药物化学/抗癌药/HDAC 简介

生理功能

HDAC（histon deacetylase） 会移除组蛋白上 acetyl-lysine 的 acetyl group，使 lysine 末端 amino group 带正电，与 DNA 上带负电的磷酸基团形成交互作用力而使染色体结构变得紧密，让 RNA 转录酶难以靠近而降低基因转录，相反地，与 HDAC 持相反作用的 HAT (histone acetyltransferase）则会把 acetyl group 从 acetyl-CoA 转移到 histone，消除组蛋白上 lysine 所带的正电，与 DNA 磷酸基团之间的结合力减弱，染色体结构变松散，使 RNA 聚合酶容易靠近而增加该基因的转录

HDAC 分类

截至目前为止，在人体细胞上共鉴定出 18 种 HDAC：HDAC1-11 与 SIRT1-7，数字代表发现的先后顺序。依照它们与酵母菌 HDAC 的相似度，可以分成四大类：Class I-IV，其中 Class I, II 与 IV，因为去乙酰化催化作用与锌离子相关，统称 zinc-dependent enzyme 或是 classical HDACs；Class III 的去乙酰化催化作用则与 NAD⁺ 相关，又称为 NAD⁺-dependent enzyme。

Class I HDACs

Class I HDAC 有 HDAC 1,2,3 与 8，它们与酵母菌 Rpd3 相似。Class I HDAC 主要分布在细胞核内。

1996 年科学家分离与鉴定出第一个人类 HDAC，并在之后命名为 HDAC1，同年也找到第二个人类 HDAC，并在之后命名为 HDAC2。HDAC1 与 HDAC2 影响很多基因与 non-histone protein，像是 p53。HDAC1 和 HDAC2 将 p53 上的 acetyl group 移除掉，促使 p53 ubiquitination 然后被蛋白酶分解。HDAC1 和 HDAC2 与其他 HDAC 一样，需要与其他蛋白质形成复合物才具有活性，诸如 NuRD（nucleosome remodeling histone deacetylase complex）

HDAC3 与 HDAC8 有 34% 相似，HDAC3 也要与其他蛋白质形成复合物才具有活性，像是 SMRT（silencing mediator for retinoid acid and thyroid hormone receptors）以及 N-CoR（nuclear receptor co-repressor）

HDAC8 可以分布在细胞核与细胞质。相比 HDAC1-3，HDAC8 缺少 C 端 protein binding domain，这个结构差异或许能解释为何 HDAC8 不像其他 class I HDAC，不需形成复合物就有活性。除此之外，磷酸化 HDAC8 会降低其活性，而磷酸化其他 class I HDAC（即 HDAC1-3）则会活性增加。另外，HDAC8 与 HDAC10 都能移除超过八个碳长链上的 acetyl group。

Class II HDACs

Class II HDACs 与酵母菌 Hda1 相似。Class II HDACs 能分布在细胞核与细胞质中。Class II 可以细分成 IIa 和 IIb。IIa 有 HDAC4, 5, 7 和 9，IIb 有 HDAC6 和 HDAC10。

Class IIa HDACs

HDAC4 能透过抑制转录因子 RunX2（run-related transcription factor 2）调节软骨细胞增大与软骨生成。HDAC4 和 HDAC5 能影响 MEF2 (myocyte enhancer factor2）而抑制 MyoD (myoblast determination protein 1），进而抑制肌肉生成。

在胸腺细胞中，HDAC7 能够过促进 MEF2D 的转录与抑制 Nur77 (nuclear receptor 77）的表现来调节 T cell 的细胞凋亡。HDAC7 也与心血管发展有关，去除老鼠 HDAC7 基因会使血管扩张与破裂，让老鼠在胚胎时期就亡。

HDAC9 大量表现于脑、骨骼肌和胚胎时期的心脏，但在心脏中表现量极低，表示 HDAC9 与心脏发展有关。除此之外，HDAC9 能够过抑制 MEF2 的转录来调节肌肉细胞分化。

Class IIb HDACs

Class IIb 与其他 HDACs 相比最特别之处是它们有两个催化 site。

HDAC6 是人体中氨基酸序列最长的 HDAC，共有 1215 个氨基酸，且有两个互相独立的 deacetylase domain。第二个催化 domain（CD2）可以将细胞质的蛋白质去乙酰化，像是将 α-tubulin 上的 lysine40 去乙酰化来调节微管依赖细胞移动，或是将热休克蛋白 90（heat shock protein 90, HSP90）去乙酰化来调节蛋白质恒定。CD1 的功能目前依然未知，但有发现其与 E3 ubiquitin ligase 有关。

HDAC10 与 HDAC6 有 55% 序列相同，其第二个催化位目前还没鉴定出来。HDAC10 能透过去乙酰化 HSP90 调节蛋白酶分解 VEGFR。

Class III HDACs

Class III HDACs 与酵母菌 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 活性却可以移除长链上的 acetyl group。

催化机转

Zinc-dependent HDACs

Zinc-dependent HDACs 的催化机转一开始由 Finnin 观察细菌 HDLP (HDAC-like protein）后提出，后来在 HDAC8 的结构中确定催化机转。N-acetyl lysine 上 C=O 基团的氧原子会与锌离子键结而增加 C=O 之碳原子的亲电性（因为变得比较缺电子），另外 His143（HDAC8）会增加水分子的亲核性，使得水分子亲核性攻击 C=O 基团之碳原子，形成 tetrahedral 中间体结构。oxyanion 中间体可以被锌离子与氧之间的交互作用力，以及与 Tyr306 形成的氢键稳定。最后中间体的碳氮键断掉，amide 氮接受 His143 的质子，产生醋酸盐与 lysine

与癌症的关系

HDAC 在大部分的癌症是表现量过度增加，过度表现的 HDAC 会抑制很多基因的转录，尤其是 tumor suppressor gene，让细胞失去抑制癌症生成的功能，以及影响很多 non-histone protein 的活性，这些被影响的基因和蛋白质与癌症的 cell cycle, apoptosis, DNA damage repair, metastasis, angiogenesis 与 autophagy 相关