ID4基因的研究进展

冯 燕,李 薇,党艳辉,,3,卢学春

(1.吉化集团公司总医院 化疗科,吉林 吉林132022;2.吉林大学第一医院肿瘤中心,吉林长春130021;3.解放军总医院 老年血液科,北京100853)

癌基因的活化(如 ras基因、bcr-abl基因)或/和抑癌基因的失活(如P53基因、Rb基因)与肿瘤的发生密切相关。ID4基因是1994年Riechmann等首次从小鼠中分离鉴定的,发现该基因在胚胎发育的9.5d-13.5d是上调的,且在成人的脑、睾丸和肾脏器官高表达[1]。在1995年,人的ID4基因被成功定位在染色体6p21.3-p22,同时发现通过增强ID4蛋白的表达可以抑制肌酸激酶E-box增强子的活化作用。ID4在不同肿瘤和同一肿瘤的不同阶段可能具有不同的作用,本文对ID4基因的研究现状做一小结。

1 ID4基因的分子结构特点

ID4基因是碱性螺旋环螺旋转录因子(bHLH)的抑制因子,其编码的ID4蛋白的HLH区域能调节各种bHLH的同源或异源二聚体,但由于缺少碱性DNA结合的区域因此不能序列特异性结合到DNA共同的E-box盒上调节转录功能,但却可以与bHLH结合形成异二聚体,阻止了DNA与bHLH的结合从而形成转录失活,稳定这些碱性转录蛋白调节子二聚体,调节细胞的分化、增殖和凋亡。ID4基因启动子区在-269-+10是ID4基因的核心启动子区,是ID4基因启动转录所必需的序列[2]。在5'侧翼区的TATA盒下游具有两个重要的功能元件调控ID4基因启动子的活性。其中一个含有E-box盒的顺式作用元件,能与包含Bhlh-zip上游刺激因子转录子(USF)结合,能使ID4激活;其二是位于转录起始位点下游的GA结合序列,它的突变可导致转录活性增加20倍。于力[4]等的研究结果推测在-454至-269区域存在增加启动子活性的增强子结构;在+10和+276之间可能存在具有抑制活性的下游调控元件,具有抑制ID4表达的作用。卢学春[3]应用互联网结合人类基因组等数据库分析发现ID4基因在长度为l 300 bp的ID4启动子区,存在多个顺式结构,其中包括Spl、C-Myb、abaA、C/EBPalpha、GR、ERE 和Zeste 可能具有正向调控作用;而另外存在的 CCAAT—binding factor、GCF、wTl—KTS、HiNF-C和EGR2作用元件可能对其具有负向调控的作用[3]。

2 ID4基因的表达谱及表达调控机制

ID4基因蛋白编码161个氨基酸,其启动子区E-box盒顺式作用元件能与包含Bhlh-zip上游刺激因子转录子(USF)结合,研究发现增加USF的表达可以激活E-box盒介导的启动子的活化作用,从而使ID4的活性增加;而在共转染实验中发现ID4的表达抑制了bHLH介导的活化作用,并且发现与ID2启动子相似,ID4启动子的活化的调控是负反馈调节环。此外ID4转录的调控是受Sp1/Sp3正性和负性双重调节。通常特异性β1糖蛋白(Sp1)被认为是细胞活病毒启动子的激活剂,它的突变可以导致转录失活,Sp3通常被定义为是Sp1介导活化抑制剂,它同Sp1竞争的结合到相同的位点识别区,而最近有大量证据证明Sp3具有双重功能,在启动子中与同源DNA结合位点结合,可以调控Sp1介导的转录强度。在Riechmann的研究中发现应用凝胶电泳分析和果蝇转染技术发现Sp1和Sp3是转录抑制因子,在ID4基因中Sp1/Sp3GA结合位点突变部分抑制ID4启动子转录活性,这表明Sp1依赖的转录是受特殊的细胞周期调控蛋白影响的,据报道RB和P107活化或抑制Sp1依赖的转录,具有细胞类型依赖的特点,RB可以直接刺激Sp1从负性调节子中释放活化。最近有报道证明Sp1通过抑制人腺嘌呤苷酸转移酶(ANA)核心启动子从而抑制了转录[5]。在ANA和ID4启动子中,Sp1结合抑制序列位于TATAbox的下游,Sp1和Sp3与GA序列结合后使转录效率减低。因此Sp1和Sp3在TATAbox的下游结合,下调或改变转录活性及转录效率。Sp3是Sp1介导的活化抑制剂,它同Sp1竞争相同的结合位点,表明Sp3在单一结合位点上是活化剂,而在多重结合位点上是抑制剂,而总之ID4的转录调控是高度复杂的。

