·讲座·

　　【摘要】T2DM等代谢性疾病的患病率逐年上升并且出现发病年轻化的趋势，已成为现代社会人类健康的主要威胁，其发病机制之一是机体外周组织特别是骨骼肌组织摄取葡萄糖功能受损引起的骨骼肌IR。最新研究显示，组蛋白去乙酰化酶 (HDAC) 在骨骼肌细胞代谢相关基因转录调控机制中发挥着重要作用，可为治疗代谢性疾病提供潜在药物作用靶点。

　　【关键词】组蛋白去乙酰化酶; 胰岛素抵抗; 骨骼肌代谢相关基因

　　Mechanisms of HDAC on skeletal muscle energy metabolism YIN Miao-miao, NIU Yan-mei, FU Li. Department of Rehabilitation and Sports Medicine, Tianjin Medical University, Tianjin 300070, China

　　Corresponding author：FU Li, E-mail: lifu@tijmu.edu.cn

　　【Summary】 The incidence of T2DM, one of the metabolic diseases, is increasing year by year and getting popular in young people. Insulin resistance (IR) caused by impaired glucose uptake in peripheral tissue especially skeletal muscle tissue is one of crucial mechanisms underlying the pathogenesis of T2DM. Recent studies showed that histone deacetylase (HDAC) plays an important role in regulation of skeletal muscle gene transcription, providing a possible action target in the treatment of metabolic diseases. In this article, we reviewed the effects and the possible mechanisms of HDAC on insulin resistance.

　　【Key words】 Histone deacetylase (HDAC); Insulin resistance (IR); Skeletal muscle metabolism-related genes

　　染色体基因表达在转录水平上受染色体组蛋白乙酰化水平的影响。组蛋白 H3 赖氨酸 9、14 位点 (H3K9/14) 乙酰化促进转录起始，而 H3 赖氨酸 36 位点 (H3K36) 乙酰化促进转录延伸[1]。染色体组蛋白乙酰化程度的调节是由一对功能相互拮抗的蛋白酶—组蛋白乙酰化酶 (HAT) 和组蛋白去乙酰化酶 (HDAC) 共同作用完成。其中，HAT 促进组蛋白乙酰化，发生乙酰化的染色体 DNA 易于解聚，使 DNA 特定序列暴露并与转录因子结合，激活基因转录[2]。HDAC 通过组蛋白 N 端的去乙酰化，使染色质呈致密卷曲的阻抑结构，抑制基因转录[3]。HAT 与 HDAC 的平衡稳定在基因转录调控过程中发挥着重要作用。T2DM等代谢性疾病已成为现代社会人类健康的主要威胁，其发病机制之一是机体外周组织特别是骨骼肌组织摄取葡萄糖功能受损引起的骨骼肌IR。最新研究[4]显示，HDAC 磷酸化可解除对肌细胞增强因子2 (MEF2) 的抑制作用，增强 MEF2 转录活性，促进骨骼肌细胞代谢相关基因的转录，进而影响骨骼肌 IR 的发生和发展。针对 HDAC在骨骼肌细胞代谢相关基因转录调控机制中的作用机制研究，可为治疗代谢性疾病提供潜在药物作用靶点。

　　一、组蛋白及其乙酰化修饰

　　真核生物染色体的基本单位是核小体，由核心颗粒与连接区组成。核心颗粒由 DNA 缠绕组蛋白八聚体 (H2A、H2B、H3、H4 各两分子组成) 而成，连接区由组蛋白 H1 和 DNA 链构成。此结构一方面维持着染色体的稳定性，更重要的是调节其周围基因的表达。最新研究显示，染色体组蛋白的乙酰化/去乙酰化调节在真核生物基因转录调控中发挥着重要作用，它通过影响组蛋白与 DNA 的亲和性而改变染色质的状态，进而影响转录因子与 DNA 特定序列的结合[5]。乙酰化修饰位点在组蛋白 N 端赖氨酸残基上，由 HAT 和 HDAC 动态调控。在 HAT 作用下，乙酰辅酶 A 上的乙酰基被转移到组蛋白 N 端赖氨酸的 ε-氨基上，中和它所带的正电荷，降低组蛋白与 DNA 的亲和性，使染色体处于开放状态，有利于转录因子与 DNA 特定序列结合，激活基因转录[6]。相反，HDAC 使去乙酰化后带正电的组蛋白与带负电的 DNA 磷酸盐骨架紧密结合，染色质呈致密卷曲的阻抑结构，阻碍转录因子与之结合，基因转录受到抑制[7]。

