ATF4基因与肿瘤

王慧 刘勤江

[摘要] 转录激活子4（ATF4）属于ATF/CREB家族，在缺氧、氨基酸缺失、氧化应激和内质网应激等应激反应中发挥重要作用。在多数肿瘤中ATF4表达上调，并能增强肿瘤的缺氧耐受和促进肿瘤的生长及血管生成因子的表达，进而参与调节肿瘤发生发展的相关过程。因此，ATF4可能成为肿瘤治疗领域中的潜在新靶点。本文通过复习相关文献对ATF4基因在肿瘤研究中的相关进展进行综述。

[关键词] 肿瘤；转录激活子4；内质网应激

[中图分类号] R730 [文献标识码] A [文章编号] 1673-7210（2018）06（c）-0036-04

[Abstract] Activating transcription factor 4 （ATF4） belongs to the ATF/CREB family and plays an important role in stress responses such as hypoxia， amino acid deletion， oxidative stress and endoplasmic reticulum stress. In most tumors， the expression of ATF4 is up-regulated， and it can enhance the hypoxia tolerance of tumors and promote the expression of tumor growth and angiogenic factors， and then participate in the process of regulating the development of tumor. Therefore， ATF4 may be a potential new target in the field of tumor therapy. This paper reviewed the related advances of ATF4 gene in tumor research.

[Key words] Tumor； Activating transcription factor 4； Endoplasmic reticulum stress

转录激活子4（activating transcription factor 4，ATF4）是一种普遍的胁迫反应响应基因，被称为环腺苷酸（cAMP）连接效应元件2（CREB2），同时也是综合应激反应途径中的重要响应器，属于激活转录因子/循环AMP反应元素结合蛋白（ATF/CREB）家族，在由缺氧、氨基酸缺失、氧化应激和内质网应激（endoplasmic reticulum stress，ERS）等应激信号诱导的反应中发挥重要作用。近年来，许多研究发现，ATF4表达在多种肿瘤中上调，并参与调节肿瘤进展的相关过程，这提示ATF4有可能成为肿瘤治疗的潜在新靶点。

1 ATF4基因

ATF4基因定位于22号染色体的q13.1，大小约2122 bp，含有3个外显子，编码蛋白包含351个氨基酸，属于ATF/CREB家族[1]。ATF家族是一群含有碱性亮氨酸拉链区域（bZIP）的转录因子，而此区域与蛋白之间的相互作用有关，该家族成员除了ATF4外还包括ATF1、CREB/CREM、CREB314、CREB-H、ATF2、ATF3、ATF6、ATF7、B-ATF和ATFX（也称为ATF5），根据每个激活子与cAMP的结合位点不同可以区分各个成员[1]。人类的ATF4 mRNA在多种组织和肿瘤细胞株中均广泛表达，其结构包括位于非编码区（5'UTR）的3个短的开放阅读框（open reading frames，OFRs），OFRs参与调控内质网应激和缺氧等应激反应，并对ATF4的翻译具有抑制作用[2]。ATF4蛋白由多个基质构成，这些基质在ATF4的二聚化、DNA结合和调节ATF4蛋白稳定性的过程中有重要作用[3]。

ATF4是一种应激反应响应基因，在缺氧、氨基酸缺失、ERS、氧化应激和其他一些胁迫因子刺激下，其表达上调。研究显示，在人类癌细胞的翻译前水平，人表皮生长因子受体（epidermal growth factor receptor，EGFR）3和4的组合配体能够诱导ATF4的表达，另外，氨基酸和葡萄糖的剥夺也能诱导ATF4 mRNA转录[4]。而在ATF4 mRNA翻译水平的调控中，主要是由PERK蛋白激酶磷酸化真核起始因子2（eukaryotic Initiation Factor 2，eIF2）发挥作用，eIF2的α亚基被磷酸化后会导致大部分蛋白的翻译减少，但是eIF2可通过作用于ATF4基因非编码区的uORFs，特异性地诱导ATF4 mRNA的翻译增加[5]。此外，在正常条件下，ATF4蛋白的稳定性通过E3类泛素连接酶-SCF β TrCP（Skp1-Cullin-F-box）复合物和组蛋白乙酰转移酶p300（histone acetyltransferase p300，HAT p300）来调节，这一过程与ATF4基因的N端区域相互作用[6]。

