鋅指蛋白在基因轉錄翻譯及腫瘤發(fā)生發(fā)展中的調(diào)控作用機制研究進展

李立方，仇麗，胡凱

1 天津醫(yī)科大學腫瘤醫(yī)院，國家腫瘤臨床醫(yī)學研究中心，天津市“腫瘤防治”重點實驗室，天津市惡性腫瘤臨床醫(yī)學研究中心，天津 300060；2 南開大學醫(yī)學院

轉錄因子（Transcription factors，TFs）指能夠以序列特異性方式結合DNA，與RNA 聚合酶Ⅱ共同形成轉錄起始復合體，調(diào)節(jié)特定基因轉錄的蛋白質(zhì)。1985 年，鋅結合重復序列，首次在爪蟾卵母細胞TFIIIA 蛋白質(zhì)中被發(fā)現(xiàn)。1988年，F(xiàn)rankel和Pabo定義了這類結構，即由保守的半胱氨酸（Cys）和（或）組氨酸（His）殘基組成的相對獨立區(qū)域，該類區(qū)域能夠與Zn2+結合，并通過β 折疊和α 螺旋形成穩(wěn)定的“手指”狀結構，顧稱為“鋅指（zinc finger）”［1］。鋅指序列普遍存在于高等生物中，人體1 000多種蛋白質(zhì)中可能有超過15 000種鋅指序列及類似結構存在。鋅指結構是由20～30 個氨基酸組成的鋅結合重復序列，最初被認為可序列特異性地識別特定DNA 序列。后來研究逐漸發(fā)現(xiàn)，鋅指結構還有很多其他的重要功能，如結合RNA、蛋白質(zhì)和脂類等。根據(jù)與Zn2+結合的保守Cys 和His殘基的組合不同，人們把鋅指結構分為C2H2、C2HC、C3H、C4、C3HC4、C4HC3、C6、C8 以及聯(lián)合型等多種類型［2］。鋅指蛋白（Zinc-finger proteins，ZNFs）家族是真核高級生物中最大的轉錄因子家族，ZNFs 在結合對象、結合模式及親和性等方面的多樣性，造成了ZNFs功能的多樣性。不同鋅指結構的組合使ZNFs在不同細胞狀態(tài)、刺激情況下的基因調(diào)控作用各不相同，參與細胞分化、細胞凋亡、自噬、干細胞維持及人體新陳代謝等生物過程。最新研究認為，ZNFs 在腫瘤的發(fā)生、發(fā)展中發(fā)揮重要作用。在不同腫瘤類型甚至同一腫瘤不同亞型中，ZNFs 發(fā)揮的調(diào)控作用機制仍不相同?，F(xiàn)將ZNFs 在基因轉錄翻譯及腫瘤發(fā)生發(fā)展中的調(diào)控作用機制最新研究進展綜述如下。

1 ZNFs在基因轉錄翻譯中的調(diào)控作用機制

ZNFs 可能通過調(diào)控基因轉錄、翻譯過程，參與腫瘤的發(fā)生發(fā)展。ZNFs 可通過不同的功能性結構域、反式調(diào)控原件參與下游靶基因的轉錄調(diào)控，ZNFs可通招募不同的染色體修飾因子、與不同伙伴蛋白相互作用抑制或促進基因的轉錄。

1.1 ZNFs 在基因轉錄中的調(diào)控作用機制 C2H2型鋅指結構由CX2CX3FX5LX2HX3H 組成，并且其中的兩個半胱氨酸和兩個組氨酸殘基折疊成一個手指狀結構，這個結構與鋅原子相互作用后構成一個雙鏈反平行的β 折疊和一個α 螺旋。研究證實，兩個或三個連續(xù)的C2H2鋅指是最穩(wěn)固的結合DNA 的單位［3］。C2H2 型鋅指結構是所有鋅指結構類型中最大的一類，約占人類基因組的2%。C2H2 ZNFs家族中一共有五千多個成員。

