节律基因在食管癌中的作用

邓霞李光明胡欣

(1.川北医学院,四川南充 637000; 2.南充市中心医院,四川南充 63700)

节律基因在食管癌中的作用

邓霞1李光明2△胡欣3

(1.川北医学院,四川南充 637000; 2.南充市中心医院,四川南充 63700)

节律基因通过各种复杂的分子机制控制着食管癌的新陈代谢,细胞循环和基因损伤反应。这些分子在节律基因的转录及翻译水平形成了各种正反馈及负反馈环,调节食管癌细胞的生长,从而影响食管癌患者的生存及预后。本文通过对节律基因表达与调控的的分子机制的研究,总结了节律基因在食管癌中的作用,为食管癌治疗寻找新的靶点提供理论依据。

节律基因;食管癌;时辰治疗

食管癌在全球常见肿瘤中排第八位,居肿瘤死亡原因第六位。是最具侵袭性和致死性的恶性肿瘤之一[1]。目前主要的治疗方式包括:手术、放疗、化疗、生物免疫治疗、靶向治疗等。多学科的综合治疗明显的提高了食管癌患者的生存率,但目前食管癌总的生存率在50%左右[2]。同时患者在综合治疗过程中常常因为严重的副反应而,而终止治疗[3]。为了进一步提高食管癌患者的生存率,同时降低治疗带来的副作用,有人提出了食管癌的时辰治疗,即4D治疗模式。时辰治疗:按照时间生物学的原理,根据机体生理和病理节律的特点以及治疗方法本身时间节律的特点,制定最佳干预时间的治疗方案,最终达到预防疾病、治疗疾病最佳效果的目的。简言之,就是根据时间变化实施不同治疗的理论[4-5]。多项流行病学及遗传研究显示,生理节律紊乱在乳腺癌、子宫内膜癌、前列腺癌、结直肠癌的发生发展中起到了重要作用[6]。目前还没有关于节律紊乱与食管癌发生发展相关的大样本的研究。

人体的节律中枢位于视交叉上核,其调控影响着周围组织、细胞的节律[7]。但是人体的新陈代谢波动不仅受节律基因的控制,同时受激素、药物、疾病、心理状态、睡眠质量等的影响[8]。本文主要总结了节律基因对人体节律波动的作用,并探讨各种节律基因在食管癌发生发展中的相互影响方式及作用。

1 参与食管癌负调控的节律基因

Per基因,又叫周期基因,人体的Per基因家族包括Per1、Per2、Per3,Per1基因位于染色体17p12-p13.1,约16kb,含有23个外显子,外显子长度45-820bp,所有的内含子均含有GT/AG测翼序列,为剪切点的保守序列。Per2位于染色体2q37.3;Per3位于染色体1p36.23。组织学研究显示食管癌组织与其周围正常组织比较,食管癌组织中Per基因表达低于周围正常组织的表达。且表达量与生存率、肿瘤淋巴结转移(Tumor node metastasis,TNM)分期相关,即Per基因表达越低,生存率越差及TNM分期越高。但是目前这方面的研究样本数量少且为单中心的研究,需要更大的流行病学及临床研究来证实这一观点。同时一项包含130个非小细胞肺癌患者的研究显示,Per基因的低表达可以作为非小细胞肺癌预后不良的指标。这为我们研究Per基因是否可以作为食管癌患者的预后指标提供了依据。

Cry基因,哺乳动物中,Cry基因包括Cry1和Cry2,人Cry1基因位于染色体12q23-24.1;Cry2位于11号染色体。有研究显示Cry1和Cry2是一种光依赖性抑制因子,可抑制异二聚体CLOCK-BMAL1的活化,进而间接抑制Per基因的转录[]。

