N-myc下游調(diào)控基因1在呼吸系統(tǒng)疾病中的研究進(jìn)展

李成偉 李圣青

（復(fù)旦大學(xué)附屬華山醫(yī)院呼吸與危重癥醫(yī)學(xué)科 上海 200040）

N-myc下游調(diào)控基因（N-myc downstream regulated gene，NDRG）家族是包括NDRG 1～4在內(nèi)的新的基因家族，NDRG1是NDRG家族的第一個(gè)成員，最先被鑒定為由廣泛表達(dá)的NDRG1基因編碼的細(xì)胞質(zhì)蛋白［1-2］。呼吸系統(tǒng)疾病是常見疾病，死亡率高，疾病負(fù)擔(dān)重，已經(jīng)成為最突出的公共衛(wèi)生與醫(yī)療問(wèn)題之一，對(duì)我國(guó)人民健康構(gòu)成嚴(yán)重威脅。隨著大氣污染、吸煙、老齡化及病原菌耐藥等問(wèn)題的日益凸顯，呼吸系統(tǒng)疾病的防治形勢(shì)愈發(fā)嚴(yán)峻。呼吸系統(tǒng)疾病多存在缺氧或氧化應(yīng)激，皆是誘導(dǎo)NDRG 1表達(dá)的重要誘因。在肺中NDRG1主要表達(dá)在呼吸道組織的細(xì)胞內(nèi)［3-4］，參與多種生理活動(dòng)和功能調(diào)節(jié)，包括腫瘤進(jìn)展以及細(xì)胞應(yīng)激反應(yīng)，因此NDRG1在疾病發(fā)生發(fā)展過(guò)程中發(fā)揮重要作用。

NDRG1的結(jié)構(gòu)NDRG1最先發(fā)現(xiàn)于N-myc敲除的小鼠胚胎中，受N-myc抑制性調(diào)控。根據(jù)鑒定的細(xì)胞及基因功能的差異，該分子具有多種不同的名稱，包括分化相關(guān)基因1（differentiation-related gene-1，DRG1）還原劑和衣霉素反應(yīng)蛋白（reducing agent and tunicamycin-responsive protein，RTP）、鈣相關(guān)蛋白43（Ca2+-associated protein 43，Cap43）和氧調(diào)節(jié)蛋白（protein regulated by oxygen，PROXY-1），最后被人類基因組組織基因命名委員會(huì)（HUGO Gene Nomenclature Committee）正 式 命 名 為NDRG1［5］。NDRG1定 位 于 染 色 體8q24.3［6］，全 長(zhǎng)60 085 bp，包含16個(gè)外顯子和15個(gè)內(nèi)含子，編碼2 997 bp的mRNA，其 中1 182 bp為 可 編 碼 區(qū)［7］。NDRG1的mRNA被翻譯成相對(duì)分子質(zhì)量43 000、由394個(gè)氨基酸組成的蛋白質(zhì)［8］。人類NDRG1蛋白與NDRG其他家族成員的不同之處在于，包含3個(gè)十肽串聯(lián)重復(fù)序列，每個(gè)十肽串聯(lián)重復(fù)序列都由GTRSHTSE殘基組成［9］。此外，NDRG家族其他成員也缺乏C末端的兩個(gè)殘基Ser和Glu［10］。NDRG1的C端結(jié)構(gòu)域在NDRG蛋白質(zhì)中是獨(dú)特結(jié)構(gòu)，已證實(shí)血清和糖皮質(zhì)激素誘導(dǎo)激酶1（serum and glucocorticoid-inducible kinase-1，SGK-1）在Thr328、Ser330、Thr346、Thr356和Thr366處磷酸化NDRG1［11-12］，而 糖 原 合 成 酶 激 酶3β（glycogen synthase kinase 3β，GSK-3β）在Ser342、Ser352和Ser362處磷酸化NDRG1［13］。SGK 1和GSK3β是抑制NDRG1的兩種上游激酶，導(dǎo)致NDRG1水平降低［14］。同時(shí)，在C末端區(qū)域有一個(gè)磷酸泛乙烯連接位點(diǎn)（phosphopantetheine attachment site，PPAS）［15］，在缺氧條件下，NDRG1的PPAS區(qū)域全部或部分缺失可消除核易位，應(yīng)對(duì)細(xì)胞DNA損傷的反應(yīng)表明PPAS可能負(fù)責(zé)NDRG1的核定位［16］。在NDRG1蛋白質(zhì)N末端附近發(fā)現(xiàn)了另一種獨(dú)特的結(jié)構(gòu)，即蛋白質(zhì)N末端附近的螺旋-螺旋（helix-turn-helix，HTH）以及α/β水解酶折疊內(nèi)的帽狀結(jié)構(gòu)域（殘基169～235）［15］。目前這些結(jié)構(gòu)的確切功能還不清楚。

