GDF-15在腫瘤發(fā)生發(fā)展及免疫調(diào)節(jié)中作用的研究進展①

高云鴿 程天一 錢羅蒙 周福興 汪夢馨 張建芳 宋婷婷 黎 昱 徐 盈 陳必良

(空軍軍醫(yī)大學(xué)第一附屬醫(yī)院婦產(chǎn)科，西安 710032)

生長分化因子-15(growth differentiation factor-15，GDF-15)是分泌型轉(zhuǎn)化生長因子-β(transfor-ming growth factor-β，TGF-β)超家族的遠端成員，不完全屬于任何現(xiàn)有的TGF-β超家族蛋白家族。GDF-15在正常組織中低表達，但機體處于缺氧、炎癥、外傷或癌變等刺激狀態(tài)時表達上調(diào)[1，2]。關(guān)于GDF-15在腫瘤中作用的研究并不少見，大量研究顯示GDF-15在不同腫瘤及腫瘤的不同階段中發(fā)揮不同作用，并在腫瘤的免疫調(diào)節(jié)中發(fā)揮重要作用[3]。本綜述探討GDF-15在腫瘤發(fā)生發(fā)展及免疫調(diào)節(jié)中的作用，以期為疾病的診斷與治療提供新靶點。

1 GDF-15的結(jié)構(gòu)與表達

人GDF-15基因位于19號染色體短臂區(qū)12區(qū)到13區(qū)1帶，包含2個外顯子和1個內(nèi)含子，開放閱讀框約為927 bp[4]。GDF-15啟動子上有多種轉(zhuǎn)錄因子結(jié)合位點，包括p53、EGR-1、CREB、Sp1、CHOP、ER stress、ATF3[5]。GDF-15蛋白前體共有308個氨基酸(aa)，其中包含29個aa的疏水信號肽序列、167個aa的前肽序列以及112個aa的成熟區(qū)。2個GDF-15前體蛋白N末端信號肽序列被切除后，通過二硫鍵發(fā)生二聚化，并在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)正確折疊，繼而在RXXR位點裂解，產(chǎn)生具有生物活性的含224個aa、分子量約為25 kD的成熟蛋白二聚體，進而被分泌到胞外[3，6，7]。成熟蛋白具有由7個半胱氨酸殘基組成的胱氨酸結(jié)(cystine knot)結(jié)構(gòu)域，該結(jié)構(gòu)在TGF-β超家族不同成員之間高度保守。GDF-15在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)的正確折疊需要前肽參與，與TGF-β家族其他蛋白不同的是，前肽對于GDF-15的正確折疊不是必需的[5]。除成熟的GDF-15多肽具有活性外，未經(jīng)加工處理的GDF-15前體蛋白被分泌到胞外，與細胞外基質(zhì)成分相互作用，調(diào)節(jié)GDF-15的儲存、局部生物活性、細胞功能及血清濃度[8，9]。

GDF-15在多種哺乳動物組織中廣泛表達，在正常人體內(nèi)，GDF-15的表達具有明顯的組織特異性。在胎盤和前列腺中GDF-15表達較高，在腎臟和胰腺中亦可檢測到其表達，在其他組織和器官中GDF-15表達量很低甚至幾乎不表達。GDF-15在正常組織中表達水平低下，但當(dāng)機體處于缺氧、炎癥、外傷或癌變等刺激狀態(tài)時，GDF-15則顯著高表達，孕婦血清GDF-15水平亦顯著升高，提示GDF-15參與胚胎發(fā)育、細胞應(yīng)激反應(yīng)調(diào)控、炎癥發(fā)生及腫瘤等多種生理病理過程[10]。

2 GDF-15與腫瘤的關(guān)系

大量研究發(fā)現(xiàn)，GDF-15在癌癥的發(fā)生發(fā)展過程中有非常復(fù)雜的作用，雖然GDF-15在多種腫瘤中高表達，但其在不同腫瘤及腫瘤的不同階段中可能發(fā)揮不同甚至相反的作用。除此之外，GDF-15還通過多種途徑影響腫瘤免疫調(diào)節(jié)。