不同的功能性結構域，是ZNFs發(fā)揮不同功能的必要因素之一。C2H2 ZNFs中常包含其他的功能性結構域，例如：BTB（Broad-complex，tramtrack，and bric-a-brac）/POZ（Poxvirus and zinc finger）、Krüppelassociated box（KRAB）、SCAN（SRE-ZBP，CTfin51，AW-1 和Number 18 cDNA）結構域，這些功能性結構域可通過調(diào)控轉錄因子、細胞中其他組分的相互作用，控制亞細胞定位、DNA 結合以及相關基因表達。ZNFs GATA-1結構域可以和Fli-1、Sp1、EKLF 和PU.1等轉錄因子相互作用，發(fā)揮調(diào)控功能［4］。

ZNFs 的不同反式調(diào)控原件，在ZNFs 參與基因轉錄調(diào)控過程中發(fā)揮重要作用。GC-rich 或GT-rich序列是C2H2 ZNFs 的反式調(diào)控原件。因此，ZNFs 可通過招募不同染色體修飾因子，對多種多樣的下游靶基因發(fā)揮調(diào)控作用。ZNFs 可通過招募共同抑制因子（co-repressors）從而發(fā)揮轉錄抑制因子的作用。例如，ZNF217被發(fā)現(xiàn)通過與包括CoREST，賴氨酸去甲基化酶1（LSD1）、組蛋白去乙?；福℉DAC）和C-端結合蛋白（CtBP）相互作用，抑制基因的轉錄。另一方面，ZNFs 與包括CBP/p300、C/EBP 在內(nèi)的共同激活因子相互作用，發(fā)揮轉錄激活因子的作用［5］。

ZNFs 能夠通過和不同的伙伴蛋白結合而發(fā)揮不同的轉錄調(diào)控功能。Fli-1 作為Ets 轉錄激活因子家族的成員之一，可通過與GATA-1 結合，在轉錄水平協(xié)同合作，激活包括GPIX 和GPIbalpha 在內(nèi)的巨核細胞特異性基因的表達［4］。與此相反，其他的Ets家組成員與PU.1結合后，可抑制GATA-1與DNA 結合的能力，抑制干細胞向紅細胞系的分化［6］。ZEB1可作為一個分化相關基因的轉錄抑制因子，與YAP相互作用后，可作為共同轉錄激活因子，轉錄激活一些常見的ZEB 1/YAP 復合物靶基因，導致侵襲性的癌癥表型的發(fā)生。

1.2 ZNFs 自身化學修飾在基因轉錄中的調(diào)控作用機制 乙?；土姿峄荶NFs 自身主要的翻譯后修飾，對ZNFs參與轉錄激活還是抑制增加了另一個調(diào)控的層面和水平。ZNFs 的乙酰化可影響ZNFs 與染色體的結合能力，進而影響其發(fā)揮轉錄調(diào)控作用。GATA-1，是一個包含2 個高度保守鋅指結構的轉錄因子，被發(fā)現(xiàn)位于其C 末端的鋅指旁的賴氨酸殘基能夠被乙酰轉移酶CBP 和p300 乙?；ATA-1 的乙?；軌蚍€(wěn)固其與染色體的相互作用，這可能是由于促進了其與包括溴結構域蛋白（Brd）的相互作用［7］。同樣，紅系Krüppel-like因子（EKLF）能夠被CBP 和p300 在其鋅指結構附近的第288、302位賴氨酸殘基上乙?；?88 位賴氨酸乙?；腅KLF 能夠通過招募包含SWI/SNF 染色體重塑蛋白和組蛋白3.3在內(nèi)的紅系復合物（erythroid complex，ERC-1），從而反式激活β-globin 的表達［8］。同時，ZNF YY1，能夠被p300/CBP 相關因子（p300/CBP associated factor，PCAF）在鋅指結構乙?；?，從而抑制其與DNA 的結合能力。YY1 的核心甘氨酸-賴氨酸區(qū)域被p300和PCAF介導的乙?；诓]有影響其與DNA 的結合的情況下能夠完全抑制靶基因的轉錄。

