HOX基因在結(jié)直腸癌中的表達(dá)及其臨床意義

結(jié)直腸癌是一種嚴(yán)重威脅人類健康的惡性腫瘤。2015年有統(tǒng)計(jì)指出，在中國(guó)結(jié)直腸癌的發(fā)病率、病死率均位居惡性腫瘤的第5位[1]。盡管近年來(lái)結(jié)直腸癌的診治有所進(jìn)展，但其發(fā)病率仍呈上升趨勢(shì)[2]。隨著基因檢測(cè)技術(shù)的不斷進(jìn)步，人們發(fā)現(xiàn)與結(jié)腸癌轉(zhuǎn)移相關(guān)的基因包括血管內(nèi)皮生長(zhǎng)因子(VEGF)、MMTV、Wnt-5α等，但這些早期分子標(biāo)志物目前的臨床實(shí)踐價(jià)值仍十分有限[3]。因此，尋找與結(jié)直腸癌的診斷和進(jìn)展相關(guān)的新生標(biāo)志物十分重要，本文主要總結(jié)了HOX基因在結(jié)直腸癌的發(fā)生發(fā)展中的作用，以期提高對(duì)結(jié)直腸癌患者的診療水平，并改善其生存質(zhì)量，延長(zhǎng)生存期。

1 HOX基因概述

在生物體中，若軀體的某一部位出現(xiàn)于軀體另一部位，則將此現(xiàn)象稱為同源異型轉(zhuǎn)化[4]。HOX基因最初是在對(duì)黑腹果蠅胚胎發(fā)育時(shí)期調(diào)控集體空間結(jié)構(gòu)的研究中被發(fā)現(xiàn)的，該類調(diào)控基因在果蠅體內(nèi)有特異表達(dá)節(jié)段和時(shí)相的作用，人們將其稱為HOX基因[5-6]。

HOX基因是由180個(gè)核苷酸構(gòu)成的、高度保守的DNA序列，該序列編碼是由60個(gè)氨基酸組成的同源結(jié)構(gòu)域，并且其結(jié)構(gòu)域的大小以及氨基酸序列的順序是固定的。目前研究發(fā)現(xiàn)，哺乳動(dòng)物共有39個(gè)HOX基因，按結(jié)構(gòu)劃分為4簇，根據(jù)基因序列的相似性以及基因在染色體上的分布又可分為13組，各分組的HOX基因具有不同的功能[7-10]。HOX基因所編碼的HOX蛋白存在于細(xì)胞核中，是胚胎正常發(fā)育過(guò)程中重要的轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)因子，指導(dǎo)DNA與蛋白質(zhì)以及蛋白質(zhì)與蛋白質(zhì)之間的相互作用，調(diào)控胚胎發(fā)育、細(xì)胞增殖及分化，維持正常細(xì)胞的生物學(xué)功能，并且在脊椎動(dòng)物胚胎發(fā)育過(guò)程中對(duì)控制體節(jié)特征、調(diào)節(jié)中樞神經(jīng)系統(tǒng)是至關(guān)重要的[5,11-12]。HOX基因不僅在胚胎早期形成的過(guò)程(如中樞神經(jīng)系統(tǒng)、胃腸道和肢體發(fā)育等)中發(fā)揮著重要的作用，還在DNA修復(fù)和細(xì)胞分化中起關(guān)鍵作用[13-14]。研究發(fā)現(xiàn)，HOX基因表達(dá)產(chǎn)物的特定組合對(duì)于脊椎動(dòng)物身體各器官的發(fā)育特征起著決定性作用，各器官表達(dá)特定的HOX基因，且HOX基因的表達(dá)水平在器官發(fā)育的不同過(guò)程中也各不相同[15]。

