C2H2型锌指蛋白在肿瘤基因调控中的研究进展

韩小暖, 陈浩暘, 张 忠, 薄 威

(1. 中国医科大学附属盛京医院 第一分娩室, 辽宁 沈阳, 110000; 2. 沈阳医学院病理教研室, 辽宁 沈阳, 110032)

转录因子对于基因调控表达起着重要作用，并且参与多种生物进程，包括调节细胞分化、发育、代谢和自噬等多种生物进程[1-5]。根据与DNA结合方式的不同，转录因子可分为经典锌指结构、同源结构域和螺旋-环-螺旋结构[6-8]。其中，经典锌指结构由人类2%的基因编码，形成了最具有序列特异性DNA结合蛋白构象[9-10]。锌指蛋白在非洲爪蟾的卵细胞中首次被发现，随后成为各国学者研究[11-12]热点，其类型包括C2H2型、塞结状、高音谱号、带状、Zn2/Cys6型、类TAZ2型、锌离子结合短环和金属硫蛋白8种不同类型的锌指折叠群。由于锌指蛋白保守结构域存在差异，所以又可将其分为3个类群: C2H2型(Krüppel相关型)、C4型和C6型[13]。这些不同类型锌指基序表现出不同生物功能，以往研究[14]更多关注锌指结构和DNA的相互作用。最近研究[15]显示，除与DNA存在相互作用外，锌指结构还与RNA、蛋白质存在相互作用。锌指蛋白通过与多种锌指基序的不同组合在细胞基因调控中起着不同作用。作者主要探讨C2H2型锌指蛋白在基因调控中的作用机制及其在不同恶性肿瘤进程中的作用。

1 锌指蛋白的转录调控

C2H2型锌指蛋白家族共有5 926个成员，是所有锌指序类中最大的一类[16-17]。C2H2型锌指结构由CX2CX3FX5LX2HX3H 组成，半胱氨酸和组氨酸残基在与锌离子的相互作用后，会折叠成一个手指状结构，其中包括2个反向平行的β折叠和一个α 螺旋结构[18]。研究表明，连续的2～3个C2H2型锌指模体结构与DNA结合的程度最高。另外，丰富的GC和GT碱基序列可以作为C2H2型锌指蛋白的顺式作用元件，例如，CTGGCAGCGC碱基序列为转录因子小尾寒羊特异性蛋白1(SP1)激活BRK1蛋白表达的共有结合元件[19]。C2H2型锌指蛋白其他功能域(如痘病毒和锌指功能域、Krüppel相关的功能域)可能通过选择性结合转录因子或与其他细胞结构结合来控制亚细胞的定位、DNA结合以及基因表达。例如，锌指蛋白球蛋白转录调节因子-1(GATA-1)被报道可与弗里德白血病病毒插入位点1(Fli-1)、SP1、红系分化特异转录因子(EKLF)和转录因子1(PU1)蛋白结合，促进蛋白之间的相互作用，进而执行不同的生物功能[20-21]。有些锌指蛋白在转录水平上作用可能是相反的，例如糖蛋白家族GPIX和GPIpalpha等巨噬细胞特异性基因在转录水平上可激活Ets家族成员GATA-1和Fli-1, 但与Ets家族成员另一个成员PU1结合后就会阻断GATA-1 的激活。此外，锌指蛋白对多种下游基因也具有不同的调控机制，一些锌指蛋白通过结合特异性受体可抑制下游基因表达，如锌指蛋白217(ZNF217)通过结合赖氨酸去甲基酶1、组蛋白去乙酰化酶2和C端结合蛋白等抑制下游基因表达[22-23]。一些锌指蛋白可通过与组蛋白乙酰转移酶CBP/P300和C/EBP等激活剂相互作用而发挥转录激活因子的作用，以上研究[24]表明锌指蛋白在转录调控中起着重要作用。

2 锌指蛋白翻译后修饰

锌指蛋白通过乙酰化或者磷酸化作用参与翻译后修饰，这种调节方式可以增强锌指蛋白转录激活或者抑制翻译后调节[25]。GATA-1是一种含有2个高度保守的锌指基序的转录因子，乙酰化后可与染色质稳定结合，促进蛋白质相互作用[26]。带有GATA-1的红细胞的Kruppel样因子(EKLF)乙酰化后可先激活含有SWI/SNF染色质重塑蛋白和红细胞复合物-1(ERC-1), 进而激活β-球蛋白的表达。C2H2锌指蛋白YY1可被P300/CBP相关因子(PCAF)乙酰化，乙酰化的YY1与DNA的结合能力受到了抑制。富含甘氨酸和赖氨酸的YY1被乙酰化后，与靶基因的转录功能会完全被抑制但不会影响其与DNA结合的能力[27]。