Npas2基因,又名MOP4,人类最大的节律钟基因,其相对分子质量约176.68 kb,人类染色体2p11.2-2q13上,研究发现Npas2在肿瘤组织中存在异常表达。Npas2的高表达能提高乳腺癌患者生存率,与乳腺癌的预后相关[10],同样Npas2的高表达的患者较低表达的非霍奇金淋巴瘤患者具有更好的预后[11]。同时Npas2也是与前列腺癌发生发展关系最密切的节律基因[12]。全基因组芯片分析发现,目前已经确定的NPAS2的目的基因有16个,其中9个是目前认为与癌症发展相关的基因,包括:CDKN2AIP(p16相关蛋白)、CDC25A(细胞周期调节因子)、ARHGAP29、POU4F2、GNAL、CX3CL1、KDELR1、THRA、ELF4。虽然目前没有关于Naps2基因与食管癌相关的研究,但目前的研究证据支持我们将其列入食管癌的负调控基因,期待近一步的研究证实Npas2与食管癌发生、发展的直接证据。

2 参与食管癌正调控的节律基因

Clock基因,人的Clock基因定位于4号染色体长臂4q12,研究显示在Clock基因缺乏的小鼠模型中,较正常小鼠食管肿瘤的发生率并没有增加[13]。但是Clock基因突变的小鼠表现为饮食及活动状态的改变,很快发展为肥胖、高血糖症、低胰岛素血症,高血症[14]。同时又有研究显示在结直肠癌中Clock基因较正常组织高表达[15]。有意思的是,研究显示Clock基因具有促进生长停滞、DNA修复、损伤细胞凋亡的作用,其在结直肠癌、胃癌中的高表达,让很多学者依然认为Clock基因是肿瘤的正调控基因,与肿瘤的发生与发展成正相关。但是有学者的研究显示Clock基因在乳腺癌中高表达,较低表达的患者具有更好的无远处转移生存。有关Clock基因与食管癌发生发展的关系,需要进一度的研究证实。

Bmall基因,位于11号染色体短臂11p15,长32 kb,包括17个外显子。其编码产物属于Bhih-PAS转录因子家族成员,是近日节律的一个关键调节因子。Bmall基因敲除小鼠模式较正常小鼠食管癌的发生率有所提高,具有统计学意义[16]。同时Bmall基因在肿瘤组织中呈现高表达,支持其参与食管癌发生发展的正调控。

3 与食管癌相关的主要节律基因之间的相互作用

视交叉上核是人体的节律中枢,对于人体组织、细胞节律的同步性具有重要作用,但对于单个的细胞甚至组织的节律性却不是最重要的,也就是说组织中单个细胞的节律调节具有明显的自主性[17-18]。细胞自身的节律系统主要是通过细胞核的节律基因的表达与调控完成的。而参与节律基因的表达与调控的分子多种多样,这样就形成了一个复杂的细胞内的节律分子调控网络。这里我们主要总结了目前研究比较多的节律基因及参与其主要调控的分子。

Bmall和Clock、Npas2基因产物形成异二聚体:CLOCK1/ BMAL1、NPAS2/BMAL1与Per和Cry基因的启动子结合,促进Per和Cry基因的转录。反过来Per基因和Cry基因的产物抑制CLOCK1/BMAL1、NPAS2/BMAL1异二聚体的产生。可以看到Bmall基因产物必须和Clock、Npas2基因产物结合形成二聚体才能发挥其与Per和Cry基因启动子结合的作用,单独的BMALL没有这样的作用。同时DEC1 and DEC2蛋白可以与CLOCK1/BMAL1、NPAS2/BMAL1异二聚体竞争Per、Cry基因的结合位点,从而抑制Per基因和Cry基因的转录。这样的反馈环路对于正常节律的维持具有重要作用。

