Rad51基因在癌症中的研究进展

朱琳



Rad51基因在癌症中的研究进展

朱琳

430063 湖北，武汉市武昌医院药学部，Email：zhul_1024@ sina.cn

癌症是世界范围内的公共卫生健康问题，位居死亡原因第二位。预计 2019 年美国癌症新发病例 1 762 450 例，死亡病例 606 880 例[1]。当电离辐射、缺氧、化疗药物等因素刺激细胞时可造成 DNA 损伤，其中以 DNA 双链断裂（double strand breaks，DSBs）最为严重，其修复方式包括非同源末端连接（non-homologous end joining，NHEJ）和同源重组（homologous recombination，HR），HR 有效性和准确性较高，对维持基因组的稳定和正常的生命功能起着重要的作用[2-3]。Rad51 是 HR 的中心分子，参与 DNA 损伤应答和细胞周期等信号通路，并在乳腺癌、肺癌、卵巢癌、胰腺癌和结直肠癌等恶性肿瘤中过表达[4]，与肿瘤细胞的侵袭转移和化疗抵抗密切相关。本文主要介绍了 Rad51 的结构、功能以及它在多种恶性肿瘤中的研究进展。

1 Rad51 的结构

Rad51 基因定位于第 15 号染色体，具有 9 个外显子和 8 个内含子，编码一条由 339 个氨基酸组成的多肽。DNA 分子大小约 30 kb，具有 DNA 依赖性 ATP 激酶活性[5-6]。它是 DNA 同源重组的主要关键酶之一，对维持基因组稳定具有极其重要的作用。XRCC2、XRCC3、Rad51B（Rad51L1）、Rad51C（Rad51L2）和 Rad51D（Rad51L3）均为 Rad51 的同系物，与 Rad51 共同参与 HR 修复过程[7]。

2 Rad51 的功能

2.1 Rad51 与肿瘤侵袭转移的关系

尽管癌症治疗有了新的进展，但是转移依旧是肿瘤复发的主要原因之一。Woditschka 等[8]比较了 23 对人乳腺癌原发灶和脑转移组织的基因表达谱芯片，发现与 DNA 损伤修复相关的基因在脑转移组织中高表达，包括BARD1 和 Rad51。于 MDA-MB-231 脑转移动物模型中心内注射外源因子 BARD1 或 Rad51，发现脑转移增加了 3 ~ 4倍；相反，于 4T1 细胞中沉默 Rad51，脑转移减少了 2.5 倍，说明 Rad51 表达水平与乳腺癌细胞发生脑转移呈正相关。Wiegmans 等[9]采用免疫组化分析 235 例散发性乳腺癌组织，发现 17.8% 患者细胞核中 Rad51 高表达。沉默 Rad51 基因后，c/EBP β 转录活性降低近 80%，且 MMP11、MMP13、TGFβ 和 SMAD2 启动子处 c/EBP β 富集减少，乳腺癌细胞转移减少，小鼠肿瘤生长受抑，提示 Rad51 可能与 c/EBP β 作为共复合物发挥促乳腺癌细胞转移作用。

2.2 Rad51 与肿瘤化疗抵抗的关系

化疗药物可致肿瘤细胞 DNA 双链断裂，若 HR 修复过于活跃，将导致肿瘤细胞对化疗耐受；反之，将对化疗增敏。Liu 等[10]分别比较了 TCGA 数据库中 468 例样本和 Bagnoli 数据库中 130 例样本，发现上皮卵巢癌患者 miR-506 高表达，且该群患者具有更优的无进展生存期和总存活例数。使用纳米粒携载miR-506 作用于原位卵巢癌小鼠，发现 miR-506 通过与 Rad51 mRNA 的 3' 端结合降低 Rad51 表达，使肿瘤组织对顺铂和奥拉帕尼增敏。Huang 和 Mazin[11]也发现 Rad51 特异性小分子抑制剂可通过减少 Rad51 表达和 DNA 链间交换，提高顺铂治疗乳腺癌的效果。虾青素具有广泛的药理作用，如抗炎[12]、抗氧化[13]、抗肿瘤[14]以及增强机体免疫活性等[15]。Ko 等[16]将其作用于非小细胞肺癌（non-small-cell lung cancer，NSCLC），发现 Rad51 和 p-AKT 表达降低，细胞存活率和增殖能力减弱；相反，若持续活化 AKT，该下调作用可被逆转。联合应用 P13K 抑制剂或 Rad51 siRNA 可进一步增强虾青素对 NSCLC 的细胞毒性和增殖抑制作用。此外，吉西他滨（gemcitabine，GEM）作为抗嘧啶代谢的化疗药物，临床中也常被用于治疗 NSCLC。Tsai 等[17]发现 NSCLC 经 GEM 处理后，磷酸化丝裂原活化蛋白激酶激酶（mitogen-activated protein kinase kinase，MKK）、胞外信号调节激酶（extracellular signal-regulated kinase，ERK）、AKT、Rad51 mRNA 及蛋白表达水平升高。当分别采用 MKK1/2 和磷脂酰肌醇 3-激酶抑制剂后，吉西他滨诱导的 Rad51 上调被抑制，阻断 ERK1/2 通路、降低 AKT 活性或沉默 Rad51 后，NSCLC 对 GEM 增敏，细胞凋亡增多。以上结果均说明降低 Rad51 表达，可使肿瘤细胞对化疗药物增敏，提高顺铂、奥拉帕尼、虾青素和 GEM 的治疗效果。

