LSD1與細胞自噬的研究進展

蔣專 丁杰 張忠民 劉振華 吳明 樊斐 曾家興 周金海 劉航

(貴州醫(yī)科大學(xué)，貴州 貴陽 550000)

細胞自噬即細胞的自我吞噬，廣泛存在于真核細胞中，細胞通過對受損細胞器及衰老蛋白質(zhì)等細胞成分進行降解再循環(huán)利用來維持細胞自身穩(wěn)態(tài)的過程〔1〕。處于細胞基礎(chǔ)水平的自噬具有保護功能，可維持細胞的穩(wěn)態(tài)，而細胞在氧化應(yīng)激、缺氧、DNA損傷或者饑餓等環(huán)境下可誘導(dǎo)細胞產(chǎn)生自噬。鑒于其在維持細胞穩(wěn)態(tài)、應(yīng)激反應(yīng)和功能的作用，因此，自噬需要嚴格調(diào)控就顯得不足為奇了〔2〕。通常，細胞自噬主要有以下3種形式：微自噬、巨自噬和分子伴侶介導(dǎo)的自噬(CMA)。

自噬過程的調(diào)節(jié)主要取決于能量和營養(yǎng)傳感器的活動，自噬的調(diào)控機制十分復(fù)雜，隨著越來越深入的研究，已發(fā)現(xiàn)調(diào)控自噬的信號通路也越來越多，其中最主要的通路是哺乳動物雷帕霉素復(fù)合物(mTOR)通路和非mTOR依賴通路。在創(chuàng)傷、饑餓及感染等應(yīng)激條件下，不同信號調(diào)節(jié)通路可能通過激活或抑制自噬來維持細胞內(nèi)環(huán)境的穩(wěn)定。近幾年，大量轉(zhuǎn)錄因子已經(jīng)被證實與自噬的調(diào)控相關(guān)，轉(zhuǎn)錄因子在細胞自噬過程中扮演了重要的角色，并且可以應(yīng)對各種壓力〔3〕，其中，在自噬-溶酶體途徑中，轉(zhuǎn)錄因子(TF)EB是自噬-溶酶體途徑的主要調(diào)控蛋白〔4〕，其余轉(zhuǎn)錄因子例如叉頭蛋白轉(zhuǎn)錄因子(FoxO)家族成員〔5〕、腫瘤蛋白p53〔6〕等均被證實參與了細胞自噬的調(diào)控。

全基因組學(xué)研究表明，自噬包含一個復(fù)雜的表觀遺傳過程〔7〕。轉(zhuǎn)錄和表觀遺傳的調(diào)控已經(jīng)成為調(diào)節(jié)細胞自噬關(guān)鍵過程之一，自噬的誘導(dǎo)與組蛋白H4賴氨酸(H4K)16脫乙?；桶殡S賴氨酸乙酰轉(zhuǎn)移酶(KAT)8組蛋白乙?；D(zhuǎn)移酶的下調(diào)有關(guān)〔8〕。重要的是，H4K16乙?；癄顟B(tài)似乎參與自噬生存或死亡決定，因為H4K16ac在自噬過程中的下調(diào)受到KAT8的過表達或其對應(yīng)物沉默信息調(diào)節(jié)因子2相關(guān)酶(SIRT)1脫乙酰酶的抑制，增加自噬潮并促進細胞凋亡。與H4K16的去乙?；嗨疲允烧T導(dǎo)時，在哺乳動物細胞和酵母細胞中觀察到量化組蛋白H3賴氨酸4的三甲基化(H3K4me3)的表達減少，根據(jù)這些組蛋白標(biāo)記之間建立的分子聯(lián)系，應(yīng)答的調(diào)節(jié)因子還沒有被揭示〔8〕。通過穩(wěn)定組蛋白H3精氨酸(H3R)17甲基轉(zhuǎn)移酶組蛋白精氨酸甲基轉(zhuǎn)移酶(CARM)1、H2B單泛素化(H2Bub1)在饑餓期間下調(diào)，葡萄糖水平下降增加了與轉(zhuǎn)錄激活相關(guān)的全基因組H3R17二甲基化，H2Bub1的減少導(dǎo)致自噬激活，去泛素特異性蛋白酶(USP)44可能是饑餓誘導(dǎo)的H2Bub1減少的原因〔9〕。在酵母中，雷帕霉素(一種已建立的TOR/mTOR抑制劑)的處理伴隨著H3K56ac殘基的減少。實際上，關(guān)鍵組蛋白修飾因子如KAT8和組蛋白精氨酸甲基轉(zhuǎn)移酶(CARM)1的蛋白質(zhì)水平的變化發(fā)生在自噬過程中，據(jù)報道，組蛋白修飾在長期且積極的參與了細胞自噬的調(diào)控，通過自噬相關(guān)基因(ATG)的轉(zhuǎn)錄調(diào)控，驅(qū)動調(diào)節(jié)反饋環(huán)，有助于控制自噬潮，對代謝方向和細胞命運的決定起著重要作用〔10〕。

