NDRG2基因抑制腫瘤細胞增殖機制的研究進展

蘇志航，吳舟

廣東醫(yī)科大學附屬醫(yī)院泌尿外科，廣東 湛江 524001

NDRG(N-Myc 下游調(diào)節(jié)基因)家族是由4 個高度同源(同源性57%～65%)的基因組成，除NDRG4 表達相對局限，其他3個成員在組織中的表達均比較廣泛，這提示NDRG 基因家族在機體中具有廣泛的生理作用[1]。NDRG2是我國學者首先從人腦內(nèi)克隆的一種新型廣譜抑癌基因，作為NDRG家族的一員已在多種人類惡性腫瘤中發(fā)揮抑制作用[2-3]。有研究表明，NDRG2在腫瘤細胞中低表達，其表達量增加會抑制腫瘤細胞增殖[4-6]。目前，NDRG2 抑制腫瘤細胞增殖機制的研究主要涉及信號轉(zhuǎn)換領域，而能量代謝方面的研究則很少，有待進一步研究，本文對NDRG2 基因抑制腫瘤細胞增殖的機制進行綜述。

1 NDRG2的發(fā)現(xiàn)、結構特點和生物學特征

NDRG2 基因是我國學者CHEN 等[7]在1999 年為尋找腦內(nèi)新基因，采用錨定PCR方法擴增正常人全腦cDNA，在克隆PH 結構域新基因的過程中，偶然發(fā)現(xiàn)的一種新基因(GeneBank登錄號AF159092)。NDRG2基因位于14q1L 2號染色體上，由15個內(nèi)含子和16個外顯子組成，全長人NDRG2蛋白由371個氨基酸殘基組成，其相對分子質(zhì)量為40 kDa[8]。在人體內(nèi)，NDRG2 含APC 樣結構域，是NDRG 家族的特有結構域，受原癌基因N-Myc 的表達調(diào)控。NDRG2 在空間結構上屬于α/β水解酶超家族，該家族包括多種細胞抗氧化應激酶，NDRG2 與其中的細菌環(huán)氧化物水解酶的二級結構極為相似，推測可能參與細胞抗氧化應激反應、內(nèi)外源有毒物質(zhì)的代謝、維持細胞內(nèi)氧化還原電勢平衡等，但由于關鍵氨基酸的缺失以及第七外顯子的丟失，其不具有水解酶活性，目前認為NDRG2蛋白晶體結構中以螺旋α6 與細胞在缺氧應激下發(fā)生核轉(zhuǎn)移關系最為密切[9]。

2 NDRG2與腫瘤的關系

2.1 NDRG2 與腫瘤的發(fā)生、發(fā)展 LI 等[10]通過免疫組織化學方法檢測130對肝細胞癌及鄰近非腫瘤性肝組織中的NDRG2 蛋白表達量時發(fā)現(xiàn)，肝細胞癌及鄰近非腫瘤性肝組織中的NDRG2蛋白表達量存在差異，與鄰近非腫瘤性肝組織相比，NDRG2蛋白表達量在肝細胞癌組織中顯著降低。CHEN等[11]通過免疫化學方法檢測316 例結直腸癌組織中的NDRG2 的表達水平時發(fā)現(xiàn)，與結直腸癌組織相比，NDRG2 的表達水平在癌旁正常組織中顯著增高。這些結果提示，NDRG2 作為抑癌候選基因，其表達水平與腫瘤的發(fā)生、發(fā)展呈負相關。FU 等[12]通過RT-PCR、Western blotting 等方法比較前列腺癌細胞與正常前列腺細胞NDRG2 的表達量的差異時發(fā)現(xiàn)前列腺癌細胞與正常前列腺細胞的NDRG2表達量存在差異，NDRG2在前列腺癌細胞中NDRG2的表達水平顯著低于正常前列腺細胞。

2.2 NDRG2 與腫瘤的侵襲、轉(zhuǎn)移 HAN 等[13]通過RT-PCR和免疫組織化學分別檢測了120對胰腺癌組織和從胰腺癌患者收集的相鄰非腫瘤臨床樣品中NELFE、NDRG2的mRNA及蛋白表達水平，然后通過MTT和集落形成試驗檢測胰腺癌細胞的增殖，最后通過Transwell測定法檢測胰腺癌細胞的侵襲和遷移，發(fā)現(xiàn)與配對的非癌組織相比，NELFE通過降低胰腺癌中NDRG2 mRNA的穩(wěn)定性來激活Wnt/β-catenin信號通路，從而促進胰腺癌細胞發(fā)生侵襲和轉(zhuǎn)移。GOLESTAN等[14]以pCMV6-AC-GFP-NDRG2轉(zhuǎn)染HCT116細胞系(人結腸直腸癌)，通過Transwell 試驗檢測細胞的侵襲和遷移，發(fā)現(xiàn)穩(wěn)定的NDRG2 轉(zhuǎn)染使NDRG2 過表達降低了細胞的侵襲、轉(zhuǎn)移能力。MONFARED等[15]將前列腺癌細胞分為NDRG2 組(轉(zhuǎn)染PSES-pAdenoVator-PSA-NDRG2-IRES-GFP質(zhì)粒)、模擬組(轉(zhuǎn)染模擬質(zhì)粒)和對照組，通過Transwell測定法測定NDRG2表達對前列腺癌細胞侵襲和轉(zhuǎn)移的影響以及RT-PCR 用于評估NDRG2 基因表達，發(fā)現(xiàn)與對照組和模擬組相比，NDRG2 的過表達減少了前列腺癌細胞的侵襲和轉(zhuǎn)移。

