PAX基因與腫瘤

張偉偉，閆文姬 綜述 戴廣海 審校

PAX(homo sapiens paired box)基因家族編碼一系列生長、發(fā)育調(diào)控相關(guān)轉(zhuǎn)錄因子，參與調(diào)控多個細(xì)胞內(nèi)信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路，在胚胎發(fā)育、組織器官形成、分化過程中起關(guān)鍵作用。PAX基因發(fā)揮作用具有時間性和空間性。在多種腫瘤中，發(fā)現(xiàn)PAX基因功能和結(jié)構(gòu)異常，但其在腫瘤中的作用并未完全清楚。筆者闡述了PAX蛋白家族的一般背景，重點(diǎn)介紹了PAX1和PAX9蛋白在特定的細(xì)胞和組織中發(fā)育、成熟和腫瘤表達(dá)方面的作用。研究PAX參與調(diào)節(jié)的正常發(fā)育途徑可能會揭示腫瘤中潛在的作用靶點(diǎn)，最終為新的抗癌治療方法提供新的分子靶點(diǎn)和信號途徑。

1 PAX基因

PAX基因名字的由來，是因PAX基因家族含有高度保守的128種氨基酸的DNA結(jié)合區(qū)——配對域(paired box)。配對域最早在果蠅生長發(fā)育基因中描述，而后在多種無脊椎動脈、脊椎動物中發(fā)現(xiàn)其同源物，且持續(xù)表達(dá)在發(fā)育過程中[1,2]。在PAX家族，除配對域外，通常還包括同源域(homeodomain，HD)和八肽域(octapeptide，OP)。在脊椎動物中，依據(jù)包含結(jié)構(gòu)域不同進(jìn)行分組：第一組PAX1、PAX9；第二組PAX2、PAX5、PAX8；第三組PAX3、PAX7；第四組PAX4、PAX6。PAX3、4、6、7包含一個完整的HD，PAX2、5和8包含一個部分HD，在除PAX4和6之外的所有PAX蛋白質(zhì)中都存在OP[3]。

PAX基因家族的編碼產(chǎn)物為核轉(zhuǎn)錄調(diào)控因子，對生物體生長、發(fā)育進(jìn)行調(diào)控，在胚胎發(fā)育、器官形成過程中起重要作用[4,5]。PAX的異常激活與某些發(fā)育缺陷有關(guān)。

在器官發(fā)育成熟后，大多數(shù)PAX基因表達(dá)下調(diào)或缺失，但是在某些特定組織中，PAX基因的表達(dá)可持續(xù)到成年，或者再表達(dá)[6,7]。成年人組織中PAX基因的表達(dá)往往與干細(xì)胞的性質(zhì)和組織修復(fù)有關(guān)，還取決于組織結(jié)構(gòu)。雖然PAX在成人組織中的表達(dá)特征可能對這些組織中的特定細(xì)胞產(chǎn)生重要作用，但在許多情況下，它們在成人組織中的具體作用仍未明了。

由于其表達(dá)特征具有空間性和時間性，PAX基因表達(dá)異?？赡芤虼似茐慕M織的穩(wěn)態(tài)，并導(dǎo)致癌癥等疾病。研究表明，PAX家族成員都與多種癌癥有關(guān)[8]。通常存在PAX表達(dá)的腫瘤，大多來源于發(fā)育過程中需要PAX基因調(diào)控的組織。作為細(xì)胞增殖與分化狀態(tài)之間的分子開關(guān)，PAX蛋白具有潛在的腫瘤蛋白的特性。既往多項研究發(fā)現(xiàn)，異常的PAX蛋白活性與不同惡性腫瘤的發(fā)生存在因果關(guān)系[9]。PAX蛋白與腫瘤之間的作用原理之一即是野生類型蛋白的表達(dá)水平不適當(dāng)，這在許多腫瘤類型中起著重要作用，可以促進(jìn)或抑制腫瘤的發(fā)生。

2 PAX基因在發(fā)育中的作用及與腫瘤的關(guān)系

2.1 PAX1 在胚胎發(fā)育時期，PAX1主要參與胸腺、骨骼及甲狀旁腺生長、發(fā)育的相關(guān)調(diào)控[10,11]。PAX1基因可促進(jìn)胸腺細(xì)胞成熟，胸腺上皮中PAX1的表達(dá)降低促進(jìn)了正常T細(xì)胞成熟所需的胸腺微環(huán)境形成。研究發(fā)現(xiàn)，PAX1基因突變可抑制胸腺特異基因(glial cells missing 2，Gcm2)的表達(dá)，導(dǎo)致小鼠甲狀旁腺和胸腺發(fā)育缺陷，揭示了PAX1在甲狀旁腺及胸腺上皮細(xì)胞的分化、增殖過程中起關(guān)鍵作用[12]。此外，PAX1調(diào)控骨骼的形成，在生骨節(jié)細(xì)胞、肢芽發(fā)育期間表達(dá)，其突變可致小鼠肩帶發(fā)育畸形。有學(xué)者將小鼠PAX1基因敲除后進(jìn)行觀察，發(fā)現(xiàn)在胚胎發(fā)育時期，小鼠脊柱發(fā)育異常，椎體變小，有關(guān)機(jī)制可能為PAX1調(diào)控了相關(guān)細(xì)胞的增殖[1，2]。

