组蛋白去乙酰化酶4与人类疾病.doc

组蛋白去乙酰化酶 4 与人类疾病 张頔 穆冠群 杨洋 北京大学基础医学院生物化学与分子生物学系 摘 要： 组蛋白去乙酰化酶 4 (histone deacetylase 4, HDAC4) 是一类依赖锌的去乙酰化酶, 属于Ⅱ类组蛋白去乙酰化酶 (histone deacetylases, HDACs) , 主要具有去乙酰化酶的活性HDAC4 由去乙酰化酶结构域发挥去乙酰化酶的作用, 还具有核定位序列和核输出序列, 通过转录后与翻译后水平的修饰可在细胞核和细胞质之间穿梭, 进而参与多种调节过程近年来的研究发现, HDAC4 可参与基因的转录调控、细胞凋亡、代谢等诸多生物进程, 在多种疾病的发生发展中发挥重要作用本文主要从 HDAC4 的结构、去乙酰作用、自身的修饰及其在核浆中的穿梭作用对其进行概述, 同时对其在骨关节炎、心血管疾病、肌萎缩性侧索硬化症等不同疾病中的作用、相关的分子机制及组蛋白抑制剂在肿瘤中的应用等方面的研究进展进行综述关键词： 组蛋白去乙酰化酶 4; 骨关节炎; 癌症; 组蛋白去乙酰化酶抑制剂; 作者简介：杨洋, Tel:010-82801602;E-mail:yangsh@基金：国家自然科学基金 (No.81672778, 81372165) Histone Deacetylase 4 and Human DiseasesZHANG Di MU Guan-Qun YANG Yang Department of Biochemistry and Molecular Biology, Peking University Health Science Center; Abstract： Histone deacetylase 4 ( HDAC4) , a member of class Ⅱ histone deacetylases ( HDACs) , has originally been defined as a family of zinc-dependent histone deacetylases with a main activity of histone deacetylation. HDAC4 has a deacetylase domain, a nuclear localization sequence and a nuclear export sequence. It shuttles between the nucleus and cytoplasm by post-transcription and post-translation modifications. It has been reported that HDAC4 is involved in many biological processes such as gene transcription, cell apoptosis, metabolism as well as in the development of many diseases. This review focuses on the structure, deacetylation function and post-translational modifications of HDAC4, and discusses related molecular mechanisms of HDAC4 in osteoarthritis, cardiovascular diseases, amyotrophic lateral sclerosis, cancer and other diseases as well as the therapeutic roles of HDAC inhibitors.Keyword： histone deacetylase 4; osteoarthritis; cancer; histone deacetylase inhibitor; 组蛋白的乙酰化和去乙酰作用在基因转录调控中发挥着重要的作用。

组蛋白通过组蛋白乙酰基转移酶 (histone acetyltransferase, HAT) 发生乙酰化, 参与染色质重塑与激活基因转录相反, 组蛋白去乙酰化酶 (histone deacetylases, HDACs) 可从组蛋白的 ε-N-乙酰赖氨酸中去除乙酰基, 使染色质凝集, 抑制基因转录激活根据其与酵母细胞去乙酰化酶的同源性, HDACs被划分为 4 个不同的家族, 即Ⅰ, Ⅱ, Ⅲ, Ⅳ类[1]Ⅰ类 HDACs (HDAC1、-2、-3、-8) 与 Rpd3 同源, 主要定位于细胞核中, 在组织中广泛表达;Ⅱ类HDACs (HDAC4、-5、-6、-7、-9、-10) 和 Hda1 有高度同源性, 在组织中特异性表达;Ⅳ类 HDAC (HDAC11) 与 Rpd3 和 Hda1 都有同源性这 3 类 HDACs 酶活性都依赖于锌离子结构域[1]而Ⅲ类 HDACs-Sirtuins (silent information regulators, SIR) 是一类依赖于烟酰胺腺嘌呤核苷酸 (NAD) 的去乙酰化酶, 具有依赖 NAD 的独特酶促反应机制[2]Ⅱ类 HDACs 依据其结构域的不同, 又可划分为Ⅱa 类 (HDAC4, HDAC5, HDAC7 和 HDAC9) 和Ⅱb 类 (HDAC6 和 HDAC10) [1,3]。

组蛋白去乙酰化酶 4 (histone deacetylase 4, HDAC4) 是Ⅱa 类HDACs 中的关键成员之一, 其分布于体内多种组织, 可在细胞核和细胞质之间穿梭, 通过对组蛋白和非组蛋白的去乙酰化作用, 调控多种细胞功能基因的表达本文将重点介绍 HDAC4 的结构、作用、修饰及其在疾病发生发展中的作用及其相关机制1 组蛋白去乙酰化酶 41.1 HDAC4 的结构HDAC4 由 HDAC4 基因编码, 定位于人类染色体 2q37[4]HDAC4 的 C 端包含 1 个具有去乙酰化活性的去乙酰化酶 (deacetylase, DAC) 结构域和 1 个疏水的核输出序列 (nuclear export sequence, NES) , 能够使 HDAC4 在胞浆中积累[5,6]N 端又被称为调节结构域, 包含 1 个富含赖氨酸/精氨酸的核定位序列 (nuclear location sequence, NLS) [5]以及各种转录因子和分子伴侣的结合位点[6]HDAC4 可以与特定的转录因子, 如肌细胞增强因子 2 (myocyte enhancer factor-2, MEF2) 作用而被招募到 DNA 特定区域, 其中 MEF2 结合结构域定位于 HDAC4 的 119~208 位残基上。

