锌指蛋白在基因转录翻译及肿瘤发生发展中的调控作用机制研究进展

李立方，仇丽，胡凯

1 天津医科大学肿瘤医院，国家肿瘤临床医学研究中心，天津市“肿瘤防治”重点实验室，天津市恶性肿瘤临床医学研究中心，天津 300060；2 南开大学医学院

转录因子（Transcription factors，TFs）指能够以序列特异性方式结合DNA，与RNA 聚合酶Ⅱ共同形成转录起始复合体，调节特定基因转录的蛋白质。1985 年，锌结合重复序列，首次在爪蟾卵母细胞TFIIIA 蛋白质中被发现。1988年，Frankel和Pabo定义了这类结构，即由保守的半胱氨酸（Cys）和（或）组氨酸（His）残基组成的相对独立区域，该类区域能够与Zn2+结合，并通过β 折叠和α 螺旋形成稳定的“手指”状结构，顾称为“锌指（zinc finger）”［1］。锌指序列普遍存在于高等生物中，人体1 000多种蛋白质中可能有超过15 000种锌指序列及类似结构存在。锌指结构是由20～30 个氨基酸组成的锌结合重复序列，最初被认为可序列特异性地识别特定DNA 序列。后来研究逐渐发现，锌指结构还有很多其他的重要功能，如结合RNA、蛋白质和脂类等。根据与Zn2+结合的保守Cys 和His残基的组合不同，人们把锌指结构分为C2H2、C2HC、C3H、C4、C3HC4、C4HC3、C6、C8 以及联合型等多种类型［2］。锌指蛋白（Zinc-finger proteins，ZNFs）家族是真核高级生物中最大的转录因子家族，ZNFs 在结合对象、结合模式及亲和性等方面的多样性，造成了ZNFs功能的多样性。不同锌指结构的组合使ZNFs在不同细胞状态、刺激情况下的基因调控作用各不相同，参与细胞分化、细胞凋亡、自噬、干细胞维持及人体新陈代谢等生物过程。最新研究认为，ZNFs 在肿瘤的发生、发展中发挥重要作用。在不同肿瘤类型甚至同一肿瘤不同亚型中，ZNFs 发挥的调控作用机制仍不相同。现将ZNFs 在基因转录翻译及肿瘤发生发展中的调控作用机制最新研究进展综述如下。

1 ZNFs在基因转录翻译中的调控作用机制

ZNFs 可能通过调控基因转录、翻译过程，参与肿瘤的发生发展。ZNFs 可通过不同的功能性结构域、反式调控原件参与下游靶基因的转录调控，ZNFs可通招募不同的染色体修饰因子、与不同伙伴蛋白相互作用抑制或促进基因的转录。

1.1 ZNFs 在基因转录中的调控作用机制 C2H2型锌指结构由CX2CX3FX5LX2HX3H 组成，并且其中的两个半胱氨酸和两个组氨酸残基折叠成一个手指状结构，这个结构与锌原子相互作用后构成一个双链反平行的β 折叠和一个α 螺旋。研究证实，两个或三个连续的C2H2锌指是最稳固的结合DNA 的单位［3］。C2H2 型锌指结构是所有锌指结构类型中最大的一类，约占人类基因组的2%。C2H2 ZNFs家族中一共有五千多个成员。

不同的功能性结构域，是ZNFs发挥不同功能的必要因素之一。C2H2 ZNFs中常包含其他的功能性结构域，例如：BTB（Broad-complex，tramtrack，and bric-a-brac）/POZ（Poxvirus and zinc finger）、Krüppelassociated box（KRAB）、SCAN（SRE-ZBP，CTfin51，AW-1 和Number 18 cDNA）结构域，这些功能性结构域可通过调控转录因子、细胞中其他组分的相互作用，控制亚细胞定位、DNA 结合以及相关基因表达。ZNFs GATA-1结构域可以和Fli-1、Sp1、EKLF 和PU.1等转录因子相互作用，发挥调控功能［4］。

