BDH2基因在代謝與腫瘤發(fā)生發(fā)展中的作用與機制

劉秉春，李康，袁建龍

0 引言

人BDH2基因（3-hydroxybutyrate dehydrogenase 2，3-羥基丁酸脫氫酶2型，曾用名DHRS6）在2006年由Kunde Guo首次報道，位于染色體4q24上，編碼一種新型胞質型Ⅱ-R-β羥基丁酸脫氫酶。隨后，研究者對BDH2的功能進行了更深入的研究，Devireddy于2010年提出BDH2是合成哺乳動物鐵載體的酶，敲減BDH2會引起細胞質和線粒體鐵穩(wěn)態(tài)的失衡。在體外培養(yǎng)的人巨噬細胞中，BDH2受炎性反應和內質網(wǎng)應激的負調控[1]。BDH2在發(fā)育過程中也發(fā)揮重要功能，Crispr/Cas9敲除BDH2使小鼠胚胎干細胞向內胚層方向分化[2]。BDH2通過代謝相關的網(wǎng)絡調控，在不同微環(huán)境的細胞生理過程中發(fā)揮不同的作用，本文就BDH2在鐵代謝、脂代謝、酮體代謝以及在腫瘤中的功能與意義作一分析。

1 BDH2在代謝中的作用

1.1 鐵代謝

除少數(shù)利用其他金屬元素進行氧化還原反應的微生物以外，鐵（Fe）對所有生物都是不可或缺的，對細胞生存、生長以及分化至關重要，鐵是合成血紅蛋白和鐵硫蛋白的重要成分，參與電子傳遞及氧化磷酸化、氧氣運輸與呼吸作用、DNA復制轉錄及損傷修復等重要的生物學過程[3-4]。然而鐵的低溶解度和高毒性是細胞處理鐵時面臨的難題，1995年Neilands研究發(fā)現(xiàn)鐵載體（siderophores）便是微生物為了克服這個難題合成的一種低分子量鐵螯合劑，幫助清除環(huán)境中的鐵。大腸桿菌（E.coli）的腸菌素即是一種經典的鐵載體，它的鐵結合部分是2,3-二羥基苯甲酸（2,3-dihydroxybenzoic acid,2,3-DHBA），由細菌EntA催化合成[5]。無獨有偶，哺乳動物中也存在與腸菌素類似的鐵載體，并在哺乳動物細胞鐵轉運中發(fā)揮重要作用。2021年Devireddy在Cell雜志發(fā)表的研究顯示哺乳動物的鐵載體是細胞內鐵平衡的重要調節(jié)器，其鐵結合部分是類似于2,3-DHBA的2,5-二羥基苯甲酸（2,5-dihydroxybenzoic acid,2,5-DHBA）。BDH2是合成2,5-DHBA的酶，是細菌EntA的同工酶。缺乏鐵載體的哺乳動物細胞積累異常高的細胞質鐵，而線粒體缺鐵，細胞游離活性氧（reactive oxygen species,ROS）水平升高。BDH2敲減的細胞ROS含量升高，過量的ROS積累引起氧化應激，進而導致細胞凋亡。此外，敲減BDH2致使鐵載體耗盡的哺乳動物細胞和斑馬魚胚胎不能合成血紅蛋白，這是由于合成血紅蛋白是鐵依賴的線粒體過程，BDH2敲減的細胞線粒體中鐵水平顯著減低，導致血紅蛋白水平降低。Devireddy團隊的其他研究也證明了BDH2-鐵載體在紅細胞中的作用，如BDH2缺失的小鼠出現(xiàn)了小細胞貧血和組織鐵超載，表明BDH2是紅細胞生成中的關鍵基因；在斑馬魚中BDH2失活導致線粒體功能障礙并延遲紅細胞成熟[6]。

缺鐵飲食的大鼠的肝臟基因表達譜顯示，無論短期缺鐵還是長期缺鐵，都會引起B(yǎng)DH2表達的顯著下調[7]。鐵代謝和癌癥之間的緊密聯(lián)系已被眾多研究者發(fā)掘，從統(tǒng)計學上看，飲食中鐵攝入過多會增加幾種惡性腫瘤的風險，包括食管癌、結直腸癌、肝癌和肺癌。癌細胞依賴于高水平的細胞內鐵，從而使鐵代謝轉向增加鐵攝取和減緩鐵輸出，而鐵螯合劑具有很強的抗腫瘤活性[8]。

