OCT 4假基因在腫瘤中的研究進(jìn)展

余菁雯,周留林

蚌埠醫(yī)學(xué)院附屬泰興市人民醫(yī)院婦產(chǎn)科,江蘇 泰興2254000

"假基因"最早出現(xiàn)于1977年,Jacq等[1]報(bào)道非洲爪蟾蜍中有一組未被翻譯的基因序列與核糖體5S DNA同源,但與其功能基因相比,這段序列中存在5'端缺失和3'端錯(cuò)配,并且未發(fā)現(xiàn)基因的轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物,由此證明其并沒有生物學(xué)活性,因此稱這段與5S DNA同源的基因序列為假基因.此后,研究人員發(fā)現(xiàn)假基因廣泛分布于原核生物和真核生物中,由于假基因無法翻譯成具有完整功能的蛋白質(zhì),因此普遍認(rèn)為假基因是沒有功能的基因或基因片段[2-3].而在最近的20年內(nèi),隨著新一代測序技術(shù)的大規(guī)模應(yīng)用,多種類別的非編碼RNA被發(fā)現(xiàn),并且有研究正在解釋它們在生物進(jìn)程中的功能[4].假基因最初被定義為異?；?具有與功能基因相似的序列,可能由于終止密碼子過早出現(xiàn)或者基因框移突變而失去蛋白質(zhì)編碼能力[5-6].

假基因來源于單一或重復(fù)的蛋白編碼基因的退化,或是加工過的信使RNA(messenger RNA,mRNA)的逆轉(zhuǎn)錄,其退化特性包括框架去功能化、編碼序列衰變和不完整[2].根據(jù)產(chǎn)生機(jī)制不同,可將假基因分為3種主要類型[6-7]:①單一假基因,來自單個(gè)拷貝的功能基因,在演變過程中由于累積突變致使起始功能丟失;②非加工型假基因,又稱為復(fù)制型假基因,在基因復(fù)制過程中,由于多種失能突變(如終止密碼子提前或框移突變),或者缺乏轉(zhuǎn)錄或轉(zhuǎn)錄為非編碼RNA導(dǎo)致缺失蛋白編碼能力;③加工型假基因,又稱為逆轉(zhuǎn)錄型假基因,源自正常mRNA轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物逆轉(zhuǎn)錄整合到新基因組位置的mRNA,這種假基因存在內(nèi)含子及其他調(diào)節(jié)元件的丟失,并且與其親本基因位于不同的染色體上.假基因曾被認(rèn)為是"垃圾",然而隨著人們對假基因的深入研究,發(fā)現(xiàn)這些"垃圾"可能在病理生理過程中具有一定的功能[8].

