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LSD1可能成为表观遗传学抗肿瘤药物的新靶点

发布时间:2020-06-22 08:50:27 | 来源:【药物研发团队 2020-06-22】
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表观遗传学是后基因组时代兴起的一门新学科,是与遗传学相对应的概念。遗传学是指基于基因序列改变所致基因表达水平变化,如基因突变、基因杂合丢失和微卫星不稳定等;而表观遗传学是研究在基因组DNA序列不发生变化的情况下,基因表达的改变导致可遗传的表现型变化的学科,是遗传学的分支学科。表观遗传学主要研究内容包括DNA甲基化、组蛋白修饰、染色质重塑、非编码RNA调控、基因组印记、假基因、RNA剪接、RNA编辑、RNA干扰、X染色质失活、内含子、核糖开关等。表观遗传学使人们认识到包括DNA甲基化、组蛋白修饰、染色质重塑及非编码RNA调控等在内的修饰也可以记载遗传信息,并且许多表观遗传改变是可逆的,对表观遗传修饰和调控的研究已成为生命科学的热点和发展前沿。

近年研究发现,表观遗传学会导致基因表达的持续性改变,它是疾病发生的重要机制。表观遗传学与众多疾病,包括肿瘤、糖尿病、神经精神疾病、自身免疫性疾病、衰老、老年性疾病等疾病的发生和发展密切相关,成为近年来研究的热点。随着对表观遗传学研究的不断深入,人类对表观遗传学的调控机制,如DNA甲基化、组蛋白修饰、非编码RNA与染色体重塑等有了深入了解,同时也证明了表观遗传学的作用机制。

化学修饰是指凡通过化学基团的引入或除去而使蛋白质或核酸共价结构发生改变的现象。化学修饰调节方式有别于别构调节,它以引起酶分子共价键的变化、化学结构的改变而影响酶活性。酶的化学修饰是在另一种酶的催化下完成的,是体内快速调节的另一种重要方式。化学修饰的方式包括磷酸化与去磷酸化、乙酰化与去乙酰化、甲基化与去甲基化、腺苷化与去腺苷化、-SH与-S-S-互变等,其中以磷酸化与去磷酸化、甲基化与去甲基化最为重要和常见。

2004年,哈佛医学院施扬课题组发现了第一个组蛋白赖氨酸特异性去甲基化酶1(LSD1)。该课题组首次确认组蛋白甲基化是一个动态平衡过程,是一个可以逆转的组蛋白修饰。这一发现对组蛋白修饰的作用机制及其相应的药物研究提供了全新思路。LSD1是一种黄素腺嘌呤二核苷酸(FAD)依赖的去甲基化酶,能够特异性地去除H3K4和H3K9位点上的单甲基化和二甲基化基团。LSD1参与调控受体介导的基因转录,并分别维持染色质的活性和非活性状态,从而调节组蛋白和其他蛋白的相互作用,并影响基因转录的激活、抑制和染色体失活等过程,被誉为细胞深处的基因“开关”。LSD1的功能失衡可引发多种重要生命现象的改变,是第一个真正意义上的组蛋白赖氨酸去甲基化酶,使人们认识到组蛋白甲基化是一个动态平衡的过程,通过组蛋白甲基转移酶和去甲基化酶的相互作用,动态地调控基因转录的激活和抑制等生物学过程,重新定义了组蛋白甲基化,同时也为进一步深入研究组蛋白修饰和相关药物研发提供了新的途径。

一、LSD1的结构

LSD1含有852个氨基酸,晶体结构显示LSD1主要由三部分组成:N端的SWIRM (Swi3p/Rsc8p/Moira)结构域,C端的胺基氧化酶(AOL)结构域,该区域分为FAD结合结构域和底物结合结构域,两者组成催化活性中心,以及中心定位的Tower结构域。Tower结构域具有两条反向平衡的α螺旋,对LSD1的活性起重要的作用。LSD1是胺基氧化酶的同源蛋白,与多胺氧化酶(PAO)的相似度为22.4%,与单胺氧化酶A和B(MAO-A, MAO-B)的相似度为17.6%。

二、LSD1催化反应机理

LSD1催化氧化反应时,要求胺基底物上必须有一个质子,因此其只能催化含有单甲基和双甲基的赖氨酸底物。LSD1与底物反应时,FAD从甲基化的组蛋白赖氨酸中得到质子,生成FADH2,甲基化的赖氨酸失去质子生成亚胺中间体,FADH2被氧化生成FAD和H2O2,亚胺中间体加水后生成胺基和甲醛。

