摘要：組蛋白賴氨酸特異性去甲基化酶1（LSD1）是一種黃素腺嘌呤二核苷酸（FAD）依賴的去甲基化酶，能夠去除H3K4和H3K9的單、雙甲基。研究發(fā)現(xiàn)LSD1在眾多腫瘤中高表達(dá)，與癌癥密切相關(guān)。本文對(duì)LSD1的結(jié)構(gòu)、催化反應(yīng)機(jī)理，以及近幾年LSD1抑制劑的研究進(jìn)展作一綜述。

關(guān)鍵詞：組蛋白；LSD1；抑制劑；進(jìn)展

2004年，哈佛醫(yī)學(xué)院施揚(yáng)課題組發(fā)現(xiàn)了第一個(gè)組蛋白賴氨酸特異性去甲基化酶1（Lysine Specific Demethylase 1，LSD1）。該課題組首次確認(rèn)組蛋白甲基化是一個(gè)動(dòng)態(tài)平衡過程。這一發(fā)現(xiàn)對(duì)組蛋白修飾的作用機(jī)制及其相應(yīng)的藥物研究提供了全新思路。LSD1是一種黃素腺嘌呤二核苷酸依賴的去甲基化酶，能夠去除H3K4和H3K9的單、雙甲基，從而調(diào)節(jié)組蛋白和其他蛋白的相互作用，并影響基因轉(zhuǎn)錄的激活、抑制和染色體失活等過程。

1 LSD1的結(jié)構(gòu)

LSD1含有852個(gè)氨基酸，晶體結(jié)構(gòu)顯示LSD1主要由三部分組成：N端的SWIRM (Swi3p/Rsc8p/Moira)結(jié)構(gòu)域，C端的胺基氧化酶(AOL)結(jié)構(gòu)域，該區(qū)域分為FAD結(jié)合結(jié)構(gòu)域和底物結(jié)合結(jié)構(gòu)域，兩者組成催化活性中心，以及中心定位的Tower結(jié)構(gòu)域。Tower結(jié)構(gòu)域具有兩條反向平衡的α螺旋，對(duì)LSD1的活性起重要的作用[1]。LSD1是胺基氧化酶的同源蛋白，與多胺氧化酶（PAO）的相似度為22.4%，與單胺氧化酶A和B（MAO-A， MAO-B）的相似度為17.6%。

2催化反應(yīng)機(jī)理

LSD1催化氧化反應(yīng)時(shí)，要求胺基底物上必須有一個(gè)質(zhì)子，因此其只能催化含有單甲基和雙甲基的賴氨酸底物。LSD1與底物反應(yīng)時(shí)，F(xiàn)AD從甲基化的組蛋白賴氨酸中得到質(zhì)子，生成FADH2，甲基化的賴氨酸失去質(zhì)子生成亞胺中間體，F(xiàn)ADH2被氧化生成FAD和H2O2，亞胺中間體加水后生成胺基和甲醛[2]。

LSD1主要通過以下3個(gè)途徑來調(diào)節(jié)基因的表達(dá):①通過CoREST的SANT2結(jié)構(gòu)域與靶基因結(jié)合，引起H3K4去甲基化，從而導(dǎo)致轉(zhuǎn)錄抑制；②LSD1與雌激素/雄激素受體結(jié)合后，能使H3K9去甲基化，引起激素受體依賴的基因轉(zhuǎn)錄激活；③LSD1通過對(duì)H3K4的去甲基化，使得DNA甲基轉(zhuǎn)移酶(DNMTs)的正調(diào)控因子DNMT3L能夠與未甲基化的K4位點(diǎn)結(jié)合，促進(jìn)DNMTs的表達(dá)，引起DNA重新甲基化，從而導(dǎo)致基因轉(zhuǎn)錄抑制[3]。

3 LSD1抑制劑

LSD1能在多種腫瘤中高表達(dá)，是比較理想的抗腫瘤藥物靶點(diǎn)。近年來的研究也證實(shí)LSD1抑制劑對(duì)多種腫瘤模型有效，并表現(xiàn)出對(duì)腫瘤細(xì)胞的高選擇性。目前有一些LSD1抑制劑已經(jīng)進(jìn)入臨床研究階段。以下對(duì)近幾年發(fā)現(xiàn)報(bào)道的LSD1抑制劑進(jìn)行歸納總結(jié)。

3.1苯基環(huán)丙胺LSD1抑制劑LSD1與單胺氧化酶是同源蛋白，因此MAO抑制劑被用來研究對(duì)LSD1的作用。Schule等發(fā)現(xiàn)MAO抑制劑苯基環(huán)丙胺①對(duì)LSD1有比較弱的抑制作用。此外，MAO抑制劑優(yōu)降寧；②也能夠抑制LSD1的活性，但抑制率低、選擇性差。機(jī)制研究發(fā)現(xiàn)，其結(jié)構(gòu)中的苯基環(huán)丙胺通過和FAD共價(jià)結(jié)合抑制了LSD1的活性，機(jī)理如圖1所示[4]。此后，以苯基環(huán)丙胺為母核的大量衍生物陸續(xù)開發(fā)出來，是當(dāng)前研究最多的一類LSD1抑制劑[5]。此類抑制劑由于和FAD產(chǎn)生共價(jià)結(jié)合，因此不能排除對(duì)其他含有FAD的酶的潛在作用可能性。

