ABCG2与消化系统肿瘤相关研究进展

王晰程，孙志伟，沈 琳

北京大学肿瘤医院暨北京市肿瘤防治研究所消化肿瘤内科，恶性肿瘤发病机制及转化研究教育部重点实验室，北京100142

目前，对于消化道肿瘤，如结直肠癌、胃癌等而言，化疗不仅是中晚期患者的主要治疗方式，并且已逐渐成为早期患者术前及术后综合治疗的一个重要环节，化疗的疗效直接关系到患者预后。但由于肿瘤的异质性和患者个体的差异性，部分患者存在耐药现象，尤其是多药耐药性(multiple drug resistance，MDR)，即癌细胞同时对多种细胞毒药物产生抗性［1］。因此如何能更加个体化地选择化疗方案，减少耐药产生，提高治疗效果已经成为消化肿瘤内科治疗最大的挑战。

在肿瘤细胞耐药性产生机制中，MDR是当前研究的一个重点。其中最重要的研究成果之一便是发现了MDR通常与一种或几种转运蛋白相关，而这些转运蛋白都属于 ATP结合盒(ATP-binding cassette，ABC)转运超家族成员，可称为ABC转运蛋白，它们在核苷酸结合区结合和水解ATP，并利用其提供的能量将底物从细胞内泵出［2］。该家族的成员有P-糖蛋白(P-glycoprotein，P-gp/ABCB1)、多药耐药蛋白 1(multidrug resistance protein，MRP1/ABCC1)和三磷酸腺苷(ATP)结合转运蛋白G超家族成员2(ATP-binding cassette superfamily G member 2，ABCG2)，又称乳腺癌耐药蛋白(breast cancer resistance protein，BCRP)。本文主要针对ABCG2的结构和功能及其与消化系统肿瘤的相关性研究作以下综述。

1 ABCG2的基本特性

1.1 ABCG2的发现 1990年Chen等［3］用阿霉素和P-gp抑制剂维拉帕米筛选乳腺癌MCF-7细胞系，发现新的耐药细胞系MCF-7/AdrVp，而这一细胞系并无P-gp和MRP的过度表达，而过表达是一分子量为75 KD的蛋白质，这提示存在一种新的药物转运蛋白。1998年Doyle等［4］在 MCF-7/AdrVp中检测到大小为 2.4 kb的mRNA，并逆转录其cDNA，发现它编码655个氨基酸的转运蛋白并具有多药耐药性。由于该基因是从乳腺癌细胞中得到的，故命名为乳腺癌耐药蛋白(breast cancer resistance protein，BCRP)。最后基于其结构和序列的同源性，发现此基因是ABC超家族亚族G的第2个成员，故人类基因组命名委员会最终将其命名为ABCG2(ATP-binding cassette superfamily G member 2)。

1.2 ABCG2的基因及三维结构 人类ABCG2基因位于4q22～23，基因跨度为66 kb，是迄今为止在4号染色体上发现唯一的ABC转运蛋白［5］。它由16个外显子和15个内含子组成，其结构上属于ABC蛋白家族半转运子，因为ABCG2只有一个核苷酸结合结构域(NBD)和1个跨膜结构域(TMD)，故需通过寡聚体化来实现其转运功能［6］。深入了解ABCG2三维结构有助于了解蛋白和底物结合的转运机制，也成为研究多药耐药性的前提条件，但目前ABCG2高清晰度的蛋白三维结构尚不十分明确。2009年，Aller等［7］首次报道了小鼠P-gp分辨率在3.8 Å的晶体结构，可以首次在分子水平上明确MDR转运蛋白多个跨膜片段(TM4-6 TM10-12)上的氨基酸残基直接参与构成了底物结合位点。因为ABCG2和P-gp在三维结构上具有高度的同源性，借助于生物信息学同源模拟软件(Homology Modeling)，学者们建立了ABCG2多个不同构象的三维模型［8-10］。这些模拟三维结构进一步阐述了底物如何结合转运蛋白，诱发ATP结合及水解，从而最终使底物从V形的间隙释放到胞外的整个动态过程。