合成致死是 1922 年在果蝇中首次观察到的一种遗传现象，是指两个致死基因中任何一个突变不能导致细胞死亡，而当两者同时突变时就会致死[18]。聚腺苷酸二磷酸核糖聚合酶[poly(ADP-ribose)poly-merase，PARP]是一种单链 DNA 修复酶，辐射和致 DNA 损伤药物诱导 PARP 活化，增强 DNA 修复能力，产生原发或继发性耐药[19]。Zhao等[20]研究发现 PTEN 可促进 DNA 修复和 Rad51 表达，若将 Rad51 抑制剂和 PARP 抑制剂同时作用于 PTEN 缺陷型三阴性乳腺癌细胞，发现 Rad51 下调并且该细胞对PARP 抑制剂增敏。尽管 MTT 结果没有表现出显著的差异，但是 Rad51 抑制剂和 PARP 抑制剂合成致死的潜能也为野生型 PTEN 乳腺癌患者的个体化治疗提供了新的思路。此外，另一项研究[21]发现 GEO 数据库中乳腺癌组织 CtIP mRNA 水平显著低于正常乳腺组织，且 CtIP 低表达和 p53 突变、淋巴结转移、PR 期显著相关。当放疗引起 DNA 双链损伤后，若沉默 CtIP，则 Rad51 焦点形成减少，HR 修复能力降低，肿瘤细胞对 PARP 抑制剂增敏，肿瘤生长受抑。miRNA 是一类内源性非编码 RNA，参与肿瘤细胞增殖、凋亡、转移和血管生成等一系列重要过程[22]。Wang 等[23]研究发现，在骨肉瘤、子宫颈癌和 BRCA2 野生型卵巢癌细胞中，miR-96 通过直接靶向 Rad51 编码区发挥负调控作用，减少 HR 有效修复，使多种肿瘤细胞对顺铂和 PARP 抑制剂敏感性提高。

2.3 Rad51 与肿瘤放疗敏感性的关系

放疗（ionizing radiation，IR）是直接造成 DNA 双链损伤或通过产生活性氧（reactive oxygen species，ROS）导致 DNA 双链断裂，从而杀灭肿瘤细胞的方法[24]。小檗碱是黄连和其他中药的主要生物碱成分，在多种恶性肿瘤中具有抗癌作用。Liu 等[25]将食管鳞状上皮肿瘤细胞经小檗碱预处理，发现 Rad51 表达水平显著降低，且经 X 射线照射后，肿瘤细胞对放疗敏感性提高，而正常组织无变化。转染 Rad51 siRNA 联合放疗，得到相同结果；而外源性引入 Rad51则结果相反，说明黄连主要是通过调控 Rad51 发挥放疗增敏的作用。Gasparini 等[26]发现 TCGA 数据库中乳腺癌患者 Rad51 高表达，并且三阴性乳腺癌患者miR-155 与 Rad51 显著负相关。当在乳腺癌细胞中稳定地过表达 miR-155 后，Rad51 表达水平降低，HR 修复减少，细胞对放疗增敏，增殖能力减弱。

3 Rad51 在不同肿瘤中的表达

3.1 Rad51 与乳腺癌

Alshareeda 等[27]采用免疫组化技术研究发现，Rad51 定位于乳腺癌细胞核和细胞质。与雌激素受体阴性和 BRCA1 受体阴性乳腺癌细胞相比，雌激素受体阳性和 BRCA1 受体阳性的乳腺癌细胞核中 Rad51 表达水平更高。Rad51 在细胞质中的表达和病理特征呈正相关，细胞核内表达和病理特征呈负相关，同时具有胞质高表达和胞核低表达的乳腺癌亚型预后最差，表现为肿瘤体积较大、高等级核多形性有丝分裂比例较高、生存期较短。

