OMIM Entry – * 609132-LISINA DEMETILASI 1A; KDM1A

TESTO

La metilazione dell’istone H3 (vedi 602810) lys4 (H3K4) è un’importante modifica epigenetica coinvolta nell’attivazione genica. H3K4 di-e trimetilazione (H3K4me2 e H3K4me3, rispettivamente) residui segnano i siti di inizio trascrizione di geni trascritti attivamente, mentre un alto livello di monometilazione H3K4 (H3K4me1) è associato con sequenze enhancer. KDM1A e KDM1B (613081) sono demetilasi di H3K4me1 e H3K4me2 e causano la repressione genica (riassunto di Shao et al., 2014).

Sequenziando cloni ottenuti da una libreria di cDNA del cervello frazionato, Nagase et al. (1998) clonato KDM1A, che hanno chiamato KIAA0601. La proteina dedotta contiene 886 aminoacidi. RT-PCR ha rilevato l’espressione di KDM1A in quasi tutti i tessuti testati, con i livelli più alti nei reni e nei testicoli. Poca o nessuna espressione è stata rilevata nel pancreas e nella milza.

Shi et al. (2004) ha riferito che la proteina KDM1A, che hanno chiamato LSD1, ha un dominio di SWIRM N-terminale, che si trova nelle proteine coinvolte nella regolazione della cromatina, seguita da un motivo di legame FAD e un dominio di ammina ossidasi. Cercando le proteine con entrambi i domini dell’ossidasi dell’ammina e di SWIRM, hanno identificato AOF1 (KDM1B) come proteina umana del tipo di LSD1 come pure parecchie proteine del tipo di LSD1 in C. elegans, Drosophila, Arabidopsis e S. pombe.

Hakimi et al. (2003) ha identificato una famiglia di complessi di corepressori multiproteici che funzionano modificando la struttura della cromatina per mantenere i geni silenziosi. La composizione polipeptidica di questi complessi comprende un nucleo comune di 2 subunità, HDAC1 (601241) / HDAC2 (605164) e la proteina FAD-binding AOF2, che gli autori hanno chiamato BHC110. Altre subunità di questi complessi includono ZNF261 (300061), GTF2I (601679) e polipeptidi associati a traslocazioni cromosomiche che causano il cancro.

Le modifiche posttranslazionali delle code dell’istone N-terminale influenzano la struttura della cromatina e la trascrizione genica. Shi et al. (2004) ha osservato che, mentre l’entità dell’acetilazione dell’istone è determinata sia dalle acetiltransferasi che dalle deacetilasi, non è chiaro se la metilazione dell’istone sia regolata anche da enzimi con attività opposte. Hanno fornito la prova che LSD1, un omologo nucleare delle ossidasi dell’ammina, funziona come demetilasi dell’istone e corepressore trascrizionale. LSD1 specificamente demethylated H3K4, che è collegato alla trascrizione attiva. La demetilazione della lisina si è verificata tramite una reazione di ossidazione che ha generato formaldeide. L’inibizione di LSD1 da interferenza del RNA ha causato un aumento nella metilazione H3K4 e la derepressione concomitante dei geni dell’obiettivo, suggerenti che LSD1 reprime la trascrizione via demetilazione dell’istone. I risultati hanno quindi identificato una demetilasi istonica conservata da S. pombe all’uomo e hanno rivelato una regolazione dinamica della metilazione dell’istone da parte sia delle metilasi istoniche che delle demetilasi.

Forneris et al. (2005) ha scoperto che l’LSD1 umano ricombinante si comportava come un tipico flavoenzima della classe ossidoreduttasi/ossidasi in vitro. LSD1 ha catalizzato l’ossidazione a 2 elettroni del suo substrato e ha convertito l’ossigeno in perossido di idrogeno. Gli amminoacidi C-terminali 702 di LSD1 contenevano il sito funzionale di demetilazione dell’istone e il FAD strettamente legato, indicando che gli amminoacidi N-terminali non sono cruciali per l’attività o il legame del cofattore. Forneris et al. (2005) ha osservato che la generazione di perossido di idrogeno nell’ambiente della cromatina potrebbe favorire il danno ossidativo del DNA e potrebbe essere dannoso. Hanno proposto che LSD1 potrebbe non funzionare come ossidasi in vivo e che molecole diverse dall’ossigeno potrebbero funzionare come accettori di elettroni nelle reazioni di demetilazione.