LSD1主要通过以下3个途径来调节基因的表达:LSD1通过CoREST的SANT2结构域与靶基因结合,引起H3K4去甲基化,从而导致转录抑制;LSD1与雌激素/雄激素受体结合后,能使H3K9去甲基化,引起激素受体依赖的基因转录激活;LSD1通过对H3K4的去甲基化,使得DNA甲基转移酶(DNMTs)的正调控因子DNMT3L能够与未甲基化的K4位点结合,促进DNMTs的表达,引起DNA重新甲基化,从而导致基因转录抑制。

三、LSD1的作用特性

在真核细胞中,DNA以染色体的形式存在,核小体是染色体的基本组成单位,由147bpDNA缠绕在以组蛋白H2A、H2B、H3和H4各两个分子为中心的八聚体上,每个核心组蛋白由一个折叠区和一个氨基末端结构域形成,其显著特征是易于被甲基化、乙酰化、磷酸化、泛素化等共价修饰。组蛋白的这些共价修饰大多是可逆的,如组蛋白的乙酰化、磷酸化和泛素化,以往认为组蛋白的甲基化修饰是一个不可逆的、永久性的组蛋白标记,直到2004年组蛋白去甲基化酶LSD1的发现,对这一观点提出了挑战,为进一步深入研究组蛋白修饰机制提供了新途径,也使基因调节过程更具动态性。

LSD1是一个FAD依赖性胺氧化酶,它能够特异性脱去单甲基化和二甲基化的组蛋白赖氨酸残基上的甲基基团。LSD1首先通过胺氧化反应氧化结合在底物上的-CH基团,形成一个亚胺中间产物,这个反应需要FAD参与。中间产物亚胺再被水解生成氯苯吡醇胺,这个基团不稳定,被降解后释放甲醛。LSD1只能脱去单甲基化或二甲基化的赖氨酸或精氨酸残基上的甲基基团,因为中间产物亚胺的形成需要一个质子化的氮,因而三甲基化的赖氨酸不能作为胺氧化酶的底物。

四、LSD1对非组蛋白底物的作用

LSD1对非组蛋白底物p53和DNA甲基化酶(Dnmt1)的去甲基化作用,与组蛋白底物大有不同。LSD1使p53的C端二甲基化的K370位点去甲基化,去甲基化后的p53不能被共激活蛋白53BP1识别,降低了p53的活性,从而抑制p53靶基因的表达。可见,LSD1通过对p53去甲基化作用参与抑制p53介导的基因转录。此外,Set7/9等赖氨酸甲基化酶(KMT)使Dnmt1的K1096位点甲基化,从而促进Dnmt1蛋白降解;LSD1能够识别Dnmt1的K1096位点,使其去甲基化,并维持Dnmt1蛋白的稳定。LSD1对Dnmt1蛋白的去甲基化,并稳定Dnmt1蛋白不被降解,揭示了组蛋白和DNA甲基化相关联的新机制。

五、LSD1参与基因转录调控的作用及表观遗传学机制

LSD1主要通过以下三个途径来调控基因的转录:(1)通过CoREST的SANT2结构域与靶基因结合,引起H3K4去甲基化,从而导致转录抑制;(2)LSD1与雄激素/雌激素受体结合后,能使H3K9去甲基化,引起激素受体依赖的基因转录激活;(3)LSD1通过对H3K4的去甲基化,使得DNA甲基转移酶(DNMTs)的正调控因子DNMT3L能够与未甲基化的K4位点结合,促进DNMTs的表达,引起DNA重新甲基化,从而导致基因转录抑制。

LSD1在基因表达调控中的作用取决于特异性底物,LSD1不同的分子伴侣介导LSD1作用于不同的底物,产生不同的生物学效应。研究表明,CoREST复合体中的LSD1作为转录复合抑制因子,能使组蛋白H3K4去甲基化,抑制一些神经元特异性基因的表达。应用RNAi沉默HeLa细胞LSD1后,发现这些神经元特异性基因启动子区LSD1显著减少,并伴随H3K4和基因的表达增加。在体内,LSD1存在于组蛋白去乙酰化酶复合物中,LSD1的组蛋白去甲基化酶活性受组蛋白去乙酰化酶的调节,抑制组蛋白去乙酰化活性后,LSD1的去甲基化酶活性也被抑制。例如,组蛋白去乙酰化酶HDAC1可以激活LSD1的活性,应用去乙酰化酶的抑制剂曲古菌素A抑制组蛋白去乙酰化活性后,LSD1的组蛋白去甲基化酶活性也被抑制,但是LSD1是如何被HDAC1的活性激活的还不清楚。

