钴胺转运蛋白TCN1在结直肠肿瘤中的研究进展

2020-12-18朱信强侯道荣黄海龙蒋学通邢春根

腹部外科 2020年6期

朱信强，侯道荣，黄海龙，蒋学通，邢春根

(1.苏州大学附属第二医院普外科，江苏苏州 215004；2.徐州医科大学附属宿迁医院普外科，江苏宿迁 223800；3.南京医科大学附属动物研究重点实验室，江苏南京 211166)

结直肠癌(colorectal cancer,CRC)是全球最常见的恶性肿瘤之一[1-2]，结直肠上皮细胞中各种遗传和表观遗传变化的积累被认为是驱动CRC发生和发展的重要因素[3-4]。表观遗传变化被称为是基因表达的遗传性改变，它不受DNA序列变化的影响[5]。癌症表观遗传包括DNA甲基化、非编码RNA和组蛋白修饰等方面，其中研究最广泛的表观遗传改变是异常的DNA甲基化[6]。异常甲基化可以通过改变关键基因，尤其是抑癌基因的表达，影响其功能，从而参与CRC发生和发展的各个过程[7]。单碳代谢与异常的DNA甲基化中又存在诸多关联，维生素B12，或称钴胺素，是一种水溶性维生素，它是单碳代谢途径中的一种酶辅因子[8]，通过改变单碳代谢中的维生素B12的关键基TCN1(transcobalamin Ⅰ)，可进一步深入研究结直肠癌的发生机制。

一、单碳代谢在肿瘤生成中的作用

DNA序列及其甲基化位点组成了细胞中最重要的遗传信息实体，组蛋白的作用在于帮助DNA形成特定结构、稳定DNA，围绕着组蛋白的30多种修饰蛋白在基因表达的调控中也起到重要作用。组蛋白甲基化是表观遗传密码的重要组成部分，在调控基因表达的染色质状态的建立中起着重要的作用。组蛋白甲基转移酶(histone methyltransferases, HMTs)的活性依赖于叶酸和蛋氨酸循环产生S-腺苷蛋氨酸(S-adenosine methionine SAM)。SAM是甲基化反应的普遍甲基供体，包括组蛋白和DNA甲基化反应[9-11]。而SAM的水平会随着细胞营养有效性成份的高低而波动。单碳代谢是一种将环境中的营养状况整合起来，产生多种生物功能的代谢网络，为细胞代谢和组蛋白甲基化之间提供了联系，正常的“单碳单位”代谢对嘌呤等物质的合成是必需的。

近年研究认为,这一代谢过程的紊乱会促使肿瘤的发生，特别是结直肠肿瘤[12]。研究表明[13-14]，几个单碳代谢基因(CBS、FTHFD、SHMT1、TCN1和TYMS)的突变可能影响非霍奇金淋巴瘤(NHL)的易感性。“单碳单位”代谢至少涉及25种生物酶发挥作用，除叶酸外，还需要维生素B2、维生素B6、维生素B12等物质以辅酶的形式参与其中。各种营养物质在体内是联合发挥作用，而单个营养素的体内水平及活性有可能受到其他营养物质的调节。维生素B12相关基因TCN1是一种新的基因发现，研究发现[15]该基因与较差的记忆功能有关，是记忆表现的临床相关标志物。胎盘TCN1蛋白含量，与脐带血维生素B12浓度有关，间接反映维生素B12可能在向胎儿转运中发挥作用[16]，TCN1对维生素B12相关疾病的诊断和治疗具有重要意义。维生素B12水平的改变，扰乱了单碳代谢途径的稳态，导致DNA合成、蛋白质合成和甲基化的调控异常，这可能导致肿瘤发生，如胃癌、非小细胞肺癌、肝癌、胰腺癌、结直肠癌和乳腺癌等[17-20]。

二、关于钴胺转运蛋白TCN1的基础知识

TCN1是一种分子量为60～70 kD的蛋白，来自于粒细胞系[21-22]。TCN1基因(MIM 189905)位于染色体11 q11-q12☞3[23]，有9个外显子的59～191 bp和8 160个基点的内含子3☞2 kb,编码433个氨基酸的蛋白质[24-25]。该基因主要编码维生素B12转运蛋白——钴胺转运蛋白。该蛋白存在于人类血清和各种生物体液中[26]，可在血浆中与维生素B12特异性结合，并再与特异性受体结合，完成细胞对维生素B12的利用[8]。R黏合蛋白可以结合人体血浆中80%～94%的维生素B12，然后将这些结合好的维生素B12运送至空肠进行吸收和利用。众所周知，维生素B12在维持神经系统功能、造血和细胞代谢方面发挥着重要作用[17,26-27]。TCN1在通过胃时携带维生素B12，并在十二指肠中酶解释放维生素B12，随后在十二指肠中被内在因子(IF)结合。

三、TCN1基因研究现状

TCN1基因功能研究不多，为了探究TCN1在所有肿瘤类型中的表达，从Oncomine 数据库中共收集了433个不同类型的研究结果。结果表明TCN1在各种肿瘤中高表达，其中包含结直肠肿瘤。在Oncomine数据库中我们还发现，自2007年开始，共有8个研究涉及TCN1在结直肠癌组织和正常组织中的表达，共包括406个样本。文章分别发表于Cancer Research、PLoS One等。荟萃8个研究结果发现，与对照组相比，TCN1在结直肠癌中高表达(P<0.000 1)。基于GWAS对于维生素B12相关代谢基因的研究结果也表明，TCN1基因与胃肠癌的发生发展关系密切[28]，该基因对胃肠肿瘤发生发展的具体作用机制仍不清楚。

