HDAC抑制剂研究进展-樊后兴

组蛋白去乙酰酶类似物的结构特点及其功能
由于目前没有人的HDAC的晶体结构，所以有关HDAC的研究是通过与其有 35.2%的氨基酸同一性的超嗜热菌Aquifex aeolicus的组蛋白去乙酰酶类似物 （HDLP)为基础来研究的。HDLP的晶体结构显示，HDLP有两个明显的结构特 征：a)一个深度为11A的管状通道，通向容纳TSA或SAHA的活性部位，有催化 活性的锌离子在通道的底部，TSA或SAHA的脂肪链从不同角度分析均利于与 疏水通道接近。b)一个长度为14A的内腔与锌离子的结合位点相邻。
进一步的构效关系研究发现： 1）连接单元和酶之间的氢键不具 有关键作用，但连接单元的平面或 SP2构型是有效抑制HDAC的关键。 2）羟胺酸的α-甲基化衍生物比对 应的未取代化合物活性降低120倍， 表明HDAC的Zn离子活化位点附近 即使一个小基团也不能容纳。 3）HDAC抑制效果直接与间隔区 链长有关，间隔区为6个亚甲基的 化合物活性最强，并且其对位取代 芳基衍生物活性最高，但其HDAC 抑制活性不依赖于苯环上取代基的 吸电子或给电子性质，增加识别区 的疏水性能提高活性。
物和 RNA合成酶与 DNA模板相结合 ,激活基因转录。相反 , HDACs功能相
反 ,抑制基因转录。 在正常生理状态下 ,这两类酶对组蛋白乙酰化作用的调控处于平衡状态 。
而细胞在发生转化的状态下 ,HDAC的活性明显增强 ,使得原有的基因表达
平衡状态被打破 ,导致一些影响细胞增殖和调控细胞周期的分子表达失衡 , 进而导致细胞癌变。
HDAC与肿瘤的发生
研究证实，HDAC的活性与癌症的发生有关。当HDAC过度表 达并被转录因子募集，就会导致特定基因的不正常抑制，从而导 致肿瘤，如急性粒细胞白血病被认为部分归因于早幼粒细胞白血 病蛋白/维A酸受体α融合蛋白对HDAC的非正常募集。 另Gu等报道，当HDAC过度表达时，也会抑制生物体内天然的 肿瘤抑制因子例如p53的基因表达。 同时相应的，HDAC抑制剂会使染色质组蛋白乙酰化水平提高， 因此导致特定基因激活表达，相应地导致细胞的末端分化或癌细 胞的凋亡。
明显加强。 胰腺癌组织中HDAC1基因和HDAC3基因在mRNA水平上较胰腺癌旁
组织表达增高。
ChoiJH和HalkidouK等的研究中发现胃癌和前列腺癌细胞中HDAC1 高表达
Huang等报导在胃癌、结直肠癌、宫颈的非典型增生以及子宫内膜间
质肉瘤HDAC2过表达。
第Ⅱ类组蛋白去乙酰化酶与肿瘤
人肝癌细胞中HDAC4的表达明显增强，提示在人肝癌细胞中存在 乙酰化的失平衡。有关HDAC5、HDAC7、HDAC9的相关报道很少。 口腔鳞状上皮细胞癌研究中发现，HDAC6在癌组织中呈明显高表 达；在肿瘤进展不同阶段也有显著的表达差异，说明HDAC6有可能与 肿瘤侵袭性相关 。有关HDAC10的报道很少。
HDAC的分类---根据与酵母菌HDAC的同源性
HDAC （18种）
I型
Zn+依赖型，包括： HDAC1,2,3,8,11, 全 部位于核内，其相 对分子质量为42000 ～55000，广泛存在 于生物体的各种组 织器官。
II型
Zn+依赖型，包括： HDAC4,5,6,7,9,10 主要位于细胞质 ,但 可以在细胞核和细 胞质之间穿梭，其 相对分子质量为 120000～130000， 具有组织特异性 ,多 在心脏 、肺 、骨骼 肌表达。
酰胺类
包括 MS-275, CI-994和CS055
这类化合物比羟胺酸类和环肽类活性低。与羟胺酸类不同的是，该类化 合物是以活性管道最狭窄部位的Phe141和Phe198的两个苯环为靶点， 阻塞HDAC的生理底物伸向催化中心，其中2’-氨基与Tyr91或Glu92形 成氢键，中间的苯环与Phe141和Phe198形成三明治结构，因此，2‘-氨 基或2’-羟基是抑制活性的关键基团，除去2‘-氨基，在芳基上3’， 4‘或5’取代氨基或乙酰化氨基，化合物失去活性。2‘位为氨基时，在 3’，4‘，5’位置取代，活性降低。