在体外,LSD1通常与CoREST、BHC80、HDAC存在于同一个组蛋白去乙酰化酶复合物中,称为共抑制复合物。CoREST与染色质结合后招募LSD1,并使其稳定,在非神经细胞中使其行使共抑制因子的功能,抑制神经细胞特异性基因的表达。BHC80蛋白的354~497位氨基酸区段可结合LSD1-CoREST复合体,使BHC80能够抑制LSD1的去甲基化酶活性,同时也能抑制细胞中LSD1-CoREST复合物的核小体去甲基化酶活性。另外,组蛋白H3尾部的共价修饰会影响LSD1的活性,组蛋白H3的过乙酰化能抑制LSD1的去甲基化酶的活性,H3K9的乙酰化能使LSD1的活性降低83.3%,组蛋白H3第10位丝氨酸(H3S10)的磷酸化也能使LSD1酶活性丧失。组蛋白H3上精氨酸(R)的甲基化对LSD1活性的影响依赖于精氨酸的位置,所以差异较大,H3R8的甲基化能使LSD1丧失全部活性,H3R2的甲基化能使LSD1的活性降低80%,而H3R17的甲基化对LSD1的活性影响较小。

LSD1介导的组蛋白去甲基化反应是一个逐步的、精细的、动态的调控过程,这其中有多个LSD1相关的正向和负向调节因子的参与,包括HDAC、CoREST和BHC80,这种动态调控对生理和病理情况下的基因表达水平有重要的影响。

六、LSD1的生物学功能

研究证实LSD1不但通过使组蛋白去甲基化,还通过对非组蛋白p53和Dnmt1的去甲基化作用发挥其生物学功能。LSD1的生物学作用主要表现在对性激素受体介导基因转录的调控,对肿瘤细胞的增殖、凋亡和转移的调节以及对胚胎发育、有丝分裂等的调节。

LSD1对性激素受体介导基因转录的调控

1、LSD1对雄激素受体介导基因转录的调控

在人的前列腺癌细胞中,LSD1分别与雄激素受体(AR)的N端结构域、DNA结合结构域和配体结合结构域结合,并激活AR介导的基因转录,维持癌细胞的永生化特性。LSD1在AR的靶基因——前列腺特异性抗原(PSA)的启动子区域与AR形成复合物,使H3K9去甲基化,促进AR介导的靶基因的转录;但LSD1只能使H3K9Me和H3K9Me2去甲基化,不能使H3K9Me3去甲基化,还存在另一种去甲基化酶使H3K9Me3去甲基化,与LSD1协同作用,共同激活雄激素受体依赖的基因表达。应用RNAi敲除LSD1或应用胺氧化酶抑制剂—帕吉林能阻止LSD1对H3K9的去甲基化作用,使启动子区域的H3K9Me和H3K9Me2增加,均可抑制AR依赖的PSA基因表达和雄激素诱导的细胞增殖。AR以及LSD1在体内与含有JMJC结构域的去甲基化酶JMJD2C结合,LSD1与JMJD2C共同参与调控AR介导的基因转录。在细胞中,LSD1、AR和JMJD2C可在PSA基因的启动子区域形成功能复合物。共表达LSD1和JMJD2C能显著增强PSA基因的表达,而共表达LSD1和JMJD2C的失活突变体对PSA基因表达的激活作用明显减弱,RNAi介导的JMJD2C基因敲除也使雄激素受体介导的基因转录下调。

2、LSD1对雌激素受体介导基因转录的调控

LSD1除调控AR功能外,还参与调控雌激素受体(ERα)介导的基因转录。ERα是维持女性生殖系统正常功能的重要调节因子,并且在乳腺癌的发生发展中起重要作用。LSD1与ERα结合后,通过使H3K4和H3K9去甲基化来调节其靶基因的表达。LSD1在哺乳动物的发育和许多生物过程中都发挥重要作用,并且与许多肿瘤的发生有关。此外,含有JMJC结构域的组蛋白去甲基化酶JMJD2B也是雌激素信号转导途径中重要的组成部分,并在雌激素受体阳性的乳腺肿瘤中高表达。并且雌二醇以ERα依赖的形式诱导JMJD2B的表达,JMJD2B与ERα结合组成SWI/SNF-B染色体重塑复合物。JMJD2B被募集到ERα靶点,使H3K9Me3去甲基化,从而促进ERα靶基因的转录,当敲除JMJD2B时严重减弱雌激素诱导的细胞增殖和乳腺癌细胞形成肿瘤的能力。因此,JMJD2B也将成为乳腺癌治疗中的潜在靶标。