　　二、HDAC

　　1. HDAC 的分类

　　到目前为止，在哺乳动物体内共发现 18 种 HDAC，根据与酵母菌 HADC 的同源性可分为四大类 (图1)。Ⅰ类 HDAC 与酵母菌 Rpd3 蛋白相似，包括 HDAC1、HDAC2、HDAC3、HDAC8，主要位于细胞核，调控组蛋白乙酰化修饰。Ⅱ类 HDAC 与酵母菌 Had1 蛋白相似，分为ⅡA和ⅡB 亚型。ⅡA 型 HDAC 是转录共遏制因子，包括 HDAC4、HDAC5、HDAC7、HDAC9，ⅡB 型 HDAC 包括 HDAC6、HDAC10。Ⅱ类 HDAC 主要位于细胞质，能够自由穿梭于细胞核和细胞质之间，调控组蛋白及非组蛋白的乙酰化修饰。Ⅲ类 HDAC 与酵母菌转录抑制因子 Sirt2 序列相近，需要 NAD+ 作为辅助因子催化去乙酰化。Ⅲ类 HDAC 包括7个亚型 (Sirt1-7)，与细胞衰老和能量代谢的调节相关。HDAC11 包含Ⅰ型、Ⅱ型 HDAC 的催化位点，但又不完全同源，因此没有足够的一致性归于其中一型，目前单列为 Ⅳ类 HDAC。

　　 2. HDAC 的功能

　　HDAC 在基因转录中起重要作用。Ⅰ类 HDAC 中的 HDAC1 结合成肌分化抗原 MyoD 基因可抑制成肌细胞增生;HDAC1 和 HDAC2 在活体中与其他因子形成蛋白复合物调控癌细胞增生;HDAC3 可调节 TFⅡ-Ⅰ等转录因子并可抑制多种核受体。Ⅱ类 HDAC 中的 HDAC4 主要调节肌细胞分化[8];在细胞内 HDAC5 可与钙调蛋白反应抑制 MEF2 活性; HDAC7 能调控胸腺中 T 细胞的分化[9]。Ⅲ类 HDAC 中的 Sirt1 通过使底物发生去乙酰化作用参与 DNA 修复、细胞凋亡、细胞分化、内分泌信号通路和衰老等生命过程的调节[10]。

　　三、Ⅱ类 HDAC 在骨骼肌细胞代谢相关基因转录调控中的作用机制

　　骨骼肌是机体能量代谢的重要组织，人体内由胰岛素介导的葡萄糖转运和利用大约 80%是由骨骼肌所完成。骨骼肌细胞代谢相关基因转录的增强可改善机体糖、脂代谢，增强机体组织对胰岛素的敏感性，从而预防代谢性疾病的发生。本文重点探讨Ⅱ类 HDAC 与骨骼肌细胞代谢相关基因的转录调控关系。

