全 文 ：生命科学
Chinese Bulletin of Life Sciences
第 18卷 第 1期
2006年 2月
Vol. 18, No.1
Feb., 2006
组蛋白去乙酰化酶抑制剂(HDAIs)对异染色质的作用
张　伟1*, 明镇寰2
(1温州医学院医学部，温州 325035；2浙江大学生命科学学院，杭州 310012)
摘　要：组蛋白乙酰化和去乙酰化可调节染色体的多种功能，例如基因表达和染色体分离等。研究发
现，组蛋白去乙酰化酶抑制剂(histone deacetylase inhibitors, HDACIs)可诱导分化、生长阻断和肿瘤细
胞凋亡，目前 HDACIs 正作为抗肿瘤药物进行临床试验，在肿瘤治疗中显示出具有较好的应用前景。
然而，人们对于HDACIs在生物体内是如何发挥作用以及不同类型细胞为何会有不同的应答途径却关注
甚少。本综述通过讨论 HDACIs对周期和非周期细胞中组蛋白去乙酰化酶的抑制结果，来阐明组蛋白
乙酰化模式的动力学特征，特别是对基因组异染色质的作用。
关键词：组蛋白乙酰化和去乙酰化；HD A C Is；异染色质；有丝分裂
中图分类号：Q 7 4　　文献标识码：A
The effects of histone deacetylase inhibitors on heterochromatin
ZHANG Wei1*, MING Zhen-Huan2
(1 Wenzhou Medical College, Wenzhou 325035, China; 2 School of Life Sciences, Zhejiang University,
Hangzhou 310012, China)
Abstract: Histone acetylation and deacetylation can regulate many chromosome functions, such as gene
expression and chromosome segregation. Histone deacetylase inhibitors(HDACIs)induce growth arrest, differ-
entiation and apoptosis of cancer cells, and are now undergoing clinical trials as anti-tumor agents and display
attractive prospect in cancer therapy. However, little attention has been paid to how HDACIs function in these
biological settings and why different cells respond in different ways. In this review, we discussed the
consequences of inhibiting histone deacetylases in cycling versus non-cycling cells, in light of the dynamics
of histone acetylation patterns with a specific emphasis on heterochromatic regions of the genome.
Key words: histone acetylation and deacetylation；HDACIs；heterochromatin；mitosis
文章编号 ：1004-0374(2006)01-0080-04
收稿日期：2005-07-07；修回日期：2005-09-02
作者简介：张 伟（1 9 7 6 —），男，讲师，* 通讯作者；明镇寰（1 9 4 4 —），男，教授。
1　概述
众所周知，组蛋白乙酰化、磷酸化、甲基化
和泛素化等修饰可影响染色质结构和基因功能，这
些修饰会使染色质结合蛋白产生协同或排斥作
