DNA結(jié)合抑制因子與腫瘤關(guān)系的研究進(jìn)展

摘要: DNA結(jié)合抑制因子(Id)是螺旋—環(huán)—螺旋轉(zhuǎn)錄因子家族的一員，具有廣泛的生物學(xué)作用，如抑制細(xì)胞分化、促進(jìn)細(xì)胞增殖、調(diào)控細(xì)胞凋亡等。哺乳類動(dòng)物細(xì)胞含Id1～I(xiàn)d4四種，通常分布于胚胎及未分化成熟的組織細(xì)胞中，正常細(xì)胞內(nèi)Id蛋白隨著細(xì)胞分化成熟而逐漸降低。近年研究發(fā)現(xiàn)，Id蛋白家族與腫瘤相關(guān)的細(xì)胞周期調(diào)控、細(xì)胞衰老與凋亡，以及腫瘤的發(fā)生、發(fā)展、侵襲、轉(zhuǎn)移等有關(guān)，已成為研究細(xì)胞生命過(guò)程以及探尋治療人類疾病有效靶向藥物的一類重要分子，或可成為靶向藥物治療腫瘤的新靶點(diǎn)。

doi: 10．3969/j．issn．1002-266X．2015．13．043

基金項(xiàng)目: 2013年度山東省優(yōu)秀中青年科學(xué)家科研獎(jiǎng)勵(lì)基金計(jì)劃(BS2013SW041)。

通信作者:王建華，宋曉彬

DNA結(jié)合抑制因子(Id)是螺旋—環(huán)—螺旋(HLH)轉(zhuǎn)錄因子家族的一員，通過(guò)負(fù)性調(diào)節(jié)堿性螺旋—環(huán)—螺旋(bHLH)轉(zhuǎn)錄因子活性來(lái)影響細(xì)胞的生長(zhǎng)和分化 ［1］。Id蛋白作為一種轉(zhuǎn)錄調(diào)控因子，參與細(xì)胞周期調(diào)控過(guò)程，在細(xì)胞增殖、分化及腫瘤的發(fā)生、發(fā)展、預(yù)后等方面具有重要作用。本文結(jié)合文獻(xiàn)就Id蛋白的細(xì)胞學(xué)功能及其作用，主要是與腫瘤相關(guān)的細(xì)胞周期調(diào)控、細(xì)胞衰老與凋亡，腫瘤的發(fā)生、發(fā)展、侵襲、轉(zhuǎn)移以及對(duì)腫瘤干細(xì)胞的影響作一綜述。

1　Id的結(jié)構(gòu)及分類

bHLH蛋白家族通常包含一個(gè)HLH二聚化作用域和一個(gè)相鄰的富含基本氨基酸的DNA結(jié)合域。bHLH蛋白主要分為兩類: A型bHLH，也被稱為E蛋白，呈廣泛性表達(dá)，如E2A、E2-2/ITF2和HEB/ HTF4基因; B型bHLH，其表達(dá)具有組織特異性，包括肌分化因子、肌細(xì)胞生成素和NeuroD/BETA2。二聚化過(guò)程為轉(zhuǎn)錄因子結(jié)合及轉(zhuǎn)錄調(diào)控所必需，DNA結(jié)合域與HLH基序相鄰的強(qiáng)堿性區(qū)域結(jié)合，然后參與細(xì)胞命運(yùn)和細(xì)胞分化過(guò)程的基因調(diào)控 ［2］。Id是哺乳類HLH蛋白的另一種類型，Id家族有Id1 ～I(xiàn)d4四個(gè)成員，含119～199個(gè)氨基酸殘基;人類的Id1～I(xiàn)d4編碼基因分別定位于20q1、2p25、1p36和6p22-21號(hào)染色體上 ［3］。Id蛋白通常分布于胚胎及未分化成熟的組織細(xì)胞中，正常細(xì)胞內(nèi)Id蛋白隨著細(xì)胞分化成熟而逐漸降低。

2　Id的生物學(xué)功能

Id蛋白家族具有廣泛的生物學(xué)作用，如抑制細(xì)胞分化、促進(jìn)細(xì)胞增殖、調(diào)控細(xì)胞命運(yùn)和細(xì)胞定向分化、促進(jìn)胚胎和器官形成、誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡、維持細(xì)胞存活、促進(jìn)血管形成及腫瘤浸潤(rùn)、發(fā)揮癌蛋白功能等。