1.3 ABCG2在正常组织中的表达及生理功能 研究显示，在人体内多个组织和器官中都有ABCG2不同程度的表达。Doyle等［11］应用ABCG2 cDNA探针检测其mRNA水平，发现胎盘的表达量最高，而在心脏、肾、骨骼肌、肺、胰腺、脾等器官未检测到ABCG2。利用斑点杂交对人组织mRNA进行了检测，ABCG2的mRNA在胎盘仍然高表达，同时发现肝和小肠的表达水平也很高。此外，在人造血干细胞和神经干细胞也发现有 ABCG2的表达。Seharenberg等［12］研究发现ABCG2蛋白还表达于成熟精子的顶体并能介导胆固醇的移除。根据ABCG2上述分布特点，推测它的生理功能可能包括:防止食物中一些外源性物质的吸收，从而防止可能发生的毒性反应;参与保护重要脏器(如形成血-胎盘屏障、血-脑屏障等);帮助减少有害物质经消化道吸收及协助肝脏排毒。特别令人关注的是ABCG2在干细胞中的作用。研究发现在造血干细胞中有一些通过膜转运外排Hoechst33342的细胞群，定义为侧群细胞(side-population，SP cells)，约占总干细胞的0.05%。Zhou等［13］报道多种组织来源的SP细胞均呈现ABCG2的高表达，而且通过转基因方法增加ABCG2的表达后，可使该细胞呈SP表型，故由此支持ABCG2是造成细胞具有SP表型的这个关键结论，是使细胞具有干细胞分化潜能的重要标记。

1.4 ABCG2的底物选择 自ABCG2被发现以来，已有许多化疗和靶向药物证实可由此蛋白转运。首先，ABCG2曾被学者用米托蒽醌筛选人结肠癌细胞系而得到，并因此而命名为米托蒽醌耐药蛋白。近些年来，伊立替康广泛用于消化道肿瘤(食管癌、胃癌、结直肠癌和胰腺癌)的治疗。很多研究证实，ABCG2在伊立替康为基础化疗的耐药上发挥了重要作用。在用拓扑替康筛选的人卵巢癌细胞系(IGROV1/T8)及乳腺癌细胞系(MCF-7/TPT3000)中，均发现有ABCG2的过表达，并导致其对伊立替康及其活性代谢产物SN-38的获得性耐药［14-16］。用SN-38筛选的细胞系中也可观察到ABCG2的过表达［17］。而在结直肠癌肝转移的患者中，应用伊立替康为基础的化疗者的ABCG2 mRNA水平明显高于那些未用伊立替康的患者，这都表明ABCG2参与了体内伊立替康的耐药［18］。一些其他肿瘤的常用化疗药物也是ABCG2的底物，如氨甲喋呤、酪氨酸激酶抑制剂CI1033、吉非替尼、伊马替尼、抗叶酸剂雷替曲塞等。此外，ABCG2在一些非化疗药物的转运上也发挥了重要的作用，如HMG-CoA还原酶抑制剂罗舒伐他汀、匹伐他汀和西立伐他汀;类黄酮和橡黄素;某些抗生素等。

2 ABCG2与肿瘤相关研究

2.1 ABCG2与肿瘤概况 自发现ABCG2与肿瘤耐药相关以来，国内外很多学者便致力于研究在各种恶性肿瘤中ABCG2的表达与功能，从而为治疗肿瘤寻找新的出路。最早有研究证实了ABCG2在白血病耐药方面发挥了作用［19］，并表明ABCG2的表达与患者预后相关。Fetsch等［20］发现在乳腺癌、胃癌、结肠癌、纤维肉瘤和多发性骨髓瘤等耐药细胞株中均有ABCG2的过度表达，并与P-gp/MRP等耐药蛋白表达无关。而且很多研究提示肿瘤中ABCG2的表达与临床结果有相关性，如:赵亚超等［21］发现在非小细胞肺癌中，ABCG2在鳞癌和腺癌中的表达均高于正常肺组织，且阳性表达者对阿霉素、拓扑替康、顺铂等化疗药物的敏感性下降。Yoh等［22］也发现ABCG2阳性表达的非小细胞肺癌患者化疗有效率低于ABCG2阴性患者，并且预后分析提示ABCG2可作为与无瘤生存期相关的独立因素之一。因此ABCG2可作为判断NSCLC患者化疗敏感性及预后的指标。需注意的是这种不良预后是由于ABCG2对肿瘤药物的排出作用直接引起的，还是它的表达只是作为肿瘤增殖、转移、恶性程度等的一个指示因子目前尚不清楚。

2.2 ABCG2在消化系统肿瘤中的表达与功能 关于ABCG2在结直肠癌中的研究，高阳等［23］用RT-PCR的方法检测了102例大肠癌组织及15例正常大肠黏膜组织中ABCG2的表达，结果表明大肠癌组织中ABCG2阳性率明显高于正常组织，且与分化程度有关。梁燕等［24］在225例大肠癌组织中检测了ABCG2的表达，结果83.1%的组织在细胞浆有ABCG2的表达，而66.2%的组织在细胞膜有表达，15.6%的组织在细胞膜上呈现ABCG2的强表达。其中随访69例患者的生存分析提示ABCG2在细胞膜的强表达与生存率的降低相关。此外，在氟尿嘧啶和伊立替康耐药的大肠癌细胞系中筛选出的侧群细胞也是高表达ABCG2的［25］。

