转录因子在肝癌中调节作用的研究进展

陈 辰,奕天飞,倪舒静,王玲琳,朱婷琰,徐美倩,吉米丽古丽·艾尼,廖 奇

(宁波大学医学院预防医学系浙江省病理生理重点实验室,中国浙江宁波315211)

肝癌是一种发生在肝脏组织中的肿瘤,是世界上最常见的恶性肿瘤之一。肝细胞癌(hepatocellular carcinoma,HCC)是第五大最常见癌症,在全球癌症死亡中排名第二[1]。尽管近年来关于肝癌的研究越来越多,并取得一定的进展,但是由于肝癌的强侵袭性[2],其发病率仍在逐年增加,因此,肝癌仍然是一个重要的亟需解决的全球公共卫生问题[3]。肝癌的类型较多,其中HCC是最常见的类型之一,属于原发性肝癌,由于其预后不良而具有较高的死亡率[4]。

转录因子通过与基因启动子区域DNA序列结合来控制基因的转录,是真核细胞内多种信号通路的关键调节因子[5]。转录因子对基因的调节方式可以是单个转录因子对靶基因进行调节,也可以与其他转录因子形成复合物共同参与调节。比如:FOXK2(forkhead box K2)通过与白细胞介素-2(interleukin-2,IL-2)的基因启动子结合影响IL-2 mRNA的转录,从而影响T淋巴细胞的活化[6];转录激活因子2(activating transcription factor 2,ATF2)属于激活蛋白-1(activator protein-1,AP-1)转录因子家族,通过与其他AP-1家族成员(如CREB、Fos、Maf或 Jun)的同二聚化或异二聚化调节相关靶基因的表达[7]。

鉴于转录因子的重要调节作用,转录因子的失调和紊乱将会导致各种疾病的发生或发展,如糖尿病、炎症性疾病、心血管疾病和癌症等[5]。在癌症的发生发展中,多种转录因子家族在多个方面均参与了调节,不仅可以影响癌细胞的生长,而且还可以影响癌细胞的转移,如:FOXO3a(forkhead box O3a)通过上调周期蛋白依赖性激酶抑制剂p21Cip1、p27Kip1和p57Kip2的表达诱导细胞生长停滞,从而实现对乳腺癌的抑制[8];粒状头样2(grainyhead-like 2,GRHL2)通过抑制上皮间质转化(epithelial-mesenchymal transition,EMT)发挥肿瘤抑制作用[9]。在肝癌中,转录因子通过对靶基因的调控影响肝癌细胞的多个信号通路,如FOXO3a通过诱导促凋亡基因的表达或干扰Wnt/β-catenin、磷脂酰肌醇3激酶-蛋白激酶B-哺乳动物雷帕霉素靶蛋白(phosphatidylinositol 3 kinaseprotein kinase B-mammalian target of rapamycin,PI3K-Akt-mTOR)、丝裂原激活的蛋白激酶(mitogen-activated protein kinase,MAPK)等信号通路抑制肝癌的发展[10]。由此可见,转录因子在肝癌的发生发展中起着关键的作用。基于此,本文就转录因子在肝癌中调节作用的研究进展进行系统概述。

1 转录因子调节肝癌发生相关的病毒感染过程

病毒感染是导致肝癌的原因之一。常见的导致肝癌的病毒包括乙型肝炎病毒(hepatitis B virus,HBV)和丙型肝炎病毒(hepatitis C virus,HCV)。其中,HBV是最常见的导致肝硬化和HCC的肝炎病毒[11];HCV感染则扰乱脂质,从而可能导致肝脂肪变性和HCC[12]。在肝癌发生发展过程中,转录因子和病毒的作用是互相调节的。

一方面,转录因子可以通过抑制病毒的生长和增殖来抑制肝癌的发生发展。E盒结合锌指蛋白2(zinc finger E-box binding homeobox 2,ZEB2)是几种信号转导通路的转录因子。近年研究发现,ZEB2可以与HBV核心启动子结合,从而抑制其活性;ZEB2过表达会抑制HBV的转录、复制和蛋白质表达,以及乙肝表面抗原(HBsAg)和乙肝e抗原(HBeAg)的分泌,从而减少由HBV所引起的肝癌发生[11]。

另一方面,转录因子也可以反过来被病毒抑制,从而影响肝癌细胞的生长。例如,转录因子的核受体超家族成员HNF4A(hepatocyte nuclear factor 4alpha)是肝脏中最丰富的转录因子,也是参与肝脏脂质代谢基因的调节因子,对肝脏发育、肝细胞分化和功能相当重要[13]。正常情况下,HNF4A可以通过抑制白细胞介素-6受体(interleukin-6 receptor,IL-6R)的表达沉默信号转导及转录活化因子3(signal transducer and activator of transcription 3,STAT3)。在HCV异位表达后,HCV可以通过影响HNF4A基因的近端启动子区调控其转录水平,下调HNF4A的表达,进而激活STAT3-IL-6R的表达,导致STAT3蛋白磷酸化,从而增强STAT3蛋白和AP基因的表达,促进肝细胞的转化,最终导致HCC的发生发展[12]。