ZNFs 的不同反式调控原件，在ZNFs 参与基因转录调控过程中发挥重要作用。GC-rich 或GT-rich序列是C2H2 ZNFs 的反式调控原件。因此，ZNFs 可通过招募不同染色体修饰因子，对多种多样的下游靶基因发挥调控作用。ZNFs 可通过招募共同抑制因子（co-repressors）从而发挥转录抑制因子的作用。例如，ZNF217被发现通过与包括CoREST，赖氨酸去甲基化酶1（LSD1）、组蛋白去乙酰化酶（HDAC）和C-端结合蛋白（CtBP）相互作用，抑制基因的转录。另一方面，ZNFs 与包括CBP/p300、C/EBP 在内的共同激活因子相互作用，发挥转录激活因子的作用［5］。

ZNFs 能够通过和不同的伙伴蛋白结合而发挥不同的转录调控功能。Fli-1 作为Ets 转录激活因子家族的成员之一，可通过与GATA-1 结合，在转录水平协同合作，激活包括GPIX 和GPIbalpha 在内的巨核细胞特异性基因的表达［4］。与此相反，其他的Ets家组成员与PU.1结合后，可抑制GATA-1与DNA 结合的能力，抑制干细胞向红细胞系的分化［6］。ZEB1可作为一个分化相关基因的转录抑制因子，与YAP相互作用后，可作为共同转录激活因子，转录激活一些常见的ZEB 1/YAP 复合物靶基因，导致侵袭性的癌症表型的发生。

1.2 ZNFs 自身化学修饰在基因转录中的调控作用机制 乙酰化和磷酸化是ZNFs 自身主要的翻译后修饰，对ZNFs参与转录激活还是抑制增加了另一个调控的层面和水平。ZNFs 的乙酰化可影响ZNFs 与染色体的结合能力，进而影响其发挥转录调控作用。GATA-1，是一个包含2 个高度保守锌指结构的转录因子，被发现位于其C 末端的锌指旁的赖氨酸残基能够被乙酰转移酶CBP 和p300 乙酰化。GATA-1 的乙酰化能够稳固其与染色体的相互作用，这可能是由于促进了其与包括溴结构域蛋白（Brd）的相互作用［7］。同样，红系Krüppel-like因子（EKLF）能够被CBP 和p300 在其锌指结构附近的第288、302位赖氨酸残基上乙酰化。288 位赖氨酸乙酰化的EKLF 能够通过招募包含SWI/SNF 染色体重塑蛋白和组蛋白3.3在内的红系复合物（erythroid complex，ERC-1），从而反式激活β-globin 的表达［8］。同时，ZNF YY1，能够被p300/CBP 相关因子（p300/CBP associated factor，PCAF）在锌指结构乙酰化，从而抑制其与DNA 的结合能力。YY1 的核心甘氨酸-赖氨酸区域被p300和PCAF介导的乙酰化在并没有影响其与DNA 的结合的情况下能够完全抑制靶基因的转录。

ZNFs 的磷酸化，是使其在有丝分裂时期保持远离DNA 的一个高度协调性的机制之一。ZNFs 的丝氨酸或苏氨酸残基均可以被磷酸化。

2 ZNFs在肿瘤发生发展中的调控作用机制

不同肿瘤类型甚至是同一肿瘤不同亚型中，ZNFs发挥作用的分子调控作用机制各不相同，进而在肿瘤的发生发展中发挥促进或抑制作用。

2.1 ZNFs 在促进肿瘤发生发展中的作用机制 ZKSCAN3、ZNF322A 及ZNF304 等ZNFs 可通过促进周期蛋白D2、周期蛋白D1、整合素β1的表达等途径，促进肿瘤细胞的增殖、转移。ZNF139、ZFX、ZEB1、ZNF395 等ZNFs 的过表达，可促进肿瘤的转移和侵袭。