LSD1对肿瘤细胞增殖、凋亡和转移的调节作用

p53是与肿瘤关系最密切的肿瘤抑制基因,它在细胞周期的调控、DNA修复、细胞分化和细胞凋亡中都起着重要的调节作用。LSD1可以直接与p53相互作用,来抑制p53介导的转录激活和促进细胞凋亡的作用。LSD1与p53的作用还可以抑制肿瘤标记物甲胎蛋白(AFP)的表达,当H3K4Me2去甲基化及抑制AFP转录时,p53和LSD1共同占有一个p53反应元素,且在H3K4Me2去甲基化的过程中,p53-LSD1复合物具有特异性。此外,LSD1还使p53羧基末端二甲基化的K370位点去甲基化,使得去甲基化后的K370位点不能被共激活蛋白53BP1的Tudor结构域识别,阻断p53信号通路的传递,调控着p53的生物学活性,导致细胞增殖失控。

LSD1是组成Mi-2/核小体重组和脱乙酰基酶复合物(NuRD)的核心成分。Wang等通过MDAMB-231细胞实验,说明了LSD1对于细胞本身增殖分化没有影响,但却影响侵袭潜能。LSD1/NuRD复合物可以锚定的区域包括与细胞生长、存活、转移、侵袭相关的多种基因的启动子,如E-cadherinsnail-slug-EMT以及肿瘤侵袭的关键信号通路TGF-β。体外实验研究发现,LSD1可遏制乳腺癌细胞的侵袭性,活体实验发现,LSD1可抑制乳腺癌细胞扩散转移,LSD1是TGF-β1的负调节模式。同时,在雌激素受体阴性的肿瘤中,LSD1水平很高,通过抑制LSD1水平可以使乳腺癌细胞的生长得到抑制。因此,LSD1将成为一个潜在的抗雌激素受体阴性的相关肿瘤治疗的靶标。

另外,人端粒酶逆转录酶(hTERT)是端粒酶活性的限制性组分,端粒酶的激活是细胞永生化和恶性转化中普遍而特异的标志。最近发现hTERT基因在正常的纤维原细胞中不表达,而在肿瘤细胞,如宫颈癌HeLa细胞和肺癌A549细胞中过表达,应用胺氧化酶抑制剂—强内心百乐明抑制正常的纤维原细胞中LSD1的活性,发现hTERT基因表达上调,端粒酶活性增强,然而,LSD1如何调节hTERT基因表达以及对纤维原细胞生长增殖的影响,并不清楚。

在多种癌症的发生和发展的过程中,很多肿瘤抑制基因的表达被异常抑制。LSD1的抑制剂能使大肠癌细胞中这些被异常抑制的基因(SFRP1、SFRP4、SFRP5和GATA5)重新表达,从而诱发细胞凋亡,因此,LSD1的这些小分子抑制剂可能成为癌症治疗药物开发的有效靶点。现又发现LSD1与神经母细胞瘤分化密切相关;低分化的神经母细胞瘤中LSD1高表达,siRNA敲除LSD1后,瘤细胞的生长受抑制,体内实验证实抑制LSD1可以抑制神经母细胞瘤的生长。

LSD1对胚胎发育的调节作用

LSD1是一个母源性转录因子,卵细胞中LSD1的转录物在胚胎基因组激活(ZGA)过程中消失,然后在囊胚期又恢复到卵细胞中的转录水平。敲除果蝇胚胎中LSD1,引起组蛋白H3K4高度甲基化和基因表达异常,从而导致胚胎的死亡,还可引起H3K4甲基化失衡,导致果蝇不育和死亡。后来发现在小鼠胚胎发育过程中的原肠胚形成需要LSD1,应用LSD1的抑制剂—双联胍抑制LSD1活性后,小鼠胚胎的Oct4(POU5F1)基因表达上调,且胚胎的发育阻滞在4-细胞期,并且这种阻滞作用是不可逆的,提示LSD1可能在早期胚胎发育过程中起着重要的作用。LSD1在调控体细胞重编程过程中起重要作用。此外,组蛋白H3K9去甲基化酶JHDM2A和JMJD2C有维持小鼠胚胎干细胞全能性作用,RNAi敲除胚胎干细胞中JHDM2A和JMJD2C,发现Oct4、Sox2、Nanog等全能性因子表达下调,且胚胎干细胞表现分化特性,提示JHDM2A和JMJD2C可能通过去除H3K9的甲基化,激活Oct4、Sox2、Nanog等全能性因子,从而维持细胞的全能性。