研究顯示,假基因表達(dá)的非編碼RNA在調(diào)控相應(yīng)的蛋白編碼基因中具有特殊的功能[9].某些假基因的轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物可被加工成反義RNA,通過RNA干擾通路競爭性結(jié)合同源mRNA進(jìn)而調(diào)控蛋白編碼基因;另一些假基因可作為競爭性內(nèi)源RNA(competingendogenousRNA,ceRNA)與mRNA競爭微小RNA反應(yīng)元件(miRNA response element,MRE),調(diào)控癌基因或抑癌基因的表達(dá);假基因產(chǎn)生的RNA可通過發(fā)揮微小RNA"海綿作用"調(diào)控同源基因的表達(dá),或者在加工過程中產(chǎn)生內(nèi)源性小干擾RNA,通過傳統(tǒng)的RNA干擾機(jī)制抑制同源基因的表達(dá)[8,10-11],由于假基因與其親本基因具有高度的相似性,研究發(fā)現(xiàn)假基因可能與其親本基因相互作用[12],如第10號(hào)染色體缺失的磷酸酶和張力蛋白同源基因(gene of phosphate and tension homologue deleted on chromosome ten,PTEN)和八聚體結(jié)合轉(zhuǎn)錄因子4(octamer-binding transcription factor 4,OCT4)實(shí)際上就是被對應(yīng)的假基因表達(dá)的非編碼RNA調(diào)控,從而導(dǎo)致其序列或轉(zhuǎn)錄活性發(fā)生改變[13].過去一直認(rèn)為假基因在生物學(xué)上無關(guān)緊要,但近年的研究發(fā)現(xiàn)其在多種生理和病理進(jìn)程中發(fā)揮關(guān)鍵作用,尤其在惡性腫瘤的發(fā)生發(fā)展中[14].研究表明,特異性假基因是具有價(jià)值的腫瘤診斷因子和預(yù)后標(biāo)志物[15].Han等[16]研究發(fā)現(xiàn),在大量已確定組織類型的腫瘤樣本中發(fā)現(xiàn)有相當(dāng)數(shù)量的假基因特異性表達(dá)于不同類型的腫瘤中,在子宮內(nèi)膜癌中依靠假基因的表達(dá)差異所區(qū)分的腫瘤組織類型,與由腫瘤標(biāo)志物所區(qū)分的腫瘤亞型高度一致;同時(shí)還發(fā)現(xiàn)在腎臟腫瘤中,假基因的表達(dá)不僅與患者的生存率顯著相關(guān),且與傳統(tǒng)的臨床指標(biāo)相比,能夠更加準(zhǔn)確地預(yù)測患者的生存時(shí)間.在神經(jīng)膠質(zhì)瘤中,高表達(dá)的ANXA2及其假基因均與接受放療或化療后患者的不良預(yù)后有關(guān),預(yù)示著ANXA2及其假基因可作為神經(jīng)膠質(zhì)瘤的預(yù)后標(biāo)志物及治療靶點(diǎn)[17].本文結(jié)合近年來對OCT4假基因的研究,分析其在腫瘤中的作用,進(jìn)一步討論其在不同腫瘤中的作用機(jī)制.

1 OCT 4假基因在腫瘤中的分布及功能

1.1 OCT 4假基因在腫瘤中的分布

目前在胚胎干細(xì)胞中已確定6種OCT4假基因,即OCT4-pg1、OCT4-pg2、OCT4-pg3、OCT4-pg4、OCT4-pg5、OCT4-pg6,它們與親本基因擁有共同的高度保守序列[18].這6種假基因中,4種具有翻譯功能,OCT4-pg1、OCT4-pg3、OCT4-pg4和OCT4-pg5能夠編碼不穩(wěn)定的蛋白,與OCT4A高度同源;而OCT4-pg2和OCT4-pg6不能編碼蛋白[19-21].通過Nucleotide Blast隊(duì)列分析發(fā)現(xiàn),這些假基因的mRNA與OCT4A、OCT4B及OCT4B1基因高度一致,通過直接比較OCT4A與OCT4-pg1的啟動(dòng)子、5'UTR、編碼序列以及3'UTR,結(jié)果顯示,即使它們的大小有差異,但所有元素高度一致.

除人胚胎干細(xì)胞及生殖細(xì)胞腫瘤衍生細(xì)胞系外,在實(shí)體瘤細(xì)胞系及成體干細(xì)胞中均發(fā)現(xiàn)OCT4假基因的表達(dá).研究人員發(fā)現(xiàn),在原發(fā)性白血病樣本及體細(xì)胞腫瘤中OCT4假基因的轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物可被表達(dá)[22].在肝細(xì)胞腫瘤中,OCT4-pg4與OCT4同時(shí)表達(dá);在人神經(jīng)膠質(zhì)瘤與乳腺癌中,OCT4-pg1、OCT4-pg3和OCT4-pg4均存在表達(dá);然而在精原細(xì)胞瘤與人惡性多發(fā)性畸胎瘤細(xì)胞中,所有OCT4假基因皆不表達(dá)[10,21].OCT4-pg1與OCT4-pg5在多種腫瘤細(xì)胞系及組織中都有表達(dá),但未發(fā)現(xiàn)在胚胎癌細(xì)胞、成纖維細(xì)胞、正常細(xì)胞(橫紋肌、表皮)中表達(dá).