1.2 脂代謝和酮體代謝

BDH2與脂代謝存在密切的關聯(lián)，有報道BDH2表達通過生成脂質和甾醇合成前體從而于肥胖呈正相關[9]。然而在高脂肪的南陽豬中BDH2的表達顯著低于低脂肪組，這可能是因為BDH2與脂肪酸氧化有關[10]。脂質代謝與腫瘤的發(fā)生和發(fā)展有著重要的關系，不同類型腫瘤的脂質代謝異常均可促進腫瘤生長[11]，BDH2作為脂代謝相關的新型基因，在腫瘤中研究的價值還有待挖掘。

酮體是脂肪酸在肝細胞分解過程中產生的中間產物，包括乙酰乙酸、β-羥丁酸和丙酮，作為機體重要產物代謝產物之一的酮體，與腫瘤發(fā)生發(fā)展的機制密切相關。在不同腫瘤中酮類代謝異常的研究一直存在爭議。在惡性腦腫瘤、胰腺癌、前列腺癌、乳腺癌、結腸癌、胃癌、肺癌等腫瘤中，酮代謝相關基因在腫瘤的發(fā)生發(fā)展中扮演著重要的角色[12]。BDH2在細胞質酮體利用和饑餓期間能量供應的次級系統(tǒng)中發(fā)揮作用[13]。惡性膠質瘤樣本中BDH2大多呈陽性表達，提示BDH2可能有作為惡性膠質瘤生酮飲食治療靶點的潛在價值[14]。

2 BDH2在腫瘤發(fā)生發(fā)展中的作用與機制

2.1 按照解剖學腫瘤分類進行總結與分析

2.1.1 淋巴血液系統(tǒng)腫瘤 急性髓系白血病中40%～50%的患者不存在染色體畸變，在細胞遺傳學正常的急性髓系白血病（cytogenetically normal acute myeloid leukemia,CN-AML）中，盡管約 80%的CN-AML成人患者可達到完全緩解，但其中一半以上會復發(fā)[15]，因此發(fā)掘新型相關分子靶標對其診斷和預后有重要意義。2013年BDH2被報道是CN-AML的獨立不良預后因素[16]，研究者將113例CN-AML患者骨髓樣本與43例正常對照樣本比較，發(fā)現(xiàn)CN-AML患者骨髓樣本中BDH2的mRNA表達水平較對照組顯著升高。86例患者中，BDH2高表達患者的完全緩解率（60%）低于BDH2低表達患者（80.42%）；生存分析結果顯示，BDH2高表達患者的總生存期較低，中位生存期為9月，而BDH2低表達患者中位生存期為53.67月（P=0.007）。隨后在白血病細胞系THP1和HL60中利用shRNA敲減BDH2，發(fā)現(xiàn)BDH2敲減的細胞對ROS刺激更敏感，更容易凋亡，這個過程是通過抑制ROS暴露后Survivin的釋放來介導。該研究組在2020年再次報道了骨髓增生異常綜合征（myelodysplastic syndrome,MDS）中BDH2的意義[17]，通過檢測187例MDS患者、119例AML患者和43例骨髓正常淋巴瘤患者的骨髓樣本中BDH2基因的mRNA的表達情況，發(fā)現(xiàn)MDS患者BDH2表達顯著上調（P=0.009），且與鐵蛋白水平有關，BDH2高表達的患者血清鐵蛋白水平顯著高于對照組。BDH2高表達的患者白血病進展的風險更高（P=0.017），無白血病生存期更短（P=0.024）。BDH2敲減的THP1細胞周期延緩，生長速度降低，有分化趨勢，可能與敲減后TNFSF13B、MMP9、PI3KCD和TP53INP2的下調有關。

2.1.2 生殖系統(tǒng)腫瘤 研究者對小鼠MMTV-PyMT轉基因乳腺癌模型研究發(fā)現(xiàn)BDH2在腫瘤組中的mRNA水平顯著低于非腫瘤組，但BDH2在LCN2缺失腫瘤模型與LCN2野生型腫瘤模型中的表達無顯著差異，表明小鼠乳腺癌BDH2的表達與LCN2無相關性[18]。與先前小鼠模型中的結論不同，在女性乳腺癌患者中，BDH2的表達與LCN2正相關，還與體重指數(shù)（body mass index,BMI）正相關，乳腺癌細胞系（ZR75-1,T47D,MCF7,EFM19）的細胞增殖與細胞內BDH2表達顯著正相關，RNAi誘導的BDH2缺失可促進乳腺癌細胞系凋亡易感性[19]。

