張夕梅，安心麗，祝順琴，劉堰

·綜 述·

組蛋白賴氨酸特異性去甲基化酶1A在腫瘤發(fā)生發(fā)展中的作用

張夕梅，安心麗，祝順琴，劉堰

西南大學(xué) 生命科學(xué)學(xué)院，重慶 400716

組蛋白賴氨酸特異性去甲基化酶1A (Histone lysine-specific demethylase 1A，KDM1A) 作為組蛋白賴氨酸特異性去甲基化酶 (Histone lysine-specific demethylase) 家族的一員，在信號傳導(dǎo)、染色體重構(gòu)、胚胎發(fā)育、造血和糖脂代謝等生物學(xué)過程中起著重要的作用。近年來的研究及臨床證據(jù)表明，KDM1A的表達與腫瘤的發(fā)生發(fā)展密不可分，通過與不同的復(fù)合物結(jié)合并介導(dǎo)不同的下游信號通路，對多種腫瘤的生長增殖起著關(guān)鍵的調(diào)節(jié)作用，例如前列腺癌、乳腺癌、肺癌和肝癌等。在大多數(shù)情況下，KDM1A在腫瘤的發(fā)生發(fā)展中扮演著促癌基因角色。文中結(jié)合近年來有關(guān)文獻，闡述了KDM1A在多種腫瘤發(fā)生及發(fā)展中的研究進展，總結(jié)了其作用機制，并對以KDM1A為靶點的抑癌治療的應(yīng)用前景進行了展望。

組蛋白賴氨酸特異性去甲基化酶1A，腫瘤發(fā)生，腫瘤發(fā)展，組蛋白去甲基化酶

隨著近年來腫瘤在細胞及分子水平研究的不斷進展，表觀遺傳修飾在腫瘤的發(fā)生和發(fā)展過程中具有不可或缺的作用。表觀遺傳修飾包括DNA甲基化、組蛋白修飾、染色體重塑、非編碼RNA調(diào)控[1]。組蛋白賴氨酸修飾對腫瘤的影響是當(dāng)前的研究熱點之一。研究表明H3K27、H3K9、H4K20、H3K79、H2BK5的單甲基化都與基因的激活有關(guān)，而H3K27、H3K9以及H3K79的三甲基化則與基因抑制有關(guān)，表明組蛋白的甲基化程度能夠影響相關(guān)基因的表達情況[2]，組蛋白的甲基化程度對于維持正常的生命活動是不可或缺的。2004年，Shi和同事第一次發(fā)現(xiàn)賴氨酸特異性去甲基化酶 (Lysine demethylase 1A，KDM1A也被稱為LSD1或AOF2、BHC110)，驗證了組蛋白的甲基化是可逆的假說[3]。KDM1A除了能夠去除組蛋白H3上第4位、第9位賴氨酸上的甲基，還能去除p53上第370位賴氨酸上的甲基，進而抑制p53介導(dǎo)的轉(zhuǎn)錄上調(diào)及促進凋亡的作用[4]。KDM1A去除DNA甲基轉(zhuǎn)移酶1 (DNA methyltransferase 1，DNMT1) 上的甲基后能使其在體內(nèi)穩(wěn)定存在[5]。以上的這些研究表明，KDM1A除了靶向組蛋白外，還靶向非組蛋白。根據(jù)KDMs的序列同源性和催化機制，KDMs可分為兩個家族：1) 一類是KDM1s，具有黃素腺嘌呤二核苷酸 (Flavin adenine dinucleotide，F(xiàn)AD) 依賴的單胺氧化酶，其功能是去除組蛋白H3K4me1/2以及H3K9me1/2上的甲基化，該家族由KDM1A和KDM1B構(gòu)成。2) 另一類去甲基化酶超家族，該家族成員需要二價鐵離子 (Fe2+) 和α-酮戊二酸為輔助因子輔助催化并含Jumonji C (JmjC) 結(jié)構(gòu)域[6]，根據(jù)功能和結(jié)構(gòu)域的不同又可將其細分為7個亞家族 (KDM2–8)[7-11]。KDM2–8家族參與多種腫瘤的發(fā)生發(fā)展過程，其成員的突變、缺失、擴增都可以作為腫瘤的臨床診斷指標(biāo)，如：KDM5C突變導(dǎo)致的失活可能預(yù)示著胃癌的存在；KDM4C片段的缺失能夠在一定程度預(yù)示著前列腺癌的發(fā)生等[12]。KDM2–8家族成員均可催化組蛋白的去甲基化修飾，但是具有底物特異性，能通過去甲基化，改變組蛋白的甲基化程度進而影響其轉(zhuǎn)錄活性、染色體結(jié)構(gòu)、損傷修復(fù)等生理過 程[13]。研究進一步表明KDM2–8家族成員在癌癥中的作用途徑之一是通過調(diào)控DNA的合成進展，從而調(diào)控細胞周期，影響多種關(guān)鍵基因的轉(zhuǎn)錄。因為該家族成員在結(jié)構(gòu)上高度相似，很難針對某一成員特異的酶活性找到匹配的抑制劑，因此目前還沒有合適的針對某個成員的藥物用于臨床[12]。

在KDM1s家族中KDM1A和KDM1B的氨基酸序列和結(jié)構(gòu)高度相似，都含有SWIRM結(jié)構(gòu)域和胺基氧化酶結(jié)構(gòu)域[3]，但KDM1B氨基末端包含一個獨特的Zf-CW結(jié)構(gòu)域，Zf-CW結(jié)構(gòu)域是一種包含4個半胱氨酸的典型鋅指結(jié)構(gòu)，其名稱來源于保守的半胱氨酸和色氨酸基團[14]。KDM1s在細胞中靶標(biāo)組蛋白、非組蛋白的翻譯后修飾，從而發(fā)揮著不同的功能。在小鼠、線蟲、斑馬魚、水稻等中，KDM1s都被證實在生命活動中起著關(guān)鍵的調(diào)節(jié)作用[15-18]，又因為生命活動的失調(diào)與腫瘤的發(fā)生發(fā)展密切相關(guān)，KDM1s在腫瘤的病理形成及發(fā)展的通路中也發(fā)揮著多種功能。