研究[28]发现，一些锌指蛋白包括Ikaros、Sp1和YY1在有丝分裂过程中在其连接肽的苏氨酸/丝氨酸残基上被高度磷酸化，因此失去了与DNA结合能力。COWGER J J 等[29]针对磷酸化连接肽(TGEKP)制备了相应的抗体，结果显示, 80%的C2H2型锌指蛋白中的50%连接肽都会被磷酸化，这表明在有丝分裂过程中磷酸化是抑制锌指蛋白与DNA 结合的重要因素。

3 锌指蛋白在促癌中的作用

最近研究[30]表明, C2H2 型锌指蛋白的过表达在一些类型的肿瘤中起促进作用，如锌指蛋白ZKSCAN3在结直肠癌中出现了明显的扩增和过表达; 结直肠癌的癌细胞敲除ZKSCAN3后发现，锚定非依赖性生长和原位肿瘤的生长均受到了显著的抑制，而ZKSCAN3的过表达则产生相反效果，进一步研究[31]证实, ZKSCAN3转录通过激活整合素β4和血管内皮生长因子在结直肠癌的发生中起重要作用。此外，研究还发现，过表达的ZKSCAN3在多发性骨髓瘤和前列腺癌中通过激活细胞周期蛋白D2(CCND2)的表达来促进肿瘤细胞增殖。

锌指蛋白322A(ZNF322A)是包含11个串联重复序列的C2H2锌指蛋白[32]。1998年，研究对居住于亚洲中部和高加索地区的肺癌患者进行了基因筛查并发现，肺癌患者组织切片中ZNF322A出现了明显的过表达，因此ZNF322A首先被认为与肿瘤相关。之后该研究团队进一步发现, ZNF322A在肺癌中通过转录激活细胞周期蛋白D1和内收蛋白而抑制p53从而促进细胞增殖、迁移和侵袭。多变量Cox回归分析提示, ZNF322A是肺癌患者不良预后的独立危险因素。另外, ZNF322A小鼠种间同源基因Zfp322a也有相关报道。Zfp322a在维持小鼠胚胎干细胞的自我更新和全能性方面起着重要作用。研究[33]发现, Zfp322a通过转录激活转录因子Oct4和胚胎干细胞关键蛋白的表达促进OKSM (Oct4、Klf4、Sox2、c-Myc)诱导小鼠胚胎成纤维细胞转变为胚胎干细胞。

锌指蛋白ZNF304(ZNF304)在2002年首次被报道, ZNF304包含一个KRAB结构域和13个C2H2锌指结构基序。ZNF304通过募集包括DNA甲基转移酶DNMT1在内的转录抑制因子复合物，在沉默p14ARF、p15INK4B 和p16INK4A等肿瘤抑制因子方面发挥关键作用[34]。此外，研究对肿瘤基因组图谱和卵巢癌数据集的整合生物信息学进行分析，之后通过细胞学实验验证了ZNF304和卵巢癌转移间的联系。进一步研究ZNF304和卵巢癌间的具体作用机制结果表明, ZNF304可激活Src/focal局灶性黏附激酶和靶蛋白，最终阻止卵巢凋亡，该实验在小鼠模型中也得到了成功验证[35]。

GAMSJAEGER R等[36]在对胃癌患者的研究中发现，锌指蛋白ZNF139(ZNF139)明显过表达。Cox生存分析显示, ZNF139过表达是胃癌发生的独立危险因素。研究还发现, ZNF139通过上调生存素(Survivin)、X连锁凋亡抑制蛋白(x-IAP)和凋亡相关基因Bcl-2的表达和下调半胱氨酸蛋白酶-3(Caspase-3)和凋亡相关因子Bax的表达促进细胞增殖和抑制细胞凋亡。

锌指蛋白ZFX已被证实在多种肿瘤细胞中能够促进细胞生长和转移。研究[37]还发现, ZFX通过转录激活干细胞标志物Nanog和SOX2的表达在肝细胞癌中获得自我更新特性和化学抗性。SENGUPTA T等[38]发现, ZFX通过转录上调原癌基因c-Myc的表达诱导胶质瘤干细胞的特异性。在细胞学实验中用小干扰核糖核酸(siRNA)低聚核苷酸抑制ZNF表达后可减缓癌症恶化进程，表明ZFX在治疗癌症中具有潜在应用前景。