圖1苯基環(huán)丙胺抑制劑機(jī)制

Mimasu等設(shè)計(jì)合成的苯基環(huán)丙胺類LSD1抑制劑3（IC50=0.99μM）可提高HEK293T細(xì)胞中H3K4二甲基化的水平[6]。西班牙Oryzon Genomics公司開發(fā)了大量苯基環(huán)丙胺類LSD1抑制劑，如4-6，其IC50分別為5nM、29～43nM和14nM。另有多個(gè)化合物處于臨床前或臨床研究階段，其中ORY-1001于2013年8月獲得EMA批準(zhǔn)，作為治療急性髓細(xì)胞白血?。ˋML）的孤兒藥進(jìn)行臨床實(shí)驗(yàn)，目前已處于IIa臨床研究階段。GSK 2879552是最近報(bào)道的選擇性不可逆LSD1抑制劑，在美國處于I期臨床研究，用于治療復(fù)發(fā)性和難治性小細(xì)胞肺癌[7]，見圖2。

圖2 苯基環(huán)丙胺LSD1抑制劑

3.2多胺類LSD1抑制劑自2007年起，Huang課題組發(fā)現(xiàn)多胺類LSD1抑制劑7-10能夠明顯抑制結(jié)腸癌細(xì)胞系HCT-116的活性，提高H3K4的單甲基化和二甲基化水平，并能誘導(dǎo)SFRP1、SFRP2、SFRP5和轉(zhuǎn)錄因子GATA5的重新表達(dá)。將9單用于接種了HCT-116的裸鼠，能夠顯著抑制腫瘤生長(zhǎng)。2010年，該課題組Sharma等人又報(bào)道了一類多胺LSD1抑制劑，其中化合物11（IC50=19.5μM）能夠顯著提高肺癌細(xì)胞系Calu-6的H3K4二甲基化水平，誘導(dǎo)SFRP2、SFRP5和轉(zhuǎn)錄因子GATA4的表達(dá)，顯著抑制腫瘤的生長(zhǎng)[8]。Wang組研究發(fā)現(xiàn)12為可逆性多胺類LSD1抑制劑，能抑制畸胎癌、胚胎癌等腫瘤干細(xì)胞的增殖[9]。Balakrishna等設(shè)計(jì)合成了噁唑苯基LSD1抑制劑13（IC50=9.5μM），對(duì)宮頸癌HeLa細(xì)胞系和乳腺癌細(xì)胞MDA-MB-231有顯著抑制效果[10]，見圖3。

圖3多胺類LSD1抑制劑

3.3多肽類LSD1抑制劑Jeffery等根據(jù)LSD1的催化底物，設(shè)計(jì)并合成了賴氨酸衍生物14和15，14為時(shí)間依賴性抑制劑，15為非時(shí)間依賴性抑制劑，IC50=15.6μM[11]。Isuru和Patrick設(shè)計(jì)并合成了線性和環(huán)狀的多肽類LSD1抑制劑。和線性類似物相比，環(huán)狀多肽類對(duì)蛋白水解酶更穩(wěn)定，且在體內(nèi)對(duì)乳腺癌MCF-7細(xì)胞和肺癌Calu-6細(xì)胞有抑制作用[12]。

3.4其他小分子LSD1抑制劑2012年， Hazeldine等通過虛擬篩選獲得了16（IC50=16.8μM），能夠使結(jié)腸癌細(xì)胞系Calu-6的H3K4二甲基化水平升高，同時(shí)能誘導(dǎo)SFRP2、HCAD和GATA4等蛋白表達(dá)量升高。Namoline（17）對(duì)LSD1有抑制作用，IC50=51μM，能阻止細(xì)胞增殖并抑制腫瘤增生。2013年，Hitchin等用基于片段的藥物設(shè)計(jì)方法合成出全新的LSD1抑制劑18（IC50=7.5μM）和19（IC50=9.5μM），并報(bào)道20（IC50=90nM）是可逆的抑制劑，且在20μM的濃度下沒有細(xì)胞毒性[13]。21（IC50=13nM）具有高效、特異性的LSD1抑制作用，但也有研究稱其抑制作用源于較強(qiáng)的細(xì)胞毒性[14]。Zheng報(bào)道了含三氮唑的LSD1抑制劑22（IC50=2.1μM），能夠同時(shí)誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡，并抑制細(xì)胞轉(zhuǎn)移和侵襲[15]，見圖4。

3.5 LSD1-JmjC雙重抑制劑（泛-KDM抑制劑）Rotili等將LSD1抑制劑苯基環(huán)丙胺和JmjC抑制劑酮戊二酸系列拼合，設(shè)計(jì)并合成了一系列對(duì)兩組組蛋白賴氨酸去甲基化酶（KDM）均有抑制作用的化合物，其中23和24能導(dǎo)致前列腺癌LNCaP細(xì)胞和HCT116結(jié)腸癌細(xì)胞凋亡而對(duì)正常細(xì)胞沒有影響，有選擇性抑制腫瘤的作用[16]。

4展望

自從組蛋白去甲基化酶LSD1被發(fā)現(xiàn)后，其晶體結(jié)構(gòu)、作用機(jī)制及生理功能的研究取得了較大的進(jìn)展。最新研究表明，LSD1 已成為腫瘤治療藥物開發(fā)的靶蛋白，調(diào)節(jié)組蛋白甲基化修飾則是防治腫瘤的新思路，也為抗腫瘤藥物的研究指明了新的方向。目前已有部分LSD1抑制劑進(jìn)入臨床研究，研發(fā)高效、低毒、高選擇性的LSD1抑制劑是未來抗腫瘤藥物的研究方向之一。

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編輯/申磊