作為KDM1s家族的成員，KDM1A與生物體內(nèi)不同物質(zhì)形成不同的復(fù)合物從而調(diào)控去甲基化酶活性和染色體不同位置上特定底物的結(jié)合能力。KDM1A參與多種生物學(xué)過程，包括信號傳導(dǎo)、染色體重構(gòu)、轉(zhuǎn)錄調(diào)控、胚胎發(fā)育、有絲分裂、造血功能等。而且KDM1A與多種疾病如Ⅱ型糖尿病[19]、甲型流感[20]、肺結(jié)核病[21]、白血病[22]、神經(jīng)退行性疾病[23]、心血管疾病[24]的發(fā)生發(fā)展過程有著密切的關(guān)系。除此之外，一系列的研究表明，KDM1A與腫瘤的發(fā)生[4,25-26]和發(fā)展[27-28]密切相關(guān)，其表達量與癌癥患者的存活率具有相關(guān)性[29]。本文將對KDM1A影響腫瘤發(fā)生發(fā)展及分子機制進行總結(jié)，并在此基礎(chǔ)上對今后的研究及應(yīng)用前景進行了展望。

1 KDM1A簡介

KDM1A定位于細胞核，是一段由3個區(qū)域共852個氨基酸構(gòu)成的多肽，其催化機制是將氫化物從甲基化的賴氨酸上轉(zhuǎn)移到FAD輔助因子開始，生成不穩(wěn)定的亞胺中間體，水解后釋放甲醛[30]。KDM1A的N端含有一個SWIRM結(jié)構(gòu)域 (氨基殘基位點172–272)，該結(jié)構(gòu)域不僅能與DNA分子結(jié)合，而且在蛋白質(zhì)-蛋白質(zhì)相互作用以及維持底物結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性方面發(fā)揮著重要作用[31]。C端含有胺氧化酶結(jié)構(gòu)域 (AOL) 并被TOWER結(jié)構(gòu)域 (氨基殘基位點415–515) 分成兩個亞結(jié)構(gòu)域[30]。其中一個AOL亞基 (氨基殘基位點272–415) 能與SWIRM結(jié)構(gòu)域相互作用，形成一個FAD結(jié)合結(jié)構(gòu)域和催化活性中心[32]，催化活性中心與其他胺氧化酶結(jié)構(gòu)域具有相似的結(jié)構(gòu)，但是在底物結(jié)合亞結(jié)構(gòu)域上含一個表面帶酸性特征的結(jié)合“口袋”，該“口袋”通過與組蛋白H3前20個氨基酸的相互作用調(diào)控堿性組蛋白尾巴[14]，除此之外，AOL-SWIRM結(jié)構(gòu)域內(nèi)部殘基通過改變蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)和蛋白質(zhì)與底物之間的相互作用調(diào)控KDM1A的催化能力[33]。另一個AOL亞基 (氨基殘基位點515–852) 能結(jié)合特異性底物包括蛋白復(fù)合體 (Protein complexes)、受體 (Receptors)、非編碼RNA (Non-coding RNA)、非組蛋白底物 (Non-histone substrates)、微小-RNA (Micro-RNA)，轉(zhuǎn)錄因子(Transcription factor，TF) 等[34]。近年來的研究指出TOWER結(jié)構(gòu)域能與RE1-沉默轉(zhuǎn)錄因子(CoREST，又稱RCOR1) 共抑制因子相結(jié)合，形成雜二聚體復(fù)合物，提高了KDM1A的穩(wěn)定性和催化活性[35]?；蜷g長非編碼RNA (Long intergenic noncoding RNAs，LincRNAs) 能夠調(diào)控染色體狀態(tài)以及表觀遺傳。HOTAIR作為一種LincRNAs，因其5′端能與多梳抑制復(fù)合物2 (Polycombrepressive complex 2，PRC2) 結(jié)合，3′端能與KDM1A/CoREST/REST復(fù)合物結(jié)合，故HOTAIR能夠作為支架將PRC2和KDM1A/ CoREST/REST復(fù)合物聯(lián)系在一起，并定位于染色質(zhì)上，調(diào)控H3K4以及H3K27的去甲基化水平，進而對靶基因進行表觀修飾[36]。在人類MCF-7乳腺癌細胞的388個c-Myc靶基因中，研究者發(fā)現(xiàn)這些基因的啟動子可能被腫瘤蛋白HBXIP所占據(jù)。HBXIP的表達與c-Myc的靶基因cyclin A、elF4F以及LDHA的表達密切相關(guān)。當(dāng)利用RNAi介導(dǎo)HBXIP的沉默，將會消除這些基因的上調(diào)。在結(jié)構(gòu)上，HBXIP能夠通過亮氨酸拉鏈與c-Myc直接作用，并募集HOTAIR和KDM1A，其中HOTAIR作為支架。HBXIP、HOTAIR或者KDM1A的沉默都足以導(dǎo)致體內(nèi)體外c-Myc促癌進程受到阻斷[37]。提示HBXIP/HOTAIR/KDM1A復(fù)合物能夠作為治療乳腺癌新的靶點。HOXA11-AS作為一種IncRNA與胃癌發(fā)生發(fā)展密切相關(guān)，研究進一步發(fā)現(xiàn)HOXA11-AS能夠作為支架將Zeste基因增強子同源物2 (Enhancer of zeste homolog 2，EZH2) 和KDM1A募集起來形成EZH2/HOXA11-AS/KDM1A復(fù)合物，該復(fù)合物能作為胃癌發(fā)生發(fā)展的關(guān)鍵效應(yīng)子[38]。在胃癌中，IncRNA FOXD2-AS1與HOXA11-AS具有相似的功能，也能通過將EZH2和KDM1A聯(lián)系起來并沉默促紅細胞生成素產(chǎn)生肝細胞受體 (Erythropoie-tin-producing hepatocyte receptor B3，EphB3) 的表達進而促進胃癌的發(fā) 生[39]。以上這些研究表明LincRNA作為KDM1A的支架，將KDM1A與其他多種復(fù)合物聯(lián)系在一起，在腫瘤中發(fā)揮著復(fù)雜的功能。KDM1A除了通過支架與其他復(fù)合物連接發(fā)揮作用外，還參與多種轉(zhuǎn)錄共抑制復(fù)合物的形成如組蛋白去乙?；?(Histone deacytylation，HDACs)[40]、核小體重構(gòu)和去乙酰化復(fù)合物 (Nucleosome remodeling and deacetylation，NuRDs)[27]、C-端結(jié)合蛋白 (C-terminal binding proteins，CtBPs)[41]。在與轉(zhuǎn)錄活性相關(guān)的雌激素受體 (Estrogen receptor，ER)[42]、雄激素受體 (Androgen receptor，AR)[43]復(fù)合物中也發(fā)現(xiàn)KDM1A參與其中。KDM1A主要表達在肝臟、胃、脂肪、神經(jīng)中[44-45]。如圖1所示，KDM1A特殊的結(jié)構(gòu)賦予其獨特的功能，參與到多種生物學(xué)過程。