2.1.1 ZKSCAN3 侵袭性的结直肠癌组织中常见ZKSCAN3（也称ZNF306 或ZNF309）的基因扩增和过表达。我们前期研究发现，在结直肠癌细胞中敲除ZKSCAN3 后能够抑制原位瘤的生长和锚着非依赖的细胞生长，ZKSCAN3过表达则得到了相反的效果。为了识别ZKSCAN3的下游靶基因，作者进一步制作表达芯片，识别了一些与生长、细胞转移、血管生成和蛋白质水解相关的靶基因。最终发现，ZKSCAN3 能够转录激活整合素β4 和血管内皮生长因子，这都参与了ZKSCAN3介导的结直肠癌的肿瘤发生。除此之外，ZKSCAN3也被发现在多发性骨髓瘤和前列腺癌中存在基因扩增和过表达。ZKSCAN3的过表达能够通过转录激活周期蛋白D2的表达，从而增强细胞的增殖能力［9］。利用宫颈癌、结肠癌、神经母细胞瘤和卵巢癌模型，研究发现ZKSCAN3在自噬中也发挥重要的作用。CHAUHAN 等［10］研究证实，ZKSCAN3 在血清的刺激下，能够进入细胞核并且作为一个主要的转录抑制因子，抑制一群包括Map1lC3b和Wipi2在内的与自噬和溶酶体生物合成密切相关的基因。ZKSCAN3 别在不同肿瘤细胞类型中的不同通路中均证实了ZKSCAN3 的促进肿瘤转移和肿瘤细胞的增殖。

2.1.2 ZNF322A ZNF322A（也被称为ZNF388 或ZNF489）蛋白由11 个C2H2 锌指结构串联重复序列组成。ZNF322A作为一个癌基因，其residing区域在亚洲和白种人的肺癌病人中是基因扩增的。ZNF322A 在肺癌中能够转录激活周期蛋白D1 和内收蛋白并且抑制p53，从而促进肿瘤细胞的增殖、转移和侵袭。多变量Cox 回归分析结果［11］指出，ZNF322A 在肺癌患者中，是不良预后的一个独立风险因子。ZNF322A的小鼠同系物Zfp322a，是参与维持小鼠胚胎干细胞（mouse embryonic stem cell，mESC）的自我更新和多潜能的转录网络的一个至关重要的成员。Zfp322a 能够通过转录激活Oct4 和Nanog 的表达，从而促进OKSM（Oct4，Klf4，Sox2，c-Myc）诱导的小鼠胚胎成纤维细胞向mESC的重编程过程。

2.1.3 ZNF304 ZNF304 最初在2002 年被报道包含一个KRAB区域和13个C2H2锌指结构。ZNF304通过招募包括DNA甲基转移酶（DNA methyltransferase，DNMT）在内的共同转录抑制复合物，从而在抑制p14ARF、p15INK4B、p16INK4A等肿瘤抑制因子中发挥关键的作用。除此之外，对卵巢癌的肿瘤基因组改变数据库进行全面的生物信息学分析以及实验证据均揭露了ZNF304 和卵巢癌转移的关系。作者证实，ZNF304 能够转录激活整合素β1 的表达，继而激活Src/黏着斑激酶和桩蛋白最终抑制了失巢凋亡。作者利用一种双重组装的ZNF304 siRNA纳米颗粒，成功维持了ZNF304的沉默，从而提高了失巢凋亡并且减慢了卵巢肿瘤在原位肿瘤小鼠模型中的生长［12］。

2.1.4 ZNF139 ZNF139 在胃癌组织中高度过表达。ZNF139 的过表达是胃癌患者的一个独立预后因子。ZNF139 能上调Survivin、x-IAP 和Bcl-2 的表达，下调Caspase-3 和Bax 的表达，促进肿瘤细胞的增殖，抑制肿瘤细胞的凋亡。ZNF139可通过促进胃癌组织MMP-2、MMP-9 和ICAM-1 的表达，抑制癌组织TIMP-1 的表达，促进肿瘤的转移和侵袭［13］。同时，ZNF139能够通过增强MDR-1/P-gp，MRP1 和Bcl-2 的表达，抑制Bax 的表达，进而促进肿瘤对多种抗癌药物的抵抗［14］。

