人分化抑制因子3的研究进展

仲爱芳综述,李晓军审校

(1.常州第一零二医院 检验科,江苏常州213003;2.南京军区南京总医院解放军临床检验医学研究所,江苏南京210002)

分化抑制因子,又称DNA结合抑制因子(Inhibitors of differentiation/DNA binding,Id)属于螺旋-环-螺旋(HLH)转录因子家族成员之一,对碱性HLH(bHLH)转录因子活性起负调节作用。哺乳动物细胞含四种Id分子(Id1-Id4)。Id3,作为血清诱导的立即早期基因1991年第一次在小鼠成纤维细胞系中被发现,该分子参与多种细胞生物学过程,本文就其表达的调控以及其生理和病理作用等方面作一综述。

1 Id3的结构与基本功能

Id蛋白是一类分子量约13-20 kDa的小分子蛋白,这类蛋白有一共同类型的结构域:此结构域长40-50个氨基酸残基,其中含两个既亲水又亲脂的α螺旋,两个α螺旋被一个不同长度和序列的连接环区分开。高保守螺旋区通过螺旋上疏水基团的相互作用形成同源或异源二聚体,从而发挥转录调控作用。大部分HLH蛋白有一个与HLH基序相邻的强碱性区域,为DNA结合所必须,故此类HLH又称为碱性HLH(bHLH)蛋白。Id分子是一类特殊的HLH蛋白,因其本身缺乏DNA结合必需的碱性氨基酸序列,与bHLH结合成异二聚体后,抑制bHLH与DNA及其他组织特异性bHLH转录因子(如E蛋白)的结合,对bHLH转录因子活性起负调节作用,影响细胞特异性基因的表达,从而抑制细胞分化。

Id3基因定位于染色体1p36上,由三个外显子和两个内含子组成,小鼠Id3基因的第一个外显子包括 5＇端非编码区(UTR)和前100个氨基酸残基编码区,在+357位置被一个105 bp的内含子所分割;第二个外显子含19个氨基酸编码区和26 bp的3＇端非编码区,随后的是506 bp的第二个内含子和第三个约500 bp UTR的外显子 。人源的和鼠源的Id3在基因水平有75.8%的相似,氨基酸有95.8%的相似。

2 Id3表达的调控

2.1 Id3的表达

Id3的表达在胚胎发育过程中呈动态调控状态,在细胞发育过程中,Id3基因大量表达于未分化的、增殖性细胞;随着细胞分化和成熟,Id3基因表达逐渐减少。

Id3也表达于成熟期组织细胞中,如成纤维细胞、肌源性和成骨前体细胞、前脂肪细胞、滋养细胞、淋巴样和成单核细胞系、星形细胞、前列腺上皮细胞等中都有表达。根据细胞和组织的类型不同,Id3的表达可以是组成性的,或者通过刺激诱导表达。Id3的表达水平一般在未分化细胞中比较高,在分化终末期的细胞Id3表达呈下调。另外,Id3的表达水平不是静止不变的,而是随着细胞的生长周期和生理状态的变化而变化的,并且对细胞外的不同刺激做出不同的应答反应。因此Id3的表达可能既受控于通用的调节机制,又呈现一定的细胞类型特异性。

Id蛋白的外源性表达能抑制Ig同型转换,对Id3转导的B细胞基因组DNA分析表明,此类细胞的Ig类别转换重排功能受到抑制。其成熟B细胞受到T细胞依赖性或非T细胞依赖性的抗原刺激后,免疫反应遭到损害,表现在特异性Ig同种型产生受到抑制,似乎提示Id3为Ig同型转换所必需[1]。

2.2 Id3表达的调控

近年来的研究发现,Id3蛋白的表达受多种信号转导途径的调控。诱导Id3基因表达的因素包括:血小板衍生生长因子(PDGF)、甲状腺刺激素(TSH)、胰岛素、表皮生长因子(EGF)、肝细胞生长因子(HGF)、骨形成蛋白(BMP)、转化生长因子β1(TGF-β1)、肿瘤坏死因子 α(TNF-α)、神经生长因子(NGF)、胰岛素样生长因子I(IGF-I)以及雌激素等。研究发现,胚胎干细胞中的Id3处于稳定低水平状态,用BMP处理胚胎干细胞,可以诱导 Id1、Id2、Id3的表达。BMP可以Smad4依赖方式诱导上皮细胞持续性表达Id[2]。在骨髓B淋巴细胞形成过程中,骨髓基质细胞产生的BMP-6作用于B前体细胞和前B细胞,通过快速诱导Smad1/5/8磷酸化而上调Id1和Id3的表达[3]。上皮细胞用TGF处理后,会出现Id3表达水平的瞬间提高,其后Id3表达水平被长期抑制[4]。由此可见,不同的刺激因素作用于不同的组织细胞,通过不同的信号途径,可导致Id3表达水平不同程度的升高或降低,即Id3的诱导表达呈现细胞特异性和双向调节性。

3 Id3蛋白在正常细胞中的作用

3.1 Id3对正常细胞的增殖作用

有研究表明,Id3是血管平滑肌细胞(VSMC)生长增殖的重要调节分子。Id3反义核酸能通过增强p21Cip1蛋白表达而抑制VSMC增殖和进入S期 。大、小鼠血管损伤可引起VSMCs内Id3水平的上调表达[5]。12/15脂(肪)氧合酶可促进动脉VSMC的增殖,该过程至少部分是通过诱导Id3转录的增加[6]。用高脂血症猪的血液和氧化LDL(ox-LDL)刺激血管平滑肌细胞,能促进细胞Id3蛋白的表达、VSMC细胞生长和S期细胞数量增加以及p21cip1表达的降低;高脂血症猪的动脉VSMC中Id3表达明显高于非高脂血症猪。结果提示Id3通过抑制p21cip1的表达,而介导高脂血和ox-LDL的促有丝分裂原作用[7]。

