组蛋白去乙酰化酶（histone deacetylases，HDACs）的分类及结构特点

周向培

随着生命科学的深入发展，对肿瘤的致病和发病机制的分子生物学研究为开发低毒高效针对特异性分子靶标的抗肿瘤药物提供了基础。组蛋白去乙酰化酶（histone deacetylases，HDACs）是维持染色体的基本组成单位核小体中组蛋白乙酰化平衡的关键酶类之一，其催化组蛋白的去乙酰化作用，与基因转录抑制密切相关，牵涉到促基因沉默的诸多过程，是抗肿瘤药物设计中的热门靶标。本文就此谈谈组蛋白去乙酰化酶（histone deacetylases，HDACs）的分类及结构特点。

一、组蛋白去乙酰化酶的分类

基于酵母种系发育中的不同HDACs的结构同源性分析，真核生物HDACs被分成4类：Ⅰ类HDACs与酵母Rpd3具有同源性，包括HDAC1、HDAC2、HDAC3、HDAC8;Ⅱ类HDACs与酵母Hda1具有同源性，包括HDAC4、HDAC5、HDAC6、HDAC7、HDAC9和HDAC10，其根据催化区域的不同又可分为2类：Ⅱa类具有一段催化区域，包括HDAC4、HDAC5、HDAC7和HDAC9，Ⅱb类具有两段催化区域，主要包括HDAC6和HDAC10;Ⅲ类HDACs即沉默信息调节因子2（silent information regulator2，Sir2）-相关酶类 （Sir2-related enzymes，sirtuins），其是烟酰胺腺嘌呤二核苷酸（nicotinamide adenine dinucleotide，NAD+）依赖的组蛋白去乙酰化酶类;Ⅳ类HDACs主要是HDAC11，其与Ⅰ、Ⅱ类HDACs差异较大而被独立划归一类。HDACs家族各成员主要定位于细胞核与细胞质中，另有少部分定位于胞质细胞器如线粒体中（主要是Ⅲ类HDACs中的SIRT3、SIRT4与SIRT5），HDACs发挥催化作用的目标蛋白种类繁多，常见如抑癌蛋白p53、热休克蛋白HSP70、Smads蛋白家族等，HDACs正是通过与催化多种生理过程中的关键蛋白而在调控肿瘤进程中发挥重要作用。

二、组蛋白去乙酰化酶的结构特点

1.Ⅰ类HDACs

Ⅰ类HDACs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HDAC1，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75 000、66 000，其他种Ⅰ类HDACs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。

2.Ⅱ类HDACs

（1）Ⅱa类HDACs，研究证实，Ⅱa类HDACs一段保守的锌结合域——HDAC4催化序列与Ⅰ类HDACs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（图1A）。第2个片段是1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Ⅱa类HDACs中均高度保守，但在其他种类的HDACs中缺失。此锌结合域與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中并不存在催化醋酸盐反应产物释放的水性通道。

晶胞分析的结果显示，在位于锌结合域的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C700A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HDACs，有研究证实，Ⅱb类HDACs的HDAC10是一种含有669个氨基酸残基的多肽，其由N-末端的Hda1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。有关图中显示，HDAC10的去乙酰化序列（DAC）用白框表示，亮氨酸富集序列（LRD）用阴影框来阐明。另HDAC10的去乙酰化序列与HDAC6对应的区域的相同及相似度亦在图中反映，即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%。详见1HDAC4结合态的催化序列结构模式图Figure 1Structural diagram of catalytic sequences of HDAC4 in bound state Ⅱb类HDACs的HDAC10序列及与HDAC6比较Figure 2Sequence comparison of HDAC10 and HDAC6。

3.Ⅲ类HDACs

哺乳动物有7种Sir2-related enzymes，sirtuins，即Ⅲ类HDACs，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-ADP-核糖基转移酶（mono-ADP-ribosyl transferase （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sirtuins其定位不同。有关图中显示，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重要定位于细胞质中，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。详见Ⅲ类HDACs各成员功能、胞内定位及大小比较Figure 3Comparison of function，intracellular localization，and size of Class Ⅲ HDACs。

4.Ⅳ类HDACs，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39 000）。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25 kb，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HDACs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，HDAC11与HDACs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HDACs与原核生物HDAC-相似蛋白中存在的活性不变催化序列。

总之，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。