转录因子在大肠癌中的作用研究进展

范凯旗综述 杜乐审校

海南医学院药学院临床药学本科1、生物学教研室2，海南 海口 571101

大肠癌(colorectal cancer，CRC)是世界范围内都广泛分布的影响人体健康的恶性肿瘤之一[1]，最新的研究数据表明，结直肠癌是30～39岁成年人中最常见的癌症之一，预计2020年将出现4 100例[2]。由于CRC早期症状不明显，容易漏诊和误诊，寻找能够直接用于CRC风险预警和早期诊断的明确遗传标志物一直是生物医学领域研究的热点和难点[3]。转录因子是一种能与基因5’端结合的蛋白质分子，使特定的基因在特定的时间和组织中以一定的强度表达[4]，转录因子的异常表达可导致许多疾病，大肠癌就是其中之一[5]。相关的研究显示：转录因子的异常表达可以特异性地沉默或上调某些关键基因的表达水平，从而促进或抑制大肠肿瘤的发生发展[4]。本文就近些年来关于转录因子在大肠癌中的研究做一综述。

1 转录因子的生物学功能

转录因子(transcription factor)又被称为反式作用因子。转录因子可以根据其在细胞中的分布情况分成两类：一类是普遍转录因子，这类转录因子在任何细胞中都有表达；另一类转录因子为组织细胞特异性转录因子，此类转录因子只在特定的细胞和组织中发挥调控特定基因表达的作用。大多数的转录因子可以被分成几种不同的结构域：寡聚化位点，核定位信号，DNA结合区，转录调控区。当转录因子遇到RNA聚合酶时，便与之结合，随后DNA结合区促使RNA聚合酶和转录因子复合物与DNA的结合，以便转录调控区调控相关基因的表达[4]。

在大肠细胞中基因的表达受许多转录因子的调控，与大肠癌发生相关的转录因子有叉头盒因子(forkhead，FOX)、干扰素调节因子(interferon regulator，IRF)、ETS(E-twenty six)、锌指蛋白(zinc finger protein，ZNF)和激活蛋白(activator protein AP-2)等五大家族[6-10]，而其中Forkhead家族又可按照所含DNA结构域的不同分为19个独立的亚类，并以英文字母A～S区别。forkhead家族在人体内可以参与代谢、免疫、应激反应、语言形成、个体发育和细胞周期的调节[10]；ETS家族已建立了最大的转录因子组之一，迄今为止在人体内发现的ETS基因已有28种，ETS转录因子通过调节各种生物过程参与肿瘤的生成和发育过程，包括细胞增殖、迁移、凋亡、衰老、血管生成和干细胞发育[11]；锌指蛋白家族都具有类似手指的结构域，根据所含的结构序列及其功能的不同分为9大类，广泛分布于人体的基因组内，大约1%的基因组序列都可编码锌指蛋白[12]，锌指蛋白可在胚胎的发育，细胞信号转导，某些肿瘤的形成以及细胞分化等诸多领域起到调控作用[13]。干扰素调节因子(IRF)在哺乳动物体内至少有十种，其在抗病毒、信号转导、免疫反应、细胞角质化、细胞分化、肿瘤形成中起重要调控作用[14]。AP-2在脊椎动物中已经发现五类[15]，在人体的胚胎发育及血管生成中起到调节作用[16]。

2 转录因子的调控模式

转录因子对基因的调控模式复杂多样，大致可分为以下三种模式：(1)大部分转录因子可直接调控下游靶基因的表达，例如FOXA1可与ZNF321P、FRMDI等基因相结合调控基因表达；Ets-1则可与TMG2基因相结合调控TMG2的表达[33]。(2)另一部分转录因子和miRNA结合调控某些关键基因的表达：AP-2α3'-UTR可与miR-200c相结合在转录后抑制AP-2α蛋白的表达，发挥调控作用等[9]。(3)还有一些转录因子可与其他蛋白质分子互作调控靶基因表达：叉头盒因子FOXM1可与过氧化物酶PRDX1蛋白分子互作影响乳腺癌的发生发展[17]，另有研究者发现锌指蛋白436(ZNF436)可与TRIM28(tripartite motif-containing proteins 28)蛋白分子互作抑制肝细胞肿瘤的生长从而抑制癌症的进展等[18]。

