胡靜燕，張琳，張良

上海交通大學基礎醫(yī)學院藥理學與化學生物學系，上海200025

維持天然的DNA結構對于細胞實現(xiàn)其正常生理功能至關重要。然而，來自環(huán)境和內源性的烷基化試劑不斷通過產(chǎn)生各種烷基化堿基修飾來造成DNA損傷，導致基因突變，誘發(fā)細胞毒性，引起細胞死亡［1-2］。因此，預防和修復DNA堿基的烷基化損傷對于細胞的生存具有重要意義。人源核酸烷基化損傷修復酶ALKBH3（alphaketoglutarate-dependent dioxygenase homolog 3）隸屬于亞鐵（Fe2+）和α-酮戊二酸（α-ketoglutarate，α-KG）依賴型雙加氧酶——烷基化DNA修復蛋白（alkylated DNA repair protein，AlkB）家族。該家族內大多數(shù)同工酶均屬于核酸堿基去甲基化酶，對于保護細胞免受DNA損傷、調控基因表達和蛋白質翻譯有重要作用。而ALKBH3作為AlkB家族中的一個成員，特異性識別單鏈DNA（ssDNA）或RNA上的N1-甲基腺嘌呤（1mA）和N3-甲基胞嘧啶（3mC）等烷基化修飾并進行去甲基化修復，在維持細胞基因組穩(wěn)定和調控RNA轉錄中具有重要作用，其表達和功能的異常與多種癌癥的發(fā)生發(fā)展密切相關。本文就人源ALKBH3的近年研究進展進行綜述。

1 AlkB蛋白及其家族成員簡介

1977年，Samson和Cairns發(fā)現(xiàn)大腸埃希菌基因組alkB基因編碼的AlkB表達與其對烷基化試劑的適應性響應有關［3］。2001年，AlkB蛋白被證明是典型的Fe2+和α-KG依賴型雙加氧酶，可通過氧化去烷基化來保護細菌基因組免受烷基化損傷［4］。AlkB對多種核酸烷基化損傷都具有廣泛修復作用，主要催化ssDNA和雙鏈DNA（dsDNA）上1mA和3mC的去烷基化修復反應［4］。另外，AlkB對dsDNA上N1-甲基鳥嘌呤（1mG）和N3-甲基胸腺嘧啶（3mT）烷基化修飾以及1,N6-亞乙烯基腺嘌呤和3,N4-亞乙烯基腺嘌呤環(huán)化修飾也有相對較弱的去甲基化活性［5-6］。這些烷基化修飾的共同點是會破壞dsDNA中堿基互補配對，進而破壞DNA結構，干擾基因復制、轉錄和翻譯。因此可以推斷，AlkB對于維持DNA結構和細菌正常生理功能至關重要，這也激發(fā)了人們對于研究AlkB在人體內同工酶及其生物功能的熱情與興趣。

截至目前，人體內共發(fā)現(xiàn)9類AlkB家族高度保守的同工酶，分別命名為ALKBH1～ALKBH8和FTO［7］。在氨基酸一級序列上，這些酶均包含His1-X-Asp/Glu-Xn-His2亞鐵結合位點［8-9］；而在蛋白質三級結構上，它們均具有羧基端果凍卷樣反向平行β折疊層組成的催化核心區(qū)域、獨特的核苷酸識別蓋子結構域和氨基端的擴展結構域。盡管它們的一級序列和三級結構高度保守，研究［10］發(fā)現(xiàn)它們催化的生理底物及對應的生物學功能存在較大差異。ALKBH1催 化 位 于DNA轉 錄 泡（transcription bubble）ssDNA區(qū)域上N6-甲基腺嘌呤（6mA）及位于轉運RNA（tRNAiMet）上m1A的甲 基 修飾 去 除［10-12］；ALKBH5和FTO催 化 位 于 信 使RNA（mRNA）或 小 核RNA（snRNA）上的N6-甲基腺嘌呤（m6A）上甲基修飾的去除［13-15］；ALKBH2和ALKBH3分別催化ssDNA/RNA或dsDNA上1mA和3mC等 烷 基 化 修 飾 的 去甲 基 化［16-17］。ALKBH4可能是催化肌動蛋白中單甲基化賴氨酸（K84me1）去甲基化酶［18］。ALKBH7可能與烷基化和氧化誘導的程序性壞死有關［19-20］。ALKBH8是tRNA去甲基化酶，與人類膀胱癌有密切的聯(lián)系［21］。ALKBH6的生物學功能目前尚不清楚。