1.2 OCT 4假基因在腫瘤中的功能

研究發(fā)現(xiàn),在肝細(xì)胞癌和子宮內(nèi)膜癌中,OCT4-pg4和OCT4-pg5發(fā)揮著抑制miRNA-145的作用,從而保護(hù)OCT4的轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物[10,23].而在小鼠胚胎干細(xì)胞的分化過程中,OCT4-pg4的長鏈非編碼RNA(long noncoding RNA,lncRNA)處于抑制狀態(tài),同時(shí)維持OCT4基因沉默;小鼠原代胚胎成纖維細(xì)胞(primary mouse embryonic fibroblast,pMEF)轉(zhuǎn)化為誘導(dǎo)性多能干細(xì)胞期間,OCT4-pg4也處于抑制狀態(tài),并維持OCT4基因沉默[11].此外OCT4假基因除了作為調(diào)控因子,還與腫瘤的發(fā)生發(fā)展密切相關(guān),且這種假基因的高表達(dá)與肝細(xì)胞癌患者的不良預(yù)后有關(guān)[10].Scarola等[11]研究證實(shí),OCT4-pg4是抑制細(xì)胞分化過程中胚胎干細(xì)胞自我更新通路異常激活的關(guān)鍵因素.OCT4-pg4轉(zhuǎn)錄產(chǎn)生的lncRNA可以招募H3K9特異性甲基化組蛋白轉(zhuǎn)移酶SUV39H1,誘導(dǎo)親本基因OCT4在轉(zhuǎn)錄過程中的啟動(dòng)子發(fā)生表觀遺傳沉默.此機(jī)制將減少維持細(xì)胞自我更新的轉(zhuǎn)錄因子的表達(dá)并促進(jìn)小鼠胚胎干細(xì)胞分化,而干擾OCT4P4-SUV39H1沉默復(fù)合體的表達(dá)將導(dǎo)致細(xì)胞重新獲得自我更新能力.

2 OCT 4假基因與腫瘤

OCT4假基因廣泛表達(dá)于腫瘤細(xì)胞及組織中,且可能在轉(zhuǎn)錄和(或)蛋白水平存在功能活性,意味著OCT4假基因可能對腫瘤細(xì)胞的增殖及腫瘤發(fā)展發(fā)揮作用.目前為止,在人類基因組中已經(jīng)鑒定了與OCT4高度同源的6個(gè)OCT4相關(guān)假基因,高度的同源性往往造成難以與真基因OCT4相區(qū)別,導(dǎo)致在腫瘤研究中常引起一些混亂.Poursani等[24]研究發(fā)現(xiàn),OCT4假基因在不同腫瘤中的表達(dá)具有特異性,提示每種假基因存在著獨(dú)立的表達(dá)調(diào)控功能,如OCT4-pg2在大多數(shù)細(xì)胞系中都不表達(dá),僅在HepG2細(xì)胞中高表達(dá),而OCT4-pg3僅在調(diào)控NT2細(xì)胞的神經(jīng)分化過程中表達(dá).目前對OCT4假基因的研究僅在初始階段,仍需進(jìn)一步研究其在腫瘤發(fā)生中的作用.