NDRG1的分布及表達(dá)通過(guò)原位雜交分析，NDRG1在正常人體的大多數(shù)器官和系統(tǒng)中均有表達(dá)，包括消化道、免疫系統(tǒng)、生殖系統(tǒng)和泌尿系統(tǒng)，其中在腎臟、前列腺和卵巢的表達(dá)水平最高［3］。部分組織如大腦、心臟、卵巢、骨骼肌和血管等在mRNA水平表達(dá)NDRG1，但在蛋白水平無(wú)表達(dá)［4］。NDRG1可對(duì)多種生物刺激產(chǎn)生反應(yīng)，包括NO、鈣離子水平及缺氧等［2］。雖然NDRG1在人體組織中廣泛表達(dá)，但似乎具有組織特異性功能。胎盤中發(fā)現(xiàn)的NDRG1表達(dá)可歸結(jié)為其在滋養(yǎng)層分化和缺氧誘導(dǎo)損傷保護(hù)中的作用［17］。NDRG1的普遍表達(dá)表明該分子可能在正常生理中發(fā)揮多效性作用。在肺組織中，免疫組織化學(xué)顯示NDRG1蛋白主要在皮脂腺、外分泌腺及呼吸道肺支氣管腺體表達(dá)，而在血管內(nèi)皮細(xì)胞、平滑肌細(xì)胞未檢測(cè)到［3］。檢索the Human Protein Atlas數(shù) 據(jù) 庫(kù)（https：//www.proteinatlas.org/）同樣表明，NDRG1在呼吸道上皮中呈高表達(dá)，在肺泡細(xì)胞及巨噬細(xì)胞中呈中度表達(dá)，而在肺血管中未檢測(cè)到。

NDRG1與感染性疾病煙曲霉（A.fumigatus）是一種常見真菌，當(dāng)人體免疫功能受損時(shí)，就會(huì)發(fā)生嚴(yán)重的侵襲性曲霉病感染，煙曲霉分生孢子與Ⅱ型肺泡上皮細(xì)胞的相互作用在疾病進(jìn)展中起重要作用［18］。Zhang等［19］用體外細(xì)胞模型比較了Ⅱ型肺上皮細(xì)胞在有無(wú)煙曲霉刺激下的蛋白質(zhì)組學(xué)，表明煙曲霉感染后NDRG1表達(dá)上調(diào)，NDRG 1敲除后煙曲霉的內(nèi)化效率顯著降低。這些結(jié)果表明煙曲霉促進(jìn)NDRG1表達(dá)，影響肺上皮細(xì)胞代謝。