研究发现线虫的LSD1通过重编程表观遗传记忆对生殖细胞的不死性起作用。线虫的spr-5(LSD1的线虫同源基因)突变会导致不孕,亲代的不孕性状可遗传给子代,且子代的不孕性状随着遗传代数的增加而加强,外源导入LSD1可恢复子代的不孕性状。spr-5突变导致的不孕是由于精子形成的相关基因位点上H3K4甲基化聚集所致基因调控异常导致的。该研究表明H3K4甲基化提供一种表观遗传记忆,LSD1在生殖细胞重编程这种记忆的过程中起重要作用。在垂体发育过程中,LSD1对细胞世系决定和分化起着重要的作用。LSD1在与PIT1蛋白结合后募集MLL3形成共激活复合物,激活PIT1靶基因Gh的转录。而当细胞开始表达ZEB1后,ZEB1能够募集LSD1-CoREST共抑制复合物到Gh基因启动子区,抑制Gh基因的表达。在垂体发育过程中,LSD1通过激活和抑制目的基因的转录,调节垂体细胞的分化。另有研究发现,斑马鱼胚胎中神经细胞的发育与LSD1有关。

LSD1对有丝分裂的调节作用   

LSD1在细胞间期能够定位在中心体上,在细胞有丝分裂期定位在纺锤体两极。抑制LSD1的表达导致细胞在有丝分裂期染色体分离异常,同时,有丝分裂调控的核心蛋白MAD2和BubR1的水平下降。LSD1可以结合到MAD2和BubR1的启动子上并局部影响组蛋白H3K9的甲基化,是调控MAD2和BubR1启动子活性的阳性因子。研究提示LSD1可通过调节MAD2和BubR1转录活性来调控细胞有丝分裂期染色体的分离。

LSD1对TAL1功能和机体造血的调控

TAL1是机体造血过程中关键的转录因子,它的异常表达常导致T细胞白血病。在红细胞白血病和T细胞白血病细胞中,TAL1与含有LSD1、CoREST、HDAC1和HDAC2等蛋白成员的组蛋白去甲基化酶复合体相结合,且LSD1对组蛋白H3K4位点的去甲基化作用能抑制TAL1的转录活性。研究表明,在红系细胞分化的早期,与TAL1所结合的LSD1、HDAC1的蛋白量以及它们的酶活力都协同下调,只有在未分化的小鼠红细胞白血病细胞中,TAL1才促进LSD1结合到靶基因启动子区域,并抑制该基因的活性,而在分化状态时则不能抑制。应用shRNA技术下调小鼠红细胞白血病细胞中LSD1的表达,可提高靶基因位点组蛋白H3K4的二甲基化修饰水平,从而解除TAL1对下游靶基因的抑制。总之,LSD1以表观遗传修饰的方式负调控TAL1的转录;TAL1与LSD1/HDAC1复合体之间的动态调控,决定红系细胞分化的发生发展。

七、LSD1作为抗肿瘤药物新靶点

利用RNA干扰技术和小分子LSD1抑制剂调节LSD1的表达量和活性,能够控制肿瘤细胞的增殖、转移和侵袭。同时,由于LSD1在多种肿瘤中高表达,与乳腺癌、前列腺癌、卵巢癌、膀胱癌、肝癌、口味癌、肺癌、神经母细胞瘤、白血病等密切相关,靶向LSD1的抗肿瘤治疗方案表现出较高的选择性和较低的毒副作用。因此,LSD1可能成为表观遗传学抗肿瘤药物的新靶点。

八、LSD1与白血病

白血病是一类造血干细胞恶性克隆性疾病。克隆性白血病细胞因为增殖失控、分化障碍、凋亡受阻等机制在骨髓和其他造血组织中大量增殖累积,并浸润其他非造血组织和器官,同时抑制正常造血功能。临床可见不同程度的贫血、出血、感染发热以及肝、脾、淋巴结肿大和骨骼疼痛。