ZNFs 的磷酸化，是使其在有絲分裂時期保持遠離DNA 的一個高度協(xié)調(diào)性的機制之一。ZNFs 的絲氨酸或蘇氨酸殘基均可以被磷酸化。

2 ZNFs在腫瘤發(fā)生發(fā)展中的調(diào)控作用機制

不同腫瘤類型甚至是同一腫瘤不同亞型中，ZNFs發(fā)揮作用的分子調(diào)控作用機制各不相同，進而在腫瘤的發(fā)生發(fā)展中發(fā)揮促進或抑制作用。

2.1 ZNFs 在促進腫瘤發(fā)生發(fā)展中的作用機制 ZKSCAN3、ZNF322A 及ZNF304 等ZNFs 可通過促進周期蛋白D2、周期蛋白D1、整合素β1的表達等途徑，促進腫瘤細胞的增殖、轉移。ZNF139、ZFX、ZEB1、ZNF395 等ZNFs 的過表達，可促進腫瘤的轉移和侵襲。

2.1.1 ZKSCAN3 侵襲性的結直腸癌組織中常見ZKSCAN3（也稱ZNF306 或ZNF309）的基因擴增和過表達。我們前期研究發(fā)現(xiàn)，在結直腸癌細胞中敲除ZKSCAN3 后能夠抑制原位瘤的生長和錨著非依賴的細胞生長，ZKSCAN3過表達則得到了相反的效果。為了識別ZKSCAN3的下游靶基因，作者進一步制作表達芯片，識別了一些與生長、細胞轉移、血管生成和蛋白質(zhì)水解相關的靶基因。最終發(fā)現(xiàn)，ZKSCAN3 能夠轉錄激活整合素β4 和血管內(nèi)皮生長因子，這都參與了ZKSCAN3介導的結直腸癌的腫瘤發(fā)生。除此之外，ZKSCAN3也被發(fā)現(xiàn)在多發(fā)性骨髓瘤和前列腺癌中存在基因擴增和過表達。ZKSCAN3的過表達能夠通過轉錄激活周期蛋白D2的表達，從而增強細胞的增殖能力［9］。利用宮頸癌、結腸癌、神經(jīng)母細胞瘤和卵巢癌模型，研究發(fā)現(xiàn)ZKSCAN3在自噬中也發(fā)揮重要的作用。CHAUHAN 等［10］研究證實，ZKSCAN3 在血清的刺激下，能夠進入細胞核并且作為一個主要的轉錄抑制因子，抑制一群包括Map1lC3b和Wipi2在內(nèi)的與自噬和溶酶體生物合成密切相關的基因。ZKSCAN3 別在不同腫瘤細胞類型中的不同通路中均證實了ZKSCAN3 的促進腫瘤轉移和腫瘤細胞的增殖。

2.1.2 ZNF322A ZNF322A（也被稱為ZNF388 或ZNF489）蛋白由11 個C2H2 鋅指結構串聯(lián)重復序列組成。ZNF322A作為一個癌基因，其residing區(qū)域在亞洲和白種人的肺癌病人中是基因擴增的。ZNF322A 在肺癌中能夠轉錄激活周期蛋白D1 和內(nèi)收蛋白并且抑制p53，從而促進腫瘤細胞的增殖、轉移和侵襲。多變量Cox 回歸分析結果［11］指出，ZNF322A 在肺癌患者中，是不良預后的一個獨立風險因子。ZNF322A的小鼠同系物Zfp322a，是參與維持小鼠胚胎干細胞（mouse embryonic stem cell，mESC）的自我更新和多潛能的轉錄網(wǎng)絡的一個至關重要的成員。Zfp322a 能夠通過轉錄激活Oct4 和Nanog 的表達，從而促進OKSM（Oct4，Klf4，Sox2，c-Myc）誘導的小鼠胚胎成纖維細胞向mESC的重編程過程。