研究表明, 在细胞核中 HDAC4 与肌细胞增强因子 MEF2A 结合, 导致 MEF2A 依赖性的转录被抑制此外, HDAC4 还可被 MEF2C 募集, 从而抑制转录[4,7]HDAC4 与 C 端结合蛋白和异染色质蛋白 1相互作用, 发挥特定的酶活性和生物学功能[6]HDAC4 还可与分子伴侣结合后出核, 激活抑制基因[6]1.2 HDAC4 的乙酰化作用HDAC4 的主要作用是使蛋白质发生去乙酰化, 即通过含锌催化结构域去除乙酰基组蛋白 H3 的 K9、K14、K18 和 K23 位点以及 H4 的 K5、K8、K12、K16 位点的赖氨酸残基均可以被 HDAC4 去乙酰化, 导致核小体凝聚, 进而改变组蛋白和DNA 的相互作用, 使 DNA 不易与转录因子相互作用[8]在 HDAC4 催化结构域保持完整的情况下, 可募集 SMRT-NCoR·HDAC3 共阻抑复合物, 并形成具有去乙酰化酶活性的蛋白复合物当 HDAC4 不与 HDAC3 结合时, 就丧失了去乙酰化酶活性HDAC4 也能作用于非组蛋白runt 相关转录因子-2 (runt-related transcription factor-2, Runx2) 是骨形态发生蛋白 (bone morphogenetic protein, BMP) 作用途径的一个主要靶点, 也是调控软骨细胞肥大的关键转录因子之一。

BMP-2 信号刺激 p300 介导 Runx2 发生乙酰化, 增加反式激活活性, 抑制 E3 泛素-蛋白连接酶 Smurf1 介导的 Runx2 的降解而 HDAC4 使 Runx2 发生去乙酰化, 引发 Smurf 介导的蛋白质降解抑制 HDACs 将提高 Runx2 乙酰化水平, 增强 BMP-2 介导的成骨细胞分化, 促进骨形成[8,10]HDAC4 还可以对细胞质中的非组蛋白发挥作用, 如低氧诱导因子 1-α (hypoxia-inducible factor 1-α, HIF 1-α) [11]和信号转导转录激活因子 1 (signal transducer and activator of transcription 1, STAT1) [12]1.3 HDAC4 自身的修饰转录后 mRNA 的剪接和翻译后修饰使人类蛋白质组表现出多样性[6]近年来研究发现, HDAC4 的功能显著受到翻译后修饰的调节, 包括磷酸化、乙酰化、类泛素化以及二硫键形成等, 其主要的翻译后修饰及其位点见 Fig.1每种修饰既可以作为单个信号发挥作用, 也能串联起来发挥作用因此, HDAC4 的多个磷酸化位点使其功能可以被有效调控。

依赖 Ca/钙调蛋白的蛋白激酶 (calcium/calmodulin-dependent kinase, Ca MK) 家族成员可磷酸化 HDAC4 并调节其抑制靶基因的能力, 同时对其所催化的残基具有较高的特异性[3,6,8]Ca MKⅠ优先磷酸化 Ser246, 而对 Ser467 和Ser632 仅有有限活性Ser467 主要受 Ca MKⅡ调节, 同时 Ca MKⅡ也能磷酸化Ser632Ser467 和 Ser632 可被 Ca MKⅣ磷酸化, 与 14-3-3 蛋白结合, 促进HDAC4 出核在心肌细胞中, Ca MKⅡB 磷酸化 Ser210, 这种修饰与心血管疾病有关除了 Ca MK 超家族外, 多种酶都能参与 HDAC4 修饰的调节[3,6]有研究发现, NLS 中的 Ser265 和 Ser266 可以分别被 Aurora B 激酶和 Mirk/dyrk1B 磷酸化[13,14]Ser298 和 Ser302 磷酸化受到糖原合酶激酶 3β (glycogen synthase kinase 3β, GSK3β) 的调控[15]另有研究表明, 蛋白质磷酸酶2A (protein phosphatase 2A, PP2A) 可以使 HDAC4 去磷酸化, 促进 HDAC4 的核积累[16]。

非磷酸化的 PTMs 也可调节 HDAC4 亚细胞定位活性氧类可促进 Cys667 和Cys669 的氧化, 形成指导 HDAC4 出核的二硫键, 刺激心肌细胞肥大[6]而 E3连接酶 Ran BP2 可以把 SUMO-1 连接到 Lys559 残基上, 发生类泛素化, 促进核积累 (见 Fig.1) [6]胱天蛋白酶 (cysteine aspartic acid specific protease, Caspase) 对蛋白质的剪切也能促进 HDAC4 的核积累Caspase-2 和Caspase-3 对 Asp289 的剪切产生一段包含 NLS 的片段, 抑制转录因子并激活细胞凋亡途径[6]蛋白激酶 A (protein kinase A, PKA) 可在 Thr201 和 Tyr202之间剪切, 产生 1 个 28 k D 的 N 端片段[17];然而。