賴氨酸特異性去甲基酶(LSD)1，是第一個鑒定出來的組蛋白去甲基化酶，在胚胎發(fā)育、上皮間質(zhì)轉(zhuǎn)化、細胞分化及腫瘤的增殖和侵襲轉(zhuǎn)移過程中都發(fā)揮了極為重要作用。LSD1在人類許多惡性腫瘤中高表達，如乳腺癌、肺癌、肝癌、結(jié)直腸癌和卵巢癌等，并且最近已成為抗癌藥物研究的新的熱點靶標(biāo)。LSD1能通過多種途徑調(diào)控腫瘤的發(fā)生、發(fā)展，研究證實，可以發(fā)生甲基化的組蛋白賴氨酸主要包括：H3K4、H3K9、H3K27、H3K36、H3K79 和 H4K20，其中 H3K4、H3K36 和 H3K79 的甲基化通常與基因轉(zhuǎn)錄激活有關(guān)，而 H3K9、H3K27、H4K20 則主要促進基因轉(zhuǎn)錄抑制〔11〕。LSD1 可以特異性地去除組蛋白H3K4、H3K9 的二甲基化和一甲基化修飾，調(diào)控靶基因的表達。研究發(fā)現(xiàn)LSD1通過多種機制參與自噬的調(diào)節(jié)，本文就LSD1與自噬研究進展作一綜述。

1 LSD1通過自噬相關(guān)16樣蛋白(ATG16L)1甲基化途徑調(diào)節(jié)心肌細胞凋亡

ATG翻譯后修飾是調(diào)節(jié)自噬所必需的過程，在哺乳動物中，自噬的調(diào)控至少由數(shù)十種ATG蛋白質(zhì)介導(dǎo)；其中，ATG16L1在先天免疫反應(yīng)和抗細胞內(nèi)病原體中，能特異性地參與細胞自噬的過程及破壞病原體蛋白，是參與細胞自噬的重要蛋白，而且，它還參與了自噬小體的形成〔12〕；含SET域蛋白(SETD)7是一種含有催化結(jié)構(gòu)域——SET結(jié)構(gòu)域的組蛋白賴氨酸甲基轉(zhuǎn)移酶，通常能夠以甲硫氨酸為底物，使組蛋白H3K4甲基化，從而應(yīng)對各種細胞應(yīng)激的新型調(diào)節(jié)機制，SETD7可以甲基化p53 K369基因從而調(diào)控p53的乙?；?，其次，SETD7還能通過增加基因的啟動子區(qū)組蛋白的H3K4水平激活轉(zhuǎn)錄；然而，SETD7介導(dǎo)的甲基化對ATG蛋白的作用及相應(yīng)的機制尚未完全闡明〔13〕。