Shi et al. (2005) ha scoperto che l’LSD1 umano ricombinante non era in grado di demetilare i substrati nucleosomiali, ma l’LSD1 purificato dalle cellule HeLa demetilava gli istoni indipendentemente dal fatto che i substrati fossero istoni sfusi o istoni assemblati in nucleosomi. Con spettrometria di massa e analisi Western blot, hanno scoperto che LSD1 associato a un complesso contenente HDAC1, HDAC2, CTBP1 (602618), RCOR (607675), BHC80 (608325) e BRAF35 (HMG20B; 605535), tra gli altri. All’interno di questo gruppo, RCOR ha regolato positivamente la funzione LSD1 in vitro e BHC80 ha inibito la demetilazione mediata da RCOR/LSD1. I nucleosomi iperacetilati erano meno sensibili alla demetilazione mediata da RCOR/LSD1, suggerendo che i nucleosomi ipoacetilati possono essere i substrati fisiologici preferiti. Shi et al. (2005) ha proposto che le deacetilasi dell’istone e LSD1 possano collaborare per generare un ambiente repressivo della cromatina.

Lee et al. (2005) ha mostrato che i complessi contenenti BHC110 hanno mostrato un aumento vicino a 5 volte nella demetilazione dell’istone H3K4 rispetto al BHC110 ricombinante. Inoltre, il ricombinante BHC110 non è stato in grado di demetilare H3K4 sui nucleosomi, ma i complessi contenenti BHC110 hanno prontamente demetilato i nucleosomi. La ricostituzione in vitro del complesso BHC utilizzando subunità ricombinanti ha rivelato un ruolo essenziale per il RESTO corepressore CoREST (607675), non solo nello stimolare la demetilazione sugli istoni core ma anche nella promozione della demetilazione dei substrati nucleosomiali. Lee et al. (2005) ha scoperto che la demetilazione nucleosomiale era il risultato di CoREST che migliorava l’associazione tra BHC110 e nucleosomi. L’esaurimento di CoREST in coltura cellulare in vivo ha provocato la derepressione dell’espressione genica reattiva al RIPOSO e l’aumento della metilazione di H3K4. Presi insieme, Lee et al. (2005) ha concluso che i loro risultati evidenziano un ruolo essenziale per CoREST nella demetilazione di H3K4 sia in vitro che in vivo.

Metzger et al. (2005) ha mostrato che LSD1 colocalizzato con il recettore degli androgeni (AR; 313700) nel normale tumore della prostata e della prostata umana. LSD1 ha interagito con AR in vitro e in vivo e stimolato la trascrizione AR-dipendente. Al contrario, l’abbattimento dei livelli di proteina LSD1 ha abrogato l’attivazione trascrizionale indotta da androgeni e la proliferazione cellulare. Le analisi di immunoprecipitazione della cromatina hanno dimostrato che AR e LSD1 formano complessi associati alla cromatina in modo ligando-dipendente. LSD1 allevia i segni repressivi dell’istone dalla demetilazione dell’istone H3 a lisina – 9 (H3K9), quindi piombo alla derepressione dei geni dell’obiettivo di AR. Inoltre, Metzger et al. (2005) ha identificato pargyline come inibitore di LSD1. Pargyline blocca la demetilazione di H3K9 da parte di LSD1 e di conseguenza la trascrizione AR-dipendente. Pertanto, la modulazione dell’attività LSD1 offre una strategia per regolare le funzioni AR. Metzger et al. (2005) ha collegato la demetilazione di un segno repressivo dell’istone con l’attivazione genica AR-dipendente, fornendo così un meccanismo mediante il quale le demetilasi controllano l’espressione genica specifica.

