TXNIP的腫瘤抑制作用與表觀遺傳沉默機制

張鵬幸，涂艷陽，張永生（第四軍醫(yī)大學(xué)：唐都醫(yī)院實驗外科，唐都醫(yī)院，陜西 西安 70038）

·述評·

TXNIP的腫瘤抑制作用與表觀遺傳沉默機制

張鵬幸1，涂艷陽1，張永生2（第四軍醫(yī)大學(xué)：1唐都醫(yī)院實驗外科，2唐都醫(yī)院，陜西 西安 710038）

硫氧還蛋白互作蛋白（TXNIP）作為硫氧還蛋白（TRX）的結(jié)合蛋白及其內(nèi)源性抑制因子，是細胞內(nèi)氧化還原應(yīng)激調(diào)控的一個重要元件．TXNIP在多種人類癌細胞中表達下調(diào)，并且抑制 TXNIP表達會促進腫瘤的惡性程度．本文主要闡述了 TXNIP和 TRX的蛋白結(jié)構(gòu)、細胞內(nèi)定位以及相互作用調(diào)節(jié)氧化應(yīng)激的功能，并闡明在多數(shù)實體腫瘤及血液惡性腫瘤中TXNIP被定義為腫瘤抑制基因（TSG），以及由于表觀遺傳修飾在腫瘤中被抑制，以此證明 TXNIP作為腫瘤分子治療的新靶標(biāo)的潛在價值．

硫氧還蛋白互作蛋白；硫氧還蛋白；腫瘤抑制因子；表觀遺傳沉默

0 引言

異常的代謝模式被認為是惡性腫瘤的基本特征，通過研究人們越來越清楚地意識到除了遺傳異常，包括 DNA甲基化和組蛋白N-端尾巴轉(zhuǎn)錄后修飾如乙?；?、甲基化、磷酸化、泛素化及ADP-核糖基化等表觀遺傳變化在實體腫瘤和血液惡性腫瘤的成瘤過程中都發(fā)揮著重要的作用［1－2］．

硫氧還蛋白互作蛋白（thioredoxin-interacting protein，TXNIP），又名硫氧還蛋白結(jié)合蛋白（thioredoxin binding protein 2，TBP-2）和維生素 D3上調(diào)蛋白 1（vitamin D3 up-regulating protein 1，VDUP1），于1994年在1，25-二羥維生素 D-3處理的人類白血病細胞HL-60中被克隆鑒定［3］，是 α-視紫紅質(zhì)抑制蛋白家族中唯一一個可以與硫氧還蛋白（Thioredoxin，TRX）結(jié)合的蛋白［4］．TXNIP是氧化還原系統(tǒng)中的一個重要的調(diào)節(jié)因子，它可以結(jié)合到 TRX的活性半胱氨酸（Cysteine，Cys）殘基上，并抑制其抗氧化功能，體現(xiàn)了TXNIP調(diào)節(jié)生物體內(nèi)氧化過程的功能［5］；此外，它可以獨立結(jié)合 TRX，并通過抑制蛋白區(qū)域介導(dǎo)的葡萄糖攝入及代謝重組受阻來抑制細胞生長［6－7］．從 TXNIP被鑒定為 TRX的結(jié)合蛋白及其內(nèi)源性抑制因子，就被作為細胞內(nèi)氧化還原應(yīng)激調(diào)控的一個重要元件［8］得到廣泛的研究．

在本文中，我們將介紹 TXNIP和 TRX的蛋白結(jié)構(gòu)、細胞內(nèi)定位以及相互作用調(diào)節(jié)氧化應(yīng)激的功能．主要闡明在多數(shù)實體腫瘤及血液惡性腫瘤中 TXNIP被定義為腫瘤抑制基因（Tumor Suppressor Gene，TSG），并由于表觀遺傳修飾在腫瘤中被抑制，以此證明 TXNIP作為腫瘤分子治療新靶標(biāo)的潛在價值．

