SOCS家族分子在腫瘤發(fā)生發(fā)展中的作用

劉春來 劉紅雨 陳軍

細胞因子（cytokine, CK）是免疫原、絲裂原或其他刺激因子誘導多種細胞產(chǎn)生的低分子量可溶性蛋白質(zhì)，具有調(diào)節(jié)天然免疫和獲得性免疫、血細胞生成、細胞生長以及損傷組織修復等多種功能。他們通過與細胞表面相應的受體特異性結(jié)合，從而將細胞外的信號通過不同的途徑傳遞至細胞內(nèi)[1,2]。細胞因子與其細胞表面相應的受體結(jié)合，激活受體相關(guān)的JAK蛋白酪氨酸激酶（Janus protein tyrosine kinase, JAK）的激酶，使位于下游的信號傳導及轉(zhuǎn)錄激活因子（signal transducers and activators of transcription, STATs）C端的保守酪氨酸殘基發(fā)生磷酸化而使之得到激活。被激活的STATs通過其酪氨酸磷酸化的SH2結(jié)構(gòu)域（Src homology domain）相互結(jié)合形成二聚體，進入細胞核，與特定的DNA位點結(jié)合，從而調(diào)控靶基因的轉(zhuǎn)錄?，F(xiàn)有的證據(jù)表明，JAK-STAT信號通路的持續(xù)性活化與腫瘤的惡性轉(zhuǎn)化關(guān)系密切，并且與腫瘤的發(fā)生、發(fā)展有關(guān)。而導致其持續(xù)活化的機理，一直是研究的熱點。1997年Starr、Naka和Endo等[3]學者首次發(fā)現(xiàn)了細胞因子信號轉(zhuǎn)導抑制（suppressor of cytokine signaling,SOCS）蛋白，并首次闡明SOCS基因?qū)AK-STAT信號通路的負調(diào)控作用，之后的研究[4,5]發(fā)現(xiàn)，SOCS家族在腫瘤發(fā)生、發(fā)展和轉(zhuǎn)移等過程中發(fā)揮著重要作用，而日益成為研究關(guān)注的焦點。近年來研究發(fā)現(xiàn)，SOCS啟動子區(qū)域內(nèi)CpG島（CpG island）的超甲基化、組蛋白乙?；惓?、突變及其失活導致的基因轉(zhuǎn)錄沉默與多種腫瘤的發(fā)生密切相關(guān)。SOCS蛋白作為信號轉(zhuǎn)導途徑的負調(diào)節(jié)因子成為治療腫瘤的新靶標。本文就SOCS家族的發(fā)現(xiàn)、結(jié)構(gòu)特點、各結(jié)構(gòu)域的功能及其在腫瘤發(fā)生發(fā)展中的作用等方面的研究進展作一綜述。

1 SOCS家族的分子結(jié)構(gòu)

SOCS1于1997年從IL-6誘導小鼠單核白血病細胞MI系的分泌體系中發(fā)現(xiàn)，以后又陸續(xù)發(fā)現(xiàn)了其他SOCS蛋白，目前發(fā)現(xiàn)該家族有CIS（cytokine-inducible SH2 domaincontaining protein）、SOCS1-SOCS7等8個成員分子[3,6,7]，SOCS家族成員及其分子結(jié)構(gòu)概括列于圖1。SOCS 家族可在多種細胞內(nèi)構(gòu)成表達或誘導表達，不同種系的同一種SOCS的同源性高，表現(xiàn)為高度保守。