综上可见,转录因子可通过调节病毒基因的转录来影响病毒在人体内的复制,同时病毒也会通过影响人体肝脏内重要转录因子的表达来影响肝癌的发生发展。

2 转录因子调节肝癌细胞的增殖和凋亡

肝癌细胞的增殖和凋亡是肝癌发生发展的重要步骤。一般情况下,转录因子通过调节与细胞增殖、凋亡有关的基因来实现对肝癌细胞增殖和凋亡的控制。溴区结构域转录因子(bromodomain and PHD domain transcription factor,BPTF)是在发育过程中调节DNA可及性和基因表达的重要转录因子[14];人端粒酶逆转录酶(human telomerase reverse transcriptase,hTERT)是参与细胞信号转导,影响细胞增殖、凋亡、迁移以及干细胞功能的酶[15]。研究表明,转录因子BPTF可以与hTERT启动子结合,从而在转录水平上增强其表达,激活Wnt/β-catenin信号通路,促进HCC肿瘤细胞的发生、增殖和凋亡[16]。此外,转录因子NFAT5(nuclear factor of activated T cells 5)通过启动子结合方式对DASR2基因起负调节作用。在由HBV引起的HCC中,HBV抑制了转录因子NFAT5的表达,从而上调DASR2基因的表达水平,降低HCC的细胞凋亡率[17]。

一些关键的信号转导通路在转录因子调节中起着至关重要的作用。例如,Wnt/β-catenin通路是发育过程中调节肝细胞增殖和凋亡的重要信号途径[18～21]。T-box转录因子3(T-box transcription factor 3,TBX3)是T-box转录因子家族的一员,其高表达与多种癌症有关,如黑色素瘤、乳腺癌、胰腺癌、肺癌、头颈癌、卵巢癌、膀胱癌和许多肉瘤亚型等,其中也包括肝癌[22]。研究发现,小鼠肝脏和人肿瘤细胞系中β-catenin的异位表达会激活TBX3的转录,而TBX3的异位表达反过来会抑制β-catenin耗竭诱导的细胞凋亡[21]。可见,TBX3对Wnt/β-catenin通路的调控是介导癌细胞增殖和存活的关键。

此外,现有研究表明,核糖体活性增加会促进癌症的发展[23]。在肝癌中,转录因子也可以通过调节核糖体的活性来影响肝癌细胞的增殖。例如,转录终止因子Ⅰ(transcription termination factorⅠ,TTF1)的过表达可以上调核糖体RNA(ribosomal RNA,rRNA)的表达,增强核糖体活性,从而增强体外HCC细胞的增殖[23]。

3 转录因子调节肝癌细胞的转移

EMT是一个复杂的过程,其主要特征是细胞表型的转变,即上皮细胞的表型改变为间充质细胞,与肝癌细胞的转移密切相关[24～25]。大部分转录因子通过参与EMT过程影响肝癌细胞的转移。例如:转录因子FOXP4(forkhead box P4)属于FOXP亚家族,其表达上调会促进HCC细胞的迁移和侵袭;同时,FOXP4还可以通过直接结合SLUG基因的启动子区域来增强其表达[25]。SLUG是一种参与EMT的转录因子,是E-钙黏着蛋白(cadherin-1,CDH1)编码基因的主要转录抑制因子[26],可以抑制CDH1的转录,导致CDH1蛋白的表达减少,降低上皮细胞中细胞与细胞之间的黏附作用,最终促进EMT,增强肝癌细胞的转移能力[25]。此外,Jun二聚体蛋白2(Jun dimerization protein 2,JDP2)是碱性亮氨酸拉链(basic leucine zipper,bZIP)转录因子家族的成员,在HCC组织和细胞中均下调,使得CDH1蛋白的表达减少,而N-钙黏蛋白和波形蛋白(vimentin)的表达增加,从而增强细胞EMT水平,促进HCC细胞侵袭[27]。

