SOX2/CDX2/HNF4α在结直肠癌中的研究进展

孙妮娜,韩 川,2,倪 阵,3,时永全*

(1空军军医大学西京消化病医院肿瘤生物学国家重点实验室,西安 710032;2火箭军峨眉疗养院消化内科;3中国人民解放军西部战区总医院消化内科;*通讯作者,E-mail:shiyquan@fmmu.edu.cn)

结直肠癌是常见的消化道肿瘤之一,资料显示,全球结直肠癌的发病率位居恶性肿瘤第3位,死亡率位居第2位[1]。结直肠癌发病的地域分布差异较大,其中发达地区发病率较高。我国是结直肠癌的低发区,但发病率呈逐年上升趋势,居恶性肿瘤第3位,死亡率位居恶性肿瘤第5位[2]。5年相对生存率仅为11.60%,已严重威胁人类的健康[3]。

性别决定区Y框蛋白2(SRY-related HMG box-2,SOX2)作为胃特异性转录因子,与胃黏膜的发育分化及表型维持相关。SOX2主要在正常食管及胃上皮中表达,而在正常结肠组织中不表达。近年来,SOX2在包括结直肠癌在内的各种人类恶性肿瘤中的异常表达已被证实。尾侧型同源转录因子2(caudal type homeobox transcription factor-2,CDX2)是正常肠上皮的特异性标记,在肠道上皮细胞的发育分化及表型维持中起着重要的作用。肝细胞核因子(hepatocyte nuclear factor,HNF)4α是核受体超家族的成员,主要在肝脏、肠、胰腺和肾脏中表达。SOX2和CDX2之间可能具有一定的负相关性,在胃肠道分化发育的过程中起相反的作用[4,5]。HNF4α能够诱导食管柱状上皮的产生,可能是诱导柱状上皮化生的关键基因[6]。同时HNF4α能够直接调控CDX2的表达从而启动肠道的发育。SOX2、CDX2、HNF4α在结肠癌中均存在异常表达,且三者之间存在一定的相关性,可能与结肠癌的发生发展、转移及预后等密切相关,但SOX2、CDX2和HNF4α与结肠癌的分子机制还不十分清楚,现就SOX2、CDX2、HNF4α与结肠癌的研究进展综述如下。

1 SOX2与结直肠癌

SOX基因是具有高迁移率族蛋白(high mobility group protein,HMG)结合区域的一类转录因子家族[7]。哺乳动物睾丸决定因子Y染色体性别决定区(sex determining region of Y-chromosome,SRY)基因是Y染色体上的基因片断,含有HMG结构。SOX蛋白是指与SRY基因的HMG结构高度相似的氨基酸。SOX2是SOX基因家族的重要成员,与组织器官的形成发展及细胞命运相关,是诱导干细胞的关键转录因子,也是维持干细胞特性的重要基因,具有干细胞多向分化调控的特性,参与性别决定、骨组织的发育、血细胞生成等多种早期胚胎发育过程。除此之外,其与肿瘤相关性的研究已在实验及临床研究中被广泛开展。多项研究报道结直肠癌组织中存在SOX2的异常表达[8-17],并且可以通过mTOR信号传导途径、Rho-ROCK信号通路调节等参与结直肠癌的进展过程[15,18]。