2．1　Id與細(xì)胞周期調(diào)控　Id分子因本身缺乏DNA結(jié)合必需的堿性氨基酸序列，所以Id-bHLH(異)二聚體無(wú)法與DNA結(jié)合，進(jìn)而抑制bHLH與DNA及其他組織特異性bHLH轉(zhuǎn)錄因子結(jié)合，對(duì)bHLH轉(zhuǎn)錄因子活性起負(fù)調(diào)節(jié)作用，從而抑制細(xì)胞分化、促進(jìn)細(xì)胞增殖。事實(shí)上，Id蛋白在細(xì)胞周期G 0～S期的過(guò)渡階段中發(fā)揮作用，如靜止期成纖維細(xì)胞生長(zhǎng)因子可以刺激誘導(dǎo)Id1～I(xiàn)d3的表達(dá)，反義寡核苷酸抑制Id蛋白質(zhì)合成而阻止處于G 0期的成纖維細(xì)胞重新進(jìn)入細(xì)胞周期循環(huán)。細(xì)胞周期素依賴蛋白激酶(CDK2)磷酸化阻礙了視網(wǎng)膜母細(xì)胞瘤抑制蛋白(pRB)結(jié)合并鈍化E2F轉(zhuǎn)錄因子，而E2F活化是進(jìn)入S期所必需的 ［4］。G 1晚期，CDK2會(huì)使Id2、Id3磷酸化，使其活性發(fā)生改變甚至有可能與其他蛋白結(jié)合 ［5］。Id2-bHLH與pRB袋狀域結(jié)合并減弱其生長(zhǎng)抑制的活性，Id2也可以通過(guò)抑制p130-E2F復(fù)合物(G 0期細(xì)胞生長(zhǎng)的抑制復(fù)合物)的活性促進(jìn)細(xì)胞周期進(jìn)入S期。Id蛋白也可以和其他轉(zhuǎn)錄因子結(jié)合發(fā)揮抑制作用，如ETS、MIdA1、E1A蛋白及PAX家族 ［6，7］。

2．2　Id與腫瘤細(xì)胞逃避衰老和凋亡　大多數(shù)腫瘤細(xì)胞都能逃避衰老而無(wú)限擴(kuò)增，這增加了惡性腫瘤的易感性。如果把細(xì)胞衰老看作是癌癥的一個(gè)屏障，Id1和Id2的表達(dá)會(huì)隨細(xì)胞衰老呈明顯下降趨勢(shì)，在人類老化的成纖維細(xì)胞里，Id1與pRB協(xié)同結(jié)合突變體SV40大T抗原激活DNA合成，Id1過(guò)度表達(dá)可以延遲細(xì)胞老化或?qū)е录?xì)胞永生化。目前認(rèn)為，p16是參與細(xì)胞衰老的一個(gè)介導(dǎo)分子，p16Ink4a基因的表達(dá)受到Ets1/2的正性調(diào)控和Id1的負(fù)性調(diào)控。MAP激酶使Ets1/2轉(zhuǎn)錄因子磷酸化并活化，異常激活p16Ink4a基因表達(dá)，導(dǎo)致細(xì)胞過(guò)早衰老; MAP激酶信號(hào)通路作用于EGR1誘導(dǎo)Id1表達(dá)，Id1通過(guò)結(jié)合并抑制Ets1/2功能來(lái)抵消這種活性。在對(duì)多種腫瘤(如食管癌、鼻咽癌、前列腺癌等)的研究中，Id蛋白可以抑制腫瘤細(xì)胞凋亡并促進(jìn)其存活，Id蛋白的異常水平與抗凋亡、促生存因子和抗凋亡信號(hào)因子抑制劑密切相關(guān) ［8］。

2．3　Id與腫瘤血管再生　Id蛋白誘導(dǎo)促血管生成因子增強(qiáng)內(nèi)皮祖細(xì)胞的增殖和遷移，促進(jìn)腫瘤血管的形成，這些因子包括HIF-1α、VEGFA、FGFR1等，都能影響腫瘤微環(huán)境中其他類型細(xì)胞的生物學(xué)屬性 ［9，10］。Id1是一個(gè)新的促血管生成因子，其參與血管生成的機(jī)制是通過(guò)激活HIF-1α的活性，進(jìn)而促進(jìn)依賴VEGF的上皮細(xì)胞形成新的腫瘤血管內(nèi)皮細(xì)胞。血小板反應(yīng)蛋白被認(rèn)為是Id1調(diào)節(jié)血管生成的一個(gè)下游靶基因，Id1失活可能抑制上皮細(xì)胞血管生成，這為臨床上使用Id蛋白抑制劑的抗血管生成療法提供了依據(jù)。