2 ALKBH3 的催化機制研究

在人體內的AlkB家族同工酶中，ALKBH3是由11號常染色體alkB3基因（Chr11∶43，880，807～43，920，275）編碼的全長286個氨基酸的蛋白，同ALKBH2一起參與人體基因組上1mA和3mC烷基化修復并保護細胞免受烷基化損傷，是一種能補償大腸埃希菌AlkB體內生物功能的酶。ALKBH3催化烷基化修復的分子機制普遍認為與AlkB的催化分子機制類似（圖1A）。首先O2分子與Fe2+離子在活性中心結合，形成Fe3+-O2-超氧自由基陰離子復合物，并進一步作用于與復合物附近的α-KG，使其氧化脫羧生成琥珀酸和CO2。CO2從活性位點釋放后，反應產(chǎn)生的Fe4+-超氧配體復合物遷移到核酸底物上目標烷基基團附近，將其羥基化形成不穩(wěn)定的羥基化中間體，并迅速脫醛基回到未修飾的堿基狀態(tài)，完成對DNA烷基化的修復［8，22］。

盡管ALKBH2和ALKBH3都催化1mA和3mC的烷基化修復，但是它們在底物的識別上具有截然不同的選擇性。通過測定人源和鼠源ALKBH3和ALKBH2對人工合成的含有1mA或3mC修飾的ssDNA和dsDNA催化的穩(wěn)態(tài)動力學數(shù)據(jù)顯示，ALKBH3對含有修飾的ssDNA或RNA具有顯著的識別和催化作用，且對3mC修飾的修復活性要略高于1mA。然而ALKBH3對含有修飾的dsDNA幾乎無催化活性［23］。相比之下，人源和鼠源的ALKBH2對dsDNA上1mA和3mC修飾的催化活性最高，對ssDNA上修飾的催化活性較弱，對RNA則無顯著催化作用［24］。這些實驗結果證實，ALKBH3具有與其同工酶ALKBH2截然不同的底物選擇性，它對ssDNA和RNA上的1mA和3mC修飾具有特異性識別和催化的生物功能，但是決定其底物選擇性差異的分子機制至今還不明晰。

為了闡明ALKBH3的催化和底物選擇分子機制，2006年Sundheim等［25］解析并報道了ALKBH3催化結構域截短體（N端截短69個氨基酸）與配體［Fe2+和α-KG類似物2-氧戊二酸鹽（2-OG）］的復合物晶體結構（pdb號：2IUW）（圖1B）。該結構顯示，ALKBH3催化結構域由14個β-鏈和2個α-螺旋構成，其中8條β鏈（β7～β14）形成了AlkB家族經(jīng)典的果凍卷樣反向平行β折疊層結構，這是包括Fe2+和α-KG依賴型雙加氧酶家族在內的許多金屬結合和非金屬結合蛋白的典型特征。其中，β1位于果凍卷折疊中稍小的β-片層的底端；β2、β3和β6分別位于另一個更大的β片層兩端；β4和β5形成了一個獨特的發(fā)卡結構；緊靠在β6和α3之間的短α2螺旋形成了活性位點上方的蓋子形狀，這是AlkB蛋白家族特有的核酸識別蓋結構，且在家族內不同同工酶之間呈現(xiàn)出了一定的差異性，可能是該家族酶實現(xiàn)不同底物選擇性的關鍵結構域；帶正電荷的凹槽穿過β4-β5發(fā)夾與果凍卷中心之間的活性部位，構成了DNA/RNA結合溝槽。ALKBH3的活性依賴于與Fe2+和α-KG相互作用的關鍵氨基酸，例如與Fe2+形成配位螯合鍵的高度保守氨基酸His191、Asp193和His257；與α-KG類似物2-OG上5號位羧基形成鹽橋和氫鍵相互作用的氨基酸Arg269、Tyr181和Asn271；與2-OG上1號位羧基形成氫鍵相互作用的氨基酸Arg275等等。除此以外，值得注意的是，與2-OG上1號位羧基形成疏水相互作用的氨基酸Leu177被發(fā)現(xiàn)存在自羥基化，推測其可能在沒有初級底物時發(fā)揮一定的抑制功能，保護細胞免受有害的氧化副反應。

