组蛋白是真核生物体细胞染色质中的一类小分子碱性蛋白质，富含精氨酸和赖氨酸等碱性氨基酸，是真核生物染色体的基本结构蛋白。组蛋白不同位点的化学修饰是表观遗传调控的重要机制，甲基化、乙酰化、磷酸化是大家熟知的组蛋白修饰机制。

组蛋白去乙酰化酶（HDAC）是一类蛋白酶，对染色体的结构修饰和基因表达调控发挥着重要的作用。一般情况下，组蛋白的乙酰化有利于DNA与组蛋白八聚体的解离，核小体结构松弛，从而使各种转录因子和协同转录因子能与DNA结合位点特异性结合，激活基因的转录。而组蛋白的去乙酰化则发挥相反的作用。

在细胞核内，组蛋白乙酰化与组蛋白去乙酰化过程处于动态平衡，并由组蛋白乙酰化转移酶（HAT）和HDAC共同调控。HAT将乙酰辅酶A的乙酰基转移到组蛋白氨基末端特定的赖氨酸残基上，HDAC使组蛋白去乙酰化，与带负电荷的DNA紧密结合，染色质致密卷曲，基因的转录受到抑制。

染色质由DNA和组蛋白等组成，其基本结构单位是核小体，核小体由各两分子的4种不同组蛋白（组蛋白H2A、H2B、H3和H4）组成八聚体。组蛋白修饰通过改变细胞核中染色质的构象或募集重构酶，利用来自ATP水解的能量重新定位核小体，可正向或负向调节基因的转录。

目前发现的组蛋白翻译后修饰（PTMs）包括甲基化、乙酰化、磷酸化、泛素化、丙二酰化、丁酰化和巴豆酰化等。其中乙酰化是组蛋白最广泛的修饰之一，其修饰程度受机体代谢状态的精细调控。常见修饰有H4K12ac（表示H4组蛋白的第12位赖氨酸发生乙酰化）、H3K12ac等。HAT催化乙酰化过程，使从核小体伸出的N-末端组蛋白尾部的赖氨酸残基带负电荷，这些负电荷会排斥带同种电荷的DNA，导致染色质结构松弛，使其处于更加开放的状态，允许转录因子结合并显著增加基因表达，这一过程可由HDAC逆转。乙酰化修饰对蛋白质功能具有重要调节作用，参与基因转录、蛋白降解和细胞代谢等多个细胞过程，与肿瘤精神、神经、心血管、呼吸、骨骼等疾病的发生发展密切相关。研发组蛋白去乙酰化酶抑制剂对于相关疾病的防治具有重要意义。

一、组蛋白去乙酰化酶的分类

目前在人体中发现了18种HDAC，根据结构、催化功能和细胞定位的不同可分为两个家族：依赖Zn离子的HDAC和依赖NAD＋的沉默调节蛋白；或者4个类别I、IIa/IIb、III和IV，其中I、Ila/IIb、IV类属于依赖Zn离子的HDAC，III类属于依赖NAD＋的沉默调节蛋白。HDAC在体内广泛表达，发挥修饰组蛋白和非组蛋白、调节染色质结构、抑制或激活基因表达以及调节细胞代谢的作用。

（一）I类组蛋白去乙酰化酶

I类HDAC（HDACI：HDAC1、HDAC2、HDAC3和HDAC8）与组蛋白去乙酰化酶1（HDA1）基因有同源性。HDACI在体内表达广泛，主要定位于细胞核，并对底物有较高的酶促活性。

（二）II类组蛋白去乙酰化酶

II类组蛋白去乙酰化酶（HDACIIa：HDAC4、HDAC5、HDAC7和HDAC9；HDACIIb：HDAC6和HDAC10）与HDA1基因有同源性。HDACIIa位于细胞核中，一般情况下处于非磷酸化状态，响应特定信号时被磷酸化，与转录因子相互作用而被募集到靶基因，发挥抑制其转录的作用。HDACIIb具有2个脱乙酰基酶结构域，参与微管和肌动蛋白依赖性细胞运动的调控。

（三）III类组蛋白去乙酰化酶

III类HDAC（HDACIII）也称为sirtuins（SIRT）包括SIRT1～7，是一类依赖NAD＋的沉默调节蛋白。SIRT存在于细胞核、细胞质和线粒体中，执行调控细胞存活、代谢、凋亡等生理功能。

（四）IV类组蛋白去乙酰化酶

IV类HDAC（HDAC IV）仅包含1个酶：HDAC11。HDAC11在大脑、心脏、肌肉、肾脏和睾丸都有丰富表达，然而目前研究者对其功能知之甚少。

二、组蛋白去乙酰化酶的结构特点

目前，已经对一些HDAC的结构进行了鉴定，阐示了其结构特点。随着结构生物学的发展，将对HDAC的结构及其特点有更深入的了解和认识，为开发以HDAC为靶点的药物奠定基础。

（一）I类组蛋白去乙酰化酶的结构特点

I类HDAC中的HDAC1已被研究证实，其磷酸化可以促进酶本身的催化活性及催化复合物形成，磷酸化发生于HDAC1中421位丝氨酸位点Ser421与423位丝氨酸位点Ser423。运用K-trap（K-抗酒石酸酸性磷酸酶）亲和树脂对HDAC1进行纯化，SDS-PAGE（聚丙烯酰氨凝胶电泳）分离K-trap纯化的HDACI，考马斯亮蓝染色检测蛋白，运用质谱法鉴定磷酸化基团，显示HDAC1分子量标识物大小分别为75000、66000，其他种I类HDAC即HDAC2、HDAC3与HDAC8蛋白鉴定分析应用Clustal法完成，HDAC1、HDAC2、HDAC8分别由482、488、377种氨基酸构成。

 