HDACi的分类及其构效关系
羟胺酸类
包括TSA, SAHA及其衍生物，CBHA和
MM232等
羟胺酸类化合物是 研究最为广泛的一 类HDAC抑制剂， （R)-TSA是第一 个来源于天然产物 的HDAC抑制剂， 它的羧酸化合物没 有HDAC抑制活性， 说明羟胺酸结构是 活性所必须的。 研究发现强效 HDAC抑制剂共同 的结构特点是其分 子中含疏水基团， 连接单元，间隔区， Zn离子结合区
NVP-LAQ-824 做到I期后终止 Novartis
CRA-024781 phase II Pharmacyclics
用于治疗复发的实体瘤
LBH-589（panobinostat） Novartis
phase II 巴癌
phaseI
用于治疗皮肤T细胞淋
用于治疗其他癌症
R-306465 phase I Johnson & Johnson
第Ⅲ类组蛋白去乙酰化酶与肿瘤
Sir2(silent information regulator2)基因家族是一种保守的从古细菌
到哺乳动物都存在的NAD+(烟酰腺嘌呤二核苷酸)依赖的组蛋白 E组蛋
白去乙酰基酶。人类Sirtuins家族中公认的成员有7个，即：SIRT1-7。 p53是SIRT1的生理性底物，SIRT1通过对p53蛋白第283位赖氨酸 残基的去乙酰化，可以减少由p53诱导的细胞凋亡，有利于细胞的存活。 在乳腺癌中的SIRT7表达水平比良性乳腺组织中明显提高; 而乳腺 癌的淋巴结转移组和非转移组相比，SIRT3和SIRT7的表达水平差异也 有显著性。
III 型
保守 的NADFra Baidu bibliotek(烟酰 腺嘌呤二核苷酸)依 赖型，与酵母Sir2 家族具有同源性， 且对I,II型HDACi不 敏感，更多的证据 显示该类酶更倾向 于催化非组蛋白的 去乙酰化。
第1类组蛋白去乙酰化酶与肿瘤
研究发现肿瘤细胞中HDAC1的高表达可明显增加肿瘤细胞的增殖能
力，并且HDAC1的高表达可影响细胞外基质而使肿瘤细胞移行和侵袭力
其他
目前正处于临床研究的HDACi
CI-994
phase III , Pfizer
用于治疗肺癌，非小细胞肺癌， 胰腺癌，头颈癌，肾癌。
MS-275
phase II , Bayer
适应症：晚期实体瘤，晚期淋巴瘤，血 癌
CS055 phase I, Chipscreen Biosciences 适应症：实体瘤，血癌
分化及凋亡的目的。肿瘤细胞要比正常细胞对HDACi敏感得多。SAHA 于2006年的成功上市，以及目前有多个HDACi处于临床研究阶段，均
能够有效抑制多种实体瘤， 同时HDACi与多种化疗药物联合用药，也
展现出良好的协同治疗效果，且在有效抑制剂量范围内的低毒性，已使 HDACi成为一种具有广泛应用前景的靶向抗肿瘤新药。
Histone deacetylase inhibitors
组蛋白去乙酰化酶抑制剂
樊后兴
Contents
简介
组蛋白去乙酰化酶研究进展 展望
简介
染色质由DNA,组蛋白和非组蛋白构
成。核小体是染色质的基本重复单位,由
组蛋白H3,H4,H2A,H2B构成的八聚体及 位于核小体外部的组蛋白H1和缠绕在其
SAHA 2006批准上市，用于治疗皮肤T细胞 淋巴癌 而将其用于治疗白血病和其 他实体瘤则处于II期或III期临床 aton pharma（被Merck收购） 适应症：复发的实体瘤，血癌，复发 或转移的头颈癌
HMBA 做到III期，由于神经毒性和导致 酸中毒而终止 NCI
FR901228 phase II Gloucester Pharmaceuticals 适应症：淋巴细胞白血病，小细胞肺癌， 乳腺癌，胰腺癌，卵巢癌
外的含146个碱基对的DNA构成。