3 与大肠癌相关的转录因子

3.1 叉头盒因子 叉头盒因子(forkhead，FOX)是转录因子中的一大家族，该类转录因子存在高度保守的N,C末端的转录域和翼状螺旋结构样的DNA结构域[19]，所有FOX蛋白共享这一独特的DNA结合域。有研究表明，该结构域为包含110个氨基酸残基的保守序列但却有不同的特性和功能[20]。目前FOX在人体内发现有50种，并被分为19个亚家族，每个亚家族种又包含很多亚群，例如FOXA1、FOXA2和FOXA3等[21]。并且FOX基因的数量在不同生物体之间具有差异性，人类和小鼠有44个，果蝇只有11个。FOX基因调控着各种各样的生物功能，对维持人体正常的发育过程有重要作用。FoxA1是上述Forkhead家族中的一员，其结构也包含N,C末端的转录域和翼状的螺旋结构样的DNA结构域[22]。研究表明FOXA1与人体代谢和早期发育器官的形成有关[23]，FOXA1还可以参与肺癌、肝细胞癌、前列腺癌、甲状腺癌等肿瘤的发生和发展[24-27]。LAZAR等[28]研究发现，FOXA1基因在正常人大肠中显著表达，但在大肠癌中显著下调，随后又利用FOXA1 ChIP-seq和RNA-seq，发现了受FOXA1调控的新的靶基因(ZNF321P、FAM3D、FRMD1、TPRXL、LRRC31等)。该研究还发现：FOXA1可与细胞黏附促进剂CEACAM5下游的远端增强子结合并显著激活其表达，从而增强正常细胞相互间的黏附力，并可降低大肠癌细胞的凋亡的机率，这提示了FOXA1在增强大肠癌细胞中CEACAM5表达和抗凋亡方面发挥着重要作用。细胞间质转化被认为是细胞癌变的重要标志。研究人员通过对CRC患者切除的CRC组织样本和相邻的癌旁组织样本研究记录发现：miR-760的低表达与CRC患者的预后效果差和肿瘤增大、肿瘤扩散、淋巴结转移等恶性临床病理特征有关[29]。此外，功能实验结果表明miR-760上调可通过阻断磷脂脂肪素3-激酶/蛋白质激酶B(PI3K/AKT)通路和抑制细胞的上皮间质转化(EMT)来阻碍CRC细胞的增殖、迁移和侵袭；同时该研究还发现miR-760的过表达显著降低了SW620细胞(大肠癌细胞系)中FOXA1的表达，同时，抑制miR760后显著增强HT29细胞(大肠癌细胞系)中FOXA1的表达。这些数据表明FOXA1可能是CRC细胞中miR-760的定向靶基因，提示该基因与大肠癌的发生密切相关，可能成为大肠癌治疗的靶点，具有持续的研究价值。

3.2 Ets家族 Ets家族蛋白被分为A，B，C三个区，A区各成员间缺乏同源性，B区有少量同源性，每一个Ets成员均含有C区。Ets家族高度保守的DNA结合区是由85个氨基酸残基构成的，也被称为Ets域。为一段带翼的螺旋-转角-螺旋结构，可以和由12～15个碱基对组成的富含5'-GGA(A/T)-3'序列的Ets结合位点结合，从而控制靶定基因的转录，发挥相应的生物学效应[30]。Ets-1是Ets家族九个亚族中的成员之一[31]，Ets-1蛋白同时含有A、B、C三区的蛋白，Ets-1内含有转录调节区，C区的蛋白内包含了由85个氨基酸残基组成的DNA结合区(Ets域)[11]。Ets-1作为Ets家族中研究相对较多的基因被报道，该基因的异常表达与类风湿性关节炎，动脉粥样硬化和多种癌症的发生和发展有关[32]。有研究报道Ets-1和TGM2(转谷氨酰酶2)具有增强大肠癌增殖和迁移的能力，并且Ets-1还可作为TMG2的转录因子使其表达上调，同时参与TGM2对Wnt/β-catenin信号转导通路的调控，从而参与大肠癌的发生和发展[33]。还有研究者证实Ets-1的高表达和细胞癌变呈正相关[34]；另外，JAMSHID等[35]的研究显示，Ets-1基因的表达在CRC肿瘤中被检测到，并且表明有57.59%的CRC组织中的Ets-1基因表达显著高于正常的大肠组织。三组实验研究都表明Ets-1参与大肠细胞的癌变过程，但是，关于Ets-1和大肠癌之间的分子机制研究较少，有待进一步研究。