為了探究ALKBH3不同于ALKBH2的底物選擇性分子機制，解析ALKBH3-ssDNA或RNA的復合物結構是最直接的技術手段。然而由于AlkB家族蛋白普遍存在與底物結合力弱的特點，ALKBH3-ssDNA復合物至今尚未被解析［8］。但是Yang等［26］通過發(fā)展能共價交聯(lián)ALKBH2的非天然核苷酸技術，解析了ALKBH2共價交聯(lián)含有1mA的dsDNA復合物結構。隨后，Chen等［16］進一步對ALKBH3和ALKBH2的蛋白序列和結構進行了分析（圖1C）。該研究發(fā)現(xiàn)，這2種蛋白質在結構上最顯著的差異是核苷酸識別蓋子和β-發(fā)夾結構。ALKBH2的氨基酸V101、F102和G103的側鏈選擇性地插入dsDNA的主溝槽中，起到了穩(wěn)定底物的作用。將ALKBH3結構疊合到ALKBH2-dsDNA復合結構上后，發(fā)現(xiàn)ALKBH3相應位置的氨基酸R122、E123和D124與dsDNA發(fā)生了嚴重的空間位阻沖突，意味著ALKBH3上這3個具有強親水性的氨基酸（縮寫為RED）所在的發(fā)卡結構可能形成一個龐大的鹽橋，選擇性地阻止了dsDNA結合并進入底物結合位點和進一步底物堿基的翻轉。研究進一步將ALKBH3中的RED氨基酸與ALKBH2中對應的VFG氨基酸進行交換，發(fā)現(xiàn)ALKBH3獲得了與ALKBH2類似的對dsDNA的結合能力以及對dsDNA上修飾堿基的催化 酶 活。另 外，Monsen等［27］在 交 換ALKBH3和ALKBH2的β-發(fā)夾結構后得到了對于dsDNA具有更強催化活性的ALKBH3雜交蛋白，證實了該發(fā)夾結構對于去甲基的酶活性和底物選擇特異性非常重要，ALKBH3 β-發(fā)夾結構上的正電荷和極性氨基酸會阻止dsDNA結合與識別。

圖1 ALKBH3的催化機制和結構Fig 1 Catalytic mechanism and structure of ALKBH3

3 ALKBH3 的生物功能研究

針對ALKBH3底物選擇性的生物化學和結構研究結果均顯示，ALKBH3主要參與人體內ssDNA和RNA上的1mA和3mC烷基化修飾的修復。然而，在人體基因組主要以dsDNA的形式存在，那么如何體現(xiàn)ALKBH3針對ssDNA烷基化的修復功能？Dango等［28］發(fā)現(xiàn)，ALKBH3與激活信號協(xié)整復合物（activating signal cointegrator complex，ASCC）可共同作用形成復合物。ASCC3作為ASCC最 大的 亞 基編 碼了3′-5′DNA解 旋 酶，可 催化dsDNA解旋產(chǎn)生ssDNA，從而使ALKBH3發(fā)揮對ssDNA的特異性修復。對于ASCC的進一步研究揭示了一條泛素依賴的ALKBH3介導的DNA去甲基化修復的信號通路，其中ASCC2具有泛素結合結構域，通過上游的泛素化作用將ALKBH3-ASCC3招募到DNA的烷基化損傷位點，從而實現(xiàn)其修復作用［29］。這一發(fā)現(xiàn)首次提出了細胞內ALKBH3發(fā)揮DNA修復作用的上游信號通路，對進一步理解和闡明ALKBH3的生理功能和調控機制有重要的意義。

不同于ALKBH2僅僅出現(xiàn)在細胞核內，ALKBH3在細胞核和細胞質內均有分布［7］，這可能與ALKBH3更為豐富的生理功能有關。除ssDNA外，ALKBH3對RNA也具有顯著的去甲基活性。盡管目前對于RNA甲基化損傷可能會造成的影響尚不清楚，然而，研究人員發(fā)現(xiàn)核糖體RNA中異常的m1A修飾會影響密碼子-反密碼子的結合［30］，導致逆轉錄酶錯誤編碼；m1A和m3C對堿基互補配對的干擾還可能會影響翻譯過程［24］?？傊?，RNA的異常甲基化可能會破壞細胞正常代謝，因此細胞自身的防御系統(tǒng)應當會對這些甲基化損傷進行主動的修復。Li等［31］發(fā)現(xiàn)，ALKBH3可以降低mRNA的m1A修飾水平，其特異性識別的m1A位點主要分布于mRNA的5′非翻譯區(qū)，這不僅提示ALKBH3具有RNA烷基化修復功能，更暗示ALKBH3可能還具有不同于目前已知的烷基修復酶功能的轉錄調節(jié)功能。此外，Ueda等［32］確證了ALKBH3能夠有效地對RNA的m1A和m3C進行去甲基化修復，并通過體外翻譯實驗證實由ALKBH3去甲基化的tRNA具有更高的翻譯效率。Chen等［33］則進一步證實ALKBH3是tRNA的m1A和m3C去甲基化酶，并具有促癌細胞增殖、遷移和侵襲的生物功能。其具體機制猜測為ALKBH3針對tRNA的m1A去甲基修復造成了tRNA穩(wěn)定性下降，從而在反密碼子區(qū)域周圍產(chǎn)生許多tRNA-來源的小RNA（tDRs），這種tDRs可以加強核糖體的組裝并且防止細胞凋亡，從而促進腫瘤生長和侵襲。