2 KDM1A與腫瘤

KDM1A作為糖代謝中重要的調(diào)節(jié)子，通過影響糖代謝進而影響腫瘤的發(fā)生發(fā)展。KDM1A能通過與低氧誘導(dǎo)因子 (Hypoxia inducible factor-1α，HIF1α) 協(xié)同作用維持胰腺癌細胞的糖酵解過程進而維持胰腺癌細胞不受控制的增殖[47]。在食管癌 (Esophageal cancer) 細胞中，研究人員通過測定細胞外酸化率 (Extracellular acidification rate，ECAR) 和耗氧率 (Oxygen consumption rate，OCR) 來評價細胞內(nèi)的糖酵解途徑和線粒體呼吸途徑，該研究證明了KDM1A能通過改變代謝途徑促進食管癌細胞的惡性增殖和侵襲[49]。隨著研究的不斷深入，證明了KDM1A不僅能通過改變糖代謝途徑還能通過一些其他途徑如利用生物信息學(xué)發(fā)現(xiàn)KDM1A能夠調(diào)控多種染色體功能包括染色體在著絲點的重構(gòu)、異染色質(zhì)在著絲點的形成、染色體的組裝或拆卸以及依賴于甲基化的染色質(zhì)沉默，提示KDM1A異常表達可以通過調(diào)控這些染色質(zhì)參與多種腫瘤的發(fā)生發(fā)展過程[28]。大量的研究表明KDM1A在不同類型的腫瘤中發(fā)揮著不同的作用(表1)，對于造成這種差異的原因還需要我們進一步探究。

雖然KDM1A在不同腫瘤中發(fā)揮著不同的作用，但其含量在大多數(shù)腫瘤中都是增加的，推測KDM1A含量的增加與KDM1A獲得功能性增加導(dǎo)致表觀基因組調(diào)控異常的假說是一致的，一定程度上是因為KDM1A調(diào)控正常細胞和癌細胞中關(guān)鍵基因的H3K4甲基化程度[60]。

表1 KDM1A在各種腫瘤中的作用

2.1 KDM1A與前列腺癌

據(jù)了解在2018年新增加的患前列腺癌 (Prostate cancer) 人數(shù)占所有新增加的患癌人數(shù)的7.1%，排在肺癌 (Lung cancer，11.6%) 和乳腺癌 (Breast cancer，11.6%) 之后。前列腺癌的致死率占患癌人數(shù)死亡率的3.8%，是第八大癌癥死因[61]。研究顯示，KDM1A與前列腺癌的發(fā)生發(fā)展密切相關(guān)。從臨床數(shù)據(jù)來看，KDM1A在去勢抵抗性前列腺癌 (Castration-resistant prostate cancer，CRPC) 患者中具有高表達量[62]，而且KDM1A 在低分化的前列腺癌細胞中的表達量與前列腺癌的進展及不良預(yù)后[63]、Gleason 評分、遠距離轉(zhuǎn)移都具有良好的正相關(guān)性[64]。此外，在前列腺癌組織中，KDM1A表達量的升高伴隨著Snail、AR表達水平的升高，鈣粘蛋白 (E-cadherin)、p53等表達水平下降。除此之外，敲低KDM1A能降低前列腺癌細胞的存活率，并增加前列腺上皮細胞分化標(biāo)志物的基因表達。利用siRNA抑制KDM1A的表達，不僅能夠降低血管內(nèi)皮生長因子 (Vascular endothelial growth factor，VEGF-A) 的表達，還能阻斷雄激素誘導(dǎo)的前列腺特異性抗原 (Prostate specific antigen，PSA) 和Tmprss2的表達[51]。

