IRX1在肿瘤发生发展中的作用研究

涂艳阳，张鹏幸，张永生，王 樑

(第四军医大学：1唐都医院实验外科，2唐都医院，3唐都医院脑外科，陕西 西安 710038)

·述评·

IRX1在肿瘤发生发展中的作用研究

涂艳阳1，张鹏幸1，张永生2，王 樑3

(第四军医大学：1唐都医院实验外科，2唐都医院，3唐都医院脑外科，陕西 西安 710038)

易洛魁族同源盒(IRX)基因组成的含有转录因子家族的同源基因和蛋白在无脊椎动物和脊椎动物的胚胎组织中均有表达，它们参与动物各个器官的发育及生命活动的各个环节，是影响人和动物体生命活动的重要基因. 其中IRX1基因属易洛魁家族同源盒基因，是一种与胚胎发育密切相关的基因，编码参与神经系统发育的具有转录因子组合活性的家族蛋白,并在多种肿瘤的发生发展过程中起着重要的作用，可能是肿瘤形成的癌基因或者抑癌基因. 本文概述了IRX的基因组结构及其在不同种属中的分型分类，并着重阐明了IRX1在肿瘤发生发展过程中的作用以及对后生动物发育过程的影响.

IRX1;肿瘤发生发展;原癌基因;抑癌基因;肿瘤标记物

0 引言

易洛魁家族同源盒(Iroquois homeobox, IRX)基因首先在果蝇的神经发育系统研究中被发现，因易洛魁族基因突变导致动物背部侧面刚毛的形成缺失，仅留下中央一堆刚毛，使人联想到与莫霍克族相似的美洲印第安人易洛魁族，因此用地名来命名IRX基因. IRX组成的含有转录因子家族的同源基因和蛋白在无脊椎动物和脊椎动物的胚胎组织中均有表达，它们参与动物各个器官的发育及生命活动的各个环节，是影响人和动物体生命活动的重要基因[1-3]. IRX1基因与无脊椎动物和脊椎动物的胚胎发育密切相关，并且编码了参与神经系统发育的具有转录因子组合活性的家族蛋白[4],在多种肿瘤的发生发展过程中发挥着癌基因或者抑癌基因的重要作用[5-13]. 近年来，研究表明IRX1在头颈部鳞状细胞癌[5-6]、肺发育过程[7]及胃癌[8-11]中是抑癌基因，在骨肉瘤中作为一种促转移基因[12]，而在原发性肝癌中发挥着癌基因的作用[13]. 此外，IRX1参与脊椎动物的肢臂发育[14-15]，并与脊椎后侧凸的病因学相关[16]，暗示IRX1的异常表达可能会导致异常的骨形成.

本文概述了IRX的基因组结构以及在非脊椎动物果蝇和脊椎动物如人类、鼠、鸡、斑马鱼、海豚鱼等生物中的亚型分类；其次着重阐明了IRX1在多种肿瘤发生发展过程中的作用以及对后生生物发育过程的影响.

1 IRX的基因组结构

IRX基因家族成员编码高度保守的同源结构域转录因子(Transcription factors, TFs)，并在无脊椎动物(果蝇)和脊椎动物(非洲爪蟾蜍、斑马鱼、鸡和哺乳动物)的诸多发育过程中发挥基础的“prepatterning”作用[4,17-18]. 典型的DNA结合同源域转录因子含有60个氨基酸残基伴有3个α-螺旋[19]，而IRX蛋白含有一个非典型的同源域，在第一个和第二个α-螺旋中间存在3个额外的氨基酸，因此将它们归于转录因子的3-氨基酸-循环-伸展(3-amino-acid-loop-extension, TALE)家族(图1A)[20]. 此外，位于羧基端的TFs含有一个保守的序列Iro-box，由13个氨基酸残基组成[21-22].

在无脊椎动物中，秀丽隐杆线虫仅有一个Iro/Irx基因，果蝇130kb的基因组DNA上存在3个基因簇——araucan, caupolican和 mirror[2,23]；而在脊椎动物中,有6个Irx基因被鉴定并分为两类：IrxA (Irx1, Irx2, Irx4)和IrxB (Irx3, Irx5, Irx6) (图1B)，Irx1和 3, Irx2 和 5, Irx4 和 6分别为旁系同源基因. 另有研究表明IrxA和IrxB源自同一原始Irx簇的染色体复制事件[4，15，24-28].

哺乳动物小鼠基因组中，IrxA和IrxB分别定位在13号染色体25cM处和8号染色体43cM处，而在人类基因组上IrxA和IrxB分别定位在5p15.33和16q11.2-q13(图1B)[28]. 在其他脊椎动物中如非洲爪蟾蜍中未发现完整的6个Irx基因，同样直到2009年研究者们才在鸡基因组中鉴定出第六个Irx基因片段[28-29]. 另外，斑马鱼基因组上存在11个Irx基因，除了独立的zIrx7，其他基因分为IrxAa (Irx1a, 2a, 4a), IrxAb (Irx1b, 4b), IrxBa (Irx3a, 5a, 6a) 及 IrxBb (Irx3b, 5b)四簇，而且它们均由哺乳类生物Irx簇复制而来(图1C)[25].