基因組DNA在受到外界因素影響產(chǎn)生的1mA、3mC、1mG、3mT等烷基化修飾會破壞Watson-Crick堿基互補配對，從而破壞DNA的空間結構，影響基因表達，產(chǎn)生遺傳突變或者細胞毒性作用［34］。而ALKBH3是人體內主要對這些烷基化損傷進行修復的酶，在維持DNA正常結構、實現(xiàn)細胞正常的生理功能上有積極正面的重要意義［5-6，17］。在癌癥治療中應用較為廣泛的多種化學治療（化療）藥物，如用于治療白血病的白消安（busulfan）和用于治療腦瘤的替莫唑胺（temozolomide）等，是通過使DNA發(fā)生烷基化損傷從而誘發(fā)癌癥細胞的死亡。而ALKBH3在癌癥細胞內的存在和表達會修復外源性藥物造成的烷基化損傷，使得癌癥細胞得以抵抗藥物的作用繼續(xù)生存，這又體現(xiàn)了ALKBH3相對的負面作用。有研究［35］發(fā)現(xiàn)ALKBH3可以與一些高活性基因啟動子的轉錄起始位點相結合（如啟動子近端暫停RNA聚合酶Ⅱ和增強子的位置），抑制高表達基因轉錄相關的DNA損傷，從而在ALKBH3過表達癌細胞中維持基因組完整性。

從上述的內容中可以發(fā)現(xiàn)，ALKBH3不僅僅可能通過DNA烷基化損傷修復的功能促進癌細胞的生存與增殖，也可以通過對RNA甲基化修飾的催化作用調控轉錄、翻譯的過程，進而影響癌細胞的命運。因此，對ALKBH3生理作用以及調控機制的深入研究在人類對抗癌癥的斗爭中也許有著非常重要的意義。

4 ALKBH3 與癌癥

臨床研究發(fā)現(xiàn)，ALKBH3在多種人類實體瘤中均呈現(xiàn)出高表達。Konishi［36］在對影響人前列腺癌的基因進行研究的過程中，發(fā)現(xiàn)一個基因在前列腺癌中表現(xiàn)出較高的mRNA表達，將其命名為前列腺癌抗原-1（PCA-1）。進一步數(shù)據(jù)庫分析和比較發(fā)現(xiàn)，PCA-1即ALKBH3。ALKBH3的表達水平與非激素依賴性前列腺癌呈顯著正相關，而ALKBH3 shRNA敲低的前列腺癌細胞形成的腫瘤明顯小于對照，這提示ALKBH3是潛在的抗前列腺癌，尤其是抗對激素治療和化療具有較強抵抗力的去勢耐藥前列腺癌（castration-resistant prostate cancer，CRPC）的全新藥物靶點。靶向ALKBH3開發(fā)CRPC治療劑將具有廣大的臨床應用前途［37］。

除前列腺癌外，ALKBH3還被發(fā)現(xiàn)在頭頸部鱗狀細胞癌（head and neck squamous cell carcinoma，HNSCC）、胰腺癌、肺癌、卵巢癌和乳腺癌等多種人類實體瘤中高表達。ALKBH3的表達水平與HNSCC腫瘤的大小有直接的關系［38］。Yamato等［39］發(fā)現(xiàn)ALKBH3通過支持凋亡抵抗和血管生成而促進胰腺癌的發(fā)生，ALKBH3的沉默可以下調血管內皮生長因子（vascular endothelial growth factor，VEGF）的表達，抑制體內血管生成。siRNA誘導的ALKBH3沉默可以有效地誘導肺腺癌細胞在體內和體外的細胞衰老和生長抑制［40］。Woo等［41］還發(fā)現(xiàn)在卵巢癌和乳腺癌中，ALKBH3對細胞因子CSF-1 mRNA上的m1A的去甲基化作用增加了它的穩(wěn)定性、延長它的半衰期，而這種細胞因子CSF-1的作用通常與卵巢癌和乳腺癌的預后不良相關；過表達ALKBH3在增加CSF-1表達的同時也增加了癌細胞的侵襲程度，表明ALKBH3對RNA的去甲基作用可能會間接地影響腫瘤的發(fā)展。除此之外，臨床病例的研究還發(fā)現(xiàn)ALKBH3對人腎細胞癌［42］、肝細胞癌［43］的發(fā)生、發(fā)展具有重要的作用。因此，ALKBH3不僅是抗腫瘤的潛在藥物靶標，還是多種實體瘤的全新臨床病理生物學標志物［40］。