2.1 假基因POU 5F1B與腫瘤

POU結(jié)構(gòu)域5類轉(zhuǎn)錄因子1B(POU domain class 5 transcription factor 1B,POU5F1B)基因,也稱OCT4-pg1、OTF3C、OTF3P1和POU5F1P1,定位于染色體8q24,其編碼的蛋白與OCT4A具有95%的同源性,假基因POU5F1B(OCT4-pg1)是在rs10505477 SNP中呈現(xiàn)A或G核苷酸多態(tài)性的假基因[21].研究發(fā)現(xiàn),接受基于順鉑的化療并攜帶GA/AA基因型的胃癌患者與接受相同治療但攜帶GG基因型的患者相比,前者的總生存期更短[25].近年來的研究顯示,POU5F1B是一種腫瘤易感基因,在結(jié)直腸癌[26]、膀胱癌[27]、宮頸癌[28]、前列腺癌[29]及慢性淋巴細(xì)胞白血病[30]中均有發(fā)現(xiàn).Hayashi等[31]研究顯示,在胃癌中POU5F1B基因由于基因組擴(kuò)增而過表達(dá)(POU5F1B基因位于染色體8q24上且與其相鄰的c-MYC共擴(kuò)增),POU5F1B蛋白通過促進(jìn)細(xì)胞增殖和血管生成同時(shí)抑制細(xì)胞凋亡而發(fā)揮致癌作用.此外,研究發(fā)現(xiàn),在Ⅳ期胃癌患者中,POU5F1B高表達(dá)與患者的總生存期縮短有關(guān)[31].Pan等[32]研究發(fā)現(xiàn),POU5F1B在肝細(xì)胞癌細(xì)胞中表達(dá)上調(diào),POU5F1B高表達(dá)的肝細(xì)胞癌患者較POU5F1B低表達(dá)患者的預(yù)后差,且生存時(shí)間較短;POU5F1B可以促進(jìn)肝細(xì)胞癌細(xì)胞增殖,在POU5F1B過表達(dá)的肝細(xì)胞癌細(xì)胞中抑制蛋白激酶B(protein kinase B,PKB,也稱AKT)的表達(dá),可以抑制肝細(xì)胞癌細(xì)胞的增殖;研究還發(fā)現(xiàn),POU5F1B高表達(dá)的肝細(xì)胞癌患者具有AKT高磷酸化水平,表明在肝細(xì)胞癌中POU5F1B通過激活A(yù)KT促進(jìn)細(xì)胞增殖.為進(jìn)一步揭示OCT4與其假基因之間的聯(lián)系,Villodre等[18]通過對OCT4、OCT4-pg1的表達(dá)水平進(jìn)行相關(guān)性分析,結(jié)果發(fā)現(xiàn)其表達(dá)水平在胰腺與肝臟腫瘤中均呈正相關(guān),因此認(rèn)為OCT4與其假基因的高相似性維持了它們的轉(zhuǎn)錄及穩(wěn)定性調(diào)控,提示OCT4假基因可能在腫瘤中發(fā)揮著OCT4miRNA海綿的功能[33].Kastler等[29]研究發(fā)現(xiàn),OCT4家族中有且僅有POU5F1B在前列腺癌中表達(dá),其轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物的表達(dá)水平是癌旁組織的3倍,在前列腺癌上皮細(xì)胞及癌旁組織中均發(fā)現(xiàn)POU5F1B蛋白的表達(dá),但是在非瘤性腺體及前列腺癌上皮細(xì)胞中其表達(dá)水平相同,提示在前列腺中POU5F1B的過表達(dá)并不源于POU5F1B的激活及8q染色體的擴(kuò)增,而是源于具有POU5F1B的腫瘤細(xì)胞密度的增加.雖然POU5F1B在一些腫瘤組織中表達(dá),但其在腫瘤和其他細(xì)胞類型中的表達(dá)情況及生物學(xué)功能仍需要進(jìn)一步論證.

2.2 假基因OCT 4-pg 4與腫瘤

假基因OCT4-pg4位于染色體1q22區(qū)域,OCT4-pg4位于肝癌細(xì)胞染色體中的高水平擴(kuò)增區(qū)域,說明OCT4-pg4的異常表達(dá)可能預(yù)示基因擴(kuò)增.OCT4-pg4位于H3K4甲基轉(zhuǎn)移酶ASH1L(一種橫跨人類基因組的長度為220 kb的大型基因,在肝癌中的表達(dá)水平較高且處于激活狀態(tài)的組蛋白甲基轉(zhuǎn)移酶)的內(nèi)含子中,可受其功能基因的轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物的影響,OCT4-pg4與其轉(zhuǎn)錄方向相反,OCT4-pg4位于正義鏈,而ASH1L位于反義鏈,因此OCT4-pg4擁有獨(dú)立的啟動(dòng)子并且可以獨(dú)立轉(zhuǎn)錄,且可能受ASH1L反式作用的影響.Wang等[10]研究認(rèn)為,OCT4-pg4由于缺乏與其功能基因相似的3'UTR,因此并不是通過3'UTR結(jié)合同源靶向mRNA發(fā)揮海綿功能,而是由于miRNA結(jié)合位點(diǎn)位于開放閱讀框序列中;假基因的整個(gè)轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物可能具有一種海綿功能,OCT4-pg4的序列發(fā)生變化將導(dǎo)致一種新型的物質(zhì)與miRNA-145匹配;此外,與OCT4的轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物相比,OCT4-pg4的轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物對miRNA-145顯示更高的親和力.在肝細(xì)胞癌中OCT4和OCT4-pg4異常表達(dá),且其表達(dá)水平具有相關(guān)性,OCT4-pg4發(fā)揮ceRNA功能抑制miRNA-145的表達(dá),保護(hù)OCT4的轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物,從而在肝細(xì)胞癌的發(fā)生中發(fā)揮致癌作用.