用[1]。研究最多的修饰方式是核心组蛋白中赖氨酸
的乙酰化和去乙酰化，它们受组蛋白乙酰转移酶
(histone acetylase, HATs)和组蛋白去乙酰化酶(histone
deacetylase, HDACs)的协调修饰调节。通过对多种
肿瘤细胞中HATs和HDACs的结构和表达水平变化
的研究已证实，组蛋白乙酰化和去乙酰化在细胞增
殖、生长中具有重要功能。研究发现，HDAC抑
制剂(histone deacetylase inhibitors, HDACIs)能引起细
胞周期阻断和细胞凋亡基因的激活，具有潜在的抗
肿瘤功能。目前有多种HDAC抑制剂已被作为抗癌
剂进行临床试验研究 [2]，并取得了令人鼓舞的效
果。HDACIs是如何在体内发挥作用的呢？人们最
初提出的一种模型认为：HDACIs可介导常染色质
基因启动子部位染色质结构变化，从而激活控制细
8 1第1期 张　伟，等：组蛋白去乙酰化酶抑制剂(HDAIs)对异染色质的作用
胞周期转换、生长或凋亡的一组基因。然而，对
转录复合体的分析表明仅有少量基因(2％~5%)受其
影响[3]，由此人们推测，非组蛋白或非常染色质也
可能是 HDACIs作用的靶向目标[2,4]。近期研究发
现，组成性异染色质(哺乳动物基因组中卫星重复
序列位点)的组蛋白乙酰化状态对于染色体分离是十
分重要的，臂间异染色质上的组蛋白也存在着显著
的低水平乙酰化修饰[5]。
研究发现，HDACls不仅会影响裂殖酵母、小
鼠和人转化细胞的臂间异染色质结构，而且会导致
有丝分裂过程中染色体的分离产生缺陷[6~7]。用低剂
量HDACIs对小鼠增殖细胞持续处理几天后，细胞
中臂间异染色质会在核外周进行重新定位，而且异
染色质蛋白 1(HP1)的浓度也会降低；但用组蛋白去
乙酰化酶抑制剂 trichostatin A(TSA)短时间或高剂量
处理非增殖细胞时，却没有观察到类似的影响[8]。
2　HDACs和HDACIs
HDACs 能水解乙酰化赖氨酸，使其脱乙酰
基，恢复所带的正电荷，因此与带负电荷的 DNA
紧密结合，抑制基因转录，组蛋白低乙酰化常使染
色质失去转录活性。哺乳动物HDACs的分类是根据
酵母中三类不同HDACs的结构同源性而进行划分
的[9]，它们分别是：还原性钾依赖蛋白 3(Rpd3,Ⅰ
类)、组蛋白去乙酰化酶 1(Hda1,Ⅱ类)和沉默信息调
节蛋白 2(Sir2)/Sir2同系物(Hst, Ⅲ类)。Ⅲ类HDACs
介导的酶促反应机制需要辅酶NAD+，而且实验表
明，此类HDACs几乎不受HDACIs的影响，所以
目前对HDACs的研究主要集中于第Ⅰ类和第Ⅱ类。
目前所知的 HDACIs 中最有效的就是 TSA，
TSA属于羟氨酸类，在体外，纳摩尔(nmol)浓度的
TSA就具有较高活性，而且研究发现TSA对所有作
用的 HDAC 都具有相似的 K i。除了 t rapoxin和
dupudesin是通过共价键结合而不可逆地抑制酶活性
外，其他所有已知的 HDACIs的作用都是可逆的。
此外，研究证实，HDACs对不同 HDACIs的作用
敏感性存在差异[10]。因此，不同HDACIs的作用方
式或途径也可能是不同的。
3　组蛋白的动力学特征和染色质修饰
染色质上的组蛋白至少可以通过两种方式被修
饰：( 1 )以核小体形式对组蛋白进行的原位修饰；
(2)在结合形成染色质前或结合过程中对可溶性形式
的组蛋白进行的修饰。对于HDACIs(如 TSA)的作
用，需要综合考虑到这两种修饰方式：首先，染
色质位点上的乙酰化状态取决于存在核小体上的
HATs和HDACs的协调作用，这个过程不依赖于复
制和细胞增殖状态的局部调节，研究发现，用 TSA
抑制去乙酰化酶对稳定核外周常染色质区域组蛋白
H4的乙酰化状态有很高的效率，但对异染色质区域
却没有影响[2]; 其次，还要考虑到游离组蛋白的从头
修饰途径，这个过程可能依赖复制和细胞的增殖状
态。DNA复制后，子代DNA被快速包装成核小体
结构，其中含有的组蛋白是由亲代和新合成的组蛋
白构成的混合体，大量新合成的组蛋白H4受胞质
