SMG－1在腫瘤疾病中的研究價值及進(jìn)展

王慶光 許利劍

在哺乳動物細(xì)胞內(nèi)，PIKK家族包括6個成員，分別是哺乳動物雷帕霉素靶蛋白(mTOR)，共濟(jì)失調(diào)毛細(xì)血管擴(kuò)張癥突變基因(ATM)，共濟(jì)失調(diào)毛細(xì)血管擴(kuò)張癥Rad3相關(guān)蛋白(ATR)，DNA依賴蛋白激酶催化因子(DNA－PKcs)，生殖器形成抑制基因(SMG－1)和轉(zhuǎn)化/轉(zhuǎn)錄域相關(guān)蛋白(TRRAP)。其中SMG－1是最新發(fā)現(xiàn)的成員，因與秀麗隱桿線蟲(C．elegans)的CeSMG－1蛋白同源而得名。cDNA文庫測序顯示SMG－1基因可編碼含有3031個氨基酸的蛋白質(zhì)，該蛋白包含1個保守的激酶結(jié)構(gòu)域、PIK相關(guān)激酶獨(dú)特的C－末端結(jié)構(gòu)域以及FKBP12－雷帕霉素復(fù)合物的結(jié)合位點(diǎn)結(jié)構(gòu)域(與在mTOR中發(fā)現(xiàn)的類似)。人們對于SMG－1的認(rèn)識始于其參與的無義介導(dǎo)的mRNA降解(non－sense mRNA decay，NMD)途徑，該途徑能夠迅速識別并降解因無義突變或移碼突變產(chǎn)生的含有提前終止密碼子(premature termination codons，PTC)的mRNA，避免具有潛在毒性的截短蛋白的產(chǎn)生。隨著研究的深入，人們發(fā)現(xiàn)SMG－1同ATM、ATR等PIKK蛋白激酶一樣，也在DNA損傷修復(fù)中發(fā)揮維持基因組穩(wěn)定性的作用。但不同的是它還介導(dǎo)了包括RNA損傷在內(nèi)的更為廣泛的應(yīng)激反應(yīng)。為進(jìn)一步探討其價值，有研究證實(shí)SMG－1基因敲除或突變后，腫瘤細(xì)胞對放化療及TNF－α誘導(dǎo)凋亡的敏感度顯著提高，提示該基因?qū)拱┧幬锘蛏渚€等誘導(dǎo)的腫瘤損傷具有保護(hù)作用，可能是腫瘤耐藥及抗輻射的潛在因素之一。最新研究顯示SMG－1還參與調(diào)控細(xì)胞生長、增殖甚至有抑制腫瘤發(fā)生進(jìn)展的潛能。目前已有研究將其引入腫瘤的病因機(jī)制及相關(guān)治療的研究。本文將歸納總結(jié)當(dāng)前有關(guān)SMG－1的功能研究及在腫瘤中的研究進(jìn)展。

一、NND途徑

1．SMG－1介導(dǎo)的NMD途徑:NMD途徑是近年發(fā)現(xiàn)的一種在真核生物中廣泛存在的高度保守的RNA監(jiān)控機(jī)制，也是研究比較透徹的SMG－1介導(dǎo)的功能之一。NMD途徑通過迅速識別并降解無義突變產(chǎn)生的含有提前終止密碼子的轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物，阻止具有潛在毒害的截短蛋白的表達(dá)及堆積，并且該途徑還能夠調(diào)節(jié)小部分正常轉(zhuǎn)錄［1］。Yamashita 等［2］發(fā)現(xiàn)抑制SMG－1活性后NMD途徑也受到抑制，后續(xù)研究證實(shí)SMG－1作為Upf1(up－frameshift protein)磷酸化激酶，是觸發(fā)NMD反應(yīng)的重要因子之一。在該途徑中，SMG－1能夠通過與Upf1相結(jié)合并促使其磷酸化，同時與 eRF1、eRF3形成 SURF(SMG1－Upf1－eRF)復(fù)合物，而磷酸化后的Upf1則繼續(xù)招募SMG－5/SMG－7復(fù)合物并引發(fā)對無義mRNA的脫帽降解，避免了缺陷mRNA的繼續(xù)翻譯［3，4］。盡管如此，還是有少量的含有PTC的缺陷mRNA逃逸NMD途徑的識別跟降解并最終翻譯表達(dá)出C端截?cái)嗟鞍?，而在這些蛋白中，大部分并不具備原有正常功能，或者競爭性抑制正常蛋白發(fā)揮作用，或者獲得其他異常功能，此類蛋白堆積均會導(dǎo)致機(jī)體患病，并引發(fā)相關(guān)表型［5］。目前，NMD途徑的保護(hù)作用已被證實(shí)在人類遺傳病病因?qū)W中扮演著至關(guān)重要的角色。在已知人類疾病相關(guān)基因突變中，約30%的突變產(chǎn)生了含PTC的mRNA［6］。例如β－地中海貧血癥和進(jìn)行性小腦性共濟(jì)失調(diào)及萎縮等已被證實(shí)是由于相關(guān)基因的外顯子發(fā)生了無義突變，最終導(dǎo)致相關(guān)蛋白無法正常合成或合成量不足而致?。?，8］。

