TXNIP的肿瘤抑制作用与表观遗传沉默机制

张鹏幸，涂艳阳，张永生（第四军医大学：唐都医院实验外科，唐都医院，陕西 西安 70038）

·述评·

TXNIP的肿瘤抑制作用与表观遗传沉默机制

张鹏幸1，涂艳阳1，张永生2（第四军医大学：1唐都医院实验外科，2唐都医院，陕西 西安 710038）

硫氧还蛋白互作蛋白（TXNIP）作为硫氧还蛋白（TRX）的结合蛋白及其内源性抑制因子，是细胞内氧化还原应激调控的一个重要元件．TXNIP在多种人类癌细胞中表达下调，并且抑制 TXNIP表达会促进肿瘤的恶性程度．本文主要阐述了 TXNIP和 TRX的蛋白结构、细胞内定位以及相互作用调节氧化应激的功能，并阐明在多数实体肿瘤及血液恶性肿瘤中TXNIP被定义为肿瘤抑制基因（TSG），以及由于表观遗传修饰在肿瘤中被抑制，以此证明 TXNIP作为肿瘤分子治疗的新靶标的潜在价值．

硫氧还蛋白互作蛋白；硫氧还蛋白；肿瘤抑制因子；表观遗传沉默

0 引言

异常的代谢模式被认为是恶性肿瘤的基本特征，通过研究人们越来越清楚地意识到除了遗传异常，包括 DNA甲基化和组蛋白N-端尾巴转录后修饰如乙酰化、甲基化、磷酸化、泛素化及ADP-核糖基化等表观遗传变化在实体肿瘤和血液恶性肿瘤的成瘤过程中都发挥着重要的作用［1－2］．

硫氧还蛋白互作蛋白（thioredoxin-interacting protein，TXNIP），又名硫氧还蛋白结合蛋白（thioredoxin binding protein 2，TBP-2）和维生素 D3上调蛋白 1（vitamin D3 up-regulating protein 1，VDUP1），于1994年在1，25-二羟维生素 D-3处理的人类白血病细胞HL-60中被克隆鉴定［3］，是 α-视紫红质抑制蛋白家族中唯一一个可以与硫氧还蛋白（Thioredoxin，TRX）结合的蛋白［4］．TXNIP是氧化还原系统中的一个重要的调节因子，它可以结合到 TRX的活性半胱氨酸（Cysteine，Cys）残基上，并抑制其抗氧化功能，体现了TXNIP调节生物体内氧化过程的功能［5］；此外，它可以独立结合 TRX，并通过抑制蛋白区域介导的葡萄糖摄入及代谢重组受阻来抑制细胞生长［6－7］．从 TXNIP被鉴定为 TRX的结合蛋白及其内源性抑制因子，就被作为细胞内氧化还原应激调控的一个重要元件［8］得到广泛的研究．

在本文中，我们将介绍 TXNIP和 TRX的蛋白结构、细胞内定位以及相互作用调节氧化应激的功能．主要阐明在多数实体肿瘤及血液恶性肿瘤中 TXNIP被定义为肿瘤抑制基因（Tumor Suppressor Gene，TSG），并由于表观遗传修饰在肿瘤中被抑制，以此证明 TXNIP作为肿瘤分子治疗新靶标的潜在价值．

1 TXNIP与TRX的结构特点

人TXNIP基因位于染色体1q21．1上，包括8个外显子，全长4174 bp，编码391个氨基酸，蛋白Mr为46 000［9］．TXNIP基因高度保守，与斑马鱼和小鼠的核苷酸序列的同源性分别为 77%和 89%，这说明TXNIP很可能有重要的生物学功能［10］．TXNIP蛋白含有类抑制蛋白的 N端（10-152aa）及 C端（175-298aa），其Cys-63到 Cys-247之间的两个分子内二硫键似乎对其与 TRX的有效相互作用及抑制 TRX活性有至关重要的作用，当TXNIP C247S突变足以废除它对 TRX活性的抑制作用［8］．

TRX在细菌体到动植物等众多生物中都是高度保守的，说明 TRX系统是细胞内系统，对于细胞生存和功能作用必不可少．TRX与NADPH、硫氧还蛋白还原酶 TrxR是重要的抗氧化体系，在氧化应激条件下通过二硫化物还原酶活化保护细胞［11］．在哺乳动物细胞中存在着两种 TRX亚型，分别命名为 TRX1和TRX2．TRX1是含有二硫化物还原活性的12kDa普遍存在的蛋白［12］．TRX的主要特征是含有三个保守脯氨酸，都位于起催化作用的-Cys-Gly-Pro-Cys-基序的Cys残基之间，两个Cys残基（Cys-32和-35）在该基序中负责还原活性．这个Pro是决定TRX的还原能力的关键残基，而且用丝氨酸 Ser和苏氨酸 Thr取代它会对蛋白质的氧化还原能力和稳定性能产生重 大 影 响［13－14］．

