HDAC5在神經(jīng)系統(tǒng)中的作用研究進展

石俊強 柳玉勇綜述

(濟寧醫(yī)學院學報編輯部，山東 濟寧 272067；濟寧市精神病防治院，濟寧 272000)

組蛋白乙?；D(zhuǎn)移酶(histone acetyltransferase,HAT)和組蛋白去乙?；?histone deacetylase,HDAC)在調(diào)節(jié)組蛋白N端賴氨酸殘基乙酰化或去乙?；^程中發(fā)揮關(guān)鍵作用,是調(diào)控染色質(zhì)重塑和真核細胞基因轉(zhuǎn)錄的表現(xiàn)遺傳修飾(epigenetic modifications)的機制之一。研究表明HDAC5在調(diào)控神經(jīng)功能方面起到了非常重要的作用。本文就近年來HDAC5在神經(jīng)系統(tǒng)中的作用研究進展作一綜述。

1 HDAC5分子生物學特征

1.1 分子結(jié)構(gòu)

人類的HDAC5基因位于染色體17q21，序列全長39138bp，有26個外顯子，其蛋白質(zhì)序列含有1122個氨基酸，分子量為121.9kDa[1]。HDAC5由兩部分組成，即C-末端去乙酰化酶結(jié)構(gòu)域和N-末端適配器結(jié)構(gòu)域[2]。C-末端去乙?；附Y(jié)構(gòu)域，即HDAC結(jié)構(gòu)域，由400～450個氨基酸組成，與酵母Hda1(酵母的一種組蛋白修飾酶)有53%同源性，是IIa類HDAC各成員的高度保守區(qū)域(80%同源)，含有出核序列(nuclear export sequence，NES)。N-末端適配器結(jié)構(gòu)域由450～600個氨基酸組成，含有核定位序列(nuclear location sequence，NLS)，該區(qū)域包含保守的專門用于綁定DNA結(jié)合轉(zhuǎn)錄因子的氨基酸序列，發(fā)揮轉(zhuǎn)錄共抑制作用。例如，HDAC5 N-末端有羧基末端結(jié)合蛋白(C-terminal-binding protein,CtBP)、肌細胞增強因子2(myocyte-specific enhancer factor 2 ，MEF2) 、異染色質(zhì)P1(HP1)等結(jié)合位點(見圖1)。

圖1 人類HDAC5分子結(jié)構(gòu)

1.2 生物學活性

HDAC5一般存在于細胞核內(nèi)，其主要功能是水解乙?；馁嚢彼?，導致核小體結(jié)構(gòu)緊湊，使得DNA變得不易復制延長，抑制基因轉(zhuǎn)錄。HDAC5不能直接綁定到DNA上，需招募并結(jié)合到特定DNA結(jié)合轉(zhuǎn)錄因子上，發(fā)揮轉(zhuǎn)錄共抑制作用。HDAC5通過以磷酸化和去磷酸化的方式進行細胞核漿穿梭，進而調(diào)節(jié)組蛋白乙酰化水平，影響基因轉(zhuǎn)錄。