四、TCN1在肿瘤组织中的表达情况

细胞质和肿瘤组织中TCN1的上调均有报道，TCN1在一些恶性肿瘤中过表达，如肝细胞癌(HCC)和乳腺癌、肺癌和胃癌[17-18]。既往研究表明，肝癌或继发性肝转移病人血清TCN1水平和表达水平升高可能是由于肝内TCN1清除率降低所致[21,29]。另一方面，在其他实体恶性肿瘤中，TCN1的过表达被推测主要是肿瘤细胞自身合成了过多的TCN1，或粒细胞增多有关[18,21,30]。在一项基于6项研究的荟萃分析中，维生素B12的循环浓度与前列腺癌风险增加有关，而TCN1基因表达与前列腺癌风险呈负相关[OR=0.76;95%CI(0.55,1.05);P=0.10][31]。最近，一项基于生物信息学的研究表明，TCN1是正常组织和CRC组织分类的重要致癌基因[32]。然而，对其在结直肠癌中的表达以及该基因与临床相关性了解甚少。

五、TCN1促进多种肿瘤进展的现状

癌细胞等快速分裂的细胞需要某些维生素，包括维生素B12、叶酸、生物素和核黄素，以促进肿瘤生长和存活，对肿瘤细胞的转移起着至关重要的作用，这一点越来越清楚。通过对下咽鳞状细胞癌的新辅助化疗研究，发现在蛋白水平(P=0.013)和mRNA水平(P<0.001)上，新辅助化疗敏感病人的TCN1表达显著低于非敏感病人，说明低TCN1表达预示着更好的新辅助化疗反应[19]。此外，据报道[33-35]，癌症病人血清维生素B12和TCN1水平升高，与恶性血液病(如慢性髓系白血病和急性白血病)之间的关系已被很好地阐明，其发病机制涉及通过增殖粒细胞[21,29,36]释放TCN1，TCN1是Wnt/-连环蛋白通路的调控因子，可增强-连环蛋白靶基因的表达，导致癌症进展和预后恶化。在胃癌研究中，TCN1与胃癌分期、细胞分化、淋巴结转移、预后显著相关[37]。TCN1还与层黏连蛋白gamma2、金属蛋白酶7、金属蛋白酶14、cyclin D1、c-Met、CD44等靶基因的表达有关。TCN1增强基质凝胶的侵袭性和增殖能力，促进其在癌症侵袭性生物学行为中的作用。此外，TCN1而不是维生素B12被发现与胃癌的进展有更好的相关性[38]。TCN1是新的基因，但以前没有报道与结直肠癌相关，进一步的研究将有助于我们更好地了解其在结直肠癌中的作用。Chu等[32]最近通过微阵列Meta分析发现TCN1是一种与晚期CRC相关的显著表达基因，研究结果提供了进一步的证据，表明TCN1在肿瘤细胞中的表达状态比以前的研究更明显，提示TCN1是CRC疾病进展的标志物。在接受新辅助同步放化疗(concurrent chemoradiotherapy，CCRT) 的直肠癌病人中，TCN1过表达与治疗反应差、不良结局相关，证实了TCN1在接受CCRT治疗的直肠癌中具有潜在的预后价值[26]。TCN1对各种胃肠道肿瘤生存的影响，也各不相同(图1～图4)[39]，说明TCN1在不同实体肿瘤中的作用机制可能不完全相同。

六、结直肠肿瘤发生的机制研究

单碳营养物质(甲基供体)的膳食摄入和单碳代谢基因的种系变异，可能影响启动子CpG岛的全部DNA甲基化水平和甲基化。通过评估单碳代谢通路中的单核苷酸多态性(SNPs)与结直肠癌DNA甲基化状态之间的关系[40]，确定种系遗传变异和体细胞启动子CpG岛甲基化在结直肠癌中的可能联系。我们知道遗传和表观遗传改变在肿瘤发生中起重要作用[41-42]，饮食因素、遗传和表观遗传改变的共同影响，可导致结直肠癌的风险因素增加[43-44]。全基因组DNA甲基化，涉及重复的DNA元件，如LINE-1 (long interspersed nucleotide element-1)，通过激活转座DNA序列，在基因组不稳定性中发挥重要作用[45-46]，导致结直肠癌的发生[47-51]。相反，异常启动子CpG岛甲基化也可能通过沉默抑癌基因[41]促进结直肠癌的发生。有研究显示TCN2 776G等位基因[40]与结直肠癌中较高的基因启动子CpG岛甲基化有关，与结直肠癌的风险[52]增加有关，但与结直肠癌无关[53]。考虑到单碳代谢基因的重要生物学功能，研究结果表明，TCN2多态性可能是CRC的易感性因素[54]。然而，TCN1与癌症风险的关系很少被研究。需要更多的研究数据才能将钴胺转运蛋白与癌症发生联系起来。最近的一篇文献[55]报道从DNA甲基化谱和RNA测序微阵列数据中筛选出14个异常表达并受DNA甲基化调控的差异表达基因。在TCGA数据库中进一步验证了这些基因，并筛选了3个候选基因(SOX9、TCN1和TGFBI)，并证实了这些基因表达与DNA甲基化之间的相关性。ROC(receiver operating characteristic)结果表明，TCN1和TGFBI可作为CRC早期诊断的有效生物标志物。TCN1在结直肠肿瘤组织中是否和胃癌一样有同样的调控通路，以及对结直肠肿瘤的发生发展有何具体意义鲜有报道。