2 HOX基因在腫瘤中的作用

最初認(rèn)為HOX基因在腫瘤細(xì)胞中表達(dá)上調(diào)[16]，隨著研究進(jìn)一步深入，發(fā)現(xiàn)HOX基因在腫瘤中既可發(fā)揮轉(zhuǎn)錄激活因子的作用，又可發(fā)揮轉(zhuǎn)錄抑制因子的作用[17]。Abate-Shen[16]提出HOX基因表達(dá)存在3個(gè)重要的機(jī)制：(1)基因表達(dá)空間順序的改變。在某種腫瘤細(xì)胞中，HOX基因表達(dá)模式的改變可影響其下游通路，最終導(dǎo)致腫瘤的發(fā)生與轉(zhuǎn)移。(2)基因主導(dǎo)地位的改變。某種HOX基因在腫瘤細(xì)胞中異常高表達(dá)，而在正常細(xì)胞中低表達(dá)或者不表達(dá)。(3)基因表觀遺傳學(xué)的改變。某種HOX基因在正常細(xì)胞中高表達(dá)，而在腫瘤細(xì)胞中低表達(dá)或不表達(dá)。在前兩個(gè)機(jī)制中，HOX基因的主要作用是促進(jìn)腫瘤的發(fā)生與發(fā)展，而在最后一個(gè)調(diào)節(jié)機(jī)制中，HOX基因的主要作用是抑制腫瘤的發(fā)生與發(fā)展[18-19]。HOX基因可調(diào)控細(xì)胞周期和細(xì)胞凋亡，進(jìn)而促進(jìn)腫瘤的發(fā)生與發(fā)展[11]。多項(xiàng)研究表明，HOX基因的異常表達(dá)與多種腫瘤有關(guān)，包括肺癌[20]、乳腺癌[11]、卵巢癌[14]、前列腺癌[21]、胰腺癌[22]等。HOX基因的表達(dá)水平與腫瘤的病理學(xué)類型、腫瘤分期、腫瘤發(fā)生的部位等密切相關(guān)[23]。HOX基因常在多種腫瘤細(xì)胞中異常表達(dá)，因此HOX蛋白有可能成為腫瘤的診斷標(biāo)志物及治療靶點(diǎn)。

3 HOX基因與結(jié)直腸癌

3.1 HOX基因在結(jié)直腸癌中的表達(dá)

HOX基因是胚胎發(fā)育早期的調(diào)控因子，與“胚胎來(lái)源”、“前后軸定位”構(gòu)成三維模型，可描繪成體HOX基因表達(dá)的空間分布模式。HOX基因的異常表達(dá)可促進(jìn)結(jié)直腸癌的發(fā)生與發(fā)展[8]。在人類的39個(gè)HOX基因中，大多數(shù)HOX基因在實(shí)體腫瘤中存在異常表達(dá)，以HOXA9和HOXB13基因的異常表達(dá)較為常見[5,24]。與非腫瘤組織相比，HOXA9在腫瘤組織中的表達(dá)顯著升高，且與淋巴結(jié)轉(zhuǎn)移有關(guān)[25]。HOXB13在近端結(jié)直腸癌中普遍表達(dá)，且與結(jié)直腸癌的淋巴結(jié)轉(zhuǎn)移密切相關(guān)，對(duì)于評(píng)估結(jié)直腸癌患者的預(yù)后具有重要意義[12]。有研究發(fā)現(xiàn)，在結(jié)直腸癌中異常表達(dá)的HOX基因共有17個(gè)，高表達(dá)的HOX基因包括HOXA4、HOXA9、HOXB3、HOXB6、HOXB7、HOXB8、HOXB9、HOXC8、HOXC9、HOXD10，低表達(dá)的HOX基因包括HOXB2、HOXB13、HOXD1、HOXD3、HOXD4、HOXD8、HOXD12[5,26-28]。

