,确切的分子机制是因为E1a原癌蛋白抑制p300/CBP和p/CAF本身HAT的活性,从而抑制组蛋白乙酰化。另外,非组蛋白直接募集HDAC,从而促进组蛋白去乙酰化,导致染色质凝缩,阻碍转录起始复合物的形成而抑制转录,这种作用能被HDAC抑制剂所阻断。利用HDACs抑制剂对染色质结构进行修饰和基因表达调控已成为肿瘤治疗的一种新思路,并已显示出肿瘤令人瞩目的治疗前景,用HDAC抑制剂对白血病和实体瘤进行治疗,显示了良好的疗效,副作用很少,这说明与传统的化疗药物相比,HDAC抑制剂具有较大的优势。进一步探索HDACs的生物学特性和确切作用机制将有可能设计出更有效的肿瘤治疗药物。3与mda相关的基因组蛋白去乙酰化酶抑制剂(histonedeacetylaseinhibitors,HDAIs)能够诱导细胞周期阻滞,抑制细胞增殖,是一类新型的抗肿瘤药物,目前该类药物在美国已经进入Ⅱ期临床研究。HDAIs抗肿瘤机制包括阻滞细胞周期和促进细胞分化,诱导细胞凋亡,抑制血管生成等。丁酸钠是一种组蛋白去乙酰化酶(HDAC)抑制剂,会引起细胞核内组蛋白的超乙酰化、DNA的甲基化及非组蛋白的修饰,其中以组蛋白的超乙酰化最为重要,与基因表达和抑制细胞生长有关。组蛋白的作用是将DNA包装成核小体,而组蛋白超乙酰化则会导致DNA和组蛋白分离,使转录因子激活特异基因。丁酸钠使组蛋白超乙酰化后,激活一些转录因子,使转录因子结合并激活某些基因,最终可抑制细胞生长,诱导细胞分化。体内外试验证实,HDAIs具有明显的细胞凋亡、增殖抑制和细胞周期阻滞作用。此外,HDAI与多种化疗药物联合用药,也展示了较好的协同治疗作用。联合应用DNA甲基转移酶(Dnmt)抑制剂和HDAC抑制剂可以重新激活MLH1、TIMP3、CDKN2B、CDKN2A和ARHI等抑癌基因,促进肿瘤细胞凋亡。Nimmanapalli等发现,将SAHA和格列卫联合用药,能够使对格列卫耐药的慢性粒细胞白血病细胞再度具有化疗敏感性。尽管如此,HDAIs抗肿瘤确切分子机制仍未完全阐明。热休克蛋白HSP90可能是HDAIs的主要作用靶点,目前研究发现HSP90能够在HDAIs作用下发挥乙酰化修饰。研究发现应用去乙酰化酶抑制剂LAQ824可促进HSP90的乙酰化修饰并抑制其分子伴侣功能,因而导致去结合底物Bcr-Abl激酶的降解,并促进细胞的凋亡。Nakagawa等认为,丁酸钠引起细胞凋亡的机制是其作用于内质网,丁酸钠可引起内质网功能失调,激活Caspase-12,进而剪切Caspase-3,引发细胞凋亡。此外,HDAIs还可能通过阻断与细胞增殖相关的MAPK信号转导途径和抑制端粒酶基因的表达来发挥抗肿瘤作用。HDAI可以引起组蛋白的高度乙酰化,活化基因的表达,但是这些所活化的基因在整个被活化转录的基因中所占比例<2%,而且包括p53、p73、GATA-1、E2F1、c-Jun、RB和HSP90以及HSP70等多种非蛋白也能够发生乙酰化,提示非组蛋白的乙酰化在HDAIs的抗肿瘤机制中也可能起着重要的作用,可见组蛋白乙酰化修饰对靶基因表达调控的确切机制仍有待进一步阐明。4序列改变的基因表达调控方式人类表观基因组计划促进了表观遗传学的发展,多个遗传学和表观遗传学异常事件的积累促进了肿瘤细胞的发生发