組蛋白去甲基化酶：LSD和JmjC家族

1. 什么是組蛋白去甲基化？

組蛋白去甲基化是組蛋白去甲基化酶（HDMs）催化去除組蛋白N端尾部特定氨基酸上甲基的過程。組蛋白去甲基化酶主要作用于組蛋白H3上的賴氨酸（K）殘基，包括K4、K9、K27和 K36。組蛋白去甲基化酶也稱為組蛋白賴氨酸去甲基化酶（KDMs）。

2. 兩個組蛋白去甲基化酶家族：LSD和JmjC

目前已發(fā)現(xiàn)兩個進化保守的組蛋白去甲基化酶家族：賴氨酸特異性去甲基化酶（LSD）和含Jumonji C（JmjC）結(jié)構(gòu)域的去甲基化酶（JHDM）^[1][2]。它們利用不同的機制去除甲基。

2.1 LSD去甲基化酶

LSD家族由LSD1和LSD2組成，它們通過黃素腺嘌呤二核苷酸（FAD）依賴性胺氧化酶反應，使單甲基化和二甲基化賴氨酸殘基去甲基化。LSD1又稱KDM1A或AOF2，是第一個被發(fā)現(xiàn)的組蛋白賴氨酸去甲基化酶，它能去除組蛋白H3中賴氨酸4（H3K4me1/2）或組蛋白H3中賴氨酸9（H3K9me1/2）上的單甲基和二甲基基團，分別作為基因表達的抑制因子或激活因子。

LSD1去甲基化機制：

LSD1與CoREST和組蛋白去乙?；?/2（HDAC1/2）相互作用，從而賦予H3K4me1/2更多的特異性，導致其去甲基化，從而促進異染色質(zhì)的形成和靶基因的轉(zhuǎn)錄失活 ^[1][4]。然而，當LSD1與活化的雄激素受體（如雌激素受體（ER）或雄激素受體（AR））復合時，它作為轉(zhuǎn)錄激活劑會使H3K9me1/2去甲基化 ^[5][6]。

通過使H3K4去甲基化，LSD1可使DNA甲基轉(zhuǎn)移酶（DNMTs）的正調(diào)控因子DNMT3L與未甲基化的K4位點結(jié)合，從而促進DNMTs的表達，引起DNA的再甲基化，從而導致基因轉(zhuǎn)錄抑制。

此外，LSD1 還能使非組蛋白去甲基化，如p53上的K370me1和K370me2、DNMT1上的Lys1096以及E2F1上的Lys185。

LSD2也稱為KDM1B或AOF2，是另一種FAD依賴性胺氧化酶同源物，含有SWIRM結(jié)構(gòu)域，專門靶向H3K4me1/2 ^[7]。然而，由于KDM1B缺乏塔狀結(jié)構(gòu)域，因此無法與CoREST形成復合物。

2.2 JmjC去甲基化酶

Tsukada等人于2006年首次發(fā)現(xiàn)了含JmjC域的蛋白JHDM1A/KDM2A是一種H3K36me1/2去甲基化酶 ^[2]。根據(jù)序列信息，含JmjC的蛋白質(zhì)可分為7個家族，即JHDM1、JHDM2、JHDM3、JARID1、UTX/UTY、PHF8和僅含 JmjC結(jié)構(gòu)域的蛋白質(zhì)。JmjC家族由30個成員組成，迄今已有近20個成員被證明具有組蛋白去甲基化酶活性。

JmjC去甲基化機制：

表1. HDM家族成員

3. 組蛋白去甲基化酶的功能是什么？

自2004年發(fā)現(xiàn)第一個組蛋白去甲基化酶以來，研究人員已對已發(fā)現(xiàn)的組蛋白去甲基化酶的活性進行了全面鑒定，發(fā)現(xiàn)這些組蛋白去甲基化酶不僅可以靶向組蛋白和非組蛋白底物，而且在癌癥、發(fā)育、代謝性疾?。ㄌ悄虿。┑冗^程中發(fā)揮著重要作用。

