ID4基因的研究進(jìn)展

馮 燕,李 薇,黨艷輝,,3,盧學(xué)春

(1.吉化集團(tuán)公司總醫(yī)院 化療科,吉林 吉林132022;2.吉林大學(xué)第一醫(yī)院腫瘤中心,吉林長(zhǎng)春130021;3.解放軍總醫(yī)院 老年血液科,北京100853)

癌基因的活化(如 ras基因、bcr-abl基因)或/和抑癌基因的失活(如P53基因、Rb基因)與腫瘤的發(fā)生密切相關(guān)。ID4基因是1994年Riechmann等首次從小鼠中分離鑒定的,發(fā)現(xiàn)該基因在胚胎發(fā)育的9.5d-13.5d是上調(diào)的,且在成人的腦、睪丸和腎臟器官高表達(dá)[1]。在1995年,人的ID4基因被成功定位在染色體6p21.3-p22,同時(shí)發(fā)現(xiàn)通過(guò)增強(qiáng)ID4蛋白的表達(dá)可以抑制肌酸激酶E-box增強(qiáng)子的活化作用。ID4在不同腫瘤和同一腫瘤的不同階段可能具有不同的作用,本文對(duì)ID4基因的研究現(xiàn)狀做一小結(jié)。

1 ID4基因的分子結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

ID4基因是堿性螺旋環(huán)螺旋轉(zhuǎn)錄因子(bHLH)的抑制因子,其編碼的ID4蛋白的HLH區(qū)域能調(diào)節(jié)各種bHLH的同源或異源二聚體,但由于缺少堿性DNA結(jié)合的區(qū)域因此不能序列特異性結(jié)合到DNA共同的E-box盒上調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)錄功能,但卻可以與bHLH結(jié)合形成異二聚體,阻止了DNA與bHLH的結(jié)合從而形成轉(zhuǎn)錄失活,穩(wěn)定這些堿性轉(zhuǎn)錄蛋白調(diào)節(jié)子二聚體,調(diào)節(jié)細(xì)胞的分化、增殖和凋亡。ID4基因啟動(dòng)子區(qū)在-269-+10是ID4基因的核心啟動(dòng)子區(qū),是ID4基因啟動(dòng)轉(zhuǎn)錄所必需的序列[2]。在5'側(cè)翼區(qū)的TATA盒下游具有兩個(gè)重要的功能元件調(diào)控ID4基因啟動(dòng)子的活性。其中一個(gè)含有E-box盒的順式作用元件,能與包含Bhlh-zip上游刺激因子轉(zhuǎn)錄子(USF)結(jié)合,能使ID4激活;其二是位于轉(zhuǎn)錄起始位點(diǎn)下游的GA結(jié)合序列,它的突變可導(dǎo)致轉(zhuǎn)錄活性增加20倍。于力[4]等的研究結(jié)果推測(cè)在-454至-269區(qū)域存在增加啟動(dòng)子活性的增強(qiáng)子結(jié)構(gòu);在+10和+276之間可能存在具有抑制活性的下游調(diào)控元件,具有抑制ID4表達(dá)的作用。盧學(xué)春[3]應(yīng)用互聯(lián)網(wǎng)結(jié)合人類基因組等數(shù)據(jù)庫(kù)分析發(fā)現(xiàn)ID4基因在長(zhǎng)度為l 300 bp的ID4啟動(dòng)子區(qū),存在多個(gè)順式結(jié)構(gòu),其中包括Spl、C-Myb、abaA、C/EBPalpha、GR、ERE 和Zeste 可能具有正向調(diào)控作用;而另外存在的 CCAAT—binding factor、GCF、wTl—KTS、HiNF-C和EGR2作用元件可能對(duì)其具有負(fù)向調(diào)控的作用[3]。

