肿瘤转移相关糖基转移酶表达调控研究进展

李　薇， 刘天华， 张　舒， 刘银坤

复旦大学附属中山医院肝癌研究所，生物医学研究院癌症研究中心， 上海　200032



·综述·

肿瘤转移相关糖基转移酶表达调控研究进展

李薇， 刘天华， 张舒， 刘银坤*

复旦大学附属中山医院肝癌研究所，生物医学研究院癌症研究中心， 上海200032

[关键词]肿瘤转移; 糖基转移酶; 糖基化; 表观遗传

Advances on expression of glycosy transferases regulated in tumor metastasis

LI Wei, LIU Tian-hua, ZHANG Shu, LIU Yin-kun*

Liver Cancer Institute, Institutes of Biomedical Sciences, Zhongshan Hospital, Fudan University, Shanghai 200032, China

[Key Words]tumor metastasis; glycosy transferases; glycosylation; epigenetics

蛋白质的糖基化修饰包括N-糖基化、O-糖基化、C-糖基化及糖基磷脂酰肌醇(GPI)锚定连接。其中N-糖基化和O-糖基化最为常见，研究较多。糖链的合成没有模板，基因编码的糖加工酶包括催化糖苷键形成的糖基转移酶(GTs)和糖苷酶，在两者的综合作用下，最终形成糖链。肿瘤转移过程中，GTs的表达水平及活性发生改变将导致蛋白质糖链结构的变化，继而影响细胞的生物学行为。异常表达的糖链常出现在肿瘤中，通过影响细胞间或细胞与胞外基质的相互作用，促进癌进行组织浸润和转移[1-2]。癌细胞可以通过表观遗传调控以及相关信号通路来调控N-糖基化、O-糖基化相关GTs的表达，进而引起糖链结构变化；相关GTs也可通过对信号通路的调节协助肿瘤转移。本文就肿瘤转移中导致N-糖基化、O-糖基化异常表达GTs的调控方式作一综述。

1肿瘤转移中N-糖基化、O-糖基化相关GTs的表观遗传调控

1.1表观遗传调控的定义及其与GTs的关系表观遗传调控是指不通过改变DNA序列而影响基因表达的可遗传的调控方式，而基因表达的改变是稳定的。表观遗传主要包括DNA甲基化、组蛋白修饰、染色质重塑、非编码小RNA干扰等。在恶性肿瘤中由于糖链的不完全合成，原本在正常组织中表达的A/B抗原、disialyl Lewis A、sialyl 6-sulfo Lewis X、Sd(a) 的表达发生缺失，并被sialyl Lewis A、sialyl Lewis X以及未成熟的O-聚糖抗原T/Tn/sialy Tn取代。其中，异常表达的sialyl Lewis A/X是血管内皮细胞表达的E-选择素的配体，有利于循环肿瘤细胞与血管内皮细胞发生黏附，从而起始血行浸润，继而转移[3-5]。而在癌中发生特异表达的未成熟的O-聚糖抗原Tn/sialy Tn将有助于癌细胞表面受体的改变，使细胞与细胞、细胞与胞外基质的相互作用发生变化，从而影响基因表达和信号转导，有利于肿瘤的侵袭转移[6-7]。正常血型抗原GTs的表达受到抑制是正常抗原表达减少的原因，而抑制作用与表观遗传介导的沉默有关。目前发现的在肿瘤转移中受到表观遗传方式调控的GTs很大一部分是参与N-糖基化和O-糖基化修饰的酶，并形成肿瘤相关抗原sialyl Lewis A/X、Lewis Y、T/Tn/sialy Tn以及增加N-聚糖上的分支数量，唾液酸修饰发生改变等，均有助于肿瘤的侵袭转移[8-12]。肿瘤转移过程中多种GTs的表达受到表观遗传方面的调控，其中研究较多的是DNA甲基化、组蛋白修饰以及miRNA调控。

1.2DNA甲基化对N-糖基化、O-糖基化相关GTs的表达调控

1.2.1DNA甲基化对N-糖基化相关GTs的表达调控Chachadi等[13]采用DNA微阵列检测(5-aza-2'-deoxycytidine，5-AZA-dC)处理结肠癌细胞后发现，FUT6、ST3Gal6、B4GALT4、C1GALT1的表达上调，FUT3、FUT4、FUT7、ST3Gal3表达受抑制。在检测5-AZA-dC处理的卵巢癌上皮细胞中[14]，ST3Gal4表达轻微上调，ST3Gal3表达下调。此外，Caretti等[15]用5-AZA-dC处理人类正常细胞与各类癌细胞系后发现，β3Gal-T5的转录水平仅在阳性表达的细胞中增强，但没有在阴性表达的细胞中得到恢复。