根據(jù)腫瘤分期、腫瘤發(fā)生位置的不同，HOX基因的表達(dá)也不盡相同。通過(guò)檢測(cè)HOX基因在不同Dukes分期的結(jié)直腸癌組織中的表達(dá)水平，發(fā)現(xiàn)在結(jié)直腸癌的不同分期中，HOXB6、HOXB8、HOXC8和HOXC9基因均呈高表達(dá)，且這4個(gè)HOX基因在結(jié)腸癌細(xì)胞株Caco-2、HT-29中也呈高表達(dá)[5]。HOXB7基因所編碼的HOXB7蛋白的表達(dá)水平與結(jié)直腸癌的臨床病理特征(如腫瘤Dukes分期、遠(yuǎn)處轉(zhuǎn)移陽(yáng)性、高增殖指數(shù))密切相關(guān)。此外，HOXB7基因表達(dá)上調(diào)可激活PI3K/Akt和MAPK信號(hào)通路，促進(jìn)結(jié)直腸癌細(xì)胞的生長(zhǎng)、增殖及腫瘤形成[29]。Kanai等[26]的研究通過(guò)實(shí)時(shí)定量PCR法測(cè)定HOX基因的表達(dá)水平，發(fā)現(xiàn)正常左側(cè)結(jié)腸組織中HOXA13、HOXB13基因表達(dá)上調(diào)；降結(jié)腸組織中HOXB13、HOXD13基因表達(dá)上調(diào)，而HOXB6基因表達(dá)下調(diào)；升結(jié)腸癌組織中HOXA9、HOXB3、HOXB8和HOXB9基因表達(dá)顯著上調(diào)，而HOXD1基因表達(dá)顯著下調(diào)。HOXA3、HOXD11基因異常高表達(dá)的右側(cè)結(jié)腸癌較易發(fā)生肝轉(zhuǎn)移。HOXD8的表達(dá)水平在結(jié)腸癌肝轉(zhuǎn)移的腫瘤組織和非腫瘤肝組織中均下調(diào)，且均顯著低于其在原發(fā)性腫瘤組織中的表達(dá)水平，提示HOX基因異常表達(dá)可能參與了結(jié)腸癌的發(fā)生、發(fā)展。Freschi等[30]的研究發(fā)現(xiàn)，正常結(jié)腸隱窩中HOX基因各簇的分布不同。原位雜交實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在正常的結(jié)腸隱窩中，HOXA基因簇通常在干細(xì)胞密集的結(jié)腸隱窩基底部表達(dá)，HOXC基因簇通常在富含分化細(xì)胞的結(jié)腸隱窩頂部表達(dá)，HOXB基因簇和HOXD基因簇通常沿結(jié)腸隱窩軸向分布表達(dá)。

3.2 HOX基因表觀遺傳學(xué)機(jī)制

腫瘤發(fā)生理論認(rèn)為腫瘤的形成與基因異常表達(dá)密切相關(guān)，基因突變及表觀遺傳學(xué)的異常調(diào)控可引起體細(xì)胞轉(zhuǎn)變?yōu)閻盒阅[瘤細(xì)胞，最終形成腫瘤干細(xì)胞。研究發(fā)現(xiàn)，表觀遺傳學(xué)機(jī)制可調(diào)控消化道腫瘤中HOX基因的表達(dá)，包括DNA甲基化修飾、長(zhǎng)鏈非編碼RNA(lncRNA)與微RNA(miRNA)調(diào)控以及組蛋白乙酰化修飾等[17]。

3.2.1 HOX基因與甲基化修飾 DNA甲基化是DNA化學(xué)修飾的一種形式，指在DNA甲基化轉(zhuǎn)移酶的作用下，基因組CpG二核苷酸的胞嘧啶被修飾為5-甲基化胞嘧啶的過(guò)程。有研究對(duì)結(jié)直腸癌組織、正常結(jié)腸組織、4種結(jié)直腸癌細(xì)胞系進(jìn)行多重目的區(qū)域甲基化富集測(cè)序分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)在結(jié)直腸癌組織及結(jié)直腸癌細(xì)胞中HOXA5、HOXA6的表達(dá)水平受甲基化修飾的調(diào)控。使用去甲基化劑處理這些基因使其活化后，則可再次發(fā)揮促進(jìn)腫瘤細(xì)胞增殖與分化的作用。此研究還表明，在結(jié)直腸癌早期階段，HOXA5和HOXA6呈高甲基化水平，與基因表達(dá)水平呈負(fù)相關(guān)。因此，未來(lái)通過(guò)測(cè)定結(jié)直腸癌中高表達(dá)的HOX基因的甲基化水平，對(duì)結(jié)直腸癌的早期診斷有重要的臨床意義[31]。

