HDAC5在神经系统中的作用研究进展

石俊强 柳玉勇综述

(济宁医学院学报编辑部，山东 济宁 272067；济宁市精神病防治院，济宁 272000)

组蛋白乙酰基转移酶(histone acetyltransferase,HAT)和组蛋白去乙酰化酶(histone deacetylase,HDAC)在调节组蛋白N端赖氨酸残基乙酰化或去乙酰化过程中发挥关键作用,是调控染色质重塑和真核细胞基因转录的表现遗传修饰(epigenetic modifications)的机制之一。研究表明HDAC5在调控神经功能方面起到了非常重要的作用。本文就近年来HDAC5在神经系统中的作用研究进展作一综述。

1 HDAC5分子生物学特征

1.1 分子结构

人类的HDAC5基因位于染色体17q21，序列全长39138bp，有26个外显子，其蛋白质序列含有1122个氨基酸，分子量为121.9kDa[1]。HDAC5由两部分组成，即C-末端去乙酰化酶结构域和N-末端适配器结构域[2]。C-末端去乙酰化酶结构域，即HDAC结构域，由400～450个氨基酸组成，与酵母Hda1(酵母的一种组蛋白修饰酶)有53%同源性，是IIa类HDAC各成员的高度保守区域(80%同源)，含有出核序列(nuclear export sequence，NES)。N-末端适配器结构域由450～600个氨基酸组成，含有核定位序列(nuclear location sequence，NLS)，该区域包含保守的专门用于绑定DNA结合转录因子的氨基酸序列，发挥转录共抑制作用。例如，HDAC5 N-末端有羧基末端结合蛋白(C-terminal-binding protein,CtBP)、肌细胞增强因子2(myocyte-specific enhancer factor 2 ，MEF2) 、异染色质P1(HP1)等结合位点(见图1)。

图1 人类HDAC5分子结构

1.2 生物学活性

HDAC5一般存在于细胞核内，其主要功能是水解乙酰化的赖氨酸，导致核小体结构紧凑，使得DNA变得不易复制延长，抑制基因转录。HDAC5不能直接绑定到DNA上，需招募并结合到特定DNA结合转录因子上，发挥转录共抑制作用。HDAC5通过以磷酸化和去磷酸化的方式进行细胞核浆穿梭，进而调节组蛋白乙酰化水平，影响基因转录。

2 HDAC5在神经系统中的作用

2.1 HDAC5与外周神经元轴突再生

外周神经元的轴突再生是一个十分复杂的过程，成功的轴突再生需要激活细胞核内相关基因的表达，然而目前人们关于这个激活过程知之甚少。以往的研究表明，切断体外培养的小鼠背根神经节能够产生一个传向神经元胞体的钙波，然而目前还没有完全搞清楚神经元胞体内关于钙波的转导通路。Cavalli等[3]观察到小鼠背根神经节损伤后神经元胞体蛋白激酶Cμ( protein kinase Cμ， PKCμ)表达显著增加，并且发现PKCμ从胞浆向细胞核迁移。在轴突损伤部位应用钙螯合剂乙二胺四乙酸(EDTA)可以阻止PKCμ的表达增加以及向细胞核迁移，表明轴突损伤后产生的钙波能够增加PKCμ的表达。而PKCμ能够诱导HDAC5从细胞核向胞浆迁移，可以观察到HDAC5在小鼠背根神经节轴突损伤部位有大量积聚。HDAC5在细胞核内有抑制组蛋白乙酰化，能调节基因转录，那么HDAC5在小鼠背根神经节轴突损伤后，从细胞核向胞浆迁移有什么意义呢？外周神经元的轴突再生需要微管蛋白的参与，而HDAC5能催化微管蛋白去乙酰化，协助微管的形成，促进轴突再生，应用HDAC抑制剂能显著延缓轴突再生。同时，HDAC5还可以开启其他促进轴突再生的基因的表达。由此，HDAC5在外周神经元轴突损伤后从细胞核向胞浆迁移对于微管的形成以及触发相关再生基因表达至关重要。不同于外周神经系统神经元，中枢神经系统神经元损伤后通常无法再生。视网膜神经节细胞(一种中枢神经系统的神经元)损伤后，在损伤部位未检测到HDAC5的集聚以及PKCμ从胞浆向细胞核迁移，轴突损伤后再生的信号通路无法启动，这也许正是中枢神经元和外周神经元损伤后触发的后生变化的关键差异，这也给了我们一些思路，如果可以对人类大脑和脊髓神经元进行控制操作，那么就可以使得中枢神经系统的细胞实现轴突再生。