Pinho等[16]发现在上皮细胞表型转化为间质细胞表型过程(epithelial-mesenchymal transition，EMT)中，GnT-Ⅲ的表达大量减少，而当转化逆转即MET过程当中，GnT-Ⅲ的表达恢复，证明其基因Mgat3 CpG岛的甲基化状况在EMT/MET转换过程中发生改变，说明启动子的甲基化变化控制着基因的表达。Saldova等[14]发现在卵巢癌上皮细胞中DNA甲基化影响GnT-V表达，在用5-AZA-dC处理癌细胞后，Mgat5 mRNA表达量增加，同时N-聚糖的三天线分支糖链结构增多，证明了DNA甲基化在肿瘤发展进程中参与改变细胞表面聚糖的分支数量。而聚糖分支的增多是癌演进的主要标志，有利于癌的浸润与转移[12]。但不同的是，他们并未在Mgat5启动子区域发现CpG岛，这证明DNA甲基化可能是间接影响Mgat5基因表达。这些癌细胞中通过甲基化抑制剂处理后，转录的mRNA水平和表达量发生差异的基因，它们的转录受到DNA甲基化的调控，说明表观调控与糖基化修饰的改变有密切的相互作用。同时，在它们的启动子区域的CpG岛发现高甲基化，而在正常细胞中这些启动子处于低甲基化状态。

1.2.2DNA甲基化对O-糖基化相关GTs的表达调控唾液酸转移酶家族既参与N-糖基化修饰也参与O-糖基化的修饰。ST3GalT是可以合成O-聚糖的GTs，并且是合成sialyl Lewis X的关键酶。5-AZA-dC处理结肠癌细胞后发现ST3GalT的表达以及MUC1上的sialyl Lewis X均增加，进而增进癌细胞的转移潜能。未成熟缩短性的O-聚糖结构Tn和sialyl-Tn普遍出现在上皮癌细胞中，能够促进肿瘤的发展，诱导细胞生长和浸润[6]。最近，Radhakrishnan等[6]发现在胰腺癌和大多数上皮癌中，缩短的O-聚糖的过表达是与编码C1GalT1的COSMC分子伴侣(core 1 β3-Gal-T-specific molecular chaperone)基因的启动子发生高甲基化而导致基因沉默有关，COSMC分子伴侣是正常延长O-聚糖糖链的关键分子，这与多数甲基化直接发生于GTs的启动子有所不同。几乎40%的癌症COSMC基因发生高甲基化，这与缩短的O-聚糖抗原以及C1GalT1酶的表达情况一致。同样，Mi等[17]在源于Tn综合征样表型的永生B细胞系中发现，启动子的高甲基化致使COSMC表达缺失，导致这些细胞缺乏正常的T-合成酶的活性而表达Tn抗原。

1.3组蛋白修饰对N-糖基化相关GTs的表达调控目前发现受到组蛋白修饰的GTs以N-糖基化相关的GTs为主。Chachadi等[18]用组蛋白去乙酰化酶抑制剂分别处理正常人类前列腺细胞以及来源于不同组织发生转移的癌细胞，结果发现去乙酰化酶抑制剂能够诱导正常细胞histone-3和histone-4发生乙酰化，从而上调β3Gal-T1的表达，而诱导后的癌细胞的组蛋白乙酰化水平要高于正常细胞。Caretti等[15]发现，胆管癌细胞中β3Gal-T5基因转录发生高表达并在其基因启动子区域发现有组蛋白激活标志，包括H3K4三甲基化、H3K79二甲基化以及H3K9-14乙酰化，而在阴性细胞中发现组蛋白失活标志，H3K27二甲基化和H4K20三甲基化。结果说明染色质中组蛋白的修饰可以决定GTs的转录活化或失活。另外，在多种癌症中发现组蛋白去乙酰化酶(histone deacetylase, HADC)过表达，并且HADC可以与miRNA发生相互作用从而共同对FUT8的表达进行调节，并影响与FUT8相关的信号通路[19]。岩藻糖基化是致瘤作用中出现最频繁的糖基化，它们是FUT基因家族的间接表达产物，基因的直接产物FUT酶与癌细胞的增殖与转移有关，在多种癌中高表达。

