高迁移率族蛋白A2与肿瘤

杨国良 综述 薄隽杰 审校

上海交通大学医学院附属仁济医院泌尿外科，上海 200127

高迁移率族蛋白（high mobility group proo--tein，HMG）是一系列染色质相关蛋白质，广泛存在于真核生物中，含量丰富，因其在聚丙烯酰胺凝胶电泳（PAGE）中具有较高的迁移能力而得名，HMG包括HMGA、HMGB和HMGN 3个家族。HMGA家族由HMGAla、HMGA1b、HMGA1c和HMGA2 4种蛋白质组成，前3种蛋白质由同一个基因编码，只是转录后的可变剪接使这3种蛋白质长度有所不同，HMGA2由一个断裂基因编码。近年来大量研究发现，HMGA2蛋白参与人类多种肿瘤的发生，如白血病、胃癌、大肠癌、卵巢癌、甲状腺癌和非小细胞肺癌等。研究证实这些肿瘤的发生、发展均与HMGA2基因表达异常有关，并发现其表达增强与预后有关。关于HMGA2基因与肿瘤的相关性及作为预后指标的研究逐渐成为热点。

1 HMGA2的基因结构及功能

HMGA2的基因已被证明定位于人的12q13-15，HMGA2基因长度超过200 kb，含有5个外显子，第3和第4个外显子被一个100 kb的大内含子隔开。HMGA2的主要转录物长4.1 kb，源于5’侧翼区的多转录起始位点，3’端有一个长的非翻译区。第1个外显子编码含有第1个AT-钩结构域的前37个氨基酸，第2和第3个AT-钩分别由第2和第3个外显子编码，第4个外显子编码的12个氨基酸将第3个AT-钩和由最后一个外显子编码的C端酸性区隔开。

HMGA2含有3个AT-钩结构域和1个酸性C末端。AT-钩模体在从细菌到人类的进化过程中是高度保守的，其氨基酸序列为BBXRGRPBB，其中B是碱性氨基酸，X是G或P残基。HMGA中3个独立的AT-钩DNA结合模体对B型DNA小沟内富含AT的短序列较高亲和力。AT-钩具有GRP三肽的典型序列模式，这个短的保守序列对结合DNA是必需的。HMGA单个AT-钩模体所识别的是与目标DNA小沟结合的结构，而不是识别核苷酸序列本身，单个AT-钩与DNA结合的特异性不高，但是当2个或3个AT-钩模体同时与一个DNA分子结合时，就会表现出很高的亲和性。HMGA2与DNA结合会导致DNA弯曲、拉伸、成环或解链，因此也被称为“构架转录因子”（architectural transcription factor）［1-2］。HMGA2自身没有激活或抑制转录的作用，但可以参与在DNA上装配大的多蛋白复合体，使之与转录体系相互作用，从而正向或负向调节一些基因的表达。此外，HMGA还参与细胞核中许多其他活动，如病毒整合、RNA加工、DNA修复及染色质结构重组等，表明HMGA是染色质蛋白网络。研究表明在胚胎发育早期除脑组织外几乎所有组织都表达HMGA2，这对胚胎细胞的生长是必需的。而在成人组织中几乎测不到其转录产物［3］。

2 HMGA2基因及蛋白在常见各系肿瘤中的表达

2.1 消化系统 HMGA2在多种消化系统肿瘤中有表达异常，如胃癌、大肠癌和胰腺癌等，并可能成为肿瘤判断预后的有效指标。Motoyama等［4］对110例胃癌患者的HMGA2 mRNA的表达研究发现HMGA2 mRNA的高表达与胃癌患者的浆膜浸润淋巴结转移及静脉的浸润成正相关，但与性别、肿块大小和组织病理的类型无明显相关性。对这110例患者随访1.2～134个月，HMGA2高表达的患者生存期明显低于低表达的患者，因此作者认为HMGA2是患者术后预后的一个独立因素。Hristov等［5］对胰腺癌的组织芯片免疫组化及细胞株定量RTPCR研究发现，HMGA2 mRNA及蛋白的表达明显高于正常组织，且与淋巴结转移及肿瘤的病理分级成正相关。认为HMGA2蛋白是一个潜在的肿瘤标记物，为进展期胰腺癌靶向治疗提供了合理的依据。Huang等［6］通过对31例直肠癌及相应正常组织HMGA2 mRNA的定量分析研究发现，HMGA2的表达与肿瘤的分期及远处转移相关，而且认为HMGA2可能参与调接肿瘤的进展，是术后患者随访检测的潜在肿瘤标记物。