1 TXNIP與TRX的結(jié)構(gòu)特點

人TXNIP基因位于染色體1q21．1上，包括8個外顯子，全長4174 bp，編碼391個氨基酸，蛋白Mr為46 000［9］．TXNIP基因高度保守，與斑馬魚和小鼠的核苷酸序列的同源性分別為 77%和 89%，這說明TXNIP很可能有重要的生物學(xué)功能［10］．TXNIP蛋白含有類抑制蛋白的 N端（10-152aa）及 C端（175-298aa），其Cys-63到 Cys-247之間的兩個分子內(nèi)二硫鍵似乎對其與 TRX的有效相互作用及抑制 TRX活性有至關(guān)重要的作用，當(dāng)TXNIP C247S突變足以廢除它對 TRX活性的抑制作用［8］．

TRX在細菌體到動植物等眾多生物中都是高度保守的，說明 TRX系統(tǒng)是細胞內(nèi)系統(tǒng)，對于細胞生存和功能作用必不可少．TRX與NADPH、硫氧還蛋白還原酶 TrxR是重要的抗氧化體系，在氧化應(yīng)激條件下通過二硫化物還原酶活化保護細胞［11］．在哺乳動物細胞中存在著兩種 TRX亞型，分別命名為 TRX1和TRX2．TRX1是含有二硫化物還原活性的12kDa普遍存在的蛋白［12］．TRX的主要特征是含有三個保守脯氨酸，都位于起催化作用的-Cys-Gly-Pro-Cys-基序的Cys殘基之間，兩個Cys殘基（Cys-32和-35）在該基序中負責(zé)還原活性．這個Pro是決定TRX的還原能力的關(guān)鍵殘基，而且用絲氨酸 Ser和蘇氨酸 Thr取代它會對蛋白質(zhì)的氧化還原能力和穩(wěn)定性能產(chǎn)生重 大 影 響［13－14］．

2 TXNIP與TRX的定位

TRX1可定位在細胞質(zhì)、質(zhì)膜 PM、細胞膜及細胞外，而 TXR2只定位在線粒體上．研究證明只有在氧化應(yīng)激狀態(tài)下 TXNIP才會穿梭到線粒體上，以TRX2／TXNIP復(fù)合體發(fā)揮功能，而正常狀態(tài)下都在細胞核中［15］．最近，研究發(fā)現(xiàn) TXNIP也定位在質(zhì)膜上［16］．Poly-ADP-ribose polymerase 1（Parp1）被發(fā)現(xiàn)是 TXNIP在細胞核上的一個結(jié)合蛋白，抑制 Parp1可增加人臍靜脈內(nèi)皮細胞（HUVECs）質(zhì)膜上 TXNIP的相關(guān)定位，這表明 TXNIP從細胞核移位到質(zhì)膜只與Parp1的抑制有關(guān)．核運輸?shù)鞍?importin-α已被確定為 TXNIP的結(jié)合蛋白，并且結(jié)合導(dǎo)致 TXNIP從細胞溶質(zhì)移位到細胞核［17］．雖然還不確定 TXNIP是否可以像TRX1一樣會穿梭到細胞外，但是關(guān)于TRX／TXNIP系統(tǒng)的特異性定位為細胞內(nèi)氧化還原相關(guān)的生物學(xué)功能的研究提供一個新的思路．

3 TXNIP的腫瘤抑制機制與信號通路

在很多重要的人類腫瘤組織和癌細胞系中通過不同的方法證明TXNIP表達下調(diào)或缺失，在臨床研究中，TXNIP表達水平隨著癌癥等級或胃癌、黑色素瘤、嗜鉻細胞瘤及膀胱癌等的惡性程度升高而降低［18－19］，這也說明 TXNIP有助于控制癌癥的惡性程度，TXNIP表達異常導(dǎo)致腫瘤發(fā)生且有時與疾病進展和不良預(yù)后相關(guān)［4，20］．