2 HDAC5在神經(jīng)系統(tǒng)中的作用

2.1 HDAC5與外周神經(jīng)元軸突再生

外周神經(jīng)元的軸突再生是一個十分復雜的過程，成功的軸突再生需要激活細胞核內(nèi)相關(guān)基因的表達，然而目前人們關(guān)于這個激活過程知之甚少。以往的研究表明，切斷體外培養(yǎng)的小鼠背根神經(jīng)節(jié)能夠產(chǎn)生一個傳向神經(jīng)元胞體的鈣波，然而目前還沒有完全搞清楚神經(jīng)元胞體內(nèi)關(guān)于鈣波的轉(zhuǎn)導通路。Cavalli等[3]觀察到小鼠背根神經(jīng)節(jié)損傷后神經(jīng)元胞體蛋白激酶Cμ( protein kinase Cμ， PKCμ)表達顯著增加，并且發(fā)現(xiàn)PKCμ從胞漿向細胞核遷移。在軸突損傷部位應用鈣螯合劑乙二胺四乙酸(EDTA)可以阻止PKCμ的表達增加以及向細胞核遷移，表明軸突損傷后產(chǎn)生的鈣波能夠增加PKCμ的表達。而PKCμ能夠誘導HDAC5從細胞核向胞漿遷移，可以觀察到HDAC5在小鼠背根神經(jīng)節(jié)軸突損傷部位有大量積聚。HDAC5在細胞核內(nèi)有抑制組蛋白乙?；苷{(diào)節(jié)基因轉(zhuǎn)錄，那么HDAC5在小鼠背根神經(jīng)節(jié)軸突損傷后，從細胞核向胞漿遷移有什么意義呢？外周神經(jīng)元的軸突再生需要微管蛋白的參與，而HDAC5能催化微管蛋白去乙?；?，協(xié)助微管的形成，促進軸突再生，應用HDAC抑制劑能顯著延緩軸突再生。同時，HDAC5還可以開啟其他促進軸突再生的基因的表達。由此，HDAC5在外周神經(jīng)元軸突損傷后從細胞核向胞漿遷移對于微管的形成以及觸發(fā)相關(guān)再生基因表達至關(guān)重要。不同于外周神經(jīng)系統(tǒng)神經(jīng)元，中樞神經(jīng)系統(tǒng)神經(jīng)元損傷后通常無法再生。視網(wǎng)膜神經(jīng)節(jié)細胞(一種中樞神經(jīng)系統(tǒng)的神經(jīng)元)損傷后，在損傷部位未檢測到HDAC5的集聚以及PKCμ從胞漿向細胞核遷移，軸突損傷后再生的信號通路無法啟動，這也許正是中樞神經(jīng)元和外周神經(jīng)元損傷后觸發(fā)的后生變化的關(guān)鍵差異，這也給了我們一些思路，如果可以對人類大腦和脊髓神經(jīng)元進行控制操作，那么就可以使得中樞神經(jīng)系統(tǒng)的細胞實現(xiàn)軸突再生。

2.2 HDAC5與記憶

組蛋白乙?；?，是染色質(zhì)修飾的一種類型，能夠增加基因轉(zhuǎn)錄。在大腦海馬部位，增加組蛋白乙?；梢源龠M記憶的形成。在神經(jīng)退行性疾病特別是阿爾茨海默氏病(Alzheimer’s disease，AD)中，經(jīng)常觀察到組蛋白乙?；氖д{(diào)。目前，人們認為HDACs是治療認知功能障礙很有前途的藥物靶點。應用組蛋白去乙?；敢种苿?histone deacetylase inhibitor，HDACi)苯丁酸鈉(4-PBA)治療AD模型小鼠，能顯著改善AD模型小鼠空間學習和記憶能力[4]。HDACiW2(一種新的HDACi)能顯著減少AD模型小鼠腦內(nèi)tau蛋白磷酸化以及β淀粉樣蛋白(Aβ)水平，進而改善AD模型小鼠的記憶能力[5]。其他類似的HDACi經(jīng)實驗研究也證實具有改善空間學習和記憶能力[6-8]，按照這個推理選擇性HDAC5抑制劑也應該具有改善空間學習和記憶的能力。然而，抑制HDAC5的表達不能改善小鼠的認知功能，Agis-Balboa RC等[9]卻發(fā)現(xiàn)HDAC5本身具有鞏固記憶的作用。因此，以后開發(fā)治療AD的藥物應避免抑制HDAC5在腦內(nèi)的表達，而是著眼于如何提高HDAC5的表達。目前，人們還不清楚HDAC5在認知過程中如何發(fā)揮作用，然而探索這方面的作用機制對開發(fā)治療認知功能障礙藥物是十分有益的。人們在應用轉(zhuǎn)錄組和遺傳學技術(shù)尋找與AD有關(guān)聯(lián)的基因過程中，發(fā)現(xiàn)腦內(nèi)的IL-33表達顯著減少，與AD的發(fā)生、發(fā)展密切相關(guān)[10]，而HDAC5本身具有鞏固記憶的作用，兩者是否存在一定的關(guān)聯(lián)，值得我們進一步研究。