研究顯示，作為KDM1A的靶向試劑和表觀調(diào)節(jié)子并依賴于三價銠的復(fù)合物1 (Rhodium (Ⅲ) complex 1) 能夠擾亂人類前列腺癌細胞中KDM1A-H3K4me2之間的相互作用，并增強KDM1A調(diào)控的p21、FOXA2 (Forkhead box protein A1) 以及骨形態(tài)發(fā)生蛋白2 (Bone morphogenetic protein，BMP2) 等基因啟動子的擴增。通過免疫印跡 (Western blotting，WB) 分析發(fā)現(xiàn)，復(fù)合物1能夠降低葡萄糖轉(zhuǎn)運體 (Glucose transporter 1，GLUT1) 的表達水平，但是對于KDM1A的表達水平幾乎沒有影響。在基因水平，當(dāng)敲除KDM1A后，發(fā)現(xiàn)GLUT1的mRNA水平下降了40%。提示復(fù)合物1在一定程度上依賴于KDM1A進而調(diào)控GLUT1的轉(zhuǎn)錄水平[50]。優(yōu)降寧 (Pargyline) 作為KDM1A的一種藥物抑制劑，能夠與FAD形成共價加合物[65]，單獨使用或者聯(lián)合用藥治療對細胞生長以及移植瘤模型的生長都具有較大的影響。但是，有研究發(fā)現(xiàn)Pargyline在體內(nèi)[66]和體外[67]對KDM1A的抑制效果較低，提示某些特定的轉(zhuǎn)錄或染色體調(diào)控對KDM1A的不完全抑制較為敏感。在前列腺癌細胞中，Pargyline能夠降低前列腺癌細胞的遷移和侵襲能力，并通過增加體內(nèi)外鈣粘蛋白表達水平，下調(diào)氮粘蛋白和波形蛋白的表達來抑制上皮細胞轉(zhuǎn)化 (Epithelial-mesenchymal transition，EMT) 過程[68]。研究發(fā)現(xiàn)雷公藤提取物去甲澤拉木醛 (Demethylzeylasteral，T-96) 能夠逆轉(zhuǎn)膠質(zhì)瘤 (Glioma) 細胞的EMT過程，抑制其遷移和侵襲能力[69]，表明EMT過程與腫瘤的轉(zhuǎn)移和侵襲過程密切相關(guān)。提示抑制KDM1A的表達，能夠造成鈣粘蛋白、氮粘蛋白、波形蛋白表達改變，并抑制EMT過程進而抑制腫瘤的轉(zhuǎn)移與侵襲，達到抗癌效果。

上述結(jié)果明確了KDM1A抑制劑在前列腺癌中的抗癌作用，證明了KDM1A與前列腺癌發(fā)生發(fā)展密切相關(guān)。大多數(shù)情況下，KDM1A能夠通過雄激素信號通路促進依賴雄激素受體調(diào)控雄激素相關(guān)蛋白的表達進而誘導(dǎo)前列腺癌的發(fā)生，控制前列腺癌的進展。但是因為體內(nèi)途徑的多樣性，KDM1A調(diào)控前列腺癌的發(fā)生發(fā)展的具體途徑還需要更多的研究去證實。

2.2 KDM1A與乳腺癌

乳腺癌 (Breast cancer，BC) 是女性最易患的癌癥同時也是女性死亡率最高的癌癥[62]。KDM1A在乳腺癌中的作用主要是與癌細胞的侵襲和轉(zhuǎn)移有關(guān)。已有研究顯示乳腺癌組織中的KDM1A表達量高于正常的乳腺組織，KDM1A表達量的升高與乳腺癌患者生存降低和不良預(yù)后有關(guān)[62]。苯環(huán)丙胺 (Tranylcypromine，TCP) 能夠非選擇性、不可逆地抑制各種單胺氧化酶，廣泛用于抑郁癥的治療[70]。已有研究表明較高劑量TCP能夠抑制乳腺癌細胞中的KDM1A活性[71]。但又因需要較高濃度的TCP才能抑制腫瘤的生長，所以TCP作為癌癥治療的臨床用藥具有很大的局限性[72]。因此，一些TCP衍生物如GSK2879522以及ORY-1001等被研發(fā)出來，以便更特異性地針對KDM1A，這兩種藥物目前正處于治療急性髓性白血病和小細胞肺癌的臨床試驗第一階段。以上的研究表明，KDM1A能夠作為治療癌癥的新靶點。但KDM1A在乳腺癌中的具體機制還需要進一步研究。研究人員發(fā)現(xiàn)過表達組蛋白去乙?；? (Histone deacetylase 5，HDAC5) 能夠通過轉(zhuǎn)錄后修飾KDM1A蛋白和促進去泛素化酶USP28的穩(wěn)定性進而維持KDM1A蛋白的穩(wěn)定性，影響去甲基化的能力。利用shRNA敲除HDAC5后能夠抑制細胞的增殖，造成細胞周期阻滯在G0/G1期，誘導(dǎo)凋亡并降低乳腺癌細胞的遷移和菌落形成能力。該研究表明HDAC5-KDM1A軸對于乳腺癌的發(fā)生和發(fā)展具有促進作用[54]。除此之外，KDM1A介導(dǎo)的維甲酸相關(guān)孤兒受體α2 (Retinoic acid-related orphan receptor α2，RORα2) 的轉(zhuǎn)錄活化對于人類乳腺癌細胞的侵襲有促進作用[55]。作為多種腫瘤轉(zhuǎn)移的抑制因子，乳腺癌轉(zhuǎn)移抑制基因1 (Breast carcinoma metastasis suppressor gene 1，BRMS1) 在乳腺癌中通過與KDM1A/CoREST復(fù)合物相連接，對乳腺癌細胞進行轉(zhuǎn)錄調(diào)控進而發(fā)揮抑癌作用[73]。另一項研究指出同源異性基因SIX3 (Sine oculis homebox3，SIX3) 通過與KDM1A以及轉(zhuǎn)移相關(guān)蛋白3 (Metastasis associated protein 3，MAT3) 直接作用，特異性募集KDM1A/NURD (MTA3) 復(fù)合物后抑制WNT1和FOXC2基因，又因為這兩種基因能夠促進細胞的增殖和侵襲，因此KDM1A在這條途徑中發(fā)揮著抑制乳腺癌細胞的增殖和侵襲作用[74]，說明KDM1A結(jié)合不同表觀調(diào)節(jié)物在乳腺癌中發(fā)揮的作用是不同的。除此之外，KDM1A的Ser112位點磷酸化對于KDM1A結(jié)合到啟動子上并發(fā)揮去甲基化功能是必需的。體內(nèi)研究指出，敲除KDM1A損傷了裸鼠體內(nèi)乳腺癌細胞的轉(zhuǎn)移能力，過表達KDM1A或KDM1A S112D突變體 (模擬磷酸化) 能夠增強癌細胞轉(zhuǎn)移能力，然而KDM1A S112A突變體 (模擬非磷酸化) 對于癌細胞的轉(zhuǎn)移能力沒有影響[75]。說明KDM1A在乳腺癌中的作用與其自身的轉(zhuǎn)錄后修飾也有關(guān)系。