2．NMD途徑在腫瘤發(fā)病機(jī)制中的研究:目前NMD途徑也開始被引入到探究腫瘤疾病的相關(guān)研究中，并證實(shí)其與人類腫瘤疾病有著密切關(guān)系。Noensi等［9］提出可通過抑制NMD途徑來鑒定腫瘤突變基因，其主要原理是干擾NMD途徑的關(guān)鍵因子SMG－1和hUpf1的表達(dá)來抑制或弱化NMD途徑的效應(yīng)，再通過基因芯片技術(shù)比較基因表達(dá)的前后變化，表達(dá)上調(diào)者即可能為發(fā)生突變的抑癌基因。在此基礎(chǔ)上，Paillusson等［10］提出采用GFP標(biāo)記報(bào)告基因系統(tǒng)來監(jiān)測NMD，使研究更加形象直觀。隨后人們通過類似方法，在結(jié)腸癌、前列腺癌、乳腺癌及卵巢癌中均發(fā)現(xiàn)了相關(guān)的抑癌基因［9，11，12］。目前研究已證實(shí)BRCA1、p53以及WT1等抑癌基因發(fā)生無義突變所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物會被NMD途徑識別并降解，從而喪失抗癌效應(yīng)，最終誘發(fā)腫瘤形成［13］。SMG－1所介導(dǎo)的NMD途徑作為mRNA轉(zhuǎn)錄后調(diào)節(jié)機(jī)制之一，在真核生物基因表達(dá)的監(jiān)控方面扮演重要角色，并為腫瘤疾病的發(fā)病機(jī)制研究提供了新的思路及方法。

二、SMG－1在應(yīng)激反應(yīng)中的作用及價值

1．SMG－1介導(dǎo)的基因毒性應(yīng)激反應(yīng):隨著研究投入的增加，人們對SMG－1的認(rèn)識也有了更全面的認(rèn)知，國內(nèi)外的研究者發(fā)現(xiàn)SMG－1不僅在NMD途徑中發(fā)揮關(guān)鍵作用，而且還參與DNA損傷應(yīng)激反應(yīng)、氧化應(yīng)激反應(yīng)、缺氧及凋亡等多個生物進(jìn)程［14］。PIKK在協(xié)調(diào)包括核苷酸損傷在內(nèi)的多種基因毒性壓力反應(yīng)中發(fā)揮維持基因組穩(wěn)定的重要作用。其中，ATM和DNA－PKcs主要在DNA雙鏈損傷應(yīng)答中起作用，ATR則主要參與單鏈DNA損傷及復(fù)制叉停滯的應(yīng)激應(yīng)答，但彼此之間并沒有嚴(yán)格分界。后續(xù)研究證實(shí)SMG－1也能夠感知DNA損傷，將DNA損傷信號轉(zhuǎn)導(dǎo)到下游靶蛋白并通過級聯(lián)放大反應(yīng)啟動應(yīng)激系統(tǒng)，并誘導(dǎo) p53基因serine 15位點(diǎn)的磷酸化［15］。Gehen等、Brumbaugh等也先后證實(shí)了SMG－1在基因毒性應(yīng)激反應(yīng)中能夠通過活化P53和P21介導(dǎo)的蛋白水解作用來調(diào)節(jié)G1/S周期進(jìn)程，引起細(xì)胞周期的阻滯，為DNA修復(fù)提供時間。若涉及廣泛的損傷，則激活凋亡機(jī)制引起細(xì)胞凋亡。

