阿尔茨海默病（Alzheimer’s disease，AD）又称为老年痴呆症，是老年群体中最常见的神经退行性疾病，临床表现为学习记忆功能障碍和行动能力受损等。随着年龄增加，AD的发病率也不断增高，其中85岁及以上群体发病率高达10%~30%。AD典型病理特征是大脑特定区域的淀粉样斑块和神经原纤维缠结。淀粉样蛋白斑块是神经毒性淀粉样蛋白β（amyloid β-protein，Aβ）多肽的细胞外沉积物，可以导致细胞突触功能障碍和神经元死亡。Aβ的沉积还可以引起包括小胶质细胞的激活、血脑屏障的破坏和微循环稳态的失衡等一系列病理改变。神经元纤维缠结的诱因是细胞内Tau蛋白的过度磷酸化，Tau是一种参与微管形成和稳定微管的微管相关蛋白。“斑块”和“缠结”在细胞的氧化应激损伤、能量代谢紊乱和钙稳态异常中起着重要作用，从而增加患AD的风险。
AD是由遗传因素和环境因素共同作用导致的疾病，发病机制复杂，单一的假说并不能全面阐述AD的发病机制，目前缺乏有效的治疗药物可以阻止疾病的发展。与AD发病机制有关的常见假说包括神经元炎症假说、Aβ毒性假说、Tau蛋白假说、胰岛素降解酶假说、自由基损伤假说等，其中研究最多的假说是Tau蛋白过度磷酸化假说和Aβ淀粉样蛋白沉淀假说。随着研究的深入，发现AD的发生是遗传因素和非遗传因素共同导致的结果。在遗传水平上，脂类代谢、氧化应激、免疫调节等相关生物过程中的遗传风险基因与AD的发生有较强关联性，同时这些风险基因又受到环境的影响，比如生活作息、饮食习惯、体育锻炼、教育水平等，从而影响AD的发生发展。
组学技术可以实现对大量AD患者脑组织样本的测序研究，结合生物信息学分析，人们逐渐揭示了AD发生过程中组学层面上的分子调控异常。其中，AD患者的表观遗传学研究发现，AD的发生过程会伴随着表观遗传学的异常调控，包括DNA甲基化、组蛋白修饰等。本文重点讨论组蛋白（去）乙酰化和组蛋白（去）乙酰化酶在AD发生过程中的作用以及其抑制剂作为AD新药靶点的可行性。
组蛋白乙酰化和AD
随着染色质免疫共沉淀-测序（chromatin immunoprecipitation/sequence，ChiP-seq）等技术的进步，组学技术可以用于研究表观遗传调控在AD发生过程中的作用机制。科学家对AD患者脑组织样本测序结果进行分析发现，表观遗传调控机制在疾病进展的早期阶段就已经失调，但尚不清楚这些表观遗传现象是否能够代表该疾病发生的原因还是疾病进程中产生的结果。组蛋白（去）乙酰化异常是最常见的表观遗传调控异常之一。在AD典型的病理机制（如认知功能障碍）中，组蛋白乙酰化异常调控不仅影响了记忆相关基因的表达水平，还会导致许多信号通路的失调，比如细胞分化、细胞凋亡、炎症反应以及血管和神经元重塑等。组蛋白乙酰化的动态平衡由组蛋白去乙酰化酶（histone deacetylases，HDACs）与组蛋白乙酰化酶（histone acetylases，HATs）相互竞争调节所控制。HATs的主要作用是对染色质中核小体的核心组蛋白N端尾部的赖氨酸残基进行可逆性乙酰化修饰，促进DNA双螺旋解开，使染色质结构疏松，有利于转录因子与DNA结合，最终激活基因转录；相反，HDACs通过组蛋白去乙酰化作用，使染色质结构更稳定，抑制基因的转录。如图1。
组蛋白乙酰化酶和AD
根据细胞中的分布情况，HATs家族大致分为两大类：细胞核a型HATs和细胞质b型HATs。a型HATs具有高度保守的基序，即乙酰辅酶a结合位点，其主要作用为对细胞核内组蛋白进行乙酰化修饰，直接影响转录的激活；b型HATs主要对新合成的胞质组蛋白乙酰化，使其能够自由地进入细胞核，进而与DNA结合。a型HATs根据结构同源性主要分成3种亚型：① GNAT家族，包含人类Gnc5、PCAF和延长子复合物蛋白3（ELP3）；② MYST家族，包括Tip60、MOZ/MYST3、MORF/MYST3、MORF/MYST4、HBO1/MYST2和HMOF/MYST1；③ CBP/P300家族，以P300和CBP（CREB结合蛋白）为代表。如表1。