2.1GDF-15在腫瘤中的表達 研究表明，GDF-15基因在前列腺癌和結(jié)直腸癌中高度過表達，為證實這一結(jié)果，Nakamura等[11]對大量前列腺癌和非癌組織中GDF-15的定量表達進行了評估，發(fā)現(xiàn)GDF-15基因在前列腺癌組織中表達明顯高于非癌組織，這一現(xiàn)象在侵襲性更強的前列腺癌中更為顯著，該研究也進一步證實GDF-15與腫瘤的發(fā)生、分化與侵襲密切相關(guān)。Brown等[12]也發(fā)現(xiàn)結(jié)直腸癌患者血清GDF-15水平因腺瘤狀態(tài)而異，且與結(jié)腸癌危險因素顯著相關(guān)，血清GDF-15水平不僅隨腺瘤數(shù)量增加而增加，也隨高危腺瘤的復(fù)發(fā)而增加，表明血清GDF-15水平與結(jié)直腸癌患者的預(yù)后高度相關(guān)。Staff等[13]發(fā)現(xiàn)子宮內(nèi)膜癌患者血漿GDF-15水平升高，漿液性卵巢腫瘤上皮中也出現(xiàn)GDF-15表達增加[14]。隨后，Lima等[15]發(fā)現(xiàn)卵巢癌惡性程度與GDF-15的表達水平正相關(guān)，在此之前也有研究發(fā)現(xiàn)在進展期惡性腫瘤中，GDF-15表達的升高更為明顯，進展期腫瘤患者血清中GDF-15的過高表達警示著不良預(yù)后[16]，以上研究揭示了GDF-15的表達與腫瘤發(fā)生發(fā)展的密切關(guān)系，在多種腫瘤中，GDF-15表達水平較相應(yīng)正常組織均有所升高。有研究表明根據(jù)血清GDF-15水平結(jié)合某些腫瘤診斷標志物，可顯著提高腫瘤診斷的特異性，進一步證明了GDF-15在腫瘤的診斷與預(yù)后評估方面良好的發(fā)展前景[17]。

2.2GDF-15在腫瘤發(fā)生發(fā)展中的作用 GDF-15在腫瘤發(fā)生發(fā)展過程中的作用目前尚無定論，有實驗表明GDF-15具有抑癌活性，而有些實驗卻顯示其可促進癌癥發(fā)展。在對非小細胞肺癌的研究中，Cekanova等[18]發(fā)現(xiàn)GDF-15蛋白通過下調(diào)p38MAPK信號通路對氨基甲酸酯誘導(dǎo)的肺癌形成起抑制作用，并通過激活caspase 3/7誘導(dǎo)細胞凋亡。另有研究發(fā)現(xiàn)，GDF-15通過GCN5依賴性KLF5乙酰化促進A549細胞增殖，該研究還通過異種移植腫瘤檢測到沉默GDF-15后A549細胞中腫瘤形成減少[19]。以上研究結(jié)果提示，在不同的實驗方法和細胞周期中，GDF-15在非小細胞肺癌中對腫瘤發(fā)揮的作用不同。

研究表明GDF-15可促進結(jié)直腸癌細胞的上皮-間質(zhì)轉(zhuǎn)化(EMT)和轉(zhuǎn)移，而用結(jié)腸直腸致癌物氧化偶氮甲烷處理GDF-15轉(zhuǎn)基因小鼠(GDF15-Tg)后，其異常隱窩灶比非轉(zhuǎn)基因同窩小鼠減少50%，且無腫瘤發(fā)生[20，21]。而在GDF-15敲除小鼠中，COX抑制劑舒林酸對腸息肉形成的抑制功能喪失[22]。以上研究表明GDF-15具有抗腫瘤活性。在結(jié)腸癌的研究中，發(fā)現(xiàn)GDF-15同時發(fā)揮促癌作用和抑癌作用，提示GDF-15可能在癌癥早期發(fā)揮抑癌作用，而在癌癥晚期發(fā)揮促癌作用。Husaini等[23]發(fā)現(xiàn)，GDF-15過表達延長TRAMP小鼠存活期并抑制癌細胞生長，而在前列腺癌的進展過程中，GDF-15過表達可能會促進局部侵襲和轉(zhuǎn)移擴散，進一步證實在腫瘤發(fā)展的不同階段，GDF-15對腫瘤發(fā)揮不同作用。

最近研究發(fā)現(xiàn)GDF-15參與宮頸癌發(fā)生。激活與ErbB2復(fù)合的PI3K/AKT和MAPK/ERK信號通路，改變細胞周期調(diào)節(jié)因子(p21，CDK2/4和cyclin D1/E1)表達，促進人宮頸癌細胞增殖[24]。Lima等[15]發(fā)現(xiàn)在卵巢癌的晚期，GDF-15可能促進化療耐藥及癌細胞的增殖、遷移、侵襲和轉(zhuǎn)移，進一步證實在癌癥晚期，GDF-15發(fā)揮促癌作用的同時，還促進化療耐藥，最終導(dǎo)致不良預(yù)后。但是目前關(guān)于宮頸癌與卵巢癌中GDF-15表達與意義的研究尚不多見，沒有足夠證據(jù)證實宮頸癌和卵巢癌中GDF-15對腫瘤的發(fā)生發(fā)展起抑制或促進作用。

總之，GDF-15的抑癌和促癌作用均有大量實驗支持，提示GDF-15可能同其家族成員類似，在癌癥早期通過抑制腫瘤細胞生長、誘導(dǎo)細胞凋亡起抑癌作用；而在癌癥晚期，GDF-15則會促進腫瘤細胞增殖、遷移及轉(zhuǎn)移。因此，GDF-15是癌癥晚期潛在治療靶點，值得進一步研究。

