外界刺激下肿瘤细胞中早反应基因5相关生物学功能的研究进展

赵现哲丁立新刘晓丹周平坤姜晓燕 * 丁库克*

( 1．中国疾病预防控制中心辐射防护与核安全医学所放射生态研究室，北京 　100088；2．军事医学科学院放射与辐射医学研究所，北京 　100850 )

早反应基因5(immediate early response gene 5，IER5)是慢动力早期反应基因家族成员之一，由Williams等[1]发现并命名，且在众多动物体内均发现该基因的表达，人的IER5基因位于1号染色体1q25.3处，cDNA全长2 369 bp。IER5基因作为慢动力早期反应基因家族中的一员，是一种富含脯氨酸且具有多个核酸位点的蛋白质，人IER5基因可编码308个氨基酸，其蛋白分子相对质量约33.7 kD，为核内蛋白，在进化过程中具有高度保守性[1-2]。 2006年，周平坤等[3-5]为寻找辐射敏感基因，采用基因芯片技术筛选对辐射可诱导mRNA表达上调的基因，其中就有IER5。近年来的研究表明，IER5基因具有广泛的生物学功能，其表达抑制可加速细胞周期进程，也可提高细胞的辐射抗性，它还可作为评估辐射剂量的标志物，在肿瘤的增殖和凋亡中扮演着重要角色[6-9]。 2011年，李莉等[10]利用RNA干扰技术成功构建了特异性抑制IER5基因的IER5-siRNA-HeLa细胞系，为研究IER5基因辐射诱导表达机制及揭示IER5生物学功能奠定了基础。本文就近年来有关外界刺激下肿瘤细胞中IER5相关生物学功能的研究进展研究作一概述。

1　外界刺激时IER5的应激性反应

HeLa细胞在热压力作用下，IER5与热休克因子(heat shock factor 1，HSF1)可发生相互作用。Ishikawa等[11]研究发现HeLa细胞在热压力作用下，IER5的表达量上调，导致细胞周期G2期阻滞，从而对热压力造成的DNA损伤进行修复，并对不能修复的细胞进行识别，诱导其凋亡。其中诱导IER5表达的是HSF1，HSF1在正常状态下是以磷酸化状态存在，而IER5启动子区域包含有HSF1结合位点，即HSF1是通过诱导IER5的表达来对外界刺激作出反应。IER5与HSF1的去磷酸化有关，IER5通过与蛋白磷酸2A(protein phosphatese 2A，PP2A)及其副族调节蛋白共同作用来使HSF1去磷酸化[12]。去磷酸化的HSF1进入细胞核后可以激活HSF1的靶基因即热休克蛋白(heat shock protein，HSP)家族基因，其中包括HSP70基因，而这些靶基因的表达对细胞自我修复，细胞周期和排已等功能起着关键作用。在HSP70基因中含有热休克元件(heat shock element，HSE)序列，而HSE序列正好是HSF1基因的识别序列，它可有效诱导HSF1的转录[13]。即在热压力条件下HSF1可以刺激IER5的转录，而IER5与PP2A及其副族调节蛋白共同作用可以使磷酸化的HSF1去磷酸化，去磷酸化的HSF1进入细胞核后又可以激活对细胞具有修复功能的HSP家族基因，而HSP家族基因中HSP70基因的HSE序列又可以诱导HSF1基因的转录，整个过程显示IER5是HSF1的正反馈调节者，通过IER5的调节作用诱导HSP家族基因的表达，让细胞从热休克中有效恢复，对不能识别修复的即诱导其凋亡。而且在有无热压力的条件下均能刺激HSF1转录。这对HeLa细胞应对外界刺激迅速作出反应和损伤细胞进行及时修复具有重要意义[12-13]。