2.3 NDRG2通過信號轉(zhuǎn)換途徑抑制腫瘤細胞增殖 TAMURA 等[16]通過用煙草替代物4-硝基喹啉-1-氧化物(4-NQO)治療建立了口腔鱗狀細胞癌的模型發(fā)現(xiàn)，大多數(shù)具有淋巴結轉(zhuǎn)移的口腔鱗狀細胞癌表現(xiàn)出高水平的磷酸化AKT-S473 和PTEN-STT 以及低水平的NDRG2 表達，NDRG2 的異位表達通過抑制AKT-S473 和PTEN-STT 磷酸化逆轉(zhuǎn)上皮到間質(zhì)轉(zhuǎn)化表型并抑制NF-κB 信號傳導，從而起抑癌作用。YANG 等[17]應用過量表達的慢病毒載體和shRNA 來上調(diào)和干擾NDRG2 的表達，且通過免疫組織化學檢測食道癌組織中的NDRG2、蛋白激酶B(p-AKT)以及X連鎖凋亡蛋白(XIAP)的表達量時發(fā)現(xiàn)，NDRG2在食道癌組織中低表達，而p-AKT 和XIAP 高表達，NDRG2的過表達通過抑制AKT/XIAP信號通路，從而在食道癌中起腫瘤抑制作用。LI等[18]通過建立肝癌轉(zhuǎn)移模型，發(fā)現(xiàn)肝微環(huán)境中抑癌基因Ndrg2 的缺失會通過NF-κB 途徑影響TAM 極化，從而參與腫瘤相關巨噬細胞的抑癌作用。LI等[19]通過免疫組織化學和蛋白質(zhì)印跡分析發(fā)現(xiàn)，與正常腎組織相比，mTORC1 通路在腎細胞癌中活躍，依維莫司是mTORC1通路的抑制劑，NDRG2 能夠抑制mTORC1 活性并與mTOR 抑制劑協(xié)同作用以抑制腎細胞癌的增殖。MA 等[20]通過MTT 測定、EdU 染色、集落形成測定和異種移植小鼠模型，證實了Krüppel 樣因子4 (KLF4)抑制結直腸癌細胞的增殖和腫瘤形成取決于NDRG2。隨后通過組織陣列分析，發(fā)現(xiàn)KLF4通過激活依賴NDRG2的信號傳導以抑制直腸癌的增殖。YU 等[21]通過免疫組織化學檢查發(fā)現(xiàn)，NDRG2 的表達與AR 和c-Myc 的表達呈負相關，AR 負調(diào)節(jié)NDRG2，并改變c-Myc 和前列腺特異性抗原(PSA)的水平，NDRG2 的強制表達顯著抑制雄激素依賴性和去勢抵抗性前列腺癌細胞的體外生長。