關(guān)于子宮頸癌的相關(guān)研究證實PAX1基因存在甲基化，其因甲基化表達(dá)沉默，推測其可能作為抑癌基因發(fā)揮作用。

Lai等[13]在2008年首次發(fā)現(xiàn)PAX1基因在子宮頸癌中存在甲基化異常。在宮頸癌組織中，檢測PAX1基因甲基化率為94.4%，正常宮頸組織中甲基化率為0，相比具有統(tǒng)計學(xué)意義(P<0.0001)。檢測高度鱗狀上皮內(nèi)病變(high-grade squamous intraepithelial lesion，HSIL)，鱗狀細(xì)胞癌(squamous cell carcinoma，SCC)的PAX1水平，發(fā)現(xiàn)敏感度及特異度均優(yōu)于HPV檢測方法，可顯著提高宮頸癌臨床檢出率，推測在宮頸癌的發(fā)生中PAX1基因甲基化具有重要作用[14]。對宮頸脫落細(xì)胞進(jìn)行PAX1甲基化檢測，宮頸癌的甲基化水平顯著高于CINⅠ、Ⅱ、Ⅲ，隨病情演變升高明顯，具有更高的靈敏度和特異度[23]。在宮頸涂片中同時檢測人類乳頭瘤病毒(HPV)和PAX1甲基化狀態(tài)，比單獨(dú)檢測提高了靈敏度[13]。相關(guān)作用機(jī)制研究認(rèn)為，PAX1基因啟動子區(qū)CpG島甲基化與宮頸癌病變密切相關(guān)[13,15,16]。對宮頸癌相關(guān)基因(SFRP4、CNA、PAX1、CHFR、TSLCI、FHIT、PTEN)進(jìn)行測定后發(fā)現(xiàn)，PAX1甲基化程度最高，且DNA甲基轉(zhuǎn)移酶1(DNA methyltransferase 1，DNMT1)促進(jìn)宮頸癌細(xì)胞PAX1甲基化[17]。Joosten等[18]對分化的人胚胎癌細(xì)胞Tera-2研究證實，PAX1可以作為轉(zhuǎn)錄因子激活PDGFRA 基因。在宮頸癌細(xì)胞HeLa、Caskia和SiH中，PAX1高表達(dá)是由于下調(diào)UHRF1基因?qū)е陆M蛋白的去乙?；cPAX1基因啟動子區(qū)甲基化無關(guān)[19]。

有研究報道，口腔癌與宮頸癌致癌分子機(jī)制存在一致性。感染HPV已經(jīng)被證實在兩種腫瘤發(fā)生、發(fā)展過程中發(fā)揮重要作用，因此推測口腔癌與宮頸癌可能存在相同的DNA甲基化標(biāo)志物，研究發(fā)現(xiàn)通過檢測PAX1基因甲基化，可預(yù)測口腔黏膜的癌變[20,21]。臺灣的一項研究發(fā)現(xiàn)，通過刷取方法采集口腔黏膜細(xì)胞，檢測PAX1基因甲基化情況，結(jié)果顯示，口腔癌中PAX1甲基化率較高，其檢測的靈敏度、特異性均高于80%，將其與其他易感因素，如吸煙、飲酒、食用檳榔等，聯(lián)合起來評估致癌風(fēng)險，對口腔癌的早發(fā)現(xiàn)、早診斷有積極作用。

目前，PAX1基因?qū)m頸癌、口腔癌的細(xì)胞增殖、凋亡、遷移等的影響及其作用機(jī)制研究還未完全明了，需進(jìn)一步深入探討。

2.2 PAX9 在哺乳動物的發(fā)育過程，PAX9基因在分化為面部、牙齒、肢體發(fā)育的間葉細(xì)胞中表達(dá)，對器官的形成發(fā)育進(jìn)行調(diào)控[22]。對成熟小鼠進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)，PAX9在多種器官存在表達(dá)，較常見的有舌頭、口腔、食管的復(fù)層鱗狀上皮，胸腺及甲狀腺等器官[23-25]。PAX9主要表達(dá)于牙胚間充質(zhì)組織細(xì)胞中，是胚胎期牙胚形成、發(fā)育過程中關(guān)鍵轉(zhuǎn)錄因子，發(fā)揮重要調(diào)控作用，敲除PAX9基因使其表達(dá)缺失，小鼠牙胚將停滯發(fā)育。人PAX9雜合子基因突變會導(dǎo)致先天性牙齒發(fā)育缺失。