Song等〔14〕研究發(fā)現(xiàn)ATG16L1在缺氧/復(fù)氧(H/R)處理的心肌細胞中的活性受甲基化和磷酸化的調(diào)節(jié)，心肌細胞H/R能降低ATG16L1的SETD7表達和賴氨酸甲基化，同時增加心肌細胞中LSD1的表達水平，SETD7介導(dǎo)的ATG16L1的賴氨酸甲基化是抑制自噬的重要因素；SETD7在體內(nèi)和體外在K151甲基化ATG16L1，并且SETD7的特異性抑制劑阻斷ATG16L1甲基化，而已死亡的突變體不能甲基化ATG16L1，LSD1能夠除去K151處的ATG16L1甲基標(biāo)記，心肌細胞在經(jīng)受H/R時，由于SETD7在K151處預(yù)甲基化的ATG16L1被酪蛋白激酶(CSNK)2低效磷酸化，促使具有發(fā)卡核糖核酸(shRNA)敲除SETD7的心肌細胞或通過抑制劑抑制SETD7增加細胞的自噬和減少的細胞凋亡。相反，CSNK2在S139預(yù)磷酸化的ATG16L1也是SETD7的反應(yīng)底物，表明賴氨酸甲基化與ATG16L1的磷酸化之間存在一定聯(lián)系。這些數(shù)據(jù)支持ATG16L1蛋白翻譯后加工修飾(PTM)在H/R期間有效影響心肌細胞凋亡的觀點。該研究尚不清楚ATG16L1是否可被乙?；揎椉耙阴；欠駮绊懫浼谆⒘姿峄捌涔δ?。然而，PTM在自噬調(diào)節(jié)中的過程發(fā)揮機制和功能可能為自噬相關(guān)疾病治療提供新的靶點，因此，需要更多的研究證明ATG16L1在自噬調(diào)節(jié)中的PTM的作用過程、機制和功能，這可能為自噬與心肌凋亡及其他相關(guān)疾病治療提供新的靶點。

2 LSD1通過應(yīng)激反應(yīng)蛋白(Sesn)2依賴性途徑調(diào)節(jié)神經(jīng)母細胞瘤的自噬

自噬與腫瘤之間的關(guān)系仍存有爭議，自噬在腫瘤發(fā)生和發(fā)展中具有雙重作用。其中，在腫瘤發(fā)生的初始階段，自噬所起到的作用主要是抑制腫瘤發(fā)生，而在腫瘤晚期主要作用則是促進發(fā)展〔15〕。腫瘤形成前期，自噬過程的受阻會導(dǎo)致腫瘤的發(fā)生，而在腫瘤形成后自噬代謝卻更加活躍，可能是通過自噬為代謝活躍的腫瘤組織提供更多的物質(zhì)和能量〔16〕，正因為自噬在對腫瘤細胞生存決定的作用機制，因而，自噬抑制劑已被提出作為腫瘤治療方法之一：Sesn家族在哺乳動物中通常存在Sesn1、Sesn2 和 Sesn3 3種亞型，其中，Sesn2是前白蛋白(PA)26相關(guān)蛋白的Sesn家族的成員，Sesn2 能抑制肥胖誘導(dǎo)的胰島素抵抗和糖尿病的進展，其在調(diào)節(jié)細胞對氧化應(yīng)激的反應(yīng)和細胞DNA修復(fù)中具有重要作用〔17〕。Sesn2轉(zhuǎn)錄受p53的控制，p53激活其表達以響應(yīng)DNA損傷和氧化應(yīng)激〔18〕。 然而，在LSD1受到抑制后，Sesn2表達的激活發(fā)生在SK-N-BE神經(jīng)母細胞瘤(NB)細胞中，其中p53在密碼子135處攜帶錯義突變，將半胱氨酸轉(zhuǎn)化為苯丙氨酸，并且突變的p53不能激活周期蛋白依賴激酶抑制因子(CDKN1A)/p21基因的表達。LSD1可以通過p53依賴性和p53依賴性方式調(diào)節(jié)Sesn2轉(zhuǎn)錄，因為LSD1不與細胞的DNA單獨結(jié)合，需要與DNA相互作用受體結(jié)合〔19〕，是否存在能夠在Sesn2啟動子募集LSD1的DNA結(jié)合因子仍有待進一步確定。