2．4　Id與腫瘤的侵襲和轉(zhuǎn)移　Id蛋白的轉(zhuǎn)移性定植功能是雙重的，即增加侵襲性和上皮細(xì)胞逆轉(zhuǎn)能力(MET)。金屬基質(zhì)蛋白酶(MMP)通過(guò)降解基底膜和包繞腫瘤的基質(zhì)來(lái)突破基質(zhì)屏障，從而促進(jìn)腫瘤侵襲和轉(zhuǎn)移。Id基因?qū)胄∈笕橄偕掀ぜ?xì)胞系SCp2后，可上調(diào)MMP的表達(dá)，促進(jìn)腫瘤細(xì)胞的侵襲 ［11］。Id過(guò)度活化抗轉(zhuǎn)移基因，如腦信號(hào)蛋白3F的抑制劑能促進(jìn)細(xì)胞遷移。在原發(fā)性上皮腫瘤中，可通過(guò)TGF-β超家族細(xì)胞因子激活I(lǐng)d基因表達(dá)，Id蛋白通過(guò)調(diào)節(jié)MET在腫瘤侵襲、轉(zhuǎn)移中起作用。

2．5　Id與腫瘤干細(xì)胞　腫瘤干細(xì)胞能啟動(dòng)腫瘤并且保持腫瘤細(xì)胞系異質(zhì)性，使得腫瘤對(duì)化療藥物的耐藥性有所增加，在由HRASV12原癌基因?qū)е碌哪X腫瘤動(dòng)物模型上，Id1～I(xiàn)d3等位基因的缺失降低了神經(jīng)膠質(zhì)瘤干細(xì)胞群，這阻礙了腫瘤的生長(zhǎng)，延長(zhǎng)了小鼠的壽命 ［12］。如果將Id基因缺失的腫瘤干細(xì)胞植入小鼠大腦后，這些具有自我更新能力的細(xì)胞就會(huì)完全喪失致瘤性。而如果Id基因是完整的，那么其依然保持潛在的致瘤性 ［13］。研究顯示，胚胎神經(jīng)干細(xì)胞缺乏Id1～I(xiàn)d3時(shí)，會(huì)完全喪失自我更新能力和多潛能性 ［14］。Id1/3蛋白激活是TGF-β致癌反應(yīng)的一部分，可以利用shRNA介導(dǎo)的Id1/3基因沉默和使用TGF-β受體抑制劑來(lái)抵消神經(jīng)膠質(zhì)瘤干細(xì)胞特性。Id4下調(diào)miRNA介導(dǎo)的SRY-box 2抑制劑，這會(huì)提升膠質(zhì)瘤干細(xì)胞的致瘤性和耐藥性。與成體干細(xì)胞一樣，腫瘤干細(xì)胞錨定到一個(gè)生態(tài)位點(diǎn)，通過(guò)血管內(nèi)皮細(xì)胞之間的細(xì)胞連結(jié)派生出黏附信號(hào)。當(dāng)Id蛋白缺乏時(shí)，會(huì)下調(diào)RAS1GAP(bHLH編碼的抑制RAP1 GTPase)抑制RAS相關(guān)蛋白1，從而破壞這種細(xì)胞黏附。故RAS1GAP、Id2和Id3被認(rèn)為是高分化膠質(zhì)瘤預(yù)后的指標(biāo)。總體來(lái)說(shuō)，Id蛋白是維持干細(xì)胞特性的主調(diào)節(jié)器，其缺乏能夠影響腫瘤干細(xì)胞自我更新和腫瘤啟動(dòng)能力。