3.1 組蛋白去甲基化酶與癌癥

LSD1在許多癌癥中異常表達，阻礙癌細胞分化，促進癌細胞增殖、轉(zhuǎn)移和侵襲，并與預后不良有關(guān)。在造血和淋巴腫瘤中，包括急性髓性白血?。ˋML）、急性淋巴細胞白血病、T細胞非霍奇金淋巴瘤和霍奇金淋巴瘤，都發(fā)現(xiàn)了LSD1的過表達。LSD1還與多種實體瘤有關(guān)，包括非小細胞肺癌、神經(jīng)母細胞瘤、胰腺癌、前列腺癌和乳腺癌。抑制LSD1的作用可能會減少或阻止這些腫瘤的細胞生長。

Wan，W.等發(fā)現(xiàn)，JMJD1A與HIF-1α的關(guān)聯(lián)影響了膀胱腫瘤細胞糖代謝通路中PGK1啟動子HRE區(qū)的H3K9me2水平，從而影響PGK1的表達，進一步調(diào)控膀胱腫瘤細胞的糖代謝通路，最終對膀胱腫瘤細胞的生長和增殖起到調(diào)控作用 ^[8]。

3.2 組蛋白去甲基化酶與發(fā)育

大量研究表明，組蛋白去甲基化酶在不同物種的發(fā)育過程中發(fā)揮著特定的生物學作用，包括在種系維持和減數(shù)分裂、早期胚胎發(fā)育和分化以及激素受體介導的轉(zhuǎn)錄調(diào)控中的作用。

在后生動物中，LSD1作用于 H3K4me1/2，并在生殖系中發(fā)揮重要作用。在發(fā)育過程中，幾種去甲基化酶參與了多能祖細胞類型向分化細胞系的進展。在胚泡階段，LSD1 既是母體儲存的，也在胚胎發(fā)生過程中表達 ^[9]。在體外受精的小鼠胚胎中使用LSD1去甲基化酶抑制劑Bisguanidine 1c，會導致小鼠胚胎中 H3K4me2 整體增加并誘導不可逆的停滯 ^[10]。這證明了LSD1在胚胎中的作用，并且對早期分化事件至關(guān)重要 [10]。在蒼蠅中，LSD1的缺失會導致胚胎死亡。

最近，JMJD2C和JHDM2A都與小鼠胚胎干（ES）細胞多能性的維持有關(guān)。這兩種去甲基化酶在未分化的ES細胞中表達，似乎通過激活多能性維持蛋白（如OCT4、NANOG和TCL1）的轉(zhuǎn)錄來保持多能性 ^[11][12]。

Jepsen等人發(fā)現(xiàn)，當小鼠胚胎神經(jīng)干細胞（NSCs）暴露于維甲酸（RA）誘導分化時，JMJD3成為維甲酸和甲狀腺激素受體沉默介質(zhì)（SMRT）的轉(zhuǎn)錄靶標[13]。他們還發(fā)現(xiàn)，JMJD3在NSC培養(yǎng)物中的過表達刺激了Dlx5等神經(jīng)元亞型基因的表達，為JMJD3在驅(qū)動神經(jīng)元分化中的作用提供了證據(jù)。

Yamane等人的研究表明，LSD1和JHDM2A共同調(diào)控了編碼前列腺特異性抗原（PSA）和NKX3.1的雄激素受體（AR）反應基因 ^[6][14]。

3.3 組蛋白去甲基化酶與糖尿病

Tateishi 等人發(fā)現(xiàn)，JHDM2A 基因敲除小鼠表現(xiàn)出肥胖和高脂血癥的癥狀。詳細研究表明，β-腎上腺素的刺激可誘導JHDM2A基因的表達，JHDM2A可與Ppara和Ucp1基因結(jié)合，直接調(diào)控其表達。因此，JHDM2A基因的缺乏會影響棕色脂肪組織的甘油釋放和氧代謝，降低骨胳脂肪氧化和甘油釋放，最終導致肥胖和高血壓。

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