在关于HATs与AD发展的关系研究中，Tip60抑制剂的运用通常被认为是减缓甚至阻止痴呆症进展的有效治疗方法之一。Tip60最初是过筛选与HIV-1反激活因子蛋白Tat的相互作用而被发现，研究发现Tip60的乙酰化酶活性能够调控神经元特异性基因、果蝇的行为和学习记忆相关的基因表达，并且Tip60还参与调控果蝇神经肌肉接点的突触重塑和结构形成。另外，在APP695转基因果蝇模型中，Tip60的乙酰化酶活性缺失能显著增加APP的转录表达，从而诱导神经元凋亡。这些结果表明，Tip60的乙酰化酶活性在神经退行性疾病病理中具有潜在的影响作用。
CBP/P300在神经系统中广泛表达，可介导很多细胞生理活动过程，如细胞分化和凋亡、DNA损伤修复等。CBP/P300可作为乙酰化酶直接参与对核心组蛋白中乙酰基的转移，也可作为转录辅助激活因子与其他转录因子结合发挥激活基因转录的作用。此外，有学者提出抑制CBP/P300的HAT活性会影响大脑神经元的死亡和动物的长期记忆。研究表明，CBP/P300的缺失或过表达是导致神经元死亡的原因之一，而CBP的HAT活性微调具有神经保护作用，并且与神经元的存活和长期记忆有关。在行为训练的大鼠模型中，发现CBP/P300和PCAF的表达增加，同时突触可塑性相关基因中H2B/H4呈高乙酰化状态。然而，在转染了CBP/P300抑制物EID1的小鼠海马区中发现，EID1核易位的增加可以降低神经元结构蛋白βⅢ-tubulin的表达，诱导动物模型海马区空间学习能力下降。抑制CBP的HAT活性并不影响神经元活力，而P300的HAT活性上调可能会与AD大脑中tau蛋白的高乙酰化相互作用。此外，有研究人员利用小鼠神经元细胞发现AD动物模型中PS1突变可升高CBP/P300蛋白表达，APP瑞典双突变质粒诱导N2a细胞中P300表达上调；而Saura等人发现在PS1/2敲除小鼠中CBP/P300蛋白表达明显下降。这些研究都说明CBP/P300的活性变化与AD的病理机制密切相关。
组蛋白去乙酰化酶和AD
根据酵母的同源性，哺乳动物的组蛋白去乙酰化酶分为4大类。其中，Ⅰ、Ⅱ和Ⅳ类HDACs是锌（Zn+）依赖型酶，而Ⅲ类HDACs是烟酰胺腺嘌呤二核苷酸（NAD+）依赖型酶。其具体分类：Ⅰ类包括HDAC1、2、3、8；Ⅱ类分为两个亚型，Ⅱa类包括HDAC4、5、7、9和Ⅱb类包括HDAC6、10；Ⅲ类HDACs又被称为sirtuin，与酵母Sir2的同源序列相似；Ⅳ类HDACs只包括HDAC11。如表2。
表2 HDACs家族及其抑制剂
HDAC1和HDAC2的结构和序列高度相似，其整体序列一致性约为82%。体内实验结果发现，HDAC1和HDAC2只在其所形成的蛋白质复合物中表现出活性。这些蛋白复合物是其维持去乙酰化酶活性、维持与DNA结合能力以及介导HDACs招募到基因启动子所必需。酵母菌实验表明，HDAC1在调控碳代谢、碳水化合物转运和调控相关基因的表达方面发挥重要作用。HDAC2广泛存在于中枢神经系统，在调控记忆和突触可塑性方面起负反馈作用。研究发现，AD患者死后脑样本中HDAC2的表达增加。通过siRNA干扰的细胞转染实验敲除HDAC2，发现HDAC2可以调节记忆相关基因启动子的H4K12乙酰化，恢复CK-p25小鼠模型的突触可塑性和记忆障碍，并改善神经末梢的信号传导。这些发现表明HDAC2参与的组蛋白修饰在调节AD认知障碍、维持突触可塑性和记忆形成中具有重要作用。HDAC3在人类健康的肾上腺、皮肤和脾脏中表达水平较高，而在心脏和胰腺等少数组织中表达较低，且对人体神经元发育有重要影响。
HDAC6主要位于细胞质，与神经元骨架蛋白微管的形成有关，可调控Tau蛋白的代谢，改变细胞神经元纤维缠结等病理特征。在死亡的AD患者大脑样本的皮质和海马区可观察到HDAC6蛋白表达升高。降低内源性HDAC6的表达水平可减缓AD模型小鼠的学习记忆障碍和逆转α-微管蛋白乙酰化。此外，神经调节剂血清素可以通过Akt-GSK3β 信号通路可以抑制HDAC6的活性从而阻碍Aβ所诱导的海马神经元中线粒体的运动。