2 ID4基因的表達(dá)譜及表達(dá)調(diào)控機(jī)制

ID4基因蛋白編碼161個(gè)氨基酸,其啟動(dòng)子區(qū)E-box盒順式作用元件能與包含Bhlh-zip上游刺激因子轉(zhuǎn)錄子(USF)結(jié)合,研究發(fā)現(xiàn)增加USF的表達(dá)可以激活E-box盒介導(dǎo)的啟動(dòng)子的活化作用,從而使ID4的活性增加;而在共轉(zhuǎn)染實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)ID4的表達(dá)抑制了bHLH介導(dǎo)的活化作用,并且發(fā)現(xiàn)與ID2啟動(dòng)子相似,ID4啟動(dòng)子的活化的調(diào)控是負(fù)反饋調(diào)節(jié)環(huán)。此外ID4轉(zhuǎn)錄的調(diào)控是受Sp1/Sp3正性和負(fù)性雙重調(diào)節(jié)。通常特異性β1糖蛋白(Sp1)被認(rèn)為是細(xì)胞活病毒啟動(dòng)子的激活劑,它的突變可以導(dǎo)致轉(zhuǎn)錄失活,Sp3通常被定義為是Sp1介導(dǎo)活化抑制劑,它同Sp1競(jìng)爭(zhēng)的結(jié)合到相同的位點(diǎn)識(shí)別區(qū),而最近有大量證據(jù)證明Sp3具有雙重功能,在啟動(dòng)子中與同源DNA結(jié)合位點(diǎn)結(jié)合,可以調(diào)控Sp1介導(dǎo)的轉(zhuǎn)錄強(qiáng)度。在Riechmann的研究中發(fā)現(xiàn)應(yīng)用凝膠電泳分析和果蠅轉(zhuǎn)染技術(shù)發(fā)現(xiàn)Sp1和Sp3是轉(zhuǎn)錄抑制因子,在ID4基因中Sp1/Sp3GA結(jié)合位點(diǎn)突變部分抑制ID4啟動(dòng)子轉(zhuǎn)錄活性,這表明Sp1依賴的轉(zhuǎn)錄是受特殊的細(xì)胞周期調(diào)控蛋白影響的,據(jù)報(bào)道RB和P107活化或抑制Sp1依賴的轉(zhuǎn)錄,具有細(xì)胞類型依賴的特點(diǎn),RB可以直接刺激Sp1從負(fù)性調(diào)節(jié)子中釋放活化。最近有報(bào)道證明Sp1通過(guò)抑制人腺嘌呤苷酸轉(zhuǎn)移酶(ANA)核心啟動(dòng)子從而抑制了轉(zhuǎn)錄[5]。在ANA和ID4啟動(dòng)子中,Sp1結(jié)合抑制序列位于TATAbox的下游,Sp1和Sp3與GA序列結(jié)合后使轉(zhuǎn)錄效率減低。因此Sp1和Sp3在TATAbox的下游結(jié)合,下調(diào)或改變轉(zhuǎn)錄活性及轉(zhuǎn)錄效率。Sp3是Sp1介導(dǎo)的活化抑制劑,它同Sp1競(jìng)爭(zhēng)相同的結(jié)合位點(diǎn),表明Sp3在單一結(jié)合位點(diǎn)上是活化劑,而在多重結(jié)合位點(diǎn)上是抑制劑,而總之ID4的轉(zhuǎn)錄調(diào)控是高度復(fù)雜的。

研究發(fā)現(xiàn)ID4蛋白在腦、甲狀腺和胚胎中表達(dá)豐富,在淋巴結(jié)及胚胎干細(xì)胞中也有低表達(dá),而在腦腫瘤、甲狀腺濾泡瘤、乳腺癌中表達(dá)量高于正常組織[6]。近年來(lái)在腦腫瘤的研究中發(fā)現(xiàn)通過(guò)BMP信號(hào)抑制少突神經(jīng)膠質(zhì)前體細(xì)胞(OPCs)分化成熟為少突神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞的一個(gè)可能的機(jī)制是ID4抑制olig1/2的活性。盡管ID4在少突膠質(zhì)細(xì)胞前體細(xì)胞的再生中表達(dá),但當(dāng)OPCs分化成熟的時(shí)候其表達(dá)量進(jìn)行性的降低。在OPCs中ID4過(guò)表達(dá)抑制少突神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞分化,其表達(dá)的下調(diào)可以誘導(dǎo)體外過(guò)早分化。ID4在OPCs胞漿中結(jié)合olig1 and olig2阻止了 olig1 and olig2轉(zhuǎn)入到胞核內(nèi),因此阻止olig1 and olig2與靶DNA的結(jié)合。研究推測(cè)其另一個(gè)機(jī)制是BMP信號(hào)抑制成人OPC分化OL的機(jī)制,使olig1 and olig2的下調(diào)。過(guò)表達(dá)的olig1 and olig2可以翻轉(zhuǎn)BMP信號(hào)在OPC分化為少突膠質(zhì)細(xì)胞(OL)的抑制作用,這進(jìn)一步證明了BMP信號(hào)途徑通過(guò)下調(diào)olig1 and olig2阻止了OPC分化為OL。因此通過(guò)增加ID4的表達(dá),使olig1 and olig2表達(dá)的下調(diào)、活性受抑,協(xié)同抑制OPC的分化,增加星形細(xì)胞生成[7]。在對(duì)乳腺癌的研究中發(fā)現(xiàn),ID4被BRCA1相互調(diào)節(jié)的,兩者可以建立一個(gè)調(diào)節(jié)環(huán),在研究初發(fā)乳腺癌和卵巢癌細(xì)胞中BRCA1和ID4蛋白表達(dá)的關(guān)系上發(fā)現(xiàn)其與初發(fā)浸潤(rùn)性導(dǎo)管癌和卵巢腺癌高度相關(guān),推測(cè)BRCA1和ID4調(diào)節(jié)環(huán)斷裂可能是許多乳腺和卵巢癌發(fā)生的分子途徑。而在睪丸支持細(xì)胞的研究中發(fā)現(xiàn)ID4mRNA在FSH和cAMP作用后表達(dá)上調(diào);在分化的脂肪細(xì)胞中ID4可被胰島素、地塞米松等上調(diào),在星形細(xì)胞中被cAMP上調(diào),我們推測(cè)ID4基因的調(diào)節(jié)存在組織選擇性和特異性的bHLH轉(zhuǎn)錄因子的選擇性,與其相結(jié)合bHLH轉(zhuǎn)錄因子的種類和功能不同,ID4的作用也不同。