2.1.3 消化系統(tǒng)腫瘤BDH2在食管癌組織中普遍上調，并與臨床樣本腫瘤位置或TNM分期密切相關。LncRNA TP73-AS1敲減可抑制食管癌細胞EC9706和KYSE30細胞中BDH2的表達，而BDH2敲減可通過caspase-3依賴的凋亡途徑抑制食管癌細胞增殖并誘導凋亡。在LncRNA TP73-AS1敲減細胞中過表達BDH2可部分挽救細胞增殖率并抑制細胞凋亡。在小鼠移植瘤中，LncRNA TP73-ASI siRNA轉染的腫瘤體積減小，表明LncRNA TP73-AS1的下調在體內和體外均可抑制食管癌的增殖。此外，BDH2或LncRNA TP73-AS1敲減可增強食管癌細胞對5-Fu和順鉑的化療敏感度[20]。

在77例胰腺癌樣本的研究中，與癌旁組織相比，胰腺癌組織的BDH2表達顯著上調，MiR-141靶向調控BDH2，而LncRNA TP73-AS1通過調控MiR-141靶向調控BDH2，LncRNA TP73-AS1的下調顯著降低了BDH2的表達，MiR-141的下調可部分恢復BDH2的表達水平，提示LncRNA TP73-AS1通過調控MiR-141正向調控BDH2，此外，MiR-141抑制劑能顯著逆轉LncRNA TP73-AS1抑制的胰腺癌細胞系PANC-1和BxPC-3的細胞遷移和細胞侵襲，提示LncRNA TP73-AS1-MiR-141-BDH2軸在胰腺癌細胞遷移和侵襲中起關鍵作用，值得作為胰腺癌治療的潛在靶點進行更深入的研究[21]。

BDH2在肝細胞癌組織與肝癌細胞系（HepG2、Hep3B、QGY-7703、HuH-7、MHCC-97L和MHCC-97H）中均下調，低BDH2表達與總生存率低、腫瘤分化差、腫瘤體積增大、靜脈浸潤和BCLC晚期顯著相關。單因素分析和多因素分析結果表明，BDH2可作為獨立的預后指標，BDH2表達抑制腫瘤細胞的生長、增殖和遷移，還通過蛋白折疊反應誘導線粒體凋亡并抑制自噬。因此，BDH2可能成為新的肝癌預后標志物和有效的治療靶點[22]。

BDH2在胃癌組織和細胞中明顯下調，BDH2低表達與胃癌患者TNM分期、浸潤深度、淋巴結轉移以及預后不良呈正相關，表明BDH2在胃癌中是一個重要的腫瘤抑制因子，可作為胃癌預后不良的獨立分子標志物。胃癌細胞系（AGS、BGC823、MGC803、MKN45、MKN1、SGC7901、HGC27）中BDH2的mRNA和蛋白水平顯著低于對照組細胞，裸鼠移植瘤模型中過表達BDH2，過表達組的腫瘤體積和凈重較對照組明顯減小。BDH2過表達抑制胃癌細胞在體內和體外的生長并通過ROS誘導胃癌細胞的凋亡和自噬。深入探討其機制發(fā)現(xiàn)，BDH2促進Keap1與Nrf2的相互作用，增加Nrf2的泛素化水平，Nrf2的泛素化/降解抑制ARE的活性，進而增加ROS的積累，ROS/PI3K/Akt/mTOR軸參與BDH2誘導的凋亡和自噬啟動[23]。

2.1.4 泌尿系統(tǒng)腫瘤 透明腎細胞癌中BDH2轉錄水平和蛋白水平均顯著降低，BDH2蛋白表達與TNM分期相關及腫瘤大小相關，可能與BDH2、ACAT1和HMGCL參與的酮體代謝有關 。BDH2表達較低的患者預后較差，提示BDH2是透明腎細胞癌中潛在的抑癌基因，可能成為有效的預后分子標志物。驗證實驗顯示在過表達的透明腎細胞癌細胞系786-0中過表達BDH2顯著抑制了透明腎細胞癌細胞的增殖和侵襲能力[24]。

