表观遗传研究进展表观遗传干预的药物研发 [复制链接]

表观遗传与抗肿瘤药物

表观遗传是指DNA序列未发生变异而性状发生可遗传变化的现象。多种经典表观遗传现象均由染色质修饰决定，包括DNA甲基化修饰和组蛋白修饰，这些修饰可引起染色质结构的动态变化，进而影响基因转录。

表观遗传修饰对基因转录的调控与许多重要的生命过程密切相关，是后基因组时代的研究热点国际上关于表观遗传的研究自20世纪90年代兴起以来，取得了迅猛发展，科学家们已鉴定了多种染色质修饰酶和识别因子，并对它们的三维结构、底物特异性，以及酶活性调控机制开展了系统性研究。近十年来，我国科学家在表观遗传学相关领域也取得了多项世界瞩目的成绩，如DNA去甲基化过程的研究、组蛋白修饰的继承性机制、端粒酶复合体的结构，以及染色质高级结构研究等。

人类肿瘤基因组的研究揭示了表观遗传因子与多种恶性肿瘤的密切联系。在乳腺癌、前列腺癌、肝癌、胃癌、结肠癌、黑色素瘤、白血病、淋巴瘤等恶性肿瘤细胞中，广泛存在表观修饰酶（包括书写者和擦写者）、修饰识别因子及染色质重塑因子的突变。

国际上以表观遗传因子为靶标的抗肿瘤药物研发方兴未艾，众多生物技术公司和大型制药企业在表观遗传药物研发上的累计投入已超过上百亿美元。然而目前，美国食品药品监督管理局（FDA）批准成药的仅包括屈指可数的几种药物：两种DNA甲基化酶的抑制剂阿扎胞苷（Azacitidine）和地西他滨（Decitabine）用于治疗骨髓增生异常综合征和急性髓系白血病，以及3种组蛋白去乙酰化酶HDAC的抑制剂，伏立诺他（Vorinastat）、罗米地辛（Romidepsin），贝利斯他（Belinostat）用于治疗T细胞淋巴瘤。

我国深圳微芯生物科技有限责任公司通过14年的努力，自主研发的西达本胺（Chidamide）于年被中国国家食品药品监督管理总局（CFDA）批准上市，是国际上第一个具有亚型选择性的组蛋白去乙酰化酶（HDAC）口服抑制剂。

目前，国际上关于表观遗传因子的抗肿瘤药物研发主要分为以下几大类。

新型DNA甲基化酶抑制剂

如前所述，DNA甲基化修饰通常关闭了基因表达。肿瘤细胞的一个共同点是全基因组的低甲基化和特征基因启动子区域的异常高甲基化，特别是一些肿瘤抑制因子的启动子区域存在高甲基化现象，造成肿瘤抑制因子的表达缺失，这点是造成肿瘤发生发展的重要因素。因此，通过DNA甲基化酶抑制剂的干预可以降低目标基因启动子区域的甲基化水平，开放这些肿瘤抑制因子的表达，进而起到抑制肿瘤的作用。。

已成功上市的DNA甲基化酶抑制剂包括阿扎胞苷和地西他滨，它们均是核苷类似物，可造成基因组范围内的甲基化水平降低，激活基因转录。但问题是这种激活是“随机的”，即可激活肿瘤抑制因子，也可激活致癌因子，因此存在特异性差、高风险性问题。另外，该类药物是核苷类似物，可以随机插入正常细胞的基因组，干扰DNA复制造成DNA损伤，存在较强的细胞毒性。根据上述问题，目前对DNA甲基化酶抑制剂的研究主要集中在改造型的核苷类似物、天然产物及新药研制方面。

已经进入临床研究的药物包括：SGI-核苷类似物、天然产物EGCG、LaccaicacidA等，以及新药RG和SGI-等。目前，DNA甲基化酶抑制剂主要作为辅助药物，使用低剂量预处理肿瘤细胞，增强其对后续放射治疗、化学药物治疗和免疫疗法的敏感性，提高肿瘤细胞的杀伤效果。

组蛋白去乙酰化酶抑制剂

组蛋白乙酰化修饰中和了组蛋白所带的正电性，使得组蛋白与DNA之间的电性作用变弱，因此利于基因表达。组蛋白去乙酰化通常与DNA甲基化相关，起到抑制基因表达的作用。在多种肿瘤组织中均可检测到HDAC类组蛋白去乙酰化酶的异常高表达，如前列腺癌、宫颈癌、直肠癌等。HDAC抑制剂是一类被广泛研究的抗肿瘤药物，可通过激活肿瘤抑制因子，如P21基因的表达，以及对一些非组蛋白底物修饰的影响，如提高p53和NF-кB的乙酰化水平起到稳定作用来抑制肿瘤的发展。