2.1.3 ZNF304 ZNF304 最初在2002 年被報道包含一個KRAB區(qū)域和13個C2H2鋅指結構。ZNF304通過招募包括DNA甲基轉移酶（DNA methyltransferase，DNMT）在內(nèi)的共同轉錄抑制復合物，從而在抑制p14ARF、p15INK4B、p16INK4A等腫瘤抑制因子中發(fā)揮關鍵的作用。除此之外，對卵巢癌的腫瘤基因組改變數(shù)據(jù)庫進行全面的生物信息學分析以及實驗證據(jù)均揭露了ZNF304 和卵巢癌轉移的關系。作者證實，ZNF304 能夠轉錄激活整合素β1 的表達，繼而激活Src/黏著斑激酶和樁蛋白最終抑制了失巢凋亡。作者利用一種雙重組裝的ZNF304 siRNA納米顆粒，成功維持了ZNF304的沉默，從而提高了失巢凋亡并且減慢了卵巢腫瘤在原位腫瘤小鼠模型中的生長［12］。

2.1.4 ZNF139 ZNF139 在胃癌組織中高度過表達。ZNF139 的過表達是胃癌患者的一個獨立預后因子。ZNF139 能上調(diào)Survivin、x-IAP 和Bcl-2 的表達，下調(diào)Caspase-3 和Bax 的表達，促進腫瘤細胞的增殖，抑制腫瘤細胞的凋亡。ZNF139可通過促進胃癌組織MMP-2、MMP-9 和ICAM-1 的表達，抑制癌組織TIMP-1 的表達，促進腫瘤的轉移和侵襲［13］。同時，ZNF139能夠通過增強MDR-1/P-gp，MRP1 和Bcl-2 的表達，抑制Bax 的表達，進而促進腫瘤對多種抗癌藥物的抵抗［14］。

2.1.5 ZFX（X-linked）ZFX 的過表達被證實能夠促進細胞的生長和轉移在不同的腫瘤中，包括：喉部鱗狀細胞癌、膠質(zhì)瘤、非小細胞肺癌、胃癌、口腔鱗狀細胞癌、膽囊癌和乳腺癌。ZFX 在肝細胞癌中能夠通過激活Nanog 和SOX2的表達，增強肝癌細胞的自我更新能力，提高癌細胞對化療藥物的耐藥性。FANG 等［15］研究證實，ZFX 能夠轉錄上調(diào)c-Myc 的表達從而促進神經(jīng)膠質(zhì)瘤干細胞的維持。癌基因ZNFs 在腫瘤中的靶向治療中具有巨大潛能，利用siRNA oligo 或者藥物治療來抑制ZFX，抑制癌癥的病情發(fā)展。ZEB1 是一個與上皮—間質(zhì)轉化（EMT）密切相關的轉錄因子，在乳腺癌、肺癌、胰腺癌和前列腺癌等癌癥中發(fā)揮重要作用。ZEB1 在癌細胞中的表達，受到TGF-β 和血小板驅使的生長因子受體-α 等信號誘導后升高［18］。作為一個EMT 的激活因子，表達升高的ZEB1 可以與E 鈣粘附素、細胞極性因子等包含E-boxes的下游靶基因結合，招募共同抑制因子CtBP 或SWI/SNF 染色體重塑蛋白BRG1，抑制基因的轉錄。同時，ZEB1 能通過招募p300 和P/CAF 共同激活因子，轉錄激活一些與TGF-β/BMP信號通路相關基因的表達。除了在EMT 中的作用，進一步研究發(fā)現(xiàn)，非小細胞肺癌組織中存在ZEB1過表達，導致E鈣粘附素表達上調(diào)，該過程的發(fā)生可能與EMT 相關的獲得性抵抗上皮生長因子受體—酪氨酸激酶抑制劑（EGFR-TKI）有關。YOSHIDA等［17］證實，抑制ZEB1 的表達能夠抑制腫瘤細胞對EGFR-TKI 的敏感性，說明ZEB1 可能是治療EGFRTKI 抵抗腫瘤的潛在靶向分子。我們前期研究［18］發(fā)現(xiàn)，ZEB1 在乳腺癌細胞中的過表達能夠招募Sp1 到VEGFA 啟動子區(qū)，激活VEGFA 的表達和分泌，促進體內(nèi)和體外的血管生成。