3.3 锌指蛋白 锌指蛋白的高度保守结构域类似手指状，该指状结构的形成需与结合后自我折叠。而其存在正是锌指蛋白发挥生理作用的关键，缺乏不仅可以影响锌指蛋白与相应DNA或RNA的结合，同时还会影响自身的稳定性，影响基因的表达[36]。锌指蛋白可根据与半胱氨酸(Cys)残基和组氨酸(His)残基结合构成的不同空间结构分为8大折叠群，分别为高音谱号锌指、C2H2型锌指、带状锌指、锌离子结合短环锌指、塞结状锌指、金属硫蛋白锌指、类TAZ2型锌指、Zn2Cys6锌指[37]。锌指蛋白545(ZNF545)是锌指蛋白家族的一员，其相应的编码基因定位于19q13.1，ZNF545在肿瘤细胞中经常出现缺失现象[38]。锌指蛋白545可参与调节细胞的增殖和分化等功能，研究表明：ZNF545在胃癌、乳腺癌、食管癌中的表达下调能抑制相应癌细胞生长[39-40]。潘烽平等[41]在利用qRT-PCR检测32例患者大肠癌组织中ZNF545mRNA的表达水平之后，发现在大肠癌组织中ZNF545mRNA的表达量显著低于正常组织，随后又采用免疫组化法检测了136对癌组织中ZNF545蛋白的表达情况，并发现了癌组织中ZNF545蛋白有低表达的特点，且ZNF545蛋白表达水平与肿瘤直径和浸润的深度有关。潘烽平等[42]之后又通过Transwell小室检测发现，过表达ZNF545的细胞迁移能力和侵袭能力下降，并且ZNF545可以调节大肠癌上皮间质转化(EMT)相关分子标志物的表达，还可抑制磷酸化锌指转录因子(slug)的表达，增加E-钙黏蛋白的表达，而这些现象在ZNF545基因沉默的细胞中相反。另有研究表明，当ZNF545基因被甲基化后表达降低，并且可以使细胞停滞在G0/G1期，以上的作用可能是通过调节PI3K/AKT和Wnt/β-catenin信号转导通路来实现的。这些研究结果共同表明了锌指蛋白545在大肠细胞癌变过程中起到的重要作用，可能是大肠癌潜在的靶基因。