2 TXNIP与TRX的定位

TRX1可定位在细胞质、质膜 PM、细胞膜及细胞外，而 TXR2只定位在线粒体上．研究证明只有在氧化应激状态下 TXNIP才会穿梭到线粒体上，以TRX2／TXNIP复合体发挥功能，而正常状态下都在细胞核中［15］．最近，研究发现 TXNIP也定位在质膜上［16］．Poly-ADP-ribose polymerase 1（Parp1）被发现是 TXNIP在细胞核上的一个结合蛋白，抑制 Parp1可增加人脐静脉内皮细胞（HUVECs）质膜上 TXNIP的相关定位，这表明 TXNIP从细胞核移位到质膜只与Parp1的抑制有关．核运输蛋白 importin-α已被确定为 TXNIP的结合蛋白，并且结合导致 TXNIP从细胞溶质移位到细胞核［17］．虽然还不确定 TXNIP是否可以像TRX1一样会穿梭到细胞外，但是关于TRX／TXNIP系统的特异性定位为细胞内氧化还原相关的生物学功能的研究提供一个新的思路．

3 TXNIP的肿瘤抑制机制与信号通路

在很多重要的人类肿瘤组织和癌细胞系中通过不同的方法证明TXNIP表达下调或缺失，在临床研究中，TXNIP表达水平随着癌症等级或胃癌、黑色素瘤、嗜铬细胞瘤及膀胱癌等的恶性程度升高而降低［18－19］，这也说明 TXNIP有助于控制癌症的恶性程度，TXNIP表达异常导致肿瘤发生且有时与疾病进展和不良预后相关［4，20］．

肿瘤抑制因子 p53在限制异常细胞扩张中发挥着重要作用，并被E3连接酶MDM2（mouse double minute 2）调控，MDM2靶向p53蛋白使得蛋白酶体降解，有研究表明 TXNIP可阻碍 p53-MDM2相互作用直接调控 p53蛋白增强其转录活性，并在氧化应激情况下通过调节细胞内 ROS水平维持造血干细胞能力［21］．而且 TXNIP通过阻断 TRX介导的凋亡信号调控激酶 ASK1的抑制作用，并进一步激活下游JNK／p38mapk途径或返回TRX介导的应激 ROS攻击的自我防护［5］．此外，C-Jun激活域结合蛋白1（CJun activation domain-binding protein-1，JAB1）特异性结合 p27KIP1启动核输出并随后在细胞质中引发蛋白酶体降解［22］．TXNIP与 JAB1蛋白C末端相互作用并阻碍 JAB1介导的 p27KIP1从细胞核到细胞质的转移，从而稳定p27KIP1蛋白［23］．与此同时，TXNIP也抑制 JAB1调控AP1激活和细胞增殖［24］．由此可知，TXNIP-JAB1-p27KIP1途径是 TXNIP重要的肿瘤抑制功能．同时也有研究表明TXNIP缺陷会促进 TNF-α诱导的 NF-κB激活，TXNIP通过结合Redd1可抑制 mTOR激活［25］，且 TXNIP缺失可加强Akt响应胰岛素应激时的磷酸化反应［23，26］．

4 TXNIP在肿瘤中的表观遗传沉默

TXNIP在恶性肿瘤（如白血病、淋巴瘤）中低表达，然而，TXNIP的基因变异如缺失、易位或体细胞突变并不常见［27］．因此，肿瘤中异常的 TXNIP表达可能是通过转录后和翻译机制调控的．

4．1 TXNIP基因的启动子甲基化 细胞因子独立生长的能力被认为是白血病恶性转化的一个标志．TXNIP启动子存在着高甲基化现象，其缺失或减少在氧化应激诱导的肾脏癌变过程中发挥着至关重要的作用［28］．研究发现仅在 IL-2不相关的成人 T细胞白血病（ATL）细胞系的启动子区和外显子1的CpGs被甲基化，并且在 TXNIP的启动子区存在大于49%的GC碱基位于TATA-box区附近．甲基化抑制剂5-aza-CdR（5-aza-2-deoxycytidine）处理会使 1／3甲基化的CpGs脱甲基以及 TXNIP mRNA表达抑制减弱［29］．这些都表明 DNA甲基化与白血病中 TXNIP表达沉默密切相关．