3.2 Rad51 与结肠直肠癌

结肠直肠癌是常见的消化道恶性肿瘤。Tennstedt 等[28]研究 1213 例结肠癌组织微阵列发现 46% 患者结肠癌组织中表达 Rad51，且高中低表达分别占 1%、11% 和 34%。与 Rad51 中低表达患者相比，高表达患者中位生存期较短，并且 Rad51 与其他肿瘤预后因素如 p21、MSH、MLH、β-catenin 和 EGFR 显著相关，提示 Rad51 高表达可能与结肠癌恶性进展相关，可作为结肠癌患者预后评估的独立风险因子。Kara 等[29]提取 54 例结肠癌样本和 42 例结肠组织样本总 RNA，进行高通量实时荧光定量 PCR 检测，研究结肠癌中致癌基因和 miRNA 的表达情况。发现与结肠组织相比，结肠癌组织中 ADAMTS1、Rad51、RUNX1、RUNX2、RUNX3、SIRT1 和 WWOX 表达上调，并且 Rad51 上游因子 miR-155-5p、miR-193b-3p和 miR-96-5p 表达也上调。该研究提供了新的结肠癌相关基因以及 miRNA，为结肠癌靶向治疗提供了新的思路。微型染色体维持蛋白（minichromosome maintenance proteins，MCM）复合体是真核细胞 DNA 复制的核心组成部分，在激发 DNA 复制和合成中发挥关键作用。Huang 等[30]采用质谱分析发现沉默 MCM2 或 MCM6 能够减少 Rad51 染色质定位和焦点形成，影响 Rad51 在结肠癌中的定位和表达，干扰 DNA 损伤修复，阻碍恶性肿瘤发生发展。

3.3 Rad51 与肺癌

Qiao 等[31]采用组织芯片技术分析 383 例 NSCLC 组织样本，收集临床和组织病理学信息如年龄、性别、TNM 分期、肿瘤分级等，研究 NSCLC 中 Rad51 表达情况，评价 Rad51 作为预后指标的价值。结果发现，29.4% 患者 Rad51 蛋白定位于细胞核并且高表达，同时高表达患者的中位生存期和 5 年生存率显著降低，其原因可能与化疗耐受有关，并且确定肺癌独立的预后指标有 Rad51、肿瘤分化和临床分期等，该实验为个体化治疗提供了理论依据。

3.4 Rad51 与头颈部鳞癌

Connell 等[32]研究发现 Rad51 定位于人头颈癌（head and neck cancer，HNC）细胞核，并伴随着 PCNA 蛋白表达的升高而升高，且 Rad51 高表达患者较低表达患者存活率更低，其相关机制有待进一步研究。

3.5 Rad51 与软组织肉瘤

Hannay 等[33]采用组织化学分析技术检测 62 例人原发性、复发性、转移性软组织肉瘤（soft tissue sarcoma，STS）中 Rad51 的表达情况，发现仅 3 例无 Rad51 表达，其余细胞核、核周以及细胞质中均有表达。当 STS 中外源性引入野生型 p53 后，Rad51 启动子活性减弱，mRNA 和蛋白表达水平降低，STS对阿霉素增敏。同时发现在 p53 存在下，激活蛋白 2（activator protein 2，AP2）可结合到 Rad51 启动子区域。提示 p53 和 AP2 可通过调控 Rad51 表达影响 STS 化疗的效果，影响 STS 发展进程。

3.6 Rad51 与宫颈癌

Chen 等[34]采用免疫组织化学技术研究宫颈癌（cervical carcinoma，CC）和宫颈组织中 Rad51 表达情况。发现宫颈组织中 Rad51 阳性染色率占 13.95%，CC 组织中 Rad51 阳性染色率占 73.44%。与普通宫颈细胞相比，HeLa 细胞和 Siha 细胞中 Rad51 蛋白表达水平上调。Chen 等进一步研究 Rad51 抑制剂对 CC 细胞增殖的影响，结果发现与对照组相比，抑制剂组细胞生长和细胞活力显著降低。同时在体外移植瘤实验中，抑制剂组肿瘤生长显著受抑。该机制与 Rad51 抑制剂阻碍细胞 G0/G1期向 S 期转变，下调cyclin D1 和上调 p21 抑制肿瘤增殖有关。说明，Rad51 作为 CC 致癌基因，将是一个新的潜在的治疗靶点。

4 问题与展望

电离辐射、缺氧和化疗药物等均可致 DNA 损伤，其中 DSBs 最为严重。若 DSBs 不能修复将导致染色体断裂以及细胞死亡；若修复不当将导致基因组稳定性降低，表现为染色体重排或缺失，最终导致肿瘤的发生。DSBs 的修复方式主要有 HRR 和 NHEJ，其中 HRR 保真度高，对维持基因组的稳定发挥关键作用。研究发现Rad51 作为 HRR 的关键因子，在乳腺癌、结直肠癌、肺癌、头颈部鳞癌、软组织肉瘤和宫颈癌等恶性肿瘤中高表达，导致 DNA 损伤修复能力增强，引起肿瘤细胞对放化疗耐受、侵袭转移能力增强和抗肿瘤治疗疗效不佳。已有很多文献报道，特异性降低 Rad51 表达可使肿瘤细胞对放化疗增敏、减少肿瘤细胞侵袭转移，且 Rad51 抑制剂与 PARP 抑制剂联合治疗具有潜在的临床治疗价值。但是，Rad51 在各肿瘤中的信号通路和相关作用靶点尚未完全阐明。因此，需要进一步探索 Rad51 的作用方式，为Rad51 靶向治疗提供理论依据。

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2018-12-26

10.3969/j.issn.1673-713X.2019.02.014