2.1.5 ZFX（X-linked）ZFX 的过表达被证实能够促进细胞的生长和转移在不同的肿瘤中，包括：喉部鳞状细胞癌、胶质瘤、非小细胞肺癌、胃癌、口腔鳞状细胞癌、胆囊癌和乳腺癌。ZFX 在肝细胞癌中能够通过激活Nanog 和SOX2的表达，增强肝癌细胞的自我更新能力，提高癌细胞对化疗药物的耐药性。FANG 等［15］研究证实，ZFX 能够转录上调c-Myc 的表达从而促进神经胶质瘤干细胞的维持。癌基因ZNFs 在肿瘤中的靶向治疗中具有巨大潜能，利用siRNA oligo 或者药物治疗来抑制ZFX，抑制癌症的病情发展。ZEB1 是一个与上皮—间质转化（EMT）密切相关的转录因子，在乳腺癌、肺癌、胰腺癌和前列腺癌等癌症中发挥重要作用。ZEB1 在癌细胞中的表达，受到TGF-β 和血小板驱使的生长因子受体-α 等信号诱导后升高［18］。作为一个EMT 的激活因子，表达升高的ZEB1 可以与E 钙粘附素、细胞极性因子等包含E-boxes的下游靶基因结合，招募共同抑制因子CtBP 或SWI/SNF 染色体重塑蛋白BRG1，抑制基因的转录。同时，ZEB1 能通过招募p300 和P/CAF 共同激活因子，转录激活一些与TGF-β/BMP信号通路相关基因的表达。除了在EMT 中的作用，进一步研究发现，非小细胞肺癌组织中存在ZEB1过表达，导致E钙粘附素表达上调，该过程的发生可能与EMT 相关的获得性抵抗上皮生长因子受体—酪氨酸激酶抑制剂（EGFR-TKI）有关。YOSHIDA等［17］证实，抑制ZEB1 的表达能够抑制肿瘤细胞对EGFR-TKI 的敏感性，说明ZEB1 可能是治疗EGFRTKI 抵抗肿瘤的潜在靶向分子。我们前期研究［18］发现，ZEB1 在乳腺癌细胞中的过表达能够招募Sp1 到VEGFA 启动子区，激活VEGFA 的表达和分泌，促进体内和体外的血管生成。

2.1.6 ZNF395 ZNF395 是新发现的一个促炎促癌转录因子。ZNF395 在Ewing 瘤、骨肉瘤和肾细胞癌等肿瘤组织中均存在过表达。ZNF395 的表达在Glioblastoma、神经母细胞瘤和皮肤癌中可受低氧压力的诱导。低氧诱导的ZNF395 能够在转录水平上调肿瘤相关的基因和干扰素刺激基因，例如：在IKK通路上调控IFIT1/ISG56、IFI44和IFI16［19］。

2.2 ZNFs在抑制肿瘤发生发展中的作用机制ZNF545、ZNF24、ZNF668、ZHX1、ZNF395、Kaiso等ZNFs能够作为肿瘤抑制因子参与肿瘤的发生发展。

2.2.1 ZNF545 肿瘤细胞中启动子区的高甲基化，可导致ZNF545 低表达，低表达的ZNF545 可通过抑制溶酶体的生物合成和抑制NF-kB 和AP-1 信号通路，诱导鼻咽癌、食管癌、肺癌、胃癌、结肠癌和乳腺癌等肿瘤细胞的凋亡［20］。肿瘤细胞启动子区的高甲基化还可抑制的ZNFs 就是ZNF331，也被称为ZNF361 或ZNF463。低表达的ZNF331 能够下调DSTN，、EIF5A、GARS、DDX5、STAM、UQCRFS1、SET等基因的表达，抑制肿瘤细胞的生长；同时，低表达的ZNF331 可通过下调DSTN、ACTR3 等基因的表达，抑制肿瘤细胞的转移和侵袭［21］。

2.2.2 ZNF24 ZNF24（也称为ZNF191 或Kox17）的C端包含4个Krüppel C2H2锌指结构作为DNA的结合区域。ZNF24 在胃癌、乳腺癌等肿瘤中均可发挥抑癌作用。ZNF24 通过结合VEGF 的邻近启动子区而抑制VEGF 的表达，抑制血管生成，在乳腺癌组织中阴性调控肿瘤的生长。对人类乳腺癌的临床研究［22］证实，肿瘤组织中ZNF24 和VEGF 表达呈负相关性，ZNF24在乳腺癌组织中可通过抑制血管生成，发挥其抗肿瘤形成的作用。胃癌组织中表达上调的miR940，能够靶向作用于ZNF24，从而促进胃癌的转移、侵袭［23］。

