去甲基化酶
去甲基化酶 (Demethylases)
概述
去甲基化酶是一类能够催化移除甲基基团的酶。它们通过对DNA、RNA、组蛋白和蛋白质上的甲基化修饰进行动态、可逆的擦除，在表观遗传调控、基因表达、RNA代谢、信号转导和细胞命运决定等核心生物学过程中扮演关键角色。与甲基转移酶共同构成了“书写-擦除-阅读”动态修饰系统，使甲基化修饰成为可逆的、响应环境信号的调控开关。
主要类别与底物
根据底物类型，去甲基化酶主要分为以下几大类：
| 类别 | 主要底物修饰 | 核心功能与生理意义 |
|---|---|---|
| DNA去甲基化酶 | 5-甲基胞嘧啶 (5mC) 5-羟甲基胞嘧啶 (5hmC) | 调控基因转录（通常激活），参与发育重编程、基因组印记、肿瘤抑制。 |
| 组蛋白去甲基化酶 | 赖氨酸甲基化 (如H3K4me3, H3K9me3, H3K27me3) 精氨酸甲基化 | 动态调控染色质状态，影响基因转录激活或抑制，决定细胞身份。 |
| RNA去甲基化酶 | N6-甲基腺苷 (m⁶A) 其他RNA甲基化修饰 | 调控RNA剪接、出核、稳定性、翻译及降解，影响基因表达。 |
| 蛋白质去甲基化酶 | 甲基化的赖氨酸/精氨酸残基 （如p53, STAT3, NF-κB等转录因子） | 调控蛋白质活性、稳定性、定位及蛋白质-蛋白质相互作用。 |
一、DNA去甲基化酶
DNA主动去甲基化主要通过TET酶家族介导的氧化途径完成。
TET家族酶 (Ten-eleven translocation enzymes)
| 成员 | 主要催化反应 | 功能特点与组织分布 |
|---|---|---|
| TET1 | 5mC → 5hmC → 5fC → 5caC | 高表达于胚胎干细胞，维持多能性，促进主动去甲基化。 |
| TET2 | 同上 | 在造血系统高表达，是髓系肿瘤中最常突变的表观遗传调控基因之一。 |
| TET3 | 同上 | 在受精后父源基因组主动去甲基化中起关键作用，高表达于神经元。 |
去甲基化通路：
氧化：TET酶（依赖Fe²⁺和α-酮戊二酸）将5mC依次氧化为5hmC、5fC、5caC。
修复：
胸腺嘧啶DNA糖基化酶识别并切除5fC/5caC，产生无碱基位点。
通过碱基切除修复途径，替换为未甲基化的胞嘧啶，完成去甲基化。
5hmC本身也是一种稳定的表观遗传标记，有独立的功能。
生理与临床意义：
发育重编程：受精后和原始生殖细胞中的全基因组去甲基化。
基因转录激活：去除启动子等调控区的抑制性甲基化标记。
肿瘤：TET2功能丧失导致造血干细胞异常增殖，引发白血病、骨髓增生异常综合征。
二、组蛋白去甲基化酶 (Histone Demethylases, KDMs)
根据催化机制分为两大类：
1. LSD家族 (赖氨酸特异性去甲基化酶)
机制：黄素腺嘌呤二核苷酸依赖的氧化反应，主要去除单甲基化和二甲基化赖氨酸。
代表成员：
LSD1：首个被发现的组蛋白去甲基化酶，去除H3K4me1/me2（通常抑制基因）和H3K9me1/me2（背景依赖）。
LSD2：功能与LSD1类似，但结构不同。
2. JmjC结构域家族
机制：Fe²⁺和α-酮戊二酸依赖的双加氧酶反应，可去除单、双、三甲基化赖氨酸。
代表成员与底物：
激活标记去除者：如KDM5家族（去除H3K4me3）、KDM6家族（UTX/KDM6A，去除H3K27me3）。
抑制标记去除者：如KDM4家族（去除H3K9me3）、KDM1A等。
JMJD6：也可作用于精氨酸甲基化。
生理与临床意义：
细胞分化与发育：精确调控发育基因的表达时序。
肿瘤：许多KDMs是癌基因或抑癌基因。例如，UTX在多种癌症中发生突变或缺失；KDM5A过表达与乳腺癌耐药相关。
神经精神疾病：与智力障碍、自闭症谱系障碍相关。
三、RNA去甲基化酶
主要作用于mRNA上最丰富的修饰——N6-甲基腺苷。
| 酶 | 主要底物 | 功能与特点 |
|---|---|---|
| FTO | m⁶A、m⁶Am (帽 adjacent) | 首个被发现的m⁶A去甲基化酶。与肥胖风险强相关，影响脂肪形成、能量平衡。在AML等癌症中发挥促癌作用。 |
| ALKBH5 | m⁶A | 主要定位于核斑，影响mRNA出核与代谢。在胶质母细胞瘤等癌症中高表达，促进肿瘤生长。 |
| ALKBH1 | m¹A、其他？ | 功能复杂，可能参与线粒体tRNA修饰和DNA去甲基化。 |
| ALKBH3 | m¹A? | 也可作用于DNA烷基化损伤修复。 |