2．6　Id與腫瘤的發(fā)生、發(fā)展及預(yù)后　Id在多種腫瘤細(xì)胞中高表達(dá)，如神經(jīng)膠質(zhì)瘤、神經(jīng)母細(xì)胞瘤、甲狀腺髓質(zhì)癌等 ［15］。Id蛋白不僅能夠保持腫瘤干細(xì)胞特性，而且涉及許多癌癥相關(guān)表型，可作為治療的靶基因或預(yù)后指標(biāo)。用反義寡核苷酸在神經(jīng)母細(xì)胞瘤、胰腺癌和乳腺癌中抑制Id表達(dá)可降低腫瘤細(xì)胞的增殖速率。在許多情況下，多個(gè)表觀遺傳事件和信號(hào)通路協(xié)同導(dǎo)致Id蛋白異常表達(dá)。在非小細(xì)胞肺癌(NSCLC)中，表皮生長(zhǎng)因子受體和α7煙堿乙酰膽堿受體信號(hào)都聚集在SRC區(qū)域，通過(guò)BMP信號(hào)通路和MYC可以誘導(dǎo)激活I(lǐng)d1的轉(zhuǎn)錄，提高Id1的表達(dá)水平，促進(jìn)NSCLC的細(xì)胞增殖、MET、遠(yuǎn)處轉(zhuǎn)移以及化療耐藥性 ［16］。

Id mRNA水平受microRNAs調(diào)控。在NSCLC中，miR-381和miR-29b結(jié)合到Id1 3'非編碼區(qū)進(jìn)而抑制Id1翻譯，從而抵抗由SRC誘導(dǎo)的Id1水平升高 ［17，18］;在神經(jīng)母細(xì)胞瘤中，MYCN基因能夠促進(jìn)Id2的聚集而miR-9和miR-103卻能抵制這種作用 ［19］;在乳腺癌細(xì)胞中，缺乏miR-335能夠維持Id4的表達(dá) ［20］。通過(guò)與TCF3-Id3突變體對(duì)比發(fā)現(xiàn)，E蛋白作為Id蛋白的首要目標(biāo)通常作為腫瘤抑制劑。

Id蛋白只能維持10～20 min，并通過(guò)泛素蛋白酶途徑降解，細(xì)胞分裂后期促進(jìn)復(fù)合物/細(xì)胞周期體(APC/C-CDH1) E3泛素連接酶誘導(dǎo)Id1/2/4降解，另一種E3泛素連接酶——SMAD泛素化調(diào)節(jié)因子2 (SMURF2)，參與TGF-β信號(hào)通路降解Id1/3 ［21］。泛素特異性蛋白酶1過(guò)表達(dá)導(dǎo)致Id蛋白累積，促進(jìn)細(xì)胞生長(zhǎng)和保持干細(xì)胞樣特性 ［22］。因此，APC/C-CDH1 和SMURF2都有抑制腫瘤功能，了解其在腫瘤發(fā)生、發(fā)展中的作用有助于腫瘤治療設(shè)計(jì)。

Id過(guò)度表達(dá)常與腫瘤惡性程度及腫瘤細(xì)胞的組織學(xué)分級(jí)有關(guān)，Id高表達(dá)常預(yù)示預(yù)后不良。Id1蛋白的高表達(dá)可以使抑癌基因INK4α失活，影響腫瘤細(xì)胞增殖，Id1～I(xiàn)d3在高惡性星形細(xì)胞瘤中的表達(dá)水平明顯增高; Id2在分化良好的食管癌患者中高表達(dá)，而在低分化者中低表達(dá)，并且Id2高表達(dá)的食管鱗狀細(xì)胞癌患者預(yù)后良好，因此，Id1和Id2能夠作為獨(dú)立預(yù)測(cè)食管癌患者預(yù)后和生存期的指標(biāo); Id2表達(dá)升高與HCV相關(guān)的伴門(mén)脈侵犯的肝細(xì)胞癌有密切聯(lián)系，并認(rèn)為Id2有可能成為其潛在的診斷和治療靶標(biāo); Id4在乳腺癌中可能是一種潛在的抑癌基因，能參與抑制腫瘤抑制基因BRCA1的轉(zhuǎn)錄;反之，BRCA1抑制Id4的轉(zhuǎn)錄，這構(gòu)成了雌激素依賴性調(diào)節(jié)回路，從而平衡這兩個(gè)基因的表達(dá) ［23］。

綜上所述，Id蛋白已成為研究細(xì)胞生命過(guò)程以及探尋治療人類疾病有效靶向藥物的一類重要分子，對(duì)Id蛋白生物學(xué)功能進(jìn)行深入研究，可進(jìn)一步揭示每一種Id蛋白在腫瘤細(xì)胞中的確切作用機(jī)制，從而將Id作為藥物作用靶點(diǎn)引入臨床，為臨床治療惡性腫瘤提供一種新的途徑。