研究发现ID4蛋白在脑、甲状腺和胚胎中表达丰富,在淋巴结及胚胎干细胞中也有低表达,而在脑肿瘤、甲状腺滤泡瘤、乳腺癌中表达量高于正常组织[6]。近年来在脑肿瘤的研究中发现通过BMP信号抑制少突神经胶质前体细胞(OPCs)分化成熟为少突神经胶质细胞的一个可能的机制是ID4抑制olig1/2的活性。尽管ID4在少突胶质细胞前体细胞的再生中表达,但当OPCs分化成熟的时候其表达量进行性的降低。在OPCs中ID4过表达抑制少突神经胶质细胞分化,其表达的下调可以诱导体外过早分化。ID4在OPCs胞浆中结合olig1 and olig2阻止了 olig1 and olig2转入到胞核内,因此阻止olig1 and olig2与靶DNA的结合。研究推测其另一个机制是BMP信号抑制成人OPC分化OL的机制,使olig1 and olig2的下调。过表达的olig1 and olig2可以翻转BMP信号在OPC分化为少突胶质细胞(OL)的抑制作用,这进一步证明了BMP信号途径通过下调olig1 and olig2阻止了OPC分化为OL。因此通过增加ID4的表达,使olig1 and olig2表达的下调、活性受抑,协同抑制OPC的分化,增加星形细胞生成[7]。在对乳腺癌的研究中发现,ID4被BRCA1相互调节的,两者可以建立一个调节环,在研究初发乳腺癌和卵巢癌细胞中BRCA1和ID4蛋白表达的关系上发现其与初发浸润性导管癌和卵巢腺癌高度相关,推测BRCA1和ID4调节环断裂可能是许多乳腺和卵巢癌发生的分子途径。而在睾丸支持细胞的研究中发现ID4mRNA在FSH和cAMP作用后表达上调;在分化的脂肪细胞中ID4可被胰岛素、地塞米松等上调,在星形细胞中被cAMP上调,我们推测ID4基因的调节存在组织选择性和特异性的bHLH转录因子的选择性,与其相结合bHLH转录因子的种类和功能不同,ID4的作用也不同。

最近一项研究发现,ER增加引起Brca1上调,ID4表达减少.卢学春通过生物信息学分析总结了ID4表达调节相关的因素:ID4基因的表达存在正向和负向调控两种作用,其中正向调控因素或物质包括:地塞米松、cAMP、全反式维甲酸、炎性物质白三烯(LTD4)、干扰素β和干扰素γ,负向调控表达的因素或物质包括:甲基化、ZVAD和1,25二羟维生素D3[3]。

3 ID4基因的功能

研究表明,ID4基因在脑肿瘤及甲状腺滤泡瘤中表达增加,而在生殖系统、消化系和造血系恶性肿瘤中,由于启动子区高度的甲基化而发生表达减低或沉默,因此在某种程度上其更倾向于抑癌基因。在脑肿瘤中发现,ID4通过下调细胞周期和分化控制,上调cycline E和活化notch1信号完成的,从而驱动星形细胞的恶变[8]。

2004年国际上首次报道了原发结肠直肠癌细胞系中ID4基因超甲基化失活,mRNA表达受抑,应用5-氮杂胞苷处理后可使其恢复。指出ID4是细胞分化的主要控制基因,ID4基因甲基化是结肠直肠癌一个不依赖于TNM分级和CRC分期的预后指标。随后的研究证实,ID4启动子区CpG岛甲基化由cdc42诱导[9]。在其他的各种肿瘤(如胆管癌、前列腺癌、Barrett食管和食管癌)中,同样也发现了ID4启动子CpG岛存在高度的甲基化的情况,这可能和肿瘤的预后及早期转移有关。

