HDAC抑制剂研究进展-樊后兴

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1、Histone deacetylase inhibitors组蛋白去乙酰化酶抑制剂组蛋白去乙酰化酶抑制剂樊后兴樊后兴Contentsuu简介简介简介简介uu组蛋白去乙酰化酶研究进展组蛋白去乙酰化酶研究进展组蛋白去乙酰化酶研究进展组蛋白去乙酰化酶研究进展uu展望展望展望展望 染色质由DNA,组蛋白和非组蛋白构成。核小体是染色质的基本重复单位,由组蛋白H3,H4,H2A,H2B构成的八聚体及位于核小体外部的组蛋白H1和缠绕在其外的含146个碱基对的DNA构成。 组蛋白的乙酰化状态对于基因转录具有重要调控作用 ,研究表明转录活性高的部位其核小体中组蛋白的-赖氨酸处于高乙酰化状态 而转录处于相对静止部

2、位的组蛋白则呈低乙酰化状态 。 简介简介 组蛋 白的乙酰化状态由两类酶来决定 ,即组蛋白乙酰转移酶（histone acetyltransferases, HAT)和组蛋白去乙酰化酶（histone deacetylase, HDAC). HATs将疏水乙酰基转移到组蛋白N端赖氨酸残基,中和一个正电荷 ,使 DNA与组蛋白之间的静电引力减小 ,二者之间的相互作用减弱 ,染色质重塑为转录活性结构 ,DNA易于解聚、 舒展 ,有利于转录因子、 调节因子复合物和 RNA合成酶与 DNA模板相结合 ,激活基因转录。相反 , HDACs功能相反 ,抑制基因转录。 在正常生理状态下 ,这两类酶对组蛋白乙酰

3、化作用的调控处于平衡状态 。而细胞在发生转化的状态下 ,HDAC的活性明显增强 ,使得原有的基因表达平衡状态被打破 ,导致一些影响细胞增殖和调控细胞周期的分子表达失衡 ,进而导致细胞癌变。 研究证实，HDAC的活性与癌症的发生有关。当HDAC过度表达并被转录因子募集，就会导致特定基因的不正常抑制，从而导致肿瘤，如急性粒细胞白血病被认为部分归因于早幼粒细胞白血病蛋白/维A酸受体融合蛋白对HDAC的非正常募集。 另Gu等报道，当HDAC过度表达时，也会抑制生物体内天然的肿瘤抑制因子例如p53的基因表达。 同时相应的，HDAC抑制剂会使染色质组蛋白乙酰化水平提高，因此导致特定基因激活表达，相应地导致

4、细胞的末端分化或癌细胞的凋亡。HDAC与肿瘤的发生与肿瘤的发生HDAC的分类的分类-根据与酵母菌根据与酵母菌HDAC的同源性的同源性III 型型保守 的NAD+(烟酰腺嘌呤二核苷酸)依赖型，与酵母Sir2家族具有同源性，且对I,II型HDACi不敏感，更多的证据显示该类酶更倾向于催化非组蛋白的去乙酰化。I型型Zn+依赖型，包括：HDAC1,2,3,8,11, 全部位于核内，其相对分子质量为4200055000，广泛存在于生物体的各种组织器官。HDAC（18种）种）II型型Zn+依赖型，包括：HDAC4,5,6,7,9,10主要位于细胞质 ,但可以在细胞核和细胞质之间穿梭，其相对分子质量为120

5、000130000，具有组织特异性 ,多在心脏 、肺 、骨骼肌表达。第第1 1类组蛋白去乙酰化酶与肿瘤类组蛋白去乙酰化酶与肿瘤 研究发现肿瘤细胞中HDAC1的高表达可明显增加肿瘤细胞的增殖能力，并且HDAC1的高表达可影响细胞外基质而使肿瘤细胞移行和侵袭力明显加强。 胰腺癌组织中HDAC1基因和HDAC3基因在mRNA水平上较胰腺癌旁组织表达增高。 ChoiJH和HalkidouK等的研究中发现胃癌和前列腺癌细胞中HDAC1高表达 Huang等报导在胃癌、结直肠癌、宫颈的非典型增生以及子宫内膜间质肉瘤HDAC2过表达。第第类组蛋白去乙酰化酶与肿瘤类组蛋白去乙酰化酶与肿瘤 人肝癌细胞中HDAC4