2.1.6 ZNF395 ZNF395 是新發(fā)現(xiàn)的一個促炎促癌轉錄因子。ZNF395 在Ewing 瘤、骨肉瘤和腎細胞癌等腫瘤組織中均存在過表達。ZNF395 的表達在Glioblastoma、神經(jīng)母細胞瘤和皮膚癌中可受低氧壓力的誘導。低氧誘導的ZNF395 能夠在轉錄水平上調(diào)腫瘤相關的基因和干擾素刺激基因，例如：在IKK通路上調(diào)控IFIT1/ISG56、IFI44和IFI16［19］。

2.2 ZNFs在抑制腫瘤發(fā)生發(fā)展中的作用機制ZNF545、ZNF24、ZNF668、ZHX1、ZNF395、Kaiso等ZNFs能夠作為腫瘤抑制因子參與腫瘤的發(fā)生發(fā)展。

2.2.1 ZNF545 腫瘤細胞中啟動子區(qū)的高甲基化，可導致ZNF545 低表達，低表達的ZNF545 可通過抑制溶酶體的生物合成和抑制NF-kB 和AP-1 信號通路，誘導鼻咽癌、食管癌、肺癌、胃癌、結腸癌和乳腺癌等腫瘤細胞的凋亡［20］。腫瘤細胞啟動子區(qū)的高甲基化還可抑制的ZNFs 就是ZNF331，也被稱為ZNF361 或ZNF463。低表達的ZNF331 能夠下調(diào)DSTN，、EIF5A、GARS、DDX5、STAM、UQCRFS1、SET等基因的表達，抑制腫瘤細胞的生長；同時，低表達的ZNF331 可通過下調(diào)DSTN、ACTR3 等基因的表達，抑制腫瘤細胞的轉移和侵襲［21］。

2.2.2 ZNF24 ZNF24（也稱為ZNF191 或Kox17）的C端包含4個Krüppel C2H2鋅指結構作為DNA的結合區(qū)域。ZNF24 在胃癌、乳腺癌等腫瘤中均可發(fā)揮抑癌作用。ZNF24 通過結合VEGF 的鄰近啟動子區(qū)而抑制VEGF 的表達，抑制血管生成，在乳腺癌組織中陰性調(diào)控腫瘤的生長。對人類乳腺癌的臨床研究［22］證實，腫瘤組織中ZNF24 和VEGF 表達呈負相關性，ZNF24在乳腺癌組織中可通過抑制血管生成，發(fā)揮其抗腫瘤形成的作用。胃癌組織中表達上調(diào)的miR940，能夠靶向作用于ZNF24，從而促進胃癌的轉移、侵襲［23］。

2.2.3 ZNF668 ZNF668 是Krüppel C2H2 ZNFs 家族的成員之一，擁有16 個C2H2 鋅指結構。乳腺癌組織中，ZNF668可抑制MDM2介導的泛素化和蛋白質(zhì)降解，促進p53 的穩(wěn)定和激活［24］。ZNF668 在受到離子輻射后，能夠與Tip60相互作用，增強H2A.X的高乙?；?，促進RPA 的磷酸化及后續(xù)招募到UV 損傷后的DNA 損傷位點，導致染色體的松弛，促進DNA 修復蛋白的附著［25］。我們前期研究［26］發(fā)現(xiàn)，Krüppel家族C2H2 型ZNF ZNF516，能夠和CtBP/LSD1/CoREST 復合物相互作用，靶向識別位于EGFR 基因的5’端區(qū)域的保守序列CCTCC，抑制EGFR的轉錄，抑制乳腺癌細胞的增殖、侵襲，同時在體內(nèi)能夠抑制乳腺癌的原位生長和轉移。