3.4 干扰素调节因子3(Interferon regulatory factor 3，IRF-3)家族 IRFs家族一般由300～500 bp组成，IRFs家族的保守结构是含有五个色氨酸(Trp)重复序列组成的DNA结合结构域，分布在N-端，可与干扰素刺激响应元件(ISRE)结合，从而启动相关基因的表达[44]。许多IRF包含的核定位序列都分布在保守结构域或其相邻位置，可以提供将该转录因子送至细胞核的信号，其后是IRFs的调节区域，可以调控IRFs的活性，有些IRFs还有自我抑制的结构域，如IRF2、IRF3等，IRFs的C-端可介导自身二聚体的形成或与家族的其他成员组成形成异源二聚体进行信息传导。转录因子IRF1也称为干扰素调节因子1，由IRF1基因转录而来，定位在5q31.1，是由329个氨基酸残基结合而成的蛋白质[45-46]，IRF1与靶基因启动子区域的ISRE结合，从而影响靶基因的表达，IRF1与ISRE的结合实际上是DNA的N端螺线结构与ISRE的结合，任何一个IRF转录因子都可与其靶基因有类似的结合[45]。IRF1可参加免疫应答，抑制肿瘤发生，调节细胞的坏死等生理活动[46]。另有研究表明：IRF1可以抑制胃癌、食道癌、肾癌等肿瘤的发生，并且还能促进恶性肿瘤细胞的凋亡[47-52]。吴燕芳等[53]利用单变量Cox和多变量Cox分析方法推断IRF1可能是CRC患者RFS(recurrence-free survival，无复发生存期)的潜在诊断生物标志物，这一结论在癌症基因谱数据中被证实。另外，基因富集分析表明IRF1影响了与免疫细胞招募和激活相关的基因和通路，并且IRF1基因区cg275877780和cg15375424CpG位点的DNA甲基化与IRF1 mRNA表达呈负相关，与CRC的复发呈正相关。洪敏等[54]后来的研究证实IRF1可以通过促进RASSF5(RAS相关结构蛋白)的表达来抑制RAS-Rac1通路，从而起到抑制大肠癌迁移和增殖的作用。另外，袁理等[55]发现免疫调节因子IFN-γ可以激活IRF1，从而使microRNA-29b表达上调，而microRNA-29b可通过调节IGF1/PI3K/AKT通路来阻碍大肠癌的转移，并且IRF1和microRNA-29b之间还存在正反馈调节，进一步证实了IRF1在抑制大肠细胞癌变中的作用。

3.5 转录因子激活蛋白-2(AP-2)家族 AP-2家族的保守结构域为HSH(helix-span-helix，螺旋-跨距-螺旋)DNA结合域，能与特定的DNA结合后，调控该基因的表达。GAYNOR等[56]证实AP-2家族的相应编码基因位于6号染色体上，N-端则负责活化转录，该段富含谷氨酸和脯氨酸残基。AP-2α是AP-2家族中的一员，其他的家族成员还有AP-2β、AP-2γ、AP-2 δ、AP-2ε。AP-2α与其他家族成员都有一个中心碱性区域，其后的羧基端有一个高度保守的HSH(helix-span-helix，螺旋-跨距-螺旋)基序，可与它邻近的碱基区一起实现序列特异性的DNA结合功能[15，57]。人们发现在乳腺癌、卵巢癌、前列腺癌、恶性黑色素瘤以及大肠癌中都有AP-2α的表达缺失或降低。MENG等[58]研究表明，髓过氧化物酶(MPO)启动子SNPs rs2243828和rs2333227的突变能够影响AP-2α与rs2333227结合的亲和力，从而提高MPO的表达，激活IL23A-MMP9介导的致癌信号通路，提示了AP-2α在大肠细胞癌变中的重要作用。王晓娇等[59]的研究发现CRC细胞衍生的乳酸可诱导转录因子AP-2α的活性及其靶蛋白Elk-1的表达，从而促进抑制性免疫检查点受体Sirpα(signal regulatory protein-α，信号调节蛋白α)的表达，从而达到逃避先天免疫监视的目的。另有研究表明AP-2α能与微小RNA共同作用，参与大肠细胞的癌变，研究发现miR-200c通过与AP-2α3'-UTR特异性结合在转录后抑制AP-2α蛋白的表达，从而起到促进细胞增殖的作用[9]。目前关于AP-2α的研究还比较有限，但是其在大肠细胞癌变中的作用意义十分重大，有望为大肠癌的临床诊断提供新的思路。

4 结语

转录因子是具有DNA结合区和转录激活区等重要功能区的蛋白质分子，在人体内的许多生物学进程中发挥着重要的作用，尤其是在调控人体基因的表达方面有着决定性的作用。近年来，有关转录因子在大肠癌中作用的研究已有较多发现，许多文章报道转录因子与大肠细胞的癌变有关，并进一步证实了一些转录因子在大肠癌中的功能。由于大肠癌对人体健康的严重威胁，寻找其发生的明确的特异性标志物已成为研究热点，但是结合国内外关于转录因子在大肠癌中作用的研究现状来看，许多转录因子在大肠癌发生中的分子作用机制尚未明确，转录因子是否能够成为直接用于大肠癌的诊断、治疗的特异性靶点仍需进一步探索。