解锁HDAC：癌症治疗中的表观遗传调控器

解锁HDAC：癌症治疗中的表观遗传调控器

在癌症治疗领域，表观遗传学研究一直是科学家们关注的热点。其中，组蛋白去乙酰化酶（HDAC）作为表观遗传调控的关键酶类，其抑制剂在癌症治疗中展现出巨大潜力。本文将为您详细介绍HDAC家族蛋白的分类、功能及其在肿瘤发生发展中的作用，以及HDAC抑制剂的抗肿瘤机制。

在细胞这座精密运转的生命工厂中，数以万计的蛋白质通过复杂的相互作用维系着生命的延续。这种精密的动态调控，很大程度上依赖于一种被称为"翻译后修饰"的分子开关机制。在细胞核内，组蛋白乙酰转移酶（histone acetyltransferases, HATs）和组蛋白去乙酰化酶（Histone deacetylase, HDAC）这对"阴阳调节器"时刻进行着精妙的博弈。其中，乙酰化修饰就像给蛋白质贴上特殊的标签，组蛋白的乙酰化修饰暴露了DNA上的遗传信息，使转录因子等分子机器能够顺利读取基因密码，犹如打开了一扇基因表达的闸门。早期研究发现，组蛋白乙酰化水平异常与癌症和免疫类疾病密切相关，HDAC也是公认的在癌症治疗方面具有极大价值的经典靶点。由默克尔公司研发的Vorinostat（SAHA，伏立诺他）于2006年获批，用于治疗皮肤T淋巴细胞瘤，成为首个获批的HDAC抑制剂，也是pan-HDAC抑制剂的代表之一。随后，HDAC抑制剂的开发热度持续不减，化学结构各异的HDAC抑制剂陆续进入临床研究乃至获批上市。近年来，随着对HDAC靶点的深入了解以及pan-HDAC抑制剂在临床研究中暴露出的不良反应等问题，HDAC抑制剂的开发进入了2.0阶段：高选择性HDAC抑制剂、多靶点-耦合HDAC抑制剂、HDAC降解剂等创新分子开发路线成果频出，联用治疗策略也不断拓展，目前正有待完成临床概念验证（proof-of-concept）。HDAC靶点的发现和靶向药物研究对表观遗传学领域产生了深远影响，是“根正苗红”的第一代表观遗传治疗药物，并承载了领域研究人员的热烈期盼。回顾HDAC这一靶向药物的开发历程或许可以让我们从中得到一些经验，更深刻地理解表观遗传学药物、提高药物开发能力、解决未满足的临床需求。作为本系列的第一篇，小赛同学将首先介绍HDAC家族蛋白的分类、功能及其在肿瘤发生发展中的作用，以及HDAC抑制剂的抗肿瘤机制。

表观遗传修饰酶

图1 肿瘤的14大标志性事件[1]

过去，中心法则的概念深入人心，科学家们认为癌症的发生主要是由于基因突变导致的。随着对中心法则认识的加深，单一的概念越来越难以解释癌症发生发展的复杂性，表观遗传调控在肿瘤中的重要作用逐渐获得共识（图1）。表观遗传学是指在不改变原始DNA序列的情况下改变基因表达的可逆且可遗传的机制，包括DNA甲基化、组蛋白修饰（如甲基化、乙酰化等），RNA修饰和miRNA的变化等。异常的表观遗传修饰可导致基因表达的改变和恶性细胞的转化，与肿瘤的发生和发展密切相关[1]。

根据其功能，调节DNA或组蛋白修饰的表观遗传修饰酶可以分为writer、eraser和reader三类（图2）。Writer，正如它的名字一样，给目标碱基或氨基酸残基添加修饰，主要包括DNA甲基转移酶（DNMTs）、组蛋白赖氨酸甲基转移酶和组蛋白乙酰转移酶（HATs）。Eraser的作用正好与writer相反，去除目标碱基或氨基酸残基的表观遗传修饰，包括组蛋白赖氨酸去甲基转移酶（KDMs）和组蛋白去乙酰化酶（HDACs）。

图2 表观遗传修饰的writer、reader和eraser[2]