2 ATF4功能

ATF4最初被认为是转录抑制因子，通过与增强子结合蛋白（CCAAT/enhancer binding protein，C/EBP）相互作用，可以抑制长期的突触变化和记忆形成，这种转录抑制效应是ATF4作为长时间记忆储存功能的基础，在小鼠中ATF4抑制效应的减弱会降低海马依赖的长期突触增强和记忆储存的阈值[7]。同样，ATF4基因也可作为一个转录激活因子，能够诱导某些基因的表达，如血管内皮生长因子（vascular endothelial growth factor，VEGF）和与氨基酸代谢有关的基因。另外，它也可作为调节细胞对应激因子（如ERS和氨基酸缺失等）适应的保护基因，以及骨骼、眼睛发育和造血所需的发育基因[1]。在细胞核内，ATF4基因可通过C/EBP-ATF反应元件结合靶启动子，从而參与氨基酸合成、蛋白质正确折叠及降解、氧化还原平衡、自噬和凋亡等相关基因激活的转录调控过程[8]。

研究表明，当肿瘤细胞的供氧不足和营养物匮乏时，内质网会发生应激反应，蛋白质在内质网中进行加工折叠时需要氧气及能量，由于氧气和能量的供应不足而导致蛋白质的错误折叠，从而诱导内质网的应激发生[9]。ATF4基因是细胞中的主要转录调控元件，其通过与C/EBP同源蛋白的启动子结合，在ERS情况下，诱导激活相关基因的表达来促进蛋白的正确折叠和残留蛋白的降解[10]。另有研究证实，在转基因小鼠中，ATF4基因在眼部发育、细胞增殖、造血、骨骼发育、生育力、长期记忆储存以及突触可塑性等方面均发挥了重要作用，若ATF4基因缺失，小鼠则表现为盲眼、发育不良、贫血和低骨等特征[1]。同样有研究结果表明，ATF4在成骨细胞分化和骨形成中起重要作用，若ERS发生在成骨细胞分化过程中，会激活PERK-eIF2 α-ATF4信号通路，然后促进成骨所必需的基因表达，如骨钙素和骨唾液蛋白等基因[5]。

3 ATF4基因與肿瘤

人体肿瘤的生长和进展导致组织细胞生存的环境常处于缺氧和营养物质匮乏的状态。因此，在快速生长及扩散的癌细胞中常会发生内质网应激反应，肿瘤细胞也会产生一系列的反应来适应这种应激状态。有研究指出，与正常组织相比，ATF4蛋白在原发性人类肿瘤中具有很高的水平，这是由肿瘤周围微环境因素的诱导造成的[1]。近年来，许多研究发现，ATF4表达在多种肿瘤中上调，并参与调节肿瘤进展相关的过程，因此，ATF4有可能作为肿瘤治疗领域中一个潜在的新靶点，为靶向药物的研发提供新的思路和途径，具有很大的吸引力和研究价值。

在食管鳞状细胞癌中，ATF4通过促进基质金属蛋白酶-2和基质金属蛋白酶-7的表达来促进肿瘤细胞的侵袭和转移，并与癌预后有关，研究人员推测，ATF4是食管鳞癌预后的一个潜在生物标志物，它的失调可能在食管鳞癌细胞的浸润和转移调控中起着关键作用，可为阻断食管鳞癌转移的治疗提供新策略[11]。同样在头颈部鳞状细胞癌中，研究证明顺铂诱导促凋亡BCL-2家族蛋白Noxa的表达，而Noxa的上调对顺铂诱导p53缺失的肿瘤细胞凋亡至关重要，研究进一步发现，在CREB/ATF转录因子中，ATF3和ATF4由顺铂诱导，随后ATF3和ATF4结合并协同激活Noxa启动子，并且ATF3或ATF4的上调增强了顺铂诱导的Noxa表达[12]。另外，在肺癌中研究发现，与正常的肺组织相比，ATF4蛋白的245位点丝氨酸被磷酸化（p-ATF4）在非小细胞肺癌中表达增加，并与非小细胞肺癌的淋巴结转移和晚期TNM分期有关，这些结果表明，p-ATF4表达水平增加可能有助于非小细胞癌的发展，也可能是一个潜在的癌症标志物[13]。而在上皮性卵巢癌中，ATF4在正常卵巢组织、良性卵巢肿瘤、交界性卵巢肿瘤及上皮性卵巢癌中阳性表达率依次递增，并且其表达强度与组织病理学分级、临床分期、组织类型及有无淋巴转移呈正相关，研究结果提示ATF4表达的增加可能在上皮性卵巢癌的发生、分化进展中起重要作用，有可能成为上皮性卵巢癌靶向治疗的分子靶点和检测预后的重要指标[14]。另有研究发现，在体外条件下ATF4的过表达能促进乳腺癌细胞的生长，同时在小鼠乳腺癌模型中，ATF4通过增强M-CSF和HIF-1α的表达来提高巨噬细胞的招募能力和促进血管新生，从而促进肿瘤的生长[15]。