腫瘤抑制因子 p53在限制異常細胞擴張中發(fā)揮著重要作用，并被E3連接酶MDM2（mouse double minute 2）調(diào)控，MDM2靶向p53蛋白使得蛋白酶體降解，有研究表明 TXNIP可阻礙 p53-MDM2相互作用直接調(diào)控 p53蛋白增強其轉(zhuǎn)錄活性，并在氧化應(yīng)激情況下通過調(diào)節(jié)細胞內(nèi) ROS水平維持造血干細胞能力［21］．而且 TXNIP通過阻斷 TRX介導(dǎo)的凋亡信號調(diào)控激酶 ASK1的抑制作用，并進一步激活下游JNK／p38mapk途徑或返回TRX介導(dǎo)的應(yīng)激 ROS攻擊的自我防護［5］．此外，C-Jun激活域結(jié)合蛋白1（CJun activation domain-binding protein-1，JAB1）特異性結(jié)合 p27KIP1啟動核輸出并隨后在細胞質(zhì)中引發(fā)蛋白酶體降解［22］．TXNIP與 JAB1蛋白C末端相互作用并阻礙 JAB1介導(dǎo)的 p27KIP1從細胞核到細胞質(zhì)的轉(zhuǎn)移，從而穩(wěn)定p27KIP1蛋白［23］．與此同時，TXNIP也抑制 JAB1調(diào)控AP1激活和細胞增殖［24］．由此可知，TXNIP-JAB1-p27KIP1途徑是 TXNIP重要的腫瘤抑制功能．同時也有研究表明TXNIP缺陷會促進 TNF-α誘導(dǎo)的 NF-κB激活，TXNIP通過結(jié)合Redd1可抑制 mTOR激活［25］，且 TXNIP缺失可加強Akt響應(yīng)胰島素應(yīng)激時的磷酸化反應(yīng)［23，26］．

4 TXNIP在腫瘤中的表觀遺傳沉默

TXNIP在惡性腫瘤（如白血病、淋巴瘤）中低表達，然而，TXNIP的基因變異如缺失、易位或體細胞突變并不常見［27］．因此，腫瘤中異常的 TXNIP表達可能是通過轉(zhuǎn)錄后和翻譯機制調(diào)控的．

4．1 TXNIP基因的啟動子甲基化 細胞因子獨立生長的能力被認為是白血病惡性轉(zhuǎn)化的一個標(biāo)志．TXNIP啟動子存在著高甲基化現(xiàn)象，其缺失或減少在氧化應(yīng)激誘導(dǎo)的腎臟癌變過程中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用［28］．研究發(fā)現(xiàn)僅在 IL-2不相關(guān)的成人 T細胞白血?。ˋTL）細胞系的啟動子區(qū)和外顯子1的CpGs被甲基化，并且在 TXNIP的啟動子區(qū)存在大于49%的GC堿基位于TATA-box區(qū)附近．甲基化抑制劑5-aza-CdR（5-aza-2-deoxycytidine）處理會使 1／3甲基化的CpGs脫甲基以及 TXNIP mRNA表達抑制減弱［29］．這些都表明 DNA甲基化與白血病中 TXNIP表達沉默密切相關(guān)．

4．2 組蛋白去乙?；閷?dǎo)的 TXNIP抑制 用于治療皮膚 T細胞淋巴癌（cutaneous T-cell lymphoma，CTCL）的兩種組蛋白脫乙酰酶（Histone deacetylase，HDAC）抑制劑：Suberoylanilide hydroxamic acid（SAHA）和 depsipeptide（FK228）臨床發(fā)展快速，但是其分子機制尚不明確．為此，Butler等對SAHA時間依賴方式誘導(dǎo)的前列腺癌細胞系 LNCaP進行了基因表達分析（gene expression programming，GEP），結(jié)果發(fā)現(xiàn) TXNIP隨著處理時間的延長表達量增加，通過點突變實驗證明 NF-Y結(jié)合序列在此起到很重要的作用［33］．HDAC抑制劑誘導(dǎo)的TXNIP表達減弱了 TRX的表達和在腫瘤細胞中的活性，在普通細胞中無此現(xiàn)象，最終引起 ROS的累積［30－31］．因此，正常細胞對HDAC抑制劑的相對耐藥性，可能解釋HDAC抑制劑的選擇性靶向的原因．在腫瘤細胞中 RET呈高表達，它可以特異性的招募HDAC1到TXNIP靠近NFY的啟動 子區(qū)，形成 HDAC1／RET finger protein（RFP）／NF-Y復(fù)合體，從而使 TXNIP基因沉默［32］．因此，這些研究提供了詳細的證據(jù)證明HDAC在TXNIP表達抑制中的作用．