綜合以上結(jié)果，KDM1A在乳腺癌中的作用是由不同的表觀調(diào)節(jié)物決定，且KDM1A的作用效應(yīng)受到明顯的轉(zhuǎn)錄后修飾，但KDM1A在乳腺癌中的具體機制尚不清楚。

2.3 KDM1A與肺癌

在全世界范圍內(nèi)，肺癌 (Lung cancer) 是人類發(fā)病率和致死率最高的癌癥[76]。KDM1A在肺癌中，尤其是非小細胞肺癌 (Non-small cell lung cancer，NSCLC) 中通過促進癌細胞增殖和遷移發(fā)揮著致癌效應(yīng)。在NSCLC細胞系及組織中，KDM1A的mRNA及蛋白質(zhì)表達水平均普遍高于正常組織，進一步研究發(fā)現(xiàn)，KDM1A能夠抑制TIMP3基因表達從而促進NSCLC細胞的侵襲[29]。在具有代表性的NSCLC細胞系A(chǔ)549、PC9等中抑制KDM1A的表達，引起細胞周期阻滯在G0/G1期，誘導(dǎo)肺癌細胞生長停滯[72]。對一組小細胞肺癌細胞系 (Small cell lung cancer，SCLC) 神經(jīng)內(nèi)分泌標(biāo)記基因表達的調(diào)查表明，抑制KDM1A后，許多與細胞分化和生長相關(guān)的基因的表達發(fā)生改變[77]。通過對KDM1A蛋白質(zhì)定位進行分析，發(fā)現(xiàn)這些基因大多數(shù)都與KDM1A強烈結(jié)合，提示了KDM1A在SCLC細胞系分化中的重要作用[77]。近年來的研究指出Rest作為腫瘤抑制因子[78]，在乳腺癌以及SCLC中處于失活狀態(tài)，通過RNA探針技術(shù)發(fā)現(xiàn)，敲除KDM1A后，Rest顯著上調(diào)，提示Rest可能為KDM1A的下游靶基因。后續(xù)實驗進一步證明了KDM1A能夠通過轉(zhuǎn)錄抑制Rest從而促進SCLC的發(fā)生[52]。

選擇成熟適中、色澤基本一致、無蟲害、無腐爛的胡蘿卜，清洗、去皮；將去皮的胡蘿卜切片，按1∶1料液比蒸煮5～10 min；將軟化的胡蘿卜按1∶1料液比進行榨汁，用200目濾布進行過濾，取汁待用。

KDM1A的小分子抑制劑如GSK1-LSD1、GSK2879552正在進行肺癌的一期臨床試驗[79]。研究顯示，對同一種KDM1A抑制劑肺癌細胞的敏感性也受到多種因素的影響，具有復(fù)雜性。KDM1A抑制劑2-PCPA能夠減少NSCLC細胞的增殖、遷移和侵襲，具有EGFR突變的PC9細胞系經(jīng)2-PCPA治療后其細胞系的增殖、遷移、侵襲能力比具有Kras突變的A549細胞系有所下降，且具有EGFR突變的PC9細胞系比具有Kras突變的A549的KDM1A的表達量更高。提示在NSCLC細胞中，EGFR突變比Kras突變對于KDM1A抑制劑更敏感[29]。肺癌細胞對于KDM1A抑制劑的敏感性的復(fù)雜性不僅于此，對SCLC基因組分析結(jié)果揭示了敏感株和耐藥株在DNA甲基化模式上存在差異，指出在SCLC細胞株中以及原發(fā)性SCLC標(biāo)本中DNA甲基化模式都能作為KDM1A抑制劑敏感性的生物標(biāo)記物，進一步的研究指出只有具有敏感性相關(guān)的DNA甲基化特征的人源化移植瘤 (Patient-derived xenografts，PDX) 模型對KDM1A抑制劑具有敏感性[77]。

綜合以上研究結(jié)果，KDM1A與肺癌的發(fā)生發(fā)展密切相關(guān)，尤其是在調(diào)節(jié)與細胞生長、分化相關(guān)基因方面發(fā)揮著重要作用。KDM1A作為治療肺癌的靶點，其抑制劑作為抗癌藥物受到廣泛的關(guān)注，但不同類型的肺癌細胞對于KDM1A抑制劑的敏感性不同，可能與肺癌細胞中的DNA甲基化程度相關(guān)。但關(guān)于肺癌細胞對抗癌藥物敏感性研究不夠深入，需進一步研究。

2.4 KDM1A與肝癌

據(jù)預(yù)測，肝癌 (Liver cancer) 將成為全球第六大最常見癌癥和第四大癌癥死亡原因，每年約新增841 000例，死亡782 000人[61]。研究顯示，KDM1A與肝癌發(fā)生密切相關(guān)。臨床數(shù)據(jù)顯示，KDM1A過表達更容易形成腫瘤，KDM1A在肝癌組織和肝癌干細胞 (Cancer stem-like cells，CSCs) 中表達量較高且與肝細胞癌 (Hepatocellular carcinoma，HCC) 病人的不良預(yù)后相關(guān)[80]。免疫染色顯示，在較高的腫瘤分期 (T3–T4) 和腫瘤分級 (G3) 中，KDM1A陽性細胞多于低腫瘤期 (T1–T2) 和腫瘤分級 (G1–G2)，表明KDM1A與HCC分化程度密切相關(guān)[81]。KDM1A的高乙?；侥芡ㄟ^蛋白小體途徑抑制KDM1A的表達量及酶活性，進而抑制肝癌CSCs的自我更新和致癌性[80]。在人類肝癌細胞HepG-2中，抑制KDM1A的活性，能夠降低葡萄糖的攝取和糖酵解的活性，增加線粒體代謝相關(guān)基因啟動子上H3K4的甲基化并激活相關(guān)基因。提示KDM1A能通過去甲基化H3K4抑制線粒體代謝相關(guān)基因的表達[48]。以上研究結(jié)果表明KDM1A對肝癌的發(fā)生發(fā)展具有促進作用。