HAT的催化在 Lys5和 Lys12位点乙酰化，并以这
种形式与DNA结合形成新的染色质[2]。在 S期的末
期，Lys5和 Lys12位点上的乙酰基在异染色质区域
快速丢失，这是由存在染色质组装位点的HDAC催
化造成的，而 HDAC可被 TSA所抑制，这种抑制
作用可维持新加入的组蛋白的乙酰化状态。因此，
在TSA存在时，每一次复制都会对非乙酰化亲代组
蛋白进行双倍稀释。此外，人们还发现了组蛋白乙
酰化的另一种方式，即通过组蛋白交换进行的组蛋
白乙酰化。Kamakaka和 Biggins[11]利用在整个细胞
周期都表达的组蛋白变体H3.3取替仅在S期结合的
复制型组蛋白变体H3.1的实验表明，乙酰化组蛋白
结合到染色质上也可能发生在 S期之外，即组蛋白
结合成染色质前可能已经被乙酰化了。此外研究还
显示，H3.3富含与转录活性相关的修饰，如乙酰
化修饰[12]，这也为染色质修饰模式的转换提供了另
一个途径。
4　HDACIs对臂间异染色质的作用
一旦利用TSA处理，在核外周就会出现一个与
异染色质显著不同的组蛋白超乙酰化的区域。不同
浓度TSA所引发的快速应答可造成多种类型细胞的
组蛋白H3和H4在核外周部位乙酰化水平的增强，
这些细胞包括初级纤维原细胞、HT1080纤维肉瘤
细胞、人HeLa细胞、小鼠 L929细胞等[8,13]。虽然
这些作用效果相似，但确切的机制还有待进一步研
究。值得一提的是，组成性异染色质区域即后复制
区域和HP1富集区并不包含在超乙酰化区域内，这
表明，短暂的TSA处理不能使任何形式的乙酰化组
蛋白H4都稳定，绝大多数HATs也不能正常地接近
异染色质区域。
然而，TSA能影响臂间异染色质区域的组蛋白
乙酰化，低剂量TSA处理HeLa细胞或L929小鼠细
胞几个细胞周期后，可观察到这个现象。事实上，
当TSA存在一个细胞周期时是不足以检测到对异染
色质标记物，如HP1或着丝点定位的影响[7]。但经
8 2 生命科学 第18卷
过两到三个细胞周期后，就会观察到着丝粒区域的
组蛋白乙酰化的水平升高[14]、HP1散开、着丝粒重
新定位和外周异染色质高度有序的结构不稳定等
影响。
异染色质对低剂量TSA处理的逐级应答可通过
异染色质DNA复制期组蛋白H4乙酰化的不同动力
学特征加以阐释，在异染色质复制期TSA可稳定新
合成的组蛋白H4的二乙酰化形式，并在原位结合
成核小体[13]。但需注意的是，在第一次复制循环
后，经 TSA的处理，异染色质中仅有一半的H4组
蛋白被二乙酰化，这是因为子代核小体组蛋白是分
别来自亲代和新合成组蛋白构成的混合体，目前对
复制后期靶向结合在异染色质上的HDAC的特性还
不清楚。研究表明，小鼠mSds3(mSin3/HDAC协
同抑制蛋白复合体的重要组分)的失活会导致早期小
鼠胚胎纤维原细胞臂间特异异染色质修饰和HP1蛋
白结合的改变，以及微核和细胞周期异常的发
生 [ 1 5 ]。
由此可见，亲代组蛋白浓度的稀释对臂间异染
色质区域的核结构产生了重要影响。高浓度
HDACIs可通过诱导增殖细胞的快速细胞周期阻断来
阻止此事件的发生，但在非增殖细胞中却没有观察
到[2 ,8]。相同的现象在裂殖酵母中也有报道[7]，经
TSA处理几个细胞周期后，便可观察到对染色体分
离和着丝粒区域HP1同源物 Swi6的定位产生作用。
当用高剂量的TSA处理人肺二倍体纤维原细胞，很
快就可以观察到缺陷有丝分裂的发生，但在这种情
况下，细胞会受阻于有丝分裂期，可能由于检验点
活化而无法继续进行后继的细胞分裂过程[16]。
除了上述HDACIs对组成性异染色质，如着丝
粒区域的影响外，认识HDACIs对特殊异染色质(如
雌性哺乳动物 X染色体)的作用也十分重要。对于
HDACI处理雌性小鼠胚胎干细胞所产生的影响很难
进行解释，因为X染色体以活性形式存在可能是由
于分化的缺陷，G1期的阻断或处理后造成细胞死
亡[17]。而用TSA处理已分化的小鼠胚胎干细胞并没
有发现与失活X偶联的绿色荧光蛋白(GFP)报道基因
有任何影响，虽然有报道称，当 TSA与DNA甲基
转移酶抑制剂 5-azadC和Xist(X染色体编码的一个