SOCS家族的蛋白結(jié)構(gòu)類似，均由N區(qū)、SH2區(qū)和C端的SOCS盒（SOCS box）區(qū)組成。中間的SH2區(qū)含SH2結(jié)構(gòu)域，其協(xié)同N區(qū)，通過與特定細胞因子受體結(jié)合使不同的SOCS蛋白識別不同的目標，進而調(diào)節(jié)各種細胞因子信號轉(zhuǎn)導途徑。SOCS盒由近40個氨基酸組成，同源性極強，具有高度保守性，SOCS盒通過與Elongins B、Cullin-5或Cullin-2、Rbx1和E2相互作用使該區(qū)域的蛋白分子作為E3泛素連接酶（ubiquitin ligase E3）降解與其結(jié)合的特異性信號蛋白，同時抑制自身蛋白的降解，從而調(diào)節(jié)細胞內(nèi)信號分子的定位或穩(wěn)定性，抑制細胞信號轉(zhuǎn)導[8-10]。此外，SOCS1和SOCS3可以通過其激酶抑制區(qū)直接抑制JAK激酶的活性，激酶抑制區(qū)的功能是作為假底物，被認為是SOCS1和SOCS3執(zhí)行其負反饋調(diào)節(jié)必不可少的區(qū)域[11]。最近，Babon等[12]的研究表明其并不僅表現(xiàn)為假底物，還能作為一個非競爭性抑制劑與ATP（phosphate donor）和底物結(jié)合。SOCS家族各成員發(fā)揮作用的方式有所不同，SOCS1的SH2結(jié)構(gòu)域能夠直接結(jié)合JAKs活化環(huán)[11]，CIS和SOCS2的SH2結(jié)構(gòu)域的酪氨酸殘基能夠發(fā)生磷酸化，SOCS3可以直接結(jié)合活性細胞因子受體[13]，與SOCS分子結(jié)合的酪氨酸磷酸化蛋白質(zhì)包括TLR（toll-like receptor, TLR）信號[14]和人胰島素受體底物1（insulin receptor substrate 1 antibody, IRS1）[15]。因此，SOCS蛋白通常通過SH2結(jié)構(gòu)域結(jié)合，通過SOCS盒泛素化誘導靶分子的降解。而且有研究[16]發(fā)現(xiàn)其他含有SOCS盒區(qū)的非SOCS家族成員的蛋白也可以通過SOCS盒的作用來調(diào)節(jié)腫瘤細胞的侵襲和轉(zhuǎn)移。

2 在腫瘤發(fā)生發(fā)展中的作用

細胞因子信號通過抑制JAK-STAT信號通路介導的信號轉(zhuǎn)導在各種類型的細胞增殖、分化、成熟和凋亡過程起著重要的作用，并參與腫瘤的發(fā)生和發(fā)展。大量的細胞因子可以激活JAK-STAT信號通路，如白細胞介素6（interleukin-6, IL-6）、白細胞介素11（interleukin-11,IL-11）、α干擾素（interferon-α, IFN-α）、粒細胞集落刺激因子（granulocyte colony-stimulating factor, G-CSF）、白血病抑制因子（leukemia inhibitory factor, LIF）和瘦素等，這些細胞因子與相應的受體結(jié)合后導致受體發(fā)生二聚化，JAK激酶在接受上游受體分子的信號后，迅速募集于受體上并發(fā)生活化，活化的JAK催化受體發(fā)生酪氨酸磷酸化，通過磷酸化STAT分子SH2的識別和結(jié)合位點，STAT形成二聚體并進入胞核。二聚體STAT分子作為有活性的轉(zhuǎn)錄因子，直接影響相關(guān)基因的表達，進而改變靶細胞的增殖或分化狀態(tài)[17]。在腫瘤細胞中JAK-STAT被持續(xù)活化，從而促進腫瘤細胞的增殖和分化。SOCS分子是經(jīng)典的JAK-STAT信號通路的負反饋調(diào)節(jié)蛋白[18]，其可以通過抑制STAT的磷酸化及其二聚體的形成或者直接抑制JAK的磷酸化來負向調(diào)節(jié)JAK-STAT通路，從而抑制細胞的持續(xù)增殖和分化。SOCS失活后其對JAK-STAT通路的抑制作用也隨之消失，從而導致腫瘤細胞的持續(xù)增殖和分化（信號轉(zhuǎn)導的過程見圖2）。

