PAX基因与肿瘤

张伟伟，闫文姬 综述 戴广海 审校

PAX(homo sapiens paired box)基因家族编码一系列生长、发育调控相关转录因子，参与调控多个细胞内信号转导通路，在胚胎发育、组织器官形成、分化过程中起关键作用。PAX基因发挥作用具有时间性和空间性。在多种肿瘤中，发现PAX基因功能和结构异常，但其在肿瘤中的作用并未完全清楚。笔者阐述了PAX蛋白家族的一般背景，重点介绍了PAX1和PAX9蛋白在特定的细胞和组织中发育、成熟和肿瘤表达方面的作用。研究PAX参与调节的正常发育途径可能会揭示肿瘤中潜在的作用靶点，最终为新的抗癌治疗方法提供新的分子靶点和信号途径。

1 PAX基因

PAX基因名字的由来，是因PAX基因家族含有高度保守的128种氨基酸的DNA结合区——配对域(paired box)。配对域最早在果蝇生长发育基因中描述，而后在多种无脊椎动脉、脊椎动物中发现其同源物，且持续表达在发育过程中[1,2]。在PAX家族，除配对域外，通常还包括同源域(homeodomain，HD)和八肽域(octapeptide，OP)。在脊椎动物中，依据包含结构域不同进行分组：第一组PAX1、PAX9；第二组PAX2、PAX5、PAX8；第三组PAX3、PAX7；第四组PAX4、PAX6。PAX3、4、6、7包含一个完整的HD，PAX2、5和8包含一个部分HD，在除PAX4和6之外的所有PAX蛋白质中都存在OP[3]。

PAX基因家族的编码产物为核转录调控因子，对生物体生长、发育进行调控，在胚胎发育、器官形成过程中起重要作用[4,5]。PAX的异常激活与某些发育缺陷有关。

在器官发育成熟后，大多数PAX基因表达下调或缺失，但是在某些特定组织中，PAX基因的表达可持续到成年，或者再表达[6,7]。成年人组织中PAX基因的表达往往与干细胞的性质和组织修复有关，还取决于组织结构。虽然PAX在成人组织中的表达特征可能对这些组织中的特定细胞产生重要作用，但在许多情况下，它们在成人组织中的具体作用仍未明了。

由于其表达特征具有空间性和时间性，PAX基因表达异常可能因此破坏组织的稳态，并导致癌症等疾病。研究表明，PAX家族成员都与多种癌症有关[8]。通常存在PAX表达的肿瘤，大多来源于发育过程中需要PAX基因调控的组织。作为细胞增殖与分化状态之间的分子开关，PAX蛋白具有潜在的肿瘤蛋白的特性。既往多项研究发现，异常的PAX蛋白活性与不同恶性肿瘤的发生存在因果关系[9]。PAX蛋白与肿瘤之间的作用原理之一即是野生类型蛋白的表达水平不适当，这在许多肿瘤类型中起着重要作用，可以促进或抑制肿瘤的发生。

2 PAX基因在发育中的作用及与肿瘤的关系

2.1 PAX1 在胚胎发育时期，PAX1主要参与胸腺、骨骼及甲状旁腺生长、发育的相关调控[10,11]。PAX1基因可促进胸腺细胞成熟，胸腺上皮中PAX1的表达降低促进了正常T细胞成熟所需的胸腺微环境形成。研究发现，PAX1基因突变可抑制胸腺特异基因(glial cells missing 2，Gcm2)的表达，导致小鼠甲状旁腺和胸腺发育缺陷，揭示了PAX1在甲状旁腺及胸腺上皮细胞的分化、增殖过程中起关键作用[12]。此外，PAX1调控骨骼的形成，在生骨节细胞、肢芽发育期间表达，其突变可致小鼠肩带发育畸形。有学者将小鼠PAX1基因敲除后进行观察，发现在胚胎发育时期，小鼠脊柱发育异常，椎体变小，有关机制可能为PAX1调控了相关细胞的增殖[1，2]。

关于子宫颈癌的相关研究证实PAX1基因存在甲基化，其因甲基化表达沉默，推测其可能作为抑癌基因发挥作用。

Lai等[13]在2008年首次发现PAX1基因在子宫颈癌中存在甲基化异常。在宫颈癌组织中，检测PAX1基因甲基化率为94.4%，正常宫颈组织中甲基化率为0，相比具有统计学意义(P<0.0001)。检测高度鳞状上皮内病变(high-grade squamous intraepithelial lesion，HSIL)，鳞状细胞癌(squamous cell carcinoma，SCC)的PAX1水平，发现敏感度及特异度均优于HPV检测方法，可显著提高宫颈癌临床检出率，推测在宫颈癌的发生中PAX1基因甲基化具有重要作用[14]。对宫颈脱落细胞进行PAX1甲基化检测，宫颈癌的甲基化水平显著高于CINⅠ、Ⅱ、Ⅲ，随病情演变升高明显，具有更高的灵敏度和特异度[23]。在宫颈涂片中同时检测人类乳头瘤病毒(HPV)和PAX1甲基化状态，比单独检测提高了灵敏度[13]。相关作用机制研究认为，PAX1基因启动子区CpG岛甲基化与宫颈癌病变密切相关[13,15,16]。对宫颈癌相关基因(SFRP4、CNA、PAX1、CHFR、TSLCI、FHIT、PTEN)进行测定后发现，PAX1甲基化程度最高，且DNA甲基转移酶1(DNA methyltransferase 1，DNMT1)促进宫颈癌细胞PAX1甲基化[17]。Joosten等[18]对分化的人胚胎癌细胞Tera-2研究证实，PAX1可以作为转录因子激活PDGFRA 基因。在宫颈癌细胞HeLa、Caskia和SiH中，PAX1高表达是由于下调UHRF1基因导致组蛋白的去乙酰化，与PAX1基因启动子区甲基化无关[19]。