由于ALKBH3在腫瘤發(fā)生發(fā)展中體現(xiàn)出的重要作用，靶向ALKBH3設計和發(fā)現(xiàn)抑制劑小分子成為抗腫瘤藥物發(fā)現(xiàn)的新策略。目前共有3類ALKBH3非共價抑制劑小分子被報道，但由于缺乏ALKBH3-抑制劑復合物晶體結構數(shù)據(jù)，其抑制機理并未完全明晰。2014年，Nakao等［44］通過隨機化合物庫篩選和結構優(yōu)化改造的方法得到了第一個ALKBH3小分子抑制劑，命名為HUHS015；體外實驗顯示該抑制劑在濃度為10μmol/L時，能達到ALKBH3酶活性61%的抑制效果；體內實驗發(fā)現(xiàn)HUHS015能夠抑制皮下移植人前列腺癌細胞DU145的小鼠模型腫瘤生長，且未發(fā)現(xiàn)顯著不良反應。這是首次報道的靶向ALKBH3的小分子抑制劑。2018年，芳基化吲哚酮衍生物也被報道可抑制ALKBH3的烷基修復作用，通過設計、合成、篩選和評價，得到的候選物5c被認為可與ALKBH3的活性位點特異性結合，從而競爭性抑制DNA底物。細胞實驗進一步證實該化合物能夠抑制人肺癌細胞株A549的增殖［45］。近期，Li等［46］報道了靶向AlkB家族的廣譜小分子抑制劑——大黃酸（rhein），證實了它可以在體外抑制AlkB、ALKBH2和ALKBH3的酶活性，還增加細胞對主要產(chǎn)生1mA和3mC病變的甲基甲烷磺酸鹽的敏感性。通過結合復合物結構和體內外的實驗結果，認為大黃酸是特異性的靶向ALKBH介導的DNA修復作用的抑制劑。這些ALKBH3的小分子抑制劑的發(fā)現(xiàn)和研究，清晰地顯示出了發(fā)展ALKBH3特異性抑制劑作為全新低毒副作用抗腫瘤治療藥物的潛力，也為日后相關藥物的進一步開發(fā)和研究奠定了的前期基礎。

5 總結與展望

隨著對ALKBH3分子機制和生物功能的研究，ALKBH3在DNA和RNA的烷基化修復，維持DNA結構穩(wěn)定，調控基因復制、轉錄和翻譯，促進腫瘤增殖和侵襲，協(xié)助腫瘤抵抗化療試劑烷基化損傷等方面的生物功能逐步被揭示，顯示了其獨特而強大的生物功能，以及作為新的臨床生物標志物和藥物靶標在臨床癌癥治療中的巨大潛力。本文對ALKBH3在這些方面的研究進展進行了綜述，以期為靶向ALKBH3的抗腫瘤先導小分子開發(fā)提供思路。

目前，對ALKBH3的研究尚有幾個亟待解決的問題：①對于ALKBH3底物選擇特異性的研究僅僅建立在氨基酸突變和催化活性比較的基礎上，其與ssDNA和RNA的特異性結合與識別的分子機制仍然有待更具有說服力的直接證據(jù)進行闡明。通過發(fā)展能共價交聯(lián)ALKBH3的非天然核苷酸技術，獲得ALKBH3-核酸共價交聯(lián)復合物，解析其晶體結構可能是解決該問題的發(fā)展方向。②對于ALKBH3的生理功能以及調控機制的研究仍不完善，發(fā)現(xiàn)ALKBH3調節(jié)通路中的上下游因子可以為靶向ALKBH3的治療提供更多的可能性。③眾多的證據(jù)表明了ALKBH3可以作為癌癥治療中一個全新的藥物發(fā)現(xiàn)靶點，ALKBH3特異性小分子抑制劑的研究才剛起步，進一步加大對靶向ALKBH3的小分子抑制劑研發(fā)有希望成為日后抗癌藥物的重要研發(fā)方向之一。

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