4 锌指蛋白在抑癌中的作用

锌指蛋白不但在促进癌症基因表达方面起作用，一些锌指蛋白也被发现可抑制癌基因表达，如鼻咽癌、食道癌、肺癌、胃癌、结肠癌和乳腺癌。锌指蛋白ZNF545(ZNF545)通过诱导细胞凋亡和抑制NF-kB和AP-1的表达充当肿瘤抑制因子。此外，甲基化作用递减的5个CpG位点可以用来预测胃癌患者的生存情况，即携带高甲基化的CpG位点的患者存活率下降[39]。锌指蛋白ZNF331(ZNF331)是一种高度甲基化的灭活锌指蛋白，其过表达可下调肌动蛋白解聚因子家族成员DSTN、EIF5A、GARS、DDX5、STAM、UQCRFS1和SET的基因来抑制肿瘤细胞生长，并通过下调DSTN和ACTR3基因来抑制肿瘤细胞迁移和侵袭[40]。乳腺癌研究证实，锌指蛋白ZNF24(ZNF24)和血管生成因子(VEGF)间存在负相关作用, ZNF24通过抑制血管生成来抑制乳腺癌的发生[41]。一项最新研究[42]显示，微小核糖核酸94(miR94)在胃癌中的过表达会抑制ZNF24表达，进而促进胃癌细胞的迁移和侵袭。另一种抑制肿瘤细胞生长的锌指蛋白668(ZNF668)是Krippel C2H2锌指蛋白家族的一员，拥有16个C2H2型锌指。ZNF668通过抑制鼠双微体MDM2基因泛素化，促进p53在乳腺癌中的表达，达到抑癌作用。

5 锌指蛋白在肿瘤中的双重作用

以往研究[43]表明，锌指蛋白395(ZNF395)的过表达可促进肿瘤的发生，例如ZNF395在尤因肉瘤、骨肉瘤和肾细胞癌中过度表达。在乳腺癌中, ZNF395在低氧条件下通过干扰素刺激基因IFIT1、ISG56、IFI44、IFI16和 IKK 诱发ZNF395上调刺激促癌基因表达和干扰抑癌基因表达，这表明ZNF395作为转录因子促进了肿瘤的发生和进展。然而，最近研究[44-45]表明, ZNF395在肝癌发生中起着抑制作用。miR-525-3p的过表达可促进肝癌细胞迁移, ZNF395可以抑制miR-525-3p的表达，从而抑制肝癌的发生。以上研究结果表明, ZNF395可能在不同类型的癌症类型中发挥不同作用。

锌指蛋白Kaiso也被称为ZNF348或ZBTB33, 属于ZNFs的BTB/POZ亚家族[46]。Kaiso最初被认为是一种与甲基CpG特异性结合后抑制致癌基因转录的抑癌基因，可以与锌指基序或甲基CpG DNA结合, N端POZ结构域可以协助同源二聚体或异源二聚体与染色质共抑制因子结合(包括核受体共抑制因子)。通过加入染色质共抑制因子, Kaiso抑制下游基因表达进而达到抑癌的目的。目前，越来越多的研究[47]表明，Kaiso在促癌中也起着重要的作用，例如研究指出Kaiso在乳腺癌和结肠癌中与细胞周期蛋白基因CCND1启动子序列结合后表达cyclin D1; Kaiso在三阴性乳腺癌中呈高表达，并通过上调上皮间质(EMT)表达蛋白Vimentin、Slug和ZEB1等多个EMT基因参与肿瘤坏死因子TGF-β介导的转移; Kaiso在前列腺癌中的高表达主要通过转录抑制miR-31以及甲基CpG特异性方式表达来促进细胞迁移和侵袭。综上所述, Kaiso是一种在不同的细胞类型中对不同刺激反应起不同作用的多功能锌指蛋白。

6 小 结

目前，锌指类蛋白的研究主要集中在进一步确定与基因表达和调控密切相关的锌指蛋白，这些锌指蛋白在转录水平上调节下游基因的增殖、凋亡、侵袭和转移，在癌症进展中起重要作用。越来越多研究集中在C2H2锌指蛋白转录调控的潜在机制，但学者们的研究结果仍存在矛盾。现在不同国家的学者关于C2H2型锌指蛋白在肿瘤细胞的研究中共同结论是，其在肿瘤细胞的不同层次都具有调节功能。

本文总结了C2H2型锌指蛋白在肿瘤发生、发展过程中的调控作用。首先，锌指蛋白通过乙酰化或者磷酸化作用参与翻译后修饰，这种调节方式可以增加锌指蛋白转录激活或者抑制翻译后调节。其次，在不同蛋白质结构域或与各种翻译后调节形式结合使锌指蛋白质募集不同的相互作用蛋白质，包括转录共激活因子、转录抑制因子、染色质修饰因子和其他转录因子。再次，锌指蛋白在与DNA结合能力方面显示出不同的序列特异性，锌指基序的不同组合之后表现出锌指蛋白的多样性。本文重点强调了在不同环境刺激下不同恶性肿瘤中C2H2型锌指蛋白的潜在机制。因此，可针对性地对特定C2H2型锌指蛋白表达研发靶向治疗药物，为临床上恶性肿瘤的治疗提供相应的策略。