有研究报道，口腔癌与宫颈癌致癌分子机制存在一致性。感染HPV已经被证实在两种肿瘤发生、发展过程中发挥重要作用，因此推测口腔癌与宫颈癌可能存在相同的DNA甲基化标志物，研究发现通过检测PAX1基因甲基化，可预测口腔黏膜的癌变[20,21]。台湾的一项研究发现，通过刷取方法采集口腔黏膜细胞，检测PAX1基因甲基化情况，结果显示，口腔癌中PAX1甲基化率较高，其检测的灵敏度、特异性均高于80%，将其与其他易感因素，如吸烟、饮酒、食用槟榔等，联合起来评估致癌风险，对口腔癌的早发现、早诊断有积极作用。

目前，PAX1基因对宫颈癌、口腔癌的细胞增殖、凋亡、迁移等的影响及其作用机制研究还未完全明了，需进一步深入探讨。

2.2 PAX9 在哺乳动物的发育过程，PAX9基因在分化为面部、牙齿、肢体发育的间叶细胞中表达，对器官的形成发育进行调控[22]。对成熟小鼠进行研究发现，PAX9在多种器官存在表达，较常见的有舌头、口腔、食管的复层鳞状上皮，胸腺及甲状腺等器官[23-25]。PAX9主要表达于牙胚间充质组织细胞中，是胚胎期牙胚形成、发育过程中关键转录因子，发挥重要调控作用，敲除PAX9基因使其表达缺失，小鼠牙胚将停滞发育。人PAX9杂合子基因突变会导致先天性牙齿发育缺失。

研究显示，PAX9在多种肿瘤组织中异常表达，如PAX9在人口腔黏膜鳞状细胞癌、涎腺肿瘤中呈高表达[26]，而在食管鳞癌、黑色素瘤中呈低表达。

Gerber等[27]指出，PAX9在人食管上皮存在广泛表达，在大多数浸润性食管鳞癌中，PAX9表达明显降低或缺失，在食管鳞癌组织中其表达水平与肿瘤病理恶性程度负相关。对食管癌行全基因组测序显示，与食管腺癌对比后发现，在食管鱗状细胞癌中PAX9异常表达显著升高，食管鳞癌组织中PAX9的表达降低是术后患者不良预后的独立危险因素。PAX9载体转染到食管鳞癌细胞系TE-1后，细胞增殖和侵袭能力明显下降，对放射敏感性显著增高。推测PAX9是食管鱗癌的特异性基因型，对放疗敏感性、预后有重要价值[28]。

在口腔鳞状细胞癌细胞系中敲除PAX9基因使其表达缺失，可以看到凋亡相关蛋白PARP和caspase-3裂解增加，促凋亡相关蛋白Bax水平升高，抗凋亡相关蛋白Bcl-2水平降低，促进细胞凋亡，提示在口腔鳞癌中PAX9的作用为抗细胞凋亡[26]。而在肺癌组织中，PAX9也呈现高表达[29]。

有研究表明，PAX9在肺癌细胞表达降低，分析其原因，可能为炎性因子和血管内皮生长因子作用导致。在肺癌中，miR-31mi可直接靶向调控PAX9转录活性进而调控肺癌细胞的侵袭和增殖能力[30]。但有学者对肺癌进行研究得出的结论却不尽相同，利用shRNA敲降后沉默PAX9的表达，可降低肺癌细胞株的致癌性[29,31]。在非小细胞肺癌组织中PAX9蛋白及PAX9 mRNA 表达水平均较配对癌旁组织显著升高。非小细胞肺癌患者临床组织标本中，检测到PAX9蛋白表达与病理类型及临床分期有显著相关性，与患者年龄、性别、肿瘤大小及淋巴转移等临床特征无关。经统计学多因素COX回归模型分析非小细胞肺癌的相关危险因素，发现PAX9表达水平可作为评估其预后的独立危险因素[32]。

PAX9在膀胱尿路上皮癌中表达升高，可作为早期诊断膀胱尿路上皮癌的指标。同时发现TBX2协同PAX9在肿瘤的发生发展中发挥作用[33]。在子宫内膜样腺癌的研究中发现，临床分期、病理组织学分级、肿瘤浸润程度与PAX9表达水平相关[34]。

关于PAX9在肿瘤中的作用机制，已有多项研究证明PAX9参与Wnt、PI3K/AKT、BMP等多种细胞信号通路，受原癌基因c-myb的调控[27,35]。PAX9在不同的肿瘤作用机制不同。在肺癌细胞系中，发现PAX9与TTF1、NKX2-8相互协同促进肺癌细胞的增殖[31]。且其协同激活方式并不依赖EGFR或KRAS突变。激活PAX9与肿瘤细胞对顺铂化疗敏感性相关。

作为胚胎发育阶段重要的转录因子，在肿瘤的发生发展过程中，PAX基因仍起着重要作用。其中，PAX1和PAX9作为PAX家族中的一员，在脊椎动物中同源性高达98%，在脊椎、胸腺等器官的发育中起重要作用。且随着研究深入，逐渐发现其在多种肿瘤中表达异常，从而进一步影响肿瘤的生长、增殖及对化疗药物的敏感性，但其相关具体机制仍需深入研究。