2　辐射条件下IER5的表达

辐射条件下，肿瘤细胞中IER5表达量升高，从而促进细胞凋亡。丁库克等[15]通 过对HeLa细胞和AHH1细胞进行60Co γ射线照射后发现IER5表达量升高，并出现明显的细胞凋亡现象，同时也发现AHH1细胞比HeLa细胞更敏感，更容易诱导IER5基因表达。之后丁库克等[15]又进一步将人的4种肿瘤细胞(肝癌HepG2、乳腺癌MCF-3、肺癌A549、脑瘤BT125)接种到裸鼠皮下，待肿瘤块生长至约1.00 cm×1.00 cm时，采用γ射线照射裸鼠，利用实时荧光定量PCR技术发现4种肿瘤细胞中IER5的mRNA均出现明显升高，而且也发现肝癌、乳腺癌细胞比脑瘤、肺癌细胞对辐射更敏感[15]，这也为肝癌、乳腺癌的临床放疗方案优化提供了理论依据。基于上面的研究，丁库克等提出IER5基因有可能成为宫颈癌与肝癌新的辐射损伤生物标志物，对宫颈癌与肝癌放疗具有潜在的应用价值。刘洋等[16]通过实验也发现宫颈癌肿瘤组织中IER5的表达量和肿瘤大小有关，并且提出了IER5蛋白可以作为一种潜在的宫颈癌放疗增敏剂，也可以作为一种预测宫颈癌细胞放射敏感性的生物标记物。

GC结合因子(GC binging factor，GCF)是顺式调控元件，对IER5的表达起负性调控作用。史海敏等[17-18]通过基因转染构建了GCF-shRNA-HeLa单克隆细胞系，发现受辐照的HeLa细胞中IER5蛋白表达量随着辐照剂量的增加而增加，同时在照射后随着辐照时间的延长其表达量出现先上升后下降。之所以出现这种趋势，可能是随着照射剂量增加，顺式调控元件GCF对IER5的抑制作用不断减弱，IER5的表达增多可进一步启动细胞内的自我修复和识别机制，损伤较重的细胞不断被诱导凋亡，从而IER5表达量减少，出现下降趋势。这种剂量和时间效应关系对我们在肿瘤放疗剂量的选择以及辐射后施加一些放疗药物的时间选择方面均有一定的指导作用，为IER5基因在临床中的应用奠定了理论基础，也有助于我们寻找对辐射敏感的生物标记物。在IER5的调控下，损伤较轻的细胞进行自我修复，而肿瘤细胞分裂较旺盛，对辐射敏感性强，因此在辐射诱导下自我修复能力较弱，出现大量凋亡现象。同时研究[18]也发现在宫颈癌放疗后IER5的表达量与照射剂量有关，而与放疗后临床效果无关。Asano等[19]通过实验也发现IER5可以被各种分裂素如血清等刺激诱导表达，我们也发现IER5在宫颈癌细胞中高表达，这些说明了各种不同的刺激和致癌基因信号都可以诱导IER5的表达。YANG等[8]通过转染IER5质粒发现IER5过表达时可以抑制肝癌细胞增殖，且在放疗和顺铂诱导下IER5表达量升高，细胞生存率下降。这说明IER5对肿瘤细胞的生长增殖具有重要意义，有望成为肿瘤靶向治疗潜在的新靶点。

3　IER5基因与p53

p53基因属于抑癌基因家族，与热休克因子HSF1一样，都可以调节压力反应，帮助受压迫的细胞修复。正常情况下，p53可以激活抑癌基因的表达，同时它的一些靶基因[20-22](如p21、cyclin、Gadd45、AEN等基因)具有调节细胞周期阻滞、DNA修复、细胞死亡、新陈代谢和体内平衡等作用，在压力条件下这些靶基因可以通过清除一些不可修复的细胞，诱导其凋亡。但p53又是人体内突变频率最高的基因，在p53基因发生突变的情况下，因不能有效诱导抑癌基因的表达，进而可能导致肿瘤形成，在压力条件下，p53的生存反应可能会通过新陈代谢发生改变如营养剥夺，让一些本该发生凋亡的细胞存活下来[19]。