3 腫瘤中SOCS失活的機制

在腫瘤細胞中SOCS可由于多種原因失活，導致其失活的可能機制有以下幾種。

圖1 SOCS家族成員的分子結(jié)構(gòu)圖。SOCS家族各成員均包含一個SOCS盒和一個中心SH2同源區(qū)。而在SOCS1和SOCS3的中心SH2區(qū)上游區(qū)段還包含一個特有的KIR區(qū)。Fig 1 The structure of the SOCS family members.All the members contain a SOCS box and a central SH2 homology region.Both SOCS1 and SOCS3 contain a unique kinase inhibitory region (KIR) on the upstream of the central SH2 domain, which is proposed to function as a pseudosubstrate.

圖2 SOCS抑制JAK-STAT信號通路的作用機制Fig 2 Mechanism of SOCS inhibition of JAK-STAT signaling pathway

3.1 超甲基化 癌細胞中SOCS基因沉默與其啟動子CpG島的超甲基化密切相關(guān)。由于SOCS啟動子區(qū)的異常甲基化，SOCS蛋白在許多腫瘤細胞中的表達降低，導致其對JAK-STAT信號通路的抑制作用消失，STAT持續(xù)被磷酸化激活，從而導致腫瘤的發(fā)生。

SOCS超甲基化在多種腫瘤中被發(fā)現(xiàn)，如：肺癌、肝癌、前列腺癌、食管癌等[19-22]。Souma等[23]學者在胃癌的研究當中發(fā)現(xiàn)，在其所選擇的5種胃癌細胞中均有SOCS1的甲基化存在，并且其中的兩個細胞系當中有STAT3的組成性激活，當使用腺病毒載體來增加SOCS1的表達后，其STAT3磷酸化水平明顯降低，同時也抑制了細胞的異常增殖。他們還發(fā)現(xiàn)SOCS1對腫瘤細胞的抑制作用不僅僅是因為抑制STAT3的活化，還通過對P38-MAPK（mitogen activated protein kinases）的抑制作用來抑制細胞惡性增殖。在異種移植瘤的模型當中增加SOCS1的表達能夠明顯抑制胃癌的增殖，從而證實了SOCS1基因甲基化在胃癌發(fā)展過程中的關(guān)鍵作用。Takeuchi等[24]亦證實SOCS超甲基化在兒童淋巴癌中起了關(guān)鍵性的作用。Kim等[25]發(fā)現(xiàn)在宮頸癌中SOCS1的表達降低同樣與SOCS基因啟動子區(qū)的甲基化相關(guān)。

在肝癌的研究當中，對不同臨床病理特征的病例與其SOCS1啟動子區(qū)甲基化之間的關(guān)系進行對比分析，發(fā)現(xiàn)SOCS1啟動子區(qū)甲基化與肝硬化源性的肝癌和腫瘤的大小之間存在明顯的相關(guān)性[26]。日本的學者用實時定量PCR和免疫印跡的方法發(fā)現(xiàn)肝癌組織中SOCS3的表達低于正常肝組織，并且通過特異性敲除小鼠SOCS3基因，使得SOCS3對STAT3的抑制作用消失導致STAT3持續(xù)活化，其抗細胞凋亡的作用隨之增強，致癌物誘導肝癌發(fā)生的作用也隨之增加，證明了超甲基化導致的SOCS3表達缺失與肝癌的發(fā)生有關(guān)[27]。英國學者最新研究發(fā)現(xiàn)，SOCS3缺失能夠明顯促進骨髓源性腫瘤的生長，這主要是通過增加腫瘤微環(huán)境中相關(guān)髓源性抑制細胞和減少CD8+T細胞的浸潤而實現(xiàn)的，重要的是，他們還發(fā)現(xiàn)粒細胞集落刺激因子在該途徑當中起著重要作用，表現(xiàn)出STAT3的異?；罨?yōu)先分化為Gr-1+CD11b+Ly6G+MDSC表型。而骨髓源性腫瘤中SOCS的表達缺失也與SOCS啟動子區(qū)的甲基化有關(guān)[28]。Lindemann等[29]發(fā)現(xiàn)，在原發(fā)性膠質(zhì)母細胞瘤中SOCS3啟動子甲基化和表皮生長因子受體的表達呈負相關(guān)，他們發(fā)現(xiàn)在沉默SOCS3之后，表皮生長因子受體相關(guān)信號通路被激活，進而增加了STAT3和局部粘著斑激酶（focal adhesion kinase, FAK）的磷酸化水平，證實了SOCS3啟動子甲基化失活通過STAT3和FAK活化促進膠質(zhì)瘤細胞的侵襲轉(zhuǎn)移作用。Coppede等[30]研究發(fā)現(xiàn)結(jié)腸癌中SOCS的CpG島甲基化可以作為一種重要的分子標記。