A.IRX蛋白结构示意图; B.人、小鼠、鸡、果蝇中IRX基因组结构示意图；C.斑马鱼和海豚鱼中IRX基因组结构示意图；其中箭头的方向和距离表示基因的方向及IRX基因在染色体上的大致定位

2 IRX1在后生动物发育过程中的作用

IRX1基因是IRX家族的成员之一，编码具有核转录因子作用的蛋白. IRX编码序列均含有一段由180～183个碱基组成的保守序列，该保守序列编码的多台区域被称为同源结构域(homedomain)[21]. IRX1基因与胚胎发育的各个过程密切相关，它编码了参与神经系统发育的家族蛋白[4]. 研究表明IRX1基因在胚胎前肠、趾、体壁、眼球及果蝇翅等器官发育中发挥着重要的作用[26]，并且参与前肠来源的肺芽和小支气管发育[26]、心肌发育[30]、肾节段发育[31]等. 研究表明IRX1同源盒蛋白参与小鼠的胚胎形成过程，它早期表达在中胚层(E7.5)，随后在神经管、中脑和眼(E8.5)，在脑发育过程中更是表达显著(E10.5)，最后作用于指、趾、肺、心脏及肾脏的发育过程(E11.5-14.5)[26].

在后生动物发育过程中，IRX基因对组织和器官的区域化及形成有至关重要的意义，且有诸多研究表明IRX1在不同生物的后肢发育和形态发生过程中的基因表达模式[32]. 在人类、小鼠及鸡的胚胎手板发育和形态发生过程中，IRX1和IRX2在指形成过程均有表达[15]. 在小鼠的肢臂发育过程中，IRX1表达发生在后肢缩合及未分化区域的远侧定界，随后表达延伸到前肢，最后在预测的结合处可见[26]. 在鸡胚胎肢发育过程中，IRX1的表达仅在脚趾处[15，32-33].

3 IRX1在肿瘤发生发展过程中的作用

肿瘤发生过程中IRX1基因失活主要是由等位基因缺失和启动子甲基化共同作用的. 启动子过甲基化及重要基因的转录缺失或失活是人类癌症的主要致癌机制. 近年来，有研究表明IRX基因家族在多种肿瘤的发生发展过程中可能是肿瘤形成的癌基因或抑癌基因(表1).

表1 IRX1在肿瘤发生发展中的作用机制

3.1 IRX1在头颈部鳞状细胞癌中的作用 头颈部鳞状细胞癌(Head and neck squamous cell carcinoma, HNSCC)是一种侵袭性很高的癌症. Bennett等[6,34]通过限制性标记的基因组扫描方法对HNSCC活检整体甲基化分析，鉴定得到五种抑癌基因：SEPT9、SLC5A8、FUSSEL18、 EBF3、IRX1，甲基化程度介于27%～67%. 通过可用的临床资料和动物标本，他们还发现IRX1甲基化程度与放疗密切相关. 他们在头颈部鳞状细胞系过表达IRX1基因后发现细胞增殖和成瘤能力降低. 因此IRX1过表达似乎在HNSCC中有抑癌作用.

3.2 IRX1在胃癌发生发展中的作用 IRX1在胃癌细胞中表达显著降低，且表达水平与其启动子甲基化相关[8-11,35]. Guo等[8]的体内体外实验证明恢复IRX1表达抑制胃癌细胞的增殖、迁移、侵袭及肿瘤发生. IRX1过表达肿瘤抑制作用机制与一系列靶基因BDKRB2, FGF7和HIST2H2BE有关，这些靶基因可以减少血管生成、细胞增殖及侵袭. 此外，在胃癌患者的周边血液中检测到IRX1甲基化，暗示IRX1可能作为胃癌诊断的标记物.

随后Guo等[35]发现幽门螺杆菌感染的慢性胃炎中抑癌基因IRX1超甲基化，意味着IRX1甲基化是胃癌变的一个早期分子事件. 幽门螺杆菌感染诱导胃上皮细胞形态学改变的激活，伴随着抑癌基因IRX1启动子活性和基因表达的降低. 由于DNA甲基化是一个可逆的表观遗传事件，因此去除幽门螺杆菌结合去甲基化处理可能作为恢复IRX1活性的潜在策略.

Jiang等[10]提出在胃癌中IRX1可通过抑制BDKRB2依赖的血管生成或血管生成拟态来阻碍腹膜扩张及长距离转移. 同时通过特异性RNAi干扰BDKRB2表达后，心血管生成显著降低，说明BDKRB2可能是一种潜在的抗癌分子靶标.