目前，对于ATF4在肝细胞发生氧化应激过程中的作用还未明确。但有研究显示，在小鼠中ATF4的缺失可以保护小鼠不患高碳水化合物饮食所致的脂肪肝，以及给小鼠喂食高脂肪食物时不会发生非酒精性脂肪肝病[16-17]。还有研究表明，在小鼠肝脏中抑制ATF4的表达可以保护小鼠不受高质饮食引起的氧化应激和三酰甘油堆积造成的伤害[18]。此外，也有研究发现，在人类肝癌组织和肝癌细胞系中ATF4 RNA表达明显下降，而且ATF4的表达水平与肝肿瘤大小有一定负相关性，ATF4的低表达与肝癌患者较短的生存期及预后相关，相反ATF4的过表达会抑制肝癌细胞的增殖、降低肝肿瘤细胞克隆形成的能力、上调肝癌细胞G1期的比率及增加肝癌细胞内活性氧的含量，并且ATF4的过表达可显著促进肝癌细胞凋亡[19]。尽管研究结果显示ATF4在肝癌组织中的表达降低，且对肝癌患者的预后有影响，并有明显的抗肿瘤增殖效果，但是其具体机制和作用还需进一步研究，以明确ATF4表达水平与肝癌发生发展的相关性。而在结肠癌中，有研究表明结肠癌细胞依赖于β-连环蛋白和独立的Wnt信号传导途径来生长、增殖，在非经典的Wnt信号通路中，ATF4和ATF2能够对多种靶基因的表达进行调控。此外，ATF4和ATF2的沉默导致靶基因PLOD2、HADH和LCOR的表达下调，结果显示ATF4可能涉及Wnt信号传导，从而可能影响癌细胞的生长和增殖[20]。

甲状腺癌是常见的内分泌恶性肿瘤。近年来，全球甲状腺癌发病率以6%速度逐年上升，且女性的发病率高于男性[21]。有关研究发现，甲状腺癌细胞中的蛋白酶体抑制会引起ATF4的积累，ATF4再通过与CCAAT/增强子结合蛋白同源蛋白（CCAAT/enhancer-binding protein homologous protein，CHOP）启动子的AARE1元件结合诱导CHOP的表达，从而参与细胞凋亡[22]。另有研究表明，ATF4是甲状腺髓样癌（medullary thyroid carcinoma，MTC）的一个候选肿瘤抑制基因，在敲除ATF4基因的小鼠中发现，ATF4敲除后引起甲状腺旁细胞增生，这是MTC的癌前病变过程，在MTC肿瘤细胞中，ATF4的高表达能降低肿瘤细胞的存活率及阻断RET基因下游信号通路的激活，同时又通过促进RET蛋白的泛素化来降低RET蛋白水平，相反ATF4的表达下降或丢失与RET蛋白水平呈负相关，并与MTC患者的低生存率有关，因此ATF4可能是将MTC高危患者与具有较长生存期的患者区分开来的分子标记[23]。同样的研究指出，在MTC细胞中敲出RET基因后能激活ATF4的表达，随后ATF4通过活化下游的促凋亡基因如NOXA、PUMA等的表达，来诱导肿瘤细胞凋亡[24]。此外，也有研究发现在喉癌组织中，ATF4的高表达与喉癌的发展、浸润和转移有关，由于缺氧及营养物不足等因素，诱发喉癌细胞出现ERS，从而使免疫球蛋白重链结合蛋白（GRP78）与PERK蛋白解离，而与非折叠蛋白结合，进而激活ATF4因子并使其表达上调，然后ATF4再作用于VEGF使其表达增加，从而刺激肿瘤血管生成，为喉癌细胞的生长、转移提供营养物，同时ATF4会随着GRP78蛋白含量的增加而增加，它们在喉癌的发生、发展和转移过程中扮演重要的角色[25]。

4 小結

ATF4是一种应激反应响应基因，也是调节细胞适应应激反应的保护基因和器官发育所需的发育基因。与正常组织相比，ATF4在多数肿瘤组织中的表达水平较高，并受肿瘤周围微环境信号如缺氧、氧化应激和ERS等调控。此外，ATF4能诱导VEGF的表达，不仅在与血管反应相关的心血管系统的血管损伤中发挥重要作用，而且体外条件下还有明显的抗肿瘤增殖效应[26]。故ATF4在肿瘤的靶向治疗领域中具有极大的吸引力，很有可能成为肿瘤治疗的特定靶点。因此，针对ATF4在肿瘤中的价值还需要进一步的研究，以明确ATF4在肿瘤发生发展过程中的具体作用和机制。

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