對(duì)A 549細(xì)胞感染不同宿主來(lái)源的A型流感病毒（包括人源性季節(jié)性流感A病毒H3N2、豬源性流感A病毒H 1N 1及禽源性流感A病毒H 3N 2）進(jìn)行mRNA表達(dá)譜分析，并用RT-qPCR驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)NDRG1具有差異表達(dá)［20］。A 549細(xì)胞感染H5N1病毒后發(fā)現(xiàn)，病毒蛋白可上調(diào)NDRG 1表達(dá)，NDRG1過(guò)表達(dá)釋放出約4倍的病毒粒子，而NDRG1敲除導(dǎo)致病毒表達(dá)下降。進(jìn)一步研究表明，NDRG1下調(diào)IκB激酶β（inhibitor kappa B kinaseβ，IKKβ）誘導(dǎo)的干擾素β（interferonβ，IFN-β）和IL-8，提示NDRG1下調(diào)核因子κB（nuclear factor kappa-B，NF-κB），進(jìn)一步抑制固有免疫，促進(jìn)了A型流感病毒復(fù)制［21］。

與上述研究結(jié)果相反，豬繁殖與呼吸綜合征病毒（porcine reproductive and respiratory syndrome virus，PRRSV）感染會(huì)下調(diào)NDRG1表達(dá)，NDRG1缺乏可減少細(xì)胞內(nèi)脂滴數(shù)量，并促進(jìn)自噬，增加水解游離脂肪酸的產(chǎn)量，從而促進(jìn)病毒RNA復(fù)制和子代病毒組裝。因此，NDRG1和脂質(zhì)吞噬對(duì)于了解PRRSV的發(fā)病機(jī)制和開發(fā)新的治療方法具有重要意義［22］。EB病毒（Epstein-Barr virus，EBV）可編碼自己的microRNAs，然而其生物學(xué)作用仍不詳，通過(guò)對(duì)病毒miRNA陽(yáng)性和陰性的差異表達(dá)基因進(jìn)行篩選，發(fā)現(xiàn)多種EBV編碼的miRNA協(xié)同下調(diào)NDRG1，同時(shí)免疫組化分析顯示EBV陽(yáng)性鼻咽癌組織中NDRG1表達(dá)水平明顯下調(diào)，NDRG1在其中發(fā)揮的作用有助于進(jìn)一步闡明EBV介導(dǎo)的上皮癌變機(jī)制［23］。

膿毒癥相關(guān)性器官損傷在膿毒癥患者中有較高的發(fā)病率和死亡率，吸入2%氫氣可有效改善膿毒癥及相關(guān)器官損傷［24］。Jiang等［25］采用液相色譜-串聯(lián)質(zhì)譜分析研究氫氣治療膿毒癥的相關(guān)蛋白質(zhì)組學(xué)，發(fā)現(xiàn)氫氣通過(guò)下調(diào)NDRG1及其他基因的表達(dá)減輕膿毒癥小鼠的腸道損傷，但具體機(jī)制有待進(jìn)一步研究。

NDRG1與慢性氣道炎性疾病慢性鼻-鼻竇炎是一種常見的上呼吸道疾病，盡管對(duì)其發(fā)病機(jī)制知之甚少，但越來(lái)越多的證據(jù)表明上皮物理屏障缺陷起著重要作用，而鼻上皮屏障功能受多種內(nèi)外因素的調(diào)控，可由吸入性過(guò)敏原、微生物或病毒感染、細(xì)胞因子、缺氧或缺鋅等原因引起［26］。利用Affimetrix人類全基因組基因芯片進(jìn)行微陣列分析，鑒定出NDRG1在上皮細(xì)胞屏障發(fā)育過(guò)程中被誘導(dǎo)表達(dá)，慢性鼻-鼻竇炎患者鼻組織纖毛上皮細(xì)胞中NDRG1高表達(dá)，杯狀細(xì)胞或受損上皮細(xì)胞中NDRG1低表達(dá)；NDRG1敲除通過(guò)降低連接蛋白claudin-9的表達(dá)，破壞氣道上皮細(xì)胞的緊密連接，提示NDRG1對(duì)氣道上皮細(xì)胞屏障的完整性起重要作用［27］。