3.2 組蛋白乙?；?SOCS的表達除了與甲基化有關(guān)以外，與組蛋白的去乙?；灿幸欢ǖ年P(guān)系。Kim等[25]在宮頸癌中發(fā)現(xiàn)SOCS1的表達降低不僅與其啟動子區(qū)高甲基化有關(guān)，同時還發(fā)現(xiàn)SOCS1和SOCS3的表達與組蛋白的去乙酰化有關(guān)，用選擇性組蛋白去乙?；柑幚碇?，二者的表達均增高，而SOCS5的表達沒有明顯的變化。在結(jié)直腸癌的研究當中也表明組蛋白乙?；瘏⑴c了SOCS1和SOCS3的表達調(diào)控，組蛋白去乙?；福╤istone deacetylase, HDAC）抑制劑能夠?qū)е耂OCS1和SOCS3啟動子相關(guān)的組蛋白乙酰化，使得SOCS1和SOCS3的表達增高而抑制JAK-STAT通路的信號轉(zhuǎn)導，繼而調(diào)節(jié)腫瘤細胞的增殖分化和凋亡[31]。因此，SOCS啟動子區(qū)組蛋白乙酰化可能也與腫瘤的發(fā)生發(fā)展有一定的關(guān)系。

3.3 突變 Mottok等[32]發(fā)現(xiàn)SOCS的表達下調(diào)與異常的特異性體細胞突變（somatic hypermutation, SHM）有關(guān)，在人類彌漫性大B細胞淋巴瘤、濾泡性淋巴瘤中SOCS1基因的突變率約為四分之一，這些突變是基于B細胞特異性體細胞突變引起的。髓系細胞SOCS3基因缺失通過使腫瘤微環(huán)境中髓源性抑制細胞水平明顯升高并降低CD8+T細胞的侵潤，使得JAK-STST通路持續(xù)激活從而促進腫瘤的生長[28]。有作者在胃癌的研究當中發(fā)現(xiàn)，SOCS6在胃癌當中表現(xiàn)為持續(xù)的下調(diào)，他們的研究數(shù)據(jù)也表明SOCS6的下調(diào)主要與等位基因的突變?nèi)笔Ш蛦幼蛹谆嘘P(guān)，后來他們還證實了SOCS6誘導的細胞凋亡與線粒體的分裂有關(guān)[33,34]。SOCS負性調(diào)控JAK-STAT通路進而抑制腫瘤的增殖和生長，STAT信號通路的激活促成了腫瘤炎性微環(huán)境的形成，參與了腫瘤血管生成、上皮間質(zhì)轉(zhuǎn)化和細胞外基質(zhì)降解等多個環(huán)節(jié)，在腫瘤的侵襲和轉(zhuǎn)移過程中發(fā)揮重要作用。突變導致的SOCS失活后，其對JAK-STAT信號轉(zhuǎn)導通路的抑制作用也隨之消失，這就使得JAK-STAT信號通路的持續(xù)激活，促進腫瘤微環(huán)境的形成，最終導致腫瘤的發(fā)生發(fā)展和轉(zhuǎn)移。