不僅如此，KDM1A與肝癌的病理發(fā)生也密切相關(guān)。KDM1A的活性對于經(jīng)長期索拉菲尼 (Sorafenib) 治療的癌細胞出現(xiàn)CSCs特征是必需的。使用KDM1A抑制劑Pargyline和GSK2879552能夠顯著抑制耐索拉菲尼HCC細胞的干細胞特征，比如說降低干細胞標(biāo)記物L(fēng)gr5、Sox9、Nanog和CD90的mRNA水平，提高分化標(biāo)記物Alb和Hnf4的mRNA水平，然而對肝臟干細胞/原代細胞標(biāo)記物CK19的含量沒有影響，更重要的是，KDM1A抑制劑能夠?qū)е履退骼颇岬腍CC細胞重新獲得對索拉菲尼的敏感性，從而提高索拉菲尼對肝癌的療效。有研究指出，在PLC肝癌細胞系中的耐索拉菲尼細胞亞系中，KDM1A抑制劑降低β-catenin信號通路的靶基因c-Myc和Cyclin D1的mRNA水平[56]。在miR-302介導(dǎo)的誘導(dǎo)性多能干細胞 (Induced pluripotent stem cell，iPSC) 重組HCC細胞中，通過抑制KDM1A能夠提高HCC對藥物的敏感性，同時造成H3K4甲基化程度提高和c-Myc表達抑制[82]。

以上結(jié)果表明，KDM1A與肝癌發(fā)生發(fā)展密切相關(guān)。KDM1A作為促癌基因的作用發(fā)揮著促進肝癌發(fā)生、誘導(dǎo)肝癌CSCs特征并獲得耐藥性的作用，使得肝癌的治療變得困難。目前關(guān)于KDM1A抑制劑能夠提高HCC的藥物敏感性的研究取得了一定的進步，但因為肝癌的異質(zhì)性較強，且KDM1A抑制劑種類繁多，因此進一步明確KDM1A抑制劑對于肝癌的抑制效應(yīng)并研究其內(nèi)在的分子機制將是重點方向之一。

2.5 KDM1A與急性髓系白血病

急性髓系白血病 (Acute myeloid leukemia，AML) 作為最常見的血液系統(tǒng)惡性腫瘤，呈高度異質(zhì)性，其主要表現(xiàn)為髓系白細胞的異常增生以及正常造血細胞的抑制[83]。在血液腫瘤方面，約有60%的AML患者中KDM1A過表達[84]。在造血過程中，KDM1A與混合譜系白血病 (Mixed-lineage leukemia，MLL) 基因在細胞的分化過程中扮演著重要角色[85]。動物實驗顯示，在人類MLL-AF9白血病的小鼠模型中，KDM1A能夠誘導(dǎo)白血病干細胞 (Leukemia stem cell，LSC) 潛能，KDM1A在MLL-AF9結(jié)合的基因組位點上發(fā)揮作用，維持相關(guān)致癌程序的表達，從而阻止分化和凋亡[26]。利用sh-RNA抑制KDM1A的表達引起髓系白血病標(biāo)記基因 (CD11b/ITGM和CD86) 表達上升，造成細胞增殖抑制以及人類AML細胞克隆能力的下降。同樣地，體內(nèi)抑制KDM1A也會阻斷腫瘤的生長，并誘導(dǎo)CD11b和CB86的顯著上升[86]。

在臨床上，表觀調(diào)控子的反復(fù)突變及異常表達給AML的治療造成了極大的困擾。靶向治療主要針對于抑制染色體修飾酶類如KDM1A以及組蛋白甲基化轉(zhuǎn)移酶DOT1L等，其中靶向治療藥物的共同特點是能夠誘導(dǎo)髓系細胞分化，解除AML中存在的分化阻滯問題。在用靶向KDM1A和DOT1L并誘導(dǎo)分化的藥物處理MLL-AF9驅(qū)動的小鼠白血病和MLL重排的PDX的過程中，對染色質(zhì)動力學(xué)進行了比較，有趣的是，雖然KDM1A抑制劑導(dǎo)致了染色質(zhì)可達性的全面提高，但是用DOT1L抑制劑EPZ4777處理反而導(dǎo)致相反的表型。此外，控制分化的兩個轉(zhuǎn)錄因子 (C/EBPα和PU.1) 的下調(diào)，使得AML獲得對KDM1A抑制劑的耐藥性，提示使用KDM1A的藥物抑制劑可能是克服AML分化障礙的獨特途徑[87]。Zeste基因增強子同源物2 (Enhancer of zeste homolog 2，EZH2) 是PRC2的催化亞基。EZH2作為組蛋白甲基轉(zhuǎn)移酶 (Histone methyltransferase，KMT) 催化H3K27的甲基化與作為去甲基化酶的KDM1A具有相反的功能。在AML患者中，EZH2和KDM1A表達量與正常樣本相比較均是上調(diào)，聯(lián)合抑制KDM1A和EZH2不僅能下調(diào)抗凋亡蛋白Bcl-2 mRNA和蛋白水平，還能上調(diào)促凋亡蛋白Bax和色素蛋白C的mRNA和蛋白質(zhì)水平進而誘導(dǎo)凋亡[88]。