（二）II类组蛋白去乙酰化酶的结构特点

1、IIa类HDAC

研究证实，Ila类HDAC一段保守的锌结合域—HDACA催化序列与I类HDAC相区别的特征是一段锌离子结合域，其容纳了2种自分子中心分离的蛋白片段。第1个片段形成了1个17-氨基酸环（Lα1-α2），其贡献了3个锌离子配体：His665，Cys667和His678。第2个片段是一含35个残基的插入体（α6-α7-β3-β4），形成了1个螺旋结构，紧接着1个包含其尖端第4锌配体Cys751的β-发夹结构。值得注意的是，这4个锌配体在所有的Ila类HDAC中均高度保守，但在其他种类的HDAC中缺失。此锌结合域与环结构方面不同点的存在导致HDAC4相比HDAC8及HDAH拥有一个更活跃的活性位点。同时，在HDAC8、HDLP及HDAH中并不存在催化乙酸盐反应产物释放的水性通道。

晶胞分析的结果显示，在位于锌结合城的Cys669与来自于邻近分子的Cys700之间，有一分子内部的二硫键形成，为排除此二硫化物对抑制物与活性位点间作用可能的影响，对野生型（WT型）HDAC4与HDAC4催化序列功能性突变体（GOF-HDAC4cd） （包括含有C669A/C700A两个突变体与C7OOA单一突变体）的抑制物结构均进行了论证，结果显示突变体的结构与相应的无突变的野生型及排除紊乱状态下的锌结合域突变体蛋白相同。证明HDAC4cd-抑制剂复合物的结构域在空间弯曲折叠，且分子内部的二硫带在某些部位已将其封闭。

2、IIb类HDAC

有研究证实，IIb类HDAC的HDAC10是一种含有669个氨基酸残基的多，其由N-末端的Hdal相关去乙酰化序列与C-末端的亮氨酸富集序列构成组合式的结构。HDAC10两段乙酰化序列与HDAC6的对应序列的相同/相似度分别为54%/62%与53%/60%。

（三）II类组蛋白去乙酰化酶的结构特点

哺乳动物有7种Ⅲ类HDAC，包括SIRT1～7。所有成员均含有一段NAD+依赖的催化核序列，其扮演着单一ADP-核糖基转移酶（ART）或者NAD+依赖的去乙酰化酶（DAC）的角色，此催化序列两端环绕着可变长度的N-末端与C-末端序列，在细胞内不同的III类HDAC其定位不同。SIRT1与SIRT5只具有DAC活性，SIRT4与SIRT6只具有ART活性，而SIRT2与SIR3具有DAC与ART两种活性：在细胞定位方面，SIRT1主要定位于常染色质中，SIRT2主要定位于细胞质中，SIRT3～SIRT5则主要定位于细胞线粒体中，而SIRT7则定位于细胞核仁中。

（四）IV类组蛋白去乙酰化酶的结构特点

研究人员运用cDNA克隆预测到人类HDAC11氨基酸序列，揭示了HDAC11拥有347个氨基酸的开放阅读框（对应分子量为39000）。基因数据库的专家预测HDAC11基因定位于人类3p25.2染色体，长度上跨越25kb，包含9个外显子与8个内含子，在氨基酸水平的序列比较显示：HDAC11的整个蛋白组成与已知的HDAC家族成员（HDAC1～HDAC10）仅有微小的同源性（包括酵母菌HOS3蛋白），但HDAC11包含有对去乙酰化功能具有潜在重要作用的所有9部分保守序列，HDACI1与HDAC家族的其他成员共同揭示了一个假定的催化核序列，此序列可能包括了几乎所有在真核生物HDAC与原核生物HDAC—相似蛋白中存在的活性不变催化序列。

三、组蛋白去乙酰化酶的功能

HDAC和组蛋白乙酰转移酶（HAT）在组蛋白乙酰化水平上起着共同调节的作用。HAT的机理大致为利用中和组蛋白尾端的赖氨酸残基的正电荷，使带负电荷的DNA分离，让它们的核小体得到舒展，进而转录基因被激活，基因表达开始，HDAC使基因转录这一过程被抑制。另外，某些非组蛋白控制着细胞的稳定性，而HDAC与这些细胞也有一定的关联。在调控癌细胞增殖方面，I类HDAC发挥着重要的作用，其作用机理大致为可以和其他因子在活体上组合成蛋白复合物，并且I类HDAC的HDAC3可以抑制很多核受体，还能调节转录因子TFII-1。肌细胞增强因子MEF2可以和DNA一同作用于分化肌细胞功能的调节，与之相关的就是II类HDAC，其具有控制微小管活动性的HDAC6。在募集功能上，HDAC10发挥着一定的作用。

四、组蛋白去乙酰化酶的表观遗传学作用

表观遗传学是不涉及DNA序列改变的可遗传的基因表达变化研究，在表观遗传的诸多形式中，组蛋白的共价修饰占有重要地位，其与基因的表达调控密切相关，包括磷酸化、甲基化、乙酰化修饰等。组蛋白乙酰化及去乙酰化修饰是组蛋白修饰最重要的方式，是基因表达调控最主要的驱动力，此可逆的动态修饰由HAT和HDAC共同催化，共同控制染色质各区域核心组蛋白的乙酰化程度。组蛋白的乙酰化程度与转录活性密切相关：转录活动区域核心组蛋白的乙酰化密度高，而不活动区域乙酰化密度低。HAT促使染色体的解聚，激活转录；而HDAC则封闭DNA，进而抑制转录过程。

在正常生理状态下，HAT与HDAC对组蛋白乙酰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，进而导致细胞恶变，HDAC成为表观遗传学中抗肿瘤药物及其他相关疾病治疗药物设计具有潜力的重要靶点。

 