2.3 假基因OCT 4-pg 5與腫瘤

假基因OCT4-pg5定位于染色體10q21.Bai等[23]研究發(fā)現(xiàn),OCT4-pg5在子宮內(nèi)膜癌組織中的表達(dá)水平明顯高于正常子宮內(nèi)膜組織,并證明了OCT4-pg5在子宮內(nèi)膜癌中具有促進(jìn)腫瘤細(xì)胞增殖及克隆形成的能力,且OCT4-pg5可以逆轉(zhuǎn)miRNA-145的逆向調(diào)控作用.研究結(jié)果還表明,過表達(dá)OCT4-pg5可增加周期蛋白D(1cyclin D1)和增殖細(xì)胞核抗原(proliferating cell nuclear antigen,PCNA)的表達(dá)水平,并激活磷脂酰肌醇-3-羥激酶(phosphatidylinositol 3-hydroxy kinase,PI3K)/AKT信號(hào)通路,OCT4-pg5在促進(jìn)子宮內(nèi)膜癌細(xì)胞的增殖中發(fā)揮著miRNA-145拮抗劑的作用[23].Hawkins和Morris[34]研究認(rèn)為,通過RNA干擾敲除反義轉(zhuǎn)錄物將導(dǎo)致有義轉(zhuǎn)錄激活,且反義lncRNA還可以直接對遠(yuǎn)端位點(diǎn)進(jìn)行表觀遺傳修飾,因此抑制OCT4-pg5的反義lncRNA后,OCT4的轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物及OCT4-pg4和OCT4-pg5的表達(dá)水平均增加.這種增加與表觀遺傳標(biāo)志和OCT4啟動(dòng)子上的組蛋白甲基轉(zhuǎn)移酶EZH2的去沉默有關(guān).lncRNA與核蛋白以及PURA蛋白(一種35 kD的單鏈DNA與RNA結(jié)合蛋白)相互作用,負(fù)向調(diào)控反義轉(zhuǎn)錄.

3 展望

假基因類似于一種非編碼DNA,在機(jī)體中參與多種生理病理過程,許多假基因具有轉(zhuǎn)錄活性.近年來,假基因功能的研究日益受到重視,一些先驅(qū)性研究已經(jīng)表明假基因在基因調(diào)控中發(fā)揮關(guān)鍵作用,假基因的變異和失調(diào)在惡性腫瘤的發(fā)生發(fā)展中扮演著重要角色.RNA測序分析結(jié)果表明,假基因是細(xì)胞同一性的高度特異性標(biāo)志物,可作為疾病診斷和預(yù)后判斷的指標(biāo).此外,基因工程小鼠模型也表明假基因表達(dá)的改變與惡性腫瘤存在一定的因果關(guān)系.假基因?qū)τ诩膊≡\斷和預(yù)后判斷具有一定的價(jià)值,利用這種準(zhǔn)確的細(xì)胞識(shí)別標(biāo)志物可能引起一個(gè)關(guān)鍵的革新,并且能進(jìn)一步完善個(gè)性化醫(yī)療,為多種腫瘤的診斷、治療提供新的思路,如今面臨的主要問題是如何更加簡便地區(qū)分假基因與其親本基因,并且進(jìn)一步證明其生物學(xué)特性,仍需要大量的研究進(jìn)一步揭示假基因在腫瘤發(fā)生發(fā)展中的作用,以及假基因的產(chǎn)生和調(diào)節(jié)機(jī)制、表達(dá)模式及具體功能.