6、的表达明显增强，提示在人肝癌细胞中存在乙酰化的失平衡。有关HDAC5、HDAC7、HDAC9的相关报道很少。 口腔鳞状上皮细胞癌研究中发现，HDAC6在癌组织中呈明显高表达；在肿瘤进展不同阶段也有显著的表达差异，说明HDAC6有可能与肿瘤侵袭性相关 。有关HDAC10的报道很少。第第类组蛋白去乙酰化酶与肿瘤类组蛋白去乙酰化酶与肿瘤 Sir2(silent information regulator2)基因家族是一种保守的从古细菌到哺乳动物都存在的NAD+(烟酰腺嘌呤二核苷酸)依赖的组蛋白 E组蛋白去乙酰基酶。人类Sirtuins家族中公认的成员有7个，即：SIRT1-7。 p53是SIRT1的

7、生理性底物，SIRT1通过对p53蛋白第283位赖氨酸残基的去乙酰化，可以减少由p53诱导的细胞凋亡，有利于细胞的存活。 在乳腺癌中的SIRT7表达水平比良性乳腺组织中明显提高; 而乳腺癌的淋巴结转移组和非转移组相比，SIRT3和SIRT7的表达水平差异也有显著性。组蛋白去乙酰酶类似物的结构特点及其功能 由于目前没有人的由于目前没有人的HDAC的晶体结构，所以有关的晶体结构，所以有关HDAC的研究是通过与其有的研究是通过与其有35.2%的氨基酸同一性的超嗜热菌的氨基酸同一性的超嗜热菌Aquifex aeolicus的组蛋白去乙酰酶类似物的组蛋白去乙酰酶类似物（HDLP)为基础来研究的。为基础来

8、研究的。HDLP的晶体结构显示，的晶体结构显示，HDLP有两个明显的结构特有两个明显的结构特征：征：a)一个深度为一个深度为11A的管状通道，通向容纳的管状通道，通向容纳TSA或或SAHA的活性部位，有催化的活性部位，有催化活性的锌离子在通道的底部，活性的锌离子在通道的底部，TSA或或SAHA的脂肪链从不同角度分析均利于与疏的脂肪链从不同角度分析均利于与疏水通道接近。水通道接近。b)一个长度为一个长度为14A的内腔与锌离子的结合位点相邻。的内腔与锌离子的结合位点相邻。HDACi及其抗肿瘤作用机制及其抗肿瘤作用机制 近年来 ,一系列的 HDACi已被研制出来 ,被证实具有抑制培养肿瘤细胞增殖 、

9、细胞周期阻滞、诱导细胞分化及促进细胞凋亡的作用。这些抑制剂还能够在非毒性剂量下 ,以选择性的方式抑制动物模型中的肿瘤细胞增殖。 HDACi和细胞周期 细胞周期调控异常是肿瘤发生的重要机制。而HDACi可以通过调节细胞周期蛋白和细胞周期蛋白激酶抑制物的表达，诱导肿瘤细胞发生G1和/或G2期停滞 HDAC诱导细胞分化 多项研究证实HDAC抑制剂有诱导癌细胞分化作用 HDACi诱导凋亡 a. HDACi和caspases HDACi通过死亡受体途径或线粒体途径激活caspase半胱氨酸蛋白酶 ，不但促进肿瘤细胞凋亡，还能逆转某些肿瘤细胞的抗药性。 b. HDACi和p53 抑癌基因p53调控一系列与

10、凋亡相关蛋白的转录，HDACi所诱导的细胞凋亡部分是通过乙酰化p53从而上调p53作用来完成的。 c. HDACi与细胞骨架 细胞骨架具有维持细胞的特定形状和细胞内部结构的有序性，同时在细胞有丝分裂和凋亡中起重要作用。而乙酰化修饰是调节细胞骨架结构和功能的重要方式。高剂量的HDACi可以乙酰化修饰微管蛋白，导致细胞发生有丝分裂停滞和凋亡。 其他生物学效应 包括抑制血管形成，抑制肿瘤细胞的迁移活性和诱导肿瘤免疫。 l 羟胺酸类 包括TSA, SAHA及其衍生物，CBHA和MM232等羟胺酸类化合物是研究最为广泛的一类HDAC抑制剂，（R)-TSA是第一个来源于天然产物的HDAC抑制剂，它的羧酸化

11、合物没有HDAC抑制活性，说明羟胺酸结构是活性所必须的。 研究发现强效HDAC抑制剂共同的结构特点是其分子中含疏水基团，连接单元，间隔区，Zn离子结合区HDACi的分类及其构效关系的分类及其构效关系进一步的构效关系研究发现：1）连接单元和酶之间的氢键不具有关键作用，但连接单元的平面或SP2构型是有效抑制HDAC的关键。2）羟胺酸的-甲基化衍生物比对应的未取代化合物活性降低120倍，表明HDAC的Zn离子活化位点附近即使一个小基团也不能容纳。3）HDAC抑制效果直接与间隔区链长有关，间隔区为6个亚甲基的化合物活性最强，并且其对位取代芳基衍生物活性最高，但其HDAC抑制活性不依赖于苯环上取代基的吸