五、组蛋白去乙酰化酶与机体能量代谢

能量代谢，新陈代谢是生命最基本的特征之一，其包括物质代谢和能量代谢两个方面。机体通过物质代谢，从外界摄取营养物质，同时经过体内分解吸收将其中蕴藏的化学能释放出来转化为组织和细胞可以利用的能量，人体利用这些能量来维持生命活动。

通常将在物质代谢过程中所伴随的能量的释放、转移、贮存和利用称为能量代谢。机体从外界摄取的营养物质包括碳水化合物、脂肪、蛋白质、微量元素、水及维生素等，其中碳水化合物、脂肪和蛋白质是机体的主要能源。基础能量代谢（BEE）决定了人体能量最基本的需要量，它对生命存活起了一系列重要的作用，如体内细胞功能、蛋白质合成等。它占据了每日能量需要的60%-75%。机体能量代谢失调与许多疾病的发生发展密切相关。

研究证实，除组蛋白外，HDAC也能催化大量非组蛋白发生去乙酰化，甚至可激活基因的转录。HDAC在调节机体能量代谢过程中的作用已被越来越多的研究所证实。

蛋白质乙酰化和去乙酰化修饰是一种动态平衡过程，在调节细胞染色质重塑及转录因子的转录活性中发挥着重要作用。研究表明，HDAC与心肌细胞能量代谢、骨骼肌能量代谢、肝脏能量代谢、脂肪组织的生成和代谢调节等密切相关。HDAC通过调控组蛋白或转录因子的乙酰化状态影响细胞代谢相关基因的表达，从而调节机体的能量代谢过程。HDAC1的非组蛋白调节作用表现在对机体能量代谢的关键激酶—AMPK的影响，提示HDAC可能还通过调节组蛋白以外的其它途径影响机体能量代谢过程。因比，重新审视HDAC的代谢调节机制、进一步明确HDAC在不同生理及病理状态下的作用机制，将为预防和治疗代谢性疾病提供新的思路。

六、组蛋白去乙酰化酶在特定上皮细胞向间质细胞转化过程中的作用

中科院上海生命科学研究院生化与细胞所宋建国研究组研究发现，组蛋白去乙酰化酶1（HDAC1）在转化生长因子-β1（TGF-β1）诱导的上皮细胞向间质细胞的转变（EMT）过程中发挥重要作用。

该研究发现，HDAC的3种结构完全不同的抑制剂均能抑制TGF-β1诱导的小鼠肝细胞的EMT；过表达HDAC1显性失活突变体或者利用RNA干扰技术降低细胞内HDAC1（HDAC1 RNAi）的水平亦可抑制TGF-β1诱导的小鼠肝细胞EMT。HDAC抑制剂TSA以及HDAC1 RNAi也能够抑制TGF-β1诱导的细胞迁移。研究还表明，HDAC1可通过抑制ZO-1以及E-cadherin的启动子活性来调节TGF-β1诱导的EMT。此外，研究中还观察到HDAC1在多种浸润性肝癌中有较高的表达。

HDAC1在多种生理和病理过程中发挥了重要的作用。该研究新发现的HDAC1调控肝细胞的EMT过程的机制，对于进一步深入了解HDAC在特定上皮细胞向间质细胞转化过程中的作用具有重要意义。该研究有助于加深对TGF-β1诱导的EMT的机制的深入了解，并具有潜在的相关的医学临床应用参考价值。

七、组蛋白去乙酰化酶抑制剂

组蛋白去乙酰化酶抑制剂（HDACIs）具有干扰与组蛋白去乙酰化酶的功能。组蛋白去乙酰化酶抑制剂通常可分为两大类：NAD+-依赖性酶和Zn2 +依赖性酶。Zn2+依赖性蛋白酶包括HDACsI、II、IV亚族；NAD+-依赖性酶主要是HDACs III亚族。组蛋白去乙酰化酶抑制剂通过增加细胞内组蛋白的乙酰化程度，提高p21等基因的表达水平等途径，抑制肿瘤细胞的增殖，诱导细胞分化和（或）凋亡。组蛋白去乙酰化酶抑制剂已成为肿瘤靶向治疗的研究新热点，其对肿瘤细胞迁移、侵袭、转移的抑制作用和抗肿瘤血管生成作用也被证实。

（一）组蛋白去乙酰化酶抑制剂作用机制

HDACIs通过控制DNA缠绕于组蛋白的松紧程度来发挥作用。组蛋白去乙酰化酶通过组蛋白的去乙酰化（去除乙酰基），使DNA更紧地缠绕在组蛋白上，从而导致这些DNA不易被基因转录因子接触。结果导致与细胞分化、细胞周期阻滞、肿瘤免疫、受损细胞凋亡等有关的蛋白的表达受到抑制。这些因素都会促使癌症的发展。组蛋白去乙酰化酶抑制剂能有选择性地恢复这些癌症抑制因子和其它抗癌基因的表达。组蛋白去乙酰化酶抑制剂还可以间接地抑制血管生成因子的表达，帮助阻断对肿瘤的血液供应。

（二）组蛋白去乙酰化酶抑制剂种类

HDACIs包括结构不同的化合物，按其结构分为4类：

1、脂肪酸类

如丁酸盐、丁酸苯酯和丙戊酸，其中丙戊酸被用作抗癫痫药物。

2、氧肟酸盐类

如TSA是被发现的第一个能抑制HDAC的天然氧肟酸。SAHA与TSA结构相似，是美国FDA批准的第一个可以用于临床的制剂。

3、环肽类

如天然产物缩酚酸肽FK-228、apicidin和环氧肟酸等。

4、苯酰胺类

如MS-275、MGCD0103。有些HDACIs如TSA、SAHA属非选择性，可同时抑制Ⅰ类及Ⅱ类HDACs；有些HDACIs属于选择性的，如MS-275对Ⅰ类HDACs的抑制作用强于Ⅲ类HDACs，而对HDAC6、HDAC8几乎没有影响。但是现阶段对于决定不同HDACs活性的组蛋白特异序列还知之甚少。