有些转录因子不仅参与调节EMT过程,而且参与调节肝癌细胞转移的相关基因。如HNF4A是肝细胞分化的关键调控因子,调节肝细胞中近42%基因的表达,其通过抑制snail家族转录抑制因子1(snail family transcriptional repressor 1,SNAI1)和SNAI2干扰EMT的水平,从而抑制肝癌细胞的迁移[28]。作为抑癌因子,HNF4A还可以通过诱导周期蛋白依赖性激酶抑制剂1A(cyclin dependent kinase inhibitor 1A,CDKN1A)的表达、抑制骨形态发生蛋白7(bone morphogenetic protein-7,BMP7)和MYC基因的表达,调节p53/p63依赖性凋亡效应物PERP基因的表达水平。另外,缺氧诱导因子(hypoxia-inducible factor,HIF)是一个由β-亚基和氧敏感的α-亚基组成的异二聚体复合物,不仅参与EMT过程[29],而且可以通过上调基质金属蛋白酶(matrix metalloproteinase,MMP)的表达增强MMP降解细胞外基质的能力,从而促进肿瘤细胞的转移[30]。

4 转录因子调节肝癌细胞的活力

在肝癌中,肝癌细胞活力是肝癌细胞生长、增殖和转移能力的重要评估指标。因此,转录因子调节肝癌细胞活力的机制研究对于肝癌的治疗具有重大意义。有氧糖酵解是癌细胞的独特特征,为癌症的干预和治疗提供了靶标[31]。现有研究显示,转录因子可通过调节肝癌细胞的有氧糖酵解影响肝癌细胞的活力。与正常人肝细胞系相比,转录因子FOXK1在肝癌细胞中上调,是HCC的致癌因子。研究表明,FOXK1表达下调可以降低肝癌细胞活力和己糖激酶2的表达,从而降低糖酵解过程。同时,FOXK1表达下调也可以抑制Akt/mTOR信号通路的激活,从而降低肝癌细胞的活力和减少糖酵解的发生[31]。

此外,转录因子也可通过调节肝癌细胞的无氧糖酵解来影响肝癌细胞的活力。HCC细胞由于其强烈的厌氧糖酵解而具有强大的葡萄糖摄取能力,从而可为癌细胞生长提供足够的能量,使其能够在复杂的肿瘤微环境中存活[32～33],由此,肝癌细胞糖酵解活性和摄取葡萄糖的能力可作为肝癌细胞活力的指标。胆固醇调节元件结合蛋白1(sterol regulatory element binding protein-1,SREBP-1)是细胞脂质代谢的核心转录因子,可诱导一系列与脂肪酸和甘油三酸酯合成有关的基因的转录[34],即通过其下游基因(FASN、ACC、ACLY、SCD等)的转录调控来控制脂质的合成。由于葡萄糖和脂质代谢密切相关,葡萄糖中60%的碳用于脂肪酸合成,因此,脂质代谢在调节葡萄糖摄取和糖酵解活性中也起着至关重要的作用。由此可得,转录因子SREBP-1可通过调节脂质代谢影响肝癌细胞的糖酵解活性和葡萄糖摄取能力,从而调节肝癌细胞的活力[35]。

5 转录因子作为肝癌治疗和预后的生物标记物

部分转录因子在参与肝癌细胞增殖、凋亡及转移等生物过程的同时,表现出有别于其他疾病的表达特性,从而可以作为可能的生物标记物对肝癌进行诊断和治疗。比如,由于癌细胞经常表现为相对高的核仁活性和较多的核糖体合成[36],所以调节核糖体活性的转录因子TTF1(transcription termination factor,RNA polymerase Ⅰ)被认为可能是一种新型的生物标志物,是HCC潜在的治疗靶点[23]。另外,bHLH-LZ(basic helix-loop-helix leucine-zipper)转录因子家族成员TFAP4(transcription factor AP-4),已被发现广泛参与恶性肿瘤的增殖、分化、转移、血管生成和其他生物学调节功能[37～38]。研究表明,TFAP4可以通过激活Akt信号通路激活下游糖原合成激酶3β(glycogen synthase kinase 3β,GSK-3β)上 Ser9 的磷酸化,降低其活性,从而促进EMT[39]。与此同时,肝癌中Akt信号通路的激活还会导致核因子κB(nuclear factor-κB,NF-κB)的激活[40],后者可直接与 MMP-9基因的启动子结合,导致MMP-9高表达[41～43],从而促进细胞外基质降解,增强肝癌细胞的侵袭与转移能力。因此,TFAP4作为激活Akt信号通路的关键转录因子,被认为是具有预后价值的肝癌新型生物标记物[44]。