12、电子或给电子性质，增加识别区的疏水性能提高活性。l 短链脂肪酸短链脂肪酸 包括丁酸，苯丁酸和异戊酸及其盐包括丁酸，苯丁酸和异戊酸及其盐 这类化合物在金属结合区是一个羧酸，由于其HDAC抑制活性低，使其构效关系的研究受限。虽然活性低，但包括丁酸和苯基丁酸的许多化合物，正在进行癌症治疗的临床试验研究。由于临床应用丁酸及其类似物需要高浓度，并且生物利用度低，代谢降解快，促使研究去前药，这些抑制剂比对应的母体化合物吸收和代谢好。l 包括环氧酮基的环四肽结构包括环氧酮基的环四肽结构 如如trapoxin B, HC-toxin等等l 不含环氧酮基的环四肽结构不含环氧酮基的环四肽结构 如如FR901228

13、, apicidin和包和包含羟胺酸结构的环四肽含羟胺酸结构的环四肽 对于这类化合物来说，体积较大的环肽结构能够与管道入口处的凹槽紧密结合，酮羰基可以与HDAC中袋装管道中的Zn离子和极性氨基酸残基相互作用，环氧基能使HDAC中的活性位点烷基化，不可逆地抑制HDAC酶的活性。若将环氧基换成羟胺酸，则表现出对HDAC的可逆性抑制。l 酰胺类酰胺类 包括包括 MS-275, CI-994和和CS055 这类化合物比羟胺酸类和环肽类活性低。与羟胺酸类不同的是，该类化合物是以活性管道最狭窄部位的Phe141和Phe198的两个苯环为靶点，阻塞HDAC的生理底物伸向催化中心，其中2-氨基与Tyr91或G

14、lu92形成氢键，中间的苯环与Phe141和Phe198形成三明治结构，因此，2-氨基或2-羟基是抑制活性的关键基团，除去2-氨基，在芳基上3，4或5取代氨基或乙酰化氨基，化合物失去活性。2位为氨基时，在3，4，5位置取代，活性降低。l 其他其他 目前正处于临床研究的目前正处于临床研究的HDACil CI-994 phase III , Pfizer 用于治疗肺癌，非小细胞肺癌，胰腺癌，头颈癌，肾癌。l MS-275 phase II , Bayer 适应症：晚期实体瘤，晚期淋巴瘤，血癌l CS055 phase I, Chipscreen Biosciences适应症：实体瘤，血癌l MGC

15、D0103 phase II MethylGene选择性地作用于HDAC1，2，3和11l CBHA临床前，aton pharmal pyroxamide 终止 aton pharmal PXD101 （belinostat)Phase II TopoTarget适应症：乳腺癌，结肠癌，卵巢癌，前列腺癌，肺癌l NVP-LAQ-824做到I期后终止 Novartisl CRA-024781 phase II Pharmacyclics 用于治疗复发的实体瘤l LBH-589（panobinostat）Novartis phase II 用于治疗皮肤T细胞淋巴癌 phaseI 用于治疗其他癌症l

16、 R-306465 phase I Johnson & Johnsonl SAHA 2006批准上市，用于治疗皮肤T细胞淋巴癌 而将其用于治疗白血病和其他实体瘤则处于II期或III期临床 aton pharma（被Merck收购）适应症：复发的实体瘤，血癌，复发或转移的头颈癌l HMBA 做到III期，由于神经毒性和导致酸中毒而终止 NCIl FR901228 phase II Gloucester Pharmaceuticals适应症：淋巴细胞白血病，小细胞肺癌，乳腺癌，胰腺癌，卵巢癌l G2M-777(Savicol) phase II, TopoTarget适应症：实体瘤l pivane

17、xTitan Pharmaceuticals 做到III期临床，后由于某种原因终止 CUDC-101展望展望 HDACi可以增加细胞内组蛋白及非组蛋白的乙酰化程度，提高p21，p53等基因的表达水平，进而达到抑制肿瘤细胞的增殖，诱导肿瘤细胞分化及凋亡的目的。肿瘤细胞要比正常细胞对HDACi敏感得多。SAHA 于2006年的成功上市，以及目前有多个HDACi处于临床研究阶段，均能够有效抑制多种实体瘤， 同时HDACi与多种化疗药物联合用药，也展现出良好的协同治疗效果，且在有效抑制剂量范围内的低毒性，已使HDACi成为一种具有广泛应用前景的靶向抗肿瘤新药。 值得关注的是，新型的特异性的HDAC抑制剂已被发现，但这种特异性抑制剂是否具有更好的肿瘤杀伤效果有待于进一步证实。