4．2 组蛋白去乙酰化介导的 TXNIP抑制 用于治疗皮肤 T细胞淋巴癌（cutaneous T-cell lymphoma，CTCL）的两种组蛋白脱乙酰酶（Histone deacetylase，HDAC）抑制剂：Suberoylanilide hydroxamic acid（SAHA）和 depsipeptide（FK228）临床发展快速，但是其分子机制尚不明确．为此，Butler等对SAHA时间依赖方式诱导的前列腺癌细胞系 LNCaP进行了基因表达分析（gene expression programming，GEP），结果发现 TXNIP随着处理时间的延长表达量增加，通过点突变实验证明 NF-Y结合序列在此起到很重要的作用［33］．HDAC抑制剂诱导的TXNIP表达减弱了 TRX的表达和在肿瘤细胞中的活性，在普通细胞中无此现象，最终引起 ROS的累积［30－31］．因此，正常细胞对HDAC抑制剂的相对耐药性，可能解释HDAC抑制剂的选择性靶向的原因．在肿瘤细胞中 RET呈高表达，它可以特异性的招募HDAC1到TXNIP靠近NFY的启动 子区，形成 HDAC1／RET finger protein（RFP）／NF-Y复合体，从而使 TXNIP基因沉默［32］．因此，这些研究提供了详细的证据证明HDAC在TXNIP表达抑制中的作用．

4．3 多梳抑制复合体 2介导的 TXNIP沉默 S-腺苷高半胱氨酸水解酶抑制剂3-Deazaneplanocin A（DZNep）会消耗EZH2和相应的H3K27me3，导致不同肿瘤模型中的细胞凋亡［33］．其作用机制根据Zhou等［4］在 AML细胞系 MOLM-14中鉴定被 DZNep影响表达的基因中 TXNIP表达上调倍数位于前三，EZH2或DZNep上调或缺失都会对TXNIP的表达产生显著影响，从而调控TRX的活性和ROS的产生，最终影响细胞凋亡．多梳抑制复合体（polycomb repressive complex 2，PRC2）-介 导 的 TXNIP 启 动 子 区H3K27me3直接导致TXNIP沉默．DZNep处理可减少 TXNIP启动子区的甲基化并恢复 TXNIP的表达．以上研究表明 PRC2复合体对 TXNIP的表观遗传抑制导致白血病生成，以及组蛋白甲基转移酶抑制剂如DZNep可能作为AML等疾病治疗的新型药物．

4．4 miRNA对 TXNIP的转录后调控 Yan等［34］在乳腺癌细胞 MCF7中通过稳定同位素标记的氨基酸蛋白组学方法证明 miRNA-373可下调TXNIP表达，且通过靶基因预测加上荧光素酶活性检测证明TXNIP是它的直接靶标．但是miRNA-373不影响TNXIP的mRNA水平，只会通过翻译抑制 TXNIP的蛋白表达．

4．5 TXNIP的转录下调 TXNIP的转录调控已经被广泛研究，Elgort等［6］第一次证明TXNIP的转录下调在细胞周期进程和代谢重组过程中同样重要．从静止期 G0期到生长期 G1期，需要高效率的糖酵解、乳酸生成及蛋白、脂类和核苷酸的生物合成．在精确控制的细胞周期模型中，证明 TXNIP的转录下调是细胞生长和代谢重组必需的．有趣的是，在 G1期早期 TXNIP蛋白水平的降低优先于它的 mRNA．TXNIP蛋白的半衰期同样是在G0和G1期，进一步研究发现，Ras-MAPK信号通路负责 TXNIP蛋白的转录抑制．

5 结语

TXNIP通过抑制 TRX的活性介导氧化应激信号通路，TXNIP缺失会促进细胞增殖及保护细胞避免细胞凋亡．经过广泛的研究和临床证明 TNIXP在很多恶性肿瘤中作为一种肿瘤抑制因子．肿瘤细胞的发生似乎有很多方式，如甲基化、组蛋白去乙酰化、组蛋白甲基化、miRNA转录后抑制，表明TXNIP的抑制作用在肿瘤发生过程中的重要性．因此，TXNIP的表达调控可能作为一种新的可行的表观遗传治疗的方法．

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R730．2

A

2095-6894（2015）02-001-04

2014-12-20；接受日期：2015-01-18

张鹏幸．硕士，技师．研究方向：胶质瘤基因治疗．Tel：029-84777469 E-mail：498163225＠qq．com

张永生．E-mail：zhangys＠fmmu．edu．cn