RNA，在其失活中起关键作用)的去除相结合具有
协同作用[18]，这表明不同类型异染色体对TSA的应
答可能存在差异。
5　HDACIs作为抗肿瘤药物
HDACI处理周期和非周期细胞所产生的不同应
答是人们较为感兴趣的现象，因为它们可作为一类
新型而有广泛应用前途的化学治疗药物，并且目前
已用于早期的临床试验。不同类型细胞对不同浓度
HDACIs的应答也是有差异的[7]。研究显示，包括
TSA在内的几种抑制剂可导致细胞周期阻断，在高
剂量时还可造成细胞的死亡[19]。HDACIs对发育个
体的HDACs的抑制作用可能依赖于其自身的发育阶
段，对海星和非洲爪蟾的发育研究表明，其早期原
肠胚形成阶段是特别敏感的时期[20]，而此阶段正好
与细胞周期转换和检验点相对应。因此，除了细胞
的增殖状态外，还存在其他一些因素决定个体对
HDACIs敏感性。
高剂量HDACIs具有肿瘤选择细胞毒性的原因
之一可能是破坏了两个细胞周期检验点[2]，第一个
是G2期检验点，即在G2期没有正常完成的情况下，
此检验点也容许细胞进入异常有丝分裂。用TSA处
理后，通过异常G2期的细胞因存在缺陷的染色质而
死亡，这个检验点是不依赖于无序毛细管扩张变异
(ATM)DNA损伤检验点的，而与 p38促分裂原活化
蛋白激酶(MAPK)检验点(此检验点也可被拓扑异构酶
Ⅱ抑制剂引发)有关[21]。第二个检验点是有丝分裂纺
锤体检验点，正常情况下此检测点可检测出异常有
丝分裂，阻止其继续进行，直到缺陷被矫正。两个
检验点的破坏导致细胞异常有丝分裂的过早结束，
随后发生细胞凋亡。近期有报道称，在特异类型白
血病中，HDACIs敏感性是所有转化细胞的一个特
性，而且受到特殊死亡途径的介导，此途径含有肿
瘤坏死因子相关的诱导凋亡的配体(TRAIL)[22~23]。
对TRAIL对HDACIs应答的肿瘤选择机制以及这些
药物在其他肿瘤细胞中是如何发挥作用的还需要进
一步研究。HDACIs起始成神经细胞瘤中依赖caspase
的细胞死亡途径是受Ku70(一种参与DNA修复的自
抗原)乙酰化介导的，造成线粒体中心凋亡反应的
激活[24]。这表明,在不同细胞类型中HDACI诱导细
胞死亡的机制可能有所不同。从临床角度上来看，
建立可预见的信号标记，以确定哪些肿瘤对特异药
物有应答来优化药物使用是至关重要的，在这方
面，最为显著的标记物就是肿瘤细胞染色质的乙酰
化状态。
HDACIs对肿瘤细胞的选择性可能与染色质总
体修饰相关，而这些修饰与癌基因的转化是相关
的。近期有报道认为，肿瘤细胞在组蛋白 H 4 的
Lys16上单个乙酰化及 Lys20上三甲基的全部丢失
主要与重复序列，如外周异染色质重复序列相关
8 3第1期 张　伟，等：组蛋白去乙酰化酶抑制剂(HDAIs)对异染色质的作用
联[25]。染色质结构的总体变化可使得基因组的某些
功能对HDACIs更为敏感，反过来又会影响关键基
因的活化和异染色质的完整性。Taddei等[2]推测有
丝分裂机制或基因组监控机制，如DNA损伤或检验
点，可能会监控细胞的异染色质状态，当异染色质
状态发生改变时，这个机制就使得细胞进入有丝分
裂死亡或其他类型的细胞死亡。
6　总结与展望
本文所关注的是HDACIs对非转录目标可能具
有的作用，对利用HDACIs处理这些靶目标所导致
细胞死亡的多种机制进行综述。HDACIs处理肿瘤
细胞的结果依赖于肿瘤细胞本身，包括遗传性和外
成性的变化，外成控制包括组蛋白修饰和DNA甲基
化，这些外部标记在分化过程中被建立起来，但有
些会在细胞转化过程中丢失，这也许正是非分化细
胞和转化细胞对HDACIs特异敏感的原因所在。
尽管目前人们对HDACI的抗肿瘤作用机理有了
初步认识，并进行了一些临床试验研究，但对其抗
肿瘤作用的确切机制的了解还远远不够，相信随着
肿瘤学研究的不断深入，以及更多HDACIs的不断
发现及其机理的深入认识，HDACIs作为抗肿瘤药
物一定会有广泛的应用前景。
[参　考　文　献]
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