在NB中，LSD1的過表達與細胞侵襲性、分化差和預(yù)后不良相關(guān)〔20〕；LSD1耗竭引發(fā)Sesn2基因啟動子區(qū)染色質(zhì)的結(jié)構(gòu)重塑，誘導(dǎo)Sesn2表達的轉(zhuǎn)錄激活，進而抑制mTORC1活性，導(dǎo)致自噬增強。Feng等〔21〕研究發(fā)現(xiàn)LSD1與Sesn2的啟動子區(qū)相關(guān)蛋白1輕鏈3(LC3)是通過與磷脂酰乙醇胺(PE)綴合而參與自噬的蛋白質(zhì)，形成LC3-Ⅱ，通過滅活mTOR使自噬的激活敏感，mTOR是一種細胞營養(yǎng)和能量主要的傳感器激酶，LC3是常用的自噬小體標(biāo)志物，可以用于細胞自噬水平的評價；在前列腺和卵巢癌細胞中，LSD1抑制LC3-Ⅱ積聚和自噬體形成，如通過mTORC1抑制TFEB的核轉(zhuǎn)位，LC3-Ⅱ的積累和最終自噬體的形成所證明的；Sesn2是LSD1抑制的靶基因，LSD1的抑制觸發(fā)了Sesn2的轉(zhuǎn)錄激活，從而導(dǎo)致mTORC1活性降低，表明LSD1特異性轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)mTORC1級聯(lián)和自噬之間的直接聯(lián)系〔22〕。

3 LSD1通過卵巢癌細胞中的mTOR信號通路負調(diào)節(jié)細胞自噬

TOR最初是于酵母中觀察到的，在酵母中，TOR1和TOR2基因能夠編碼高度同源的Tor1和Tor2兩種蛋白。而在哺乳動物中，也已發(fā)現(xiàn)存在結(jié)構(gòu)和功能保守的TOR，被稱為mTOR；mTOR存在于2種蛋白復(fù)合物中，包括mTORC1和mTORC2，其中，mTORC1主要作用是調(diào)節(jié)細胞生長、凋亡、能量代謝和細胞自噬，mTORC2作用則是參與細胞骨架的重組和細胞存活有關(guān)〔23〕；mTOR信號通路在調(diào)節(jié)自噬中起著至關(guān)重要的作用，并且mTOR在響應(yīng)各種細胞狀況，例如血清饑餓、應(yīng)激刺激和生長因子匱乏時受到抑制〔24〕。

LSD1的過度表達與卵巢癌的侵襲性和預(yù)后不良有關(guān)，然而LSD1過表達與卵巢癌進展相關(guān)的分子機制仍然未知〔25〕。有研究表明，LSD1過表達在婦科惡性腫瘤中主要通過去甲基化非依賴性方式降低p62蛋白穩(wěn)定性來促進腫瘤發(fā)生和抑制腫瘤細胞的自噬。此外，由LSD1抑制引起的較高p62和自噬潮水平可以減少體內(nèi)腫瘤生長，表明LSD1是腫瘤中自噬的重要調(diào)節(jié)因子〔26〕。Wei等〔27〕的研究發(fā)現(xiàn)LSD1敲低能夠誘導(dǎo)卵巢癌細胞HO8910中LC3 Ⅱ蛋白的積累，溶酶體抑制劑治療后，在LSD1耗竭期間觀察到LC3 Ⅱ積累和自噬潮增加，呈現(xiàn)了LSD1敲低介導(dǎo)的LC3 Ⅱ積累參與自噬誘導(dǎo)過程。卵巢癌細胞中LSD1耗竭誘導(dǎo)的自噬依賴于mTOR失活，其特征在于降低p70核糖體蛋白S6激酶(p70S6K)(一種下游效應(yīng)物和mTOR標(biāo)記物)的磷酸化。此外，mTOR激活劑MHY1485復(fù)蘇了p70S6K的磷酸化水平以響應(yīng)LSD1缺陷。該研究首次揭示了敲低或抑制LSD1誘導(dǎo)HO8910卵巢癌細胞中的自噬潮。雖然血清饑餓和TOR可以有效激活自噬，但是LSD1的消耗明顯促進了饑餓和TOR誘導(dǎo)的自噬，證明了LSD1是自噬激活的抑制劑。該研究尚需要通過進一步的研究來闡明饑餓和TOR如何改變LSD1表達的潛在機制，以及揭示可能介導(dǎo)卵巢癌中自噬過程的LSD1依賴性表觀遺傳變化，為卵巢癌提供更為有效的治療方案。

