CUX1及其分子调控机制在人类恶性肿瘤中的研究进展

谢 铖，徐安琪，韩 磊，崔乃千，宋子彬，陈凯琪，杨荟平，杨宗霖，宋 烨

南方医科大学1南方医院神经外科，2第一临床医学院，广东 广州 510515

根据CA杂志发布的最新全球癌症统计，2018年全球范围内有1810万癌症新发病例和960万癌症死亡病例[1]；另据国家癌症中心数据统计，2017年全国恶性肿瘤也有380.4万新发病例[2]。面对恶性肿瘤的高发病率和高死亡率，寻找诊断恶性肿瘤的特异性分子标志物和有效治疗靶点是迫切需要解决的问题。同源框CUT样蛋白1（CUX1）在人体组织内广泛的表达，在器官发育和细胞分化中有重要作用。研究发现CUX1在多种恶性肿瘤中表达上调，对肿瘤的发生发展起关键作用。随着医学界对CUX1的研究深入，CUX1与不同肿瘤的相关性及其调控机制更加清晰，CUX1的促癌和抑癌的表面矛盾也已经得到解决。本文将对CUX1的结构特点、生物功能、肿瘤相关性和作用机制4个方面的研究进展进行综述。

1 CUX1的结构特点

CUX1基因定位于染色体7q22.1，一个在细胞内转录频率很高的位点[3]。CUX1的表达产物广泛分布于全身多种组织和细胞中，包括大脑皮层的神经元、肺上皮细胞、巨噬细胞和胸腺细胞等[4-5]。CUX1在脑组织中的表达量最高，值得注意的是它虽然在神经元中表达量很高，在胶质细胞中表达量却很低[4]。

CUX1基因不但表达全长的蛋白-P200CUX1，还表达不同长度的亚型，引起广泛注意的有P110CUX1和P75CUX1。有文献报道了这两种CUX1亚型的产生过程，CUX1基因转录后有全长的mRNA和较短的mRNA[6]。全长的mRNA翻译过程中产生相对分子质量200的蛋白，即P200CUX1，而较短的mRNA在后续的翻译过程中产生分子量75的蛋白，即P75CUX1。P200CUX1在蛋白水解酶L的作用下还产生相对分子质量110的蛋白，即P110CUX1[7]。

CUX1的不同亚型有不同的结构。P200CUX1包含4个进化保守的DNA结合域：即3个重复的CUT重复序列和1个切割同源域（CR1-CR2-CR3-HD）[8]，同时全长蛋白的NH2端含有抑制DNA结合的自抑制域，所以P200CUX1与DNA不能稳定结合[9-10]；P110CUX1包含最后2个CUT重复序列和1个切割同源域（CR2-CR3-HD），与DNA稳定结合，是重要的转录因子；P75CUX1只包含1个CUT重复序列和1个切割同源域（CR3-HD），与DNA结合最稳定，也是重要的转录因子[3,7,10]。

2 CUX1的生物功能

CUX1在人体大部分细胞中普遍表达，有文献报道CUX1在肺上皮、毛囊、神经和肾脏等器官发育中有着重要作用[5,11-12]。有动物研究表明CUX1纯合子全敲除是致命的，基因敲除小鼠不能活到断奶的年龄，在不同器官表现出异常表型，包括卷曲胡须和生长迟缓、肺上皮分化延迟、毛囊发育不良、男性不育、成纤维母细胞有更长的G1期而增长缓慢，B细胞以及T细胞成倍的减少，但是髓样细胞增生可以在骨髓、脾脏、外周血都观察到[13-15]。

CUX1不同亚型的分子和生物学功能有显著差异。P200CUX1与P110和P75相比不能与DNA稳定地结合也不能作为经典的转录因子起作用，但是P200CUX1具有碱基切除修复功能[15]；P110CUX1和P75CUX1可以稳定地结合在DNA上发挥转录因子的作用，过表达和抑制表达CUX1的体外实验发现CUX1可以促进部分基因转录或者抑制部分基因转录起到调节作用从而显著影响细胞周期过程[16-17]和细胞运动过程[18]等。染色质免疫共沉淀实验证明P110和P75CUX1转录因子的作用分为直接和间接两种影响方式[10,18-19]。虽然P110CUX1在正常的细胞中也有碱基切除修复功能，但是在正常细胞P110CUX1含量是P200CUX1含量的1%～5%，所以不认为P110CUX1能产生实质性的修复功能[20-21]。对于P75CUX1，被发现DNA结合能力更加稳定，这一特性使得P75比P110成为更有效的转录因子[22]。