2．SMG－1表達(dá)與腫瘤放化療所致DNA損傷抗性的關(guān)系:Brumbaugh等發(fā)現(xiàn)敲除SMG－1基因的人骨肉瘤細(xì)胞可出現(xiàn)自發(fā)性DNA損傷，并對輻射的敏感度顯著增強(qiáng)。研究還發(fā)現(xiàn)SMG－1表達(dá)水平的差異使得人乳頭瘤病毒(human papilloma virus，HPV)陽性的頭頸部鱗狀細(xì)胞癌(head and neck squamous cell carcinoma，HNSCC)患者較HPV陰性者放化療反應(yīng)性較好，且前者的總生存率及無病生存率都明顯高于后者，造成這種表達(dá)差異的原因是HPV中的轉(zhuǎn)化基因E6/E7能夠引起SMG－1基因啟動子超甲基化，導(dǎo)致SMG－1表達(dá)下調(diào)，且學(xué)者們發(fā)現(xiàn)低SMG－1水平時能誘導(dǎo)更多的細(xì)胞凋亡，從而表現(xiàn)出對電離輻射的高敏感度。夏啟勝等［16］研究發(fā)現(xiàn)通過siRNA技術(shù)抑制SMG－1基因后，人肺癌H1299細(xì)胞株對順鉑及吉西他濱等化療藥物的敏感度有所增加，其機(jī)制與腫瘤細(xì)胞線粒體凋亡信號通路活性增強(qiáng)有關(guān)。此外，還發(fā)現(xiàn)胰腺癌PANC－1細(xì)胞在吉西他濱處理后可引起miR－155/BIC表達(dá)上調(diào)，而此效應(yīng)能被SMG－1 siRNA顯著抑制。在胰腺癌細(xì)胞中，升高的miR－155抑制一些抑癌基因的表達(dá)，促進(jìn)癌細(xì)胞的生長。由此可推測，通過siRNA技術(shù)或藥物等途徑來下調(diào)SMG－1的表達(dá)可提高腫瘤細(xì)胞對放化療的敏感度，從而改善腫瘤患者預(yù)后。

3．SMG－1在氧化、缺氧應(yīng)激中的作用:在秀麗隱桿線蟲中SMG－1基因失活者的壽命較正常者延長，Ingrid等證實(shí)其原因在于SMG－1失活引起蟲體氧化抗性增強(qiáng)，并推測調(diào)控壽命的功能可能仍在哺乳動物中保存。TERRA是端粒染色質(zhì)轉(zhuǎn)錄產(chǎn)生的端粒重復(fù)單元的RNA序列，能夠調(diào)節(jié)端粒酶的活性，對維持端粒穩(wěn)定性起到重要作用。研究發(fā)現(xiàn)SMG－1在端粒中富集，通過調(diào)控TERRA與端粒染色質(zhì)的結(jié)合及解離來維持端粒的穩(wěn)定性，避免形成異常的DNA/RNA結(jié)構(gòu)。缺氧時腫瘤細(xì)胞中SMG－1可被激活，通過部分阻斷MAPK途徑而抑制缺氧誘導(dǎo)因子1α(hypoxia－inducible factor－1α，HIF－1α)的活性，進(jìn)而減少低氧誘導(dǎo)的血管內(nèi)皮生長因子(vascular endothelial growth factor，VEGF)和存活因子(carbonic anhydraseⅨ，CA9)的分泌，同時限制了腫瘤細(xì)胞的遷徙轉(zhuǎn)移。通過檢測SMG－1表達(dá)水平或變異情況可預(yù)測腫瘤患者對MAPK或血管形成抑制劑的治療療效，靶向上調(diào)SMG－1的藥物聯(lián)合血管形成抑制劑將可取得更優(yōu)的療效，將為腫瘤患者的治療提供新的思路。

4．SMG－1參與細(xì)胞因子介導(dǎo)的凋亡應(yīng)激反應(yīng):人們發(fā)現(xiàn)SMG－1不僅像ATM、ATR一樣存在于細(xì)胞核內(nèi)，還可同時出現(xiàn)在胞質(zhì)內(nèi)。因此，研究者推測SMG－1除了介導(dǎo)紫外線照射、復(fù)制壓力等介導(dǎo)的DNA損傷應(yīng)激反應(yīng)外，還可能在細(xì)胞因子及核外刺激所誘導(dǎo)的應(yīng)激反應(yīng)中發(fā)揮作用。為了驗(yàn)證此假設(shè)，Oliveira等通過檢測SMG－1基因敲除前后對一些可誘導(dǎo)細(xì)胞死亡的因子的敏感度變化，發(fā)現(xiàn)了敲除了SMG－1基因后U2OS骨肉瘤細(xì)胞對TNF－α誘導(dǎo)其凋亡的速度及程度均明顯增加。SMG－1發(fā)揮的抗TNF－α誘導(dǎo)的凋亡效應(yīng)是通過調(diào)節(jié)凋亡抑制因子FLIP(FADD樣白介素－1β轉(zhuǎn)換酶抑制蛋白)的降解來完成的。研究證實(shí)SMG－1及NF－κB誘導(dǎo)激酶(NF－κB －inducing kinase，NIK)在類 Smac低分子及TNF－α治療中可通過維持c－FLIP的水平，避免引發(fā)caspase－8依賴的凋亡途徑。Meslin等研究證實(shí)SMG－1是粒酶B應(yīng)激反應(yīng)激酶，在粒酶B介導(dǎo)的DNA損傷應(yīng)激反應(yīng)中具有不可替代的作用，一旦SMG－1基因敲除，粒酶B所誘導(dǎo)的靶細(xì)胞凋亡作用也隨之削弱。雖然在這兩治療方案中SMG－1發(fā)揮的作用并不一致，但仍揭示了SMG－1表達(dá)情況對預(yù)測治療效應(yīng)的價值，也為治療方案的抉擇提供了理論依據(jù)。