其他的研究也提示ABCG2与消化系统肿瘤密切相关。刘亮等［26］研究了ABCG2蛋白在食管癌组织中的表达情况，显示ABCG2蛋白在食管癌组织中有较高程度的表达，且在病理分化差的鳞癌中的表达量显著高于中高分化鳞癌。且Tsunoda等［27］研究发现ABCG2的高表达在食管癌中是一个独立的预后不良的因素。Wang等［28］用免疫组化的方法在胃癌组织中检测了ABCG2的表达情况，结果表明45例中有28例(62.2%)呈阳性，其中低分化/未分化肿瘤中的表达水平比高/中分化肿瘤显著升高，由此可推测ABCG2在胃癌的多药耐药中也可能发挥了重要的作用。另有文献报道胰腺癌患者中ABCG2水平的增高与早复发及预后差明显相关［29］。上述文献均提示ABCG2可能在多种消化系统肿瘤的耐药和生存预后中发挥了一定的作用，但其中明确的机制尚不清楚，仍需更多的基础实验和样本量更大临床研究来验证上述的结论。

2.3 ABCG2基因单核苷酸多态性(SNP)研究 单核苷酸多态性(single nucleotide polymorphisms，SNP)是指基因组水平上由单个核苷酸变异导致DNA序列多态性，占所有已知多态性的90%以上。近些年的研究表明ABCG2基因的多态性可能会影响蛋白的表达和转运等功能。目前已发现ABCG2基因有40多个SNPs，其中最为常见的 3个是 C421A、G34A以及C376T。ABCG2多态性的分布在不同种族人群中有显著差异。例如C421A在中国和日本人群中等位基因频率可高达30%～60%，而在高加索人群和非洲裔人群中等位基因频率仅有5% ～10%［30-31］。G34A在瑞典人群中等位基因频率仅为1.7%，而在越南人群中高达36.0%。

ABCG2基因单核苷酸多态性可影响ABCG2蛋白的表达水平。多项研究表明，无论在转染的细胞中还是在人体组织中，C421A均可导致ABCG2蛋白表达水平较野生型降低。Imai等［32］检测124例日本健康志愿者血中ABCG2的表达水平，结果显示C421A比野生型的表达水平降低。Furukawa等［33］和 Kobayashi等［34］均发现C421A的ABCG2表达水平比野生型明显降低。其机制可能是ABCG2单核苷酸多态性影响蛋白的稳定性、转运活性、膜定位等相关。由此，进一步影响其底物的药代动力学及肿瘤对相关药物的耐药程度。Morisaki等［35］发现，C421A对二羟蒽二酮、托泊替康或SN38耐药性有一定程度降低。Imai等研究也表明C421A细胞对二羟蒽二酮、拓扑替康比野生型敏感2～3倍。目前对ABCG2基因SNPs的研究尚处于初级阶段，还有一些研究显示出了与上述不完全一致的结果，尤其是某些SNPs是否与伊立替康耐药明确相关，均有待进一步的深入研究。

3 讨论和展望

综上所述，ABCG2是近些年来新发现的一种多药耐药转运蛋白，属ABC转运超家族，依靠ATP水解的能量将相应底物泵出膜外，与P-gp、MRP不同的是，它是半转运分子。它在人体很多正常组织中都有表达，参与很多生理作用包括:排除外源性物质，解毒及血脑屏障和胎盘屏障保护。尤其是其在干细胞中的作用值得重视，研究发现ABCG2是参与干细胞SP表型形成的因素。同时在恶性肿瘤中，也存在肿瘤干细胞“假说”。这些肿瘤干细胞高表达ABCG2，使之能泵出化疗药物，产生耐药，从而导致无法根治肿瘤。由此将来的研究应关注通过抑制ABCG2在肿瘤干细胞中的表达或应用拮抗剂抑制其转运活性以达到最大程度消灭肿瘤细胞的目的。

关于ABCG2在肿瘤的表达情况，首先在血液肿瘤中发现，后有学者发现ABCG2在很多实体肿瘤均有不同程度的表达，并有很多研究均发现肿瘤中ABCG2的表达也与临床结果如化疗药物敏感性、预后有相关性。关于ABCG2与消化系统肿瘤的关系，目前研究指出ABCG2过量表达与食管癌、胃癌、肠癌等患者的多药耐药上发挥了重要作用，也有文献报道ABCG2蛋白的表达与患者生存期长短相关。此外，随着伊立替康为基础的化疗方案在消化道肿瘤进一步广泛的使用，ABCG2基因的多态性和蛋白本身的结构与药物敏感性、不良反应的关系也是值得关注的问题，这些都是我们未来的研究方向。我们相信，随着对ABCG2蛋白结构和转运功能越来越深入的研究，ABCG2会成为抗肿瘤治疗的一个新的靶点。

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