3 与CUX1基因密切相关的肿瘤

在髓系白血病中积累的证据指出CUX1可能是单倍体不足的抑癌基因，等位基因的缺失和突变是单倍体不足的两个主要原因[7]，而越来越多的证据表明CUX1在乳腺癌、肺癌、胰腺癌、胶质瘤、胰腺神经内分泌肿瘤和前列腺肿瘤等多种恶性肿瘤中存在mRNA水平和蛋白水平的表达升高的现象，同时在癌旁组织中不表达或低表达[22-28]；此外，CUX1基因的拷贝数也比其它正常组织高[7]。分子生物学证据表明CUX1在不同肿瘤中发挥促癌或抑癌的作用可能是因为其在肿瘤发展各阶段有不同的影响，也和CUX1短亚型的表达量相关。

3.1 CUX1与骨髓异常增生及髓系白血病

早期研究关注到7号染色体缺失显著发生在各种肿瘤中，14%的成人和30%的儿童骨髓异常增生综合征（MDS）中7号染色体缺失[29-30]。7号染色体缺失出现在33%的幼粒单核细胞白血病和14%的慢性粒单核细胞白血病，幼粒单核细胞白血病和慢性粒单核细胞白血病都属于骨髓增生异常/骨髓增生性的重叠肿瘤[31]。

尽管7号染色体的缺失对诊断MDS和髓系白血病有明确的临床意义，但是7号染色体上的关键基因还不明确[31-32]。Mcnerney等[36]报道23位白血病患者中有11位存在7号染色体22号位点（CUX1基因位置）的丢失，在基因矩阵中CUX1基因与其他基因相比，转录失活与单倍体缺失有明显相关性。RT-PCR结果也显示7号染色体缺失的白血病样本中CUX1的转录率有46.3%～20.2%，7号染色体22号位点缺失的白血病样本中CUX1的转录与其他样品相比有45.8%～4.7%。人类急性粒细胞白血病细胞系包括Kasumi-1、K562、UoCM1-7、Mono7-7、KG-1与Hela细胞相比，P200CUX1蛋白的表达水平低于50%。Wong等[33]对2519例髓系恶性肿瘤样本的CUX1突变状态进行meta分析，揭示了其与生存不良相关的破坏性突变，凸显了CUX1缺失的临床意义。

不同的科研团队构建了CUX1基因敲出模型，探索CUX1与MDS及白血病的关系。Sinclair等[13]通过基因靶向技术构建的CUX1纯合子突变的小鼠模型，小鼠出生后死亡或2～3周内死亡；流式细胞技术检测胸腺中胸腺细胞减少和CD4+及CD8+的T细胞丢失，骨髓中B细胞减少2～3倍。与淋巴细胞减少相反，骨髓细胞异常增生在骨髓、脾脏、外周血都可以观察到。Wong等[33]使用转座子介导插入突变的构建的小鼠和果蝇癌症模型验证CUX1是一种单倍体不足的肿瘤抑制因子。An等[34]用ShCUX1构建的CUX1剂量表达模型（中表达量约54%，低表达量约12%）表明CUX1通过剂量效应控制MDS的严重程度和小鼠死亡。

在CUX1的作用机制研究中，有学者[33-34]都验证了CUX1单倍体不足可以增强PI3K信号；Siclair等[13]证明CUX1促进肿瘤坏死因子的释放，影响组织中肿瘤微环境，尤其是胸腺。

所以，在MDS和髓系白血病研究中有大量的证据表明CUX1是个单倍体不足的抑癌基因，但是也有证据表明传统的CUX1敲除可能有意想不到的选择性剪切，高表达其他亚型的CUX1促进白血病的发生[36,13,34]。有研究意外发现稳定高表达P75CUX1的转基因乳腺癌老鼠模型发生骨髓异常增生，有33%死亡[35]。目前其他亚型CUX1与白血病的研究证据不足。

3.2 CUX1与乳腺肿瘤

有团队对CUX1和乳腺肿瘤的关系做了大量的工作。已有研究发现7q22的单倍体丢失与肿瘤类型或等级、ER或PR表达、淋巴结状态或发病年龄之间无相关性，只和肿瘤大小之间存在相关性[36]。另有研究表明，剩余的CUX1单体不存在突变并且存在转录产物的增加[7,36]。所以7q22处CUX1的丢失可能是肿瘤发展的早期事件，并且很可能与肿瘤进展无关。