研究顯示，PAX9在多種腫瘤組織中異常表達(dá)，如PAX9在人口腔黏膜鱗狀細(xì)胞癌、涎腺腫瘤中呈高表達(dá)[26]，而在食管鱗癌、黑色素瘤中呈低表達(dá)。

Gerber等[27]指出，PAX9在人食管上皮存在廣泛表達(dá)，在大多數(shù)浸潤性食管鱗癌中，PAX9表達(dá)明顯降低或缺失，在食管鱗癌組織中其表達(dá)水平與腫瘤病理惡性程度負(fù)相關(guān)。對食管癌行全基因組測序顯示，與食管腺癌對比后發(fā)現(xiàn)，在食管鱗狀細(xì)胞癌中PAX9異常表達(dá)顯著升高，食管鱗癌組織中PAX9的表達(dá)降低是術(shù)后患者不良預(yù)后的獨(dú)立危險因素。PAX9載體轉(zhuǎn)染到食管鱗癌細(xì)胞系TE-1后，細(xì)胞增殖和侵襲能力明顯下降，對放射敏感性顯著增高。推測PAX9是食管鱗癌的特異性基因型，對放療敏感性、預(yù)后有重要價值[28]。

在口腔鱗狀細(xì)胞癌細(xì)胞系中敲除PAX9基因使其表達(dá)缺失，可以看到凋亡相關(guān)蛋白PARP和caspase-3裂解增加，促凋亡相關(guān)蛋白Bax水平升高，抗凋亡相關(guān)蛋白Bcl-2水平降低，促進(jìn)細(xì)胞凋亡，提示在口腔鱗癌中PAX9的作用為抗細(xì)胞凋亡[26]。而在肺癌組織中，PAX9也呈現(xiàn)高表達(dá)[29]。

有研究表明，PAX9在肺癌細(xì)胞表達(dá)降低，分析其原因，可能為炎性因子和血管內(nèi)皮生長因子作用導(dǎo)致。在肺癌中，miR-31mi可直接靶向調(diào)控PAX9轉(zhuǎn)錄活性進(jìn)而調(diào)控肺癌細(xì)胞的侵襲和增殖能力[30]。但有學(xué)者對肺癌進(jìn)行研究得出的結(jié)論卻不盡相同，利用shRNA敲降后沉默PAX9的表達(dá)，可降低肺癌細(xì)胞株的致癌性[29,31]。在非小細(xì)胞肺癌組織中PAX9蛋白及PAX9 mRNA 表達(dá)水平均較配對癌旁組織顯著升高。非小細(xì)胞肺癌患者臨床組織標(biāo)本中，檢測到PAX9蛋白表達(dá)與病理類型及臨床分期有顯著相關(guān)性，與患者年齡、性別、腫瘤大小及淋巴轉(zhuǎn)移等臨床特征無關(guān)。經(jīng)統(tǒng)計學(xué)多因素COX回歸模型分析非小細(xì)胞肺癌的相關(guān)危險因素，發(fā)現(xiàn)PAX9表達(dá)水平可作為評估其預(yù)后的獨(dú)立危險因素[32]。

PAX9在膀胱尿路上皮癌中表達(dá)升高，可作為早期診斷膀胱尿路上皮癌的指標(biāo)。同時發(fā)現(xiàn)TBX2協(xié)同PAX9在腫瘤的發(fā)生發(fā)展中發(fā)揮作用[33]。在子宮內(nèi)膜樣腺癌的研究中發(fā)現(xiàn)，臨床分期、病理組織學(xué)分級、腫瘤浸潤程度與PAX9表達(dá)水平相關(guān)[34]。

關(guān)于PAX9在腫瘤中的作用機(jī)制，已有多項研究證明PAX9參與Wnt、PI3K/AKT、BMP等多種細(xì)胞信號通路，受原癌基因c-myb的調(diào)控[27,35]。PAX9在不同的腫瘤作用機(jī)制不同。在肺癌細(xì)胞系中，發(fā)現(xiàn)PAX9與TTF1、NKX2-8相互協(xié)同促進(jìn)肺癌細(xì)胞的增殖[31]。且其協(xié)同激活方式并不依賴EGFR或KRAS突變。激活PAX9與腫瘤細(xì)胞對順鉑化療敏感性相關(guān)。

作為胚胎發(fā)育階段重要的轉(zhuǎn)錄因子，在腫瘤的發(fā)生發(fā)展過程中，PAX基因仍起著重要作用。其中，PAX1和PAX9作為PAX家族中的一員，在脊椎動物中同源性高達(dá)98%，在脊椎、胸腺等器官的發(fā)育中起重要作用。且隨著研究深入，逐漸發(fā)現(xiàn)其在多種腫瘤中表達(dá)異常，從而進(jìn)一步影響腫瘤的生長、增殖及對化療藥物的敏感性，但其相關(guān)具體機(jī)制仍需深入研究。