2.3 HDAC5與藥物成癮

長期重復濫用精神興奮藥物能夠改變?nèi)说男袨椴е滤幬锍砂a。這些藥物濫用后，大腦神經(jīng)元胞外多巴胺迅速增加，激活多巴胺受體，誘導新的基因轉(zhuǎn)錄，這個過程涉及許多基因轉(zhuǎn)錄調(diào)控機制，其中包括染色質(zhì)調(diào)控機制，如組蛋白修飾和DNA甲基化。Renthal等[11]研究發(fā)現(xiàn)，成年小鼠大腦伏隔核內(nèi)通過轉(zhuǎn)染病毒載體高表達HDAC5，能夠減少它們在可卡因配對室內(nèi)的可卡因偏好；相反HDAC5基因敲除小鼠對可卡因偏好增加。由此可見HDAC5能作為一個制動器來調(diào)節(jié)可卡因偏好。Taniguch等[12]則通過研究闡述了紋狀體神經(jīng)元內(nèi)調(diào)節(jié)HDAC5核定位的信號通路，并推測出HDAC5調(diào)節(jié)可卡因偏好的可能機制。以往的研究顯示HDAC5分子NLS兩側(cè)各有一個磷酸化位點的絲氨酸殘基(S-259和S-498)，這兩個磷酸化位點也是14-3-3伴侶蛋白的特異結(jié)合位點。14-3-3伴侶蛋白通過與磷酸化的HDAC5結(jié)合，活化HDAC5羧基端的NES，活化的NES與核轉(zhuǎn)出蛋白CRM1結(jié)合，激活CRM1受體，引導磷酸化的HDAC5出核[13]。Taniguch等發(fā)現(xiàn)了另一個位于NLS內(nèi)的磷酸化位點絲氨酸殘基S-279。S-279能直接調(diào)節(jié)HDAC5從胞外進入細胞核內(nèi)。實驗結(jié)果顯示，應用S-279磷酸化位點特異性抗體后，HDAC5主要存在于胞漿內(nèi)。而給予可卡因后，S-279磷酸化短暫而快速地減少，原來存在于胞漿的HDAC5迅速減少，伴隨著HDAC5快速流入細胞核。由此，Taniguch等推測可卡因通過誘導S-279去磷酸化促進HDAC5從胞外進入細胞核內(nèi)(見圖2)。HDAC5在細胞核內(nèi)集聚，抑制相應基因的表達，小鼠表現(xiàn)為對可卡因偏好減少，由此推斷HDAC5能作為一個制動器來調(diào)節(jié)可卡因偏好。但這里存在一個問題，既然給予可卡因后HDAC5在細胞核內(nèi)集聚，可以降低可卡因偏好，為何長期重復濫用精神興奮劑藥物會導致藥物成癮？Host等研究發(fā)現(xiàn)腹腔重復注射可卡因10d后，大鼠腦內(nèi)HDAC5 S-259磷酸化顯著增加，伴隨著HDAC5大量流入胞漿，引起相應的基因表達增多[14]。Host等的研究似乎與Renthal等以及Taniguch等的研究相矛盾。West[15]認為早期給予可卡因，腦內(nèi)的穩(wěn)態(tài)細胞為適應急性增加的可卡因，HDAC5去磷酸化，HDAC5快速流入細胞核，抑制相應基因的表達；當長期重復濫用可卡因后，腦內(nèi)細胞穩(wěn)態(tài)被打破，HDAC5磷酸化增加，伴隨著HDAC5大量流入胞漿。我們認為長期重復濫用精神興奮劑藥物后，大腦細胞由原來的穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)入另一適應這些藥物的平衡狀態(tài)，為適應這種新的穩(wěn)態(tài)腦內(nèi)細胞需要表達相應的基因，就需要HDAC5分布在胞漿內(nèi)，因此濫用精神興奮劑藥物導致藥物成癮過程存在其他信號通路，而這些信號通路很有可能與HDAC5有聯(lián)系，目前關(guān)于這方面的報道甚少。由此，在研究抗成癮性藥物時，可以以HDAC5為靶點設計新藥，比如開發(fā)具有特異性誘導HDAC5 磷酸化位點S-279、S-259和S-498去磷酸化，從而促進HDAC5從胞外進入細胞核內(nèi)的藥物。