Wang et al. (2007) ha riferito che l’istone lisina demetilasi LSD1, un componente del complesso corepressore CoREST-CtBP (602618), è richiesto per la determinazione e la differenziazione del lignaggio cellulare tardivo durante l’organogenesi ipofisaria. LSD1 sembra agire principalmente sui programmi di attivazione del gene bersaglio, così come nei programmi di repressione genica, sulla base del reclutamento di coattivatori o complessi corepressori contenenti LSD1 distinti. I programmi di repressione genica LSD1-dipendenti possono essere estesi in ritardo nello sviluppo con l’espressione indotta di ZEB1 (189909), un repressore simile a Kruppel che può fungere da faro molecolare per il reclutamento del complesso corepressore CoREST-CtBP contenente LSD1, causando la repressione di una coorte aggiuntiva di geni, come Gh (139250), che in precedenza richiedeva LSD1 Wang et al. (2007) ha concluso che i modelli temporali di espressione di componenti specifici di complessi LSD1 modulano i programmi di regolazione genica in molti organi di mammiferi.

Mediante saggi di coimmunoprecipitazione con cellule di topo e umane, Saleque et al. (2007) ha mostrato che LSD1, COREST, HDAC1 e HDAC2 interagivano sia con GFI1 (600871) che con GFI1B (604383) in complessi endogeni. Il dominio N-terminal SNAG repression di GFI1 e GFI1B era necessario per la loro associazione con COREST e LSD1. Il topo Gfi1b ha reclutato questi cofattori nella maggior parte dei promotori genici bersaglio in vivo. Inibizione della differenziazione perturbata di Corest e Lsd1 delle cellule eritroidi, megacariocitiche e granulocitiche del topo, nonché dei progenitori eritroidi primari. Lsd1 deplezione derepressed GFI obiettivi in modelli specifici del lignaggio, accompagnato da una maggiore metilazione H3 lys4 ai rispettivi promotori. Saleque et al. (2007) ha concluso che i complessi GFI catalizzano la modifica degli istoni seriali dei loro obiettivi, portando al loro silenziamento graduato.

Huang et al. (2007) ha dimostrato che nelle cellule umane la demetilasi LSD1 istone lisina-specifica interagisce con p53 (191170) per reprimere l’attivazione trascrizionale mediata da p53 e per inibire il ruolo di p53 nella promozione dell’apoptosi. Hanno scoperto che in vitro, LSD1 rimuove sia la monometilazione (K370me1) che la dimetilazione (K370me2) a K370, un sito di monometilazione dipendente da Smyd2 (610663). Tuttavia, in vivo, LSD1 ha mostrato una forte preferenza per invertire K370me2, che viene eseguita da una distinta, ma sconosciuta, metiltransferasi. Huang et al. (2007) ha concluso che K370me2 ha un ruolo diverso nella regolazione di p53 da quello di K370me1: K370me1 reprime la funzione p53, mentre K370me2 promuove l’associazione con il coattivatore 53BP1 (605230). Le osservazioni di Huang et al. (2007) ha dimostrato che p53 è regolato dinamicamente dalla metilazione e dalla demetilazione della lisina e che lo stato di metilazione a un singolo residuo di lisina conferisce un output normativo distinto.

Perillo et al. (2008) ha analizzato come la metilazione dell’istone H3 e la demetilazione controllano l’espressione dei geni che rispondono agli estrogeni e hanno dimostrato che un recettore degli estrogeni legato al DNA (vedi ESRA; 133430) dirige la trascrizione partecipando alla cromatina di piegatura per contattare l’RNA polimerasi II (vedi 180660) reclutato al promotore. Questo processo è guidato dalla demetilazione mirata al recettore di H3K9 (vedere 601128) sia nei siti di enhancer che in quelli di promotore e si ottiene mediante l’attivazione della demetilasi LSD1 residente. La demetilazione localizzata produce perossido di idrogeno, che modifica il DNA circostante e recluta 8-oxoguanina-DNA glicosilasi 1 (601982) e topoisomerasi II-beta (126431), innescando cambiamenti conformazionali della cromatina e del DNA che sono essenziali per la trascrizione indotta dagli estrogeni. Perillo et al. (2008) ha concluso che i loro dati hanno mostrato una strategia che utilizza danni e riparazioni al DNA controllati per guidare la trascrizione produttiva.