根据白血病的分化程度、自然病程的长短可分为急、慢性白血病。急性白血病细胞分化停滞在早期阶段,以原始及早幼细胞为主,疾病发展迅速,病程数月。慢性白血病细胞分化较好,以幼稚或成熟细胞为主,发展缓慢,病程数年。按病变细胞系列分类,包括髓系的粒、单、红、巨核系和淋巴系的T和B细胞系。临床上常将白血病分为淋巴细胞白血病、髓细胞白血病、混合细胞白血病等。

儿童及青少年急性白血病多起病急骤。常见的首发症状包括发热、进行性贫血、显著的出血倾向或骨关节疼痛等。起病缓慢者以老年及部分青年病人居多,病情逐渐进展。此外,少数患者可以抽搐、失明、牙痛、牙龈肿胀、心包积液、双下肢截瘫等为首发症状。

LSD1在恶性造血系统中高表达,对于造血系统的分化具有重要的调控作用。在正常的造血系统分化过程中,造血干细胞分化为早期前祖细胞进而最终分化为成熟红细胞,任何时期所产生的突变均有可能导致恶性增殖的发生和发展。TAL1是早期造血干细胞特异性调控因子之一,它的异常表达会导致T细胞白血病的产生。LSD1的表达沉默抑制红细胞分化,而过量表达LSD1蛋白同样也抑制红细胞的分化,这说明LSD1在机体造血系统中发挥重要作用,无论是未分化的红细胞还是已分化的红细胞都需要LSD1的存在,提示LSD1可通过与红细胞特异性转录因子如TAL1或Gfilb相结合调控红细胞的分化。因此,LSD1以表观遗传修饰的方式调控TAL1的功能和机体造血系统。也正是TAL1-LSD1中蛋白质-蛋白质之间的相互作用,调节转录及基因表达,从而在机体造血系统及红细胞分化中发挥功能。

LSD1在多种人类急性髓系白血病(AML)中列于具有高度表达的基因中的5%,在AML生成过程中发挥重要的调控作用。LSD1的敲除会使AML细胞显著丧失白血病细胞无限增殖分化的潜能,不能形成克隆,在小模型中不会导致白血病的发生。由LSD1高表达介导的表观遗传修饰所导致的基因沉默,与疾病的发生发展密切相关,LSD1通过直接或间接的方式调控造血系统中一些重要转录因子和染色质重塑相关酶的表达,通过调控一系列基因表达进而激活MLL-AF9白血病相关癌基因。LSD1抑制剂会导致被异常沉默的抑癌基因获得激活从而重新表达。这些研究结果均表明在AML白血病中,LSD1所发挥的去甲基化功能与白血病相关的致癌基因具有密不可分的关系。鉴于这些重要发现,LSD1在调控基因表达及,MLL细胞分化过程中均发挥重要作用。

综上所述,LSD1在调控致癌基因的表达及造血系统生成、红细胞分化过程中发挥着重要作用,因而这一重要的表观遗传学调节因子可能成为白血病治疗中的重要靶标。

九、LSD1抑制剂

LSD1能在多种肿瘤中高表达,是比较理想的抗肿瘤药物靶点。近年来的研究也证实LSD1抑制剂对多种肿瘤模型有效,并表现出对肿瘤细胞的高选择性。目前已有一些LSD1抑制剂已经进入临床试验阶段,但尚无批准上市的药物。以下对近几年发现报道的LSD1抑制剂进行归纳总结。

苯基环丙胺LSD1抑制剂

LSD1与单胺氧化酶是同源蛋白,因此单胺氧化酶(MAO)抑制剂被用来研究对LSD1的作用。Schule等发现MAO抑制剂苯基环丙胺对LSD1有比较弱的抑制作用。此外,MAO抑制剂优降宁也能够抑制LSD1的活性,但抑制率低、选择性差。机制研究发现,其结构中的苯基环丙胺通过和FAD共价结合抑制了LSD1的活性。此后,以苯基环丙胺为母核的大量衍生物陆续开发出来,是当前研究最多的一类LSD1抑制剂。此类抑制剂由于和FAD产生共价结合,因此不能排除对其他含有FAD酶的潜在作用的可能性。Mimasu等设计合成的苯基环丙胺类LSD1抑制剂可提高HEK293T细胞中H3K4二甲基化的水平。