NDRG1與肺損傷/急性呼吸窘迫綜合征危重患者對(duì)呼吸機(jī)誘導(dǎo)的肺損傷的敏感性不同，表明基因-環(huán)境相互作用可能促進(jìn)個(gè)體的易感性。對(duì)小鼠進(jìn)行大潮氣量通氣后肺泡毛細(xì)血管通透性的測(cè)定，發(fā)現(xiàn)NDRG1上調(diào)，但具體作用及機(jī)制尚不清楚［28］。脂毒素A 4（lipoxina4，LXA 4）通過(guò)促進(jìn)肺上皮細(xì)胞上皮鈉通道（epithelial sodium channel，ENaC）的表達(dá)，減輕脂多糖（lipopolysaccharide，LPS）誘導(dǎo)的急性肺損傷和急性呼吸窘迫綜合征［29］。Zhang等［30］將A 549細(xì)胞與LPS和LXA 4共同孵育，對(duì)A 549細(xì)胞進(jìn)行轉(zhuǎn)錄組測(cè)序，發(fā)現(xiàn)NDRG1在LXA 4中呈劑量依賴性升高，NDRG1敲除抑制LPS處理的A 549細(xì)胞活力，而磷脂酰肌醇3激酶（phosphatidylinositol 3 kinase，PI3K）抑制劑LY 294002可抑制NDRG1和ENaC-α的表達(dá)以及SGK 1的磷酸化，提示NDRG1通過(guò)介導(dǎo)PI3K信號(hào)通路恢復(fù)ENaC的表達(dá)，從而在LPS誘導(dǎo)的A 549細(xì)胞損傷中發(fā)揮保護(hù)作用。

缺氧誘導(dǎo)信號(hào)通路參與高原環(huán)境適應(yīng)性調(diào)節(jié)等多種病理過(guò)程，NDRG1具有較強(qiáng)的缺氧應(yīng)激反應(yīng)功能［31］，可能在缺氧相關(guān)疾病中發(fā)揮重要作用。Grigoryev等［32］將C57BL/6J小 鼠 置 于 缺 氧 室 中10 h，通過(guò)與常氧對(duì)照組差異基因篩選發(fā)現(xiàn)NDRG1在缺氧小鼠中表達(dá)上調(diào)，提示NDRG1在小鼠低氧過(guò)程中可能具有一定功能。NDRG 1在缺氧的原代人類滋養(yǎng)層中表達(dá)增加，NDRG 1基因敲除的胚胎生長(zhǎng)受限，隨著缺氧暴露，NDRG1缺乏導(dǎo)致載脂蛋白A 2、A 4、A 5、C2和C4表達(dá)減少，表明NDRG1通過(guò)調(diào)節(jié)脂蛋白代謝參與缺氧損傷［33］。

NDRG1與肺部腫瘤NDRG1是一種已知的多發(fā)性腫瘤轉(zhuǎn)移抑制因子，其在惡性腫瘤中的作用尚未完全闡明。既往研究發(fā)現(xiàn)NDRG在多種惡性腫瘤中呈高表達(dá)，促進(jìn)腫瘤進(jìn)展（包括肺癌）。Wang等［34］發(fā)現(xiàn)，肺癌患者血清NDRG1水平明顯高于健康對(duì)照組。在肺組織中，與癌旁正常組織相比，肺癌組織中NDRG1表達(dá)明顯增加［34-37］，肺腺癌的NDRG1水平明顯高于肺鱗癌［34］，且NDRG1基因表達(dá)水平不隨端粒狀態(tài)改變［38］。預(yù)后分析顯示NDRG1高表達(dá)預(yù)后差，提示NDRG1是非小細(xì)胞肺癌預(yù)后不良的預(yù)測(cè)指標(biāo)［36，39］。