4 SOCS與病毒感染相關(guān)的腫瘤

據(jù)估計至少有20%以上的腫瘤是由炎癥發(fā)展而來，如肝癌患者當中多數(shù)都是由HBV或HCV病毒感染導致的肝炎、肝硬化發(fā)展而來[35]。在這些腫瘤組織中SOCS1基因CpG島處于超甲基化狀態(tài)，導致SOCS1蛋白的表達降低，Yoshida等[26,36-38]觀察到，許多肝炎病毒感染的病例在發(fā)展成為肝癌之前已經(jīng)出現(xiàn)了SOCS1基因的沉默，并且SOCS1啟動子異常甲基化與肝炎病毒的持續(xù)感染有關(guān)。SOCS1的表達降低會導致STAT1的過高表達，加重肝組織的炎癥反應，促進肝細胞轉(zhuǎn)化為上皮細胞并持續(xù)增殖，而增加惡化的可能性。因此，SOCS是一個通過抑制慢性炎癥而防止惡變的獨特的抑癌基因，將來可以作為一個防止組織炎癥向腫瘤轉(zhuǎn)化的治療位點[39,40]。

5 研究SOCS家族功能的意義

自SOCS家族第一個成員被發(fā)現(xiàn)以來，人們對其進行了大量的研究，以了解SOCS蛋白家族成員的分子結(jié)構(gòu)及其功能，以及其對JAK-STAT通路的負調(diào)控作用在腫瘤的發(fā)生發(fā)展中起的作用。眾所周知，癌癥是目前人類面臨的最大的醫(yī)學難題之一，手術(shù)、放射治療、化療是傳統(tǒng)的治療方式。放射及化學治療途徑對腫瘤細胞的殺傷不完全，并存在著選擇性低、毒性大、免疫抑制等缺點。近些年來，隨著人們對腫瘤發(fā)生發(fā)展機制認識的加深和基因檢測手段的不斷提升，使得靶向藥物治療成為了腫瘤方面的研究熱點?，F(xiàn)在有很多種靶向藥物已經(jīng)用于臨床，使很多腫瘤患者從中獲益。靶向藥物具有針對性強、對正常細胞毒性小、效果明顯的特點，這就為很多因難以耐受傳統(tǒng)化療藥物毒副作用的患者提供了新的選擇。SOCS蛋白在腫瘤發(fā)生發(fā)展中的作用正在逐漸的被人們認知清楚，現(xiàn)在已經(jīng)有許多學者將SOCS蛋白激活劑用于臨床前研究，并取得了一定的進展，有研究指出腫瘤的治療中激活SOCS后再用JAK抑制劑的效果比單用JAK激酶抑制劑的效果要好[23,41-43]。Kim等[25,42,44]學者發(fā)現(xiàn)恢復SOCS1和SOCS3的表達能夠增加宮頸癌細胞對放療的敏感性。在非小細胞肺癌的研究當中也發(fā)現(xiàn)增加SOCS1的表達能夠增加P53的磷酸化水平，而在僅使用JAK抑制劑時卻沒有P53的磷酸化，恢復SOCS3的表達不僅能夠促進腫瘤細胞的凋亡，而且還能增加其對放療的敏感性。Al-Jamal等[45]發(fā)現(xiàn)在慢性粒細胞性白血病的治療中，SOCS3基因啟動子區(qū)的甲基化所導致的STAT3持續(xù)激活與腫瘤細胞對伊馬替尼的耐藥有關(guān)。

綜上所述，SOCS家族成員是JAK-STAT信號通路重要的負調(diào)控因子，由于超甲基化、組蛋白乙?；⑼蛔兊仍?qū)е缕涫Щ?，是腫瘤發(fā)生、發(fā)展的重要分子機制。SOCS家族的激活能增加腫瘤細胞對放療、化療藥物及靶向治療的敏感性，并誘導腫瘤細胞凋亡。針對SOCS的靶向治療的研究，將會為腫瘤靶向治療提供新的思路。