2.4 NDRG2通過能量代謝途徑抑制腫瘤細胞增殖 癌細胞使用葡萄糖和谷氨酰胺作為主要的能量來源和前體中間體，糖酵解和谷氨酰胺分解參與癌細胞的代謝重新編程，增強的糖酵解和谷氨酰胺分解是癌癥代謝重編程的主要標志[22]。癌基因激活和腫瘤抑制基因失活改變了影響糖酵解和谷氨酰胺分解的多個細胞內(nèi)信號通路[23]。SHI等[24]通過RT-PCR、Western blotting等方法發(fā)現(xiàn)NDRG2顯著抑制糖酵解和谷氨酰胺分解中的關鍵調(diào)節(jié)劑和酶，如葡萄糖轉(zhuǎn)運蛋白1(GLUT1)、己糖激酶2(HK2)、丙酮酸激酶M2(PKM2)、乳酸脫氫酶A(LDHA)、谷氨酰胺轉(zhuǎn)運蛋白ASC 氨基酸轉(zhuǎn)運蛋白2 (ASCT2)和谷氨酰胺酶1 (GLS1)在mRNA上的表達。并通過集落形成測定，傷口愈合測定和裸鼠移植瘤等實驗證明NDRG2是腎透明細胞癌中糖酵解和谷氨酰胺分解的關鍵抑制劑，這表明NDRG2 作為腎透明細胞癌的抑癌基因，通過抑制糖酵解和谷氨酰胺分解而發(fā)揮抑癌作用。PAN 等[25]發(fā)現(xiàn)在葡萄糖限制下，NDRG2 的過表達通過減少細胞內(nèi)ATP 和NADPH 的產(chǎn)生并增加ROS 水平，加劇了能量不平衡和氧化應激，從而顯著降低了肝癌細胞增殖并增強了細胞凋亡。凋亡是在多細胞生物中發(fā)生的細胞程序性死亡過程之一，其特征在于起泡、細胞萎縮、核碎裂、染色體DNA 碎裂和染色質(zhì)濃縮[26]。ZAREI 等[27]在實驗中使用質(zhì)粒PSES-pAdenoVator-PSA-NDRG2-IRES-GFP 轉(zhuǎn)染前列腺LNCaP 細胞，然后以流式細胞儀分析細胞周期，發(fā)現(xiàn)與未轉(zhuǎn)染NDRG2的前列腺LNCaP細胞相比，轉(zhuǎn)染NDRG2的前列腺LNCaP 細胞顯示更高的凋亡率，這表明NDRG2的過表達顯著促進細胞凋亡。NDRG2 通過調(diào)節(jié)能量代謝過程而發(fā)揮抗腫瘤作用，包括促進凋亡[28]。線粒體通路是細胞程序性死亡(凋亡)的重要通路之一，是細胞發(fā)生程序性死亡的核心和開關[29]。線粒體損傷，線粒體呼吸鏈斷裂，ATP 生成減少，ROS 升高以及細胞色素C 和Ca 釋放到細胞質(zhì)中并誘導細胞凋亡[30]。以上這些提示NDRG2 抑制腫瘤細胞增殖，尤其是在能量代謝方面，可能是通過線粒體途徑實現(xiàn)的。

2.5 NDRG2作為腫瘤標記物的應用前景 CAO等[31]通過免疫組織化學法測定食管鱗狀細胞癌組織中NDRG2 的表達水平，然后將其與患者和組織標本的特定臨床病理特征進行比較，并通過MTT 試驗、集落形成試驗、DNA復制活性和裸鼠模型測定來檢驗上調(diào)NDRG2 表達對食管鱗狀細胞癌生長的影響，發(fā)現(xiàn)NDRG2 的表達與食管鱗狀細胞癌的臨床分期、組織學分化和患者的生命狀態(tài)呈負相關，NDRG2 可能是ESCC 患者的診斷和預后標志物。ZHANG 等[32]通過RT-PCR和Western blotting方法測量膀胱癌、膀胱癌細胞系患者和健康對照者尿液中NDRG2 表達水平，通過χ2檢驗分析NDRG2 表達與臨床病理特征之間的相關性，并通過建立受體工作特征(ROC)曲線估算NDRG2 的診斷價值，發(fā)現(xiàn)膀胱癌患者尿液和細胞中NDRG2 的相對表達在mRNA 和蛋白水平均顯著下調(diào)，其低表達與腫瘤的分級和分期顯著相關，ROC曲線顯示NDRG2 可能是良好的診斷標志物，AUC 為0.888，表明具有較高的敏感性和特異性。

3 存在問題

盡管過去大部分研究表明NDRG2在發(fā)揮著重要的生物學作用，但是目前仍存在許多需要解決的問題，尤其是在腫瘤研究領域中。首先，在所有腫瘤組織中，NDRG2是否都發(fā)揮抑制腫瘤增殖作用，其表達量是否與腫瘤的發(fā)生、發(fā)展有必然的關聯(lián)，且通過什么途徑抑制腫瘤的侵襲、轉(zhuǎn)移，這仍待進一步完善。其次，盡管過去的實驗表明體外轉(zhuǎn)染上調(diào)NDRG2 表達量能取得良好的抑制腫瘤細胞增殖的作用，然而在實際人體基因治療方面，NDRG2 轉(zhuǎn)染效率、安全性、可行性研究卻十分空缺，且NDRG2抑制腫瘤的增殖，國內(nèi)外的研究以信號轉(zhuǎn)換途徑偏多，而在能量代謝途徑方面仍十分局限。最后，NDRG2 在發(fā)揮抑癌作用過程中是否占絕對的主導地位，或者多基因作用，具體機制至今尚未清楚。

4 展望

目前，人類對惡性腫瘤的發(fā)生機制尚未十分了解，尋找新的治療靶點并針對該靶點開展新的基因治療及研制新藥物成為醫(yī)學研究領域的熱點。作為一種抑癌候選基因，NDRG2 的功能研究已廣泛開展，尤其是在抑癌作用研究領域，已取得一定進展。然而，目前的研究多局限于實驗室，且NDRG2 發(fā)揮抑癌作用的具體機制至今尚未完全明確，尤其是能量代謝方面，仍需更多的基礎和臨床研究，這影響了NDRG2 作為腫瘤標記物的應用前景。筆者期望伴隨著研究的不斷深入，會為腫瘤治療等相關研究帶來新的突破。