Un complesso corepressore trascrizionale contenente LSD1, COREST e HDAC1 reprime la trascrizione rimuovendo le modifiche degli istoni associate all’attivazione trascrizionale. Gocke e Yu (2008) hanno scoperto che ZNF198 (ZMYM2; 602221) e REST (600571) hanno interagito con LSD1/COREST/HDAC1 in modo reciprocamente esclusivo nelle linee cellulari umane. ZNF198 era necessario per la repressione dell’E-caderina (CDH1; 192090), ma non per i geni reattivi al RIPOSO. ZNF198 ha interagito con la cromatina e ha stabilizzato il complesso LSD1 / COREST / HDAC1 sulla cromatina. Il dominio MYM di ZNF198 ha mediato l’interazione di ZNF198 con LSD1 / COREST / HDAC1. La sumoilazione di HDAC1 da parte di SUMO2 (603042) ha migliorato il suo legame con ZNF198 tramite un meccanismo non covalente, ma ha anche indebolito l’interazione tra HDAC1 e COREST.

Utilizzando immunoprecipitazione della cromatina, PCR, coimmunoprecipitazione e analisi reporter, Liang et al. (2009) ha scoperto che l’infezione da alfa-herpesvirus, virus herpes simplex (HSV; vedere 610551) e virus varicella zoster (VZV), ha provocato un rapido accumulo di metilazione repressiva dell’istone H3 lys9 (H3K9) della cromatina. L’espressione dei geni iniziali immediati virali (IE) ha richiesto il fattore-1 della cellula ospite (HCF1, o HCFC1; 300019) reclutare LSD1 ai promotori iniziali immediati virali. La deplezione di LSD1 o l’inibizione dose-dipendente di LSD1 con inibitori delle monoamino ossidasi (IMAO) ha determinato l’accumulo di cromatina repressiva e un blocco dell’espressione genica virale. HCF1, insieme a SET1 (SETD1A; 611052) e MLL1 (159555), modulazione coordinata dei livelli repressivi di metilazione H3K9 con aggiunta di segni di trimetilazione H3K4 attivanti. Liang et al. (2009) ha concluso che LSD1 impedisce l’accumulo di metilazione H3K9 e consente un’infezione produttiva da entrambi gli alfa-herpesvirus. Hanno proposto che la dipendenza dei patogeni virali dal macchinario della cromatina delle cellule ospiti evidenzi un potenziale intervento terapeutico e che il targeting per LSD1 con IMAO ampiamente utilizzato possa impedire la latenza e la riattivazione virale.

Wang et al. (2009) ha dimostrato che LSD1 è richiesto per la gastrulazione durante l’embriogenesi del topo. In particolare, la delezione mirata del gene che codifica LSD1 nelle cellule staminali embrionali induce una progressiva perdita di metilazione del DNA. Questa perdita è correlata con una diminuzione della proteina DNA metiltransferasi-1 (DNMT1; 126375), a seguito della ridotta stabilità del Dnmt1. La proteina Dnmt1 è metilata in vivo e la sua metilazione è migliorata in assenza di LSD1. Inoltre, Dnmt1 può essere metilato da Set7 / 9 (noto anche come KMT7, 606594) e demetilato da LSD1 in vitro. Wang et al. (2009) ha concluso che LSD1 demetila e stabilizza Dnmt1, fornendo così un legame meccanicistico precedentemente sconosciuto tra i sistemi di metilazione dell’istone e del DNA.