1.4miRNA对N-糖基化、O-糖基化相关GTs表达调控微小RNA(microRNA，miRNA)是一种内源性的非编码RNA，成熟的miRNA能与目标性mRNA 3’端非翻译区完全或不完全结合，从而对靶mRNA进行特异性切割，抑制目的基因表达。在肿瘤组织中，常发现一些miRNA的表达下调，而若将其重新转染入癌细胞后，可以抑制细胞的增殖和侵袭转移[20]，而这些miRNA可以用于癌症的诊断和预后[21]。已有很多研究发现一些内源性的miRNA在肿瘤转移过程中调控相关GTs的表达。

1.4.1miRNA对N-糖基化相关GTs表达调控Let-7c是let-7家族的一种被熟知的肿瘤抑制miRNA，Guo等[22]在鼠科肝癌细胞系中发现，在具有高转移潜能的肝癌细胞中过表达let-7c能够使细胞的转移和侵袭能力受到抑制。Bernardi等[23]发现，miR-122和miR-34a特异性识别并结合FUT8的3’非翻译区域,若在肝癌细胞中强制性表达miR-122和miR-34a将诱导FUT8表达的减少从而减少分泌蛋白的核心岩藻糖量。然而在自发性人类肝癌中，miR-122和miR-34a的表达量降低，从而导致肝癌细胞内核心岩藻糖的量发生增加，证明FUT8受到miRNA介导的调节机制调控。

1.4.2miRNA对O-糖基化相关GTs表达调控Wu等[24]通过异位表达和基因敲除实验证明GALNT10能促进肝癌细胞增殖和抑制其凋亡，并发现GALNT10是miRNA-122的直接靶标。在HBV感染肝细胞癌患者中，miRNA-122的表达减少，从而导致GALNT10的过表达，通过促进EGFR发生O-糖基化而使其被激活，促进细胞增殖并与癌细胞的静脉入侵和不良预后相关。另有研究[25]发现在具有高侵袭性的黑素瘤细胞中，miR-30b/30d的表达发生上调，并直接作用于GALNT7的转录产物，GALNT7表达受抑制导致抑制免疫力的细胞因子IL-10表达增强，从而减少免疫细胞的激活，增强肿瘤生长、转移潜能、降低总体生存率。

2肿瘤转移中N-糖基化、O-糖基化相关GTs的信号通路调控

肿瘤转移相关GTs的表达也可以通过信号通路调控，或者GTs通过调节信号通路促进癌的侵袭转移。能够通过信号通路调节的肿瘤转移相关GTs包括：GnT-Ⅴ、GnT-Ⅲ、PomGnT1。与GnT家族相关的信号通路的研究报道主要集中在GnT-Ⅴ和GnT-Ⅲ上。GnT-Ⅴ催化形成N-聚糖上β1,6-GlcNAc分支结构，进而形成N-聚糖三、四天线糖链结构，并介导肿瘤细胞迁移。信号转导子与转录激活子STAT3被细胞因子受体激活后转入核内与相应DNA结合，实现信号转导与转录调控，它与肿瘤的增殖、血管生成、侵袭与转移有关。Qi等[26]发现GnT-V通过增加β1,6-GlcNAc分支修饰受体酪氨酸磷酸酶rho(receptor protein tyrosine phosphatase rho, PTPRT)，使其磷酸酶活性受抑制，导致其底物STAT3磷酸化水平增加并转导入细胞核，转录与肿瘤转移相关的基因。不同的是，Li等[27]证明并非任何类别的恶性肿瘤都有β1,6-GlcNAc分支增多情况，在人的非小细胞肺癌中，GnT-Ⅴ通过抑制TGF-β/Smad信号，从而抑制TGF-β1诱导的EMT过程，进而阻碍肺癌细胞的侵袭转移，揭示了GnT-Ⅴ作为人肺癌细胞EMT转移抑制子的新机制。

与GnT-Ⅴ不同的是，GnT-Ⅲ参与N-聚糖上β1,4-GlcNAc分支的形成，它的表达能减少癌细胞的转移能力。不仅如此，E-钙黏蛋白/β-连环蛋白复合物介导的胞间黏附与Wnt/β-连环蛋白信号通路相互作用，能够调节GnT-Ⅲ的表达，E-钙黏蛋白/β-连环蛋白复合物介导的胞间黏附上调GnT-Ⅲ的表达，而Wnt/β-连环蛋白信号能够下调GnT-Ⅲ的表达，并与EMT有关[28]。N-乙酰氨基葡萄糖-甘露糖转移酶(peptide-O-linked mannose β-1,2-N-acetylglucosaminyltransferase 1,PomGnT1)是在脑内催化GlcNAc连接到糖蛋白上的O-甘露糖的GT，出现在哺乳动物的脑、神经、骨骼肌当中[29]。Lan等[30]发现在恶性胶质瘤细胞中，PomGnT1的过表达将有利于癌细胞的增殖与侵袭，并发现PomGnT1是通过激活β-连环蛋白信号通路来促进癌细胞的侵袭与转移。

