藥物化學/抗癌藥/HDAC 簡介

生理功能

HDAC（histon deacetylase） 會移除組蛋白上 acetyl-lysine 的 acetyl group，使 lysine 末端 amino group 帶正電，與 DNA 上帶負電的磷酸基團形成交互作用力而使染色體結構變得緊密，讓 RNA 轉錄酶難以靠近而降低基因轉錄，相反地，與 HDAC 持相反作用的 HAT (histone acetyltransferase）則會把 acetyl group 從 acetyl-CoA 轉移到 histone，消除組蛋白上 lysine 所帶的正電，與 DNA 磷酸基團之間的結合力減弱，染色體結構變鬆散，使 RNA 聚合酶容易靠近而增加該基因的轉錄

HDAC 分類

截至目前為止，在人體細胞上共鑑定出 18 種 HDAC：HDAC1-11 與 SIRT1-7，數字代表發現的先後順序。依照它們與酵母菌 HDAC 的相似度，可以分成四大類：Class I-IV，其中 Class I, II 與 IV，因為去乙酰化催化作用與鋅離子相關，統稱 zinc-dependent enzyme 或是 classical HDACs；Class III 的去乙酰化催化作用則與 NAD⁺ 相關，又稱為 NAD⁺-dependent enzyme。

Class I HDACs

Class I HDAC 有 HDAC 1,2,3 與 8，它們與酵母菌 Rpd3 相似。Class I HDAC 主要分佈在細胞核內。

1996 年科學家分離與鑑定出第一個人類 HDAC，並在之後命名為 HDAC1，同年也找到第二個人類 HDAC，並在之後命名為 HDAC2。HDAC1 與 HDAC2 影響很多基因與 non-histone protein，像是 p53。HDAC1 和 HDAC2 將 p53 上的 acetyl group 移除掉，促使 p53 ubiquitination 然後被蛋白酶分解。HDAC1 和 HDAC2 與其他 HDAC 一樣，需要與其他蛋白質形成復合物才具有活性，諸如 NuRD（nucleosome remodeling histone deacetylase complex）

HDAC3 與 HDAC8 有 34% 相似，HDAC3 也要與其他蛋白質形成復合物才具有活性，像是 SMRT（silencing mediator for retinoid acid and thyroid hormone receptors）以及 N-CoR（nuclear receptor co-repressor）

HDAC8 可以分佈在細胞核與細胞質。相比 HDAC1-3，HDAC8 缺少 C 端 protein binding domain，這個結構差異或許能解釋為何 HDAC8 不像其他 class I HDAC，不需形成復合物就有活性。除此之外，磷酸化 HDAC8 會降低其活性，而磷酸化其他 class I HDAC（即 HDAC1-3）則會活性增加。另外，HDAC8 與 HDAC10 都能移除超過八個碳長鏈上的 acetyl group。

Class II HDACs

Class II HDACs 與酵母菌 Hda1 相似。Class II HDACs 能分佈在細胞核與細胞質中。Class II 可以細分成 IIa 和 IIb。IIa 有 HDAC4, 5, 7 和 9，IIb 有 HDAC6 和 HDAC10。

Class IIa HDACs

HDAC4 能透過抑制轉錄因子 RunX2（run-related transcription factor 2）調節軟骨細胞增大與軟骨生成。HDAC4 和 HDAC5 能影響 MEF2 (myocyte enhancer factor2）而抑制 MyoD (myoblast determination protein 1），進而抑制肌肉生成。

在胸腺細胞中，HDAC7 能夠過促進 MEF2D 的轉錄與抑制 Nur77 (nuclear receptor 77）的表現來調節 T cell 的細胞凋亡。HDAC7 也與心血管發展有關，去除老鼠 HDAC7 基因會使血管擴張與破裂，讓老鼠在胚胎時期就亡。

HDAC9 大量表現於腦、骨骼肌和胚胎時期的心臟，但在心臟中表現量極低，表示 HDAC9 與心臟發展有關。除此之外，HDAC9 能夠過抑制 MEF2 的轉錄來調節肌肉細胞分化。

Class IIb HDACs

Class IIb 與其他 HDACs 相比最特別之處是它們有兩個催化 site。

HDAC6 是人體中胺基酸序列最長的 HDAC，共有 1215 個胺基酸，且有兩個互相獨立的 deacetylase domain。第二個催化 domain（CD2）可以將細胞質的蛋白質去乙酰化，像是將 α-tubulin 上的 lysine40 去乙酰化來調節微管依賴細胞移動，或是將熱休克蛋白 90（heat shock protein 90, HSP90）去乙酰化來調節蛋白質恆定。CD1 的功能目前依然未知，但有發現其與 E3 ubiquitin ligase 有關。

HDAC10 與 HDAC6 有 55% 序列相同，其第二個催化位目前還沒鑑定出來。HDAC10 能透過去乙酰化 HSP90 調節蛋白酶分解 VEGFR。

Class III HDACs

Class III HDACs 與酵母菌 Sir2 相似。Class III HDACs 有 SIRT1-7。Class III HDACs 除了有 histone deacetylase 活性外，亦有 mono-ADP ribosyltransferase 活性。

Class IV HDACs

Class IV 只有 HDAC11。HDAC11 有很弱的 deacetylase 活性卻可以移除長鏈上的 acetyl group。

催化機轉

Zinc-dependent HDACs

Zinc-dependent HDACs 的催化機轉一開始由 Finnin 觀察細菌 HDLP (HDAC-like protein）後提出，後來在 HDAC8 的結構中確定催化機轉。N-acetyl lysine 上 C=O 基團的氧原子會與鋅離子鍵結而增加 C=O 之碳原子的親電性（因為變得比較缺電子），另外 His143（HDAC8）會增加水分子的親核性，使得水分子親核性攻擊 C=O 基團之碳原子，形成 tetrahedral 中間體結構。oxyanion 中間體可以被鋅離子與氧之間的交互作用力，以及與 Tyr306 形成的氫鍵穩定。最後中間體的碳氮鍵斷掉，amide 氮接受 His143 的質子，產生醋酸鹽與 lysine

與癌症的關係

HDAC 在大部分的癌症是表現量過度增加，過度表現的 HDAC 會抑制很多基因的轉錄，尤其是 tumor suppressor gene，讓細胞失去抑制癌症生成的功能，以及影響很多 non-histone protein 的活性，這些被影響的基因和蛋白質與癌症的 cell cycle, apoptosis, DNA damage repair, metastasis, angiogenesis 與 autophagy 相關