4．3 多梳抑制復(fù)合體 2介導(dǎo)的 TXNIP沉默 S-腺苷高半胱氨酸水解酶抑制劑3-Deazaneplanocin A（DZNep）會消耗EZH2和相應(yīng)的H3K27me3，導(dǎo)致不同腫瘤模型中的細胞凋亡［33］．其作用機制根據(jù)Zhou等［4］在 AML細胞系 MOLM-14中鑒定被 DZNep影響表達的基因中 TXNIP表達上調(diào)倍數(shù)位于前三，EZH2或DZNep上調(diào)或缺失都會對TXNIP的表達產(chǎn)生顯著影響，從而調(diào)控TRX的活性和ROS的產(chǎn)生，最終影響細胞凋亡．多梳抑制復(fù)合體（polycomb repressive complex 2，PRC2）-介 導(dǎo) 的 TXNIP 啟 動 子 區(qū)H3K27me3直接導(dǎo)致TXNIP沉默．DZNep處理可減少 TXNIP啟動子區(qū)的甲基化并恢復(fù) TXNIP的表達．以上研究表明 PRC2復(fù)合體對 TXNIP的表觀遺傳抑制導(dǎo)致白血病生成，以及組蛋白甲基轉(zhuǎn)移酶抑制劑如DZNep可能作為AML等疾病治療的新型藥物．

4．4 miRNA對 TXNIP的轉(zhuǎn)錄后調(diào)控 Yan等［34］在乳腺癌細胞 MCF7中通過穩(wěn)定同位素標(biāo)記的氨基酸蛋白組學(xué)方法證明 miRNA-373可下調(diào)TXNIP表達，且通過靶基因預(yù)測加上熒光素酶活性檢測證明TXNIP是它的直接靶標(biāo)．但是miRNA-373不影響TNXIP的mRNA水平，只會通過翻譯抑制 TXNIP的蛋白表達．

4．5 TXNIP的轉(zhuǎn)錄下調(diào) TXNIP的轉(zhuǎn)錄調(diào)控已經(jīng)被廣泛研究，Elgort等［6］第一次證明TXNIP的轉(zhuǎn)錄下調(diào)在細胞周期進程和代謝重組過程中同樣重要．從靜止期 G0期到生長期 G1期，需要高效率的糖酵解、乳酸生成及蛋白、脂類和核苷酸的生物合成．在精確控制的細胞周期模型中，證明 TXNIP的轉(zhuǎn)錄下調(diào)是細胞生長和代謝重組必需的．有趣的是，在 G1期早期 TXNIP蛋白水平的降低優(yōu)先于它的 mRNA．TXNIP蛋白的半衰期同樣是在G0和G1期，進一步研究發(fā)現(xiàn)，Ras-MAPK信號通路負責(zé) TXNIP蛋白的轉(zhuǎn)錄抑制．

5 結(jié)語

TXNIP通過抑制 TRX的活性介導(dǎo)氧化應(yīng)激信號通路，TXNIP缺失會促進細胞增殖及保護細胞避免細胞凋亡．經(jīng)過廣泛的研究和臨床證明 TNIXP在很多惡性腫瘤中作為一種腫瘤抑制因子．腫瘤細胞的發(fā)生似乎有很多方式，如甲基化、組蛋白去乙?；?、組蛋白甲基化、miRNA轉(zhuǎn)錄后抑制，表明TXNIP的抑制作用在腫瘤發(fā)生過程中的重要性．因此，TXNIP的表達調(diào)控可能作為一種新的可行的表觀遺傳治療的方法．