SOX基因家族参与了结肠上皮细胞的增殖,已经证实,正常成人结肠黏膜组织中无SOX2的表达,但许多研究发现结直肠癌组织中存在SOX2异常表达。Talebi等[12]对20名结肠癌术后的组织学标本进行免疫组化染色后认为,有淋巴结转移者的结肠癌患者中SOX2的染色强度显著强于无淋巴结转移者。Han等[11]对44例结直肠癌患者的免疫组织化学染色(immunohistochemistry,IHC)结果表明,SOX2的表达水平与结肠癌淋巴结转移以及远处转移有显著关系,即在伴随淋巴转移和远处转移的结肠癌患者中SOX2的表达显著高于没有淋巴结转移和远处转移的患者,这与Zheng等[15]的研究结果一致,同时Han等[11]还发现缺乏SOX2的表达与T分期显著相关,在T1-T2期的结直肠癌组织中未见明显表达,而在T3-T4的结直肠癌组织中SOX2的表达明显升高。Lundberg等[13]采用免疫组织化学方法研究了441例结直肠癌(colonrectal cancer,CRC)患者中SOX2的表达,认为SOX2的表达水平还与临床TNM分期和分化程度显著相关,随着TNM分期的逐级进展SOX2的表达也逐渐增加,另外,在中-低分化的结直肠癌患者中SOX2的表达明显高于高-中分化程度者。袁杭[9]选取了88例结直肠癌组织标本进行免疫组化染色,结果显示SOX2的表达与结直肠癌患者的TNM分期、转移(淋巴结转移和/或远处转移)均呈正相关。Lundberg等[13]还认为性别与SOX2的表达具有相关性,且女性患者中SOX2的表达显著高于男性患者。

Takeda等[16]采用qRT-PCR技术检测了130例结直肠癌患者(Ⅰ/Ⅱ/Ⅲ/Ⅳ期:17/38/51/24)中SOX2 mRNA的表达,Kaplan-Meier生存曲线显示,SOX2 mRNA高表达与结直肠癌患者预后不良有关,多因素分析表明SOX2 mRNA高表达是无复发生存率(recurrence free survival,RFS)的独立预后因素。Zheng等[15]认为SOX2高表达组患者术后生存率低于SOX2低表达组的患者。因此,结直肠癌中SOX2的表达水平与患者不良预后有关,提示SOX2可以作为预测结肠癌转移和预后情况的一个生物学指标。共有2篇文献支持这种观点[12,13]。

SOX2为胃特异性转录因子,在消化道器官早期发育和肿瘤的发生过程中起着十分重要的作用。上述研究表明,SOX2在分化程度差、伴有淋巴结和远处转移的结直肠癌组织中明显表达,说明SOX2可能通过调控某些信号通路促进结直肠癌细胞的增殖、侵袭和迁移过程,同时SOX2的过表达可以促进细胞向恶性表型转化,在结直肠癌的发生发展过程中起着促癌的作用,但这还需要进一步研究证实。另外,SOX2高表达与结直肠癌患者预后较差相关,提示SOX2是可以作为判断结直肠癌患者预后的一个重要指标,可能作为结直肠癌治疗的新靶点。

2 CDX2与结直肠癌

CDX2是尾型同源盒基因家族成员之一,基因全长22-23 kb,位于染色体的13q12-13,由3个外显子和2个内含子构成。主要通过介导Hox基因的表达维持肠上皮细胞的正常形态。在人类,从胚胎发育的第6周开始就可检测出CDX2表达,其通过转录因子的形式调节DNA表达,参与肠上皮细胞发育过程中多个步骤的调节,包括细胞增殖、分化、黏附、迁移以及癌变,尤其是在早期肠分化过程中起重要作用。但CDX2表达仅局限于肠道上皮细胞,否则就提示肿瘤有向肠型分化的趋势[19]。同时,CDX2在维持肠上皮细胞分化的稳定性上承担十分重要的角色,CDX2基因缺失或表达受阻将导致肠上皮进一步分化,即由肠型上皮细胞替代鳞状上皮细胞,从而出现癌变[20]。在结直肠中CDX2基因起肿瘤抑制作用,但具体机制目前尚不清楚。不过,有文献报道,CDX2过表达的慢病毒载体在体外可以抑制人结直肠癌细胞增殖[21]。另外,CDX2可能通过激活GSK-3β和Axin 2的表达而抑制Wnt/β-catenin信号转导途径,从而抑制结肠癌细胞的增殖和肿瘤形成[22]。