（三）组蛋白去乙酰化酶抑制剂作用

1、特发性肺纤维化

特发性肺纤维化（IPF）是一种慢性进展性、生存期短且病因不明的肺部疾病。肌成纤维细胞活化、增殖、分化是致纤维化的关键因素，转化生长因子β1（TGF-β1）是主要的促纤维化因子。研究表明TGF-β1在体内外均可促进成纤维细胞分化为肌成纤维细胞（通过SMAD2、SMAD3磷酸化途径）及上皮细胞转化为间质成分（通过调节因子AKT磷酸化途径），引起特征性α-平滑肌肌动蛋白（α-SMA）、Ⅰ型胶原表达增加及纤维组织的收缩反应，而敲除HDAC4基因可阻断TGF-β1介导的AKT磷酸化途径。Guo等的实验结果提示TSA主要通过下调HDAC4表达、抑制调节因子AKT磷酸化途径，减少α-SMA及Ⅰ型胶原转录及表达，从而起到抗纤维化作用，但TSA无法抑制SMAD2及SMAD3磷酸化途径。研究发现在环氧化物酶2（COX-2）作用下，前列腺素E2（PGE2）可抑制肌成纤维细胞增殖及抑制胶原mRNA的转录，降低胶原水平而起到抗纤维化作用。Coward等的研究表明，与对照组相比，IPF患者肺成纤维细胞经TGF-β1（2ng/ml）处理后测得COX-2mRNA转录因子与启动子结合能力受损，由HDAC1、HDAC2、HDAC3构成的相关转录遏阻物复合体含量明显增加，COX-2 mRNA启动子的组蛋白H3、H4去乙酰化酶含量明显降低，COX-2mRNA水平明显下降，PGE2含量也明显减少。当IPF患者肺成纤维细胞同时经HDACIs（10μmol/LSAHA或10nmol/L LBH589）及TGF-β1抑制剂处理后，COX-2 mRNA启动子的组蛋白H3、H4乙酰化酶明显升高，可维持COX-2正常表达，减轻肺组织的纤维化程度。

2、肾间质纤维化

肾间质纤维化以肾成纤维细胞异常活化及增生为特点，特征性改变包括α-SMA表达及细胞外基质成分的增加。成纤维细胞的活化及增殖需要大量的生长因子及细胞因子如TGF、血小板衍生生长因子（PDGF）、成纤维细胞生长因子、白介素6（IL-6）等的参与。Kinugasa等的研究提示单侧输尿管梗阻致肾纤维化的小鼠模型中，给予小鼠FR276457（一种非特异性的HDACIs，Ⅰ类HDACs及Ⅱ类HDACs抑制剂），连续14d每日鼻饲20mg/kg和40mg/kg，可抑制羟脯氨酸的生成及胶原α1mRNA的表达，同时体内和体外实验均提示FR276457抑制促纤维化因子单核细胞趋化蛋白-1（MCP-1）的表达。Marumo等的研究提示在单侧输尿管梗阻致肾小管间质损伤的小鼠模型中，腹腔注射TSA10 mg·kg·d，共2～5d，可抑制α-SMA mRNA及胶原α1mRNA的表达，同时通过抑制细胞因子如MCP-1、集落刺激因子-1进而减弱巨噬细胞渗入及早期肾小管的纤维化改变。Noh等的研究提示在大鼠的糖尿病肾脏模型中，TGF-β1促使HDAC2的活性明显增高，进而造成细胞外基质的累积以及上皮一间质的转化。而TSA（0.5mg·kg·d，共4周，腹腔内注射）通过抑制HDAC2的活性，在基因和蛋白的水平上均抑制了细胞外基质成分的表达，遏制了上皮间质的转化。HDACs调节的肾成纤维细胞的活化通过信号转导子和转录激活子3（STAT3）磷酸化途径完成。研究显示TSA可通过抑制STAT3磷酸化及核转移阻断相关信号途径而减弱肾成纤维细胞增殖，起到抑制纤维化的作用。

3、心衰

心力衰竭分为以左心泵血功能受损为特征的收缩功能衰竭和心肌舒张充盈功能异常为特征的舒张功能衰竭。在病理基础上表现为心肌过度肥大及细胞外基质沉积，Ⅰ型、Ⅲ型胶原累积，间质纤维化，心室扩张及心室壁变薄。因此有学者认为心肌过度肥大是心肌纤维化的一种早期表现。有研究显示在压力负荷所致心肌病变中转录因子心肌细胞增强因子-2的转录活性明显增强，而Ⅱa类HDACs作用MEF-2靶基因形成复合体抑制其活性。除了通过上述直接作用阻碍基因表达外，Ⅱa类HDACs还通过与血清反应因子、活化T细胞核因子等间接关联来抑制重构。因此，Ⅱa类HDACs被认为具有抑制心肌肥大、抑制心室重构进而抑制纤维化的作用。虽然研究表明Ⅱa类HDACs对心肌细胞具有抗纤维化作用，但是体内实验证明非特异性HDACIs TSA（Ⅰ类和Ⅱ类HDACs的抑制剂）可有效地抑制心肌细胞肥大。其中可能的解释是Ⅰ类HDACs有促纤维化作用，且促纤维化作用程度大于Ⅱa类HDACs对心肌细胞的抗纤维化作用，因此非特异性HDACIs TSA总体作用表现为抑制心肌肥大。虽然Ⅰ类HDACs的促纤维化作用机制尚不明确，但是多项研究提示Ⅰ类HDACs抗心肌肥大及纤维化与多种蛋白复合体的调控有关，其中包括组蛋白及一些转录因子的去乙酰化修饰。