2.2 呼吸系统 吴颖等［7］通过免疫组化检测59例手术切除非小细胞肺癌组织和10例非肿瘤组织中HMGA2的表达，结果显示非小细胞肺癌组织中HMGA2表达率为78%，而10例非肿瘤组织中均不表达。HMGA2表达与TNM分期和淋巴结转移相关。COX多因素回归分析显示TNM分期是患者独立预后因子。Sarhadi等［8］采用免疫组化检测152例非小细胞肺癌患者HMGA2蛋白的表达，通过半定量RT-PCR检测HMGA2 mRNA的量，结果显示HMGA2 mRNA及蛋白的量明显高于正常组织，且表达量的增加与细胞的增殖程度成正相关，但与预后成负相关，因此该文作者认为HMGA2蛋白可以作为非小细胞肺癌患者诊断和预后的很有潜力的肿瘤标记物。Meyer等［9］对34例非小细胞肺癌及相应的正常组织（其中17例腺癌，17例鳞癌）通过定量RT-PCR及免疫组化研究发现，HMGA2蛋白明显高于正常组，HMGA2的过表达见于所有的肺癌组织，因此认为HMGA2是肺癌检测的潜在肿瘤标志物。Di Cello等［10］探讨了反义HMGA2 mRNA转染质粒对肺癌系H1299细胞的抑制作用，研究发现当质粒稳定引入细胞系，HNGA2蛋白表达水平明显下降，并对细胞的增殖有明显的抑制作用。在正常肺组织BEAS-2B细胞转染HMGA2表达载体，研究发现细胞的增殖明显增强，认为HMGA2蛋白对细胞转化是非常重要的。

2.3 泌尿生殖系统 Rogalla等［11］通过RTPCR检测44例乳腺癌患者及13例正常乳腺组织，发现22例乳腺癌患者有HMGA2 mRNA的表达，而13例正常组织均未见到其表达。表达的量与分级相关，提示HMGA2的表达对诊断和预后中有重要作用。Langelotz等［12］通过检测69例转移性乳腺癌患者外周血HMGA2 mRNA的表达发现，69例中有21例表达，有表达者的中位生存期为15.9个月，无HMGA2 mRNA表达的患者中位生存期为24.7个月，两者之间差异有统计学意义，因此认为HMGA2可作为转移性乳腺癌预后的独立因素。Adib等［13］进行组织芯片研究，发现卵巢癌组织也有HMGA2的过表达。Malek 等［14］通过基因沉默技术研究HMGA2对卵巢癌细胞株Ovcar-3 和OAW-42（都有HMGA2的过表达）生存、增殖及细胞周期的影响，结果显示细胞的增长受到抑制，凋亡增减，进入S期的细胞明显减少，认为HMGA2基因可能为卵巢癌治疗的潜在靶点。Winkler等［15］以16只犬作为动物模型研究HMGA2在前列腺癌中的表达，通过定量RT-PCR研究发现犬的前列腺癌中HMGA2 mRNA的表达明显高于增生及炎性前列腺组织，作者认为以犬作为动物模型研究降低HNGA2的表达对前列腺癌影响具有重要的意义。

2.4 内分泌系统 Chiappetta等［16］通过免疫组化及定量RT-PCR研究128例甲状腺标本HMGA2的表达，其中正常组织7例，甲状腺腺瘤31例，增生性病变12例，甲状腺癌78例，结果显示正常组织中未见HMGA2的表达，31例腺瘤中有3例表达，78例腺癌中45例表达且表达的量明显高于正常及腺瘤组织。因此认为HMGA2在甲状腺癌的发生中起到重要作用。Belge 等［17］通过免疫组化及定量RT-PCR研究64例甲状腺组织HMGA2的表达，其中3例正常组织，2例甲状腺炎组织，19例滤泡状腺瘤，40例肿瘤组织，结果显示HMGA2 mRNA的量是甲状腺腺瘤组织的400倍，而正常及炎症组织中几乎检测不到HMGA2 mRNA的表达，免疫组化显示甲状腺癌组织HMGA2高表达，而在正常、炎症及腺瘤组织中均未见其表达，单独用HMGA2来区分良恶性甲状腺癌的灵敏度为95.9%，特异度为93.9%，因此作者认为HMGA2在区别甲状腺良恶性肿瘤中是一个很有潜力肿瘤标记物。Qian等［18］对98例垂体瘤进行免疫组化研究，发现HMGA2蛋白的表达明显高于正常组织，高表达的HMGA2蛋白的量与分级、大小、肿瘤的浸润及Ki-67成正相关，通过定量RT-PCR对55例垂体瘤Let-7表达的研究发现，HMGA2表达的量与Let-7成负相关，因此作者认为Let-7表达的丢失导致HMGA2表达的上调，在垂体瘤的形成及进展中起到了重要的作用。