CDX2在正常结肠直肠上皮中以高水平表达,但在结直肠癌(CRC)患者中可以看到其表达减少或丧失。Zhang等[23]应用免疫组化方法检测了145例转移性CRC患者(66例CDX2阴性患者和79例CDX2阳性患者),结果显示CDX2表达与肿瘤分化程度,肿瘤TNM分期和淋巴结转移呈负相关,即在低、未分化的结直癌中的表达低于高中分化的结直肠癌;有淋巴结转移的结直癌中的表达低于无淋巴结转移的结直肠癌;在Ⅲ+Ⅳ期的表达明显低于Ⅰ+Ⅱ期,而与年龄、性别或肿瘤的位置和大小无关。共4篇文献支持这种观点[17,24-26]。同时,Zhang等[23]发现CDX2阴性转移性结直肠癌患者在女性中明显多见。有2篇文献认为CDX2在侵及肌层的表达低于未侵及肌层的结直癌中的表达[25,27]。4篇文献认为CDX2在结直肠癌中的表达与肿瘤的定位有关,在右侧结直肠癌中的表达明显低于左侧结肠癌和直肠[17,25,28,29]。Dawson等[25]应用免疫组化方法检测220例原发性结直肠癌患者中CDX2的表达,认为随着肿瘤原发灶的不断扩大,其CDX2的表达水平逐渐降低。Bae等[24]通过免疫组织化学方法评估了713例CRC患者中CDX2的表达,认为CDX2表达降低与组织学分型相关,且在蕈伞型中的表达明显高于溃疡型。Dawson等[27]选取了201例原发性结直肠癌组织切片进行免疫组织化学检查,CDX2表达降低与神经周围浸润显著相关。

大量研究结果表明,CDX2的表达下降与CRC患者预后不良有关[17,23,24,26,27,29-36]。

目前,多数研究结果均支持CDX2是一种抑癌基因,在大部分结直肠癌组织中都会出现CDX2的表达下调或者缺失,而正常结直肠上皮细胞的分化功能障碍和肿瘤细胞的异常增殖都与CDX2的表达降低有关,提示CDX2在结直肠癌的发生、发展、转移等过程中起着重要作用,同时也是判断结直肠癌恶性程度、自然病程和预后的评估指标。

3 HNF4α与结直肠癌

肝细胞核因子(HNF)4α属于细胞核受体超家族成员,在分化成熟的肝细胞中高表达。HNF4α在转录水平上调控肝脏特异基因的表达,促进肝细胞的发育和分化,参与肝细胞极性的建立和维持,增强肝脏的合成、代谢以及解毒功能。HNF4α有9种同源异构体,HNF4α 1-6由P1启动子驱动,HNF4α 7-9由P2启动子驱动,P1和P2启动子驱动的HNF4α分布不同。P1-HNF4α在小肠、结肠、肝细胞、肾和附睾中表达,而P2-HNF4α在胃、小肠、结肠、胆管、胰腺和附睾中表达[37]。

近来关于HNF4α在结直肠癌中表达的研究结果是相互矛盾的,有文献提出HNF4α在结肠直肠癌中下调并表现出肿瘤抑制功能,可能通过Wnt/β-catenin信号通路促进EMT并影响细胞凋亡和细胞周期进程,从而在结肠癌加重过程中起关键作用[38]。Saandi等[39]认为CDX2是结肠发育和内稳态的重要调节剂,其在结肠直肠癌中下调并表现出肿瘤抑制功能。HNF4α和CDX2在人CRC和小鼠肠道肿瘤模型中表现出类似的改变模式。在小鼠结肠中敲除成体肠中的HNF4α基因,用siRNA敲低人结肠癌细胞中的HNF4α后,CDX2的表达均明显降低。最后,用致癌剂氧化偶氮甲烷(azoxymethane,AOM)处理敲除HNF4α后CDX2表达减少的小鼠,发现与野生型小鼠相比,其较早发展为结肠直肠肿瘤,表明与CDX2相似,HNF4α在结肠中发挥肿瘤抑制功能。而另有研究报道HNF4α与结直肠肿瘤的发生密切相关,Schwartz等[40]通过评估HNF4α拮抗剂和HNF4α siRNA对小鼠体内培养的结直肠癌细胞和异种移植裸鼠中结直肠癌生长和增殖的影响,验证了HNF4α的表达对于结直肠癌细胞的存活至关重要,并能促进小鼠肠道息肉病的发生[41]。