最近一項(xiàng)研究發(fā)現(xiàn),ER增加引起B(yǎng)rca1上調(diào),ID4表達(dá)減少.盧學(xué)春通過(guò)生物信息學(xué)分析總結(jié)了ID4表達(dá)調(diào)節(jié)相關(guān)的因素:ID4基因的表達(dá)存在正向和負(fù)向調(diào)控兩種作用,其中正向調(diào)控因素或物質(zhì)包括:地塞米松、cAMP、全反式維甲酸、炎性物質(zhì)白三烯(LTD4)、干擾素β和干擾素γ,負(fù)向調(diào)控表達(dá)的因素或物質(zhì)包括:甲基化、ZVAD和1,25二羥維生素D3[3]。

3 ID4基因的功能

研究表明,ID4基因在腦腫瘤及甲狀腺濾泡瘤中表達(dá)增加,而在生殖系統(tǒng)、消化系和造血系惡性腫瘤中,由于啟動(dòng)子區(qū)高度的甲基化而發(fā)生表達(dá)減低或沉默,因此在某種程度上其更傾向于抑癌基因。在腦腫瘤中發(fā)現(xiàn),ID4通過(guò)下調(diào)細(xì)胞周期和分化控制,上調(diào)cycline E和活化notch1信號(hào)完成的,從而驅(qū)動(dòng)星形細(xì)胞的惡變[8]。

2004年國(guó)際上首次報(bào)道了原發(fā)結(jié)腸直腸癌細(xì)胞系中ID4基因超甲基化失活,mRNA表達(dá)受抑,應(yīng)用5-氮雜胞苷處理后可使其恢復(fù)。指出ID4是細(xì)胞分化的主要控制基因,ID4基因甲基化是結(jié)腸直腸癌一個(gè)不依賴于TNM分級(jí)和CRC分期的預(yù)后指標(biāo)。隨后的研究證實(shí),ID4啟動(dòng)子區(qū)CpG島甲基化由cdc42誘導(dǎo)[9]。在其他的各種腫瘤(如膽管癌、前列腺癌、Barrett食管和食管癌)中,同樣也發(fā)現(xiàn)了ID4啟動(dòng)子CpG島存在高度的甲基化的情況,這可能和腫瘤的預(yù)后及早期轉(zhuǎn)移有關(guān)。

在血液系統(tǒng)腫瘤中,我國(guó)學(xué)者于力[4]首次報(bào)道了ID4基因啟動(dòng)子區(qū)的高度甲基化導(dǎo)致該基因沉默,與白血病的發(fā)生密切相關(guān)。隨后大量研究發(fā)現(xiàn),在多種白血病細(xì)胞系中,ID4基因啟動(dòng)子區(qū)因異常甲基化導(dǎo)致ID4基因表達(dá)受抑,這也許可以作為化療后及干細(xì)胞移植后疾病復(fù)發(fā)、檢測(cè)微小殘留病及評(píng)價(jià)血液病預(yù)后的指標(biāo)[10]。在一項(xiàng)對(duì)非霍淋巴瘤患者的研究中,發(fā)現(xiàn)ID4啟動(dòng)子區(qū)甲基化是非霍淋巴瘤易于骨髓浸潤(rùn)的指示信號(hào)。但有趣的是,在分析ID4基因沉默對(duì)MEL細(xì)胞系的影響時(shí)發(fā)現(xiàn),該基因的沉默顯著抑制了MEL細(xì)胞的增殖,而細(xì)胞的分化率提高了84倍,細(xì)胞的死亡率和凋亡率增加,但基因的沉默對(duì)促進(jìn)分化占優(yōu)勢(shì),推測(cè)ID4可能是調(diào)控和保持分化的重要因子[11]。但目前卻有研究發(fā)現(xiàn)在t(6;14)(p22;q32)前體B細(xì)胞急性淋巴細(xì)胞白血病患者其ID4基因高表達(dá),并且初步認(rèn)為這群人對(duì)化療療效較好[14]。盡管這樣的病例較少,但值得重視。