在细胞核中，由DNA链缠绕着的组蛋白八聚体构成的核小体是构成染色体的结构单元。HAT将乙酰辅酶A的乙酰基部分转移到组蛋白的赖氨酸（Lys）残基的氨基基团上，中和组蛋白上的正电荷，降低组蛋白和DNA螺旋之间的亲和力，从而使染色体构象展开，且被相应的 “reader”识别，招募转录因子，促进基因转录；而HDAC通过去除组蛋白Lys残基上的乙酰基，导致组蛋白的正电荷密度增高，继而引起组蛋白与负电性的DNA的亲和力增强使染色质结构变紧密，从而抑制基因的转录表达（图3）。这里小结一下：HDAC的生物化学特性是改变组蛋白/染色体为更正电性的状态，功能是负调控基因表达。这两点特征使得HDACs的异常表达和活性失调与许多疾病密切相关，其中，癌症无疑是对人类生命健康威胁最为严重的疾病之一。

图3 HATs和HDACs之间的物理和功能相互作用调节基因表达[3]

HDAC家族蛋白

HDACs在所有真核细胞中都有表达。在人类中已经鉴定出18种HDACs，根据与酵母HDACs的同源性可以将HDACs分为四类（图4），其中I、II、IV类HDACs含有高度保守、Zn2+依赖性的去乙酰酶结构域：I类（HDAC1、2、3和8）与酵母Rpd3具有同源性，主要表达于细胞核中，具有较高的酶活性；II类与酵母Hda1同源，其中IIa类（HDAC 4、5、7和9）的特点是以磷酸化依赖性方式在细胞核与细胞质之间穿梭；IIb类（HDAC6和10）具有两个催化结构域；IV类（HDAC 11）具有与I和II类共同的保守序列，但拥有更高的组织特异性，在脑、心脏、睾丸和肾脏中高表达；III类（也称sirtuins，包括SIRT1-7)与酵母Sir2同源，是NAD+依赖型酶，非Zn2+依赖型。HDACs能够和多种蛋白质形成复合物，例如 Sin3 复合物、核小体重塑及去乙酰化（NuRD）复合物、CoREST 复合物以及沉默介导因子（SMRT）/核受体辅阻遏物（NCoR）复合物等。这些复合物的辅因子能够激活那些处于单独状态时原本无活性的 HDAC，并调控其与基因启动子区域的相互作用。传统的HDAC抑制剂主要靶向I, II和IV类的HDAC亚型，二代HDAC抑制剂通过提高对HDAC亚型及HDAC复合物的选择性，从而达到更精准的靶向策略。

图4 人类HDACs超家族结构域和癌症相关性 Class I HDAC参与的复合物[4]

研究表明，HDACs在多种肿瘤中异常表达，并且可以作为潜在的肿瘤的分子生物标志物。例如，在结直肠癌、肺癌、肝癌和胃癌中（图5），单一亚型HDAC的过表达与无进展生存率和总生存率的显著降低相关，并且能够独立于其他变量（如肿瘤类型和疾病进展）来预测患者的不良预后[5]。

图5 多个癌种中HDACs过表达 与总体生存率显著降低相关[5]

HDAC抑制剂的作用机制

HDACs与肿瘤发生发展密切相关，其机制包括抑制肿瘤细胞分化和凋亡，促进肿瘤细胞增殖、迁移和血管生成，增强肿瘤细胞对化疗药物的抵抗力以及调控细胞的炎症反应等（图6）。相对应地，HDAC抑制剂的抗肿瘤机制也是多方位的，例如：（1）诱导DNA修复基因下调和作用于DNA修复蛋白的乙酰化来影响DNA修复的过程；（2）上调p21和/或下调周期蛋白诱导细胞周期停滞在G1/S期，从而影响细胞的增殖；（3）减少促血管生成因子（血管内皮生长因子、缺氧诱导因子-1α、肿瘤坏死因子-α、白细胞介素-1等）的表达来抑制血管生成，等等。除了对组蛋白的直接作用外，HDAC抑制剂还可以阻止大量非组蛋白的乙酰化来调控它们的活性，包括转录因子（例如NF-κB、STAT3和YY1等），热休克蛋白（例如Hsp90）、DNA修复蛋白（例如Ku70）、微管蛋白、核受体和缺氧诱导因子-1α等(图6)。