常见的HDAC抑制剂的药效基团一般都包括锌离子结合区域、连接区域和“帽状”表面识别区域。根据它们化学结构的不同，大致可分为异羟肟酸类、短链脂肪酸类、苯甲酰胺类、环状四肽类、亲电酮类和其他类等6种。其中，异羟肟酸类的伏立诺他（SAHA）和贝利司他分别于年和年被FDA批准用于治疗皮肤和外周T细胞淋巴瘤；环状四肽类的罗米地辛先后于年和年被FDA批准用于治疗皮肤T细胞淋巴瘤和外周T细胞淋巴瘤。

目前，已有14大类近种的HDAC抑制剂进入临床研究，志在攻克血液病和实体瘤等恶性疾病。然而，由于人类存在18种HADC，每种又有多种组蛋白和非组蛋白底物，因此缺少亚型选择性分析和具体的分子机制研究成为该类药物研究的主要屏障。30余项临床研究表明，单独用药的HDAC抑制剂可能受稳定性和穿透力的影响，对实体瘤效果不佳。值得一提的是，目前，HDAC与DNA甲基化酶抑制剂或免疫检查点抑制剂的联合用药已经取得了不错的效果。

组蛋白甲基化酶抑制剂

与乙酰化修饰不同，组蛋白甲基化修饰具有高度的位点特异性和修饰程度特异性，对基因表达的影响也非常不同。比如，组蛋白H3K4的三甲基化修饰（H3K4me3）通常与开放表达相关，而H3K9me3、H3K27me3及H4K20me2通常与基因沉默密切相关。由于不同修饰位点的甲基化修饰酶各不相同，因此对特征位点的组蛋白甲基化酶的抑制剂研究具有较强的选择性和广阔的应用前景。

已知H3K79三甲基化酶Dot1L和H3K4三甲基化酶复合体MLL与白血病密切相关，而H3K27甲基化酶EZH2的突变在乳腺癌、结肠癌及黑色素瘤等广泛存在。目前，已有Dot1L和EZH2的小分子抑制剂进入了临床研究，如EZH2抑制剂GSK、EPZ-、CPI-等，它们大多是催化反应甲基供体SAM的类似物。Dot1L抑制剂EPZ-则被用于治疗复发难愈的白血病的临床研究。

其他组蛋白甲基化酶抑制剂的研究虽未进入临床研究阶段，但也取得了不错的进展，如针对H3K9甲基化酶G9a的抑制剂在治疗妇科癌症方面具有良好表现，以及SMYD家族SMYD2抑制剂与其他抗肿瘤药物的联合用药会有更好的治疗效果。

组蛋白去甲基化酶LSD和JMJC家族的抑制剂研究也是调节组蛋白甲基化修饰的重要组成部分。已知LSD1在卵巢癌、乳腺癌和肺癌中均存在异常高表达，已有4种针对LSD1的抑制剂进入临床研究，其中的GSK可以显著抑制小细胞肺癌细胞的增殖。

识别因子及其他代谢因子的抑制剂研究BET蛋白家族是包含Bromo结构域的组蛋白乙酰化识别因子，是一类重要的原癌蛋白，其缺失或活性下调可影响多种肿瘤细胞的增殖，如淋巴瘤、白血病、脑胶质瘤等。其家族成员BRD3和BRD4可与NUT中线癌蛋白形成融合原癌蛋白，BRD4亦可识别H3K27的乙酰化修饰进而影响基因表达。已有多种BET家族抑制剂进入临床研究，如TEN-10可抑制BRD4-NUT结合到乙酰化修饰的染色质上，在中线癌和白血病的治疗上颇具前景。而OTX和CPI-在血液恶性肿瘤的抑制方面有较好的表现。

另一类具有较好应用前景的抑制剂是针对代谢酶类，虽然它们与表观遗传不直接相关，但会影响表观修饰酶催化所需要的辅因子的浓度，如JMJC家族蛋白催化组蛋白去甲基化过程，以及TET介导的DNA去甲基化过程均需要一个重要的辅基α-酮戊二酸。细胞内α-酮戊二酸在三羧酸循环（TCA）代谢中产生，由异柠檬酸脱氢酶IDH1和IDH2催化生成。已有证据表明，IDH1和IDH2的突变体会催化α-酮戊二酸生成致癌产物D-羟基戊二酸。