有研究通过Rt-Pcr验证CUX1长短两种mRNA在14例乳腺肿瘤和多种乳腺癌细胞系中高表达，细胞系包括MCF-10A、MCF-7、MPA-231、BT-20、MDA-231、MDA-436、T-47D、Sk-Br-3、ZR-75-1等，P75CUX1的mRNA在正常乳腺组织不表达或微表达[22]。研究还发现P75和P110 CUX1高表达促进乳腺肿瘤的发生 进 展[18,22-23,37]： 通 过 慢 病 毒 构 建 的 稳 定 高 表 达P75CUX1的细胞系在胶原中发现无法形成正常的小管而聚集成球[22]；通过小鼠乳腺癌病毒启动子序列构建的高表达P75或P110CUX1的转基因老鼠模型表明P75或P110CUX1转基因老鼠在20.5月中乳腺肿瘤发生率为20%和12%，但是野生型只有3%[23]；高表达P75的转基因老鼠乳腺肿瘤发生了肺转移，表现出更加浸润分散的生长模式[23]。同样地，高表达和敲除CUX1的体外实验都证明P75或P110CUX1可以影响乳腺肿瘤的上皮间质化（EMT）过程，促进乳腺肿瘤细胞的迁移和侵袭[19]。

许多机制研究发现，P110CUX1和P75CUX1是重要的转录因子调控乳腺癌的迁移和侵袭。染色质免疫共沉淀实验表明P110CUX1结合在不同基因的启动子序列直接促进Vimentin、N-cadherin、Snail、Slug的转录，抑制E-cadherin、Occludin的转录[18]；P75或P110CUX1都可以结合Wnt基因的启动序列，激活Wnt/β-catenin通路促进EMT过程[18-19]。Burton等[28,38]进一步解释了蛋白水解酶L促进P200CUX1水解产生P110CUX1促进乳腺癌EMT过程。此外，TGF-β激活CUX1表达促进乳腺癌的浸润生长[28]。

除了研究P75和P110 CUX1在乳腺肿瘤中的发挥转录因子的作用外，有研究还提出P200在乳腺肿瘤中促进碱基切除修复：持续的RAS激活使得肿瘤细胞中活性氧升高损伤DNA导致细胞衰老。CUX1和8-羟基鸟嘌呤DNA糖苷酶（OGG1）都可以促进DNA的碱基切除修复，P200CUX1也可以激活OGG1酶活性间接促进修复帮助乳腺肿瘤存活[15]。Chen等[39]的研究还证明CUX1促进乳腺肿瘤细胞系分泌纤维生长因子1和肝细胞生长因子，在调控肿瘤微环境和促进血管生成中发挥作用。

所以，CUX1的失活可能与乳腺肿瘤的发生有关，而CUX1不同亚型的高表达极大的促进乳腺肿瘤的发展，与增殖、迁移、侵袭、抗凋亡等多个方面相关。

3.3 CUX1与肺癌

Wang等[24]通过40例非小细胞肺癌（NSCLC）和39例癌旁组织的免疫组化结果发现P75CUX1在非小细胞肺癌中显著高表达，而且通过体外实验证明CUX1促进了细胞迁移侵袭和EMT相关蛋白表达。

在机制研究方面Wang等[24]提到CUX1是TGF-β的下游，而且P75CUX1又促进TβR-1的表达正反馈调节TGF-β信号通路；另有研究通过携带Kras突变、CUX1高表达、Kras突变联合CUX1高表达的三种不同的慢病毒感染小鼠肺部，发现CUX1与Kras突变协同促进肺癌形成[15]；Wang等[40]的研究也发现Kras突变通过激活P110CUX1形成促进肺癌EMT过程

3.4 CUX1与胰腺癌

Patrick Michl博士的团队在研究CUX1对胰腺癌发生发展的影响做了大量的工作。2005年25个胰腺癌标本的免疫组化结果表明CUX1在胰腺癌中高表达，且CUX1的表达量与胰腺癌的级别和浸润程度呈正相关[25]。MiaPaca2、PANC1、HT1080、Imimpcl等胰腺癌细胞系的体外实验表明CUX1的敲除抑制细胞的增殖、迁移和侵袭[26]；体外和体内实验的数据证明CUX1是胰腺癌体内和体外存活的重要因子，抑制CUX1使药物诱导的细胞凋亡增加，反之过表达可抑制细胞凋亡[41]。

在CUX1调控胰腺癌的机制研究结果表明，TGF-β激活CUX1表达促进胰腺癌的迁移，侵袭和EMT过程[25]；PI3K/AKT通路诱导CUX1表达[41]；Wnt5A和谷氨酸受体是CUX1促进转录的下游靶点[26,42-43]。