缺氧誘導(dǎo)信號(hào)通路參與腫瘤發(fā)生的多種病理過(guò)程。雖然NDRG1對(duì)缺氧的反應(yīng)研究較多，但是對(duì)于NDRG1的具體調(diào)控機(jī)制研究較少。Wang等［40］研究發(fā)現(xiàn)，低氧誘導(dǎo)因子1α（hypoxia inducible factor-1α，HIF-1α）可以結(jié)合NDRG1啟動(dòng)子的-1202到-450區(qū)域，激活NDRG1表達(dá)，提示了NGRG1在缺氧應(yīng)激反應(yīng)中的作用機(jī)制。地高辛可通過(guò)抑制HIF-1α的合成，在轉(zhuǎn)錄水平下調(diào)缺氧誘導(dǎo)的NDRG1過(guò)表達(dá)［41］。Cangul等［42］發(fā)現(xiàn)，HIF-1非依賴性通路參與慢性低氧時(shí)該基因的調(diào)控。下調(diào)V-Ets骨髓成紅細(xì)胞增多癥病毒E26癌基因同源物1（recombinant V-Ets erythroblastosis virus E26

oncogene homolog 1，ETS1）抑制NDRG1的表達(dá)，表明ETS1與HIF-1共同參與調(diào)節(jié)低氧誘導(dǎo)基因［43］。職業(yè)性接觸鎳化合物與肺癌有關(guān)，Tchou-Wong等［44］研究表明，鎳暴露增加了A 549細(xì)胞中NDRG1啟動(dòng)子和編碼區(qū)H 3K 4的三甲基化水平，為鎳化合物致癌性的表觀遺傳機(jī)制提供了新的思路。轉(zhuǎn)移性肺癌在肺腺癌患者中很常見，但其分子機(jī)制尚未完全闡明，miRNA可促進(jìn)腫瘤發(fā)生發(fā)展，其中miR-576-3p在晚期肺腺癌顯著降低，SGK1是miR-576-3p的直接靶點(diǎn)，對(duì)miR-576-3p水平的調(diào)節(jié)導(dǎo)致SGK 1水平改變及其下游靶點(diǎn)NDRG 1的活化改變，從而調(diào)控肺腺癌的遷移和侵襲［45］。長(zhǎng)鏈非編碼RNA（long non-coding RNA，lncRNA）在小細(xì)胞肺癌中的研究很少。Zeng等［46］首次證明Linc00173與小細(xì)胞肺癌的進(jìn)展相關(guān)，Linc00173通過(guò)miRNA-218作為競(jìng)爭(zhēng)性內(nèi)源性RNA上調(diào)酪氨酸激酶，進(jìn)而NDRG1上調(diào)，β-catenin易位，促進(jìn)小細(xì)胞肺癌進(jìn)展。染色質(zhì)重塑蛋白家族CW型鋅指結(jié)構(gòu)蛋白2（microrchidia family CW-type zinc finger 2，

MORC2）是一種新發(fā)現(xiàn)的染色質(zhì)重塑蛋白，MORC2過(guò)表達(dá)抑制NDRG1啟動(dòng)子的活性，介導(dǎo)體內(nèi)結(jié)直腸癌細(xì)胞的肺轉(zhuǎn)移［47］。