D-羟基戊二酸则是α-酮戊二酸的竞争性抑制剂，干扰上述去甲基化反应，造成启动子区DNA的异常高甲基化并激活mTOR信号通路，引发癌症。因此IDH1和IDH2的突变体是理想的药物靶标，目前已有AG-，AG-分别针对IDH1和IDH2突变体抑制剂进入临床研究，对于携带IDH突变的急性白血病人有着不错的临床表现，特别是AG-已进入临床三期研究，主要针对反复难愈的老年白血病患者，颇具成药前景。另外，AG-，AG-与HDAC抑制剂阿扎胞苷的联合用药也是未来的研究方向。

上述表观遗传因子的抑制剂研究多针对肿瘤细胞中的“功能获得性突变”（gain-of-functionmutations），即肿瘤细胞中特有的突变造成表观遗传或遗传信息的变化，因此可以针对这些肿瘤特有突变设计功能抑制剂，只杀伤肿瘤细胞，而对正常细胞毒性较小。

然而对于一些“功能缺失性突变”（loss-of-functionmutations），可采用“合成致死”（Syntheticlethality）新型药物研发策略。“合成致死”是指A、B两个基因（存在于两种信号通路中）之间的关系，缺失其中任意一个都不会对细胞生存带来影响，但如果两个都缺失则细胞会致死。因此，如果肿瘤细胞中存在其中A基因的突变，则可通过抑制B基因的表达来杀死肿瘤细胞，而正常细胞因不存在A基因的突变，对B基因的抑制剂不会对其产生毒副作用。

目前，“合成致死策略”成功的例子是针对乳腺癌基因Brca1和Brca2突变的卵巢癌患者使用聚腺苷酸二磷酸核糖转移酶（PARP-1）抑制剂。PARP-1的抑制剂Olaparib和Rucaparib分别于年和年被FDA批准上市。除了PARP-1，“合成致死策略”已渗透到多种生物学进程，在表观遗传范畴内也有多项尝试，其中最具代表性的就是染色质重塑因子与组蛋白修饰酶的相互作用。

同源异型盒基因（Hox）是影响动物早期胚胎发育的关键基因。已知SWI/SNF染色质重塑复合物可以促进Hox基因的表达，而组蛋白H3K27位甲基化酶PRC2多梳复合体则对Hox基因的表达起到抑制作用，二者相互拮抗调节Hox基因的表达。

已知SWI/SNF复合体的SNF5亚基功能异常会造成恶性横纹肌样瘤，是一类危害极大的儿童软组织肉瘤，SNF5的缺失亦可引发上皮样肉瘤和其他未分化的肿瘤。近期的研究表明，在SNF5缺失的情况下，肿瘤细胞中通常存在PRC2催化亚基EZH2的高表达，造成肿瘤抑制因子P16基因的异常低表达。因此，设计EZH2抑制剂可以抑制SNF5缺失型的肿瘤细胞的增殖。

目前，已有EZH2的抑制剂EPZ-进入临床二期研究，是“合成致死策略”的一个重要探索。除了SNF5，SWI/SNF复合体的其他亚基缺陷型与EZH2抑制剂之间的合成致死研究也已广泛展开，如ARID1A，PBRM1和BRG1等亚基。在超过50%的卵巢透明细胞癌患者中都存在ARID1A基因的突变，正在尝试在ARID1A缺陷型动物的肿瘤模型上使用EZH2抑制剂GSK-。而EZH2抑制剂EPZ-则用于尝试杀伤BRG1缺陷型的卵巢癌细胞。

未来，关于表观遗传干预的药物研发无疑是充满前景和挑战性的，系统的功能基因组和分子机理研究将会为“合成致死策略”提供新的通路和靶标；计算机辅助手段、动物模型等技术的发展也为先导化合物进入临床研究创造了更好的条件，增长的研发投入和更大的筛选规模也必将加速新药研发的进程。表观遗传治疗也必将与当前其他主流的疗法相结合，如与免疫疗法相结合，共同面对抗药性和复发性的顽固恶性肿瘤，并期待其在治疗肿瘤疾病，尤其是治疗实体瘤中有更好的表现，让我们拭目以待。