SOX9基因在癌癥發(fā)生發(fā)展中的作用機制研究進展

吳 盡, 肖 慧, 趙敏蝶, 丁 新, 鄭 冬, 劉學東

東北林業(yè)大學野生動物資源學院, 哈爾濱 150040

SOX9是調控性別和骨骼發(fā)育不可或缺的轉錄因子。該因子協(xié)調Y染色體上SRY基因一過性表達所起始的一系列基因互作，從而調控具有兩性潛能的生殖腺形成睪丸。目前，對于SOX9在性別和骨骼等發(fā)育中的關鍵作用已有較明確的證據(jù)和結論。癌癥是威脅人類生命健康最嚴重的疾病之一，其發(fā)病率與死亡率一直高居各種疾病之首。目前已發(fā)現(xiàn)的癌癥類型有100多種，但病因與發(fā)病機制尚未完全闡明。癌細胞是產(chǎn)生癌癥的病源，有無限增殖、可轉化和易轉移三大特點，能夠無限增殖并破壞正常的細胞組織。癌細胞除了分裂失控外(能進行多極分裂)，還會局部侵入周遭正常組織甚至經(jīng)由體內循環(huán)系統(tǒng)或淋巴系統(tǒng)轉移到身體其他部位。近年來，有證據(jù)表明SOX9基因的表達與癌癥發(fā)生相關聯(lián)，其分子機制研究目前仍處于不斷推進和積累階段。本文將對SOX9調節(jié)癌癥發(fā)生的機理進行綜述，包括SOX9基因在癌細胞中的表達機制及其調節(jié)、SOX9調節(jié)癌癥發(fā)生理論假說，以及SOX9作為潛在藥物靶標的可能性評估，以期為臨床上治療SOX9介導的癌癥提供理論基礎，同時為相關機制的研究提供參考。

1 SOX9基因的發(fā)現(xiàn)及其功能概述

早在1994年，Wagner等[1]在骨骼發(fā)育缺陷(campomelic dysplasia, CMD)的患者體內第一次發(fā)現(xiàn)SOX9(SRY-related high mobility group-box gene9)的存在。隨后，F(xiàn)oster等[2]在同一年確定人類的SOX9基因位于染色體17q24.1～q25.1，長度為3 934 bp，含兩個內含子和一個開放閱讀框，可編碼509個蛋白。位于常染色體的SOX9基因與位于性染色體Y上的性別決定基因SRY(Sex determining region of Y chromosome)同源[3]，SOX9基因編碼表達轉錄因子SOX9，含HMG盒(HMG-box)，屬SOX家族。SOX家族有20個成員，參與胚胎發(fā)育、性別決定、人類遺傳綜合征和惡性腫瘤發(fā)生[4]，根據(jù)HMG結構域內的同源性以及其他結構特征和功能，可將SOX家族分為9個亞組[5]。其中SOX9在胚胎發(fā)生、男性性發(fā)育、器官發(fā)育、軟骨細胞分化和干細胞特性中起著關鍵作用[2,6～8]。同時，SOX9對于神經(jīng)發(fā)育和胰腺發(fā)育也有一定影響[9～11]。例如在男性性發(fā)育過程中，SOX9能夠與類固醇生成因子1(steroidogenic factor 1)互作，從而促進睪丸支持細胞產(chǎn)生抗穆氏管荷爾蒙(anti-Müllerian hormone)，抑制雌性生殖系統(tǒng)的產(chǎn)生[12]，它還與一些其他基因相互作用以促進男性性器官的發(fā)育[13,14]。相似的，在軟骨發(fā)育過程中，Sox9與L-Sox5和Sox6形成復合物，使L-Sox5和Sox6的表達上調，從而激活Col2a1、Aggrecan和Col11a2等軟骨特異性分子的轉錄，促使間充質干細胞向軟骨細胞方向分化[15]。

2 SOX介導的癌癥發(fā)生發(fā)展調控機制與假說

2.1 SOX9在癌細胞中過表達的分子機制

臨床研究發(fā)現(xiàn)，SOX9基因在大腸癌、前列腺癌和結直腸癌等許多實體癌中上調表達，并能促進癌細胞的生長[16]。癌癥是危害人類健康的主要病因之一。近十年來，我國癌癥發(fā)病率呈增長趨勢，死亡人數(shù)占全部病因的四分之一，位居第一[17]，如何治愈癌癥是世界性難題。來自臨床的數(shù)據(jù)顯示SOX9基因與癌癥的發(fā)生、發(fā)展存在關聯(lián)。部分實驗研究揭示SOX9基因在多種人類癌癥組織中過表達，尤其是結腸癌、胰腺癌、前列腺癌、肺癌、外周神經(jīng)癌和大腦癌等腫瘤組織發(fā)生中起關鍵作用[18](表1)。