在血液系统肿瘤中,我国学者于力[4]首次报道了ID4基因启动子区的高度甲基化导致该基因沉默,与白血病的发生密切相关。随后大量研究发现,在多种白血病细胞系中,ID4基因启动子区因异常甲基化导致ID4基因表达受抑,这也许可以作为化疗后及干细胞移植后疾病复发、检测微小残留病及评价血液病预后的指标[10]。在一项对非霍淋巴瘤患者的研究中,发现ID4启动子区甲基化是非霍淋巴瘤易于骨髓浸润的指示信号。但有趣的是,在分析ID4基因沉默对MEL细胞系的影响时发现,该基因的沉默显著抑制了MEL细胞的增殖,而细胞的分化率提高了84倍,细胞的死亡率和凋亡率增加,但基因的沉默对促进分化占优势,推测ID4可能是调控和保持分化的重要因子[11]。但目前却有研究发现在t(6;14)(p22;q32)前体B细胞急性淋巴细胞白血病患者其ID4基因高表达,并且初步认为这群人对化疗疗效较好[14]。尽管这样的病例较少,但值得重视。

在乳腺癌中,最初发现ID4可以下调人乳腺癌易感性相关基因Bral的表达,而Brcal同样也调节ID4的表达,因此认为存在Brcal-ID4调节环。而在人乳腺癌中,该调节环的断裂引起肿瘤的发生,可能是 ID4和Brcal的共调节增加ID4对乳腺上皮细胞的致癌作用。在PhIP(一种苯的类似物)诱导的乳腺癌小鼠模型中发现,ID4表达增加而brcal表达减低,因此作者认为该调节环未断裂,认为ID4在鼠乳腺癌细胞中过表达的,而ID4过表达通过抑制乳腺上皮细胞分化,扩大细胞增殖引起乳腺癌的发生[12],据此推测ID4是乳腺癌的癌基因,并且将成为乳腺癌治疗的靶点。但也有研究发现,ID4基因在特定的乳腺癌组织是不表达或低表达;ID4的超甲基化可以用作乳腺癌独立于CRC分期及TNM分级的预后评分标准。近来一项研究发现是ID4基因启动子区高度甲基化使ID4表达沉默,导致乳腺癌的发生,并且认为ID4基因的沉默是乳腺癌不利的预后因素,容易导致肿瘤早期淋巴结转移[13]。

4 展望

ID4基因在不同肿瘤中的作用因具有异质性而备受关注。在脑肿瘤中似乎是明确的癌基因,而在消化系肿瘤中又被认为是抑癌基因,但在血液病和乳腺癌中目前却出现了一些与以往研究不相符的结果。虽然ID4基因的沉默或表达下调可引起白血病的发生,但在伴有t(6;14)(p22;q32)B细胞急性淋巴细胞白血病和红白血病中却发现该基因表达量增加,而在乳腺癌中亦发现有些患者ID4基因表达增加而有些患者ID4表达减少或不表达。那么为什么在众多一致的结果中会出现与其相悖的现象呢?我们有必要从该基因的分子结构本身、从与该基因相互作用的分子通路上、从该基因对细胞周期,细胞的增殖、分化和凋亡的水平、从该基因对不同类型细胞的调控中做进一步探讨。从ID4基因的分子结构上看,因ID4含有HLH结构域,因此可以与具有HLH结构的bHLH、dnHLH及zip-HLH各种转录因子结合,因此是不是可以认为正是由于结合了不同类型的HLH而发挥不同的作用呢;从ID4基因的表达调控上看,ID4基因及与其相互作用的细胞因子是不是参与了细胞发育的不同过程,参与了不同的细胞通路,因此它在有些疾病中扮演了癌基因的作用而在有些疾病中又扮演了抑癌基因的作用;此外ID4作用是否具有组织或细胞特异性呢?它对某一类具有共同分子标志的细胞是调控其增殖的,而针对另一类细胞则是调控细胞的分化或者凋亡呢?此外我们有必要从细胞周期检查点的方面进一步明确其对细胞周期的影响。因此对于ID4基因的表达及其功能需要进一步探讨。

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