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表观遗传界的腕儿: 组蛋白乙酰化

 

 

表观遗传失调通常与人类疾病,特别是与癌症有关,而各种针对表观遗传调节剂的药物也在如火如荼的开发。前面曾跟各位伙伴们讨论过 DNA 甲基化修饰以及相关蛋白抑制剂,本文我们将请出另一个表观遗传的大腕:组蛋白修饰的乙酰化。
 

 

组蛋白修饰包括乙酰化,甲基化,泛素化,磷酸化,磺酰化,核糖基化等,涉及多种生物学功能,如基因表达,DNA 复制和修复,染色质浓缩以及细胞周期控制。老规矩,我们还是从研究得最多的组蛋白乙酰化和甲基化说起。

组蛋白乙酰化/甲基化和 DNA 甲基化的表观遗传调控

组蛋白的真身

细胞内的 DNA 被包装成染色质,一种由基本亚单位——核小体组成的动态结构。组蛋白是核小体的中心组成部分,由四个核心组蛋白 (H3, H4, H2A, H2B) 形成的八聚体和包裹在核心周围的 147 (146/147) 个碱基对的 DNA 组成,每个组蛋白都具有特征性的尾巴 (Histone tail),而上述提到的几类修饰也 "盯" 上了这些尾巴,从而影响染色质结构。
常见的组蛋白修饰位点
组蛋白乙酰化以及相关蛋白的抑制剂

前面介绍 DNA 的甲基化时提到了甲基化的写入 (Writing),擦除 (Erasing) 与读取 (Reading)。同样,组蛋白的乙酰化也存在写入 (组蛋白乙酰转移酶 HATs),擦除 (组蛋白脱乙酰基酶 HDACs) 和读取 (如: Bromodomains)。而在一些疾病尤其是肿瘤进展过程中,这些蛋白常表现出功能异常,通过用药物或基因疗法逆转这些异常,癌症表型甚至可以恢复正常。因此,它们就成为了潜在药物靶标。

组蛋白乙酰化受到两个酶家族的调控:组蛋白乙酰转移酶 (HATs) 组蛋白脱乙酰酶 (HDACs)。HATs 催化乙酰基转移 (写入) 到组蛋白尾巴上的目标赖氨酸 (Lys 或 K) 残基的基团上,此举中和了赖氨酸的正电荷,使浓缩的染色质松弛,促进基因转录的激活,如 H3K4 ( Histone 3 lysine 4), H3K9, H3K14,H3K27, H4K16 上的乙酰化,还为具有识别该组蛋白修饰的 "结合基序蛋白" (如读取蛋白 BRDs) 提供了结合位点。

HATs 与 HDACs 对基因表达的影响

常见的 HATs 大致可以分为三类,GCN5/PCAF,MYST (MOZ, MOF, TIP60, HBO1) 和 p300/CBP 亚家族。它们调节基本的细胞生物学过程。而异常的 HATs 尤其与癌症的形成和发展有关, 它的抑制剂也就具有成为抗癌剂的潜力。
Table 1. HATs 抑制剂
抑制剂 靶点及作用
A-485
p300/CBP  的强效选择性抑制剂,对 p300 和 CBP 组蛋白乙酰转移酶 (HAT) 的 IC 50  值分别为 9.8 nM 和 2.6 nM
C646

选择性,竞争性的 p300 抑制剂,Ki 值为 400 nM

L002
有效的,可逆的特异性的乙酰转移酶 p300 (KAT3B) 抑制剂,IC 50   1.98 μM
与 HATs 相反,HDACs 是从高乙酰化组蛋白中除去乙酰基并抑制基因转录。哺乳动物中的 HDACs 分为四类:Zn 2+  依赖性的 I (HDAC1/2/3/8),II (IIa: HDAC4/5/7/9; IIa: HDAC6/10) 和 IV 类 HDAC (HDAC11),以及机制比较独特的   NAD 依赖性的 III 类 HDAC,也称为 Sirtuins (SIRT1-SIRT7)。

每个 HDAC 的主要识别位点是不同的,例如,HDAC3 被认为可以使 H4K8 和 H4K12 脱乙酰化,但在 HDAC3 基因敲除 HeLa 细胞系中,H4K8 和 H4K12 的乙酰化水平,甚至 H3 和 H4 的总体乙酰化水平,都与野生型细胞相当。因此,这些 HDAC 具体的识别位点还有仍待……各位都懂的。