針對(duì)NDRG1的下游信號(hào)通路，研究發(fā)現(xiàn)NDRG1基因沉默后凋亡前蛋白BAX增加，抗凋亡蛋白Bcl-2和Bclx減少，導(dǎo)致線粒體損傷，線粒體膜電位被破壞，通過(guò)有效降低葡萄糖攝取、乳酸輸出阻斷缺氧導(dǎo)致的有氧糖酵解［48］，這項(xiàng)研究為NDRG1在肺癌中的促增殖和抗凋亡機(jī)制帶來(lái)啟示。腫瘤起始細(xì)胞（tumor initiating cell，TIC）在多種腫瘤發(fā)生發(fā)展中起重要作用，但作用機(jī)制仍不清楚。研究發(fā)現(xiàn)NDRG1可促進(jìn)非小細(xì)胞肺癌中TIC的干細(xì)胞樣特性，包括誘導(dǎo)多能干細(xì)胞因子、成球能力和致瘤性，其機(jī)制為NDRG1直接與細(xì)胞S期激酶相關(guān)蛋白2（sphase kinase associated protein 2，Skp2）相互作用，通過(guò)周期蛋白依賴性激酶2（cyclindependent kinases，CDK2）失活降低Skp2的磷酸化，阻止C-myc降解［49］。多種惡性腫瘤都與血管生成的調(diào)節(jié)受損有關(guān)，其中血管內(nèi)皮生長(zhǎng)因子A（vascular endothelial growth factor A，VEGF-A）是一個(gè)關(guān)鍵的調(diào)節(jié)因子。Kosuke等［50］發(fā)現(xiàn)腫瘤血管內(nèi)皮細(xì)胞中NDRG1缺乏阻止了磷脂酶Cγ1和細(xì)胞外調(diào)節(jié)蛋白激酶（extracellular regulated protein kinases，ERK）1/2的激活，NDRG1通過(guò)其磷酸化位點(diǎn)與磷脂酶Cγ1形成復(fù)合物，從而降低VEGF-A誘導(dǎo)的血管生成，提示NDRG1在血管生成中的作用。

耐藥性是肺癌治療中一個(gè)嚴(yán)重的臨床問(wèn)題，其中上皮細(xì)胞間質(zhì)轉(zhuǎn)化（epithelial-mesenchymal transition，EMT）過(guò)程在化療耐藥中起重要作用［51］。Hao等［52］利用蛋白質(zhì)組學(xué)方法鑒定出耐藥肺癌細(xì)胞中NDRG 1顯著下調(diào)，NDRG 1下調(diào)使腫瘤細(xì)胞獲得EMT表型，對(duì)順鉑的耐藥性增加。另一項(xiàng)研究表明，順鉑顯著上調(diào)肺癌細(xì)胞中轉(zhuǎn)錄激活因子3（activating transcription factor 3，ATF3）、磷 酸 化P53和切割半胱天冬酶3的表達(dá)，但在順鉑存在下NDRG1過(guò)表達(dá)降低了這些蛋白的水平，表明NDRG1參與肺癌對(duì)順鉑的耐藥［53］。He等［54］發(fā)現(xiàn)，與藥物敏感細(xì)胞相比，耐藥肺癌細(xì)胞中NDRG1水平較低，表明NDRG1是肺癌順鉑耐藥過(guò)程中DNA損傷反應(yīng)和缺氧相關(guān)細(xì)胞應(yīng)激反應(yīng)的重要調(diào)節(jié)因子。同樣，下調(diào)NDRG1表達(dá)增加了H441細(xì)胞對(duì)足葉乙甙誘導(dǎo)的凋亡的敏感性，抑制NDRG1表達(dá)的策略可能有助于靶向治療［55］。具有激活表皮生長(zhǎng)因子受體突變功能的非小細(xì)胞肺癌中，參與糖代謝的基因組在高表達(dá)p-NDRG1的患者中富集，總生存率與p-NDRG1呈負(fù)相關(guān)，揭示了p-NDRG1與EGFR耐藥細(xì)胞代謝重編程之間的聯(lián)系［56］。

結(jié)語(yǔ)NDRG 1是一種廣泛表達(dá)且功能多樣的基因，目前認(rèn)為NDRG1在呼吸系統(tǒng)疾病中的作用主要集中在肺部感染、慢性氣道炎性疾病、低氧相關(guān)疾病及肺部腫瘤等，NDRG1可能成為這些肺部疾病的有效治療靶點(diǎn)。

作者貢獻(xiàn)聲明李成偉 文獻(xiàn)復(fù)習(xí)，論文撰寫和修改。李圣青 論文構(gòu)思和修改。

利益沖突聲明所有作者均聲明不存在利益沖突。