另外，心房纤维化是房性心律失常的主要病因之一，Liu等的研究提示HDACs过度活化下调连接蛋白40，引起转基因小鼠的心房纤维化，诱发房性心律失常。而给予小鼠腹腔内注入TSA 0.6mg·kg·d持续14d，房性心律失常的持续时间缩短及心肌细胞自律性降低。因此HDACIs的应用可为某些心脏疾病的治疗带来新的方法。

4、炎症

多个炎症性疾病动物模型的研究表明HDACIs具有抗炎作用。HDACIs除了通过调控组蛋白乙酰化状态引起炎性细胞因子的表达，还可以通过调控包括转录因子在内的非组蛋白的乙酰化状态，抑制或是激活炎性因子的表达，其中最主要的通过对核转录因子KB的抑制实现的。但是不同的HDACs具有不同的乙酰化模式，调节不同的基因。如系统性红斑狼疮MRL-Ipr/1pr小鼠模型，TSA和SAHA可下调炎性细胞因子IL-12和IL-6mRNA和蛋白的水平；在小鼠的哮喘模型中，TSA可以降低支气管肺泡灌洗液中IL-4、IL-5和lgE的浓度，进而减缓哮喘发展。但也有关于HDACIs能促进炎性细胞因子表达的报道。Suuronen等报道，在小胶质N9细胞TSA可以增强由脂多糖诱导的NO和IL-6的产生。因此，HDACIs对于炎症反应的调控可以是基因转录激活剂，也可以是抑制剂。

5、癌症

研究发现，HDACs乙酰化不同种类的细胞核转录因子和蛋白等，抑制多种抑癌蛋白的表达，且与多种癌基因密切相关，导致细胞过度增殖和肿瘤发生。HDACs与肿瘤发生发展的关系主要表现为：

（1）诱导染色质重塑，抑制基因转录。

（2）作用于细胞周期的相关因子，影响细胞增殖与分化。

①如抑制p21WAFI/CIP1基因表达，调控肿瘤细胞增殖分化。

②作用于细胞周期蛋白及蛋白激酶，影响肿瘤发生发展。

③与Rb基因相互作用，影响肿瘤细胞周期等。

（3）作用于细胞凋亡相关蛋白，影响细胞凋亡过程。

（4）联合血管生成因子，影响肿瘤组织血管移行与形成等。

在癌细胞中，HDACs的过度表达导致去乙酰化作用的增强，通过恢复组蛋白正电荷，从而增加DNA与组蛋白之间的引力，使松弛的核小体变得十分紧密，不利于特定基因的表达，包括一些肿瘤抑制基因。HDACIs可通过提高染色质特定区域组蛋白乙酰化，从而调控细胞凋亡及分化相关蛋白的表达和稳定性，诱导细胞凋亡及分化，成为一类新的抗肿瘤药物。HDACIs不仅对多种血液系统肿瘤和实体瘤具有良好的治疗作用，而且具有肿瘤细胞相对较高选择性和低毒的优点。

HDACs作为催化组蛋白去乙酰化作用的关键酶类，其参与肿瘤细胞生长增殖与表达调控等诸多过程，在肿瘤发生发展的表观遗传学研究中日益引起学术界的关注与重视。一些研究主要集中在已有的具备HDACs抑制活性的抗肿瘤药物的化学修饰与结构改造，以增强其药效及减轻毒副作用等，而从HDACs结构特点与生物学功能本身出发设计作用于特定通路的抗肿瘤药物将是未来的发展方向。随着结构生物学与计算机辅助药物设计等学科的发展，以HDACs为靶点开发具有抗肿瘤活性的新型HDACs抑制剂必将具有广阔的前景。

6、其他

Hait等发现，HDACs是S1P（1-磷酸鞘氨醇）在细胞内的直接靶标，其最初是一种存在于细胞核中具有生物活性的脂质信使，由2型鞘氨醇激酶（sphK2）产生。sphK2选择性聚集在编码细胞周期蛋白依赖性激酶抑制剂p21或转录调节因子c-fas的基因启动子上。S1P通过特异性结合HDAC1和HDAC2，抑制其活性，进而保护组氨酸末端赖氨酸不被去乙酰化，从而提高组蛋白H3乙酰化的程度，促进转录。

（四）组蛋白去乙酰化酶抑制剂应用

1、抗HIV感染

丹麦科学家以期证明“找到可大范围应用且不太昂贵的治愈HIV感染的方法是可能的”。他们进行临床试验，检验治疗HIV的一种“新策略”。该策略是将HIV病毒从人类DNA中取出，并被免疫系统永久消灭。这种疗法利用在治疗癌症时更普遍使用的组蛋白去乙酰化酶活性抑制剂，来把HIV从病人的DNA中赶出来。丹麦的研究人员正在使用一种药效尤其强大的组蛋白去乙酰化酶活性抑制剂帕比司他来进行抗HIV治疗。

2、抗肿瘤

在用于恶性肿瘤的治疗中，HDACIs有效且耐受性好。正常细胞对高浓度的HDACIs具有高耐受性，因此HDACIs被认为是无毒性反应的，而且有实验表明低剂量的HDACIs在缺氧、炎性反应或负荷压力作用下具有神经及肾脏保护作用。非特异性HDACIs在肿瘤的Ⅰ期及Ⅱ期临床试验中被报道的不良反应有恶心、呕吐、反应血液系统异常及QT间期延长，非特异性的HDACIs如SAHA、LBH589、ITF-2357可能造成一过性的血小板减少或是骨髓抑制，而特异性的HDACIs在用于肿瘤的研究中是否会引起相应的不良反应尚无定论，另外作为低剂量HDACIs尚无不良反应的报道。因此，具有脏器保护作用且有更好的耐受性的低剂量的HDACIs越来越多被用来尝试治疗慢性疾病。