SOX9基因在多種實體瘤中的過表達受一些信號通路調控。在前列腺癌、結腸癌和乳腺癌中均發(fā)現(xiàn)Wnt/β-catenin信號通路可調節(jié)SOX9表達[23，32，33]。前列腺癌細胞中，GSK3β(glycogen synthase kinase 3β)被抑制后能夠上調SOX9的表達，反之，抑制β-catenin后能夠下調SOX9，這表明Wnt/Bcatenin信號通路在前列腺癌中調節(jié)SOX9的表達[23]。結直腸癌發(fā)生通常是由良性的腺瘤息肉發(fā)展為有轉移能力的浸潤性癌[34]，Matheu等[18]的研究發(fā)現(xiàn)，與正常結腸組織相比，腺瘤和癌組織中SOX9的表達水平顯著增高，并隨著晚期結直腸癌腫瘤階段的增加而增加。在結腸癌模型中，SOX9直接結合并激活了多梳蛋白Bmi1的啟動子，抑制了腫瘤抑制因子Ink4a/Arf位點，同時SOX9還能與激活的K-Ras(一種在結直腸癌發(fā)展期間經(jīng)常突變的癌基因)協(xié)作，進一步促進腫瘤的轉移。為了進一步弄清結腸癌細胞中SOX9過表達的分子機制，Blache等[32]采用基因定點突變等方法發(fā)現(xiàn)Wnt信號通路的轉錄效應因子TCF4可以直接作用SOX9從而上調SOX9的表達。在乳腺癌細胞中，研究人員發(fā)現(xiàn)SOX9可與Wnt/β-catenin信號通路形成正反饋機制，即SOX9緘默會減少癌細胞的增殖和侵襲，以及Wnt通路中LRP6和TCF4的轉錄，并降低Wnt/β-catenin活性；同時，SOX9表達量也被Wnt信號調節(jié)上調。在此正反饋機制中，SOX9位于增強Wnt/β-catenin信號的反饋中心地位，起著非常重要的作用[33]。除Wnt信號通路外，在皮膚基底細胞癌中Shh-Gli2信號通路會誘導SOX9過度激活[35]。在肺腺癌和食道腺癌中存在相似的Notch1信號通路上調SOX9的現(xiàn)象[36,37]。Capaccione等[36]對762例肺腺癌樣本進行qPCR分析，發(fā)現(xiàn)與癌細胞周圍的正常組織相比，SOX9 mRNA上的表達水平更高；用蛋白質印跡法和熒光素酶檢測法處理其中的50個樣本，并檢測SOX9蛋白水平的表達量，進一步發(fā)現(xiàn)與相鄰的正常組織相比，70%的樣本中SOX9蛋白水平的表達量過高。這些數(shù)據(jù)表明SOX9基因在肺腺癌細胞中過表達。Jiang等[38]還發(fā)現(xiàn)上調SOX9能夠誘導肺癌細胞的運動和侵襲。通過深入研究，Capaccione等[36]發(fā)現(xiàn)Notch1信號可以直接通過SOX9啟動子上游順式作用元件中的結合位點來調節(jié)SOX9的表達，此作用不依賴TGF-β途徑，并且SOX9參與Notch-1誘導的細胞運動、細胞侵襲和E-鈣粘蛋白表達的喪失。除肺癌外，在食道腺癌細胞中Notch1信號也能介導SOX9過表達。此外，還有研究顯示在泌尿道上皮癌細胞和胰腺癌細胞中，SOX9分別受到表皮生長因子受體-細胞外信號調節(jié)激酶信號通路和NF-κB信號通路的調節(jié)而過表達[19,20]。上述研究陸續(xù)闡明了各實體癌中SOX9過表達的分子機制，證明了SOX9與腫瘤癌癥發(fā)生發(fā)展的相關性，及其在腫瘤形成中的重要功能，這為進一步研發(fā)相關抗癌藥物提供了分子生物學基礎數(shù)據(jù)。

表1 SOX9在癌癥中的表達及相關情況Table 1 SOX9 expression and related conditions in cancer.