3.2.2 HOX基因與非編碼RNA lncRNA與miRNA是真核細(xì)胞生物關(guān)鍵的非編碼RNA，可調(diào)控HOX基因的表達(dá)水平，參與腫瘤的發(fā)生、發(fā)展。lncRNA是由多于200個(gè)核苷酸組成的一類非編碼RNA。lncRNA可參與基因印記、染色質(zhì)重塑、細(xì)胞周期調(diào)控、組蛋白修飾等多種表觀遺傳學(xué)過(guò)程，在細(xì)胞發(fā)育、分化等過(guò)程中發(fā)揮重要的作用[32]。Rinn等[33]利用高分辨率芯片技術(shù)，首次發(fā)現(xiàn)位于12號(hào)染色體HOXC基因位點(diǎn)的HOX轉(zhuǎn)錄反義RNA(HOTAIR)。HOTAIR是具有反式轉(zhuǎn)錄調(diào)控基因表達(dá)功能的lncRNA[12]。有研究表明，HOTAIR的5′端和3′端序列可分別與核心蛋白抑制復(fù)合體2(PRC2)以及組蛋白去甲基化酶復(fù)合體(LSD1/CoREST/REST)結(jié)合于特異靶基因位點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)靶基因表觀遺傳學(xué)水平上的激活或沉默[8,34]。HOTAIR通過(guò)調(diào)控腫瘤細(xì)胞的靶基因分化、增殖和轉(zhuǎn)移，可與miRNA相互調(diào)控，對(duì)腫瘤發(fā)生、發(fā)展過(guò)程產(chǎn)生重要影響[8]。miRNA是一類由20～22個(gè)核苷酸組成的內(nèi)源性單鏈非編碼小分子RNA，參與調(diào)控信使RNA(mRNA)轉(zhuǎn)錄后水平，進(jìn)而影響多種編碼基因的表達(dá)[32]。miRNA不僅在細(xì)胞增殖、細(xì)胞分化、細(xì)胞凋亡等過(guò)程中發(fā)揮重要作用，并且作為“癌基因”或“抑癌基因”參與腫瘤的發(fā)生、發(fā)展過(guò)程，對(duì)于腫瘤的早期診斷及早期治療有重要的指導(dǎo)意義[35]。miRNA和lncRNA均為基因表達(dá)調(diào)控因子，對(duì)腫瘤的發(fā)生、發(fā)展的各個(gè)階段有重要的意義，但實(shí)際上，打破miRNA與lncRNA之間調(diào)控的“平衡”，才會(huì)導(dǎo)致腫瘤的發(fā)生與發(fā)展。

4 展望

目前，研究人員對(duì) HOX基因已有較為充分的認(rèn)識(shí)，但依然存在很多未知。若HOX基因異常表達(dá)可引起腫瘤發(fā)生，那么HOX基因轉(zhuǎn)錄活性調(diào)控將會(huì)是結(jié)直腸癌抗癌藥物研究的熱點(diǎn)；若HOX基因異常表達(dá)是由腫瘤本身所引起的，通過(guò)在表觀遺傳學(xué)水平上調(diào)控，恢復(fù)HOX基因的表達(dá)，將會(huì)是結(jié)直腸癌靶向治療的熱點(diǎn)。未來(lái)可以借助新技術(shù)，進(jìn)一步探討HOX基因在腫瘤發(fā)生、發(fā)展過(guò)程中所發(fā)揮的作用，為HOX基因在結(jié)直腸癌的診斷、治療和預(yù)后中的作用提供新的研究方向。