3、抗纤维化

HDACIs在慢性纤维化性疾病中的作用引起越来越多的关注。HDACIs通过对组蛋白及非组蛋白（转录因子等）修饰作用，多途径抑制多种炎性因子和促纤维化因子而起到抑制炎症和纤维化作用。且HDACIs所需的治疗剂量低，耐受好，不良反应少，值得进一步深入研究。

4、抗抑郁

抑郁症是一种发病率较高的严重精神疾病，目前对其病理机制尚未全面了解，临床治疗效果十分有限。

对HDACIs的研究始于大约30年前，由于HDACIs可诱导细胞分化、调控细胞周期和凋亡，并有抑制癌细胞迁移和侵袭的能力，其中帕比司他、伏立诺地和罗米地辛等已作为抗癌药应用于临床。

HDACIs在治疗精神类疾病方面也有悠久的历史，如丙戊酸在发现其与HDACs的关系之前就已经在临床上主要用作情绪稳定剂。也有研究表明，HDACIs在治疗阿尔茨海默病、帕金森等神经退行性疾病以及癫痫、精神分裂症等精神性疾病的潜力。此外，目前的抗抑郁药在一定程度上也是通过影响大脑乙酰化状态提高突触可塑性，从而发挥抗抑郁作用。因此，开发靶向HDACs的抗抑郁药物前景广阔。

最近的研究表明，发生在大脑特定脑区的表观遗传调控——即不改变DNA编码的情况下调节基因活性，可能是环境因素与个体遗传相互作用以影响抑郁症发病风险的关键机制。因此，靶向表观遗传学调控的药物可能成为开发抗抑郁药的新方向。研究表明，HDACIs可能通过以下三种机制发挥抗抑郁作用：

（1）HDACiIs可以调节炎症相关的NF-κB和JNK通路，减轻炎症损伤和氧化应激；

（2）通过调节谷氨酸和5-HT系统改善谷氨酸传递；

（3）通过上调神经保护性或神经营养性蛋白或诸如GDNF和BDNF等因子的表达，起到神经保护作用。

然而，目前HDACIs在临床上的使用仍然存在争议，这些化合物通常由于特异性低且透过血脑屏障的能力有限，往往需要较高剂量才能起作用。针对HDACIs特异性较低的问题，目前能克服此问题的化合物之一就是MS-275，它可以选择性阻断HDAC1的活性且可以透过血脑屏障。另一方面，有研究表明即使在低剂量使用情况下，MS-275、NaB或ACY-738也可以增强经典抗抑郁药（特别是氟西汀）的功效，且HDACIs往往可在7天之内发挥药效，而氟西汀或其他标准抗抑郁药（例如丙咪嗪）则需要14～20天才能观察到抗抑郁效果。因此，针对HDACIs的研究不仅提高了研究者对HDACs在抑郁症中所发挥作用的认识，还为理解抑郁和抗抑郁作用的潜在分子机制提供了新的思路，并支持了HDACIs可能在染色质结构水平起作用的抗抑郁潜力，值得在临床中进行下一步研究。

表观遗传学机制在一定程度上拓展了抑郁症病因学研究视野，提供了一种解释环境因素影响基因表达的可能机制。HDACs可能代表了研究人员一直在寻找的解释抑郁症等疾病发病机制的缺失环节，填补了遗传学无法解释的空白。未来，研究人员仍需要阐明HDACIs功能的确切分子机制，确定是否有可能靶向大脑中的特定HDACs亚型，以便探索更加有效的新治疗策略。

（五）组蛋白去乙酰化酶抑制剂研究进展

1、在癌细胞中，HDACs的过度表达导致去乙酰化作用的增强，通过恢复组蛋白正电荷，从而增加DNA与组蛋白之间的引力，使松弛的核小体变得十分紧密，不利于特定基因的表达，包括一些肿瘤抑制基因。HDACIs则可通过提高染色质特定区域组蛋白乙酰化，从而调控细胞凋亡及分化相关蛋白的表达和稳定性，诱导细胞凋亡及分化，成为一类新的抗肿瘤药物。HDACIs不仅对多种血液系统肿瘤和实体瘤具有良好的治疗作用，而且具有肿瘤细胞相对较高选择性和低毒的优点。

2、广州生物院组利用计算机辅助药物设计原理和合理药物设计的方法成功设计合成了新型组蛋白去乙酰化酶I型选择性抑制剂。该先导化合物对HDAC1和HDAC9的选择性是天然物largazole的10倍。这为进一步研究具有选择性的组蛋白去乙酰化酶抑制剂提供了非常好的模型。

3、组蛋白去乙酰化酶是抗肿瘤药物的一个可靠靶点，具有选择性的组蛋白去乙酰化酶抑制剂已经成为抗肿瘤药物研究的热门领域。该研究对肿瘤表观遗传及个体化治疗提供了有益的方向。

4、基因转录的有序调控是机体细胞维持正常功能的前提，如果基因转录调控功能紊乱，细胞就可能发生癌变。最近的研究发现，肿瘤的发生与核心组蛋白的乙酰化及去乙酰化的失衡有密切的关系。在有机体内，负责组蛋白乙酰化和去乙酰化的是一对功能相互拮抗的蛋白酶：组蛋白乙酰转移酶（AHT）和组蛋白去乙酰酶（HDAC）。机体利用这两种酶对组蛋白氮端氨基酸残基进行乙酰化和去乙酰化，调节染色质的结构。进而调控基因转录。研究表明。组蛋白去乙酰酶抑制剂在体外和体内实验中均能引起乙酰化核小体组蛋白的堆积，提高p21基因的表达水平，抑制肿瘤细胞的增殖。诱导细胞分化或凋亡，可用于多种恶性血液病及实体瘤的治疗。科研人员对HDAC抑制剂的体内、外活性进行了系统的研究，部分HDAC抑制剂已经进入临床研究阶段。^[6]