Asano等[19]通过芯片技术对IER5启动子序列进行分析，发现在其启动子区域附近有两个p53结合位点，将其命名为 RE1和RE2，分别位于IER5基因下游46 kb (RE1)和11 kb (RE2)的位置。他们通过实验观察到RE2是超强子结合位点[23]，p53通过与RE2或者RE1结合有助于运行轨迹上高阶染色质结构的形成，而高阶染色质结构形成时，RE2定位在IER5启动子附近，对IER5启动子基因起作用，因此认为p53是通过RE2作用于IER5，诱导IER5基因表达。该研究表明许多肿瘤细胞需要通过超强子去驱动关键致癌基因才能形成肿瘤[24]。因此把超强子和IER5基因的表达联系起来，可以看出IER5基因很可能是肿瘤形成的一个重要基因，该研究也发现IER5在肿瘤细胞锚定增殖及非依赖性生长中也有重要的作用[19]。HSF1在肿瘤细胞的形成和增殖中也发挥着重要的作用，癌细胞中IER5被生长因子刺激后过表达，激活HSF1，HSF1又激活和肿瘤形成相关的基因(包括HSP家族基因)[11-13]。在此过程中HSF1会受到p53和IER5的调控。而IER5基因是p53的靶基因，而当p53功能缺失或突变如野生型p53形成时可能导致肿瘤的形成[19]，因此可以说他们都具有促进肿瘤形成的潜质。

4　IER5参与细胞周期调控

生物信息学分析显示在IER5启动子区域有3个顺式调控元件，其中包括GC结合因子(GC binging factor，GCF)和核因子I(nuclear factor I，NFI)，GCF对IER5的表达起负性调控作用，NFI对IER5起正性调控作用。丁库克等[6，25]证实HeLa细胞中GCF和IER5启动子结合可抑制IER5的表达，而在辐射条件下这种抑制作用逐渐消失，IER5的表达量随着辐射剂量的增加而增加，同时也观察到部分受照射的HeLa细胞出现了凋亡现象和G2期阻滞。而一部分处于G2期的细胞在接受辐照后发生细胞周期解偶联现象即处于G2期的细胞既不发生G2期阻滞也不进入有丝分裂M期，而是返回S期继续进行DNA复制形成巨核，直到死亡。细胞周期解偶联现象也是辐射诱导凋亡的重要方式[26-27]。其原因可能是因为p21功能缺失或者p53表达异常所致，目前尚无确切定论[22，26-27]。

关于IER5在辐射损伤诱导G2期阻滞的机制，国内外学者做了大量的研究。Beatrix等[28]报道Cdc25B是细胞从G2期过渡到M期的重要的周期调控蛋白，当Cdc25B表达量减少时发生G2期阻滞。Nakamura等[29]通过生物信息学技术发现Cdc25B启动子有多个转录因子结合调控元件，其中包括SP1、SP3和NF-YB，而NF-YB与Cdc25B启动子结合可促进Cdc25B转录。研究[29-31]表明，在辐射等刺激条件下在肿瘤细胞中IER5竞争性的结合Cdc25B启动子转录因子结合位点，抑制Cdc25B启动子与NFYB的结合，从而达到抑制Cdc25B的表达进而影响肿瘤细胞周期与有丝分裂的进程，使肿瘤细胞阻滞在G2/M期。

5　展　望

IER5基因作为一种细胞对外界刺激做出反应的早期反应基因，在保证机体正常的生命活动中意义重大，因此具有重要的研究价值。近年来国内外对于IER5在肿瘤细胞放疗方面有许多研究，对IER5生物学功能的认识也在不断深入。在放射治疗中IER5的表达量与照射剂量和肿瘤大小相关，因此它可以作为放射敏感性的标记物，对放疗方案的制定和优化具有临床意义。目前对于在突变的p53基因与IER5作用情况下促进肿瘤的形成与IER5过表达抑制肿瘤细胞的生长方面存在怎样的关系我们还不得而知，因此还需要进一步研究，如能明确这种关系，将对临床肿瘤的防治具有重要意义。

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