6 转录因子调节肝癌的治疗过程

由于临床诊断方法的局限性,大多数HCC患者在被确诊时已是晚期,无法实施肝脏移植或切除手术。同时,由于HCC细胞对化疗药物具有高度耐药性,晚期HCC患者在常规细胞毒性化疗后往往预后较差。因此,针对肝癌建立有效的化学治疗、分子靶向治疗方法已成为近年来的研究热点。研究发现,转录因子可在药物和相关酶类的共同影响下,调节与肝癌细胞死亡相关的靶基因。例如:在药物阿霉素诱导肝癌细胞死亡的过程中,若没有药物阿霉素处理,转录因子FOXO3和组蛋白脱乙酰酶SIRT6(sirtuin 6)相互作用,使SIRT6基因过表达而阻断FOXO3的核转位,进而促进FOXO3去乙酰化和泛素化,导致其降解而减少对靶基因的调节,最终阻止细胞死亡;而在阿霉素治疗后,SIRT6基因被下调,转录因子FOXO3易位到细胞核并与其靶基因p27和Bim结合,导致癌细胞死亡[45]。

报道显示,20%无法进行切除术的肝癌患者对化疗的敏感性较低,无法从化疗中获益[46]。而转录因子可通过调节与耐药性相关的基因,调节肝癌细胞的耐药性。多药耐药相关蛋白1(multidrug resistance-associated protein 1,MDR1)作为 ATP依赖性药物的外排泵,可减少化疗药物(如顺铂、5-氟尿嘧啶和阿霉素)的细胞内积聚,从而限制其抗癌作用[47～48]。因此,阻断MDR1可能有助于减轻肝癌细胞的耐药性。Twist家族bHLH转录因子1(twist family bHLH transcription factor 1,TWIST)是一种高度保守的碱性螺旋-环-螺旋转录因子,在抗阿霉素的肝母细胞瘤细胞(doxorubicin-resistant HepG2,R-HepG2)中,TWIST的低表达可降低其与MDR1基因启动子的结合活性,从而下调MDR1的表达,进而使得药物外流能力减弱,导致R-HepG2细胞内阿霉素水平及其对化疗药物的敏感性增加,即化疗药物在R-HepG2中的细胞毒性增强;同时,转录因子TWIST的低表达也会导致EMT逆转成间质表型上皮样转化(mesenchymal-epithelial transition,MET),这也会增强化疗药物在R-HepG2中的细胞毒性[46]。可见,转录因子TWIST在化疗中起着重要的调节作用。此外,转录因子RUNX3(runt-related transcription factor 3)的表达下调会刺激MRP1、MRP2、MRP3和MRP5基因的表达,从而增强肝癌细胞对5-氟尿嘧啶和顺铂的抗性,导致肝癌细胞的耐药性增强[49]。

7 总结与展望

众所周知,肝癌是世界上最致命的癌症之一[50]。目前,肝癌的发病率仍然较高,且其预后不良导致死亡率也较高。肝癌的发生由多个方面引起,比如病毒感染、过度饮酒等。转录因子在肝癌发生发展中起着极其重要的作用,不仅可以调节引发肝癌的生物过程,还可以调节肝癌细胞的多种状态。除此之外,转录因子还可以用作肝癌诊断和预后的生物标记物。表1整理了肝癌发生发展过程中较为关键的转录因子及其靶基因和功能作用。

有些转录因子家族在肝癌中起着多重功能和作用,比如:HIF转录因子家族可在肝癌细胞的凋亡和转移两方面起调节作用[29,51];FOX家族中的转录因子,不仅可以调节肝癌细胞的凋亡和活力,还可以作为肝癌的生物标记物[31,51～52]。另外,有些转录因子家族中的不同成员可调节肝癌的同一生物过程,比如:FOX转录因子超家族中的FOXC2和FOXP4都可以在肝癌细胞的转移过程中起调节作用,其高表达都会增强肝癌细胞的转移能力[53]。

本文仅就转录因子对肝癌部分生物过程的调节作用、转录因子在肝癌治疗过程及治疗与预后的生物标记物方面进行简单概述,但转录因子在肝癌中的作用绝不仅局限于此。随着生物学和临床医学研究的进一步开展与深入,转录因子在肝癌中更多的调节功能有待研究和发现。

在转录因子调节肝癌的生物过程中,文中仅对转录因子调节肝癌发生的相关病毒感染过程进行了描述,但转录因子还可以调节其他引发肝癌的生物过程,我们也可以从转录因子调节紊乱引发肝癌的生物过程的角度来预防肝癌的发生。此外,基于转录因子在肝癌细胞状态方面的功能作用,我们也可以从转录因子角度开发相关的治疗方案,缓解肝癌的进展。总而言之,研究转录因子在肝癌中的分子机制,可以为肝癌的预防以及治疗提供新的方向,创造更多的可能。

虽然现阶段我们已经可以将转录因子作为生物标记物来诊断肝癌,但仍无法有效准确地诊断出早期肝癌,期望未来可以通过对转录因子的进一步研究,发现可以对肝癌进行早期诊断的生物标记物,从而提高肝癌的治愈率。此外,由于肝癌预后太差,其高死亡率仍然是当今的难题,转录因子在肝癌的治疗及预后方面的研究也是未来的一大挑战。