组蛋白的乙酰化状态对于基因转录具 有重要调控作用 ,研究表明转录活性高的
部位其核小体中组蛋白的ε-赖氨酸处于
高乙酰化状态 而转录处于相对静止部位 的组蛋白则呈低乙酰化状态 。
组蛋 白的乙酰化状态由两类酶来决定 ,即组蛋白乙酰转移酶（histone acetyltransferases, HAT)和组蛋白去乙酰化酶（histone deacetylase, HDAC). HATs将疏水乙酰基转移到组蛋白N端赖氨酸残基,中和一个正电荷 ,使 DNA与组蛋白之间的静电引力减小 ,二者之间的相互作用减弱 ,染色质重塑 为转录活性结构 ,DNA易于解聚、 舒展 ,有利于转录因子、 调节因子复合
短链脂肪酸
包括丁酸，苯丁酸和异戊酸及其盐
这类化合物在金属结合区是一个羧酸，由于其HDAC抑制活性低，使 其构效关系的研究受限。虽然活性低，但包括丁酸和苯基丁酸的许多 化合物，正在进行癌症治疗的临床试验研究。由于临床应用丁酸及其 类似物需要高浓度，并且生物利用度低，代谢降解快，促使研究去前 药，这些抑制剂比对应的母体化合物吸收和代谢好。
值得关注的是，新型的特异性的HDAC抑制剂已被发现，但这种特异
性抑制剂是否具有更好的肿瘤杀伤效果有待于进一步证实。
HDACi及其抗肿瘤作用机制
近年来 ,一系列的 HDACi已被研制出来 ,被证实具有抑制培养肿瘤细胞增殖 、 细胞周期阻滞、诱导细胞分化及促进细胞凋亡的作用。这些抑制剂还能够在非毒性 剂量下 ,以选择性的方式抑制动物模型中的肿瘤细胞增殖。 HDACi和细胞周期 细胞周期调控异常是肿瘤发生的重要机制。而HDACi可以通过调节细胞周期蛋白 和细胞周期蛋白激酶抑制物的表达，诱导肿瘤细胞发生G1和/或G2期停滞 HDAC诱导细胞分化 多项研究证实HDAC抑制剂有诱导癌细胞分化作用 HDACi诱导凋亡 a. HDACi和caspases HDACi通过死亡受体途径或线粒体途径激活caspase半胱 氨酸蛋白酶 ，不但促进肿瘤细胞凋亡，还能逆转某些肿瘤细胞的抗药性。 b. HDACi和p53 抑癌基因p53调控一系列与凋亡相关蛋白的转录，HDACi所诱 导的细胞凋亡部分是通过乙酰化p53从而上调p53作用来完成的。 c. HDACi与细胞骨架 细胞骨架具有维持细胞的特定形状和细胞内部结构的有序 性，同时在细胞有丝分裂和凋亡中起重要作用。而乙酰化修饰是调节细胞骨架结构 和功能的重要方式。高剂量的HDACi可以乙酰化修饰微管蛋白，导致细胞发生有丝 分裂停滞和凋亡。 其他生物学效应 包括抑制血管形成，抑制肿瘤细胞的迁移活性和诱导肿瘤免疫。
G2M-777(Savicol) phase II, TopoTarget 适应症：实体瘤
pivanex
Titan Pharmaceuticals 做到 III期临床，后由于某种原因 终止
CUDC-101
展望
HDACi可以增加细胞内组蛋白及非组蛋白的乙酰化程度，提高p21，
p53等基因的表达水平，进而达到抑制肿瘤细胞的增殖，诱导肿瘤细胞
MGCD0103 phase II MethylGene
选择性地作用于HDAC1，2，3 和11
CBHA 临床前，aton pharma
pyroxamide 终止 aton pharma
PXD101 （belinostat) Phase II TopoTarget
适应症：乳腺癌，结肠癌， 卵巢癌，前列腺癌，肺癌
包括环氧酮基的环四肽结构
如trapoxin B, HC-toxin等
不含环氧酮基的环四肽结构
如FR901228, apicidin和包
含羟胺酸结构的环四肽
对于这类化合物来说，体积较大的环肽结构 能够与管道入口处的凹槽紧密结合，酮羰基可以 与HDAC中袋装管道中的Zn离子和极性氨基酸残 基相互作用，环氧基能使HDAC中的活性位点烷基 化，不可逆地抑制HDAC酶的活性。若将环氧基换 成羟胺酸，则表现出对HDAC的可逆性抑制。