2.3GDF-15在腫瘤免疫調(diào)節(jié)中的作用 正常細胞向腫瘤狀態(tài)轉(zhuǎn)化的過程中，轉(zhuǎn)化細胞吸引先天和適應(yīng)性免疫細胞，滲透于腫瘤起始部位的免疫細胞表現(xiàn)出抗腫瘤活性，起“免疫監(jiān)視”作用[25，26]。而在腫瘤的發(fā)展過程中，腫瘤組織分泌多種腫瘤源性因子，包括TGF-β、GM-CSF、IL-6、M-CSF、IL-10、VEGF、神經(jīng)節(jié)苷脂類及PGE2等，抑制抗腫瘤免疫反應(yīng)，在已鑒定的腫瘤源性因子中，GDF-15在多種惡性腫瘤中均高表達，參與腫瘤免疫調(diào)節(jié)，與多種腫瘤的增殖、轉(zhuǎn)移及預(yù)后相關(guān)[27]。

巨噬細胞是浸潤早期腫瘤的主要免疫細胞群，浸潤的巨噬細胞被激活后，通過分泌細胞毒性因子，如TNF和一氧化氮(NO)，或通過轉(zhuǎn)移腫瘤抗原激活細胞毒性T細胞，直接消除腫瘤細胞[28，29]。NF-κB是參與腫瘤和免疫細胞間通訊的轉(zhuǎn)錄因子，組成型NF-κB活性有助于癌細胞增殖、存活和轉(zhuǎn)移[30，31]。NF-κB在癌癥晚期階段為致癌基因，通過保護表達Ras的轉(zhuǎn)化細胞免受先天免疫細胞的作用而發(fā)揮癌基因作用[32]。研究發(fā)現(xiàn)，GDF-15在胰腺癌發(fā)展的早期階段由NF-κB直接調(diào)節(jié)，以規(guī)避浸潤性炎癥巨噬細胞的免疫監(jiān)視活動。GDF-15介導(dǎo)的IKK抑制和NF-κB抑制導(dǎo)致TNF和NO表達降低，阻斷巨噬細胞的抗腫瘤免疫應(yīng)答；通過TAK1失活抑制NF-κB，由GDF-15與TGF-β家族其他成員不同的信號傳導(dǎo)[33]。以上結(jié)果表明GDF-15可通過抑制IKK和NF-κB抑制巨噬細胞抗腫瘤免疫應(yīng)答。

作為腫瘤免疫的啟動者，樹突狀細胞(DCs)具有強大的抗原攝取和處理能力，能夠向幼稚的T細胞呈遞抗原，從而誘導(dǎo)免疫應(yīng)答。腫瘤微環(huán)境中存在很多抑制性細胞因子可以作用于DCs，導(dǎo)致其功能異常，從而使腫瘤細胞逃脫機體免疫系統(tǒng)的監(jiān)視[34-36]。有研究表明，重組GDF-15(rhGDF-15)可抑制DCs中表面分子CD83、CD86和HLA-DR表達，阻止DCs成熟并損害DCs募集 T細胞的功能，導(dǎo)致癌癥模型腫瘤生長加速[37]。最近研究發(fā)現(xiàn)GDF-15在DCs中表達，且其表達水平隨DCs的發(fā)展和分化而增加，該研究還表明GDF-15可能利用TGF-βRⅠ和TGF-βRⅡ調(diào)節(jié)DCs[38]。IDO是在免疫抑制性DCs中表達的免疫抑制分子，對DCs產(chǎn)生調(diào)節(jié)性T細胞起重要作用，而GDF-15可通過上調(diào)IDO增加調(diào)節(jié)性T細胞產(chǎn)生[39]。GDF-15也可減少環(huán)狀malat-1(circ_malat-1)的表達，并通過抑制NF-κB途徑阻礙DCs成熟及其功能發(fā)揮。GDF-15缺乏可促進DCs成熟，增強DCs激活T細胞的能力[38]。GDF-15通過抑制NF-κB途徑阻礙DCs成熟，干擾DCs激活T細胞能力，最終導(dǎo)致腫瘤免疫逃逸。雖然已有實驗證實GDF-15可通過抑制巨噬細胞與證實DCs的抗腫瘤免疫應(yīng)答使腫瘤發(fā)生免疫逃逸，但關(guān)于巨噬細胞和DCs與GDF-15之間相互作用的研究尚不多見，GDF-15影響巨噬細胞和DCs抗腫瘤功能的機制與通路尚未明確，需要進一步探索。

3 總結(jié)與展望

GDF-15參與腫瘤的發(fā)生與發(fā)展，在多種腫瘤中表達量均有升高，對腫瘤的預(yù)后評估有一定價值。GDF-15在腫瘤的發(fā)展中作用復(fù)雜，不僅發(fā)揮早期抑癌晚期促癌的作用，還通過多種途徑干擾巨噬細胞、DCs和T細胞所參與的抗腫瘤免疫應(yīng)答，從而影響腫瘤的免疫調(diào)節(jié)。大量研究表明GDF-15是癌癥晚期潛在治療靶點，明確GDF-15在腫瘤中的免疫調(diào)節(jié)作用對腫瘤的免疫干預(yù)治療非常重要。因此，探究GDF-15在腫瘤發(fā)展中的作用及其參與腫瘤免疫調(diào)節(jié)的機制與通路意義重大，有待進一步研究。