2.2.4 ZHX1（Zinc-fingers and homeoboxes-1）ZHX1 包含2 個C2H2 鋅指結構和5 個同源域。ZHX1 的表達重建能夠抑制胃癌的發(fā)生發(fā)展，在胃癌治療中應用前景較好。ZHX1 能夠下調(diào)周期蛋白D1 和E 的表達，誘導細胞周期停滯于G1/S 期，同時抑制細胞Bcl2表達、促進Bax及cleaved Caspase-3的表達，促進腫瘤細胞的凋亡［27］。肝細胞癌、胃癌組織中ZHX1 表達下調(diào)。最新研究［28］發(fā)現(xiàn)，miR-199a-3p能夠靶向作用于ZHX1，協(xié)同促進抑癌基因的RNA降解，促進胃癌細胞的增殖、抑制胃癌細胞的凋亡。

2.2.5 ZNF395 ZNF395 在肝癌組織中發(fā)揮腫瘤抑制作用。肝癌組織中過表達的miR-525-3p，能夠靶向抑制ZNF395 的表達，促進腫瘤細胞的轉移和侵襲。臨床分析也進一步證實，肝癌組織中miR-525-3p 和ZNF395 的表達呈負相關關系［29］。結合之前報道的ZNF395 在Ewing 瘤、骨肉瘤和腎細胞癌中發(fā)揮促癌作用，說明ZNF395 可能在不同的腫瘤類型中作用不同。

2.2.6 Kaiso Kaiso 也稱為ZNF348 或ZBTB33，屬于ZNFs 的BTB/POZ 亞家族。Kaiso 的鋅指結構能夠結合序列特異的或者甲基化-CpG 的DNA，且其N端POZ 區(qū)能夠幫助其與染色體共抑制因子形成同源或異源二聚體，例如核受體共抑制因子Ⅰ。通過招募染色體共抑制因子，Kaiso能抑制下游靶基因的表達。最初，Kaiso 被認為是一種腫瘤抑制因子，能夠序列特異地或甲基化-CpG 特異地轉錄抑制原癌基因地表達。例如在乳腺癌和結腸癌組織中Kaiso能夠序列特異地或甲基化-CpG 特異地結合到CCND1 基因啟動子區(qū)，抑制周期蛋白D1 表達［30］。但近年來，越來越多的研究證實Kaiso在不同癌癥中同時發(fā)揮原癌基因的作用。三陰性乳腺癌組織中高表達的Kaiso 能上調(diào)Vimentin、Slug 和ZEB1 等EMT基因表達，促進TGF-β 介導的腫瘤轉移［31］。前列腺癌組織中高表達的Kaiso 能通過甲基化-CpG 特異性抑制miR-31 表達，促進腫瘤細胞的轉移和侵襲［32］。乳腺癌和結直腸癌組織中，Kaiso可靶向作用于甲基化的HIF1A 啟動子區(qū)，通過轉錄抑制HIF-1α 的表達［33］。因此，Kaiso 可能是一種多能ZNFs，在不同腫瘤組織中功能不同。

綜上所述，ZNFs 可通過自身被磷酸化、乙?；确g后修飾手段、不同的鋅指結構、招募染色體修飾因子及相互作用蛋白等途徑，調(diào)控基因的轉錄、翻譯。ZNFs 可通過多種途徑，促進/抑制腫瘤的發(fā)生發(fā)展。ZKSCAN3、ZNF322A 及ZNF304 等ZNFs 可通過促進周期蛋白D2、周期蛋白D1、整合素β1的表達等途徑，促進結直腸癌、肺癌及卵巢癌、胃癌等腫瘤細胞的增殖；ZNF139、ZFX、ZEB1、ZNF395 等ZNFs的過表達可促進胃癌、肝癌、Ewing 瘤等腫瘤的轉移和侵襲。ZNF545、ZNF24、ZNF668、ZHX1、ZNF395、Kaiso 等ZNFs 能夠作為腫瘤抑制因子參與腫瘤的發(fā)生發(fā)展。