圖2 可卡因調(diào)節(jié)HDAC5由胞外進入細胞核內(nèi)的信號通路

2.4 HDAC5在神經(jīng)系統(tǒng)中的其他作用

HDAC5在神經(jīng)系統(tǒng)中還存在其他作用，如HDAC5在MCAO大鼠腦缺血-再灌注損傷模型中具有神經(jīng)元保護作用[16]。

3 結(jié)語與展望

綜上所述，HDAC5在調(diào)控神經(jīng)功能方面起到了非常重要的作用，特別是能促進外周神經(jīng)元軸突再生，鞏固記憶，負性調(diào)節(jié)藥物成癮性。因此，可以以HDAC5為靶點設計新藥，促進神經(jīng)元修復，鞏固記憶，戒除藥物成癮。然而，HDAC5在神經(jīng)系統(tǒng)中的一些作用及其機制而不清楚，如HDAC5在認知過程中如何發(fā)揮作用，在藥物成癮過程中的信號通路發(fā)揮什么樣作用等，還有待進一步研究。

[1] Mahlknecht U,Schnittger S,Ottmann O G，et al. Chromosomal organization and localization of the human histone deacetylase 5 gene (HDAC5)[J]. Biochim Biophys Acta，2000 ，1493(3):342-348.

[2] Martin M,Kettmann R,Dequiedt F. Class IIa histone deacetylases:regulating the regulators[J]. Oncogene，2007 ，26(37):5450-5467.

[3] Cho Y,Sloutsky R,Naegle K M，et al. Injury-induced HDAC5 nuclear export is essential for axon regeneration[J]. Cell，2013 ，155(4):894-908.

[4] Ricobaraza A,Cuadrado-Tejedor M,Pérez-Mediavilla A，et al. Phenylbutyrate ameliorates cognitive deficit and reduces tau pathology in an Alzheimer's disease mouse model[J]. Neuropsychopharmacology， 2009，34(7):1721-1732.

[5] Sung Y M,Lee T,Yoon H,DiBattista A M，et al. Mercaptoacetamide-based class II HDAC inhibitor lowers Aβ levels and improves learning and memory in a mouse model of Alzheimer's disease[J]. Exp Neurol，2013 ，239:192-201.

[6] Cuadrado-Tejedor M,Ricobaraza A L,Torrijo R,et al. Phenylbutyrate is a multifaceted drug that exerts neuroprotective effects and reverses the Alzheimer′s disease-like phenotype of a commonly used mouse model[J]. Curr Pharm Des, 2013,19(28):5076-5084.

[7] Govindarajan N,Rao P,Burkhardt S,et al.Reducing HDAC6 ameliorates cognitive deficits in a mouse model for Alzheimer's disease[J].EMBO Mol Med, 2013,5(1):52-63.

[8] Yang W,Chauhan A,Mehta S,et al.Trichostatin A increases the levels of plasma gelsolin and amyloid beta-protein in a transgenic mouse model of Alzheimer's disease[J]. Life Sci，2014 ，99(1-2):31-36.

[9] Agis-Balboa R C,Pavelka Z,Kerimoglu C， et al. Loss of HDAC5 impairs memory function:implications for Alzheimer's disease[J]. J Alzheimers Dis， 2013，33(1):35-44.

[10] 宿曉東，李軍，王國芳，等.IL-33研究進展[J].濟寧醫(yī)學院學報，2012,35(3):215-217,220.

[11] Renthal W,Maze I,Krishnan V ，et al.Histone deacetylase 5 epigenetically controls behavioral adaptations to chronic emotional stimuli[J].Neuron，2007 ，56(3):517-529.

[12] Taniguchi M,Carreira M B,Smith L N,et al. Histone deacetylase 5 limits cocaine reward through cAMP-induced nuclear import[J]. Neuron， 2012，73(1):108-120.

[13] McKinsey T A,Zhang C L,Lu J,et al.Signal-dependent nuclear export of a histone deacetylase regulates muscle differentiation[J]. Nature， 2000 ，408(6808):106-111.

[14] Host L,Dietrich J B,Carouge D,et al.Cocaine self-administration alters the expression of chromatin-remodelling proteins;modulation by histone deacetylase inhibition[J]. J Psychopharmacol， 2011，25(2):222-229.

[15] West A E. Regulated shuttling of the histone deacetylase HDAC5 to the nucleus may put a brake on cocaine addiction[J]. Neuron， 2012 ，73(1):1-3.

[16] 賀敏. 乙?；碛^遺傳調(diào)控分子HDAC4/5在缺血性腦損傷中的作用及機制[D].濟南：山東大學，2012.