Utilizzando cellule umane K562 e mouse MEL eritroleukemia e cellule umane Jurkat leucemia a cellule T, Hu et al. (2009) ha dimostrato che il fattore di trascrizione TAL1 (187040) interagiva direttamente con LSD1 in 2 distinti complessi proteici contenenti HDAC1. LSD1 inibiva l’attività reporter mediata da TAL1 in modo dose-dipendente e questa inibizione richiedeva il dominio dell’istone demetilasi di LSD1. Tal1 associato con Lsd1 e demetilasi attività in indifferenziati cellule MEL, ma non durante il periodo in cui le cellule MEL è stato impegnato a differenziazione. L’associazione di Tal1 con il complesso Lsd1 è stata recuperata durante le ultime fasi di differenziazione. Tal1 ha legato 2 motivi GATA E-box nel promotore prossimale del gene che codifica per la proteina di membrana eritroide P4.2 (EPB42; 177070) e ha mirato Lsd1 al promotore P4.2. Targeting di Lsd1 al promotore P4.2 correlato con metilazione H3K4 al promotore P4.2. A seguito di differenziazione, Lsd1 dissociato dal promotore, permettendo Tal1-mediata P4.2 trascrizione. Il knockdown di Lsd1 via il breve RNA della forcella in cellule di MEL ha provocato l’espressione aumentata di P4.2 e Gata2 (137295) e un aumento di H3K4 dimetilato al promotore P4.2. Hu et al. (2009) ha concluso che l’attività dell’istone demetilasi H3K4 di LSD1 è in parte responsabile dell’attività repressiva di TAL1 e limita la funzione TAL1 nell’emopoiesi.

Metzger et al. (2010) ha dimostrato che la fosforilazione dell’istone H3 (601128) a treonina-6 (H3T6) da parte della protein chinasi C (PKC)-beta-1 (176970) è l’evento chiave che impedisce all’LSD1 di demetilare H3K4 durante l’attivazione genica dipendente dal recettore degli androgeni (AR; 313700). In vitro, i peptidi istonici H3 metilati a lisina-4 e fosforilati a treonina-6 non erano più substrati di LSD1. In vivo, PKC-beta-1 colocalizzato con AR e LSD1 sui promotori del gene bersaglio e H3T6 fosforilato dopo l’espressione genica indotta da androgeni. Il knockdown mediato da RNAi di PKC-beta-1 ha abrogato la fosforilazione di H3T6, ha migliorato la demetilazione a H3K4 ed ha inibito la trascrizione AR-dipendente. L’attivazione di PKCB1 richiede il reclutamento androgeno-dipendente della chinasi chinasi C-chinasi correlata del gatekeeper 1 (PRK1; 601032). In particolare, l’aumento dei livelli di PKCB1 e H3T6 fosforilato (H3T6ph) è correlato positivamente con alti punteggi di Gleason dei carcinomi della prostata e l’inibizione della proliferazione delle cellule tumorali indotta da AR bloccata da PKC-beta-1 in vitro e la progressione del cancro degli xenotrapianti tumorali in vivo. Insieme, Metzger et al. (2010) ha concluso che la segnalazione della chinasi androgeno-dipendente porta alla scrittura del nuovo marchio di cromatina H3T6ph, che di conseguenza impedisce la rimozione dei segni metilici attivi da H3K4 durante l’espressione genica stimolata dall’AR.

Whyte et al. (2012) ha dimostrato che l’istone demetilasi LSD1, che demetila l’istone H3 su lys4 o lys9 (H3K4/K9), è essenziale nella disattivazione degli esaltatori durante la differenziazione delle cellule staminali embrionali di topo (ESC). LSD1 occupa esaltatori di geni attivi che sono fondamentali per il controllo dello stato dei CES. Tuttavia, LSD1 non è essenziale per il mantenimento dell’identità ESC. Invece, i CES privi di attività LSD1 non riescono a differenziarsi completamente e gli esaltatori ESC-specifici non riescono a subire gli eventi di demetilazione degli istoni associati alla differenziazione. A stimolatori attivi, LSD1 è un componente del complesso NuRD (nucleosoma rimodellamento e istone deacetilasi), che contiene subunità aggiuntive che sono necessarie per la differenziazione ESC. Whyte et al. (2012) ha proposto che il complesso LSD1-NuRD decommissions enhancers del programma pluripotency durante la differenziazione, che è essenziale per l’arresto completo del programma di espressione genica ESC e la transizione a nuovi stati cellulari.