［1］Esteller M．Epigenetics in cancer．N Engl J Med［J］．2008，358（11）：1148－1159．

［2］Yu Q．Cancer gene silencing without DNA hypermethylation［J］．Epigenetics，2008，3（6）：315－317．

［3］Chen K，SDeluca HF．Isolation and characterization of a novel cDNA from HL-60 cells treated with 1，25-dihydroxyvitamin D-3［J］．Biochim Biophys Acta，1994，1219（1）：26－32．

［4］Zhou J，Yu Q，Chng WJ．Txnip（vdup-1，tbp-2）：A major redox regulator commonly suppressed in cancer by epigenetic mechanisms［J］．Int J Biochem Cell Biol，2011，43（12）：1668－1673．

［5］Kaimul AM，Nakamura H，Masutani H，et al．Thioredoxin and thioredoxin-binding protein-2 in cancer and metabolic syndrome［J］．Free Radical Biol Med，2007，43（6）：861－868．

［6］Elgort MG，O'Shea JM，Jiang Y，et al．Transcriptional and translational downregulation of thioredoxin interacting protein is required for metabolic reprogramming during G（1）［J］．Genes Cancer，2010，1（9）：893－907．

［7］Patwari P，Chutkow WA，Cummings K，et al．Thioredoxin-independent regulation of metabolism by the alpha-arrestin proteins［J］．J Biol Chem，2009，284（37）：24996－5003．

［8］Nishiyama A，Matsui M，Iwata S，et al．Identification of thioredoxin-binding protein-2／vitamin D（3）up-regulated protein 1 as a negative regulator of thioredoxin function and expression［J］．J Biol Chem，1999，274：21645－21650．

［9］Patwari P，Higgins LJ，Chutkow WA，et al．The interaction of thioredoxin with Txnip．Evidence for formation of a mixed disul？de by disul？de exchange［J］．J Biol Chem，2006，281（31）：21884－21891．

［10］Chen KS，DeLuca HF．Isolation and characterization of a novel cDNA from HL-60 cells treated with 1，25-dihydroxyvitamin D-3［J］．Biochim Biophys Acta，1994，1219（1）：26－32．

［11］Yoshihara E，Masaki S，Matsuo Y，et al．Thioredoxin／Txnip：redoxisome，as a redox switch for the pathogenesis of diseases［J］．Front Immunol，2014，4：514．DOI：10．3389／fimmu．2013．00514

［12］Tanaka T，Nakamura H，Nishiyama A，et al．Redox regulation by thioredoxin superfamily；protection against oxidative stress and aging［J］．Free Radic Res，2000，33（6）：851－855．

［13］Schultz LW，Chivers PT，Raines RT．The CXXC motif：crystal structure of an active-site variant of Escherichia coli thioredoxin［J］．Acta Crystallogr D Biol Crys-tallogr，1999，55（9）：1533－1538．

［14］Collet JF，Messens J．Structure，function，and mechanism of thioredoxin proteins［J］．Antioxid Redox Signal，2010，13（8）：1205－1216．

［15］Saxena G，Chen J，Shalev A．Intracellular shuttling and mitochondrial function of thioredoxin-interacting protein［J］．J Biol Chem，2010，285（6）：3997－4005．

［16］Spindel ON，Yan C，Berk BC．Thioredoxin-interacting protein mediates nuclear-to-plasma membrane communication：role in vascular endothelial growth factor 2 signaling［J］．Arterioscler Thromb Vasc Biol，2012，32（5）：1264－1270．

［17］Nishinaka Y，Masutani H，Oka S，et al．Importin alpha1（Rch1）mediates nuclear translocation of thioredoxin-binding protein-2／vitamin D（3）-up-regulated protein 1［J］．J Biol Chem，2004，279（36）：37559－37565．

［18］Nishizawa K，Nishiyama H，Matsui Y，et al．Thioredoxin-interacting protein suppresses bladder carcinogenesis［J］．Carcinogenesis，2011，32（10）：1459－1466．