　　1. 磷酸化依赖性的 HDAC 出核转运机制

　　Ⅱ类 HDAC 具有抑制 MEF2 的作用[4]。MEF2 是一种细胞核转录调控因子，在氧化型组织主要是骨骼肌组织中高度表达，许多代谢相关基因含有与 MEF2 增强子区域结合的保守序列，因此被认为是骨骼肌组织氧化代谢的主要调节因子[11]。基础状态下Ⅱ类 HDAC 与 MEF2 结合，并在 MEF2 所靶向的目标基因上形成复合物，抑制 MEF2的转录活性[12]。在人类骨骼肌细胞 HDAC4 和 HDAC5 表达丰度较高，最新研究[13]结果证实， HDAC4 和 HDAC5 以二聚体形式存在影响着细胞 HDAC 对 MEF2 的抑制功能及细胞对不同信号通路的敏感性。利用基因敲除技术同时敲除 HDAC4和 HDAC5 时，骨骼肌Ⅰ型 (氧化型) 纤维比例增加 50%，而 HDAC5 在心肌细胞过表达则引起细胞能量代谢相关基因如过氧化物酶体增殖物受体γ配体1α (PGC-1α)、肉碱棕榈酰转移酶 1 (CPT1)、六碳糖激酶Ⅱ (HKⅡ)表达显著下降[14]。以上研究结果显示，HDAC4 和 HDAC5 共同调节肌细胞氧化代谢相关基因的表达。由于 HDAC4 和 HDAC5 在细胞代谢相关基因表达调控中的重要性，针对调节 HDAC 在细胞内活性变化的研究日趋受到关注。目前研究认为，调控Ⅱ类 HDAC 主要是由磷酸化依赖性的 HDAC 从细胞核向胞浆转运机制，即当 HDAC5 的 Ser259 和 Ser489 (HDAC4 的 Ser246和 Ser467) 发生磷酸化后，为协同蛋白 14-3-3 提供结合位点，使其能够与 HDAC 结合经 CRM-1 途径通过细胞核膜向胞浆转运，其结果是引起 HDAC 对 MEF2 的抑制作用下降，使得 MEF2 能够更加有效的促进骨骼肌代谢相关基因的转录[15]。氧化应激、ATP 消耗以及细胞内钙通量的增加等因素均可增强 HDAC 的磷酸化水平[11,15]。

　　磷酸化 HDAC 的激酶有：钙-钙调素依赖性蛋白激酶 (CaMKⅠ、Ⅱ、Ⅳ)、蛋白激酶 D (PKD)、腺苷活化蛋白激酶 (AMPK) 及 AMPK 相关激酶：盐诱导激酶 (SIK1) 和微管亲和力调节激酶 2 (Mark2) [16]。Ⅱ类 HDAC 具有专门对蛋白激酶敏感的核定位序列，其中蛋白激酶 CaMK 与Ⅱ类 HDAC 的核定位序列作用，能引起Ⅱ类 HDAC/MEF2 复合物释放Ⅱ类 HDAC，使 MEF2 的转录活性不被Ⅱ类 HDAC 抑制[16]。进一步研究[17]发现，Ⅱ类 HDAC 拥有2个保守的 CaMK 磷酸化位点 (位于 HDAC4 Ser246 和Ser467、HDAC5 Ser259 和 Ser489、HDAC7 Ser178 和 Ser344以及 HDAC9 Ser218 和 Ser488)，该位点紧邻Ⅱ类 HDAC 的 N 末端核定位序列 (NLS)。CaMK 解除 HDAC5 对 MEF2 的抑制正是依赖于 CaMK 磷酸化 HDAC5 的Ser259 和Ser489 位点。HDAC5 Ser259 和 Ser489 位点变异致 HDAC5 活性丧失，CaMK 将不能激活 HDAC5。PKD 的催化亚基与 CaMK 家族有高度同源性，氧化应激能激活 PKD，引起 HDAC 磷酸化水平增加[16]。