4 LSD1通過調(diào)節(jié)細胞自噬在前列腺癌細胞中發(fā)揮重要作用

前列腺癌是常見惡性腫瘤之一，近年來，雄激素剝奪療法(ADT)一直是前列腺癌的一線治療方法。然而大多數(shù)患者最終都將進展為雄激素不依賴的去勢抵抗型前列腺癌(CRPC)〔28〕。LSD1在前列腺癌中高表達，其抑制劑可作為一種新的、有前景的抗癌策略；N-{(1S)-3-〔3-(反式-2-氨基環(huán)丙基)苯氧基〕-1-(芐基氨基甲?；?丙基}苯甲酰胺(NCL1)，采用體外篩選與蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)相似聚類相結(jié)合的方法，作為一種選擇性的LSD1抑制劑，已經(jīng)報道了NCL1能夠削弱LSD1去甲基化酶的活性并抑制未經(jīng)去勢的前列腺癌中癌細胞的增殖〔29〕。

mTOR的抑制可在營養(yǎng)缺乏期間保護腫瘤細胞免于凋亡〔30〕，一些研究已經(jīng)證實，自噬與前列腺癌細胞對ADT的抗藥性和磷脂酰肌醇-3-激酶(PI3K)/蛋白激酶B(Akt)/mTOR信號傳導(dǎo)的抑制劑有關(guān)〔31〕，亦有研究證實抑制LSD1的活性刺激了去勢抵抗性前列腺癌細胞的自噬。為了證實CRPC中的這種現(xiàn)象，Etani等〔32〕通過使用透射電鏡(TEM)和蛋白質(zhì)印跡(WB)檢測LC3-Ⅱ表達及LysoTracker分析(一種非特異性自噬標(biāo)記物)來檢測人前列腺癌細胞(22Rv1)中的藥物誘導(dǎo)的自噬，該研究發(fā)現(xiàn)CRPC細胞中LSD1高表達，并且可使用NCL1在體外減少細胞增殖來抑制LSD1活性，NCL1對LSD1的抑制導(dǎo)致啟動子區(qū)域中H3K4me2修飾的增加并誘導(dǎo)P21蛋白表達的增加。此外，NCL1在體外和離體誘導(dǎo)的細胞死亡的共同機制為胱天蛋白酶依賴性細胞凋亡，CRPC中自噬的刺激通過LSD1保護細胞免受抗腫瘤劑的侵害。此外，當(dāng)與調(diào)節(jié)自噬的藥物組合治療時，NCL1可能更有效地抑制CRPC生長。CRPC患者接受ADT治療時，神經(jīng)內(nèi)分泌分化的出現(xiàn)往往提示預(yù)后不良，并且與化療抵抗性有關(guān)〔33〕。NCL1可能在獲得去勢抗性后的早期階段具有CRPC的治療潛力，包括無疾病狀態(tài)表型。因而，該研究尚需進一步研究以結(jié)合ADT及靶向藥物清楚地測試其治療潛力，有必要使用生物標(biāo)志物幫助選擇患者的前瞻性試驗，以評估CRPC患者的幾種藥物(包括NCL1)治療更新的價值。

綜上，自噬作為一種存在于真核細胞中普遍的生命現(xiàn)象，廣泛參與了許多生理病理過程；目前，LSD1與細胞自噬取得不少成就，圍繞于該方面的研究也越來越多，目前還需要更多研究來揭示LSD1調(diào)控及干預(yù)細胞中的自噬通路和藥物臨床試驗等，提供更多有效臨床依據(jù)，為人類疾病如腫瘤等的治療方案打下堅實基礎(chǔ)。