2.5 其他 Venkatesan等［19］研究HMGA2蛋白与视网膜母细胞瘤的浸润关系，选择视网膜母细胞瘤64例患者，其中有周围浸润的29例（如浸润至视神经、脉络膜或眼眶），而非浸润性的35例，通过免疫组化研究发现周围浸润性的视网膜母细胞瘤明显高于非浸润性，而在正常组织中未见到HMGA2蛋白的表达，Westernblot的结果与免疫组化相同，因此作者认为HMGA2的表达与视网膜母细胞瘤的浸润相关。另有报道在头颈部恶性肿瘤、白血病等多种肿瘤中都HMGA2基因的异常表达，并与肿瘤的预后有关。

3 HMGA2基因在肿瘤中的作用机制

肿瘤中HMGA2的高表达的具体机制尚不明确，可能是癌基因激活的结果，也可能与HMGA2基因的转位有关。HMGA2的高水平表达导致肿瘤发生、维持及进展的基因调控方面的研究较多，近年的研究提示它可能是通过调控多种与肿瘤形成和转移相关基因的表达而实现的，但其确切的机制尤其是信号通路及分子机制的报道较少，目前的研究结果如下所述。

3.1 HMGA2激活E2F1的活性 pRB是细胞周期的一个关键调节蛋白，它通过结合E2F1转录因子抑制细胞分裂进入S期［20］。Fedele等［21］研究发现在HMGA2转基因的小鼠中HMGA2蛋白通过结合pRB而提高了E2F1转录因子的活性，进而导致小鼠垂体瘤的形成。HMGA2激活E2F1的机制比较独特，具体如下：HMGA2与pRB-E2F1复合物结合后取代组蛋白脱乙酰基酶（histone deacetylase1，HDAC1），导致E2F1及DNA相关组蛋白的乙酰化增强，进而导致E2F1活性的激活。在E2F1基因敲除且有HMGA2基因过表达的小鼠体内未发现有垂体腺瘤的生成，进一步说明了HMGA2蛋白介导的E2F1的激活在小鼠腺瘤形成中的关键作用［21］。因此有理由相信在其他肿瘤中，HMGA2的过表达进而激活E2F1的活性对肿瘤的形成是至关重要的。

3.2 HMGA2可提高AP1复合物的活性 AP1复合物包括3个Jun蛋白（JUN、JUNB、JUND）和4个FOS蛋白（FOS、FOSB、FRA1、FRA2）。AP1复合物中有大量同源或异源的二聚体，与DNA结合后导致不同靶基因的激活，进而导致细胞的增殖、肿瘤的形成及转移［22］。分析小鼠正常甲状腺细胞，完全转化及反义引物介导的抑制HMGA表达的甲状腺细胞显示：在完全转化的细胞中AP1的活性增加而且依赖于HMGA2的过表达［23］，最明显的效应是HMGA2的过表达诱导JUNB和FRA1的基因活性，而在表达HMGA2反义引物的细胞株中这些基因的活性被抑制。有报道认为FRA1可以调节细胞有丝分裂的进展，在细胞周期中FRA1的表达及磷酸化可以调节细胞周期向G2/M期转化，而敲除FRA1基因的细胞株，细胞分裂聚集在M期［24］。AP1还可以和Etas家族蛋白结合来调控某些对细胞向恶性转化基因的表达，如编码Ⅰ型胶原蛋白酶及血管内皮生长因子的基因。当HMGA2表达时，这些基因的表达也上调［25］。所以HMGA2导致肿瘤的形成可通过介导FRA1的表达，进而调节周期蛋白A的表达而进入细胞周期。FRA1的过表达在其他肿瘤中也有报道［25-27］。还有学者研究认为AP1也可激活HMGA的表达［26-28］。