前文所述的包括化療藥物、射線一級各種環(huán)境應(yīng)激壓力反應(yīng)在內(nèi)的研究中表明，SMG－1表達(dá)水平及其活性在抗癌治療中所起的作用并非一致，因此它的作用取決于疾病的類型及治療策略。在不同疾病及治療措施中，其在耐藥或者增敏方面的價值還有待進(jìn)一步驗(yàn)證。

三、SMG－1調(diào)控生長及與腫瘤的關(guān)系

SMG－1基因被認(rèn)為是被忽視的新抑癌基因，COSMIC數(shù)據(jù)庫顯示乳腺癌、腎癌及胃癌中均存在SMG－1基因的變異，并且在肺癌及黑色素瘤細(xì)胞系中其mRNA呈低表達(dá)水平。人類蛋白圖譜分析報(bào)告顯示在惡性淋巴瘤中無SMG－1的表達(dá)。因此SMG－1有抑制腫瘤產(chǎn)生的作用，但若缺失將大大增加罹患腫瘤的概率。然而此抑癌效應(yīng)與NMD途徑并無關(guān)聯(lián)，Rouhana等利用RNAi篩查技術(shù)抑制NMD途徑的其他成分驗(yàn)證了SMG－1該效應(yīng)的獨(dú)特性。在渦蟲實(shí)驗(yàn)中，SMG－1通過抑制mTOR信號通路而協(xié)調(diào)生長調(diào)控，敲除SMG－1基因的渦蟲則表現(xiàn)為無節(jié)制的增殖并且無分化能力，最終因形成腫瘤而死亡。為證實(shí)這種突變是否會導(dǎo)致細(xì)胞的非正常生長而引發(fā)癌癥及進(jìn)一步探究SMG－1在體內(nèi)的生物學(xué)作用。研究人員構(gòu)建了SMG－1基因缺陷小鼠模型，發(fā)現(xiàn)純合子SMG－1敲除鼠因胚胎發(fā)育缺陷而死亡，僅有雜合子可存活，但壽命也較正常組縮短，原因在于此類小鼠有發(fā)生腫瘤的傾向。這些研究結(jié)果提示SMG－1是潛在的腫瘤抑制基因，一旦變異或缺失都將增加腫瘤形成的風(fēng)險(xiǎn)。

然而目前研究還證實(shí)通過siRNA技術(shù)敲除SMG－1后的骨髓瘤細(xì)胞與對照組相比生存能力下降，同時急性髓性白血病中SMG－1mRNA表達(dá)上調(diào)。而且降低SMG－1表達(dá)或者抑制其活性所導(dǎo)致SMG－1功能缺失引起的表型也各不相同。因此說明SMG－1功能的具有復(fù)雜性，為后續(xù)的研究提出了新的方向及挑戰(zhàn)。

SMG－1功能的具有多元性及復(fù)雜性，SMG－1所介導(dǎo)的NMD途徑及基因毒性應(yīng)激反應(yīng)都在一定程度上起到了保護(hù)性作用，減少了基因突變及突變引起表型，并在粒酶B等治療研究中，SMG－1的表達(dá)及酶活性是抗癌治療起效或增效的決定因素，SMG－1被認(rèn)為是抑癌基因，一旦缺乏將導(dǎo)致腫瘤發(fā)生率升高。此外，SMG－1所介導(dǎo)的基因毒性應(yīng)激反應(yīng)是化療、放療及TNF－α等治療中耐藥耐射線的因素之一，在骨髓瘤、急性髓性白血病等惡性腫瘤疾病中呈高表達(dá)。因此，SMG－1所介導(dǎo)的角色并不一致，而SMG－1在癌癥的發(fā)展過程中扮演的不同角色取決于疾病的類型、分期乃至所選擇的治療策略。鑒于SMG－1在化療藥物和放療中的耐藥效應(yīng)以及在粒酶B和血管形成抑制劑等治療中的增敏價值，完全可用于療效評估，并依此為腫瘤患者提供合理的個性化治療方案。同時SMG－1作為腫瘤抑制基因，目前關(guān)于其在腫瘤的發(fā)生、發(fā)展以及治療方面的研究成果并不是很多，還需進(jìn)一步地探討SMG－1在癌癥生物學(xué)中錯綜復(fù)雜的作用機(jī)制及其在腫瘤生物學(xué)中的地位跟價值。SMG－1有望成為腫瘤治療的突破點(diǎn)之一，為腫瘤疾病的診治提供新的思路及方法。

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