5、研究认为，组蛋白的高乙酰化是转录活跃的一个标志，而低乙酰化则与转录抑制有关。

6、组蛋白是真核生物核染色体的重要组成成分。核心组蛋白的N端尾部可以通过各种修饰与DNA及其他蛋白发生作用，调整核小体以及染色质结构，从而使被抑制的基因重新恢复活性。组蛋白乙酰化/去乙酰化修饰是基因转录调控的关键机制之一，这种修饰作用分别由组蛋白乙酰转移酶（HAT）和组蛋白去乙酰化酶（HDACs）调控。HAT促使染色体的解聚，激活转录；而HDACs则封闭DNA，抑制转录过程。最近的多项研究表明，HAT/HDACs平衡的紊乱不仅会使基因表达失控，导致肿瘤的发生，而且与一些以慢性纤维化为主要特征的疾病相关，如特发性肺纤维化（IPF）、慢性肾脏疾病、心力衰竭、系统性硬化等。因此，关于HDACs及HDACIs在这些疾病病因及治疗的研究受到越来越多的关注。

7、膀胱肿瘤是最常见的泌尿生殖系统肿瘤之一，其特点是易复发与转移。降低膀胱肿瘤的复发与进展，提高膀胱肿瘤患者的生存时间与生活质量一直是临床重要研究方向。组蛋白去乙酰化酶抑制剂作为新一代的抗肿瘤药物，正成为肿瘤化学治疗领域的热点研究内容之一。研究组蛋白去乙酰化酶抑制剂在膀胱肿瘤中的作用机制将为指导临床对膀胱癌的治疗提供新的思路和方法。

8、神经胶质瘤是常见的颅内恶性肿瘤，约占全部颅内肿瘤的40%～50%。根据发生的部位和组织的不同，大致可分为以下几类：星形细胞瘤、室管膜瘤、少突胶质细胞瘤、脉络丛瘤和多形性胶质母细胞瘤等。目前的治疗手段主要集中于手术、放疗和化疗三个方面。由于该类肿瘤多呈浸润性生长，手术很难确切判定肿瘤边界；放疗对正常组织和细胞的损伤较大，且一些恶性胶质瘤（如恶性胶质母细胞瘤）在手术和放疗后平均生存期不足12个月，2年生存率仅为10%。一些经典的胶质瘤化疗药物（如：卡莫司汀、尼莫司汀），由于人脑内血脑屏障（BBB）的存在及胶质瘤对这些药物存在着耐药性，治疗效果也不十分明显。因此，寻求有效的化疗药物，提高胶质瘤患者的生存率就成为一个重要研究目标。

9、选择性组蛋白去乙酰化酶抑制剂研究进展

HDACs参与组蛋白和非组蛋白赖氨酸残基乙酰化和去乙酰化动态平衡过程的调节，它的异常表达与癌症、神经性疾病、精神性疾病、炎症、代谢异常等一系列疾病相关。HDACs具有多种亚型，且组织分布及生理功能均有差异，开发亚型选择性HDACIs可降低其毒副作用，提高疗效。因此，选择性HDACIs成为研究热点，已有多款不同类型的HDACIs处于不同的研究阶段。

（1）I类选择性HDACIs

①苯甲酰胺类

这类HDACIs主要有：用于治疗乳腺癌、非小细胞肺癌、急性粒细胞白血病病、脑瘤等多种癌症的MS-275、MGCD0103、SC202、RMS-162、ICI-164、ICI-384、MI192、CXD101、RG2833、BG45、RGFP966以及用于神经性疾病的BRD6688、K-560和用于治疗糖尿病性肾炎的CI-194等。

②环肽类

这类HDACIs主要有：用于治疗癌症的Largazole、FK228、SpriuchostatinA和B以及用于抗菌、抗寄生虫的Thailandepsins和Burkholdacs、Apicidin等。

③异羟肟酸类

这类HDACIs主要有：用于治疗癌症的JNJ-26451585、Scriptaid、NS41080、PCI-34051、NCC194、AR-42、CHR-3996以及用于治疗神经性疾病的MMH409、CHR-3996等。

（2）II类选择性HDACIs

①IIa选择性HDACIs

这类选择性HDACIs主要有：用于治疗癌症的LMK-235、TMP269和195、Tasquinimod、MC1568和1575等。

②IIb类选择性HDACIs

这类HDACIs主要有：Tubacin、TubastatinA、ACY-1215、ACY-241、ACY-775、CAY10603、HPOB、NexturastatA、TCS HDAC620b、WT161、NQN-1、BRD9757、SW-100、SS-208、ITF3756等。

（3）IV类选择性HDACIs

N-羟基-2-芳基异吲哚唑-4-羧酰胺类化合物为有效和选择性的HDAC11抑制剂。FT895、SIS17为此类化合物的类似物，对HDAC11具有高选择性，对HDAC11的生物学研究和疾病诊疗提高一种有效的方法。

综上，数十年来，对表观遗传学的研究和关注越来越多。HDACs作为表观遗传学过程中的重要靶标之一，在癌症等疾病方面扮演着不可或缺的重要角色。随着5个HDACIs的上市，以及多个泛HDACIs和选择性HDACIs进入临床的使用HDACs显然已作为新型抗癌药物的重要靶点。然而，泛HDACIs普遍存在着一些副作用，因此，寻找亚型选择性的HDACIs已成为近年来的研究热点，将会有越来越多的的高效、低毒HDACIs应用于癌症及其他疾病的治疗。