Shao et al. (2014) ha esaminato i cambiamenti di H3K4me e dei suoi regolatori chiave negli ovociti di topo e negli embrioni preimpianto. Hanno osservato un aumento dei livelli di H3K4me2 e H3K4me3 negli stadi da 1 a 2 cellule, corrispondenti al periodo di attivazione del genoma embrionale. Il livello di H3K4me2 è diminuito drasticamente allo stadio a 4 cellule ed è rimasto basso fino allo stadio di blastocisti. Al contrario, il livello di H3K4me3 è diminuito transitoriamente negli embrioni a 4 cellule ma è aumentato costantemente fino al picco nelle blastocisti. Le analisi quantitative in tempo reale di PCR e immunofluorescenza hanno mostrato che l’alto livello di H3K4me2 durante l’attivazione del genoma embrionale coincideva con l’espressione di picco della sua metiltransferasi, Ash2l (604782), e una concomitante diminuzione delle sue demetilasi, Kdm5b (605393) e Kdm1a. H3K4me3 correlato con l’espressione della sua metiltransferasi, Kmt2b (606834), 180202). Shao et al. (2014) ha proposto che questi enzimi funzionino nell’attivazione del genoma embrionale e nella segregazione di primo lignaggio negli embrioni di topo preimpianto.

Utilizzando un test di immunoprecipitazione-sequenziamento della cromatina, Gao et al. (2020) ha dimostrato che LSD1 ha interagito con FOXA1 (602294) e segni di enhancer attivi nelle cellule tumorali della prostata umana e che l’inibizione dell’LSD1 ha interrotto il legame globale della cromatina FOXA1. LSD1 ha regolato positivamente il legame della cromatina di FOXA1 demetilando K270 di FOXA1. Attraverso questo meccanismo, LSD1 ha mantenuto l’accessibilità del potenziatore all’AR e ha regolato il legame con la cromatina AR e l’uscita trascrizionale. Gli inibitori di Lsd1 hanno represso la crescita del tumore dello xenotrapianto in topi castrati bloccando la demetilazione di Foxa1 K270. Ulteriori analisi hanno suggerito che l’efficacia degli inibitori dell’Lsd1 sulla soppressione del tumore era correlata ai livelli di espressione di Foxa1 e che gli inibitori dell’Lsd1 agivano in sinergia con il trattamento con antagonisti dell’Ar.

Mediante analisi ibrida di radiazioni, Nagase et al. (1998) mappato il gene AOF2 al cromosoma 1.

Gross (2014) ha mappato il gene KDM1A al cromosoma 1p36.12 sulla base di un allineamento della sequenza KDM1A (GenBank BC048134) con la sequenza genomica (GRCh37).

Un rapporto di Nunez et al. (2008) indicando che sono necessarie interazioni intercromosomiali 3-dimensionali dipendenti dal motore che coinvolgono LSD1 per ottenere una trascrizione migliorata di specifici geni bersaglio del recettore estrogeno.

Tunovic et al. (2014) ha riportato un paziente con ritardo dello sviluppo e caratteristiche facciali distintive (CPRF; 616728) che portava una mutazione missense eterozigote nel gene KDM1A (Y785H; 609132.0001). Questo paziente portava anche una delezione a 3 nucleotidi nel gene ANKRD11, mutazioni in cui causano la sindrome di KBG (148050), così come una piccola duplicazione di significato sconosciuto. Chong et al. (2016) ha riportato 2 ulteriori pazienti con mutazioni missense eterozigoti nel gene KDM1A (E403K, 609132.0002; D508G, 609132.0003). Tutti e 3 i pazienti avevano caratteristiche che si sovrapponevano a quelle della sindrome di Kabuki (147920). Nessuna delle varianti è stata trovata in oltre 71.000 exomi di controllo da database pubblici e interni. Anche se Tunovic et al. (2014) hanno considerato le mutazioni in ANKRD11 e KDM1A trovate nel loro paziente per aver influenzato il fenotipo, Chong et al. (2016) non ha considerato la mutazione ANKRD11 patogena, poiché la maggior parte delle mutazioni in ANKRD11 che provocano la sindrome di KBG sono mutazioni frameshift o nonsense, e ANKRD11 non è altamente conservata ed è altamente polimorfica nella popolazione generale. Tunovic et al. (2014) ha osservato che il gene KDM1A è nel 2% superiore dei geni vincolati evolutivi (cioè geni intolleranti alla variazione funzionale) (Samocha et al., 2014).