［19］Ohta S，Lai EW，Pang AL，et al．Down-regulation of metastasis suppressor genes in malignant pheochromocytoma［J］．Int J Cancer，2005，114（1）：139－143．

［20］Masutani H，Yoshihara E，Masaki S，et al．Thioredoxin binding protein（TBP）-2／Txnip and alpha-arrestin proteins in cancer and diabetes mellitus［J］．J Clin Biochem Nutr，2012，50（1）：23－34．

［21］Suh HW，Yun S，Song H，et al．TXNIP interacts with hEcd to increase p53 stability and activity［J］．Biochem Biophys Res Commun，2013，438（2）：264－269．

［22］Jeon JH，Lee KN，Hwang CY，et al．Tumor suppressor VDUP1 increases p27（kip1）stability by inhibiting JAB1［J］．Cancer Res，2005，65（11）：4485－4489．

［23］Yoshihara E，F(xiàn)ujimoto S，Inagaki N，et al．Disruption of TBP-2 ameliorates insulin sensitivity and secretion without affecting obesity［J］．Nat Commun，2010，1：127．DoI：10．1038／ncomms1127

［24］Tomoda K，Kubota Y，Kato J．Degradation of the cyclin-dependentkinase inhibitor p27Kip1 is instigated by Jab1［J］．Nature，1999，398（6723）：160－165．

［25］Jin HO，Seo SK，Kim YS，et al．TXNIP potentiates Redd1-induced mTOR suppression through stabilization of Redd1［J］．Oncogene，2011，30（35）：3792－3801．

［26］Chutkow WA，Birkenfeld AL，Brown JD，et al．Deletion of the alpha-arrestin protein Txnip in mice promotes adiposity and adipogenesis while preserving insulin sensitivity［J］．Diabetes，2010，59（6）：1424－1434．

［27］Erkeland SJ，Palande KK，Valkhof M，et al．The gene encoding thioredoxin-interacting protein（TXNIP）is a frequent virus integration site in virus-induced mouse leukemia and is overexpressed in a subset of AML patients［J］．Leukemia Res，2009，33（10）：1367－1371．

［28］Dutta KK，Nishinaka Y，Masutani H，et al．Two distinct mechanisms for loss of thioredoxin-binding protein-2 in oxidative stress-induced renal carcinogenesis［J］．Lab Invest，2005，85（6）：798－807．

［29］Ahsan MK，Masutani H，Yamaguchi Y，et al．Loss of interleukin-2-dependency in HTLV-I-infected T cells on gene silencing of thioredoxin-binding protein-2［J］．Oncogene，2006，25（15）：2181－2191．

［30］Butler LM，Zhou X，Xu WS，et al．The histone deacetylase inhibitor SAHA arrests cancer cell growth，up-regulates thioredoxin-binding protein-2，and down-regulates thioredoxin［J］．Proc Natl Acad Sci U S A，2002，99（18）：11700－11705．

［31］Ungerstedt JS，Sowa Y，Xu WS，et al．Role of thioredoxin in the response of normal and transformed cells to histone deacetylase inhibitors［J］．Proc Natl Acad Sci U S A，2005，102（3）：673－678．

［32］Kato T，Shimono Y，Hasegawa M，et al．Characterization of the HDAC1 complex that regulates the sensitivity of cancer cells to oxidative stress［J］．Cancer Res，2009，69（8）：3597－604．

［33］Tan J，Yang X，Zhuang L，et al．Pharmacologic disruption of polycomb-repressive complex 2-mediated gene repression selectively induces apoptosis in cancer cells［J］．Genes Dev，2007，21（9）：1050－1063．

［34］Yan GR，Xu SH，Tan ZL，et al．Global identification of miR-373-regulated genes in breast cancer by quantitative proteomics［J］．Proteomics，2011，11：912－920．

R730．2

A

2095-6894（2015）02-001-04

2014-12-20；接受日期：2015-01-18

張鵬幸．碩士，技師．研究方向：膠質(zhì)瘤基因治療．Tel：029-84777469 E-mail：498163225＠qq．com

張永生．E-mail：zhangys＠fmmu．edu．cn