八、组蛋白去乙酰化酶激动剂

目前开发和设计的HDACs激动剂主要是针对Sirtin蛋白家族，研究发现Sir2及其同源蛋白能够延长酵母细胞、秀丽线虫和果蝇的寿命，能量限制能够通过诱发SIRT1表达量增加来延缓细胞衰老和延长生命周期。Situin蛋白在部分癌症中能够抑制肿瘤的发生和增长。另外，在人体中SIRT1还与情绪调节相关：研究发现，在情绪抑郁状态下，重度抑郁症患者的白细胞中SIRT1的mRNA水平明显下降，而在情绪缓解状态下，他们的白细胞中SIRT1的mRNA水平趋于正常。通过对5303位中国女性重症抑郁症患者进行全基因组测序，发现了2个与重度抑郁症相关的基因突变位点，其中一个即位于SIRT1基因附近。因此有关Sirtuin激动剂的研究对于延年益寿、情绪调节等疾病治疗具有重要意义，引起了人们极大的兴趣和广泛的关注。

目前报道的Sirtuin激动剂主要是SIRT1特异性的激活小分子，其中最先被发现的是以白黎芦醇为代表的STACs，它们能够显著地、特异地提高SIRT1对其底物小肽的亲和力，并有效促进SIRT1的去乙酰化酶活性。研究发现，在酵母、线虫和果蝇等低等模式生物中，白藜芦醇能够通过模拟能量限制来延长它们的生命周期，并且这种延长寿命的作用依赖于Sir2或其同源物的存在，而在脊椎动物中，白藜芦醇能够延长非洲齿鲤以及蜜蜂的生命周期，并且能够提高高热量饮食条件下小鼠的存活率。然而，目前还不清楚这种促进作用是否依赖于SIRT1。随后Sirtris公司开发了几种新的SIRT1激动剂（SRT2183，SRT1460和SRT 1720），它们与白藜芦醇拥有不同的结构，并具有更强的SIRT1激活能力，还能够增强胰岛素敏感度和维持血糖稳态。然而，上述激动剂很快受到了质疑，多个课题组报道发现在体外实验中这些激动剂的激活效果依赖于酶反应试剂盒中底物小肽上的荧光基团标记，而对没有荧光标记的天然小肽及p53、AceCS1和PGC-lα等全长蛋白没有激活效果。但是同时也有部分文献报道称这些激动剂可以促进SIRT1对某些天然底物小肽的去乙酰化酶活性，例如对于催化位点C端+1位和＋6位是芳香族氨基酸残基的天然底物，如PGC-lα和FOXO-3a，STACs仍具有激活作用，因为这些芳香族残基的侧链可以模拟荧光基团的作用。有研究者解析SIRT1全酶和白藜芦醇以及荧光修饰的p53小肽的三元复合物结构，发现3个白藜芦醇小分子结合在底物结合口袋附近，一方面与SIRT1-NTD的3个氨基酸残基相结合，另一方面与p53小肽的荧光基团相互作用，通过变构效应调节SIRT1-NTD与CATD之间的位置，进而提高酶与底物之间的亲和力，从而促进SIRT1的酶活性。然而，该研究结果表明对于没有荧光修饰的天然小肽，白藜芦醇不能促进SIRT1的酶活性。综上所述，目前对已知的SIRT1激动剂研究引发了较大争议，如何找到更加行之有效的激活小分子是目前面临的挑战。

九、展望

HDACs在染色质重构、基因表达调控、细胞代谢、癌症以及衰老等多种生命过程中发挥着重要作用。目前人们已经针对HDACs的功能、活性调控以及结构指导下的药物设计展开了广泛的研究，并取得了一定的成果。然而在这个领域仍然存在很多需要解答的问题。HDACs在恶性肿瘤等相关疾病中的作用使人们对HDACs抑制剂的开发保持着高度的热情，目前已开发的HDACs抑制剂具有高效性和低细胞毒性等特点，已有多种抑制剂开始进入了临床试验阶段，并且已经有HDACs抑制剂类药物被FDA批准用于治疗不同类型的淋巴瘤等疾病。但是目前的HDACs抑制剂大部分是广谱抑制剂，因此开发更为有效的、具有细胞选择性以及HDACs亚型特异性的抑制剂是面临的挑战之一。

Sirtuin蛋白在提高细胞生存能力以及延缓细胞衰老等方面的功能显示了对Sirtuin激动剂研究的重要性，然而目前已开发的Sirtuin激动剂存在较大的争议，因此如何建立完善、正确的检测体系，开发和设计真正有效的激动剂是目前需要解决的问题。另外，由于Sirtuin蛋白的底物多样性，它们参与了体内多种生命过程的调节，目前对于Situin蛋白在恶性肿瘤中扮演的角色仍然存在矛盾和模糊的地方。因此，研究各类Sirtun蛋白的结构及功能信息对于开发真正有效的、细胞毒性小、高选择性的Situin激动剂或抑制剂具有重要意义。

总之，HDACs在对抗癌症、神经性疾病、精神性疾病、炎症、延缓衰老以及情绪调节等方面具有巨大潜力，已成为推动该领域的进一步研究和探索的动力。

 

文献资料

1、曹端方等，组蛋白去乙酰化酶的结构及应用，生物化学与生物物理进展，2015，42（11）：978～993

2、李光明，组蛋白去乙酰化酶研究进展，临床医学，2014，27（1）484～485

3、夏靖等，组蛋白去乙酰化酶（HDACs）的研究进展，广东药学院学报，2010，26（5）：546～551

4、袁海瑞等，组蛋白去乙酰化酶（HDAC）在调节机体能量代谢过程中的作用，生理科学进展，2015，46（1）：61～65

5、姚开云等，组蛋白去乙酰化酶抑制剂的抗抑郁前景，药学学报，2021，56（1）：29～36

6、张立园等，选择性组蛋去乙酰化酶抑制剂的研究进展，材料化学前沿，2021，9（1）：1～23

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