3展望

在癌症早期，可以在肿瘤患者血清中发现异常表达的糖类结构，如肝癌患者血清中大量的核心岩藻糖可以作为肿瘤标志物，并与不良预后有关[23]；肿瘤在转移过程中，也会有相关肿瘤标志物，如Sialyl Lewis A/X、Lewis Y的出现，亦或是N-聚糖三、四天线分支糖链结构增多，而这些糖基化的改变很大一部分是依赖于N-糖基化、O-糖基化相关GTs表达的表观遗传调控或信号通路调控途径实现，有助于肿瘤细胞的运动和迁移。因此，了解与肿瘤转移过程中相关GTs的表达调控方式以及相关信号通路，可找到阻滞肿瘤转移的靶点，将有助于肿瘤治疗，同时可以发现新型糖蛋白或糖链为核心的肿瘤分子标志物而用于肿瘤转移的预测和诊断。

参考文献

[1]Kang X, Wang N, Pei C, et al. Glycan-related gene expression signatures in human metastatic hepatocellular carcinoma cells[J].Exp Ther Med,2012,3(3):415-422.

[2]孙斌,仇灏,胡从莉,等.糖基转移酶基因β3GalT7/GnT8和β3GnT2在白血病细胞株及人骨髓有核细胞中的表达[J].江苏大学学报:医学版, 2009,19(4):311-313,319.

[3]Dall’Olio F, Malagolini N, Chiricolo M, et al. The expanding roles of the Sd(a)/Cad carbohydrate antigen and its cognate glycosyltransferase B4GALNT2[J].Biochim Biophys Acta, 2014,1840(1):443-453.

[4]Shirure V S, Henson K A, Schnaar R L, et al. Gangliosides expressed on breast cancer cells are E-selectin ligands[J]. Biochem Biophys Res Commun,2011, 406(3):423-429.

[5]Gakhar G, Navarro V N, Jurish M, et al. Circulating tumor cells from prostate cancer patients interact with E-selectin under physiologic blood flow[J].PLoS One,2013, 8(12):e85143.

[6]Radhakrishnan P, Dabelsteen S, Madsen F B, et al. Immature truncated O-glycophenotype of cancer directly induces oncogenic features[J]. Proc Natl Acad Sci USA, 2014, 111(39): E4066- E4075.

[7]Ju T,Wang Y,Aryal RP,et al. Tn and sialyl-Tn antigens, aberrant O-glycomics as human disease markers[J].Proteomics Clin Appl,2013,7(9-10):618-631.

[8]Qu Y, Egelund J, Gilson P R, et al. Identification of a novel group of putative Arabidopsis thaliana beta-(1,3)-galactosyltransferases[J].Plant Mol Biol, 2008, 68(1-2): 43-59.

[9]Yan X, Lin Y, Liu S, et al. Fucosyltransferase Ⅳ (FUT4) as an effective biomarker for the diagnosis of breast cancer[J].Biomed Pharmacother,2015,70:299-304.

[10]Huang B, Sun L, Cao J, et al. Downregulation of the GnT-Ⅴ gene inhibits metastasis and invasion of BGC823 gastric cancer cells[J].Oncol Rep,2013,29(6):2392-400.

[11]Peng RQ, Wan HY, Li HF, et al. MicroRNA-214 suppresses growth and invasiveness of cervical cancer cells by targeting UDP-N-acetyl-α-D-galactosamine:polypeptide N-acetylgalactosaminyltransferase 7[J].J Biol Chem,2012,287(17):14301-14309.

[12]刘天华,刘银坤.肝细胞肝癌中的N-糖基化相关的糖基转移酶的研究进展[J].中国临床医学, 2013,20(5): 712-715.

[13]Chachadi VB, Cheng H, Klinkebiel D, et al. 5-Aza-2’-deoxycytidine increases sialyl Lewis X on MUC1 by stimulating β-galactoside:α2,3-sialyltransferase 6 gene[J].Int J Biochem Cell Biol,2011,43(4):586-593.