注：“-”表示無數(shù)據(jù)。

2.2 負調控SOX9的表達機制

既然SOX9表達產(chǎn)物上調與部分癌癥發(fā)生發(fā)展存在正相關性，細胞中是否存在內源性的負調控SOX9基因表達的機制呢？這個問題的研究對于回答SOX9基因及其產(chǎn)物是否能夠成為治療癌癥的靶標具有重大意義。研究顯示部分小RNA分子直接靶向SOX9并影響癌細胞的生長。脊索瘤是一種罕見的生長緩慢的腫瘤，它是由脊索的細胞殘余引起的。Chen等[21]通過組織芯片和免疫組化分析發(fā)現(xiàn)SOX9在脊索瘤中表達廣泛，且SOX9的較高表達水平與脊索瘤的不良預后相關。進一步的研究使用siRNA抑制脊索瘤中SOX9的表達，結果顯示RNAi敲減SOX9能夠抑制脊索瘤細胞生長、降低細胞運動性并誘導細胞凋亡以及細胞周期停滯。此外，SOX9抑制劑和化療藥物的組合能夠增強脊索細胞的抗癌作用。這一結果提示SOX9能夠成為治療脊索瘤的潛在藥物靶標。此外，在肝癌細胞中導入人工合成的microRNA miR-101-3p擬合物可以靶向負調控SOX9基因的表達，進而降低肝癌細胞的存活率。在該研究中，研究人員首先通過多個靶基因庫預測出miR-101-3p靶向調節(jié)SOX9基因，并構建熒光素酶報告基因確定該靶基因的正確性。接著將miR-101-3p轉染至肝癌細胞中，發(fā)現(xiàn)肝癌細胞的增殖被抑制，且大量凋亡[39]。Zhang等[40]進一步調查發(fā)現(xiàn)臨床肝癌患者的五年生存率與miR-101的表達量高低存在正相關關系。這證明miR-101-3p能夠靶向負調控肝癌細胞中的SOX9基因，抑制肝癌細胞增殖，促進肝癌細胞凋亡，并且能夠通過這一系列作用影響肝癌患者的生存率。不僅是肝癌細胞，在膠質瘤細胞中miR-101也能起到相似的作用[41]。

抗生素也可緘默SOX9基因的表達。雷帕霉素是一種新型大環(huán)內酯類免疫抑制劑，研究發(fā)現(xiàn)它有望成為新的抗腫瘤藥物[42]。Hardiman等[43]發(fā)現(xiàn)雷帕霉素能夠抑制結直腸癌早期腫瘤的發(fā)生，這一過程通常伴隨著SOX9表達水平下降。類似地，Garros-Regulez等[44]發(fā)現(xiàn)雷帕霉素通過緘默SOX2和SOX9基因的表達能夠損害膠質瘤干細胞的活性。而Carrascogarcia等[45]發(fā)現(xiàn)，SOX9的表達水平能夠影響雷帕霉素抑制癌細胞的作用功效。用相同濃度的雷帕霉素分別處理SOX9高表達和SOX9低表達的結直腸癌細胞，發(fā)現(xiàn)SOX9高表達的癌細胞凋亡率明顯大于低表達的癌細胞。

除抗生素外，多肽也可對SOX9產(chǎn)生抑制作用。Brown等[46]在2011年發(fā)明了一種能夠由多肽鏈組成的SOX9抑制劑，該抑制劑可以發(fā)揮功能性作用，通過對SOX9的抑制，達到治療某些不良病理的目的。更重要的是，SOX9抑制劑會削弱癌細胞的自我更新和侵襲潛能，表明它可能被認為是晚期結直腸癌的新型治療靶點。

2.3 SOX9調控癌癥發(fā)生發(fā)展的理論假說及其作為治療藥物潛在靶標的可行性

在臨床病理學上，SOX9的高表達與腫瘤發(fā)生發(fā)展呈正相關，而且在許多種癌癥晚期，存在SOX9表達水平增高、腫瘤病人的整體存活率下降的現(xiàn)象[47]。這說明， SOX9在一些惡性腫瘤中起著促癌因子的作用。圍繞這種促癌作用機制，有人提出如下觀點：SOX9過表達為癌細胞提供了干細胞特性，能夠維持結直腸癌干細胞和轉移細胞的穩(wěn)定性。近年來分子機制研究為這個觀點提供了實驗證據(jù)。例如，脊索瘤細胞與癌癥干細胞相似，都具有化療耐藥、復發(fā)傾向和轉移的特性，但是當敲除SOX9基因時，腫瘤干細胞標志物的表達減少[48]。相似地，在Carrascogarcia等[45]的實驗中發(fā)現(xiàn)SOX9過表達為結直腸癌細胞提供了干細胞特性，SOX9能夠維持結直腸癌干細胞和轉移細胞的穩(wěn)定性。SOX9在癌細胞中的功能非常重要，當抑制SOX9的表達，癌細胞的干細胞特性和轉移能力也會受到影響，表明通過靶向負調控SOX9基因也許能成為一種新的治療癌癥的方法。同樣的，來自Massague實驗室的一項最新研究表明，SOX9對晚期腫瘤細胞的維持非常重要[49]。這一發(fā)現(xiàn)表明，將負調控SOX9表達定位為一種提高腫瘤治療效果的策略，通過針對慢性周期性和靜止性癌癥干細胞樣亞群來防止癌癥復發(fā)是可行的。

3 展望

SOX9基因及其產(chǎn)物參與癌癥發(fā)生發(fā)展為我們重新理解SOX9的功能提供了一個新的視角。但是目前證據(jù)還不足以全面闡明相關分子機制。作為轉錄因子，SOX9在癌癥組織中所調控的基因表達網(wǎng)絡具有什么特征？哪些通路調控癌癥組織中SOX9基因的表達？SOX9如何維持癌癥干細胞特性？這些問題仍有待解決。進一步研究SOX9調控癌癥發(fā)生發(fā)展以及內源性負調控SOX9表達機制有助于闡明相關病理機理，并為疾病提供可行的治療方法，對未來個性化與精準抗癌治療的發(fā)展具有重要意義。