西班牙OryzonGenomics公司开发了大量苯基环丙胺类LSD1抑制剂,其IC50分别为5nM、29~43nM和14nM。另有多个化合物处于临床前或临床试验阶段,其中ORY-1001于2013年8月获得EMA批准,作为治疗急性髓细胞白血病(AML)的孤儿药进行临床试验。GSK2879552是选择性不可逆LSD1抑制剂,在美国处于临床试验阶段,用于治疗复发性和难治性小细胞肺癌。

多胺类LSD1抑制剂

2007年起,Huang课题组发现多胺类LSD1抑制剂能够明显抑制结肠癌细胞系HCT-116的活性,提高H3K4的单甲基化和二甲基化水平,并能诱导SFRP1、SFRP2、SFRP5和转录因子GATA5的重新表达。将其单用于接种了HCT-116的裸鼠,能够显著抑制肿瘤生长。2010年,该课题组Sharma等人又报道了一类多胺LSD1抑制剂,其中化合物11能够显著提高肺癌细胞系Calu-6的H3K4二甲基化水平,诱导SFRP2、SFRP5和转录因子GATA4的表达,显著抑制肿瘤的生长。Wang组研究发现可逆性多胺类LSD1抑制剂能抑制畸胎癌、胚胎癌等肿瘤干细胞的增殖。Balakrishna等设计合成了噁唑苯基LSD1抑制剂对宫颈癌HeLa细胞系和乳腺癌细胞MDA-MB-231有显著抑制效果。

多肽类LSD1抑制剂

Jeffery等根据LSD1的催化底物,设计并合成了赖氨酸衍生物14和15,14为时间依赖性抑制剂,15为非时间依赖性抑制剂。Isuru和Patrick设计并合成了线性和环状的多肽类LSD1抑制剂。与线性类似物相比,环状多肽类对蛋白水解酶更稳定,且在体内对乳腺癌MCF-7细胞和肺癌Calu-6细胞有抑制作用。

其他小分子LSD1抑制剂

2012年,Hazeldine等通过虚拟筛选获得了16,能够使结肠癌细胞系Calu-6的H3K4二甲基化水平升高,同时能诱导SFRP2、HCAD和GATA4等蛋白表达量升高。Namoline对LSD1有抑制作用,能阻止细胞增殖并抑制肿瘤增生。2013年,Hitchin等用基于片段的药物设计方法合成出全新的LSD1抑制剂18和19,并报道化合物20是可逆的抑制剂,且在化合物在化合物20在微摩尔浓度下没有细胞毒性。化合物21具有高效、特异性的LSD1抑制作用,但也有研究称其抑制作用源于较强的细胞毒性。Zheng报道了含三氮唑的LSD1抑制剂22能够同时诱导细胞凋亡,并抑制细胞转移和侵袭。

另外,还有人研究了三氮唑嘧啶类、二氢螺胺类、氰苯基嘧啶类、环丙茚胺类、吲哚类等LSD1抑制剂在抗肿瘤中的作用。

LSD1-JmjC双重抑制剂(泛-KDM抑制剂)

Rotili等将LSD1抑制剂苯基环丙胺和JmjC抑制剂酮戊二酸系列拼合,设计并合成了一系列对两组组蛋白赖氨酸去甲基化酶(KDM)均有抑制作用的化合物,能诱导前列腺癌LNCaP细胞和HCT116结肠癌细胞凋亡而对正常细胞没有影响,有选择性抑制肿瘤的作用。

十、LSD1抑制剂与肿瘤

目前已经发现LSD1抑制剂对乳腺癌、卵巢癌、前列腺癌、结肠癌、非小细胞肺癌、小细胞肺癌、口腔癌、食管鳞状上皮癌、神经胶质瘤等有显著抑制作用,在诸多肿瘤的发生、侵袭、转移及预后中扮演着极其重要的作用。

十一、LSD1抑制剂与白血病

急性髓系白血病(AML)约占成人白血病的80%。目前,利用全反式维甲酸(ARTA)治疗急性早幼粒细胞白血病(APL)已被证明有明显疗效。但除APL外,其他急性髓系白血病的治愈率仍然较低。

ORY-1001是由西班牙Orzyon公司研发的具有高选择性、强效(IC50<20nmol/L)LSD1抑制剂,在推荐剂量有很好的耐受性,在64%的患者中对原始细胞分化有促进作用,能影响细胞多个基因的表达,使得白血病母细胞转变为正常分化的细胞,同时也降低了白血病干细胞的整殖和存活能力。