孤儿核受体REV-ERBα和RORα相互竞争与Bmall基因上游的启动子位点RORE结合,从而分别抑制和促进Bmall基因的表达。有研究显示,其中REV-ERBα过表达时Bmal1 m RNA表达水平降低约44%,也是能与Bmall基因结合的5种孤儿核受体:Rev-Erbα、Rev-Erbβ、RORα1、RORβ和RORγ中对Bmall基因抑制作用最强的因子[198]。同样的,REV-ERBαand RORα能够与Npas2基因上游的启动子结合,抑制和促进Npas2基因的表达,但由于NPAS2基因上的两个结合位点的距离较Bmall基因的结合位点远,以致REV-ERBα和RORα对于Bmall基因的作用更强[20],而这样的作用差异带来的生物意义我们还不得而知。但是REV-ERBα和RORα对于多种基因转录不同程度的调节,更有利于形成更加准确和精细的节律调节系统。CLOCK1/BMAL1异二聚体能结合并转录激活Rev-Erbα上E-box元件,从而激活并上调其表达。这样就使得节律调节分子之间联系更加紧密、复杂,从而使节律系统更加稳定和精细。

4 节律基因在食管肿瘤细胞周期中的作用

细胞周期失调和细胞凋亡的抑制在食管癌的发生发展中具有重要作用,节律基因的表达调控影响着食管癌细胞的细胞周期,从而影响着食管癌的发生发展。手术、环境、药物、遗传因素等导致的人体节律失调,将增加食管的发生风险,同时降低已患食管癌病人的预后。已有研究显示轮班工作是肿瘤的风险因素[21]。细胞节律和细胞周期都可以认为是生物体内共存的振荡器,它们通过基因的转录和转录后的调控来实现周期性变化。同时细胞节律和细胞周期又相互影响。而对于单细胞生物体而言,我们甚至将细胞周期和细胞节律认为是非独立的过程。目前大多数人支持细胞周期和细胞节律为双向耦合的观点[22]。本文主要谈论节律基因对于细胞周期的影响。

细胞周期是指细胞从一次分裂完成开始到下一次分裂结束所经历的全过程,通常我们认为包括G1、S、G2、M期。在G1期,REV-ERBαand RORα/γ调节CKI P21的转录[23]。CKI P21在细胞周期负调控中具有重要作用,确保细胞周期高度时序。在G1到S期过渡阶段,NONO依赖Per基因的转录产物调节p16-Ink4A的表达[24],p16-Ink4A在启动DNA复制阶段具有重要作用;Cry基因调节着CHK1/ATR的活性,从而调节细胞G1到S期的过渡。在G2到M期,CLOCK1/BMAL1异二聚体调控WEE1激酶的转录,Wee1蛋白激酶是丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶家族的一员,其主要通过抑制Cdc2的活性对细胞周期进行调控,进而抑制细胞进行有丝分裂;Per基因通过CHK2-ATM控制着细胞G2到M期的顺利进行。我们可以看到节律基因参与了细胞周期的每个阶段,对于细胞周期的顺利进行具有重要作用,对于食管癌细胞同样具有这样的细胞周期,节律基因通过以上相同的机制调控着食管癌细胞的周期节律。

目前关于节律基因与肿瘤的发生发展的关系的研究,主要还是集中在流行病学和组织学的研究,而且不同的国家、不同研究者的研究结果存在差异甚至矛盾,关于节律基因如何影响肿瘤的发生发展的机制研究较少。单一的比较节律基因在肿瘤、瘤旁和正常组织表达的高低不能直接说明节律基因对于肿瘤发生发展到底起到了怎样的作用。需要更多的大样本的随机双盲对照试验来证实节律基因与肿瘤发生发展的关系,需要更多的基础研究来展示节律基因是通过怎样的机制来影响肿瘤的发生发展的。在分子、细胞、组织和生物体水平,节律基因系统都为我们提供了一个研究癌症机制和抗癌理论的一个非常有价值系统。期待对于节律基因系统的研究能为我们防治癌症提供宝贵的理论依据。

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Clock genes:their roles in esophagus cancer

Deng Xia1,Li Guang-ming2△,Hu Xin3
(1.North Sichuan Medical College,Sichuan Nanchong 637000; 2.Nanchong Central Hospital,Sichuan Nanchong 637000)

2015-7-6)

邓霞,女,川北医学院在读研究生,主要从事肿瘤放化疗, Email:944836454@qq.com。

△通讯作者:李光明,男,教授,主要从事肿瘤放化疗,Email:ligm99999 @163.com。