3.2 Id3对正常细胞的生长发育的作用

Id3在T、B淋巴细胞发育和成熟中发挥重要调节作用。T细胞在成熟过程中,TCR经阳性选择而活化,进而激活RAS-ERK-MAPK途径,诱导DP胸腺细胞内立即早期反应基因1(EGR1)mRNA的表达。EGR1的上调表达可快速诱导Id3 mR NA的表达,阻制E2A/HEB二聚体与下游分子SR G3启动子中的 E框结合,下调SRG3表达,从而促进DP胸腺细胞的分化和成熟。Id3的过度表达能抑制SR G3的表达,导致原始胸腺细胞和未成熟胸腺瘤细胞抵抗GC诱发的细胞凋亡。Id3可能通过下调SRG3的表达,抵抗GC的作用而增强DP胸腺细胞的存活力[8]。小鸡肝脏发育早期,Id3表达于胚肝细胞,并且促进细胞群的增殖。而在发育的后期,Id3负性调节白蛋白Albumin(胚肝,细胞分化成熟标志物)的表达,直到胚肝细胞对促进分化的信号产生应答时为止[9]。

4 Id3在肿瘤细胞中的作用

4.1 Id3对肿瘤细胞的分化增殖作用

Id3过度表达通过抑制分化,促进增殖影响肿瘤细胞的表型.Id3基因的异常表达造成体外培养的一些细胞例如肌肉细胞、甲状腺细胞、鼠类红白血病细胞等的分化抑制.免疫组化、原位杂交及western blot等技术已发现Id3在乳腺、结直肠、胰腺、以及鼻咽部、食管癌、中枢神经系统恶性肿瘤等肿瘤细胞中有高表达[10]。在成人大脑中,Id蛋白的含量很低,但是在中枢神经系统有恶变的细胞中,Id3的表达量显著增加,恶病的胶质细胞大量地表达Id3蛋白,恶性程度越高的肿瘤Id3的表达量越高,在这些肿瘤中不仅癌细胞表达Id3而且血管内皮细胞也表达Id3,恶性度最高的神经胶质瘤由于具有丰富的血管因而Id3的表达量也最高[11]。这些研究表明Id3表达的上调在恶性转化中发挥着一定的作用。但是也有研究发现在卵巢癌中Id3表达呈下降趋势[12]。在肝癌中,Id3在分化良好的肝癌细胞中的表达要高于分化不良的肝癌细胞[13]。上述研究结果出现差异的现象表明,尽管Id蛋白在一些肿瘤组织中呈现明显的高表达,但必须搞清肿瘤细胞的种类及其分化状态,应选择确定的、特异性高的检测方法来分析Id 3在肿瘤中的表达情况.Id蛋白在许多肿瘤细胞分化时的短暂表达即可改变细胞的命运,从而也会对其表型产生影响。

4.2 Id3对肿瘤细胞的侵袭及转移作用

肿瘤侵袭和转移的一般过程通常是:癌细胞失去和其他细胞相互作用的能力,消化周围基底膜,侵袭到血液中,跟随血液循环到达其他组织器官后继续增生并形成新生血管,继而形成转移瘤。Gupta等[14]研究发现,Id1和Id3在ER/PR/HER2均为阴性的乳腺癌中,无论在早期还是转移灶中都能够促进肿瘤细胞向肺部的转移、定居,并能进一步使肿瘤细胞迁移至肺实质.在3种前列腺癌细胞系中研究促进肿瘤侵袭性相关基因金属蛋白酶9(MMP9)和E-钙黏着蛋白发现,Id1和Id3在E蛋白阴性或者阳性的细胞中均可调节E-钙黏着蛋白的表达,同时还发现3种Id基因均可调节MMP9的表达[15]。用R NA干扰技术阻断Id1和Id3的表达可使MKN45胃癌细胞的增殖率和迁移率及结合laminin的能力均明显下降,抑制胃癌细胞向腹膜转移的数量和大小[16]。上述研究表明Id3与肿瘤的侵袭和转移相关。

4.3 Id3对肿瘤的血管内皮细胞的作用

血管生成是肿瘤的驱动力,因而近年来肿瘤的血管生成研究也成为了热点。Id1和Id3双敲除小鼠在肿瘤血管畸形嫁接时表现出血管内皮的缺陷,接种到小鼠体内的肿瘤中均表现出了生长及转移的抑制[17]。Id3等位基因的单独敲除也使肿瘤血管生成不能进行,表明Id 3表达水平的消减可以影响肿瘤的表型。这种血管的缺陷可能是由成纤维细胞生长因子受体1(FGFR-1)、金属蛋白酶2(MMP2)介导的,并且依赖凝血酶敏感素1(thrombospondin-1,TSP-1)的表达调节[18]。另外,肿瘤细胞表达Id3蛋白时可以提高血管内皮生长因子(VEGF)的表达量[19]。

5 结语

Id3蛋白在不同来源及不同发育阶段的细胞中有不同表达模式。Id3基因或蛋白水平和功能在许多生理和病理状态下可能发生某些改变。进一步研究其在人类肿瘤中的分子机制,可为人类肿瘤中的诊断提供新的科学依据,为抗肿瘤药物提供新的作用靶点,为治疗人类疾病提供新的研究方向。

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