此外,RN-1、T-3775440、NCD25和NCD38 等更加高效、安全的LSD1抑制剂也在研发中,动物实验等结果表明其应用前景十分乐观。

研究发现,RN-1、GSK690对RUNX1-RUNX1T1(AML1-ETO)易位的白血病细胞最为敏感。RN-1与阿糖胞苷联用可有效降低AML细胞的生存能力,而组蛋白甲基化转移酶抑制剂EZH2与LSD1 抑制剂在AML等肿瘤治疗上也显示出协同作用,证实RN-1可有效诱导血红蛋白产生并减轻镰状红细胞病小鼠的症状。

最新研究显示,急性红细胞白血病(AEL)细胞和急性巨核细胞白血病(AMLK)细胞对T-3775440高度敏感,其机制可能与阻碍LSD1和独立生长因子1B之间的反应有关。NCD25和NCD38对多种白血病细胞和复杂核型的骨髓增生异常综合征(MDS)衍生细胞敏感,并可沉默具有超强激活LSD1作用的GFI1和ERG等基因。此外,NCD38还可在髓系分化前降低GFl1的表达,最终阻碍MDS和AML癌基因的进展。

十二、展望

自从组蛋白去甲基化酶LSD1被发现后,其晶体结构、作用机制及生理功能的研究取得了较大的进展。LSD1参与的表观遗传修饰在多能干细胞的调控、机体造血系统、生殖发育等方面发挥着重要的生物学功能,为探索相关疾病的致病机理和治疗方法提供了实验和理论依据。

组蛋白甲基化与去甲基化失衡在肿瘤的发生发展中起重要作用,深刻认识并揭示其动态平衡机制,可能为疾病的防治寻找新的途径。体外实验显示,组蛋白去乙酰化酶HDAC1/2可以激活LSD1的活性,但LSD1是如何被HDAC1/2的活性激活的;LSD1通常与CoREST、BHC80、HDAC形成共抑制复合物,BHC80能抑制LSD1的活性,BHC80是怎样结合LSD1-CoREST复合物,又是如何抑制LSD1的活性的;LSD1除了对组蛋白去甲基化作用外,还可对非组蛋白的蛋白(例如p53、Dnmt1)起去甲基化作用,从而参与调控p53及Dnmt1的作用,但LSD1调控Dnmt1的生物学功能仍有待进一步研究。

LSD1是肿瘤治疗药物开发的重要靶蛋白,调节组蛋白甲基化修饰将成为防治肿瘤的新思路和药物开发的新方向。目前已有部分LSD1抑制剂进入临床试验阶段,研发高效、低毒、高选择性的LSD1抑制剂是未来抗肿瘤药物,尤其是白血病治疗药物的研究方向之一。

 

参考资料

1、翟曜耀等,赖氨酸特异性组蛋白去甲基化化酶1作用机制及其生物学功能的研究进展,生命科学,2012,24(1)7~12

2、康迪等,LSD1抑制剂的研究进展,医学信息,2014,27(6)657~658

3、郑一超等,抗肿瘤药物新靶点:表观遗传组蛋白赖氨酸特异性去甲基化酶1,国际药学研究杂志,2014,41(1)30~36

4、荆璟等,LSD1在恶性肿瘤中的研究进展,实用肿瘤学杂志,2014,28(6)569~572

5、郭艺迪等,赖氨酸特异性组蛋白去甲基化酶1与白血病的研究进展,生物技术通讯,2014,25(2)252~258

6、丁杰等,赖氨酸特异性去甲基化酶1在肿瘤领域的研究进展,医学与哲学,2015,36(1B)57~60

7、董奇等,LSD1与肿瘤转移的研究进展,广东医学,2016,37(14)2211~2214

8、李浒等,组蛋白赖氨酸去甲基化酶在肿瘤中的作用,生物技术通讯,2018,29(1)109~113

9、金鑫荣等,组蛋白去甲基化与肿瘤发生,中国生物化学与分子生物学学报,2018,34(8)801~809

10、刘航等,赖氨酸特异性去甲基化酶1抑制剂与肿瘤治疗的研究进展,中华实验外科杂志,2018,35(10)1980~1983

11、陈江等,赖氨酸特异性去甲基化酶1功能及与肿瘤关系的研究进展,贵州医药,2019,43(7)1039~1043

12、张夕梅等,组蛋白赖氨酸特异性去甲基化酶1A在肿瘤发生发展中的作用,生物工程学报,2020,36(2)226~240


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