但目前更倾向的研究内容是关于HNF4α在结直肠癌中的二分作用,即P1-HNF4α和P2-HNF4α在结直肠癌中可能发挥着不同的作用。Oshima等[42]应用免疫组化方法检测HNF4α在63例结直肠癌患者标本中的表达情况,发现在37例(59%)、63例(100%)结直肠癌患者中分别观察到P1和P2阳性表达。HNF4α表达下降与肿瘤的浸润深度、临床分期、肝转移相关:Dukes’C和D肿瘤中P1阳性表达显著低于Dukes’A和B肿瘤患者;P1表达缺失与异时性肝转移之间存在相关性,原发性结直肠癌中异时性肝转移患者P1的阳性表达明显低于无肝转移者;关于临床分期方面,在T2、T3、T4期患者中分别观察到86%(6/7),62%(24/39),41%(7/17)的P1-HNF4α阳性表达,并且T2和T4期之间存在显著差异。Yao等[38]选取结肠炎标本10例,低度上皮内瘤变14例,高度上皮内瘤变组织11例和89个原发性结肠癌标本和配对的相邻非癌性结肠黏膜组织中进行IHC分析,结果显示,HNF4α的阳性表达率分别为100%,85.71%,72.73%,41.57%,在结肠癌中的表达率明显低于其相邻非癌性结肠黏膜组织。P1-HNF4α和P2-HNF4α的表达与结肠癌患者的pT分型、淋巴结转移、远处转移和临床分期有关,与分化程度、年龄、性别、组织学分型无关。P1-HNF4α随着临床分期和T分期的逐级递增其表达逐渐降低,在淋巴结转移组和远处转移组的表达水平也明显低于无淋巴结转移组和无远处转移组。而P2-HNF4α随着临床分期和T分期的逐级递增其表达逐渐升高,但是在伴有远处转移组和淋巴结转移组的表达水平明显高于无淋巴结转移组和无远处转移组。

Oshima等[42]分析了34例在原发性CRC切除时没有肝转移患者的存活率,其中原发性结直肠癌P1-HNF4α染色阳性21例,阴性13例,发现无肝转移的P1阴性患者的生存率往往比P1阳性患者差。Yao等[38]认为,与HNF4α高表达患者相比,低表达患者3年无进展生存期和总生存期较差。HNF4α低表达是3年无进展生存期(progression free survival,PFS)的独立预后因素。

研究发现[43-45],P1-HNF4α与CDX2相似,在结肠直肠肿瘤中的表达水平显著下调,而P2-HNF4α的表达水平未见显著变化,提示P1-HNF4α和P2-HNF4α可能在结直肠癌的发生过程中发挥着不同的功能。另外,P1-HNF4α主要在人结肠隐窝的上半部分分化区中表达,而P2-HNF4α主要在下半部分增殖区中表达。这些资料表明P1-HNF4α可能和CDX2的作用类似,扮演着抑癌的角色,能够调节结直肠细胞的代谢和分化等相关基因,而两者的异常表达可以引起结直肠癌细胞代谢、分化功能障碍,而P2-HNF4α基因主要与细胞异常增殖相关,可以促进结直肠癌细胞的存活和进展。

4 小结

SOX2、CDX2和HNF4α不仅与结肠癌的发生、发展、转移有一定关系,而且与许多常见的肿瘤的发生、发展、转移都存在密切的联系。然而其与肿瘤的发生机制以及与其他已知的促癌基因、信号传导通路之间的关系均不清楚。因此需要更深入全面的研究,我们期待随着这几个分子在结肠癌中的进一步研究能为肿瘤的早期诊断、指导临床治疗以及判断预后提供新的方向。