在乳腺癌中,最初發(fā)現(xiàn)ID4可以下調(diào)人乳腺癌易感性相關(guān)基因Bral的表達(dá),而Brcal同樣也調(diào)節(jié)ID4的表達(dá),因此認(rèn)為存在Brcal-ID4調(diào)節(jié)環(huán)。而在人乳腺癌中,該調(diào)節(jié)環(huán)的斷裂引起腫瘤的發(fā)生,可能是 ID4和Brcal的共調(diào)節(jié)增加ID4對(duì)乳腺上皮細(xì)胞的致癌作用。在PhIP(一種苯的類似物)誘導(dǎo)的乳腺癌小鼠模型中發(fā)現(xiàn),ID4表達(dá)增加而brcal表達(dá)減低,因此作者認(rèn)為該調(diào)節(jié)環(huán)未斷裂,認(rèn)為ID4在鼠乳腺癌細(xì)胞中過(guò)表達(dá)的,而ID4過(guò)表達(dá)通過(guò)抑制乳腺上皮細(xì)胞分化,擴(kuò)大細(xì)胞增殖引起乳腺癌的發(fā)生[12],據(jù)此推測(cè)ID4是乳腺癌的癌基因,并且將成為乳腺癌治療的靶點(diǎn)。但也有研究發(fā)現(xiàn),ID4基因在特定的乳腺癌組織是不表達(dá)或低表達(dá);ID4的超甲基化可以用作乳腺癌獨(dú)立于CRC分期及TNM分級(jí)的預(yù)后評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)。近來(lái)一項(xiàng)研究發(fā)現(xiàn)是ID4基因啟動(dòng)子區(qū)高度甲基化使ID4表達(dá)沉默,導(dǎo)致乳腺癌的發(fā)生,并且認(rèn)為ID4基因的沉默是乳腺癌不利的預(yù)后因素,容易導(dǎo)致腫瘤早期淋巴結(jié)轉(zhuǎn)移[13]。

4 展望

ID4基因在不同腫瘤中的作用因具有異質(zhì)性而備受關(guān)注。在腦腫瘤中似乎是明確的癌基因,而在消化系腫瘤中又被認(rèn)為是抑癌基因,但在血液病和乳腺癌中目前卻出現(xiàn)了一些與以往研究不相符的結(jié)果。雖然ID4基因的沉默或表達(dá)下調(diào)可引起白血病的發(fā)生,但在伴有t(6;14)(p22;q32)B細(xì)胞急性淋巴細(xì)胞白血病和紅白血病中卻發(fā)現(xiàn)該基因表達(dá)量增加,而在乳腺癌中亦發(fā)現(xiàn)有些患者ID4基因表達(dá)增加而有些患者ID4表達(dá)減少或不表達(dá)。那么為什么在眾多一致的結(jié)果中會(huì)出現(xiàn)與其相悖的現(xiàn)象呢?我們有必要從該基因的分子結(jié)構(gòu)本身、從與該基因相互作用的分子通路上、從該基因?qū)?xì)胞周期,細(xì)胞的增殖、分化和凋亡的水平、從該基因?qū)Σ煌愋图?xì)胞的調(diào)控中做進(jìn)一步探討。從ID4基因的分子結(jié)構(gòu)上看,因ID4含有HLH結(jié)構(gòu)域,因此可以與具有HLH結(jié)構(gòu)的bHLH、dnHLH及zip-HLH各種轉(zhuǎn)錄因子結(jié)合,因此是不是可以認(rèn)為正是由于結(jié)合了不同類型的HLH而發(fā)揮不同的作用呢;從ID4基因的表達(dá)調(diào)控上看,ID4基因及與其相互作用的細(xì)胞因子是不是參與了細(xì)胞發(fā)育的不同過(guò)程,參與了不同的細(xì)胞通路,因此它在有些疾病中扮演了癌基因的作用而在有些疾病中又扮演了抑癌基因的作用;此外ID4作用是否具有組織或細(xì)胞特異性呢?它對(duì)某一類具有共同分子標(biāo)志的細(xì)胞是調(diào)控其增殖的,而針對(duì)另一類細(xì)胞則是調(diào)控細(xì)胞的分化或者凋亡呢?此外我們有必要從細(xì)胞周期檢查點(diǎn)的方面進(jìn)一步明確其對(duì)細(xì)胞周期的影響。因此對(duì)于ID4基因的表達(dá)及其功能需要進(jìn)一步探討。

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