2.1.5 頭頸部腫瘤BDH2在鼻咽癌組織中和鼻咽癌細胞系鼻咽癌細胞系（HONE1、HK1、CNE1、CNE2、TW03和5-8F）中的表達明顯下調。BDH2過表達抑制鼻咽癌細胞增殖和集落形成。裸鼠體內研究顯示，過表達BDH2的鼻咽癌細胞體內形成的腫瘤較對照組更小。BDH2的高表達可逆轉上皮-間充質轉化（epithelial-mesenchymal transition,EMT）削弱鼻咽癌細胞的遷移能力，提示BDH2通過EMT逆轉抑制鼻咽癌細胞的遷移和侵襲。此外，高水平的BDH2還通過降低細胞內鐵水平而抑制鼻咽癌細胞的生長和轉移。因此BDH2可能是鼻咽癌的候選抑癌基因，降低細胞內鐵含量可能是治療鼻咽癌的有效途徑[25]，見表1。

表1 BDH2在不同腫瘤中的功能特征Table 1 Biological significance of BDH2 in different tumors

2.2 BDH2在腫瘤代謝中的作用

癌癥表型通常與鐵穩(wěn)態(tài)失調相關，在細胞代謝中，鐵蓄積可能提升了致癌的風險。原因可能是癌細胞表現(xiàn)出對鐵的強烈依賴，其分裂、生長和生存均需要大量的鐵。鐵代謝失衡和隨之而來的過量鐵積累與癌癥的發(fā)生和發(fā)展密切相關，其中的機制可能是由于鐵的促氧化性質及其對DNA的破壞作用[26]。因此，腫瘤的發(fā)生發(fā)展也伴隨著鐵調節(jié)基因的變化[27]，BDH2作為編碼哺乳動物鐵載體的限速酶，也參與維持機體鐵穩(wěn)態(tài)。研究發(fā)現(xiàn)BDH2缺失會造成細胞質中鐵的異常積累，進而引起ROS過量生成，最終導致細胞過早死亡[28]。這些證據(jù)提示BDH2很可能通過影響鐵代謝和ROS而參與腫瘤代謝過程。

鐵代謝與骨髓增生異常綜合征的白血病進展有關，研究發(fā)現(xiàn)BDH2表達較正常組織上調，血清鐵蛋白的變化趨勢與BDH2一致，即高表達BDH2的患者血清鐵蛋白含量更高。同時高表達BDH2的患者白血病進展風險更大，在此研究中，研究者發(fā)現(xiàn)骨髓增生異常綜合征患者的BDH2表達與血清鐵蛋白呈正相關，但BDH2在鐵轉運以及骨髓增生異常綜合征中的作用和機制還需要進一步的研究來確定[17]。

ROS是細胞中重要的信號分子，通過多種信號通路參與信息傳遞，且與腫瘤的發(fā)生和發(fā)展有顯著相關性[29-30]。急性髓系白血病中，BDH2高表達是患者預后不良的獨立指標，BDH2敲減白血病細胞對ROS的刺激更敏感，也更容易凋亡[16]。而在胃癌患者和細胞系中，BDH2表達顯著下調，同時BDH2低表達是預后不良指標，胃癌細胞過表達BDH2可使細胞內ROS升高，進而促使胃癌細胞凋亡和自噬導致死亡[23]。由此可見，不同癌種中BDH2參與ROS過程的作用存在差異，其中的分子機制尚未闡明。

鐵代謝異常導致的細胞鐵蓄積可能導致腫瘤的發(fā)生，而腫瘤的鐵代謝需求明顯高于正常組織，因此鐵代謝相關基因在腫瘤的篩查與預后中有作為標志物的潛質。BDH2作為參與鐵代謝的相關基因之一，目前相關研究較少，但在上文總結的臨床樣本研究中已體現(xiàn)出了其作為標志物在不同腫瘤中的意義，而BDH2在腫瘤代謝過程中發(fā)揮作用的機制仍不明確。鑒于癌細胞中鐵調節(jié)基因的復雜網(wǎng)絡及其對腫瘤生長和存活的作用，有必要更好地了解BDH2在腫瘤鐵代謝調節(jié)和相互作用的機制。

3 討論與展望

綜上所述，BDH2是哺乳動物細胞中的一個多功能基因，參與機體酮體代謝、脂代謝，并在維持細胞鐵穩(wěn)態(tài)過程中起關鍵作用。BDH2通過這些代謝相關的生理作用密切影響著腫瘤的發(fā)生發(fā)展，在已報道的多個研究中BDH2的表達與臨床意義存在多元化差異，與腫瘤類型直接相關，但目前關于BDH2基因在腫瘤領域的研究仍然較少，因此BDH2的潛在診斷價值與臨床預后相關性值得進一步探索。