3.3 IRX1在原发性肝癌发生发展中的作用 Yang等[13]研究发现肝癌组织中IRX1基因和蛋白的表达均明显高于非癌对照组，且其表达量与肿瘤的分化程度相关，肿瘤分化程度越低，其表达量越高. IRX1在肝癌组织中的阳性表达率明显高于非癌对照组，且伴随着肿瘤分期增加和分化程度的降低，IRX1阳性率越高，表明IRX1可能参与调控原发性肝癌的发生发展过程. 因此预测IRX1可能作为判断肝癌发生、检测预后、分化程度以及随访治疗的重要指标.

3.4 IRX1在骨肉瘤转移过程中的作用 骨肉瘤是一种常见的骨肿瘤，伴随着肺转移倾向. Lu等[12]研究发现IRX1去甲基化激活CXCL14/NF-κB信号通路促进骨肉瘤肺转移. 骨肉瘤患者的血清样本检测发现循环的DNA中IRX1去甲基化会降低无肺转移的存活率. 综上可知IRX1是一个促转移基因，IRX1去甲基化可作为一个潜在的分子标记物用于检测肺转移，且IRX1活性的表观遗传逆转有利于控制骨肉瘤转移.

3.5 IRX1在白血病发生发展中的作用 在MLL-AF4阳性的急性淋巴细胞白血病属于预后最差的一类白血病,该类白血病出现t(4;11)(q21;q23)染色体异常,形成MLL-AF4融合基因,对化疗耐药,即使移植后也容易复发,是血液病研究的焦点，近期研究表明IRX1可通过直接靶向HOXB4基因及间接靶向EGR基因激活两者的转录活性，并从功能上抑制MLL-AF4，其中HOXB4通常作为c-KIT、WNT和TPO信号通路的下游靶基因，并对造血干细胞的维持和扩张是必不可少的；而EGR蛋白可控制p21蛋白依赖的沉默程序影响造血干细胞. 该两种IRX1相关的活动可协助t(4;11)白血病细胞建立造血干细胞隔间[36].

3.6 IRX1在其他疾病发生发展中的作用 肺发育是间叶细胞上皮相互作用的一个高度调控过程，间叶细胞上皮相互作用整合多种调控因子在时间和空间表达对适宜的肺形成是必须的. IRX基因在果蝇及多种脊椎动物组织的肺发育过程中的作用已经被报道. Becke等[37]发现IRX1在早起的肺发育中表达；相关研究提出除草醚诱导的肺功能发育不全的早期肺癌发展过程中高表达[7,38-39].

另有研究表明IRX1是非洲爪蟾蜍前肾发育的不同阶段必需的，且均有表达[31]；此外，IRX1mRNA在胰腺癌中表达下调并伴有启动子CpG岛甲基化[40].

类风湿性关节炎是一种慢性的全身炎症疾病，其发病机理与滑膜纤维母细胞(synovial fibroblasts, RASFs)密切相关. Park等[41]研究表明启动子甲基化诱导的EBF3和IRX1基因低表达可能在RASFs的TGF-β的致病机理中发挥着重要的作用. 而且近来还有研究发现IRX1在染色体的位置5p15.3的突变与类风湿性因子的发生相关，并且IRX1和HLA-DRB1在类风湿性关节炎的相关因子的发生过程中恰恰是表达最高的[42].

由于IRX1基因参与了胃癌、肺癌、原发性肝癌等多种肿瘤的成瘤过程，以及骨肉瘤肺转移、胃癌中腹膜扩张和转移等的过程，其具有潜在的肿瘤早期诊断、治疗、转移或者作为检测肿瘤预后标志的重要作用.

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The genomic organization and function of IRX1 in tumorigenesis and development

TUYan-Yang1,ZHANGPeng-Xing1,ZHANGYong-Sheng2,WANGLiang3

Fourth Military Medical University：1Department of Experimental Surgery of Tangdu Hospital,2Tangdu Hospital，3Department of cerebral surgery, Xi’an 710038, China

Iroquois homologous gene (IRX) containing transcription factor family were widely expressed in vertebrates and invertebrates embryonic tissue expression profiles. They are involved in the development of various organism tissues and links of life activities, and play a crucial role in humans and animals life activities. IRX1, belongs to the Iroquois homeobox gene family, is closely related with embryo development. IRX1 codes transcription factor combination active family proteins involved in nervous system development, and plays different important roles in the development of a variety of tumors. IRX1 was identified as the oncogene or tumor suppressor gene in tumor formation. This paper summarized the genomic structure of IRX1 and the classification in different species. More importantly, the paper focused on explaining the key role of IRX1 in tumorigenesis and development and influence in biological processes of metazoans.

IRX1, tumorigenesis and development，genomic organization. tumor biomarker

2016-08-15；接受日期：2016-08-31

国家自然科学基金资助项目(81272419, 81572983, 81402081)

涂艳阳. 副主任医师，副教授. E-mail:tu.fmmu@gmail.com

2095-6894(2016)10-01-02

R73

A