CUX1不但在胰腺癌中高表达，在胰腺癌组织中的巨噬细胞（ATM）里也是高表达；在ATM中CUX1下调NF-kB相关趋化因子，CUX1在肿瘤微环境中发挥拮抗T细胞，增强血管生成的作用[44]。

3.5 CUX1与胶质母细胞瘤

有研究通过免疫组化检测150个胶质母细胞瘤标本，结果表明CUX1不同亚型（P200，P110，P75）在胶质母细胞瘤中的表达量比正常脑组织和癌旁组织高[8]。体内和体外实验证明P200CUX1通过增加脱嘌呤脱嘧啶核酸内切酶1（APE1）活性，促进修复因替莫唑胺治疗或放疗引起的DNA损伤[8]。此外，Fei等[45]的体外实验证明P110CUX1可以促进胶质母细胞瘤细胞的迁移侵袭和EMT相关蛋白的表达。

3.6 CUX1与其他肿瘤

有研究经分析证明了59例人胰岛素瘤的组织芯片中CUX1的表达与胰腺神经内分泌肿瘤的临床病理相关；研究表明内源性和重组CUX1的表达增加了胰腺神经内分泌肿瘤的增殖、生长、抗凋亡和血管生成的能力[27]。此外，研究发现CUX1在112例黑色素瘤组织中比24例内痣显著高表达，色素瘤细胞系验证了CUX1影响细胞周期和生长[46]。有研究还发现CUX1在胃癌耐药细胞中表达量和DNA结合活性明显降低，CUX1的表达量和DNA结合活性与细胞对药物的敏感性呈正相关[47]。有学者通过36例肝癌及癌旁组织的Western-blot及RT-PCR分析和136例标本中的免疫组化分析，证实在肝细胞癌组织中CUTL1mRNA及蛋白表达明显增加，而且CUX1在肿瘤多发、肿瘤直径大、有血管侵犯及高的Edmondson分级患者中明显表达增多[48]。

4 CUX1在肿瘤发生发展中的调控机制

CUX1在肿瘤发生发展的不同阶段扮演着抑癌和促癌的不同角色。虽然CUX1的单倍体失活促进白血病和乳腺癌发生，但是CUX1过表达却被证明促进乳腺癌、肺癌、胰腺癌和胶质瘤等恶性肿瘤的进展。结合CUX1的生物功能，CUX1调控肿瘤的机制有以下几个方面：（1）CUX1失活促进肿瘤发生，CUX1过表达促进肿瘤发展：有研究发现许多肿瘤组织和肿瘤细胞系表现出CUX1单倍体失活和剩余等位基因拷贝数的增加同时发生。这些表明在同一肿瘤细胞中，一个等位基因的缺失和另一个等位基因的扩增可以是相继发生的[7,34]。结合CUX1在乳腺癌和白血病的研究发现初始阶段CUX1作为单倍体失活的抑癌基因促进肿瘤的发生，后续阶段CUX1作为促癌基因促进肿瘤的发展[7,34-36]；（2）P110CUX1和P75CUX1作为重要的转录因子控制恶性肿瘤关键基因的表达：P75和P110CUX1通过结合相关基因特定的启动子区影响转录或者激活其他转录因子两种方式直接或间接调控关键基因的表达[18-19,22,24,26,57]；（3）P200CUX1特殊的CUT重复序列促进DNA损伤修复：CUX1增强DNA修复相关的酶活性，如OGG1和APE1[8,15]；（4）CUX1参与信号通路转导：肿瘤研究显示CUX1参与TGF-β通 路[28]， Wnt/β-catenin通 路[18-19,26,42-43]， PI3K/Akt通路[34,37,41]，Ras激活通路[15,40-41]等；（5）CUX1影响肿瘤微环境：抑制巨噬细胞释放趋化因子，促进血管生成，促进癌细胞和周围细胞释放分泌纤维生长因子1、肝细胞生长因子、肿瘤坏死因子和金属蛋白酶[39,44,58]。

5 小结与展望

随着研究的拓展和深入，CUX1蛋白及其亚型的表达可以用于鉴别诊断更多种肿瘤的恶性表型，而且CUX1有望成为多种恶性肿瘤诊断和治疗的新靶标。CUX1的调控机制独特，依赖于肿瘤发生发展的不同阶段。因此，CUX1为研究恶性癌症的发生发展过程提供了新的方向和思路，可以预测的是CUX1在不同肿瘤中的作用将成为新的研究热点和趋势。在未来的研究中更详细的CUX1上下游调控靶点和更多的肿瘤基础研究数据还有待证明。同时，推动CUX1相关临床研究的进展，早日获得循证医学的支持，才能福祉于肿瘤患者。