由于 HDACs 可通过去除乙酰基,逆转染色质乙酰化,改变癌基因和抑癌基因的转录。HDACs 还能使非组蛋白脱乙酰化,控制着包括癌症的发生和发展在内的一系列生物学过程。因此,HDACs 是治疗癌症的极好的靶标。HDAC 抑制剂 (HDACi), 如 Trichostatin A,Entinostat 显示出有效的抗肿瘤活性。
Table 2. HDAC 抑制剂
抑制剂 靶点及作用
Trichostatin A
特异 HDAC class I/II 抑制剂,对 HDAC 的 IC 50  值为 1.8 nM; Phase 1
Romidepsin
Pan-HDAC  抑制剂,抑制 HDAC1, HDAC2, HDAC4 和 HDAC6,IC 50  值分别为 36 nM, 47 nM, 510 nM 和 1.4 μM; Approved
Valproic acid
Pan-HDAC  抑制剂,抑制 HDAC1 的活性,(IC 50 =400 μM),同时诱导 HDAC2 的降解; Approved
Tacedinaline
Pan-HDAC  抑制剂,抑制重组 HDAC 1, 2 和 3 的 IC 50  值分别为 0.9, 0.9, 1.2 μM; Phase 3
Entinostat
选择性,可口服的 HDAC class I 抑制剂,抑制 HDAC1HDAC2 和 HDAC3 的 IC 50  分别为 243 nM, 453 nM 和 248 nM; Phase 3
Suramin
有效泛 sirtuins 抑制剂,对 SIRT1SIRT2 和 SIRT5 的 IC 50  分别为 297 nM, 1.15 μM 和 22 μM; Phase 3
溴结构域 (Bromodomains, BRDs) 被认为是第一个组蛋白结合模块。这类蛋白能够特异性识别组蛋白尾巴上的乙酰化赖氨酸残基,还可以结合非组蛋白的乙酰化赖氨酸残基。含有 BRD 蛋白从功能上大致可以分为三大类:染色质修饰剂,如上文提到的乙酰化的写入者 p300、染色质重塑剂 (Remodelers),如 SMARCA2,SMARCA4,和染色质阅读器 (Readers),如溴结构域蛋白的 BET 家族。

基于人类 BRDs 结构的系统发育树[7]

BET 家族包括 BRD2,BRD3,BRD4 和 BRDT可调节癌基因如 MYC 和 NUT 融合癌蛋白的转录。因此,靶向 BET 蛋白的乙酰赖氨酸结合特性是一种极具吸引力的途径。JQ1 和 I-BET762 就是 BET 家族的两种代表性抑制剂。JQ1 可以与 BRD4 融合癌蛋白 (如 BRD4-NUT) 竞争性结合,使 BRD4-NUT 从染色质脱离,导致癌细胞分化和凋亡。同样,I-BET762 也是 BRD4 的合成模拟物,并且与 BRD4 竞争性结合,干扰对乙酰化组蛋白的识别。

Table 3. BRD (BET) 抑制剂

抑制剂 靶点及作用
Birabresib
有效的 BRD2/3/4 抑制剂,IC50 值为 92-112 nM; Phase 2
I-BET151
BET溴结构域 (BET bromodomain) 抑制剂,抑制 BRD4BRD2 和 BRD3 的 pIC50 分别为 6.16.3  6.6
上述列举了 HATs,HADC 以及 BET 蛋白家族的部分抑制剂,另外,我们 MCE 表观遗 传化合物库共 收录 了 5 00 多个表观遗 传相关的产品哦,点击 "表观遗传化合物库" 可直接下载查阅哦。

HY-L005 表观遗传化合物库 - Epigenetics Compound Library

结语:

由于在各类疾病,尤其是癌症中,存在着广泛的表观遗传失调现象。另外,表观遗传学的过程是复杂和多层面的,例如组蛋白修饰与 DNA 甲基化之间也存在联系。因此,表观遗传学有助于我们研究潜在的病症表型机制,提供更多的治疗选择。

 

参考文献 

 下滑查看更多文献 

1. Berdasco M, et al. Clinical epigenetics: seizing opportunities for translation. Nat Rev Genet. 2019 Feb;20(2):109-127. 

2. Cheng Y, et al. Targeting epigenetic regulators for cancer therapy: mechanisms and advances in clinical trials. Signal Transduct Target Ther. 2019 Dec 17;4:62. 
3. Audia JE, et al. Histone Modifications and Cancer. Cold Spring Harb Perspect Biol. 2016 Apr 1;8(4):a019521.
4. Elmallah MIY, et al. Epigenetic Regulation of TRAIL Signaling: Implication for Cancer Therapy. Cancers (Basel). 2019 Jun 19;11(6). pii: E850
5. Araki Y, et al. The Histone Modification Code in the Pathogenesis of Autoimmune Diseases. Mediators Inflamm. 2017;2017:2608605. 
6. Ceccacci E, et al. Inhibition of histone deacetylases in cancer therapy: lessons from leukaemia. Br J Cancer. 2016 Mar 15;114(6):605-11. 
7. Barbieri I, et al. Bromodomains as therapeutic targets in cancer. Brief Funct Genomics. 2013 May;12(3):219-30.
8. Carafa V, et al. Sirtuins and disease: the road ahead. Front Pharmacol. 2012 Jan 31;3:4. 
9. Sun XJ, et al. The Role of Histone Acetyltransferases in Normal and Malignant Hematopoiesis. Front Oncol. 2015 May 26;5:108. 

10. Elmallah MIY, et al. Epigenetic Regulation of TRAIL Signaling: Implication for Cancer Therapy.Cancers (Basel). 2019 Jun 19;11(6). pii: E850. 

11. Alaskhar Alhamwe B, et al. Histone modifications andtheir role in epigenetics of atopy and allergic diseases.Allergy Asthma ClinImmunol. 2018 May 23;14:39.