[14]Saldova R, Dempsey E, Pérez-Garay M, et al. 5-AZA-2’-deoxycytidine induced demethylation influences N-glycosylation of secreted glycoproteins in ovarian cancer[J].Epigenetics,2011,6(11):1362-1372.

[15]Caretti A, Sirchia SM, Tabano S, et al. DNA methylation and histone modifications modulate the β1,3 galactosyltransferase β3Gal-T5 native promoter in cancer cells[J].Int J Biochem Cell Biol, 2012,44(1):84-90.

[16]Pinho SS, Oliveira P, Cabral J,et al. Loss and recovery of Mgat3 and GnT-Ⅲ Mediated E-cadherin N-glycosylation is a mechanism involved in epithelial-mesenchymal-epithelial transitions[J].PLoS One,2012,7(3):e33191.

[17]Mi R, Song L, Wang Y,et al.Epigenetic silencing of the chaperone Cosmc in human leukocytes expressing Tn antigen[J].J Biol Chem,2012,287(49):41523-41533.

[18]Chachadi VB, Ali MF, Cheng PW. Prostatic cell-specific regulation of the synthesis of MUC1-associated sialyl Lewis a[J].PLoS One,2013,8(2):e57416.

[19]Swierczynski S, Klieser E, Illig R, et al. Histone deacetylation meets miRNA: epigenetics and post-transcriptional regulation in cancer and chronic diseases[J].Expert Opin Biol Ther,2015,15(5):651-664.

[20]Cheng J, Zhou L, Xie QF, et al. The impact of miR-34a on protein output in hepatocellular carcinoma HepG2 cells[J].Proteomics,2010,10(8):1557-1572.

[21]He S, Zhang DC, Wei C. MicroRNAs as biomarkers for hepatocellular carcinoma diagnosis and prognosis[J].Clin Res Hepatol Gastroenterol,2015,39(4):426-434.

[22]Guo Y, Li S, Qu J, et al. Let-7c inhibits metastatic ability of mouse hepatocarcinoma cells via targeting mannoside acetylglucosaminyltransferase 4 isoenzyme A[J].Int J Biochem Cell Biol, 2014,53:1-8.

[23]Bernardi C, Soffientini U, Piacente F, et al. Effects of microRNAs on fucosyltransferase 8 (FUT8) expression in hepatocarcinoma cells[J].PLoS One,2013,8(10):e76540.

[24]Wu Q, Liu HO, Liu YD, et al. Decreased expression of hepatocyte nuclear factor 4α (Hnf4α)/microRNA-122 (miR-122) axis in hepatitis B virus-associated hepatocellular carcinoma enhances potential oncogenic GALNT10 protein activity[J].J Biol Chem,2015,290(2):1170-1185.

[25]Gaziel-Sovran A, Segura MF, Di Micco R, et al. miR-30b/30d regulation of GalNAc transferases enhances invasion and immunosuppression during metastasis[J].Cancer Cell,2011,20(1):104-118.

[26]Qi J, Li N, Fan K, et al. β1,6 GlcNAc branches-modified PTPRT attenuates its activity and promotes cell migration by STAT3 pathway[J].PLoS One,2014,9(5):e98052.

[27]Li N, Xu H, Fan K, et al. Altered β1,6-GlcNAc branched N-glycans impair TGF-β-mediated epithelial-to-mesenchymal transition through Smad signalling pathway in human lung cancer[J].J Cell Mol Med,2014,18(10):1975-1991.

[28]Xu Q, Akama R, Isaji T, et al. Wnt/beta-catenin signaling down-regulates N-acetylglucosaminyltransferase Ⅲ expression: the implications of two mutually exclusive pathways for regulation[J].J Biol Chem,2011,286(6):4310-4318.

[29]Lan J, Guo P, Lin Y, et al. Role of glycosyltransferase PomGnT1 in glioblastoma progression[J].Neuro Oncol,2015,17(2):211-222.

[本文编辑]姬静芳

[中图分类号]R73-37

[文献标志码]A

[作者简介]李薇，硕士生. E-mail: liwei_haha@126.com*通信作者(Corresponding author). Tel:021-54237962，E-mail: liu.yinkun@zs-hospital.sh.cn

[基金项目]国家自然科学基金(21505022),国家“863”高科技发展计划(2012AA020204).Supported by National Natural Science of China (21505022) and the National High Tech Program(“863” Program:2012AA020204).

[收稿日期]2015-05-07[接受日期]2015-10-08