图6 HDAC抑制剂的表观遗传、非表观遗传 或间接表观遗传效应[5]

HDACs除了其经典的去乙酰化酶活性外，还具有多种非酶活性作用，在炎症、代谢、免疫调节中扮演着复杂而关键的角色。例如HDAC3，它不仅通过其经典的去乙酰化酶活性影响炎症基因的表达，还能够通过与线粒体的相互作用，调节巨噬细胞的炎症小体活化，进而影响线粒体依赖性炎症反应。在巨噬细胞激活过程中，HDAC3也是通过非典型机制激活炎症基因的表达[6]。此外，HDAC抑制剂在自身免疫疾病，如类风湿关节炎的治疗中展示了其在调节免疫细胞功能和炎症因子生成中的潜力。

目前HDAC抑制剂获批的适应症主要集中在血液瘤上，如皮肤T细胞淋巴瘤（CTCL），外周T细胞淋巴瘤以及多发性骨髓瘤，同时HDAC抑制剂正在多种实体瘤上进行临床试验。证据表明，CTCL的致病机理可能是凋亡抵抗导致的[7]。在正常的T细胞当中，外源性途径对于清除活化的T细胞至关重要，从而确保T细胞不会过度活化；而CTCL中T细胞的稳态被破坏，导致恶性T细胞增多，进而攻击皮肤。HDAC抑制剂通过抑制组蛋白去乙酰化酶，诱导促凋亡基因上调、着丝粒组装异常以及DNA损伤继发乙酰化诱导的DNA双链断裂，因此HDAC抑制剂可以改变基因表达并促进恶性T细胞的清除，从而恢复T细胞的稳态，展现出良好的治疗效果。CTCL适应症也为HDAC抑制剂的开发铺就了道路，目前已有多个HDAC抑制剂都获批用于淋巴瘤适应症。

结 语

围绕乙酰化修饰在组蛋白“阵地”上的争夺，是HDAC家族“集团军”的神圣使命，决定了对碳基生物的“生命天书”关键密码转录的解释权，无论是对于细胞正常功能或病理条件。而HDACs的功能复杂多样，致病机理广泛，并且不同亚型的HDACs有着各自独有和相互交叉的功能。因此，在HDAC抑制剂的开发和适应症的选择上，需要有更充分的科学依据和考量。在本系列接下来的文章中，小赛同学将围绕HDAC抑制剂的开发前沿方向展开，例如HDAC亚型抑制剂、HDAC抑制剂新modality、HDAC抑制剂联合疗法策略、非肿瘤适应症开发潜力等等，进而探讨如何使经典靶点和药物突破瓶颈、通过多维度优化发掘其临床价值、提高表观遗传疗法的精准性和应用潜力。“老靶未老，更有新生”！

参考文献：

[1] Hanahan D. Hallmarks of Cancer: New Dimensions. Cancer Discov. 2022 Jan;12(1):31-46.

[2] Katrina J. Falkenberg and Ricky W. Johnstone. Histone deacetylases and their inhibitors in cancer, neurological diseases and immune disorders. Nat Rev Drug Discov. 2014 Sep;13(9):673-91.

[3] Alessia Peserico and Cristiano Simone. Physical and functional HAT/HDAC interplay regulates protein acetylation balance. J Biomed Biotechnol. 2011:2011:371832

[4] S Spiegel, S Milstien and S Grant. Endogenous modulators and pharmacological inhibitors of histone deacetylases in cancer therapy. Oncogene (2012) 31, 537–551

[5] Alison C. West and Ricky W. Johnstone. New and emerging HDAC inhibitors for cancer treatment. J Clin Invest. 2014;124(1):30–39.

[6] Nguyen et al. Dichotomous engagement of HDAC3 activity governs inflammatory responses. Nature. 2020 August; 584(7820): 286–290.

[7] Adriana T. Lopez, Susan Bates, Larisa Geskin. Current Status of HDAC Inhibitors in Cutaneous T‑cell Lymphoma. Am J Clin Dermatol. 2018 Dec;19(6):805-819