　　AMPK 是细胞能量代谢的感受器，是由 a、b 和 γ 三个亚基组成的异源三聚体，其中 a 为催化亚基，能将 ATP 的高能磷酸转移到靶蛋白上。b 和 γ 组成调节亚基，γ 亚基在调节 AMPK 对 AMP 敏感性上起重要作用。体内存在多种激活 AMPK 的途径：(1)细胞内 AMP/ATP 比例升高;(2)磷酸肌酸与肌酸比例下降;(3)钙调蛋白激酶激酶 (CaMKK) 通过细胞内钙离子浓度升高而激活 AMPK，此过程中并未出现 AMP/ATP 比值的改变;(4)多种代谢性应激状态，如缺氧、缺血和细胞内高渗状态等。体外细胞学研究证实，AMPK 的激活可以使 HDAC5 发生磷酸化，且当 HDAC5 Ser259 和 Ser489 发生变异时这一效应即被阻断，提示 AMPK 和 HDAC5 在细胞内存在着某种功能联系[12]。McGee 等[12]使用 AMPK 激动剂 5-氨基咪唑-4 甲酰胺核糖核苷酸 (AICAR) 处理原代培养的人体肌管细胞发现 HDAC5 发生出核转运，这在 AICAR 处理人体肌管细胞的染色质免疫共沉淀实验中同样得到证实。以上研究显示 AMPK 是 HDAC5 激酶。由于 HDAC4 与 HDAC5 在 Ser259 和 Ser489 上的高度保守性，因此推测 AMPK 同样也是 HDAC4 激酶[12]。

　　2. 泛素-蛋白酶体系统介导的 HDAC 降解机制

　　目前研究证实调控骨骼肌细胞代谢相关基因转录的另一机制是泛素-蛋白酶体系统介导的 HDAC 降解途径。此过程由 E3 泛素连接酶介导将泛素肽连接到 HDAC，然后通过蛋白酶体降解 HDAC，这种机制主要发生在Ⅰ型慢肌纤维细胞，并在决定肌纤维类型中起重要作用。研究[15]证实 HDAC4 和 HDAC5 都能进行泛素化，并且通过蛋白酶体降解。然而，蛋白酶体降解 HDAC 的介质和相关的 E3 泛素连接酶目前还不清楚。McGee 等[14]通过对过表达 HDAC5 的 C2C12 成肌细胞的研究发现热休克蛋白 70 (HSP70) 是 HDAC5 的相互作用蛋白。HSP70 是多功能伴侣蛋白，通过 C 末端相互作用蛋白 (CHIP) 连接到蛋白酶体，其中 CUIP 是 E3 泛素连接酶[14]。研究[14]发现糖尿病患者 HSP70 含量降低。这与 HSP70 表达降低引起 HDAC 出核转运减少、代谢相关基因表达下降一致。(图2)

　　　三、HDAC 抑制剂

　　HDAC 抑制剂 (HDACi) 是一组从生物体内提取或化学合成的化合物，其功能主要是通过改变组蛋白的乙酰化程度来改变染色质结构，抑制 HDAC 活性，调节组蛋白与非组蛋白乙酰化水平，解除低乙酰化对基因转录的抑制，使异常沉默的基因得以重新表达，实现对疾病的治疗。已有研究[18-19]证实 HDACi 有抗肿瘤作用，在体内和体外均可诱导肿瘤细胞的生长阻滞、促进细胞分化和凋亡，从而达到治疗肿瘤的目的，已被作为新的靶向抗癌药。由于 HDAC 在机体组织细胞基因转录调控过程中的普遍抑制作用，近年来国内外开始研发 HDACi 用于改善骨骼肌细胞代谢以治疗代谢性疾病。使用 HDACi 处理原代培养的人体肌管细胞后发现细胞 GLUT4 和 PGC-1α 表达增加，细胞代谢增强[20]。另有研究[14]发现，经 HDACi 处理的 L6 肌管细胞基础葡萄糖转运和由胰岛素刺激引起的葡萄糖转运均增加。这一发现提示 HDACi 可能在治疗 IR、肥胖、T2DM 等代谢性疾病的方面具有重要意义。

　　四、总结展望

　　HDAC 是一类作用于染色体组蛋白、抑制细胞核内MEF2 调节活性、调控骨骼肌细胞代谢相关基因转录、对IR的发生和发展起着关键作用的去乙酰化酶。HDACi 通过抑制 HDAC 的活性、影响骨骼肌细胞代谢相关基因表达，改善骨骼肌 IR。随着对 HDAC 在代谢相关基因转录调控中作用机制认识的不断深入，必将为揭示 T2DM 等代谢相关疾病的发生、发展提供重要的理论依据，而 HDACi 作为治疗代谢性疾病药物也将具有广阔的应用前景。