功能：通过动态调控m⁶A水平，影响mRNA的命运（稳定性、翻译效率等），从而广泛参与发育、代谢、癌症等过程。
四、蛋白质去甲基化酶
去除转录因子、细胞信号蛋白等非组蛋白上的甲基化修饰。
主要家族：
LSD1：也可作用于p53、DNMT1、STAT3等非组蛋白。
JmjC家族成员：如JMJD6（精氨酸去甲基化）、KDM3A等。
功能：快速调节蛋白质活性和功能。例如，p53的甲基化状态影响其转录活性和稳定性。
共同调控特征与分子机制
共底物与辅因子依赖：不同家族依赖特定辅因子（FAD， α-KG/Fe²⁺），这使其活性易受细胞代谢状态影响。
底物特异性：由酶的结构域（如PHD、Tudor、chromo结构域）识别特定修饰或序列上下文决定。
动态与可逆性：与甲基转移酶作用相反，共同实现修饰的动态平衡。
招募至特定基因组位点：常作为大分子复合物的一部分，被特定转录因子或ncRNA招募。
作为药物靶点
去甲基化酶的异常与癌症、代谢疾病、神经疾病密切相关，是重要的治疗靶点。
| 靶点 | 相关疾病 | 药物开发策略与代表化合物 |
|---|---|---|
| LSD1 | 急性髓系白血病、小细胞肺癌 | 不可逆抑制剂：TCP (反苯环丙胺)、GSK2879552；可逆抑制剂：SP-2509。 |
| FTO | 肥胖、AML、胶质母细胞瘤 | 小分子抑制剂：FB23-2、MO-I-500。 |
| TET2 | 骨髓增生异常综合征、白血病 | 激活剂（如维生素C）作为辅助治疗，或通过恢复其功能间接靶向。 |
| KDM家族 | 多种实体瘤和血液肿瘤 | 针对KDM5、KDM6等开发选择性抑制剂（如GSK-J4）。 |
挑战：开发高选择性抑制剂，避免因广泛抑制去甲基化酶活性引起的毒性。
研究方法
体外酶活检测：使用同位素标记的甲基化底物或基于抗体的方法。
质谱分析：定量检测整体或位点特异性去甲基化水平。
ChIP-seq / MeDIP-seq：绘制全基因组范围内的组蛋白或DNA甲基化变化。
MeRIP-seq / miCLIP：分析RNA甲基化动态。
CRISPR筛选/基因敲除：确定特定去甲基化酶在细胞表型中的功能。
参考文献
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Ito, S., et al. (2011). Tet proteins can convert 5-methylcytosine to 5-formylcytosine and 5-carboxylcytosine. Science, 333(6047), 1300-1303. （TET酶发现氧化通路的关键论文）
Jia, G., et al. (2011). N6-methyladenosine in nuclear RNA is a major substrate of the obesity-associated FTO. Nature Chemical Biology, 7(12), 885-887. （发现FTO是RNA去甲基化酶）
Kooistra, S. M., & Helin, K. (2012). Molecular mechanisms and potential functions of histone demethylases. Nature Reviews Molecular Cell Biology, 13(5), 297-311. （全面综述组蛋白去甲基化酶）
Rasmussen, K. D., & Helin, K. (2016). Role of TET enzymes in DNA methylation, development, and cancer. Genes & Development, 30(7), 733-750. （TET酶的权威综述）
Huang, Y., & Rao, A. (2014). Connections between TET proteins and aberrant DNA modification in cancer. Trends in Genetics, 30(10), 464-474. （聚焦TET在癌症中的作用）
总结：去甲基化酶是生命体实现表观遗传和转录后调控可塑性的核心执行者。它们将静态的化学修饰转化为动态的信息流，使细胞能够适应发育线索和环境变化。其功能的失调是驱动癌症等重大疾病的关键因素，因此，针对去甲基化酶的药物研发已成为表观遗传治疗中最活跃和有前景的领域之一。
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