3.3 HMGA2的过表达破坏DNA的修复能力DNA自身的修复系统是抵抗肿瘤形成最好的防御，事实上肿瘤形成的关键步骤就是一个或多个DNA修复系统的破坏。许多实验已经证明了HMGA蛋白在DNA修复中的作用，最近的研究表明HMGAl与DNA损害细胞应答的关键因子ATM激酶有关。它与激活型的ATM相似，影响其DNA修复功能［29］。表明HMGA1的表达与染色体重排有关。其可能促进基因组不稳定性。HMGA1破坏DNA损伤修复能力的另一个途径是HMGA1分子直接结合在DNA分子上AT丰富区，阻碍UV损伤DNA所形成的切除修复。DNA损伤修复是保证细胞正常生长的必要条件，修复能力被破坏将导致突变累积，基因组稳定性丧失，细胞恶性转化。同样Borrmann等［30］研究认为HMGA2可以结合核苷酸切除修复基因ERCC1的启动子，负向调节其活性进而抑制DNA的修复。

4 小结与展望

综上所述，HMGA2基因的发现为肿瘤的发病机制、临床病例联系及判断预后提供了一个新思路，其在肿瘤发生发展中的重要作用以及与肿瘤预后的关系已被大量的实验研究所证实。然而，HMGA2在肿瘤发生发展中的具体机制仍不甚清楚，需要做进一步的研究。探索并阐明这一机制将为临床预测肿瘤患者的诊断、预后、转移等提供参考指标，同时也能为肿瘤分子靶向治疗和开发新药物提供一个突破点。关于HMGA2与肿瘤发生发展的相关研究可从以下几个方面着手：⑴HMGA2基因在肿瘤发生发展中的具体作用与预后的关系；⑵HMGA2基因及蛋白在不同肿瘤中表达改变的机制；⑶HMGA2基因及蛋白在肿瘤中与其他癌基因或抑癌基因相互作用的机制等。总之，深入探讨HMGA2蛋白在肿瘤发生发展及转移中的分子机制，对人类在肿瘤形成及其防治预后的研究中将起到重要的促进作用。

［1］ Reeves R. Molecular biology of HMGA proteins: hubs of nuclear function［J］. Gene, 2001, 277(1-2): 63-81.

［2］ Fusco A, Fedele M. Roles of HMGA proteins in cancer［J］.Nat Rev Cancer, 2007, 7(12): 899-910.

［3］ Zhou X, Benson KF, Ashar HR, et al. Mutation responsible for the mouse pygmy phenotype in the developmentally regulated factor HMGI-C ［J］. Nature, 1995, 376(6543): 771-774.

［4］ Motoyama K, Inoue H, Nakamura Y, et al. Clinical significance of high mobility group A2 in human gastric cancer and its relationship to let-7 microRNA family［J］. Clin Cancer Res,2008, 14(8): 2334-2340.

［5］ Hristov AC, Cope L, Reyes MD, et al. HMGA2 protein expression correlates with lymph node metastasis and increased tumor grade in pancreatic ductal adenocarcinoma［J］. Mod Pathol, 2009, 22(1): 43-49.

［6］ Huang ML, Chen CC, Chang LC, et al. Gene expressions of HMGI-C and HMGI (Y) are associated with stage and metastasis in colorectal cancer［J］. Int J Colorectal Dis,2009, 24(7): 731-740.

［7］ 吴颖, 宋勇, 刘红兵, 等. HMGA2在非小细胞肺癌中的表达及其临床意义［J］. 中国肺癌杂志, 2008, 11(3): 377-381.

［8］ Sarhadi VK, Wikman H, Salmenkivi K, et al. Increased expression of high mobility group A proteins in lung cancer［J］. J Pathol, 2006, 209(2): 206-212.

［9］ Meyer B, Loeschke S, Schultze A, et al. HMGA2 overexpression in non-small cell lung cancer［J］. Mol Carcinog,2007, 46(7): 503-511.

［10］ Di Cello F, Hillion J, Hristov A, et al. HMGA2 participates in transformationin human lung cancer［J］. Mol Cancer Res,2008, 6(5): 743-750.

［11］ Rogalla P, Drechsler K, Kazmierczak B, et al. Expression of HMGI-C, a member of the high mobility group protein family,in a subset of breast cancers: relationship to histologic grade［J］. Mol Carcinog, 1997, 19(3): 153-156.