2.2 HDAC5与记忆

组蛋白乙酰化，是染色质修饰的一种类型，能够增加基因转录。在大脑海马部位，增加组蛋白乙酰化可以促进记忆的形成。在神经退行性疾病特别是阿尔茨海默氏病(Alzheimer’s disease，AD)中，经常观察到组蛋白乙酰化的失调。目前，人们认为HDACs是治疗认知功能障碍很有前途的药物靶点。应用组蛋白去乙酰化酶抑制剂(histone deacetylase inhibitor，HDACi)苯丁酸钠(4-PBA)治疗AD模型小鼠，能显著改善AD模型小鼠空间学习和记忆能力[4]。HDACiW2(一种新的HDACi)能显著减少AD模型小鼠脑内tau蛋白磷酸化以及β淀粉样蛋白(Aβ)水平，进而改善AD模型小鼠的记忆能力[5]。其他类似的HDACi经实验研究也证实具有改善空间学习和记忆能力[6-8]，按照这个推理选择性HDAC5抑制剂也应该具有改善空间学习和记忆的能力。然而，抑制HDAC5的表达不能改善小鼠的认知功能，Agis-Balboa RC等[9]却发现HDAC5本身具有巩固记忆的作用。因此，以后开发治疗AD的药物应避免抑制HDAC5在脑内的表达，而是着眼于如何提高HDAC5的表达。目前，人们还不清楚HDAC5在认知过程中如何发挥作用，然而探索这方面的作用机制对开发治疗认知功能障碍药物是十分有益的。人们在应用转录组和遗传学技术寻找与AD有关联的基因过程中，发现脑内的IL-33表达显著减少，与AD的发生、发展密切相关[10]，而HDAC5本身具有巩固记忆的作用，两者是否存在一定的关联，值得我们进一步研究。

2.3 HDAC5与药物成瘾

长期重复滥用精神兴奋药物能够改变人的行为并导致药物成瘾。这些药物滥用后，大脑神经元胞外多巴胺迅速增加，激活多巴胺受体，诱导新的基因转录，这个过程涉及许多基因转录调控机制，其中包括染色质调控机制，如组蛋白修饰和DNA甲基化。Renthal等[11]研究发现，成年小鼠大脑伏隔核内通过转染病毒载体高表达HDAC5，能够减少它们在可卡因配对室内的可卡因偏好；相反HDAC5基因敲除小鼠对可卡因偏好增加。由此可见HDAC5能作为一个制动器来调节可卡因偏好。Taniguch等[12]则通过研究阐述了纹状体神经元内调节HDAC5核定位的信号通路，并推测出HDAC5调节可卡因偏好的可能机制。以往的研究显示HDAC5分子NLS两侧各有一个磷酸化位点的丝氨酸残基(S-259和S-498)，这两个磷酸化位点也是14-3-3伴侣蛋白的特异结合位点。14-3-3伴侣蛋白通过与磷酸化的HDAC5结合，活化HDAC5羧基端的NES，活化的NES与核转出蛋白CRM1结合，激活CRM1受体，引导磷酸化的HDAC5出核[13]。Taniguch等发现了另一个位于NLS内的磷酸化位点丝氨酸残基S-279。S-279能直接调节HDAC5从胞外进入细胞核内。实验结果显示，应用S-279磷酸化位点特异性抗体后，HDAC5主要存在于胞浆内。而给予可卡因后，S-279磷酸化短暂而快速地减少，原来存在于胞浆的HDAC5迅速减少，伴随着HDAC5快速流入细胞核。由此，Taniguch等推测可卡因通过诱导S-279去磷酸化促进HDAC5从胞外进入细胞核内(见图2)。HDAC5在细胞核内集聚，抑制相应基因的表达，小鼠表现为对可卡因偏好减少，由此推断HDAC5能作为一个制动器来调节可卡因偏好。但这里存在一个问题，既然给予可卡因后HDAC5在细胞核内集聚，可以降低可卡因偏好，为何长期重复滥用精神兴奋剂药物会导致药物成瘾？Host等研究发现腹腔重复注射可卡因10d后，大鼠脑内HDAC5 S-259磷酸化显著增加，伴随着HDAC5大量流入胞浆，引起相应的基因表达增多[14]。Host等的研究似乎与Renthal等以及Taniguch等的研究相矛盾。West[15]认为早期给予可卡因，脑内的稳态细胞为适应急性增加的可卡因，HDAC5去磷酸化，HDAC5快速流入细胞核，抑制相应基因的表达；当长期重复滥用可卡因后，脑内细胞稳态被打破，HDAC5磷酸化增加，伴随着HDAC5大量流入胞浆。我们认为长期重复滥用精神兴奋剂药物后，大脑细胞由原来的稳态转入另一适应这些药物的平衡状态，为适应这种新的稳态脑内细胞需要表达相应的基因，就需要HDAC5分布在胞浆内，因此滥用精神兴奋剂药物导致药物成瘾过程存在其他信号通路，而这些信号通路很有可能与HDAC5有联系，目前关于这方面的报道甚少。由此，在研究抗成瘾性药物时，可以以HDAC5为靶点设计新药，比如开发具有特异性诱导HDAC5 磷酸化位点S-279、S-259和S-498去磷酸化，从而促进HDAC5从胞外进入细胞核内的药物。

图2 可卡因调节HDAC5由胞外进入细胞核内的信号通路

2.4 HDAC5在神经系统中的其他作用

HDAC5在神经系统中还存在其他作用，如HDAC5在MCAO大鼠脑缺血-再灌注损伤模型中具有神经元保护作用[16]。

3 结语与展望

综上所述，HDAC5在调控神经功能方面起到了非常重要的作用，特别是能促进外周神经元轴突再生，巩固记忆，负性调节药物成瘾性。因此，可以以HDAC5为靶点设计新药，促进神经元修复，巩固记忆，戒除药物成瘾。然而，HDAC5在神经系统中的一些作用及其机制而不清楚，如HDAC5在认知过程中如何发挥作用，在药物成瘾过程中的信号通路发挥什么样作用等，还有待进一步研究。

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