以上結(jié)果表明，KDM1A含量與AML的發(fā)生具有相關(guān)性，尤其是在誘導(dǎo)LSC潛能方面。單獨使用KDM1A抑制劑治療AML，AML易獲得耐藥性，抗癌效果不明顯。聯(lián)合抑制KDM1A與其他組蛋白甲基化調(diào)控子治療AML將具有巨大的潛能。有研究指出，SP2509作為一種有效的KDM1A抑制劑與廣泛的HDAC抑制劑帕比司他 (Panobinostat) 聯(lián)合使用比兩種藥物單獨使用更容易提高植入了人類AML細胞的小鼠的存活率，且沒有顯示出任何毒性[89]。

2.6 KDM1A與口腔癌

口腔癌 (Oral cancer) 是在發(fā)展中國家中最常見的癌癥，口腔癌組織中的KDM1A表達水平高于正?？谇唤M織[76]。臨床組織芯片顯示，KDM1A蛋白在惡性口腔鱗狀細胞癌 (Oral squamous cell carcinoma，OSCC) 中表達量上升，其表達量與腫瘤分級[79]，不良預(yù)后[90]以及腫瘤的侵襲性和整體生存期的縮短密切相關(guān)[91]。在原位口腔癌小鼠模型中，侵襲性HSC-3細胞系中過表達KDM1A能夠促進其轉(zhuǎn)移，當(dāng)敲除KDM1A基因時，腫瘤的轉(zhuǎn)移受到抑制，表明在OSCC的轉(zhuǎn)移過程中KDM1A發(fā)揮著重要調(diào)控作用。當(dāng)用特異性的小分子抑制物如GSK-LSD1抑制KDM1A時能夠延緩疾病的進程，下調(diào)EGF (Epidermal growth factor，EGF) 信號通路，減少鱗狀細胞癌PDX模型中的促癌基因如、、以及波形蛋白的表達，增加原先存在的E-鈣粘蛋白的表達。此外，基因富集分析指出GSK-LSD1抑制c-Mcy、β-catenin和YAP構(gòu)成的促癌基因轉(zhuǎn)錄網(wǎng)絡(luò)，同時能夠增加p53的表達量并誘導(dǎo)凋亡[56]。利用藥物或基因方法抑制KDM1A的表達，能夠抑制細胞增殖，削弱轉(zhuǎn)移和侵襲能力，損傷OSCC的化學(xué)抗藥性以及干細胞穩(wěn)定性。在動物實驗中，腹腔注射KDM1A抑制劑能夠抑制OSCC移植瘤的過度生長[92]。褪黑素作為一種內(nèi)源性分子能夠抵抗多種癌癥，在過表達KDM1A的口腔癌PDX模型中，褪黑素能夠以時間/劑量依賴的方式降低細胞的增殖，同時伴隨著褪黑素介導(dǎo)的抑制KDM1A的作用，提示褪黑素在口腔癌中能通過降低KDM1A含量達到抗癌效果[86]。KDM1A作為治療OSCC的靶點將會受到越來越多的關(guān)注。

2.7 KDM1A與膠質(zhì)瘤

膠質(zhì)瘤作為最常見的顱內(nèi)惡性腫瘤，其發(fā)病率約占全部顱內(nèi)腫瘤的一半，患者1年生存率約為30%，5年生存率下降到不足5%[92]。有研究者發(fā)現(xiàn)，先通過CK1α引起KDM1A的第687位絲氨酸的磷酸化后，GSK3β才能磷酸化KDM1A的第 683位絲氨酸位點，KDM1A的Ser683位點磷酸化后，通過結(jié)合USP22引起去泛素化，穩(wěn)定KDM1A。依賴于GSK-3β和USP22的穩(wěn)定的KDM1A對于組蛋白H3K4的去甲基化是必需的，H3K4的去甲基化抑制BMP2，細胞周期蛋白依賴的激酶抑制劑 (Cyclin-dependent kinase inhibitor 1A，CDKN1) 以及GATA結(jié)合蛋白6 (GATA-binding protein 6，GATA6) 的轉(zhuǎn)錄，導(dǎo)致腫瘤干細胞的自我更新和膠質(zhì)瘤母細胞 (Glioblastoma，GBM) 的發(fā)生。在小鼠模型中，顱內(nèi)注射GSC11 (Glioma stem cells 11，GSC11) 后均出現(xiàn)特征明顯的膠質(zhì)母瘤，當(dāng)利用sh-KDM1A敲除后的GSC11以及sh-USP22敲除的GSC11顱內(nèi)注射小鼠后發(fā)現(xiàn)能夠抑制腫瘤的形成。有趣的是，腫瘤發(fā)生的抑制現(xiàn)象能被KDM1A的表達所逆轉(zhuǎn)，提示KDM1A和USP22與GCSs的發(fā)生密切相關(guān)。在人類GBM樣本中，也發(fā)現(xiàn)KDM1A水平與GSK3β和USP22水平密切相關(guān)。在小鼠體內(nèi)，利用GSK3β的抑制劑硫代谷胱甘肽下調(diào)KDM1A引起移植瘤對化學(xué)治療的敏感性和提高生存率[25]。還有研究指出在A172和T98G細胞系中，去泛素化酶USP7能夠維持KDM1A穩(wěn)定性，USP7-KDM1A通過抑制p53信號通路引起G0/G1的阻滯，促進腫瘤的生成和侵襲[93]。以上研究表明，不同的去泛素化酶均能維持KDM1A的穩(wěn)定性，穩(wěn)定的KDM1A通過介導(dǎo)不同的下游途徑在GBM的發(fā)生發(fā)展中發(fā)揮著重要作用。KDM1A的敲除實驗證明，敲除KDM1A能夠增加骨髓細胞癌病毒基因同源物 (Avian myelocytomatosis viral oncogene homolog，MYC) 位點上H3K4的三甲基化，進而提高MYC的表達。MYC表達的提高又反過來調(diào)控少突膠質(zhì)系轉(zhuǎn)錄因子2 (Oligodendrocyte lineage，OLIG2)、SOX2以及POU3F2，這些轉(zhuǎn)錄因子對于GBM重構(gòu)成具有干細胞特性的狀態(tài)是必需的[94]。