［12］ Langelotz C, Schmid P, Jakob C, et al. Expression of highmobility-group-protein HMGI-C mRNA in the peripheral blood is an independent poor prognostic indicator for survival in metastatic breast cancer［J］. Br J Cancer, 2003, 88(9):1406-1410.

［13］ Adib TR, Henderson S, Perrett C, et al. Predicting biomarkers for ovarian cancer using gene-expression microarrays［J］.Br J Cancer, 2004, 90(5): 686-692.

［14］ Malek A, Bakhidze E, Noske A, et al. HMGA2 gene is a promising target for ovarian cancer silencing therapy［J］. Int J Cancer, 2008, 123(2): 348-356.

［15］ Winkler S, Murua Escobar H, Meyer B, et al. HMGA2 expression in a canine model of prostate cancer［J］. Cancer Genet Cytogenet, 2007, 177(2): 98-102.

［16］ Chiappetta G, Ferraro A, Vuttariello E, et al. HMGA2 mRNA expression correlates with the malignant phenotype in human thyroid neoplasias［J］. Eur J Cancer, 2008, 44(7): 1015-1021.

［17］ Belge G, Meyer A, Klemke M, et al. Upregulation of HMGA2 in thyroid carcinomas: a novel molecular marker to distinguish between benign and malignant follicular neoplasias［J］.Genes Chromosomes Cancer, 2008, 47(1): 56-63.

［18］ Qian ZR, Asa SL, Siomi H, et al. Overexpression of HMGA2 relates to reduction of the let-7 and its relationship to clinicopathological features in pituitary adenomas［J］. Mod Pathol, 2009, 22(3): 431-441.

［19］ Venkatesan N, Kandalam M, Pasricha G, et al. Expression of high mobility group A2 protein in retinoblastoma and its association with clinicopathologic features［J］. J Pediatr Hematol Oncol, 2009, 31(3): 209-214.

［20］ Seville L, Shah N, Westwell AD, et al. Modulation of pRB/E2F functions in the regulation of cell cycle and in cancer［J］.Curr Cancer Drug Targets, 2005, 5(3): 159-170.

［21］ Fedele M, Visone R, De Martino I, et al. HMGA2 induces pituitary tumorigenesis by enhancing E2F1 activity ［J］.Cancer Cell, 2006, 9(6): 459-471.

［22］ Karin M, Liu Z, Zandi E. AP-1 function and regulation［J］.Curr Opin Cell Biol, 1997, 9(2): 240-246.

［23］ Vallone D, Battista S, Pierantoni GM, et al. Neoplastic transformation of rat thyroid cells requires the JunB and Fra1 gene induction which is dependent on the HMGI-C gene products［J］. EMBO J, 1997, 16(17) : 5310-5321.

［24］ Casalino L, Bakiri L, Talotta F, et al. Fra-1 promotes growth and survival in RAS-transformed thyroid cells by controlling cyclin A transcription ［J］. EMBOJ, 2007, 26(7): 1878-1890.

［25］ Dhar A, Hu J, Reeves R, et al. Dominant-negative c-Jun(TAM67) target genes: HMGA1 is required for tumor promoter-induced transformation ［J］. Oncogene, 2004,23(25): 4466-4476.

［26］ Chiappetta G, Tallini G, De Biasio MC, et al. FRA-1 protein detection is associated with thyroid proliferative disorders［J］. Clin Cancer Res, 2000, 6(11): 4300-4306.

［27］ Chiappetta G, Ferraro A, Botti G, et al. FRA-1 protein overexpression is a feature of hyperplastic and neoplastic breast disorders［J］. BMC Cancer, 2007, 25(7): 7-17.

［28］ Hommura F, Katabami M, Leaner VD, et al. HMG-I/Y is a c-Jun/activator protein-1 target gene and is necessary for c-Jun-induced anchorage-independent growth in Rat1a cells［J］. Mol Cancer Res, 2004, 2(5): 305-314.

［29］ Pentimalli F, Palmieri D, Pacelli R. HMGA1 protein is a novel target of the ATM kinase ［J］. Eur J Cancer, 2008, 44(17):2668-2679.

［30］ Borrmann L, Schwanbeck R, Heyduk T, et al. High mobility group A2 protein and it derivatives bind a specific region of the promoter of DNA repair gene ERCC1 and modulate its activity ［J］. Nucleic Acids Res, 2003, 31(23): 6841-6851.