sirtuin（SIRT）酶是一类高度保守的组蛋白脱乙酰酶家族，其活性依赖于烟酰胺腺嘌呤二核苷酸（NAD+）的表达，是多种人类疾病（如癌症、糖尿病和神经退行性疾病等）的潜在治疗靶点。哺乳动物体内有7种sirtuin酶，其功能和调控机制极其复杂，主要功能与调节细胞能量代谢、基因组稳定性和抗压性、热量限制、衰老有关。在过去的几年中，科学家通过多种技术手段（如细胞培养、动物模型和人类组织测序等）对AD中sirtuin酶的功能和作用机制进行探索。研究发现sirtuin酶主要通过减少有毒蛋白聚集物来恢复蛋白质微环境稳态，并通过提高基因转录活性来改善神经的可塑性，从而减少氧化应激反应，增强线粒体功能和提高学习记忆能力。
在sirtuin酶家族中，SIRT3因被报道广泛参与了癌症、衰老、神经退行性疾病和抗压性等相关生物过程而备受关注。ROS标记物分析方法曾用于研究AD的氧化应激和线粒体功能。研究表明，在人类和小鼠AD病理状态下SIRT3的表达有所增加。在AD小鼠PD/APP模型中检测到SIRT3 mRNA水平上调，这导致携带V717F突变的人类APP过表达，并在模型小鼠大脑中产生Aβ斑块。与正常人类比较，AD患者的颞叶皮质样本中SIRT3 mRNA的表达显著增加。此外，SIRT3水平可能会随着ROS合成的增加而升高。早期的一项研究表明，线粒体中ROS的增加会导致原代海马培养物中SIRT3表达的增加。因此，SIRT3在神经退行性病变的发病机制过程中可能是一个重要的参与者。
HDACs抑制剂
HDACs抑制剂（HDACs inhibitor，HDACi）最初是在针对癌症的细胞治疗药物开发过程中发现的。在功能上，HDACi不仅可以通过直接乙酰化基因启动子或增强子的组蛋白来调控特定基因转录，还可以通过间接乙酰化与转录调控因子相关的基因来调控基因转录。近年来，越来越多的证据表明，HDACi对其他疾病，比如神经退行性疾病、代谢性疾病、心脏和免疫系统疾病等也具有潜在的药效价值。HDACi可以恢复早期AD小鼠模型的学习能力和记忆缺陷，这使其成为一类潜在的AD治疗药物或症状改善药物。
HDACi根据化学结构/亚类特异性大致可分为两大类：特异性HDACi和非特异性HDACi。目前已知的HDACs的家族和其对应的特异性/非特异性HDACi见表2。
展望
越来越多的体内和体外实验证据支持，组蛋白修饰异常与AD的疾病进程密切相关，HDACi治疗法可以改善认知缺陷和防止记忆障碍，并且在AD患者的临床试验中进一步得到验证。然而，目前研究中的一系列问题亟需解决，例如如何发现针对不同HDAC家族成员的特异性抑制剂。大多数HDACi对HDACs家族各成员蛋白的专一性不强，可能对多种HDACs蛋白同时具有抑制作用，不仅靶向核组蛋白，也靶向细胞质中的组蛋白。考虑到HDACs蛋白在细胞中的重要作用，非选择性HDACi可能会导致难以预料的毒副作用。另外，HDACi的药效动力学特征（如脑通透性、疗效、毒性和分布等）还需要进一步研究。
组蛋白乙酰化的总体水平可能取决于动物模型、大脑区域、细胞类型甚至基因型等不同因素，如何从更全面的角度来发现表观遗传调节作为AD治疗靶点的机制变得至关重要。表观遗传修饰基因在AD患者体内外的作用也应进一步研究，为理解组蛋白乙酰化在AD病因病机中作用提供深层次的见解。总体而言，HDACi的开发为AD及其相关学习和记忆障碍的治疗策略提供了一种新的途径。
文章出处：赵珍珍,孟国锋,张卫东.组蛋白去乙酰化酶在阿尔茨海默病发病机制中的作用[J].上海中医药大学学报,2022,36(03):1-6,19.DOI:10.16306/j.1008⁃861x.2022.03.001
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