已有研究表明聯(lián)合KDM1A抑制劑TCP和HDAC1抑制劑伏立諾他 (Vorinostat) 或恩替諾特 (Entinostat) 處理膠質(zhì)瘤干細胞 (Glioma stem cell，GSCs) 后，其存活率降低到30%左右遠低于藥物單獨處理后的存活率，表明GSCs細胞對聯(lián)合用藥較為敏感。為了探究其分子機制，測定了敲除KDM1A后的LN-18細胞系聯(lián)合/不聯(lián)合伏立諾他處理的全基因表達改變情況，發(fā)現(xiàn)以及家族成員在聯(lián)合處理下，其表達量顯著下調(diào)。在原位膠質(zhì)瘤異種移植瘤模型中，聯(lián)合伏立諾他 (Vorinostat) 和TCP兩種藥物處理該模型，能夠引起和表達比單獨使用變化更顯著，表明了聯(lián)合用藥的高效性。在接下來的研究中應(yīng)該進一步提高特異性的KDM1A抑制劑透過血腦屏障的能力并在已經(jīng)進行的實驗階段一期中影響腫瘤的生理學(xué)特征進而提高KDM1A抑制劑治療GBM的特異性[95]。

3 總結(jié)與展望

KDM1A作為第一個被發(fā)現(xiàn)的去甲基化酶，被證實與多種疾病相關(guān)，尤其與多種腫瘤的發(fā)生發(fā)展密切相關(guān)。目前的研究證實了KDM1A在不同類型的腫瘤中發(fā)揮著不同的作用，但大體上KDM1A是作為促癌基因存在的。特別是KDM1A作為促進糖酵解的重要因子，在維持腫瘤的沃伯格效應(yīng)中扮演著重要的角色。KDM1A獨特和復(fù)雜的結(jié)構(gòu)使其能與一系列的蛋白質(zhì)復(fù)合物結(jié)合，抑制或激活基因的表達。如圖2所示，KDM1A與不同的啟動子、轉(zhuǎn)錄因子以及蛋白質(zhì)復(fù)合物相互作用，能夠作為重要的調(diào)節(jié)子調(diào)控細胞內(nèi)的癌癥發(fā)生過程。

目前對于KDM1A在腫瘤中的作用機制研究不夠深入。首先，KDM1A能與一系列不同的蛋白質(zhì)復(fù)合物、Non-coding RNAs、Micro-RNAs等結(jié)合，另外，KDM1A作用的上下游信號通路調(diào)節(jié)復(fù)雜，需要我們對每種信號通路的調(diào)節(jié)都作進一步研究。除此之外，KDM1A能夠促進糖酵解，進而維持腫瘤細胞的沃泊格效應(yīng)，使得iPSCs重新編程，從而維持腫瘤細胞的惡性增殖[96]。KDM1A在糖代謝上的作用越來越受到研究人員的關(guān)注，但對其機制的了解尚未十分深入。最新研究表明KDM1A能夠通過調(diào)控關(guān)鍵酶類已糖激酶2 (Hexokinases 2，HK2) 的酶活力，促進沃泊格效應(yīng)。ORY-1001抑制KDM1A，引起HK2酶活力的降低，從而逆轉(zhuǎn)沃泊格效應(yīng)，抑制癌細胞的增殖[97]。除此之外，KDM1A對腫瘤氨基酸和脂肪酸代謝的影響也將成為重點關(guān)注領(lǐng)域。雖然有針對KDM1A抑制劑抑癌效應(yīng)的研究，但其效應(yīng)有待進一步研究?？偠灾?，KDM1A在腫瘤的發(fā)生發(fā)展中扮演著重要角色，作為腫瘤臨床診斷和治療的重要潛在靶點還需進一步的研究。

圖2 KDM1A在腫瘤中的作用機制

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Function of histone demethylasehistone lysine-specific demethylase 1A in tumor initiation and progression

Ximei Zhang,Xinli An, Shunqin Zhu, and Yan Liu

,,400716,

As a member of the histone lysine-specific demethylase family, KDM1A plays a pivotal role in biological processes including signal transduction, chromatin reprogramming, embryo development, hematopoiesis, glucose and lipid metabolism. Recently, increasing studies and clinical evidences suggest that the expression of KDM1A is related to initiation and development of tumors and plays a key role in regulating of initiation and development of tumors, such as prostate cancer, breast cancer, lung cancer and liver cancer. KDM1A binds to distinct complexes and mediates different downstream signaling pathways. However, KDM1A often plays an oncogenic role in the initiation and development of tumors. Based on the current literatures, we describe the latest research of KDM1A in the initiation and progression of various tumors, and summarize its mechanism of actions, to provide clues for cancer therapy.

histone lysine-specific demethylase 1A(KDM1A), tumor initiation, tumor development, histone demethylase

張夕梅, 安心麗, 祝順琴, 等. 組蛋白賴氨酸特異性去甲基化酶1A在腫瘤發(fā)生發(fā)展中的作用. 生物工程學(xué)報, 2020, 36(2): 226–240.

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March 29, 2019;

July 29, 2019

Supported by:National Natural Science Foundation of China (No. 31501100).

Yan Liu. Tel/Fax: +86-23-68252365; E-mail: liuyan@swu.edu.cn

國家自然科學(xué)基金 (No. 31501100) 資助。

10.13345/j.cjb.190115

(本文責(zé)編 陳宏宇)