2.2.3 ZNF668 ZNF668 是Krüppel C2H2 ZNFs 家族的成员之一，拥有16 个C2H2 锌指结构。乳腺癌组织中，ZNF668可抑制MDM2介导的泛素化和蛋白质降解，促进p53 的稳定和激活［24］。ZNF668 在受到离子辐射后，能够与Tip60相互作用，增强H2A.X的高乙酰化，促进RPA 的磷酸化及后续招募到UV 损伤后的DNA 损伤位点，导致染色体的松弛，促进DNA 修复蛋白的附着［25］。我们前期研究［26］发现，Krüppel家族C2H2 型ZNF ZNF516，能够和CtBP/LSD1/CoREST 复合物相互作用，靶向识别位于EGFR 基因的5’端区域的保守序列CCTCC，抑制EGFR的转录，抑制乳腺癌细胞的增殖、侵袭，同时在体内能够抑制乳腺癌的原位生长和转移。

2.2.4 ZHX1（Zinc-fingers and homeoboxes-1）ZHX1 包含2 个C2H2 锌指结构和5 个同源域。ZHX1 的表达重建能够抑制胃癌的发生发展，在胃癌治疗中应用前景较好。ZHX1 能够下调周期蛋白D1 和E 的表达，诱导细胞周期停滞于G1/S 期，同时抑制细胞Bcl2表达、促进Bax及cleaved Caspase-3的表达，促进肿瘤细胞的凋亡［27］。肝细胞癌、胃癌组织中ZHX1 表达下调。最新研究［28］发现，miR-199a-3p能够靶向作用于ZHX1，协同促进抑癌基因的RNA降解，促进胃癌细胞的增殖、抑制胃癌细胞的凋亡。

2.2.5 ZNF395 ZNF395 在肝癌组织中发挥肿瘤抑制作用。肝癌组织中过表达的miR-525-3p，能够靶向抑制ZNF395 的表达，促进肿瘤细胞的转移和侵袭。临床分析也进一步证实，肝癌组织中miR-525-3p 和ZNF395 的表达呈负相关关系［29］。结合之前报道的ZNF395 在Ewing 瘤、骨肉瘤和肾细胞癌中发挥促癌作用，说明ZNF395 可能在不同的肿瘤类型中作用不同。

2.2.6 Kaiso Kaiso 也称为ZNF348 或ZBTB33，属于ZNFs 的BTB/POZ 亚家族。Kaiso 的锌指结构能够结合序列特异的或者甲基化-CpG 的DNA，且其N端POZ 区能够帮助其与染色体共抑制因子形成同源或异源二聚体，例如核受体共抑制因子Ⅰ。通过招募染色体共抑制因子，Kaiso能抑制下游靶基因的表达。最初，Kaiso 被认为是一种肿瘤抑制因子，能够序列特异地或甲基化-CpG 特异地转录抑制原癌基因地表达。例如在乳腺癌和结肠癌组织中Kaiso能够序列特异地或甲基化-CpG 特异地结合到CCND1 基因启动子区，抑制周期蛋白D1 表达［30］。但近年来，越来越多的研究证实Kaiso在不同癌症中同时发挥原癌基因的作用。三阴性乳腺癌组织中高表达的Kaiso 能上调Vimentin、Slug 和ZEB1 等EMT基因表达，促进TGF-β 介导的肿瘤转移［31］。前列腺癌组织中高表达的Kaiso 能通过甲基化-CpG 特异性抑制miR-31 表达，促进肿瘤细胞的转移和侵袭［32］。乳腺癌和结直肠癌组织中，Kaiso可靶向作用于甲基化的HIF1A 启动子区，通过转录抑制HIF-1α 的表达［33］。因此，Kaiso 可能是一种多能ZNFs，在不同肿瘤组织中功能不同。

综上所述，ZNFs 可通过自身被磷酸化、乙酰化等翻译后修饰手段、不同的锌指结构、招募染色体修饰因子及相互作用蛋白等途径，调控基因的转录、翻译。ZNFs 可通过多种途径，促进/抑制肿瘤的发生发展。ZKSCAN3、ZNF322A 及ZNF304 等ZNFs 可通过促进周期蛋白D2、周期蛋白D1、整合素β1的表达等途径，促进结直肠癌、肺癌及卵巢癌、胃癌等肿瘤细胞的增殖；ZNF139、ZFX、ZEB1、ZNF395 等ZNFs的过表达可促进胃癌、肝癌、Ewing 瘤等肿瘤的转移和侵袭。ZNF545、ZNF24、ZNF668、ZHX1、ZNF395、Kaiso 等ZNFs 能够作为肿瘤抑制因子参与肿瘤的发生发展。